KR102336714B1 - Anisotropic media for full transmission of obliquely incident elastic waves - Google Patents

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KR102336714B1
KR102336714B1 KR1020200014525A KR20200014525A KR102336714B1 KR 102336714 B1 KR102336714 B1 KR 102336714B1 KR 1020200014525 A KR1020200014525 A KR 1020200014525A KR 20200014525 A KR20200014525 A KR 20200014525A KR 102336714 B1 KR102336714 B1 KR 102336714B1
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예는 서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 경사입사했을 때 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시키도록 설계된 이방성 매질을 이용하여 종파와 횡파를 모두 고려한 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 종파와 횡파를 포함하며 미리 설정된 경사각도를 갖고 경사입사하는 입사탄성파가 투과되는 입사매질, 종파와 횡파를 포함하는 투과탄성파가 투과되는 투과매질, 그리고 입사매질과 투과매질 사이에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 투과는 차단하고, 미리 설정된 투과모드의 투과탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함하며, 완전투과 조건은 이방성 매질 내에서 종파와 횡파의 상호 결합으로 나타나는 고유모드의 파수 관계를 나타내는 수학식(1)의 위상매칭조건, 그리고 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타내는 수학식(2)의 편광매칭조건을 포함한다.An embodiment of the present invention provides an anisotropic medium for complete transmission of an obliquely incident elastic wave considering both longitudinal and transverse waves by using an anisotropic medium designed to completely transmit an elastic wave of a desired mode when an elastic wave is obliquely incident on the boundary between different media. it is for The anisotropic medium for complete transmission of an obliquely incident acoustic wave according to an embodiment of the present invention includes an incident medium including longitudinal and transverse waves and through which an inclined incident acoustic wave having a preset angle of inclination is transmitted, and a transmission acoustic wave including longitudinal and transverse waves is transmitted. It is provided between the transmission medium and the incident medium and the transmission medium, and as it satisfies the preset complete transmission condition, it blocks transmission of the preset reflected acoustic wave, and includes an anisotropic medium that completely transmits the transmission acoustic wave of the preset transmission mode, The perfect transmission condition is the phase matching condition of Equation (1), which represents the wavenumber relationship of the eigenmode, which is expressed by the mutual coupling of longitudinal and transverse waves in an anisotropic medium, and Equation (2), which represents the relationship between the polarization vector and amplitude of the eigenmode. ) including polarization matching conditions.

Description

경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질{ANISOTROPIC MEDIA FOR FULL TRANSMISSION OF OBLIQUELY INCIDENT ELASTIC WAVES}Anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves

본 발명은 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질에 관한 것이다.The present invention relates to an anisotropic medium for complete transmission of obliquely incident acoustic waves.

일반적으로, 서로 다른 매질의 경계에 파동이 입사하면 필연적으로 일부 파동은 반사되고, 일부 파동만 투과한다. 그러나 표적 시스템으로 파동을 완전히 투과시키는 것은 산업 현장의 주요 관심사이다. 이러한 상황에서 파동의 투과율을 극대화시키는 기술은 지속적으로 연구되어 왔다. 파동의 완전투과란 한 매질에서 입사한 파동이 100% 효율로 다른 매질로 투과하는 현상을 의미한다.In general, when a wave is incident on the boundary between different media, some waves are inevitably reflected and only some waves are transmitted. However, full penetration of the wave into the target system is a major concern in the industry. In this situation, the technology for maximizing the transmittance of the wave has been continuously studied. Full penetration of a wave means a phenomenon in which a wave incident from one medium is transmitted to another medium with 100% efficiency.

고전적인 완전투과 기술로는 단일모드에 적용되는 파브리-페로 공진 현상과 임피던스 매칭 기술이 있다. 동일한 매질의 경계에 단일계층의 매질이 삽입되어 있는 경우, 계층의 두께가 입사파 파장 절반의 정수배가 되면 파동이 계층을 완전투과하게 되는데 이를 파브리-페로 공진현상이라고 한다. 서로 다른 매질의 경계에 단일계층의 매질이 삽입되어 있는 경우, 계층의 두께가 입사파 파장 1/4의 정수배가 되고 계층의 임피던스가 두 매질의 임피던스의 기하평균이면 파동이 계층을 완전투과하게 되고, 이를 임피던스 매칭이라고 한다.Classical full-transmission technology includes Fabry-Perot resonance applied to single mode and impedance matching technology. When a single-layer medium is inserted at the boundary of the same medium, when the thickness of the layer is an integer multiple of half the wavelength of the incident wave, the wave completely penetrates the layer, which is called Fabry-Perot resonance. When a single layer medium is inserted at the boundary between different mediums, if the layer thickness is an integer multiple of 1/4 of the wavelength of the incident wave and the layer impedance is the geometric mean of the impedances of the two media, the wave will completely penetrate the layer. , this is called impedance matching.

탄성파는 매질을 구성하는 원자간 결합으로 인해 종파와 횡파가 모두 존재하여 매질 경계에서의 반사 및 투과가 훨씬 복잡하게 일어난다. 종래 탄성파 완전투과 기술의 가장 큰 한계는 수직입사에 국한된다는 점이다. 일반적으로 탄성파가 서로 다른 매질의 경계에 경사입사 하게 되면 종파와 횡파가 모두 반사되고, 종파와 횡파가 모두 투과되게 된다. 기존 기술로는 이러한 상황에서 원하는 모드의 탄성파를 표적 시스템으로 완전히 투과시킬 수 없다. 그러나 경사입사 탄성파는 시편 결함의 광범위한 비파괴검사에 활용되는 등 그 산업적 활용도가 크며, 기존의 기술적 한계인 경사입사 탄성파의 낮은 투과율을 극복할 수 있는 기술이 요구되는 상황이다.In elastic waves, both longitudinal and transverse waves exist due to the bonding between atoms constituting the medium, so reflection and transmission at the boundary of the medium are much more complicated. The biggest limitation of the conventional fully permeable acoustic wave technology is that it is limited to normal incidence. In general, when seismic waves are obliquely incident on the boundary between different media, both longitudinal and transverse waves are reflected, and both longitudinal and transverse waves are transmitted. The existing technology cannot completely transmit the desired mode of acoustic wave to the target system in this situation. However, oblique incident seismic waves have great industrial utility, such as being used for a wide range of non-destructive testing of specimen defects, and a technology that can overcome the low transmittance of oblique incident seismic waves, which is the existing technical limitation, is required.

본 발명의 실시예는 서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 경사입사했을 때 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시키도록 설계된 이방성 매질을 이용하여 종파와 횡파를 모두 고려한 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention provides an anisotropic medium for complete transmission of an obliquely incident elastic wave considering both longitudinal and transverse waves by using an anisotropic medium designed to completely transmit an elastic wave of a desired mode when an elastic wave is obliquely incident on the boundary between different media. it is for

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 종파와 횡파를 포함하며 미리 설정된 경사각도를 갖고 경사입사하는 입사탄성파가 투과되는 입사매질, 종파와 횡파를 포함하는 투과탄성파가 투과되는 투과매질, 그리고 입사매질과 투과매질 사이에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 투과는 차단하고, 미리 설정된 투과모드의 투과탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함하며, 완전투과 조건은 이방성 매질 내에서 종파와 횡파의 상호 결합으로 나타나는 고유모드의 파수 관계를 나타내는 수학식(1)의 위상매칭조건, 그리고 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타내는 수학식(2)의 편광매칭조건을 포함한다.The anisotropic medium for complete transmission of an obliquely incident acoustic wave according to an embodiment of the present invention includes an incident medium including longitudinal and transverse waves and through which an inclined incident acoustic wave having a preset angle of inclination is transmitted, and a transmission acoustic wave including longitudinal and transverse waves is transmitted. It is provided between the transmission medium and the incident medium and the transmission medium, and as it satisfies the preset complete transmission condition, it blocks transmission of the preset reflected acoustic wave, and includes an anisotropic medium that completely transmits the transmission acoustic wave of the preset transmission mode, The perfect transmission condition is the phase matching condition of Equation (1), which represents the wavenumber relationship of the eigenmode, which is expressed by the mutual coupling of longitudinal and transverse waves in an anisotropic medium, and Equation (2), which represents the relationship between the polarization vector and amplitude of the eigenmode. ) including polarization matching conditions.

