KR102423841B1 - Acoustic energy focusing device - Google Patents

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KR102423841B1
KR102423841B1 KR1020200105493A KR20200105493A KR102423841B1 KR 102423841 B1 KR102423841 B1 KR 102423841B1 KR 1020200105493 A KR1020200105493 A KR 1020200105493A KR 20200105493 A KR20200105493 A KR 20200105493A KR 102423841 B1 KR102423841 B1 KR 102423841B1
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전원주
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Abstract

본 발명은 음향에너지 집속장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 평면형 굴절률 구배 음향렌즈 형태로 형성되되, 광대역 범위에서 높은 투과율을 가지면서도 얇은 두께를 가질 수 있도록 최적화된 설계를 가지는, 음향에너지 집속장치를 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 미로통로 형태의 단위구조가 렌즈 형태로 배치되되, 렌즈의 중심부에서 가장자리로 갈수록 단위구조의 굴절률이 점점 작아지도록 하는 형태로 이루어지며, 단위구조의 굴절률이 통로의 단면적 및 길이에 의해 조절되도록 설계되는, 음향에너지 집속장치를 제공함에 있다.The present invention relates to an acoustic energy focusing device. It is an object of the present invention to provide an acoustic energy focusing device, which is formed in the form of a planar refractive index gradient acoustic lens, and has an optimized design to have a thin thickness while having high transmittance in a broadband range. More specifically, the unit structure in the form of a labyrinth passage is arranged in the form of a lens, and the refractive index of the unit structure becomes smaller as it goes from the center to the edge of the lens, and the refractive index of the unit structure depends on the cross-sectional area and length of the passage. To provide an acoustic energy focusing device, which is designed to be controlled by

Figure R1020200105493
Figure R1020200105493

Description

음향에너지 집속장치 {Acoustic energy focusing device}Acoustic energy focusing device

본 발명은 음향에너지 집속장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평면형 굴절률 구배 음향렌즈 형태로 형성되되, 광대역 범위에서 높은 투과율을 가지면서도 얇은 두께를 가질 수 있도록 최적화된 설계를 가지는, 음향에너지 집속장치에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic energy focusing device, and more particularly, to an acoustic energy focusing device formed in the form of a planar refractive index gradient acoustic lens and having a design optimized to have a thin thickness while having high transmittance in a broadband range it's about

음파 집속 기술은 비파괴 검사, 의료용 초음파 진단, 비침습 치료 등 이미징 시스템 또는 의료기기 등에 활발히 응용되는 기술이다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 음파를 그대로 사용하는 경우 음원(source)에서 발생된 강도 이상의 음파를 만들 수 없어 그 강도가 한정될 수밖에 없지만, 음향에너지를 집속해 줌으로써 원래 소스에서 발생된 음파보다 훨씬 강한 강도를 갖는 음파를 만들어낼 수 있다. 특히 초음파의 경우 초음파 이미지를 만들거나 초음파 치료 등으로 활용되는 경우가 많은데, 초음파를 집속함으로써 초음파 이미지의 품질을 향상시키거나 초음파 치료 강도를 효과적으로 높일 수 있다.The sound wave focusing technology is a technology that is actively applied to imaging systems or medical devices, such as non-destructive testing, medical ultrasound diagnosis, and non-invasive treatment. In more detail, it is as follows. In the case of using sound waves as they are, it is impossible to create a sound wave with more than the intensity generated from the source, so the intensity is limited. can In particular, in the case of ultrasound, it is often used to create an ultrasound image or for ultrasound treatment. By focusing the ultrasound, the quality of the ultrasound image or the intensity of ultrasound treatment can be effectively increased.

음향에너지 집속장치의 기본적이고 상용화된 형태로서 광학렌즈와 유사한 형태로 된 굴절형 음향렌즈가 있다. 음파 역시 광파와 마찬가지로 파동이므로, 광학렌즈와 동일한 원리로 음파를 집중시키는 것이 가능하다. 굴절형 음향렌즈는 배경매질(즉 음향렌즈 외에 음파가 원래 통과하고 있던 공기, 물 등)과 다른 굴절률을 갖는 매질을 곡면형으로 깎아 만들어지며, 렌즈 곡면은 각 지점을 투과하는 음파의 위상을 서로 다르게 조절하여 파동을 제어할 수 있는 형상으로 설계된다. 배경매질을 진행하던 음파가 렌즈매질로 들어가면 (렌즈매질의 굴절률이 배경매질의 굴절률보다 높기 때문에) 파장이 짧아지는데, 렌즈매질의 굴절률이 배경매질의 굴절률보다 높을수록 파장이 짧아지는 정도가 더욱 강해진다. 렌즈의 두께는 이처럼 렌즈 내에 들어와 파장이 짧아진 음파가 충분히 큰 위상변화를 겪을 수 있을 만큼 두꺼워야 하기 때문에, 렌즈매질의 굴절률이 높아질수록 렌즈는 얇게 만들 수 있으며, 곡률은 작아지게 된다.As a basic and commercialized form of the acoustic energy focusing device, there is a refractive acoustic lens in a shape similar to an optical lens. Since sound waves are also waves like light waves, it is possible to focus sound waves on the same principle as optical lenses. A refractive acoustic lens is made by cutting a medium having a refractive index different from that of the background medium (i.e., air, water, etc., through which sound waves originally passed in addition to the acoustic lens) into a curved shape, and the lens curved surface is the phase of the sound wave passing through each point. It is designed in a shape that can control the wave by adjusting it differently. When the sound wave, which was traveling through the background medium, enters the lens medium (because the refractive index of the lens medium is higher than the refractive index of the background medium), the wavelength becomes shorter. becomes Since the thickness of the lens must be thick enough that sound waves with shorter wavelengths entering the lens can undergo a sufficiently large phase change, the lens can be made thinner as the refractive index of the lens medium increases, and the curvature becomes smaller.

한편 매질의 굴절률이 높아질수록 특성 음향 임피던스가 커지며, 배경매질 및 렌즈매질 간의 임피던스 차이가 클수록 반사율이 높아지게 된다. 상술한 바와 같이 렌즈를 얇게 만들기 위해서는 렌즈매질의 굴절률이 높을수록 유리하지만, 렌즈매질의 굴절률이 높을수록 반사율이 높아지며 반대로 말하면 투과율이 낮아지는 문제가 있다. 즉, 굴절형 음향렌즈의 경우 그 물질 특성상 두께가 얇으면서도 투과율이 높게 만드는 것은 불가능하다. 뿐만 아니라 굴절형 음향렌즈는 곡면형으로 된 표면을 가진다는 형상 특성상 다른 구조물에 탈부착하는 것이 용이하지 않다는 단점 또한 있다.Meanwhile, as the refractive index of the medium increases, the characteristic acoustic impedance increases, and as the impedance difference between the background medium and the lens medium increases, the reflectance increases. As described above, in order to make the lens thinner, the higher the refractive index of the lens medium is advantageous, the higher the refractive index of the lens medium is, the higher the reflectivity is, and conversely, the lower the transmittance. That is, in the case of a refractive acoustic lens, it is impossible to make a high transmittance while having a thin thickness due to the characteristics of the material. In addition, the refractive acoustic lens has a disadvantage in that it is not easy to attach or detach it to other structures due to the shape characteristic of having a curved surface.

굴절률 음향렌즈 외에 상용화되어 널리 쓰이고 있는 음향에너지 집속장치로서, 위상배열 트랜스듀서도 있다. 즉 수십 개의 트랜스듀서가 배열된 형태로 이루어지며, 각각의 트랜스듀서가 서로 다른 위상의 음파를 발생시켜 초점에서 보강간섭이 일어나게 하는 원리로 음파를 집속한다. 굴절형 음향렌즈의 경우 음파를 굴절률이 다른 매질을 통과시키되 위치에 따라 통과하는 거리(렌즈 두께)가 달라지게 함으로써 음파를 조절한다면, 위상배열 트랜스듀서는 위치에 따라 아예 조절된 음파를 출력함으로써 음파가 굴절형 음향렌즈를 통과하여 나온 것과 같은 형태의 신호를 만들어주는 것이다. 이처럼 위상배열 트랜스듀서를 사용하면 굴절형 음향렌즈를 사용하지 않고도 음향 에너지를 집속할 수 있다.In addition to the refractive index acoustic lens, as an acoustic energy focusing device that has been commercialized and widely used, there is also a phased array transducer. That is, dozens of transducers are arranged in an array, and each transducer generates sound waves of different phases to focus the sound waves on the principle that constructive interference occurs at the focal point. In the case of a refractive acoustic lens, if a sound wave passes through a medium with a different refractive index and the distance (lens thickness) through it varies depending on the position, the sound wave is controlled. It creates a signal of the same shape as that emitted through a refractive acoustic lens. In this way, using a phased array transducer, acoustic energy can be focused without using a refractive acoustic lens.

