KR102381303B1 - 굴절된 음파 빔 형성 장치 - Google Patents

Abstract

음파의 송출 방향을 제어함과 동시에 굴절된 음파 빔을 형성하는 장치가 제공된다. 상기 음파 빔 형성 장치는 서로 상이한 깊이의 복수의 홈이 배열된 플레이트를 포함하는 음파 빔 형성 장치로서, 상기 음파 빔 형성 장치는 복수의 n개의 영역으로 구획되고, 상기 복수의 각 영역은 동심원(concentric circle) 또는 동심환(concentric ring) 형상이고, 어느 홈의 깊이는 하기 식을 통해 정의된다.

Description

굴절된 음파 빔 형성 장치{REFRACTED SOUND WAVE BEAM FORMING DEVICE}

본 발명은 음파의 송출 방향을 제어하는 음파 빔 형성 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 음파의 송출 방향을 제어함과 동시에 굴절된 음파 빔을 형성하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 음향 장치 등의 음파 소스로부터 발생한 음파는 자유 공간 내에서 무지향성(omni-directional)을 가지고 구형으로 고르게 퍼져 나간다. 따라서 음파 소스로부터 거리가 멀어질수록 음파의 크기가 급격하게 저하되며 원거리에 위치한 음파 수신자, 예컨대 수신자에게 원하는 크기의 소리를 전달하기 곤란한 문제가 있다.

원거리에 위치한 수신자에게 충분한 크기의 음파를 전달하기 위해서는 음파 소스로부터 발생하는 음파의 크기를 더 세게 하는 방법이 고려될 수 있다. 그러나 음파 소스에서 음파의 크기를 증가시키는 것에는 한계가 있고 비용 증가를 유발할 뿐 아니라, 음파가 모든 방향으로 고르게 퍼지기 때문에 원하는 수신자가 아닌 다른 수신자에게도 음파가 전달되는 문제가 있다. 그리고 의도된 수신자가 아닌 자 입장에서는 음파가 소음으로 받아들여지게 된다.

현재 특정 위치 또는 특정 방향으로 음파를 집속시키기 위해서는 음파 반사 부재를 주로 이용하는 실정이다. 이러한 이유로 특정 방향으로 음파를 집중적으로 송출하는 기술에 대한 연구가 개발 중이다.

대한민국 등록특허 제10-2151358호, 2020.08.27., 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치

종래의 음파의 송출 방향을 제어, 즉 음파에 지향성을 부여하기 위한 방법의 한가지 예로 음파 소스 앞에 호온(horn)을 배치하여 음파의 송출 방향을 집중시키는 방법을 들 수 있다. 호온은 대략 깔대기 모양을 가지고 음파가 호온의 내벽에서 반사되는 특성을 이용함으로써 음파에 대략 지향성을 부여할 수 있다. 즉, 호온은 반사 부재를 이용하는 방식으로, 음파의 손실률이 큰 문제가 있다.

음파에 지향성을 부여하기 위한 다른 방법으로 특허문헌 1은 음파 집속 패널 장치를 제안한다. 특허문헌 1은 깊이가 다른 복수의 홈(groove)을 특정 피치와 특정 깊이로 형성하여 음파를 집속시킬 수 있음을 개시한다. 그러나 특허문헌 1에 따라 형성된 음파 빔(sound wave beam)은 직선형인 한계가 있다.

즉, 종래의 기술은 특정 방향으로 음파를 향하게 함에는 유효하나, 음파 빔이 향하는 경로 상에 장애물이 있는 등의 경우에는 음파를 집속시키지 못한다. 따라서 한정된 공간 내에서 이를 활용할 경우 음원의 위치와 음파를 집속시키는 패널의 위치 등을 고려하여 제한적 운용이 가능한 문제가 있다.

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 음파 소스로부터 발생한 음파를 원하는 방향으로 집중적으로 송출할 수 있는 음파 빔 형성(beam forming) 장치를 제공하는 것이다.

동시에 굴절된 형태의 음파 빔을 형성하여 음파가 향하는 방향에 장애물이 있는 경우에도 원하는 위치에 음파를 집속시킬 수 있는 음파 빔 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 음원 소스와 무관한 소정의 위치에서 음향이 발생하는 것과 같이 느껴질 수 있는 음향 제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치는 서로 상이한 깊이의 복수의 홈이 배열된 플레이트를 포함하는 음파 빔 형성 장치로서, 상기 음파 빔 형성 장치는 복수의 n개의 영역으로 구획된다.