수학식(1)Equation (1)

Figure 112020012825385-pat00001
Figure 112020012825385-pat00001

(

Figure 112020012825385-pat00002
: 고유모드 i의 파수(i=1,2,3,4), d: 이방성 매질의 두께, l, m, n: 정수)(
Figure 112020012825385-pat00002
: wavenumber of eigenmode i (i=1,2,3,4), d: thickness of anisotropic medium, l, m, n: integer)

수학식(2)Equation (2)

Figure 112020012825385-pat00003
Figure 112020012825385-pat00003

(

Figure 112020012825385-pat00004
: 입사종파의 입사각,
Figure 112020012825385-pat00005
: 입사횡파의 입사각,
Figure 112020012825385-pat00006
: 투과종파의 굴절각,
Figure 112020012825385-pat00007
: 투과횡파의 굴절각,
Figure 112020012825385-pat00008
: 고유모드 i의 파수,
Figure 112020012825385-pat00009
: 고유모드 i의 편광벡터,
Figure 112020012825385-pat00010
: 고유모드 i의 변위진폭(i=1,2,3,4))(
Figure 112020012825385-pat00004
: the angle of incidence of the incident longitudinal wave,
Figure 112020012825385-pat00005
: the angle of incidence of the incident transverse wave,
Figure 112020012825385-pat00006
: the angle of refraction of the transmitted longitudinal wave,
Figure 112020012825385-pat00007
: the angle of refraction of the transmitted transverse wave,
Figure 112020012825385-pat00008
: wavenumber of eigenmode i,
Figure 112020012825385-pat00009
: polarization vector of eigenmode i,
Figure 112020012825385-pat00010
: Displacement amplitude of eigenmode i (i=1,2,3,4))

입사매질과 투과매질은 서로 다른 매질을 포함할 수 있다.The incident medium and the transmission medium may include different media.

이방성 매질은 입사매질과 투과매질 사이에서 입사매질의 경계면과 투과매질의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접할 수 있다.The anisotropic medium may be in contact with each other by surface contact between the incident medium and the permeation medium at the interface of the incident medium and the interface of the permeation medium, respectively.

투과모드는 입사탄성파와 투과탄성파의 모드가 같은 보존모드, 그리고 입사탄성파와 투과탄성파의 모드가 변환되는 변환모드를 포함할 수 있다.The transmission mode may include a conservation mode in which the modes of the incident acoustic wave and the transmission acoustic wave are the same, and a conversion mode in which the modes of the incident acoustic wave and the transmitted acoustic wave are converted.

이방성 매질은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함할 수 있다. 탄성메타물질은 단위 셀의 미소구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열될 수 있다. 여기서, 미소구조는 직사각형과 두 개의 반원을 포함하는 슬릿 형상을 가질 수 있다. 미소구조는 미리 설정된 설계변수를 포함하며, 설계변수는 단위 셀 중심에 위치한 첫 번째 슬릿의 길이(

Figure 112020012825385-pat00011
), 반지름(
Figure 112020012825385-pat00012
), 회전각(
Figure 112020012825385-pat00013
)과 단위 셀 꼭지점에 위치한 두 번째 슬릿의 길이(
Figure 112020012825385-pat00014
), 반지름(
Figure 112020012825385-pat00015
), 회전각(
Figure 112020012825385-pat00016
), 단위 셀의 크기(a), 단위 셀의 개수(
Figure 112020012825385-pat00017
)를 포함할 수 있다.The anisotropic medium may include an elastic metamaterial including a preset microstructure. In the elastic metamaterial, the microstructures of the unit cells may be periodically arranged in vertical, horizontal, and vertical directions. Here, the microstructure may have a slit shape including a rectangle and two semicircles. The microstructure includes a preset design variable, and the design variable is the length of the first slit located at the center of the unit cell (
Figure 112020012825385-pat00011
), radius(
Figure 112020012825385-pat00012
), rotation angle (
Figure 112020012825385-pat00013
) and the length of the second slit located at the vertex of the unit cell (
Figure 112020012825385-pat00014
), radius(
Figure 112020012825385-pat00015
), rotation angle (
Figure 112020012825385-pat00016
), the size of the unit cell (a), the number of unit cells (
Figure 112020012825385-pat00017
) may be included.

서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에서 종파와 횡파를 모두 고려한 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 통해 서로 다른 입사매질과 투과매질에 대하여 경사입사한 탄성파를 보존모드 (종파->종파, 횡파->횡파) 또는 변환모드(종파->횡파, 횡파->종파)로 완전투과 시킬 수 있는 효과가 있다. Conservation mode (longitudinal wave -> longitudinal wave, transverse wave - > Transverse wave) or conversion mode (longitudinal wave -> transverse wave, transverse wave -> longitudinal wave) has the effect of completely transmitting.

또한, 산업적으로는 시편 결함의 광범위한 비파괴검사에 활용되는 탄성초음파의 투과율을 개선하는 등의 효과가 있다.In addition, industrially, there is an effect such as improving the transmittance of acoustic ultrasonic waves used for a wide range of non-destructive inspection of specimen defects.

도 1은 입사매질에서 투과매질로 입사탄성파가 경사입사하는 상황을 도시한 도면이다.
도 2는 입사매질과 투과매질의 경계에 공학적으로 설계된 이방성 매질을 삽입하여 입사탄성파가 원하는 모드의 투과탄성파로 완전투과하는 상황을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 이방성 매질을 구현하기 위해 공학적으로 설계된 탄성메타물질의 미소구조를 도시한 도면이다.
도 4는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 5a는 입사매질에 미소구조를 설계 및 제작하여 입사탄성파를 원하는 모드의 투과탄성파로 완전투과 시키는 상황을 도시한 도면이다.
도 5b는 투과매질에 미소구조를 설계 및 제작하여 입사탄성파를 원하는 모드의 투과탄성파로 완전투과 시키는 상황을 도시한 도면이다.
도 6a는 비교예에 따른 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명을 적용한 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 7a는 비교예에 따른 웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 7b는 본 발명을 적용한 메타웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 8a는 비교예에 따른 의료용 초음파 기기에서 발생한 초음파가 인체조직으로 투과하는 상황을 도시한 도면이다.
도 8b는 비교예에 따른 의료용 초음파 기기에 본 발명에서 제안하는 이방성 매질을 삽입한 뒤 인체조직으로 탄성파를 투과시키는 상황을 도시한 도면이다.
도 9는 서로 다른 두 매질의 경계에 이방성 매질을 삽입하여 입사탄성파가 입사했을 때 반사탄성파가 존재하지 않는 무반사 필름 또는 완전흡수 필름을 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a situation in which an incident acoustic wave is obliquely incident from an incident medium to a transmission medium.
2 is a diagram illustrating a situation in which an incident acoustic wave is completely transmitted as a transmission acoustic wave of a desired mode by inserting an engineered anisotropic medium at the boundary between the incident medium and the transmission medium.
3 is a view showing the microstructure of the elastic metamaterial engineered to implement the anisotropic medium proposed in the present invention.
4 is a diagram illustrating the operating principle of an anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave.
5A is a diagram illustrating a situation in which an incident acoustic wave is completely transmitted as a transmission acoustic wave of a desired mode by designing and manufacturing a microstructure in an incident medium.
5B is a diagram illustrating a situation in which an incident acoustic wave is completely transmitted into a transmission acoustic wave of a desired mode by designing and manufacturing a microstructure in a transmission medium.
6A is a diagram illustrating an operating principle of a transducer according to a comparative example.
Figure 6b is a view showing the operating principle of the transducer to which the present invention is applied.
7A is a diagram illustrating an operating principle of a wedge-based pipe inspection according to a comparative example.
Figure 7b is a view showing the operating principle of the meta wedge-based pipe inspection to which the present invention is applied.
8A is a diagram illustrating a situation in which ultrasound generated by a medical ultrasound apparatus according to a comparative example penetrates into a human tissue.
8B is a diagram illustrating a situation in which an elastic wave is transmitted through a human tissue after the anisotropic medium proposed in the present invention is inserted into a medical ultrasound device according to a comparative example.
9 is a diagram illustrating an anti-reflective film or a completely absorbing film in which a reflected acoustic wave does not exist when an incident acoustic wave is incident by inserting an anisotropic medium at the boundary between two different media.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 비스듬히 입사하면 필연적으로 일부 파동(종파 및 횡파)은 반사되고, 일부 파동(종파 및 횡파)만 투과한다. 이러한 상황에 대한 개념도는 도 1에 나타난다.When an elastic wave is obliquely incident on the boundary between different media, inevitably some waves (longitudinal and transverse waves) are reflected and only some waves (longitudinal and transverse waves) are transmitted. A conceptual diagram of this situation is shown in FIG. 1 .