그러나 위상배열 트랜스듀서는, 상술한 바와 같이 복잡한 신호처리를 이용하여 음파를 집속하는 장치인 만큼 트랜스듀서로부터 발생된 음파의 위상을 정확히 제어하기 위해서는 상당한 계산부하를 처리할 수 있는 시스템이 별도로 필요하다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 이러한 신호처리가 아무리 빠르게 이루어진다 하여도 계산에 필요한 절대적인 시간이 소요되기 때문에, 실시간으로 제어하면서 작업해야 하는 정밀한 시술 등과 같은 작업에 활용되는 것은 극히 어렵다. 뿐만 아니라 트랜스듀서 자체의 장치 부피가 확보되어야 하기 때문에 장치를 소형화하기도 어렵다.However, since the phased array transducer is a device that focuses sound waves using complex signal processing as described above, a system capable of handling a significant computational load is required to accurately control the phase of sound waves generated from the transducer. There is a problem. In addition, no matter how fast the signal processing is performed, the absolute time required for calculation is required, so it is extremely difficult to be utilized for tasks such as precise procedures that require real-time control and work. In addition, since the device volume of the transducer itself must be secured, it is difficult to miniaturize the device.

이처럼 기존에 상용화되어 사용되고 있는 음향에너지 집속장치들(굴절형 음향렌즈, 위상배열 트랜스듀서)은 장치 특성상 극복할 수 없는 문제점들을 가지고 있다. 이에 최근에는, 메타물질에 기반하여 얇으면서도 높은 투과율을 가지는 평면형 형상으로 이루어지는 음향렌즈에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.As such, acoustic energy focusing devices (refractive acoustic lenses, phased array transducers) that have been commercialized and used have problems that cannot be overcome due to the characteristics of the devices. Accordingly, recently, studies on acoustic lenses made of a thin and high transmittance planar shape based on metamaterials are being actively conducted.

한 예로, 한국특허등록 제1996750호("메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법", 2019.06.28., 이하 '선행특허')에는 두께가 일정한 평판 형태로 되되, 중심점을 기준으로 동심원 형상으로 배치되는 차음영역 및 투과영역이 교차 형성되도록 한 구조의 음향렌즈가 개시되었다. 상기 선행특허에서는, 차음영역 및 투과영역의 레이아웃이 토폴로지 최적화 역설계 방법에 의하여 결정되도록 하고 있다.As an example, Korean Patent Registration No. 1996750 ("Ultra-thin acoustic lens for sub-wavelength focusing in the mega sonic range and its design method", 2019.06.28., hereinafter 'prior patent') has a flat plate shape with a constant thickness, but the center point An acoustic lens having a structure in which a sound insulating area and a transmission area arranged in a concentric circle shape are formed to cross each other was disclosed. In the prior patent, the layout of the sound insulation area and the transmission area is determined by the topology optimization reverse design method.

상기 선행특허에 의한 렌즈는 초박막 형태의 평면형으로 만들 수 있다는 장점이 있다. 그러나 투과영역이 매우 좁은 마이크로슬릿 형태로 형성되기 때문에 열점성손실에 의한 댐핑이 발생하는 문제가 해결되어야 한다는 한계가 있다.The lens according to the prior patent has the advantage that it can be made into a flat type in the form of an ultra-thin film. However, since the transmission region is formed in a very narrow microslit shape, there is a limitation in that the problem of damping caused by thermal viscous loss should be solved.

다른 예로, "Three-dimensional Ultrathin Planar Lenses by Acoustic Metamaterials"(SCIENTIFIC REPORTS | 4 : 6830, 2014, 이하 '선행논문')에는 미로통로(labyrinthine) 형태를 가지는 단위구조를 이용하여 특정 주파수 범위에서 공기와 거의 같은 음향 임피던스를 가지면서 매우 높은 굴절률을 가지도록 설계된 평면형 음향렌즈가 개시되었다. 보다 상세히는, 상기 선행논문에 개시된 평면형 음향렌즈는, 미로통로 형태의 단위구조가 렌즈 형태로 배치되되, 렌즈의 중심부에서 가장자리로 갈수록 단위구조의 굴절률이 점점 작아지도록 하는 형태로 이루어진다. 상기 선행논문에서는, 단위구조 내 통로의 단면적은 동일하되, 렌즈의 중심부에서 가장자리로 갈수록 단위구조 내 통로의 길이가 짧아지도록 함으로써 굴절률이 작아지도록 하고 있다.As another example, in "Three-dimensional Ultrathin Planar Lenses by Acoustic Metamaterials" (SCIENTIFIC REPORTS | 4: 6830, 2014, hereinafter 'preceding paper'), a unit structure having a labyrinthine shape is used in a specific frequency range with air and A planar acoustic lens designed to have a very high refractive index while having almost the same acoustic impedance has been disclosed. More specifically, in the planar acoustic lens disclosed in the preceding paper, the unit structure in the form of a labyrinth passage is arranged in the form of a lens, and the refractive index of the unit structure gradually decreases from the center to the edge of the lens. In the preceding paper, although the cross-sectional area of the passage in the unit structure is the same, the refractive index is decreased by making the length of the passage in the unit structure shorter from the center to the edge of the lens.

상기 선행논문에 의한 렌즈는 작동주파수 대비 한 파장 이하의 얇은 두께를 가지면서도 특정 주파수 영역에서 1에 가까운 매우 높은 투과율을 가진다. 다만 밴드폭(투과율이 0.8 이상인 주파수 범위)은 중심주파수 대비 12% 정도로 상당히 좁은 편이기 때문에, 광대역에서 사용하기에는 한계가 있다.The lens according to the preceding paper has a very high transmittance close to 1 in a specific frequency region while having a thin thickness of less than one wavelength compared to the operating frequency. However, since the bandwidth (frequency range in which the transmittance is 0.8 or more) is quite narrow, about 12% of the center frequency, there is a limit to using it in a wide band.

1. 한국특허등록 제1996750호("메가 소닉 범위에서 서브파장 집속을 위한 초박막 음향렌즈 및 그 설계방법", 2019.06.28.)1. Korea Patent Registration No. 1996750 ("Ultra-thin film acoustic lens for sub-wavelength focusing in mega sonic range and its design method", 2019.06.28.)

1. "Three-dimensional Ultrathin Planar Lenses by Acoustic Metamaterials"(SCIENTIFIC REPORTS | 4 : 6830, 2014)1. “Three-dimensional Ultrathin Planar Lenses by Acoustic Metamaterials” (SCIENTIFIC REPORTS | 4:6830, 2014)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 평면형 굴절률 구배 음향렌즈 형태로 형성되되, 광대역 범위에서 높은 투과율을 가지면서도 얇은 두께를 가질 수 있도록 최적화된 설계를 가지는, 음향에너지 집속장치를 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 미로통로 형태의 단위구조가 렌즈 형태로 배치되되, 렌즈의 중심부에서 가장자리로 갈수록 단위구조의 굴절률이 점점 작아지도록 하는 형태로 이루어지며, 단위구조의 굴절률이 통로의 단면적 및 길이에 의해 조절되도록 설계되는, 음향에너지 집속장치를 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to be formed in the form of a planar refractive index gradient acoustic lens, and to have a thin thickness while having high transmittance in a broadband range. To provide an acoustic energy focusing device having an optimized design. More specifically, the unit structure in the form of a labyrinth passage is arranged in the form of a lens, and the refractive index of the unit structure becomes smaller as it goes from the center to the edge of the lens, and the refractive index of the unit structure depends on the cross-sectional area and length of the passage. To provide an acoustic energy focusing device, which is designed to be controlled by

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 음향에너지 집속장치(500)는, 음파가 진행하는 방향을 제1방향, 제1방향과 수직한 방향을 제2방향, 제1방향 및 제2방향 모두에 수직한 방향을 제3방향이라 할 때, 제1방향으로 연장되는 진행통로(110) 및 제2방향으로 연장되는 수직통로(120)가 제1방향으로 복수 개 교번 배치되는 형태로 형성되는 미로통로(labyrinthine, 150)가 내부에 형성되는 단위구조(100)를 복수 개 포함하며, 복수 개의 상기 단위구조(100)는 제2방향 및 제3방향으로 이루어지는 평면상에 분산 배치되어 상기 단위구조(100)의 제1방향 길이를 두께로 갖는 렌즈 형태를 형성하며, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 상기 단위구조(100)의 굴절률이 점점 작아지도록 형성되되, 상기 단위구조(100)의 굴절률은 상기 미로통로(150)의 단면적 및 길이에 의해 조절될 수 있다.The acoustic energy focusing device 500 of the present invention for achieving the above object is a first direction in which sound waves travel, a second direction in a direction perpendicular to the first direction, a first direction and a second direction When a direction perpendicular to all is a third direction, a plurality of moving passages 110 extending in the first direction and vertical passages 120 extending in the second direction are alternately arranged in the first direction. A labyrinthine passage 150 includes a plurality of unit structures 100 formed therein, and the plurality of unit structures 100 are dispersedly disposed on a plane formed in the second direction and the third direction to form the unit structure. A lens shape having a thickness in a first direction length of 100 is formed, and the refractive index of the unit structure 100 decreases from the center of the lens toward the edge, and the refractive index of the unit structure 100 is the maze. It can be controlled by the cross-sectional area and length of the passage 150 .