이 때 상기 복수의 각 영역은 동심원(concentric circle) 또는 동심환(concentric ring) 형상이고, 어느 홈의 깊이는 하기 식을 통해 정의될 수 있다.

여기서, d는 홈의 깊이이고, x 및 y는 어느 점을 기준으로 상기 어느 홈의 평면상 위치이고,

이고, θ _k는 상기 어느 홈이 위치하는 k번째 영역에서 θ값으로, θ는 90°이하이다.

제어하고자 하는 음파의 주파수는 1kHz 내지 30kHz이고, 상기 복수의 홈들의 최대 깊이는 상기 홈의 최대 폭의 1.3배 내지 2.0배 범위에 있을 수 있다.

또, 상기 복수의 홈들의 최소 깊이는 상기 홈의 최대 폭의 0.3배 내지 0.8배 범위에 있을 수 있다.

상기 각 영역의 반경 방향으로의 폭의 차이는 10% 내일 수 있다.

또한 상기 n은 5 이상의 정수일 수 있다.

상기 복수의 영역은 중심에 위치하는 원형의 제1 영역, 상기 제1 영역을 둘러싸는 동심환형의 제2 영역 및 상기 제2 영역을 둘러싸는 동심환형의 제3 영역을 포함하되, θ ₁과 θ ₂의 차이는 θ ₂과 θ ₃의 차이 보다 클 수 있다.

상기 θ는, 중심에 위치한 영역에서 외곽 영역으로 갈수록 점차 작게 정의될 수 있다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 규칙적으로 배열된 복수의 홈의 깊이를 이용하여 제어된 표면 어드미턴스를 형성하되, 방사 방향 내지는 반경 방향으로 복수의 영역을 구획하고, 해당 영역 별로 표면 어드미턴스를 제어하여 굴절된 형상의 음파 빔을 형성할 수 있다.

이를 통해 음파 소스로부터 발생한 음파에 지향성을 부여하고 음파 안테나와 같이 기능할 수 있다. 종래에 비해 원거리까지 음파의 실질적인 손실 없이 음파의 전달이 가능하여 종래에 비해 보다 효율적인 음파의 전달이 가능하다.

나아가 굴절된 형태의 음파 빔을 형성함으로써 소정의 위치에 음파를 정확히 집속할 수 있고, 제한적인 상황에서만 음파를 집속하는 것이 아니라 다양한 상황 하에서 유연하게 대처할 수 있어 음파 제어 분야에서 유망한 응용으로 이어질 수 있다.

예를 들어, 본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치가 적용된 음파 집속 장치는 사용자 또는 음파의 수신자가 음원의 위치를 추적할 수 없게 할 수 있다. 또한 이를 이용하여 실제 음원 또는 스피커의 위치와 무관하게, 가상의 음원 내지는 가상의 스피커로 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 음파 빔 형성 장치의 홈 배열을 나타낸 레이아웃이다.
도 3은 도 1의 음파 빔 형성 장치의 각 영역을 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 각 영역에서의 음파 빔 형성 장치의 표면 어드미턴스 등고선을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 음파 빔 형성을 시뮬레이션한 결과이다.
도 6은 비교예에 따른 음파 빔 형성을 시뮬레이션한 결과이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 즉, 본 발명이 제시하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면에 도시된 구성요소의 크기, 두께, 폭, 길이 등은 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장 또는 축소될 수 있으므로 본 발명이 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 '위(above)', '상부(upper)', ‘상(on)’, '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.

본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.