도 1은 입사매질(101)에서 투과매질(102)로 입사탄성파(103)가 비스듬히 입사하는 상황을 도시한다. 여기서, 입사탄성파(103)는 일반성을 잃지 않고 종파로 가정할 수 있다. 그리고 입사탄성파(103)는 횡파인 경우에도 같은 논리의 적용이 가능하다. 일반적인 경우 반사되는 종파(104), 반사되는 횡파(105), 투과하는 종파(106), 투과하는 횡파(107)가 모두 존재한다. 반사되는 파동의 반사각과 세기, 투과되는 파동의 굴절각과 세기는 입사매질과 반사매질의 물성, 입사탄성파의 입사각(108)에 의해 결정된다.1 illustrates a situation in which an incident acoustic wave 103 is obliquely incident from an incident medium 101 to a transmission medium 102 . Here, the incident acoustic wave 103 may be assumed to be a longitudinal wave without loss of generality. In addition, the same logic can be applied to the incident acoustic wave 103 even when it is a transverse wave. In general, a reflected longitudinal wave 104 , a reflected transverse wave 105 , a transmissive longitudinal wave 106 , and a transmissive transverse wave 107 exist. The reflection angle and intensity of the reflected wave and the refraction angle and intensity of the transmitted wave are determined by the physical properties of the incident medium and the reflective medium, and the incident angle 108 of the incident acoustic wave.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 공학적으로 종파와 횡파를 모두 고려하여 설계된 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 서로 다른 매질의 경계에 삽입함으로써 서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 경사 입사했을 때 원치 않는 반사탄성파를 없애고 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시키는 경사입사 탄성파 완전투과를 구현할 수 있다. 이에 대한 개념도는 도 2에 나타난다.The anisotropic medium for complete transmission of an oblique incident acoustic wave according to an embodiment of the present invention inserts an anisotropic medium for complete transmission of an oblique incident acoustic wave engineered in consideration of both longitudinal and transverse waves into the boundary of different media, thereby providing an elastic wave at the boundary of different media. When is obliquely incident, it is possible to achieve complete transmission of the oblique incident acoustic wave, which eliminates the unwanted reflected acoustic wave and completely transmits the desired mode acoustic wave. A conceptual diagram for this is shown in FIG. 2 .

도 2는 입사매질(201)과 투과매질(202) 사이에 이방성 매질(203)을 삽입하여 입사탄성파(204)가 투과탄성파(205)로 완전투과하는 상황을 도시한다. 일반적인 탄성파의 반사 및 투과와 달리 원치 않는 반사탄성파가 없으며, 원하는 모드의 탄성파가 완전투과된다. 입사탄성파(204)는 종파 또는 횡파가 될 수 있으며, 투과탄성파(205)도 종파 또는 횡파가 될 수 있어 총 4가지 형태의 완전투과(종파->종파, 횡파->횡파, 종파->횡파, 횡파->종파)가 가능하며 이는 서로 다른 이방성 매질(203)을 통해 구현할 수 있다. 이때 입사탄성파(204)와 투과탄성파(205)의 모드가 같은 경우를 보존모드(종파->종파, 횡파->횡파) 완전투과라 하고, 입사탄성파(204)와 투과탄성파(205)의 모드가 다른 경우를 변환모드(종파->횡파, 횡파->종파) 완전투과라 한다.FIG. 2 shows a situation in which the incident acoustic wave 204 completely transmits into the transmission acoustic wave 205 by inserting the anisotropic medium 203 between the incident medium 201 and the transmission medium 202 . Unlike reflection and transmission of general acoustic waves, there is no unwanted reflection acoustic waves, and elastic waves of a desired mode are completely transmitted. The incident acoustic wave 204 can be a longitudinal wave or a transverse wave, and the transmitted acoustic wave 205 can also be a longitudinal wave or a transverse wave, so that a total of four types of complete transmission (longitudinal wave -> longitudinal wave, transverse wave -> transverse wave, longitudinal wave -> transverse wave, transverse wave->longitudinal wave) is possible, which can be implemented through different anisotropic media 203 . At this time, a case in which the incident acoustic wave 204 and the transmitted acoustic wave 205 have the same mode is called conservation mode (longitudinal wave->longitudinal wave, transverse wave->transverse wave) complete transmission, and the modes of the incident acoustic wave 204 and the transmitted acoustic wave 205 are In another case, the conversion mode (longitudinal wave->transverse wave, transverse wave->longitudinal wave) is called complete transmission.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 설계 시스템이 주어졌을 때(주파수, 입사각, 입사탄성파의 모드, 투과탄성파의 모드, 입사매질의 물성, 투과매질의 물성, 이방성 매질의 두께 등이 결정되어 있는 상황) 경사 입사한 입사탄성파(204)를 원하는 모드의 투과탄성파(205)로 표적 시스템에 완전히 투과시키기 위해 이방성 매질(203)이 만족해야 하는 수식적인 조건을 제시한다. 이를 위해서는 이방성 매질(203)이 두 조건을 만족해야 한다. 하나는 위상매칭조건(phase matching condition)이고, 다른 하나는 편광매칭조건(polarization matching condition)이다.The anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave according to an embodiment of the present invention, when a design system is given (frequency, angle of incidence, mode of incident acoustic wave, mode of transmitted acoustic wave, physical properties of incident medium, physical properties of transmission medium, and anisotropic medium) In order to completely transmit the obliquely incident acoustic wave 204 into the target system as the transmission acoustic wave 205 of the desired mode, the mathematical condition that the anisotropic medium 203 must satisfy is presented. For this, the anisotropic medium 203 must satisfy two conditions. One is a phase matching condition, and the other is a polarization matching condition.