이 때 상기 미로통로(150)는, 음파가 유입되는 측을 입사측, 음파가 배출되는 측을 출사측, 입사측 및 출사측 사이의 정중간지점을 중간점이라 할 때, 입사측에서 중간점까지 단면적이 점점 줄어들고, 중간점에서 출사측까지 단면적이 점점 늘어나는 형태로 형성될 수 있다.At this time, in the maze passage 150, when the side where the sound wave is introduced is the incident side, the side where the sound wave is discharged is the exit side, and the midpoint between the incident side and the output side is the midpoint, the midpoint on the incident side It may be formed in a form in which the cross-sectional area is gradually reduced to the point, and the cross-sectional area is gradually increased from the midpoint to the emission side.

또한 상기 미로통로(150)는, 입사측 배경매질 및 출사측 배경매질의 굴절률이 동일한 경우, 입사측에서 출사측까지의 형태가 중간점을 기준으로 대칭 형태로 형성될 수 있다.Also, in the maze passage 150 , when the refractive indices of the incident-side background medium and the emission-side background medium are the same, the shape from the incident side to the exit side may be formed symmetrically with respect to the midpoint.

본 발명의 음향에너지 집속장치(500)의 제1실시예에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The first embodiment of the acoustic energy focusing device 500 of the present invention will be described in detail as follows.

상기 단위구조(100)는, 제1방향 및 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로(110) 및 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상이 제3방향으로 기결정된 높이로 형성되는 직육면체 형상으로 형성되며, 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향 및 제3방향 각각에 대하여 동일 간격으로 적층 배치되어 렌즈 형태를 형성할 수 있다.The unit structure 100 has a shape in which a plurality of the traveling passages 110 and the vertical passages 120 are alternately arranged on a plane formed in the first direction and the second direction to have a predetermined height in the third direction. It is formed in the shape of a rectangular parallelepiped, and a plurality of the unit structures 100 are stacked at the same intervals in each of the second direction and the third direction to form a lens shape.

또한 상기 단위구조(100)는, 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향 및 제3방향 각각에 대하여 간격이 0이 되도록 밀접하게 적층 배치될 수 있다.Also, in the unit structure 100 , a plurality of unit structures 100 may be closely stacked so that an interval of 0 in each of the second direction and the third direction is 0 .

또한 상기 단위구조(100)는, 제1방향 길이를 l0, 제2방향 길이를 p0, 제3방향 길이를 q0라 할 때, 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적 S0가 p0×q0로 형성되고, 입사측 또는 출사측에서 중간점까지 상기 미로통로(150)의 단면적이 N번 변화하되, 1번째 단면적 S1을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 1번째 단위통로, …, N번째 단면적 SN을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 N번째 단위통로라 할 때(N은 2 이상의 자연수), 1, …, N-1번째 단위통로 각각은 1개의 상기 진행통로(110) 및 1개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상으로 형성되고, N번째 단위통로는 홀수 개의 상기 진행통로(110) 및 짝수 개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상 또는 단일 개의 상기 진행통로(110)만으로 형성되고, j번째 단면적은 j-1번째 단면적보다 작도록 결정될(이 때, j : 인덱스 번호, j = 1, …, N) 수 있다.In addition, the unit structure 100 has a first direction length l 0 , a second direction length p 0 , and a third direction length q 0 , a first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure 100 . is formed by p 0 ×q 0 , and the cross-sectional area of the maze passage 150 is changed N times from the incident side or the exit side to the midpoint, but a part of the maze passage 150 having a first cross-sectional area S 1 is first unit passage, … , when a part of the maze passage 150 having an N-th cross-sectional area S N is referred to as an N-th unit passage (N is a natural number greater than or equal to 2), 1, ... , each of the N-1 th unit passages is formed in a shape in which one proceeding passage 110 and one vertical passage 120 are alternately arranged, and the N th unit passage is an odd number of the proceeding passages 110 and an even number. The vertical passages 120 are alternately arranged or formed with only a single passage 110, and the j-th cross-sectional area is determined to be smaller than the j-1th cross-sectional area (in this case, j: index number, j = 1) , …, N) can be.

또한 상기 단위구조(100)는, j번째 단면적이 하기의 식으로 결정될 수 있다.In addition, in the unit structure 100, the j-th cross-sectional area may be determined by the following formula.

Sj = Sj-1×rS j = S j-1 ×r

(이 때, r : 등비수열 공비, 0 < r < 1)(In this case, r: geometric azeotrope, 0 < r < 1)

또한 상기 단위구조(100)는, 1, …, N-1번째 단위통로 각각의 전파길이가 서로 동일하게 형성되며, N번째 단위통로의 전파길이는 나머지 단위통로의 전파길이와 상이하게 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100 is 1, ... , the propagation length of each of the N-1 th unit passages may be formed to be the same as each other, and the propagation length of the N th unit passage may be formed to be different from the propagation lengths of the remaining unit passages.

또한 상기 단위구조(100)는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N번째 단위통로의 전파길이가 짧아지도록 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100 may be formed such that the propagation length of the N-th unit passage decreases from the center of the lens toward the edge.

또한 상기 단위구조(100)는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N의 크기가 작아지도록 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100 may be formed such that the size of N decreases from the center of the lens toward the edge.

또한 상기 단위구조(100)는, 각각의 상기 단위구조(100)의 굴절률이 하기의 식에 의해 결정되며,In addition, in the unit structure 100, the refractive index of each of the unit structures 100 is determined by the following formula,

Figure 112020088181888-pat00001
Figure 112020088181888-pat00001

(이 때, ni : i번째 단위구조(100)의 굴절률, Ri : 렌즈 중심에서 i번째 단위구조(100) 중심위치까지의 거리, l0 : 렌즈 두께, F : 렌즈 초점거리, Rlens : 렌즈 반경)(In this case, n i : refractive index of the i-th unit structure 100, R i : the distance from the center of the lens to the center position of the i-th unit structure 100, l 0 : lens thickness, F: lens focal length, R lens : lens radius)

상기의 식에 의해 결정된 굴절률에 따라 N 및 N번째 단위통로의 전파길이가 결정될 수 있다.The propagation length of the N and N-th unit passages may be determined according to the refractive index determined by the above equation.

또한 상기 단위구조(100)는, 제2방향 길이 p0 및 제3방향 길이 q0가, 상기 음향에너지 집속장치(500)이 통과시키고자 하는 주파수 범위 내 최고주파수 파장의 반보다 작게 형성될 수 있다.In addition, in the unit structure 100, the second direction length p 0 and the third direction length q 0 may be formed to be smaller than half the wavelength of the highest frequency within the frequency range that the acoustic energy focusing device 500 wants to pass. have.

또한 상기 단위구조(100)는, 제3방향 길이 q0가 제2방향 길이 p0와 동일하게 형성될 수 있다.Also, in the unit structure 100 , a third direction length q 0 may be formed to be the same as a second direction length p 0 .

본 발명의 음향에너지 집속장치(500)의 제2실시예에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The second embodiment of the acoustic energy focusing device 500 of the present invention will be described in detail as follows.

상기 단위구조(100)는, 제1방향 및 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로(110) 및 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상이 제1방향을 중심으로 회전된 회전체 형상으로 형성되며, 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향을 반경방향으로 하고 제3방향을 원주방향으로 하는 동심원 형태로서 동일 간격으로 적층 배치되어 렌즈 형태를 형성할 수 있다.The unit structure 100 has a shape in which a plurality of the traveling passages 110 and the vertical passages 120 are alternately arranged on a plane formed in a first direction and a second direction is rotated around the first direction. It is formed in an overall shape, and a plurality of the unit structures 100 may be stacked at the same intervals in the form of concentric circles with a second direction as a radial direction and a third direction as a circumferential direction to form a lens shape.

또한 상기 단위구조(100)는, 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향을 반경방향으로 하고 제3방향을 원주방향으로 하는 동심원 형태로서 간격이 0이 되도록 밀접하게 적층 배치될 수 있다.In addition, the unit structure 100 may be closely stacked so that the plurality of unit structures 100 are concentric circles with a second direction as a radial direction and a third direction as a circumferential direction so that an interval becomes 0.