또, 본 명세서에서, 제1 방향(X)은 평면 내 임의의 방향을 의미하고, 제2 방향(Y)은 상기 평면 내에서 제1 방향(X)과 교차하는 다른 방향을 의미한다. 또, 제3 방향(Z)은 상기 평면과 수직한 방향을 의미한다. 다르게 정의되지 않는 한, '평면'은 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)이 속하는 평면을 의미한다. 또, 다르게 정의되지 않는 한, '중첩'은 상기 평면 시점에서 제3 방향(Z)으로 중첩하는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치의 사시도이다. 도 2는 도 1의 음파 빔 형성 장치의 홈 배열을 나타낸 레이아웃이다. 도 3은 도 1의 음파 빔 형성 장치의 각 영역을 나타낸 평면도이다. 도 4는 도 3의 각 영역에서의 음파 빔 형성 장치의 표면 어드미턴스 등고선을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치(11)는 일면 상에 복수의 홈(200)이 형성된 플레이트(101)를 포함한다. 도 1은 플레이트(101)가 평면상 원형인 경우를 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 플레이트(101)는 평면상 타원 형상이거나, 편심 타원 형상일 수 있다. 또는, 플레이트(101)는 평면상 사각형 등의 다각형 형상을 가질 수 있다. 후술할 바와 같이 음파 빔 형성 장치(11)에 의해 제어되는 음파 빔은 플레이트(101)의 평면상 형상이 아닌 표면 어드미턴스 등고선의 형상에 영향을 받을 수 있다.

플레이트(101)의 상면(일면)에는 홈(200)이 마련될 수 있다. 홈(200)은 플레이트(101)의 표면 어드미턴스 분포를 형성할 수 있다. 홈(200)은 상면 측으로부터 타면 측으로 움푹하게 함몰되어 소정의 깊이를 형성할 수 있다. 도면으로 표현하지 않았으나, 플레이트(101)의 배면(타면)은 평탄한 상태일 수 있다. 이하 홈(200)의 형상 및 배열에 대하여 설명한다.

예시적인 실시예에서, 홈(200)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면 상에서 규칙적인 배열을 가질 수 있다. 예컨대, 홈(200)은 제1 방향(X)을 따라 반복 배열되고, 홈(200)은 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)이 교차하는 대각 방향을 따라 반복 배열될 수 있다. 제1 방향(X)과 상기 대각 방향이 형성하는 각도는 약 60도일 수 있다. 즉, 복수의 홈(200)은 규칙적으로 배열되되, 홈(200)의 반복 단위는 육각 배열을 가질 수 있다. 더 구체적으로 설명하면, 임의의 정육각형의 각 꼭지점과 상응하는 위치에 홈(200)의 중심이 위치하고, 상기 정육각형의 중심점과 상응하는 위치에 홈(200)의 중심이 위치할 수 있다. 이에 따라 서로 최인접한 세개의 홈(200)의 중심을 연결하면 정삼각형이 형성될 수 있다.

평면 시점에서, 홈(200)은 원 형상일 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 홈(200)은 반복 단위를 이루어 규칙적인 배열을 이루기에 용이한 형상이면 무방하다. 예를 들어, 홈(200)은 사각 형상, 육각 형상 등을 가질 수도 있다.

후술할 바와 같이 홈(200)은 특정한 최대 폭(W), 이격 거리(D), 배열 피치(P) 및 깊이(미도시) 등을 갖도록 설계되어 음파에 지향성을 부여할 수 있다. 홈(200)의 최대 폭(W)은 제어하고자 하는 음파의 파장의 약 1.5배 이하, 또는 약 1.4배 이하, 또는 약 1.3배 이하, 또는 약 1.2배 이하, 또는 약 1.1배 이하이거나, 제어하고자 하는 음파의 파장 보다 작거나 같을 수 있다.

바람직하게는, 최대 폭(W)은 제어하고자 하는 음파의 파장 보다 작은 것이 이득 측면에서 바람직하나 본 발명이 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 반면, 최대 폭(W)이 상기 파장에 비해 1.5배를 초과할 경우 파동 변조 구조로서 기능하지 못할 수 있다. 예를 들어, 최대 폭(W)은 약 1.3mm 내지 1.5mm, 또는 약 1.4mm일 수 있다. 여기서, 홈(200)이 평면상 원형인 경우 최대 폭(W)은 상기 원의 직경으로 표현될 수 있다.

특히 제어하고자 하는 음파가 1kHz 내지 30kHz 범위의 주파수를 갖는 가청 주파수일 경우 상기 최대 폭(W)의 범위가 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 제어하고자 하는 음파는 약 10kHz 내지 30kHz, 또는 약 15kHz 내지 25kHz, 또는 약 20kHz일 수 있다.

또, 서로 최인접한 두 개의 홈(200) 간의 배열 피치(P)는 최대 폭(W)의 약 1.4배 이상 2배 이하일 수 있다. 예를 들어, 배열 피치(P)는 약 1.8mm 내지 약 2.8mm, 또는 약 1.9mm 내지 약 2.5mm, 또는 약 2.0mm일 수 있다. 여기서 배열 피치(P)는 홈(200)의 평면상 중심 간의 거리로 표현될 수 있다. 배열 피치(P) 또한 제어하고자 하는 음파의 파장 보다 작을 수 있다.