이방성 매질(203)에서는 종파와 횡파가 서로 결합되어 나타나며, 총 4개의 고유모드가 존재한다. 각 고유모드의 파수를

Figure 112020012825385-pat00018
, 편광벡터를
Figure 112020012825385-pat00019
, 변위진폭을
Figure 112020012825385-pat00020
라 설정한다. 위상매칭조건은 고유모드의 파수 사이의 관계를 나타낸다. 입사경계면과 투과경계면에서 고유모드의 위상 차이는 항상 П의 정수배가 되어야 한다. 이때, 모든 위상 차이가 П의 짝수배가 되면, 완전투과가 일어날 수 없기 때문에 하나 이상의 위상 차이는 П의 홀수배가 되어야 한다. 이방성 매질의 두께를 d라 하면 위상매칭조건은 수학식 1과 같이 주어진다.In the anisotropic medium 203, longitudinal and transverse waves are combined with each other, and there are a total of four eigenmodes. The wavenumber of each eigenmode
Figure 112020012825385-pat00018
, the polarization vector
Figure 112020012825385-pat00019
, the displacement amplitude
Figure 112020012825385-pat00020
set to The phase matching condition represents the relationship between the wavenumbers of the eigenmodes. The phase difference of the eigenmodes at the incident interface and the transmission interface should always be an integer multiple of П. At this time, if all the phase differences are even multiples of П, at least one phase difference must be an odd multiple of П because perfect transmission cannot occur. If the thickness of the anisotropic medium is d, the phase matching condition is given as in Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020012825385-pat00021
Figure 112020012825385-pat00021

(

Figure 112020012825385-pat00022
: 고유모드 i의 파수(i=1,2,3,4), d: 이방성 매질의 두께, l, m, n: 정수)(
Figure 112020012825385-pat00022
: wavenumber of eigenmode i (i=1,2,3,4), d: thickness of anisotropic medium, l, m, n: integer)

편광매칭조건은 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타낸다. 입사경계면에서 고유모드의 변위벡터 합은 입사탄성파(204)의 변위벡터와 일치해야 한다. 이 조건이 만족되면 반사되는 탄성파가 존재하지 않게 된다. 그리고 투과경계면에서 고유모드의 변위벡터 합은 원하는 모드의 투과탄성파(205)의 변위벡터와 평행해야 한다. 이 조건이 만족되면 원하는 모드(종파 또는 횡파)의 투과탄성파(205)만 순수하게 투과된다. 종합하면 이방성 매질(203)이 편광매칭조건을 만족하면 반사되는 탄성파 없이 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시킬 수 있다. 편광매칭조건은 수학식 2와 같이 주어진다.The polarization matching condition represents the relationship between the polarization vector and the amplitude of the eigenmode. The sum of the displacement vectors of the eigenmode at the incident boundary surface must match the displacement vector of the incident acoustic wave 204 . When this condition is satisfied, there is no reflected acoustic wave. In addition, the sum of the displacement vectors of the eigenmode at the transmission interface must be parallel to the displacement vector of the transmission acoustic wave 205 of the desired mode. When this condition is satisfied, only the transmitted acoustic wave 205 of the desired mode (longitudinal wave or transverse wave) is transmitted purely. In summary, if the anisotropic medium 203 satisfies the polarization matching condition, it is possible to completely transmit an acoustic wave of a desired mode without a reflected acoustic wave. The polarization matching condition is given by Equation (2).

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020012825385-pat00023
Figure 112020012825385-pat00023

(

Figure 112020012825385-pat00024
: 입사종파의 입사각,
Figure 112020012825385-pat00025
: 입사횡파의 입사각,
Figure 112020012825385-pat00026
: 투과종파의 굴절각,
Figure 112020012825385-pat00027
: 투과횡파의 굴절각,
Figure 112020012825385-pat00028
: 고유모드 i의 파수,
Figure 112020012825385-pat00029
: 고유모드 i의 편광벡터,
Figure 112020012825385-pat00030
: 고유모드 i의 변위진폭(i=1,2,3,4)) (
Figure 112020012825385-pat00024
: the angle of incidence of the incident longitudinal wave,
Figure 112020012825385-pat00025
: the angle of incidence of the incident transverse wave,
Figure 112020012825385-pat00026
: the angle of refraction of the transmitted longitudinal wave,
Figure 112020012825385-pat00027
: the angle of refraction of the transmitted transverse wave,
Figure 112020012825385-pat00028
: wavenumber of eigenmode i,
Figure 112020012825385-pat00029
: polarization vector of eigenmode i,
Figure 112020012825385-pat00030
: Displacement amplitude of eigenmode i (i=1,2,3,4))

수학식 1과 수학식 2에 포함되는 문자는 주파수, 입사각, 입사탄성파(204)의 모드, 투과탄성파(205)의 모드, 입사매질(201)의 물성, 투과매질(202)의 물성, 이방성 매질(203)의 두께가 주어진 경우 이방성 매질(203)의 물성으로 표현 가능하다. 그리고 이방성 매질(203)의 물성은 질량밀도(ρ)와 6개의 탄성계수(C11, C22, C66, C12, C16, C26)로 주어지므로 총 7개의 설계 변수를 포함할 수 있다. 즉, 만족해야하는 수식의 개수(6개) 보다 설계 변수의 개수(7개)가 더 많기 때문에, 원하는 설계 시스템에 대해서 이방성 매질(203)을 적절히 설계하여 경사입사 탄성파의 완전투과를 항상 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재, 공학적으로 설계된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial) 등이 포함될 수 있다. 탄성메타물질을 이용한 이방성 매질의 구현은 구체적인 실시예에서 제시한다.Characters included in Equations 1 and 2 are frequency, incident angle, mode of incident acoustic wave 204, mode of transmission acoustic wave 205, physical properties of incident medium 201, physical properties of transmission medium 202, anisotropic medium When the thickness of (203) is given, it can be expressed as the physical properties of the anisotropic medium (203). And since the physical properties of the anisotropic medium 203 are given by the mass density (ρ) and six modulus of elasticity (C 11 , C 22 , C 66 , C 12 , C 16 , C 26 ), a total of seven design variables can be included. have. That is, since the number of design variables (7) is greater than the number of equations (6) that must be satisfied, the anisotropic medium 203 can be appropriately designed for the desired design system to achieve full transmission of the oblique incident acoustic wave. . The anisotropic medium for complete transmission of inclined incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention may include materials existing in nature, chemically synthesized materials, composites, elastic metamaterials including engineered microstructures, and the like. The implementation of the anisotropic medium using the elastic metamaterial is presented in specific examples.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 기존의 기술로는 불가능했던 경사입사 탄성파의 완전투과를 구현할 수 있다. 종래의 기술을 이용하여 서로 다른 매질의 경계에서 탄성파를 비스듬히 투과시키는 경우 필연적으로 반사탄성파가 존재하며, 이로 인해 투과탄성파의 세기가 작을 수밖에 없었다. 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 활용하면 투과탄성파의 세기를 극대화할 수 있다. 이론적으로 입사탄성파의 에너지를 원하는 모드의 투과탄성파로 전부(100%) 전달할 수 있다.The anisotropic medium for complete transmission of an oblique incident acoustic wave according to an embodiment of the present invention can realize complete transmission of an oblique incident acoustic wave, which was not possible with the existing technology. When the elastic wave is transmitted obliquely at the boundary of different media using the conventional technique, a reflected acoustic wave is inevitably present, and therefore, the intensity of the transmitted acoustic wave is inevitably small. The intensity of the transmitted acoustic wave can be maximized by using an anisotropic medium for complete transmission of obliquely incident acoustic waves. Theoretically, all (100%) of the energy of the incident acoustic wave can be transferred to the transmitted acoustic wave of the desired mode.

본 발명을 활용하면 원하는 모드 이외의 투과탄성파의 세기를 0으로 만들어 순수한 모드의 투과탄성파를 투과시킬 수 있다. 종래의 기술로 입사탄성파를 순수한 종파로 비스듬히 투과시키는 방법은 존재하지 않는다. 그 이유는 횡파가 필연적으로 같이 투과되기 때문이다. 입사탄성파를 순수한 횡파로 투과시키는 종래 기술은 스넬의 임계각을 이용하는 방법이 존재한다. 그러나 이 방법의 경우 반사탄성파의 존재로 인해 에너지 효율이 낮다(플라스틱과 금속 재질의 경계에서 30% 미만)는 단점을 갖는다. 또한, 임계각 이상의 입사각을 갖는 입사탄성파에 대해서만 적용 가능하다는 한계도 존재한다. 이렇듯 종래 기술로는 구현 불가능했던 경사입사 탄성파 완전투과 현상을 본 발명을 활용하면 구현할 수 있다. If the present invention is utilized, the transmitted acoustic wave of the pure mode can be transmitted by making the intensity of the transmitted acoustic wave other than the desired mode 0. There is no conventional technique for obliquely transmitting an incident acoustic wave as a pure longitudinal wave. The reason is that transverse waves inevitably transmit together. In the prior art for transmitting an incident acoustic wave as a pure transverse wave, there is a method using Snell's critical angle. However, this method has a disadvantage in that energy efficiency is low (less than 30% at the boundary between plastic and metal) due to the presence of reflected acoustic waves. Also, there is a limit in that it is applicable only to an incident acoustic wave having an incident angle greater than or equal to a critical angle. As described above, by utilizing the present invention, the oblique incident seismic wave complete transmission phenomenon, which was impossible to implement in the prior art, can be realized.