또한 상기 단위구조(100)는, 제1방향 길이를 l0, 제2방향 길이를 p0라 할 때, 제2방향으로 1번째 배치된 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2으로 형성되고, 제2방향으로 M번째 배치된 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2{M2-(M-1)2}으로 형성되고(M은 2 이상의 자연수), 입사측 또는 출사측에서 중간점까지 상기 미로통로(150)의 단면적이 N번 변화하되, 1번째 단면적 S1을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 1번째 단위통로, …, N번째 단면적 SN을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 N번째 단위통로라 할 때(N은 2 이상의 자연수), 1, …, N-1번째 단위통로 각각은 1개의 상기 진행통로(110) 및 1개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상으로 형성되고, N번째 단위통로는 홀수 개의 상기 진행통로(110) 및 짝수 개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상 또는 단일 개의 상기 진행통로(110)만으로 형성되고, j번째 단면적은 j-1번째 단면적보다 작도록 결정되는 (이 때, j : 인덱스 번호, j = 1, …, N) 기본형상을 기반으로, 각각의 단위통로에 포함되는 수직통로(120)의 단면적이 음파 진행에 따라 변동되는 정도를 고려하여, 각각의 단위통로에 포함되는 수직통로(120)의 유효길이가 해당 단위통로에 포함되는 진행통로(110)의 유효길이에 상응하도록 보정된 변형형상으로 상기 미로통로(150)가 형성될 수 있다.In addition, in the unit structure 100, when the length in the first direction is l 0 and the length in the second direction is p 0 , the first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure 100 arranged first in the second direction is formed by πp 0 2 , and the vertical cross-sectional area S 0 in the first direction of the unit structure 100 arranged M-th in the second direction is formed by πp 0 2 {M 2 -(M-1) 2 } (M is a natural number greater than or equal to 2), the cross-sectional area of the maze passage 150 is changed N times from the incident side or the exit side to the midpoint, and a part of the maze passage 150 having the first cross-sectional area S 1 is converted into a first unit passage, ... , when a part of the maze passage 150 having an N-th cross-sectional area S N is referred to as an N-th unit passage (N is a natural number greater than or equal to 2), 1, ... , each of the N-1 th unit passages is formed in a shape in which one proceeding passage 110 and one vertical passage 120 are alternately arranged, and the N th unit passage is an odd number of the proceeding passages 110 and an even number. The vertical passages 120 are alternately arranged or formed only by a single passage 110, and the j-th cross-sectional area is determined to be smaller than the j-1th cross-sectional area (in this case, j: index number, j = 1, …, N) Based on the basic shape, considering the degree to which the cross-sectional area of the vertical passage 120 included in each unit passage varies according to sound wave propagation, the vertical passage 120 included in each unit passage The maze passage 150 may be formed in a deformed shape corrected to correspond to the effective length of the progress passage 110 included in the unit passage.

또한 상기 단위구조(100)는, 상기 기본형상에서, j번째 단면적이 하기의 식으로 결정될 수 있다.In addition, the unit structure 100, in the basic shape, the j-th cross-sectional area may be determined by the following formula.

Sj = Sj-1×rS j = S j-1 ×r

(이 때, r : 등비수열 공비, 0 < r < 1)(In this case, r: geometric azeotrope, 0 < r < 1)

또한 상기 단위구조(100)는, 1, …, N-1번째 단위통로 각각의 전파길이가 서로 동일하게 형성되며, N번째 단위통로의 전파길이는 나머지 단위통로의 전파길이와 상이하게 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100 is 1, ... , the propagation length of each of the N-1 th unit passages may be formed to be the same as each other, and the propagation length of the N th unit passage may be formed to be different from the propagation lengths of the remaining unit passages.

또한 상기 단위구조(100)는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N번째 단위통로의 전파길이가 짧아지도록 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100 may be formed such that the propagation length of the N-th unit passage decreases from the center of the lens toward the edge.

또한 상기 단위구조(100)는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N의 크기가 작아지도록 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100 may be formed such that the size of N decreases from the center of the lens toward the edge.

또한 상기 단위구조(100)는, 제2방향 길이 p0가, 상기 음향에너지 집속장치(500)이 통과시키고자 하는 주파수 범위 내 최고주파수 파장의 반보다 작게 형성될 수 있다.In addition, the unit structure 100, the second direction length p 0 may be formed to be smaller than half the wavelength of the highest frequency within the frequency range that the acoustic energy focusing device 500 wants to pass.

또한 상기 단위구조(100)는, 각각의 상기 단위구조(100)의 굴절률이 하기의 식에 의해 결정되며,In addition, in the unit structure 100, the refractive index of each of the unit structures 100 is determined by the following formula,

Figure 112020088181888-pat00002
Figure 112020088181888-pat00002

(이 때, ni : i번째 단위구조(100)의 굴절률, Ri : 렌즈 중심에서 i번째 단위구조(100) 중심위치까지의 거리, l0 : 렌즈 두께, F : 렌즈 초점거리, Rlens : 렌즈 반경)(In this case, n i : refractive index of the i-th unit structure 100, R i : the distance from the center of the lens to the center position of the i-th unit structure 100, l 0 : lens thickness, F: lens focal length, R lens : lens radius)

상기의 식에 의해 결정된 굴절률에 따라 N 및 N번째 단위통로의 전파길이가 결정될 수 있다.The propagation length of the N and N-th unit passages may be determined according to the refractive index determined by the above equation.

본 발명에 의하면, 미로통로 형태의 단위구조가 렌즈 형태로 배치되되, 렌즈의 중심부에서 가장자리로 갈수록 단위구조의 굴절률이 점점 작아지도록 하는 형태로 이루어짐으로써, 음향렌즈가 평면형 형상으로 이루어지면서도 높은 투과율 및 얇은 두께를 동시에 달성할 수 있다는 큰 효과를 가진다. 종래 상용화되어 사용되던 곡면형 음향렌즈의 경우 얇으면서도 투과율이 높게 만드는 것은 물질 특성상 불가능한 한계가 있었으며, 역시 종래 상용화되어 사용되던 위상배열 트랜스듀서의 경우 신호처리 자체가 매우 복잡하며 신호처리에 드는 계산부하 및 시간지연으로 인하여 실시간 제어가 어렵고 소형화하기 어렵다는 한계가 있었으나, 본 발명의 평면형 음향렌즈 형태로 된 음향에너지 집속장치는 높은 투과율을 가지면서도 얇은 두께를 가질 수 있어 종래 상용화 장치들의 한계를 모두 넘어설 수 있다는 큰 장점이 있다.According to the present invention, the unit structure in the form of a labyrinth passage is arranged in the form of a lens, and the refractive index of the unit structure is gradually reduced from the center to the edge of the lens, so that the acoustic lens has a planar shape and high transmittance And it has a great effect of being able to achieve a thin thickness at the same time. In the case of the conventionally commercialized curved acoustic lens, it was impossible to make thin and high transmittance due to the characteristics of the material. And, due to time delay, real-time control is difficult and it is difficult to miniaturize. There is a big advantage that you can.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 단위구조의 굴절률이 통로의 단면적 및 길이에 의해 조절되도록 함으로써, 앞서 소개된 선행논문에 따른 종래의 미로통로 형태의 단위구조를 가지는 평면형 음향렌즈에 비하여 훨씬 광대역 범위에서 활용가능하다는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 선행논문에 따른 종래의 평면형 음향렌즈의 경우 중심주파수 대비 12% 정도의 좁은 밴드폭을 가지는 한계가 있었으나, 본 발명은 종래의 평면형 음향렌즈 밴드폭의 8배 이상의 매우 넓은 밴드폭을 가진다. 따라서 훨씬 광대역 범위에서 활용가능함에 따라, 응용분야의 확장성도 훨씬 커진다는 큰 효과를 얻는다.In addition, according to the present invention, by allowing the refractive index of the unit structure to be adjusted by the cross-sectional area and length of the passage, it is utilized in a much wider range than the conventional planar acoustic lens having a unit structure in the form of a labyrinth according to the previous paper introduced above. There is a great effect that it is possible. More specifically, in the case of the conventional planar acoustic lens according to the preceding paper, there was a limitation in having a narrow bandwidth of about 12% compared to the center frequency, but the present invention has a very wide bandwidth of 8 times or more of the bandwidth of the conventional planar acoustic lens. have Therefore, as it can be used in a much wider band, the scalability of the application field is greatly increased.