또한 서로 인접한 두 개의 홈(200) 간의 이격 거리(D)는 배열 피치(P)에서 최대 폭(W)을 제외한 길이로 표현될 수 있다. 즉, 이격 거리(D)는 약 0.5mm 내지 1.3mm, 또는 약 0.4mm 내지 1.0mm, 또는 약 0.6mm일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 실시예와 같이 최대 폭(W), 배열 피치(P), 깊이 등을 갖는 복수의 홈(200)은 반복적 및 규칙적 구조를 가져 플레이트(101)가 메타 물질과 같이 기능하도록 할 수 있다. 본 명세서에서, 용어 '메타 물질' 또는 '메타 구조'는 자연적으로 존재하는 원자나 분자와 다른 특성을 구현하기 위한 인공적인 물질, 구조, 구조체 및 시스템을 포함하는 의미이다. 상기 특성은 유전율(permittivity), 투자율(permeability), 굴절률(refractive index) 및 전파 특성(scattering parameter) 등을 들 수 있다. 특히 메타 물질은 광, 전자파, 음파 등 파동 특성을 갖는 에너지의 제어를 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.

도 1은 표현의 편의 및 명료성을 위해 플레이트(101)에 소정 개수의 홈(200)이 형성된 경우를 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다. 다른 실시예에서, 플레이트(101)는 수백개 수준의 홈(200)을 갖거나, 수천개 수준의 홈(200)을 갖거나, 수만개 수준의 홈(200)을 갖거나, 수십만개 수준의 홈(200)을 갖거나, 또는 수백만개 이상 수준의 홈(200)을 가질 수도 있다.

플레이트(101)의 홈(200) 중 적어도 일부는 상이한 깊이를 가지고, 홈(200) 중 적어도 일부는 실질적으로 동일한 깊이를 가질 수 있다. 홈(200)들은 평면에 대해 수직한 방향, 즉 제3 방향(Z)으로의 내측벽을 가질 수 있다.

몇몇 실시예에서, 복수의 홈(200)들의 깊이는 제1 방향(X)으로 대칭적이도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, '일 방향으로 대칭적'이란 상기 일 방향에 수직한 가상의 중심선을 중심으로, 일 방향 일측에 위치한 구조와 일 방향 타측에 위치한 구조가 대칭적임을 의미한다. 즉, 플레이트(101)의 제1 방향(X) 대략 중심이 음파의 발생 지점과 대략 일치하는 경우, 상기 중심을 기준으로 제1 방향(X) 일측과 제1 방향(X) 타측이 실질적으로 동일한 홈(200)의 깊이 구조를 가질 수 있다. 반면 복수의 홈(200)들의 깊이는 제2 방향(Y)으로 비대칭적이도록 구성될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 플레이트(101)에 형성된 복수의 홈(200) 중에서 최대 깊이를 갖는 홈(200)의 깊이, 즉 최대 깊이는 홈(200)의 최대 폭(W)의 약 1.3배 내지 2.0배, 또는 약 1.4배 내지 1.8배, 또는 약 1.5배 내지 1.7배, 또는 약 1.6배일 수 있다.

또, 플레이트(101)에 형성된 복수의 홈(200) 중에서 최소 깊이를 갖는 홈(200)의 깊이, 즉 최소 깊이는 홈(200)의 최대 폭(W)의 약 0.3배 내지 0.8배, 또는 약 0.4배 내지 0.7배, 또는 약 0.5배 내지 0.6배일 수 있다.

음파는 매질 내에서 매질의 교란 상태 변화로 인해 에너지가 전달되는 탄성파로 분류될 수 있다. 즉, 음파는 매질을 통해 에너지가 전달될 수 있다. 일반적으로 음파는 무지향성을 가지고 소스로부터 360도 방향으로 고르게 퍼져 나갈 수 있다. 본 실시예와 같이 소정의 깊이를 가지고 규칙적으로 배열된 홈(200)이 마련될 경우 플레이트(101)의 상면은 소정의 정현 변조된 어드미턴스를 가질 수 있고, 플레이트(101)의 상면을 따라 진행하는 표면파(surface wave) 내지는 누설파(leaky wave)는 변조된 어드미턴스 표면에 의해 방사파(field wave)로 변환되어 특정 방향으로 굴절되고 높은 이득을 유지할 수 있다.