본 발명에서 경사입사 탄성파 완전투과를 구현하는 기술의 원리는 공진 기반이 아닌 이방성 매질 내 고유모드를 이용한 방법이어서 투과율이 주파수와 입사각의 변화에 민감하게 반응하지 않는다는 이점이 있다. 종래 기술의 경우 파브리-페로 공진을 이용할 경우 주파수와 입사각의 변화에 따라 투과율이 급격히 낮아지며, 임피던스 매칭을 이용하는 경우 입사각의 변화에 따라 투과율이 급격히 낮아지는 단점이 있다.In the present invention, the principle of the technology for realizing the oblique incident acoustic wave complete transmission is a method using an eigenmode in an anisotropic medium rather than a resonance-based method, so that transmittance does not respond sensitively to changes in frequency and angle of incidence. In the case of the prior art, when the Fabry-Perot resonance is used, the transmittance rapidly decreases according to a change in frequency and angle of incidence, and when impedance matching is used, there is a disadvantage that the transmittance rapidly decreases according to a change in the incident angle.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재 등이 활용될 수 있지만 원하는 물성을 갖는 적절한 물질을 찾거나 합성하는데 어려움이 있을 수 있다. 이에 물질의 극한물성을 자유롭게 설계 가능한 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 활용하여 이방성 매질을 구현하는 방법에 대해 설명한다.In the anisotropic medium for perfect transmission of oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention, materials existing in nature, chemically synthesized materials, composite materials, etc. may be utilized, but there may be difficulties in finding or synthesizing an appropriate material having desired properties. have. In this regard, a method for realizing an anisotropic medium by using an elastic metamaterial including a microstructure that can freely design the ultimate properties of a material will be described.

본 발명의 실시예에 적용할 탄성메타물질은 단위 셀(unit cell)에 있는 미소구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열된 구조를 갖는다. 단위 셀 내부의 미소구조에는 다양한 패턴이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 슬릿 구조를 기반으로 한 미소구조를 포함할 수 있다.The elastic metamaterial to be applied to an embodiment of the present invention has a structure in which microstructures in a unit cell are periodically arranged in the vertical and horizontal directions. Various patterns may be used for the microstructure inside the unit cell. The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention may include a microstructure based on a slit structure.

도 3은 직사각형과 두 개의 반원으로 구성된 슬릿 형태의 미소구조를 갖는 탄성메타물질을 도시한다. 슬릿 형태의 미소 구조가 갖는 설계변수에는 단위 셀 중심에 위치한 첫 번째 슬릿의 길이(

Figure 112020012825385-pat00031
), 반지름(
Figure 112020012825385-pat00032
), 회전각(
Figure 112020012825385-pat00033
)과 단위 셀 꼭지점에 위치한 두 번째 슬릿의 길이(
Figure 112020012825385-pat00034
), 반지름(
Figure 112020012825385-pat00035
), 회전각(
Figure 112020012825385-pat00036
), 단위 셀의 크기(a), 단위 셀의 개수(
Figure 112020012825385-pat00037
) 등이 있다. 미소구조가 갖는 총 8개의 설계 변수를 적절히 조절하면 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 물성을 갖는 경사입사 완전투과용 이방성 매질을 설계할 수 있다. 도 3에 나타난 슬릿 형태의 미소구조의 경우 단위 셀이 상하좌우로 비대칭적인 구조를 갖기 때문에 매질의 극한 이방성을 구현하는데 더 효과적이다.3 shows an elastic metamaterial having a slit-shaped microstructure composed of a rectangle and two semicircles. The design variable of the slit-shaped microstructure includes the length of the first slit located at the center of the unit cell (
Figure 112020012825385-pat00031
), radius(
Figure 112020012825385-pat00032
), rotation angle (
Figure 112020012825385-pat00033
) and the length of the second slit located at the vertex of the unit cell (
Figure 112020012825385-pat00034
), radius(
Figure 112020012825385-pat00035
), rotation angle (
Figure 112020012825385-pat00036
), the size of the unit cell (a), the number of unit cells (
Figure 112020012825385-pat00037
), etc. If a total of eight design variables of the microstructure are properly adjusted, an anisotropic medium for oblique incident complete transmission having physical properties satisfying Equations 1 and 2 can be designed. The slit-shaped microstructure shown in FIG. 3 is more effective in realizing the extreme anisotropy of the medium because the unit cell has an asymmetric structure in the vertical and horizontal directions.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 완전투과용 이방성 매질의 원리를 도시한다. 도 4를 참조하면, 입사매질(401)과 투과매질(402) 사이에 삽입된 이방성 매질(403)의 물성이 수학식 1과 수학식 2를 만족하도록 설계되면 입사탄성파(404)가 원하는 모드의 투과탄성파(405)로 완전히 투과될 수 있다. 이때 이방성 매질(403) 내부에서는 독특한 파동 변환(406)이 일어난다. 이방성 매질(403) 내부에서의 파동 변환(406)은 이방성 매질(403) 내부에 존재하는 4개의 고유모드(각각 407, 408, 409, 410)의 간섭에 의해 나타나는 이방성 매질(403) 내부의 변위장이다. 407은 고유모드 1의 변위장이고, 408은 고유모드 2의 변위장이다. 그리고 409는 고유모드 3의 변위장이고, 410은 고유모드 4의 변위장이다. 예를 들어, 알루미늄(ρ=2700kg/m3, E=70GPa, ν=0.33)을 입사매질, PEEK(ρ=1320kg/m3, E=4.2292GPa, ν=0.3992)를 투과매질(402)로 가정하였을 때, 90kHz의 종파가 60도의 입사각을 갖고 입사하는 경우 이방성 매질(403)의 물성이 ρ=1669.2kg/m3, C11=24.191GPa, C22=43.202GPa, C66=12.364GPa, C12=5.019GPa, C16=-3.276GPa, C26=-7.732GPa 이고, 두께가 0.05m인 경우 종파가 100% 투과되고, 이방성 매질(403)의 물성이 ρ=2610kg/m3, C11=72.699GPa, C22=95.991GPa, C66=9.9562GPa, C12=-7.84GPa, C16=10.333GPa, C26=3.2985GPa 이고, 두께가 0.05m인 경우 횡파가 100% 투과된다. 이방성 매질(403)이 존재하지 않는 경우 종파의 투과율이 39.4%, 횡파의 투과율이 20.2%에 불과한 것과 비교하면 경사입사 완전투과용 이방성 매질을 활용했을 때 종파와 횡파의 투과율이 각각 254%와 495% 증폭되었음을 알 수 있다. 예시로 든 물성 이외에도 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 적절한 물성을 갖는 이방성 매질(403)을 활용하면 경사입사 탄성파 완전투과를 구현할 수 있다.4 shows the principle of an anisotropic medium for oblique incident perfect transmission according to an embodiment of the present invention. 4, when the physical properties of the anisotropic medium 403 inserted between the incident medium 401 and the transmission medium 402 are designed to satisfy Equations 1 and 2, the incident acoustic wave 404 is of a desired mode. The transmitted acoustic wave 405 may be completely transmitted. At this time, a unique wave transformation 406 occurs inside the anisotropic medium 403 . The wave transformation 406 inside the anisotropic medium 403 is a displacement inside the anisotropic medium 403 caused by the interference of four eigenmodes (407, 408, 409, 410, respectively) existing inside the anisotropic medium 403 . it's a chapter 407 is the displacement field of eigenmode 1, and 408 is the displacement field of eigenmode 2. And 409 is the displacement field of eigenmode 3, and 410 is the displacement field of eigenmode 4. For example, aluminum (ρ=2700kg/m 3 , E=70GPa, ν=0.33) as the incident medium, PEEK (ρ=1320kg/m 3 , E=4.2292GPa, ν=0.3992) as the transmission medium 402 Assuming that, when a longitudinal wave of 90 kHz is incident with an incident angle of 60 degrees, the physical properties of the anisotropic medium 403 are ρ = 1669.2 kg/m 3 , C 11 =24.191 GPa, C 22 =43.202 GPa, C 66 = 12.364 GPa, C 12 =5.019 GPa, C 16 =-3.276 GPa, C 26 =-7.732 GPa, and when the thickness is 0.05 m, 100% of longitudinal waves are transmitted, and the physical properties of the anisotropic medium 403 are ρ = 2610 kg/m 3 , C 11 = 72.699 GPa, C 22 =95.991 GPa, C 66 =9.9562 GPa, C 12 =-7.84 GPa, C 16 =10.333 GPa, C 26 =3.2985 GPa, and when the thickness is 0.05 m, transverse wave transmission is 100%. Compared to the case where the anisotropic medium 403 does not exist, the transmittance of the longitudinal wave is 39.4% and the transmittance of the transverse wave is only 20.2%, when the anisotropic medium for complete transmission of the oblique incident is used, the transmittance of the longitudinal wave and the transverse wave is 254% and 495, respectively. % was amplified. In addition to the physical properties given as examples, if the anisotropic medium 403 having appropriate properties satisfying Equations 1 and 2 is used, full transmission of oblique incident acoustic waves can be realized.