도 1은 본 발명의 음향에너지 집속장치 단위구조 기본원리.
도 2는 투과율 하한의 이론적 계산 예시.
도 3은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예의 단위구조.
도 4는 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예.
도 5는 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예 단위구조의 주파수에 따른 투과율.
도 6은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예의 집속성능.
도 7은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제2실시예.
도 8은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제2실시예 단위구조의 주파수에 따른 투과율.
도 9는 본 발명의 음향에너지 집속장치 제2실시예의 집속성능.1 is a basic principle of the unit structure of the acoustic energy focusing device of the present invention.
2 is an example of theoretical calculation of the lower limit of transmittance.
3 is a unit structure of the first embodiment of the acoustic energy focusing device of the present invention.
4 is a first embodiment of the acoustic energy focusing device of the present invention.
5 is a transmittance according to frequency of the unit structure of the acoustic energy focusing device of the first embodiment of the present invention.
6 is a focusing performance of the acoustic energy focusing device of the first embodiment of the present invention.
7 is a second embodiment of the acoustic energy focusing device of the present invention.
8 is a transmittance according to frequency of the unit structure of the acoustic energy focusing device of the second embodiment of the present invention.
9 is a focusing performance of the acoustic energy focusing device of the second embodiment of the present invention.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 음향에너지 집속장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an acoustic energy focusing device according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[1] 단위구조 기본원리[1] Basic principle of unit structure

도 1은 본 발명의 음향에너지 집속장치 단위구조 기본원리를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 음향에너지 집속장치(500)는 기본적으로 도 1에 도시된 바와 같은 미로통로(labyrinthine, 150)가 내부에 형성되는 단위구조(100)를 복수 개 포함하여 이루어진다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 음향에너지 집속장치(500)는, 도 1에 도시된 바와 같은 형상을 3차원적으로 확장시킨 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향 및 제3방향으로 이루어지는 평면상에 분산 배치되어 상기 단위구조(100)의 제1방향 길이를 두께로 갖는 렌즈 형태를 형성하게 함으로써 만들어진다. 이 때, 중심부를 통과한 음파의 위상 변화는 크게하고, 가장자리로 갈수록 그 위치를 통과한 음파의 위상을 적게 변하게 설계함으로써 음파를 집속할 수 있으며, 이를 위해 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 상기 단위구조(100)의 굴절률이 점점 작아지도록 형성되게 한다.1 is a view for explaining the basic principle of the unit structure of the acoustic energy focusing device of the present invention. The acoustic energy focusing device 500 of the present invention basically includes a plurality of unit structures 100 in which a labyrinthine 150 is formed as shown in FIG. 1 . More specifically, in the acoustic energy focusing device 500 of the present invention, the plurality of unit structures 100 in which the shape as shown in FIG. 1 is expanded three-dimensionally is formed in the second direction and the third direction. It is made by dispersing and disposing on a plane to form a lens shape having a thickness equal to a length in the first direction of the unit structure 100 . At this time, the sound wave can be focused by designing that the phase change of the sound wave passing through the center is large and the phase of the sound wave passing through the position is designed to change less toward the edge, and for this purpose, the unit structure ( 100) is formed so that the refractive index becomes smaller and smaller.

이 때 상기 단위구조(100) 내에 형성된 상기 미로통로(150)에 의하여 음파가 조절되기 때문에, 먼저 상기 단위구조(100)에 대하여 설명한다. 도 1의 형상이 어떻게 3차원적으로 확장되어 상기 단위구조(100)를 형성하는지, 또한 그렇게 확장시킨 3차원 구조로 된 상기 단위구조(100)가 어떻게 배치되어 본 발명의 음향에너지 집속장치(500)를 형성하는지에 따라 제1, 2실시예가 나뉘게 되는데, 이에 대해서는 이후 보다 상세히 설명하기로 한다. 먼저 방향을 정의함에 있어서, 음파가 진행하는 방향을 제1방향(1st direction), 제1방향과 수직한 방향을 제2방향(2nd direction)이라 한다. 도 1에는 도시되지 않았으나, 이후 상기 음향에너지 집속장치(500)의 실시예들의 설명에서 제1방향 및 제2방향 모두에 수직한 방향을 제3방향(3rd direction)이라 함이 설명된다.At this time, since the sound wave is controlled by the maze passage 150 formed in the unit structure 100 , the unit structure 100 will be described first. How the shape of Fig. 1 is expanded three-dimensionally to form the unit structure 100, and how the unit structure 100 with the expanded three-dimensional structure is arranged so that the acoustic energy focusing device 500 of the present invention ) is formed, the first and second embodiments are divided, which will be described later in more detail. First, in defining the direction, a direction in which the sound wave travels is referred to as a first direction, and a direction perpendicular to the first direction is referred to as a second direction. Although not shown in FIG. 1 , a direction perpendicular to both the first direction and the second direction will be referred to as a third direction in the description of embodiments of the acoustic energy focusing device 500 .

상기 미로통로(150)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1방향으로 연장되는 진행통로(110) 및 제2방향으로 연장되는 수직통로(120)가 제1방향으로 복수 개 교번 배치되는 형태로 형성된다. 음파가 유입되는 측을 입사측, 음파가 배출되는 측을 출사측, 입사측 및 출사측 사이의 정중간지점을 중간점이라 할 때, 도 1에서 좌측(pinc)이 입사측, 우측(ptrans)이 출사측이 된다. 음파가 배경매질(공기, 물 등)을 지날 때와는 달리 상기 미로통로(150)로 입사되면 음파의 전파길이가 늘어나게 되며, 이는 음파의 위상을 변화시켜 마치 굴절형 음향렌즈 내부를 통과하는 것과 같은 효과를 내게 된다. 음파의 전파길이를 조절함으로써 굴절률이 조절될 수 있는데, 가장 쉽게 생각하기로는 상기 미로통로(150)가 모든 위치에서 동일한 단면적을 가지되 꼬인 정도(통로가 꺾이는 횟수)를 조절함으로써 음파의 전파길이를 조절할 수 있을 것이다. 그런데 이처럼 상기 미로통로(150)가 모든 위치에서 동일한 단면적을 가질 경우, 필요에 따라 꼬인 정도를 과도하게 늘려야 할 수도 있으며, 이는 렌즈 두께가 두꺼워지게 하는 요인이 된다.As shown in FIG. 1 , the labyrinth passage 150 has a form in which a plurality of passage passages 110 extending in a first direction and vertical passages 120 extending in a second direction are alternately arranged in a first direction. is formed with When the side where the sound wave is introduced is the incident side, the side where the sound wave is discharged is the exit side, and the midpoint between the incident side and the emission side is the midpoint, the left side (p inc ) in FIG. 1 is the incident side, the right side (p trans ) is the exit side. Unlike when a sound wave passes through a background medium (air, water, etc.), when it enters the maze passage 150, the propagation length of the sound wave increases, which changes the phase of the sound wave, as if passing through the inside of a refractive acoustic lens. will have the same effect. The refractive index can be adjusted by adjusting the propagation length of the sound wave. The easiest way to think of it is that the maze passage 150 has the same cross-sectional area at all positions, but the propagation length of the sound wave can be adjusted by controlling the degree of twisting (the number of times the passage is bent). you will be able to control However, when the labyrinth passage 150 has the same cross-sectional area at all positions as described above, the degree of twisting may need to be excessively increased as necessary, which is a factor that increases the thickness of the lens.

이런 문제를 해소하기 위하여, 본 발명에서는 상기 미로통로(150)의 단면적을 부분별로 변화시킴으로써, 두께 증가 요인을 최대한 억제하면서도 음파의 전파길이를 최대한 늘릴 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에서는 상기 단위구조(100)의 굴절률이 상기 미로통로(150)의 길이 뿐만 아니라 상기 미로통로(150)의 단면적에 의해서도 조절되도록 하는 것이다. 보다 구체적으로는, 상기 미로통로(150)의 단면적이 입사측에서 출사측까지 변화되도록 하되, 도 1에 도시된 바와 같이, 입사측에서 중간점까지 단면적이 점점 줄어들고, 중간점에서 출사측까지 단면적이 점점 늘어나는 형태로 형성되게 하고 있다. 또한 입사측 배경매질 및 출사측 배경매질의 굴절률이 동일한 경우, 입사측에서 출사측까지의 형태가 중간점을 기준으로 대칭 형태로 형성되게 함으로써, 입사시 및 출사시의 단면적은 동일해지도록 하고 있다. 입사측 배경매질 및 출사측 배경매질의 굴절률이 상이한 경우라면(즉 입사측 배경에는 공기가 채워지고 출사측 배경에는 물이 채워지는 등) 대칭 형태가 아니라 입사측/출사측 배경매질 굴절률에 따라 비율이 다른 형태로 형성되게 하면 된다. 본 발명의 상기 미로통로(150)는 이처럼 단면적이 점진적으로 변화하기 때문에, 상기 미로통로(150)로 입사된 음파의 반사율이 낮아지며, 따라서 투과율이 훨씬 상승하게 된다.In order to solve this problem, in the present invention, by changing the cross-sectional area of the maze passage 150 for each part, it is possible to maximize the propagation length of the sound wave while suppressing the thickness increase factor as much as possible. That is, in the present invention, the refractive index of the unit structure 100 is adjusted not only by the length of the maze passage 150 but also by the cross-sectional area of the maze passage 150 . More specifically, the cross-sectional area of the maze passage 150 is changed from the incident side to the output side, but as shown in FIG. 1, the cross-sectional area from the incident side to the midpoint gradually decreases, and the cross-sectional area from the midpoint to the exit side. It is being formed in an ever-increasing form. In addition, when the refractive indices of the incident-side background medium and the emission-side background medium are the same, the shape from the incident side to the emission side is formed in a symmetrical form with respect to the midpoint, so that the cross-sectional areas at the time of incidence and at the time of exit are the same. . If the refractive indices of the incident-side background medium and the exit-side background medium are different (that is, the incident-side background is filled with air, the exit-side background is filled with water, etc.) Let it be formed in a different form. Since the cross-sectional area of the labyrinth passage 150 of the present invention is gradually changed as described above, the reflectance of the sound wave incident into the labyrinth passage 150 is lowered, and thus the transmittance is significantly increased.