소정 파장(λ)을 갖는 음파에 대해 상기 의도된 정현 변조된 표면 어드미턴스 설계를 위해서, 플레이트(101) 상면의 표면 어드미턴스는 약 0.2 내지 1.8의 범위를 가지고 연속적으로 변화하여야 한다. 이를 위해 상기와 같은 홈(200)의 깊이를 구성하여 이를 달성할 수 있다.

본 실시예와 같이 제1 방향(X)으로 대칭적인 구조를 갖되, 제2 방향(Y)으로 비대칭적인 구조를 갖는 플레이트(101)를 포함하는 음파 빔 형성 장치(11)는 제1 방향(X) 측으로 굴절된 방사파를 실질적으로 형성하지 않거나, 적어도 제2 방향(Y) 측으로 굴절된 방사파에 비해 적은 수준의 방사파만을 형성할 수 있다.

반면, 음파 빔 형성 장치(11)는 제2 방향(Y) 측으로 굴절된 방사파를 형성할 수 있다. 구체적으로, 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)이 속하는 평면에 대한 법선 방향, 즉 제3 방향(Z)에 대해 제2 방향(Y) 일측으로 기울어진 방사파를 형성할 수 있다. 이에 따라 플레이트(101)의 두께 방향인 제3 방향(Z)으로 입사 및 진행하는 음파를 제2 방향(Y) 일측으로 굴절시켜 지향성을 갖는 음파 빔을 형성할 수 있다.

본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치(11)는 도 4에 표현된 것과 같이 임의의 중심을 기준으로 정형화된 표면 어드미턴스 값의 등고선이 정의되되, 상기 등고선은 대략 타원형 내지는 편심 타원형 내지는 계란형일 수 있다. 즉, 상기 등고선은 완전한 원형이 아닌 폐곡선 형상일 수 있다.

또 소정 값의 표면 어드미턴스 등고선은 중심점을 기준으로 방사 방향으로 반복될 수 있다. 또, 소정 값을 갖는 표면 어드미턴스 등고선의 방사 방향으로의 대략적인 반복 주기는 음파 빔 형성 장치(11)의 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 점차 커지는 경향을 가질 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치(11)의 플레이트(101)의 평면상 특정 위치에서의 홈(200)의 깊이와 어드미턴스 값 간의 상관 관계, 즉 특정 어드미턴스 값을 형성하기 위해 홈(200)의 깊이를 결정하는 방법에 대해 설명한다.

예시적인 실시예에서, 평면 시점에서, 음파 빔 형성 장치(11)는 복수의 영역으로 구획될 수 있다. 예를 들어 음파 빔 형성 장치(11)는 n개의 영역으로 구획될 수 있다.

상기 복수의 각 영역은 동심원(concentric circle) 또는 동심환(concentric ring) 형상일 수 있다. 예를 들어, 가장 중심부에 위치하는 제1 영역은 원 형상이고, 제1 영역을 바로 둘러싸는 제2 영역은 제1 영역과 중심을 공유하는 동심환 형상일 수 있다. 또, 제3 영역은 제2 영역을 바로 둘러싸는 동심환 형상이고, 제4 영역은 제3 영역을 바로 둘러싸는 동심환 형상이고, 제5 영역은 제4 영역을 바로 둘러싸는 동심환 형상일 수 있다. 도 3은 5개의 영역으로 구획된 경우, 즉 n이 5인 경우를 예시하고 있으나, n은 5 이상의 정수일 수도 있다. n이 5 보다 작을 경우 음파 빔을 굴절시키는 정도가 미약할 수 있다.

복수의 각 영역의 폭, 구체적으로 반경 방향으로의 폭은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각 영역의 반경 방향으로의 폭의 차이는 10% 내일 수 있다. 만일 플레이트(101)의 반경 길이가 50mm이고, 5개의 영역으로 구획되는 경우, 제1 영역의 반지름, 제2 영역 내지 제5 영역의 반경 방향 폭은 각각 약 10mm일 수 있다.