탄성메타물질의 미소구조는 입사매질을 기질(substrate)로 제작될 수 있고, 투과매질을 기질로 제작될 수도 있다. 이는 각각 도 5a와 도 5b에 나타난다. 어느 매질을 기질로 미소구조를 제작할지는 제작 가능성, 비용, 시간 등을 종합적으로 고려하여 판단할 수 있다.The microstructure of the elastic metamaterial may be made of an incident medium as a substrate, or a permeation medium as a substrate. This is shown in Figures 5a and 5b, respectively. Which medium to use as a substrate to fabricate the microstructure can be determined by comprehensively considering fabrication possibilities, cost, time, and the like.

도 5a는 입사매질(501)에 미소구조(502)를 제작하여 입사탄성파(503)를 투과탄성파(504)로 완전투과 시키는 상황을 도시한다. 미소구조(502)는 입사매질(501)을 기질로 제작된 이방성 매질로 구현될 수 있다. 도 5b는 투과매질(505)에 미소구조(506)를 제작하여 입사탄성파(507)를 투과탄성파(508)로 완전투과 시키는 상황을 도시한다. 미소구조(506)는 투과매질(505)을 기질로 제작된 이방성 매질로 구현될 수 있다.FIG. 5A shows a situation in which the incident acoustic wave 503 is completely transmitted as the transmitted acoustic wave 504 by manufacturing the microstructure 502 in the incident medium 501 . The microstructure 502 may be implemented as an anisotropic medium made of the incident medium 501 as a substrate. FIG. 5B shows a situation in which the incident acoustic wave 507 is completely transmitted as the transmitted acoustic wave 508 by fabricating the microstructure 506 in the transmission medium 505 . The microstructure 506 may be implemented as an anisotropic medium made of the permeation medium 505 as a substrate.

본 발명의 일 실시예에서, 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 탄성파 가진용 및 측정용 트랜스듀서 시스템의 성능을 높이는데 활용될 수 있다. 기존의 탄성파 트랜스듀서 시스템은 도 6a에 나타나고, 본 발명을 적용한 탄성파 트랜스듀서 시스템은 도 6b에 나타난다. 기존의 시스템에서 필연적으로 발생하던 반사탄성파와 원치 않는 모드의 투과탄성파를 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 이용하여 제거함으로써 시스템의 효율을 높일 수 있다. 탄성파 트랜스듀서 시스템의 성능이 개선된다면 보다 정밀한 산업용 및 의료용 초음파 비파괴검사가 가능할 것으로 기대된다.In one embodiment of the present invention, the anisotropic medium for perfect transmission of the oblique incident acoustic wave may be utilized to increase the performance of the transducer system for excitation and measurement of acoustic waves. An existing acoustic wave transducer system is shown in FIG. 6A, and an acoustic wave transducer system to which the present invention is applied is shown in FIG. 6B. The efficiency of the system can be increased by removing the reflected acoustic wave and the unwanted mode transmission acoustic wave, which are inevitably generated in the existing system, by using an anisotropic medium for complete transmission of the oblique incident acoustic wave. If the performance of the seismic transducer system is improved, it is expected that more precise industrial and medical ultrasonic non-destructive testing will be possible.

도 6a는 기존 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한다. 트랜스듀서(601)와 웨지(602)를 활용하여 투과매질(603)로 종파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 입사탄성파(604)가 웨지(602)와 투과매질(603)의 경계로 입사하면 투과되는 투과탄성파의 종파(605) 이외에 투과되는 투과탄성파의 횡파(606), 반사되는 반사탄성파의 종파(607), 반사되는 반사탄성파의 횡파(608)가 모두 존재하게 된다. 트랜스듀서(609)와 웨지(610)를 활용하여 투과매질(611)로 횡파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 입사탄성파(612)가 스넬의 임계각 이상의 각도로 입사하는 경우, 순수한 투과탄성파의 횡파(613)가 투과되지만 반사되는 반사탄성파의 종파(614)와 반사되는 반사탄성파의 횡파(615)가 존재하게 된다. 결론적으로 기존 트랜스듀서의 경우 필연적으로 발생하는 반사탄성파 때문에 효율이 좋지 않다.6A shows the principle of operation of a conventional transducer. A case in which the longitudinal wave is transmitted obliquely to the transmission medium 603 by using the transducer 601 and the wedge 602 will be described. When the incident acoustic wave 604 is incident on the boundary between the wedge 602 and the transmission medium 603, in addition to the longitudinal wave 605 of the transmitted acoustic wave, the transverse wave 606 of the transmitted acoustic wave and the longitudinal wave 607 of the reflected reflected acoustic wave are , the transverse wave 608 of the reflected acoustic wave is all present. A case in which the transverse wave is transmitted obliquely to the transmission medium 611 by using the transducer 609 and the wedge 610 will be described. When the incident acoustic wave 612 is incident at an angle equal to or greater than Snell's critical angle, the transverse acoustic wave 613 of a pure transmission acoustic wave is transmitted, but a longitudinal wave 614 of a reflected reflection acoustic wave and a transverse wave 615 of a reflected reflection acoustic wave exist. . In conclusion, in the case of the existing transducer, the efficiency is not good because of the reflected acoustic wave that is inevitably generated.

도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 적용한 새로운 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한다. 좌측의 도면을 참고하여 종파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 시스템은 기존의 트랜스듀서(616), 웨지(617) 그리고 웨지(617)와 투과매질(618) 사이에 삽입된 이방성 매질(619)로 구성된다. 이방성 매질(619)은 입사탄성파(620)를 순수한 투과탄성파의 종파(621)로 완전투과 시킨다. 우측의 도면을 참고하여 횡파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 시스템은 마찬가지로 기존의 트랜스듀서(622), 웨지(623) 그리고 웨지(623)와 투과매질(624) 사이에 삽입된 이방성 매질(625)로 구성된다. 이방성 매질(625)은 입사탄성파(626)를 순수한 투과탄성파의 횡파(627)로 완전투과 시킨다. 반사탄성파가 존재하지 않기 때문에 기존의 트랜스듀서보다 효율이 좋다.6B shows the operating principle of a new transducer to which an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention is applied. A case in which longitudinal waves are to be transmitted obliquely will be described with reference to the drawings on the left. The system consists of a conventional transducer 616 , a wedge 617 , and an anisotropic medium 619 interposed between the wedge 617 and the transmission medium 618 . The anisotropic medium 619 completely transmits the incident acoustic wave 620 as a longitudinal wave 621 of a pure transmission acoustic wave. A case in which a transverse wave is to be transmitted obliquely will be described with reference to the drawing on the right. The system likewise consists of a conventional transducer 622 , a wedge 623 , and an anisotropic medium 625 interposed between the wedge 623 and the transmission medium 624 . The anisotropic medium 625 completely transmits the incident acoustic wave 626 as a transverse wave 627 of a pure transmission acoustic wave. Since there is no reflected acoustic wave, it is more efficient than the conventional transducer.