상기 미로통로(150)의 구조를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 미로통로(150)는, 기본적으로 제1방향 및 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로(110) 및 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상으로 이루어진다(이 형상을 기반으로 2가지 방법으로 3차원 구조물이 만들어지는데, 이후 설명될 제1, 2실시예가 그것이다).The structure of the maze passage 150 will be described in more detail as follows. As shown in FIG. 1 , the maze passage 150 has a shape in which a plurality of the passage passages 110 and the vertical passages 120 are alternately arranged on a plane basically formed in a first direction and a second direction. (Based on this shape, a three-dimensional structure is created in two ways, which are the first and second embodiments to be described later).

앞서 설명한 바와 같이 상기 미로통로(150)는 입사측에서 출사측까지의 형태가 중간점을 기준으로 대칭 형태로 형성되므로, 입사측에서 중간점까지 또는 출사측에서 중간점까지의 형상은 대칭적으로 동일하다. 상기 단위구조(100)의 입사측 또는 출사측에서 중간점까지 상기 미로통로(150)의 단면적이 N번 변화한다고 할 때, 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적을 S0라 하고, 1번째 단면적 S1을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 1번째 단위통로, …, N번째 단면적 SN을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 N번째 단위통로라 한다. 도 1에 도시된, 제1방향 및 제2방향으로 이루어지는 평면상에 형성된 설계형상이 3차원적으로 어떻게 확장되느냐에 따라 S0, …, SN의 계산방법이 달라질 수 있다. 도 1에서는 마치 S0, …, SN이 통로의 제2방향 길이인 것처럼 표시되었으나, 이는 (3차원적 확장방식에 따라 단면적의 계산방법이 달라지지만) 3차원적으로 어떻게 확장되느냐에 관계없이 "단면적"을 주요변수로 한다는 것을 표시하기 위한 것인바, 이 설명을 통해 표시에 있어서의 혼동이 없도록 한다.As described above, since the shape of the maze passage 150 from the incident side to the exit side is symmetrical with respect to the midpoint, the shape from the incident side to the midpoint or from the exit side to the midpoint is symmetrical. same. Assuming that the cross-sectional area of the maze passage 150 changes N times from the incident side or the output side of the unit structure 100 to the midpoint, the first direction vertical cross-sectional area of the unit structure 100 is S 0 , A part of the maze passage 150 having a first cross-sectional area S 1 is divided into a first unit passage, . . . , a part of the maze passage 150 having an N-th cross-sectional area S N is referred to as an N-th unit passage. S 0 , . , SN may be calculated differently. In FIG. 1, it is like S 0 , ... , S N is expressed as the length of the passage in the second direction, but this means that “cross-sectional area” is the main variable regardless of how it is expanded in three dimensions (although the method of calculating the cross-sectional area varies depending on the three-dimensional expansion method). It is intended to indicate that there is no confusion in the display through this description.

이 때 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는, 1, …, N-1번째 단위통로 각각은 1개의 상기 진행통로(110) 및 1개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상으로 형성되게 한다. 한편 중간점에 배치되는 N번째 단위통로는 홀수 개의 상기 진행통로(110) 및 짝수 개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상(도 1의 예시) 또는 단일 개의 상기 진행통로(110)만으로(이후 설명될 실시예에 나타남) 형성되게 한다. j를 1, …, N인 인덱스 번호라 할 때, j번째 단면적은 j-1번째 단면적보다 작게 형성된다. 즉, 입사측 또는 출사측에서 상기 미로통로(150)의 단면적이 제일 크고, 중간점에서 상기 미로통로(150)의 단면적이 제일 작게 형성되는 것이다. 이 단면적 차이는 격벽의 두께(도 1에서 w1, w2로 표시됨)나 위치, (제2방향) 길이 등으로 조절할 수 있다.At this time, as shown in Figure 1, in the present invention, 1, ... , each of the N-1th unit passages is formed in a shape in which one of the traveling passages 110 and one of the vertical passages 120 are alternately arranged. On the other hand, the N-th unit passage disposed at the midpoint has a shape in which odd number of passages 110 and even number of vertical passages 120 are alternately arranged (example in FIG. 1) or only with single passage 110 ( shown in the examples to be described later). j to 1, … , when the index number is N, the j-th cross-sectional area is formed smaller than the j-1th cross-sectional area. That is, the cross-sectional area of the labyrinth passage 150 is the largest at the incident side or the output side, and the cross-sectional area of the labyrinth passage 150 is the smallest at the midpoint. This cross-sectional area difference can be controlled by the thickness (indicated by w 1 , w 2 in FIG. 1 ), position, and length (in the second direction) of the partition wall.

상기 미로통로(150)의 단면적이 줄어드는 경향은, 한 예시로서 등비수열 방식으로 이루어질 수 있다. 즉 j번째 단면적이 하기의 식으로 결정되게 하는 것이다.The tendency of the cross-sectional area of the maze passage 150 to decrease may be made in an isotropic sequence as an example. That is, the j-th cross-sectional area is determined by the following equation.

Sj = Sj-1×rS j = S j-1 ×r

(이 때, r : 등비수열 공비, 0 < r < 1)(In this case, r: geometric azeotrope, 0 < r < 1)

r이 0에서 1 사이의 숫자이기 때문에, Sj는 Sj-1보다 항상 r의 비율만큼 작아지게 된다. 물론 이는 설계 및 시뮬레이션을 용이하게 하기 위한 하나의 예시로서, 상기 미로통로(150)의 단면적이 줄어드는 경향이 반드시 등비수열 방식으로 이루어져야만 하는 것은 아니다.Since r is a number between 0 and 1, S j is always smaller than S j-1 by a ratio of r. Of course, this is an example for facilitating design and simulation, and the tendency of the cross-sectional area of the maze passage 150 to decrease does not necessarily have to be done in an isotropic method.

도 1 상측도면에서, 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적이 S0, 상기 단위구조의 제1방향 길이가 l0로 표시된다. 또한, 1번째 진행통로(110) 및 1번째 수직통로(120)로 형성되는 1번째 단위통로의 단면적이 S1으로 표시되며, 이 때 음파의 전파길이가 l1으로 표시된다. 2, …, N번째 단위통로 역시 단면적이 S2, …, SN으로, 음파의 전파길이가 l2, …, lN으로 표시된다. 도 1 하측도면은 도 1 상측도면과 동등한(equivalent) 구조를 도시한 것으로서, 통로의 꼬임을 펼친 형태라고 보면 된다. 도 1 하측도면에 잘 나타나 있는 바와 같이, 1, …, N-1번째 단위통로 각각의 전파길이 즉 l1, …, lN-1은 서로 동일하게 형성되되, 중간점에 배치되는 N번째 단위통로의 전파길이 lN은 나머지 단위통로의 전파길이와 상이하게 형성된다. 도 1 하측도면의 예시에서는 N번째 단위통로의 전파길이 lN이 나머지 단위통로의 전파길이보다 긴 것으로 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 필요한 굴절률에 따라 lN이 나머지 단위통로의 전파길이보다 짧게 형성될 수도 있다.1 , the vertical cross-sectional area in the first direction of the unit structure 100 is indicated by S 0 , and the length of the unit structure in the first direction is indicated by l 0 . In addition, the cross-sectional area of the first unit passage formed by the first traveling passage 110 and the first vertical passage 120 is represented by S 1 , and the propagation length of the sound wave is represented by l 1 at this time. 2, … , the Nth unit passage also has a cross-sectional area of S 2 , … , S N , where the propagation length of the sound wave is l 2 , … , l N . The lower side view of FIG. 1 shows a structure equivalent to the upper view of FIG. 1, . . . , the propagation length of each N-1th unit channel, that is, l 1 , … , l N-1 are formed identically to each other, but the propagation length l N of the N-th unit passage disposed at the midpoint is formed to be different from the propagation length of the remaining unit passages. In the example of the lower view of FIG. 1, the propagation length l N of the N -th unit passage is shown to be longer than the propagation length of the remaining unit passages, but the present invention is not limited thereto. It may be formed shorter than the propagation length.