한편, 음파 빔 형성 장치(11)의 플레이트(101)의 상면의 표면 어드미턴스는 하기 수식 1을 통해 정형화되며, 어드미턴스는 해당 위치의 홈(200)의 깊이를 통해 제어될 수 있다. 표면 어드미턴스 값과 홈(200)의 깊이는 비례할 수 있다.

[수식 1]

여기서 상기 좌변은 홈(200)의 깊이에 관한 함수이며, 상기 우변은 홈(200)의 평면상 위치에 관한 함수이다.

또, 상기 수식 1의 좌변은 하기 수식 2로 표현될 수 있다.

[수식 2]

여기서, A₁, A₂, A₃, A₄, A₅ 및 A₆는 각각 소정의 값을 갖는 양수인 상수이다. 예를 들어, A₁은 5 내지 6 사이의 양수이고, A₂는 20 내지 25 사이의 양수이고, A₃은 25 내지 30 사이의 양수이고, A₄는 20 내지 25 사이의 양수이고, A₅는 6 내지 8 사이의 양수이고, A₆는 0 내지 1 사이의 양수일 수 있다. 또, d는 홈의 깊이이다.

상기 수식 2에는 플레이트(101)의 밀도 및/또는 플레이트(101)의 두께(T) 등 매질에 관한 속성이 반영될 수 있다.

또한, 상기 수식 1의 우변은 하기 수식 3으로 표현될 수 있다.

[수식 3]

여기서, B는 평균 표면 어드미턴스 상수값으로 0.8 내지 1.5 사이의 양수이고, M은 변조 상수로 0.5 내지 0.7 사이의 양수이다. 또, λ는 변조하고자 하는 음파의 파장(m)이고, n은 1.3 내지 1.5 사이의 양수이고, 또한 x 및 y는 평면 시점에서 음파 빔 형성 부재의 중심점을 원점으로 하는 좌표값(m)으로, 각각 양수 또는 음수값이다. θ에 대해서는 후술한다.

예를 들어, 원점으로부터 제1 방향(X) 일측, 예컨대 도 3 기준 우측으로 이격된 좌표는 양의 x값을 가지고, 제1 방향(X) 타측, 예컨대 도 3 기준 좌측으로 이격된 좌표는 음의 x값을 가질 수 있다. 또, 원점으로부터 제2 방향(Y) 일측, 예컨대 도 3 기준 상측으로 이격된 좌표는 양의 y값을 가지고, 제2 방향(Y) 타측, 예컨대 도 3 기준 하측으로 이격된 좌표는 음의 y값을 가질 수 있다.

상기 수식 3에는 플레이트(101)의 밀도 및/또는 플레이트(101)의 두께(T) 등 매질에 관한 속성이 반영될 수 있다.

상기 수식 2와 수식 3의 매칭을 통해 특정 좌표에서의 홈의 깊이를 도출할 수 있고, 이를 토대로 도 4와 같은 어드미턴스 등고선 및 홈의 깊이에 관한 등고선을 도출할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치(11)는 복수의 각 영역에서 서로 상이한 θ가 적용될 수 있다. 또, 전술한 바와 같이 복수의 각 영역이 동심원 내지 동심환 형상인 경우, θ는 어느 홈(200)의 원점으로부터 이격된 거리, 즉 반지름(r)에 관한 함수로 표현되거나 상관 관계에 있고, 또는

에 관한 함수로 표현되거나 상관 관계에 있을 수 있다. 이를 고려하면 전술한 수식 1은 하기 수식 4와 같이 구체화되어 표현될 수 있다.

[수식 4]

여기서

이고, θ _k는 상기 어느 홈이 위치하는 k번째 영역에서 θ값으로, θ는 0°이상 90°이하의 값이다.

즉, 제1 영역 내에서 수식 4는 하기 수식 4-1로 표현되고, 제2 영역 내에서 수식 4는 하기 수식 4-2로 표현되고, 제3 영역 내에서 수식 4는 하기 수식4-3으로 표현되고, 제4 영역 내에서 수식 4는 하기 수식 4-4로 표현되고, 제5 영역 내에서 수식 4는 하기 수식 4-5로 표현될 수 있다.