경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 웨지기반 배관 검사 또는 웨지기반 유량계의 성능 개선에 활용될 수도 있다. 일반적인 웨지를 사용한 경우는 도 7a, 경사입사 탄성파 완전투과를 이용한 메타웨지를 사용한 경우는 도 7b에 나타난다. 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 활용하면 원하는 모드의 탄성파를 배관에 100% 효율로 투과시킬 수 있기 때문에 종래의 기술 보다 성능이 높다는 장점을 갖는다.The anisotropic medium for perfect transmission of oblique incident seismic waves can also be utilized for wedge-based pipe inspection or performance improvement of wedge-based flowmeters. The case of using a general wedge is shown in FIG. 7A, and the case of using the meta wedge using the oblique incident acoustic wave complete transmission is shown in FIG. 7B. If an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves is used, the desired mode of acoustic waves can be transmitted through the pipe with 100% efficiency, and thus the performance is higher than that of the prior art.

도 7a는 기존의 웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한다. 시스템은 송신용 트랜스듀서(701), 송신용 웨지(702), 배관(703), 수신용 웨지(704), 수신용 트랜스듀서(705)로 구성된다. 스넬의 임계각 이상의 입사탄성파(706)가 송신용 웨지(702)와 배관(703)의 경계에 입사하면 일부 탄성파가 반사되고(반사탄성파의 종파(707)와 반사탄성파의 횡파(708)), 순수한 투과탄성파의 횡파(709)가 배관(703)으로 투과된다. 그리고 배관(703)과 수신용 웨지(704)의 경계에 횡파가 입사하면 일부 횡파가 반사되고, 일부 탄성파(투과탄성파의 종파(711)와 투과탄성파의 횡파(712))가 수신용 웨지(704)로 투과된다. 원하지 않는 모드의 탄성파와 반사탄성파의 횡파(710)의 존재로 인해 시스템의 효율이 낮다.7A shows the principle of operation of a conventional wedge-based pipe inspection. The system consists of a transducer for transmission 701 , a wedge for transmission 702 , a pipe 703 , a wedge for reception 704 , and a transducer 705 for reception. When an incident acoustic wave 706 greater than Snell's critical angle is incident on the boundary between the transmission wedge 702 and the pipe 703, some acoustic waves are reflected (longitudinal wave 707 of reflected acoustic wave and transverse wave 708 of reflected acoustic wave), and pure The transverse wave 709 of the transmitted acoustic wave is transmitted through the pipe 703 . And when a transverse wave is incident on the boundary between the pipe 703 and the receiving wedge 704, a part of the transverse wave is reflected, and some of the acoustic waves (the longitudinal wave of the transmitted acoustic wave 711 and the transverse wave of the transmitted acoustic wave 712) are generated by the receiving wedge 704. ) is transmitted through The efficiency of the system is low due to the presence of the transverse wave 710 of the acoustic wave and the reflected acoustic wave in unwanted modes.

도 7b는 본 발명을 적용한 새로운 메타웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한다. 시스템은 송신용 트랜스듀서(713), 송신용 웨지(714), 송신용 이방성 매질(715), 배관(716), 수신용 이방성 매질(717), 수신용 웨지(718), 수신용 트랜스듀서(719)로 구성된다. 송신용 이방성 매질(715)은 입사탄성파(720)를 투과탄성파의 횡파(721)로 배관(716)에 완전투과 시킨다. 수신용 이방성 매질(717)은 이 파동을 다시 투과탄성파의 종파(722)로 수신용 웨지(718)에 완전투과 시킨다. 반사되는 탄성파가 없기 때문에 기존의 시스템보다 효율이 좋다는 장점을 갖는다.Figure 7b shows the operating principle of a new metawedge-based pipe inspection to which the present invention is applied. The system comprises a transmitting transducer 713 , a transmitting wedge 714 , a transmitting anisotropic medium 715 , a tubing 716 , a receiving anisotropic medium 717 , a receiving wedge 718 , a receiving transducer ( 719). The anisotropic medium 715 for transmission completely transmits the incident acoustic wave 720 through the pipe 716 as a transverse wave 721 of the transmitted acoustic wave. The receiving anisotropic medium 717 completely transmits this wave to the receiving wedge 718 as a longitudinal wave 722 of the transmitted acoustic wave again. Since there is no reflected acoustic wave, it has the advantage of better efficiency than the existing system.

본 발명의 일 실시예에서, 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 의료용 초음파 기술에 활용될 수 있다. 이는 도 8a와 도 8b에 나타난다. 기존에는 도 8a에 도시한 바와 같이 트랜스듀서에서 인체 조직으로 초음파를 투과시켰을 때 투과율이 낮고 여러 모드가 혼재하여 분석이 어려웠다. 그러나 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 이용하면 도 8b에 도시한 바와 같이 의료용 초음파 신호를 크게 개선할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the anisotropic medium for complete transmission of the oblique incident acoustic wave may be utilized in medical ultrasound technology. This is shown in Figures 8a and 8b. Conventionally, as shown in FIG. 8A , when ultrasound was transmitted from the transducer to the human tissue, the transmittance was low and the analysis was difficult because several modes were mixed. However, as shown in FIG. 8B , the medical ultrasound signal can be greatly improved by using the anisotropic medium for complete transmission of the oblique incident acoustic wave.

도 8a는 기존의 의료용 초음파 기기(801)에서 발생한 초음파가 인체조직(802)으로 투과하는 투과탄성파(803)의 상황을 도시한다. 이때 반사되는 탄성파의 존재로 인해 투과율이 낮고 여러 모드가 혼재한다는 단점이 있다. 도 8b는 기존의 의료용 초음파 기기(804)에 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질(805)을 삽입한 뒤 인체조직(806)으로 탄성파를 투과하는 투과탄성파(807)의 상황을 도시한다. 이때 원하는 모드의 탄성파가 100% 투과되어 초음파 신호 분석에 유리하다는 장점이 있다. FIG. 8A shows a situation of a transmitted acoustic wave 803 in which an ultrasound generated by the conventional medical ultrasound device 801 transmits to a human tissue 802 . In this case, there are disadvantages in that the transmittance is low and several modes are mixed due to the presence of the reflected acoustic wave. FIG. 8B shows the state of the transmission acoustic wave 807 which transmits the elastic wave into the human tissue 806 after the anisotropic medium 805 for complete transmission of the oblique incident acoustic wave is inserted into the existing medical ultrasound device 804 . At this time, there is an advantage in that the acoustic wave of the desired mode is transmitted 100%, which is advantageous for ultrasonic signal analysis.

경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 서로 다른 두 매질 사이에 삽입하여 입사된 파동에너지를 모두 투과시킴으로써 반사가 없는 무반사 필름 또는 완전흡수 필름을 구현할 수 있다. 이는 도 9에 나타난다.By inserting an anisotropic medium for complete transmission of an oblique incident acoustic wave between two different media to transmit all of the incident wave energy, an antireflection film or a complete absorption film without reflection can be realized. This is shown in FIG. 9 .