여기에서, N 또는 lN을 적절히 조절함으로써 원하는 주파수 범위에서 높은 투과율이 나오도록 설계할 수 있다. 예시적으로, 원하는 주파수 범위의 중심주파수인 fc의 파장이 λc일 때, 도 1과 같은 형상에서 N번째 단위통로의 전파길이 lN을 제외한 나머지 단위통로들의 전파길이 l1, …, lN-1을 λc/4가 되게 할 수 있다. 이렇게 하면 N 또는 lN에 관계없이 특정한 투과율 하한을 갖되 이 투과율 하한은 단면적 변화 공비 r 및 주파수 f에만 의존하게 된다. 도 2는 투과율 하한의 이론적 계산 예시를 도시한 것으로, 도 2의 예시에서는 r을 0.65 이상으로 고정하고 N 및 lN을 조절하여, 중심주파수 fc 기준 최소 52% 범위(0.71fc~1.29fc)에서 0.8 이상의 투과율을 가지면서 1 이상의 굴절률을 갖게 한다.Here, by appropriately adjusting N or 1 N , it can be designed to have high transmittance in a desired frequency range. Illustratively, when the wavelength of f c , which is the center frequency of the desired frequency range, is λ c , the propagation length l 1 of the remaining unit passages except for the propagation length l N of the N-th unit passage in the shape shown in FIG. 1 , . . . , l N-1 can be made λ c /4. This gives a certain lower transmittance limit irrespective of N or l N , but this lower transmittance lower limit depends only on the cross-sectional area change azeotrope r and frequency f. FIG. 2 shows an example of theoretical calculation of the lower limit of transmittance, in the example of FIG. 2, r is fixed to 0.65 or more and N and l N are adjusted, so that at least 52% range based on the center frequency f c (0.71f c ~ 1.29f c ) to have a transmittance of 0.8 or more and a refractive index of 1 or more.

[2] 제1실시예 : 격자형[2] First embodiment: grid type

도 3은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예의 단위구조를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이 제1실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같은 형상 즉 제1방향 및 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로(110) 및 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상이 제3방향으로 기결정된 높이로 형성되는 직육면체 형상으로 형성된다. 즉 도 3을 기준으로, 제3방향(3rd direction) 쪽에서 상기 단위구조(100)를 바라보면 도 1에 도시된 바와 같은 형상이 보이게 되는 것이다. 제1실시예와 같은 방식으로 3차원 확장시킨 상기 단위구조(100)는 제1방향으로 제일 길게 연장되는 직육면체 형상이 되며, 따라서 제1실시예에 따른 상기 단위구조(100)는 제2방향 및 제3방향 각각에 대하여 동일 간격으로 적층 배치되어 렌즈 형태를 형성하도록 할 수 있다.Figure 3 shows the unit structure of the first embodiment of the acoustic energy focusing device of the present invention. As shown in FIG. 3, in the first embodiment, a plurality of the traveling passages 110 and the vertical passages 120 are formed in the shape as shown in FIG. The alternately arranged shapes are formed in a rectangular parallelepiped shape having a predetermined height in the third direction. That is, when the unit structure 100 is viewed from the third direction with reference to FIG. 3 , the shape shown in FIG. 1 is seen. The unit structure 100, which is three-dimensionally expanded in the same manner as in the first embodiment, has a rectangular parallelepiped shape extending longest in the first direction, and thus the unit structure 100 according to the first embodiment is formed in the second direction and They may be stacked at the same interval in each of the third directions to form a lens shape.

도 4는 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예로서, 도 4에서는 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향 및 제3방향 각각에 대하여 간격이 0이 되도록 밀접하게 적층 배치된 형태로 이루어진다. 필요에 따라 상기 단위구조(100)들이 0이 아닌 간격으로 이격 배치될 수도 있으나, 그렇게 할 경우 불필요하게 렌즈의 반경만 커지게 되는 결과를 낳으므로 상기 단위구조(100)들의 간격은 0인 것이 바람직함은 자명하다. 다만, 실제 제작된 상기 음향에너지 집속장치(500)가 활용되는 단계에서 장치를 다른 구조물에 결합하는 과정에서 렌즈 반경이 얼마 이상이 되어야 하는 경우라든가, 제작 용이성 또는 제작비용 절감 등의 이유로 상기 음향에너지 집속장치(500)의 크기(즉 렌즈 반경)는 특정 값으로 유지하되 하나의 상기 음향에너지 집속장치(500)에 포함되는 상기 단위구조(100)의 개수를 얼마 이하로 제한해야 하는 경우 등에서, 상기 단위구조(100)들 간의 간격이 0이 아닌 값이 되게 할 수도 있다.4 is a first embodiment of the acoustic energy focusing device of the present invention. In FIG. 4, a plurality of the unit structures 100 are closely stacked and arranged so that an interval is 0 in each of the second and third directions. is done If necessary, the unit structures 100 may be spaced apart at a non-zero interval, but in this case, only the radius of the lens is unnecessarily increased, so the interval between the unit structures 100 is preferably 0. Hamm is self-evident. However, in the case in which the actually manufactured acoustic energy focusing device 500 is utilized, in the process of coupling the device to other structures, the lens radius must be greater than or equal to the acoustic energy for reasons such as manufacturing easiness or manufacturing cost reduction. The size (that is, the lens radius) of the focusing device 500 is maintained at a specific value, but in a case where the number of the unit structures 100 included in one acoustic energy focusing device 500 should be limited to a certain amount or less, the above The interval between the unit structures 100 may be set to a non-zero value.

상기 단위구조(100)들 간의 간격이 0인 경우를 상정할 때, 상기 단위구조(100)는, 제1방향 길이를 l0, 제2방향 길이를 p0, 제3방향 길이를 q0라 할 때, 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적 S0가 p0×q0로 형성된다. 상기 단위구조(100)로 음파가 원활하게 유입 및 배출되기 위해서, 제2방향 길이 p0 및 제3방향 길이 q0가, 상기 음향에너지 집속장치(500)가 통과시키고자 하는 주파수 범위 내 최고주파수 파장의 반보다 작게 형성되게 하는 것이 바람직하다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 음향에너지 집속장치(500)는 상기 단위구조(100)들이 제2방향 및 제3방향으로 적층 배치되기 때문에, 제2방향 및 제3방향으로 동등한 형상을 가지는 것이 바람직하다. 따라서 도 3에 도시된 제1실시예에 따른 상기 단위구조(100)에서는, 제3방향 길이 q0가 제2방향 길이 p0와 동일하게 형성되게 하는 것이 바람직하다.When it is assumed that the interval between the unit structures 100 is 0, the unit structure 100 has a first direction length l 0 , a second direction length p 0 , and a third direction length q 0 . In this case, the first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure 100 is formed as p 0 ×q 0 . In order to smoothly introduce and discharge sound waves into the unit structure 100 , the second direction length p 0 and the third direction length q 0 are the highest frequencies within the frequency range that the acoustic energy focusing device 500 wants to pass through. It is preferable to make it smaller than half the wavelength. On the other hand, as shown in FIG. 3 , in the acoustic energy focusing device 500 , since the unit structures 100 are stacked in the second and third directions, they have the same shape in the second and third directions. it is preferable Therefore, in the unit structure 100 according to the first embodiment shown in FIG. 3 , it is preferable that the length q 0 in the third direction is formed to be the same as the length p 0 in the second direction.