[수식 4-1]

[수식 4-2]

[수식 4-3]

[수식 4-4]

[수식 4-5]

예시적인 실시예에서, θ ₁ 는 58° 내지 90°이고, θ ₂는 47° 내지 58°이고, θ ₃는 43° 내지 47°이고, θ ₄는 39° 내지 43°이고, θ ₅는 30° 내지 39°일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

또, θ는 상대적으로 중심에 위치한 영역, 즉 제1 영역에서, 그 외곽 영역으로 갈수록 점차 작게 정의될 수 있다. 또, 인접한 두개의 영역에서의 θ값 간의 차이는, 상대적으로 중심에 위치한 영역에서 외곽 영역으로 갈수록 점차 작아질 수 있다. 예를 들어, θ ₁과 θ ₂의 차이는 θ ₂과 θ ₃의 차이 보다 클 수 있다. 마찬가지로 θ ₂과 θ ₃의 차이는 θ ₃과 θ ₄의 차이 보다 클 수 있다.

본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치(11)는 특정 영역 내에서 θ를 변경하여 굴절된 음파 빔을 형성할 수 있다. 형성된 음파 빔은 연속적이거나, 또는 불연속적일 수 있다.

본 실시예에 따른 플레이트(101)를 포함하는 음파 빔 형성 부재(11)는 초지향성 스피커, 장거리 초음파 센서, 음향 마이크로 유체 장치 및 수중 음파 탐지기 등 다양한 형태로 구현될 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 실시예와 비교예를 상세하게 설명한다.

[실시예]

3D 프린터를 이용하여 규칙적인 홈을 갖는 음파 빔 형성 장치를 제조하였다. 음파 빔 형성 장치는 직경 100mm(반경 50mm)의 원반 형태로 제작하였다.

홈은 약 1.42mm의 직경을 갖는 원 형으로 구성하였다. 그리고 원형의 복수의 홈들은 육각 배열되었다. 육각 배열에 있어서 인접한 홈 간의 배열 피치는 2mm로 하였다.

홈의 깊이는 다음과 같은 과정을 통해 설계되었다. 즉, 30kHz 주파수를 갖는 음파(파장: 약 11.43mm)에 대하여 홈의 깊이에 따른 파수(wave number)를 계산하고 이 때의 어드미턴스 변화를 5차 다항식 회귀법으로 추정하여 하기 수식 2a를 도출하였다.

[수식 2a]

그리고 중심으로부터 10mm까지의 거리에 있는 제1 영역, 20mm까지의 거리에 있는 제2 영역, 30mm까지의 거리에 있는 제3 영역, 40mm까지의 거리게 있는 제4 영역, 50mm까지의 거리에 있는 제5 영역에 각각 하기 수식 4-1a 내지 수식 4-5a를 적용하고, 이를 수식 2a와 매칭시켜 x 및 y에 따른 d 값을 도출하였다.

[수식 4-1a]

[수식 4-2a]

[수식 4-3a]

[수식 4-4a]

[수식 4-5a]

x 및 y는 각각 상기 원반의 정중심을 원점으로 하는 직교 좌표계에 따른 값이고, 수식들의 상수 및 변수는 앞서 정의한 바와 같다.

[비교예]

대한민국 특허출원번호 제10-2020-0022932호의 실시예 3에 따라 음파 빔 형성 장치를 제조하였다. 구체적으로, 복수의 영역으로 구획하지 않고 일정한 θ를 적용하여, 전술한 실시예와 같이 수식 2a와 하기 수식 5를 매칭시켜 x 및 y에 따른 d 값을 도출하였다.

[수식 2]

[실험예]

300mm×300mm×300mm 형태의 정육면체 밀폐 공간을 구성하였다. 그리고 한쪽 벽면 중앙에 음파 소스로서 스피커를 부착하고 스피커 전면에 앞서 제조된 음파 빔 형성 장치를 배치하였다. 스피커의 공간 상의 좌표를 (0,150)으로 정의하였다. 그리고 공간 좌표 (0,0)에서 (300,300)까지 각 좌표 위치에서의 음압 레벨(sound pressure level, SPL)을 마이크로폰을 이용하여 측정하였다. 음압 레벨의 측정은 x 좌표 및 y 좌표 각각에 대해 1mm 단위로 수행하였다. 측정된 결과를 토대로 300mm×300mm 공간 상의 평면상 음압 분포를 시뮬레이션하고, 도 5 및 도 6에 나타내었다.