도 9는 서로 다른 두 매질(입사매질(901)과 투과매질(902)) 사이에 이방성 매질(903)을 삽입하여 입사탄성파(904)가 입사했을 때 반사탄성파(종파(905) 또는 횡파(906))가 존재하지 않는다. 여기서, 이방성 매질(903)은 무반사 필름 또는 완전흡수 필름을 포함할 수 있다. 입사탄성파(904)의 에너지는 모두 투과탄성파(907)로 전달된다.9 shows a reflection acoustic wave (longitudinal wave 905 or transverse wave 906) when the incident acoustic wave 904 is incident by inserting the anisotropic medium 903 between two different media (the incident medium 901 and the transmission medium 902). )) does not exist. Here, the anisotropic medium 903 may include an anti-reflection film or a completely absorbent film. All energy of the incident acoustic wave 904 is transferred to the transmitted acoustic wave 907 .

경사 입사한 탄성파의 신호 분석은 기계 이상 진단용 비파괴 검사, 웨지기반 배관 검사 및 웨지기반 유량계, 의료용 초음파 치료 기술, 의료용 초음파 영상화 기술, 초음파 가진기 등의 분야에 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 이러한 분야에 적용되어 탄성파 신호의 세기와 품질을 개선할 수 있다.Signal analysis of inclined incident seismic waves can be used in the fields of non-destructive testing for machine abnormality diagnosis, wedge-based pipe testing and wedge-based flowmeters, medical ultrasound treatment technology, medical ultrasound imaging technology, and ultrasound vibrator. The anisotropic medium for complete transmission of obliquely incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention can be applied to these fields to improve the intensity and quality of acoustic wave signals.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also It goes without saying that they fall within the scope of the present invention.

201 ; 입사매질 202 ; 투과매질
203 ; 이방성 매질 204 ; 입사탄성파
205 ; 투과탄성파201; incident medium 202; permeation medium
203; anisotropic medium 204; incident acoustic wave
205; transmitted acoustic wave

Claims (8)

종파와 횡파를 포함하며 미리 설정된 경사각도를 갖고 경사입사하는 입사탄성파가 투과되는 입사매질,
종파와 횡파를 포함하는 투과탄성파가 투과되는 투과매질, 그리고
상기 입사매질과 상기 투과매질 사이에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 투과는 차단하고, 미리 설정된 투과모드의 투과탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함하며,
상기 완전투과 조건은
상기 이방성 매질 내에서 종파와 횡파의 상호 결합으로 나타나는 고유모드의 파수 관계를 나타내는 수학식(1)의 위상매칭조건, 그리고
상기 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타내는 수학식(2)의 편광매칭조건을 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
수학식(1)
Figure 112020012825385-pat00038

(
Figure 112020012825385-pat00039
: 고유모드 i의 파수(i=1,2,3,4), d: 이방성 매질의 두께, l, m, n: 정수)
수학식(2)
Figure 112020012825385-pat00040

(
Figure 112020012825385-pat00041
: 입사종파의 입사각,
Figure 112020012825385-pat00042
: 입사횡파의 입사각,
Figure 112020012825385-pat00043
: 투과종파의 굴절각,
Figure 112020012825385-pat00044
: 투과횡파의 굴절각,
Figure 112020012825385-pat00045
: 고유모드 i의 파수,
Figure 112020012825385-pat00046
: 고유모드 i의 편광벡터,
Figure 112020012825385-pat00047
: 고유모드 i의 변위진폭(i=1,2,3,4))Incident medium, including longitudinal and transverse waves, through which an incident acoustic wave having a preset inclination angle is transmitted;
A transmission medium through which transmission acoustic waves, including longitudinal and transverse waves, are transmitted, and
It is provided between the incident medium and the transmission medium and blocks transmission of a preset reflected acoustic wave as it satisfies a preset complete transmission condition, and includes an anisotropic medium that completely transmits a transmission acoustic wave of a preset transmission mode,
The complete permeation condition is
The phase matching condition of Equation (1) representing the wavenumber relationship of eigenmodes represented by the mutual coupling of longitudinal and transverse waves in the anisotropic medium, and
An anisotropic medium for complete transmission of an oblique incident acoustic wave including the polarization matching condition of Equation (2) representing the relationship between the polarization vector and the amplitude of the eigenmode.
Equation (1)
Figure 112020012825385-pat00038

(
Figure 112020012825385-pat00039
: wavenumber of eigenmode i (i=1,2,3,4), d: thickness of anisotropic medium, l, m, n: integer)
Equation (2)
Figure 112020012825385-pat00040

(
Figure 112020012825385-pat00041
: the angle of incidence of the incident longitudinal wave,
Figure 112020012825385-pat00042
: the angle of incidence of the incident transverse wave,
Figure 112020012825385-pat00043
: the angle of refraction of the transmitted longitudinal wave,
Figure 112020012825385-pat00044
: the angle of refraction of the transmitted transverse wave,
Figure 112020012825385-pat00045
: wavenumber of eigenmode i,
Figure 112020012825385-pat00046
: polarization vector of eigenmode i,
Figure 112020012825385-pat00047
: Displacement amplitude of eigenmode i (i=1,2,3,4)) 제1항에서,
상기 입사매질과 상기 투과매질은 서로 다른 매질을 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 1,
The incident medium and the transmission medium are anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave comprising different media. 제2항에서,
상기 이방성 매질은 상기 입사매질과 상기 투과매질 사이에서 상기 입사매질의 경계면과 상기 투과매질의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 2,
The anisotropic medium is an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves in contact with each other in surface contact between the incident medium and the transmission medium, at the interface of the incident medium and the interface of the transmission medium. 제1항에서,
상기 투과모드는
상기 입사탄성파와 상기 투과탄성파의 모드가 같은 보존모드, 그리고
상기 입사탄성파와 상기 투과탄성파의 모드가 변환되는 변환모드를 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 1,
The transmission mode is
a conservation mode in which the incident acoustic wave and the transmitted acoustic wave have the same mode, and
An anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave comprising a conversion mode in which the modes of the incident acoustic wave and the transmitted acoustic wave are converted. 제1항에서,
상기 이방성 매질은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 1,
The anisotropic medium is an anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave comprising an elastic metamaterial including a preset microstructure. 제5항에서,
상기 탄성메타물질은 단위 셀의 미소구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열되는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 5,
The elastic metamaterial is an anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave in which the microstructures of the unit cells are periodically arranged in the vertical, left and right directions. 제6항에서,
상기 미소구조는 직사각형과 두 개의 반원을 포함하는 슬릿 형상을 갖는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 6,
The microstructure is an anisotropic medium for complete transmission of an inclined incident acoustic wave having a slit shape including a rectangle and two semicircles. 제7항에서,
상기 미소구조는 미리 설정된 설계변수를 포함하며,
상기 설계변수는 단위 셀 중심에 위치한 첫 번째 슬릿의 길이(
Figure 112020012825385-pat00048
), 반지름(
Figure 112020012825385-pat00049
), 회전각(
Figure 112020012825385-pat00050
)과 단위 셀 꼭지점에 위치한 두 번째 슬릿의 길이(
Figure 112020012825385-pat00051
), 반지름(
Figure 112020012825385-pat00052
), 회전각(
Figure 112020012825385-pat00053
), 단위 셀의 크기(a), 단위 셀의 개수(
Figure 112020012825385-pat00054
)를 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.In claim 7,
The microstructure includes preset design parameters,
The design variable is the length of the first slit located at the center of the unit cell (
Figure 112020012825385-pat00048
), radius(
Figure 112020012825385-pat00049
), rotation angle (
Figure 112020012825385-pat00050
) and the length of the second slit located at the vertex of the unit cell (
Figure 112020012825385-pat00051
), radius(
Figure 112020012825385-pat00052
), rotation angle (
Figure 112020012825385-pat00053
), the size of the unit cell (a), the number of unit cells (
Figure 112020012825385-pat00054
), an anisotropic medium for complete transmission of obliquely incident acoustic waves.
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