도 5는 실시예에 따른 음파 빔 형성을 시뮬레이션한 결과이다. 도 6은 비교예에 따른 음파 빔 형성을 시뮬레이션한 결과이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 비교예에 따른 음파 빔 형성 장치는 수직하게 입사된 음파를 장치 표면 법선에 대해 대략 60° 각도로 지향성을 부여하는 것을 확인할 수 있다. 반면 본 실시예에 따른 음파 빔 형성 장치는 수직하게 입사된 음파에 지향성을 부여하는 것은 물론 음파 빔을 굴절시키거나, 휘어지게 하는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 이상에서 예시된 기술 사상의 변경물, 균등물 내지는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

11: 음파 빔 형성 장치
101: 플레이트
200: 홈

Claims (6)

1. 서로 상이한 깊이의 복수의 홈이 배열된 플레이트를 포함하는 음파 빔 형성 장치로서, 상기 음파 빔 형성 장치는 복수의 n개의 영역으로 구획되고,
   상기 복수의 각 영역은 동심원(concentric circle) 또는 동심환(concentric ring) 형상이고, 어느 홈의 깊이는 하기 식을 통해 정의되고,
   

   

   
   상기 θ는, 중심에 위치한 영역에서 외곽 영역으로 갈수록 점차 작게 정의되는 음파 빔 형성 장치.
   (여기서, d는 홈의 깊이이고, x 및 y는 어느 점을 기준으로 상기 어느 홈의 평면상 위치이고,

   

   이고, θ _k는 상기 어느 홈이 위치하는 k번째 영역에서 θ값으로, θ는 90°이하임)
2. 서로 상이한 깊이의 복수의 홈이 배열된 플레이트를 포함하는 음파 빔 형성 장치로서, 상기 음파 빔 형성 장치는 복수의 n개의 영역으로 구획되고,
   상기 복수의 각 영역은 동심원 또는 동심환 형상이고, 어느 홈의 깊이는 하기 식을 통해 정의되고,
   

   

   
   제어하고자 하는 음파의 주파수는 1kHz 내지 30kHz이고, 상기 복수의 홈들의 최대 깊이는 상기 홈의 최대 폭의 1.3배 내지 2.0배 범위에 있고,
   상기 복수의 홈들의 최소 깊이는 상기 홈의 최대 폭의 0.3배 내지 0.8배 범위에 있는 음파 빔 형성 장치.
   (여기서, d는 홈의 깊이이고, x 및 y는 어느 점을 기준으로 상기 어느 홈의 평면상 위치이고,

   

   이고, θ _k는 상기 어느 홈이 위치하는 k번째 영역에서 θ값으로, θ는 90°이하임)
3. 서로 상이한 깊이의 복수의 홈이 배열된 플레이트를 포함하는 음파 빔 형성 장치로서, 상기 음파 빔 형성 장치는 복수의 n개의 영역으로 구획되고,
   상기 복수의 각 영역은 동심원 또는 동심환 형상이고, 어느 홈의 깊이는 하기 식을 통해 정의되고,
   

   

   
   상기 각 영역의 반경 방향으로의 폭의 차이는 10% 내인 음파 빔 형성 장치.
   (여기서, d는 홈의 깊이이고, x 및 y는 어느 점을 기준으로 상기 어느 홈의 평면상 위치이고,

   

   이고, θ _k는 상기 어느 홈이 위치하는 k번째 영역에서 θ값으로, θ는 90°이하임)
4. 제1항에 있어서,
   상기 n은 5 이상의 정수인 음파 빔 형성 장치.
5. 서로 상이한 깊이의 복수의 홈이 배열된 플레이트를 포함하는 음파 빔 형성 장치로서, 상기 음파 빔 형성 장치는 복수의 n개의 영역으로 구획되고,
   상기 복수의 각 영역은 동심원 또는 동심환 형상이고, 어느 홈의 깊이는 하기 식을 통해 정의되고,
   

   

   
   상기 복수의 영역은 중심에 위치하는 원형의 제1 영역, 상기 제1 영역을 둘러싸는 동심환형의 제2 영역 및 상기 제2 영역을 둘러싸는 동심환형의 제3 영역을 포함하되, θ ₁과 θ ₂의 차이는 θ ₂과 θ ₃의 차이 보다 큰 음파 빔 형성 장치.
   (여기서, d는 홈의 깊이이고, x 및 y는 어느 점을 기준으로 상기 어느 홈의 평면상 위치이고,

   

   이고, θ _k는 상기 어느 홈이 위치하는 k번째 영역에서 θ값으로, θ는 90°이하임)
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