앞서 상기 단위구조(100)의 단면적을 조절함으로써 음파의 전파길이를 조절하여 굴절률을 조절할 수 있다고 설명하였다. 이제 상기 단위구조(100)를 도 4에 도시된 바와 같이 제2×3방향 평면상에서 원형의 렌즈 형상이 되도록 적층 배치한 상태에서, 음파가 초점으로 모여 집속되도록 하기 위해서는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 상기 단위구조(100)의 굴절률이 점점 작아지도록 형성해야 한다. 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 단위구조(100)는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N번째 단위통로의 전파길이가 짧아지도록 형성하거나, 또는 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N의 크기가 작아지도록 형성되게 한다. 도 4 우측의 단면도는 도 4 좌측의 제2×3방향 평면의 정면도에서 제2방향 축에서의 단면을 도시한 것이다. 도 4의 예시에서, 중심부에 배치된 상기 단위구조(100)는, N이 3이 되어 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적 S0에서부터 단면적이 3번 줄어들고, N번째 단위통로의 전파길이 lN이 제일 길게 형성된다. 한편 중심부에서 5번째에 배치된 상기 단위구조(100)는, N은 여전히 3이되 N번째 단위통로의 전파길이 lN이 중심부에 배치된 상기 단위구조(100)의 lN보다 훨씬 짧게 형성됨을 알 수 있다. 또한 가장자리에 치우친, 예를 들어 중심부에서 10번째에 배치된 상기 단위구조(100)는, N이 2가 되어 단면적이 2번만 줄어들게 됨을 알 수 있다. 즉, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N 또는 lN을 적절하게 줄여나감으로써, 굴절률을 점진적으로 줄여나갈 수 있다.It has been explained that the refractive index can be adjusted by adjusting the propagation length of sound waves by adjusting the cross-sectional area of the unit structure 100 . Now, in the state in which the unit structure 100 is stacked and arranged to have a circular lens shape on the 2x3 direction plane as shown in FIG. It should be formed so that the refractive index of the unit structure 100 gradually decreases. To this end, as shown in FIG. 4 , the unit structure 100 is formed such that the propagation length of the N-th unit path becomes shorter from the lens center to the edge, or the size of N decreases from the lens center to the edge. to be formed The cross-sectional view on the right side of FIG. 4 shows a cross-section on the second axis in the front view of the second×3-direction plane on the left side of FIG. 4 . In the example of FIG. 4 , in the unit structure 100 disposed in the center, N becomes 3 and the cross-sectional area is reduced three times from the first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure 100, and the propagation of the N-th unit passage Length l N is the longest. On the other hand, it can be seen that, in the unit structure 100 arranged at the 5th position from the center, N is still 3, but the propagation length l N of the N-th unit path is much shorter than l N of the unit structure 100 arranged at the center. can In addition, it can be seen that, in the unit structure 100 that is biased toward the edge, for example, disposed at the tenth position from the center, N is 2 and the cross-sectional area is reduced only twice. That is, by appropriately reducing N or l N from the center of the lens to the edge, the refractive index can be gradually reduced.

이 때 물론 N 및 N번째 단위통로의 전파길이 lN은, 일정한 한 점에 초점이 형성되도록 적절하게 결정되어야 한다. 초점이 맞기 위해서 렌즈 상의 어느 위치에서 얼마의 굴절률이 되어야 하는지는 도 4 우측도면처럼 기하학적으로 쉽게 결정 가능하며, 이에 따라 각각의 상기 단위구조(100)의 굴절률은 하기의 식에 의해 결정될 수 있다.At this time, of course, the propagation length l N of the N and N-th unit passages must be appropriately determined so that a focal point is formed at a certain point. In order to achieve focus, it can be easily determined geometrically as shown in the right side view of FIG. 4 , and thus the refractive index of each of the unit structures 100 can be determined by the following equation.

Figure 112020088181888-pat00003
Figure 112020088181888-pat00003

(이 때, ni : i번째 단위구조(100)의 굴절률, Ri : 렌즈 중심에서 i번째 단위구조(100) 중심위치까지의 거리, l0 : 렌즈 두께, F : 렌즈 초점거리, Rlens : 렌즈 반경)(In this case, n i : refractive index of the i-th unit structure 100, R i : the distance from the center of the lens to the center position of the i-th unit structure 100, l 0 : lens thickness, F: lens focal length, R lens : lens radius)

또한, 상기의 식에 의해 결정된 굴절률에 따라 N 및 N번째 단위통로의 전파길이 lN이 용이하게 산출될 수 있다.In addition, the propagation length l N of the N and N-th unit passages can be easily calculated according to the refractive index determined by the above equation.

도 5는 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예 단위구조의 주파수에 따른 투과율을 수치해석을 통해 계산한 결과로서, 도 5 우측에는 수치해석에 사용된 단위구조들 중 중심부 1열 중 12개가 도시되어 있다. 도 5에서 각각의 선은 서로 다른 단위구조(100)의 투과율을 나타낸다. 도 5의 예시로부터, 상기 음향에너지 집속장치(500)를 구성하는 모든 단위구조(100)는 2.44~8.21kHz(0.4067fc~1.368fc)의 주파수 범위에서 0.8 이상의 투과율을 가짐을 확인할 수 있다. 앞서 선행논문의 경우, 단위구조 내 통로의 단면적은 동일하되 단지 통로의 길이만 변화시킴으로써 굴절률을 조절하였으며, 이 경우 투과율이 0.8 이상이 되는 주파수 대역이 매우 좁음이 상기 선행논문 상에서 확인된다. 정확하게는, 상기 선행논문에서는 0.8 이상의 투과율을 가지는 주파수 범위가 0.94fc~1.06fc밖에 되지 않는다. 본 발명의 경우 통로의 단면적을 변화시킴으로써, (렌즈 두께는 그대로 얇게 유지할 수 있으면서도) 투과율이 0.8 이상이 되는 주파수 범위가 0.4067fc~1.368fc으로 상기 선행논문에 비해 8배나 넓은 주파수 범위에서 활용할 수 있음이 명백히 입증되고 있다. 즉, 본 발명에 의한 음향에너지 집속장치(500)는, 종래에 비해 훨씬 광대역 범위에서의 활용이 가능한 것이다.5 is the result of calculating the transmittance according to the frequency of the unit structure of the acoustic energy focusing device of the first embodiment of the present invention through numerical analysis. is shown. In FIG. 5 , each line represents transmittance of different unit structures 100 . From the example of FIG. 5, it can be confirmed that all unit structures 100 constituting the acoustic energy focusing device 500 have a transmittance of 0.8 or more in a frequency range of 2.44 to 8.21 kHz (0.4067f c to 1.368f c ). . In the case of the preceding paper, the cross-sectional area of the passage in the unit structure was the same, but the refractive index was adjusted by changing only the length of the passage. Precisely, in the preceding paper, the frequency range having a transmittance of 0.8 or more is only 0.94f c to 1.06f c . In the present invention, by changing the cross-sectional area of the passage (while keeping the lens thickness as it is), the frequency range in which the transmittance is 0.8 or more is 0.4067f c ~ 1.368f c , which is 8 times wider than that of the previous paper. It has been clearly demonstrated that That is, the acoustic energy focusing device 500 according to the present invention can be utilized in a much wider range than in the prior art.

도 6은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제1실시예의 집속성능을 수치해석을 통해 계산한 결과이다. 도 6의 예시에서 사용된 렌즈는, 렌즈에 입사되는 음파의 중심주파수가 6kHz인 경우로 전제되어 설계되었다. 도 6으로부터, 6kHz를 기준으로 초점에서의 음향에너지는 입사되는 음향에너지 대비 약 24배 증폭되며, 횡방향 반치전폭은 0.49λc/NA로, 음향에너지가 집속되는 범위를 매우 좁힐 수 있음이 확인된다. 종래에 널리 사용되는 음향에너지 집속장치인 굴절형 음향렌즈의 경우, 회절한계로 인하여 횡방향 반치전폭 기준 0.5λc/NA 이하의 좁은 영역에는 파동을 집속할 수 없음이 잘 알려져 있는데, 본 발명의 경우 이 한계를 뛰어넘음이 도 6의 결과로서 입증되고 있다.6 is a result of calculating the focusing performance of the acoustic energy focusing device of the first embodiment of the present invention through numerical analysis. The lens used in the example of FIG. 6 was designed on the premise that the center frequency of the sound wave incident on the lens was 6 kHz. From Fig. 6, it is confirmed that the acoustic energy at the focus at 6 kHz is amplified by about 24 times compared to the incident acoustic energy, and the full width at half maximum in the lateral direction is 0.49λ c /NA, which can greatly narrow the range in which the acoustic energy is focused. do. In the case of a refractive acoustic lens, which is a conventionally widely used acoustic energy focusing device, it is well known that the wave cannot be focused in a narrow area of 0.5λ c /NA or less based on the full width at half maximum in the lateral direction due to the diffraction limit. In this case, it is demonstrated as a result of FIG. 6 that this limit is exceeded.

이처럼 본 발명에 의한 음향에너지 집속장치(500)는, 종래에 비해 훨씬 넓은 주파수 범위에서 높은 투과율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 굴절형 음향렌즈로는 근본적으로 불가능한 좁은 영역으로의 음파 집속이 가능한, 매우 뛰어난 집속성능을 가짐이 확인된다. 물론, 본 발명에 의한 음향에너지 집속장치(500)는 내부의 미로통로 길이를 조절함으로써 음파 굴절률을 조절하는 것으로서, 각 단위구조(100)의 외형 제1방향 길이는 굴절률이 달라지더라도 동일하다. 따라서 상기 단위구조(100)들을 제2×3방향 평면상에 적층 배치하였을 때 만들어지는 형상은 모든 위치에서 제1방향 길이, 즉 두께가 동일하게 형성되며, 즉 평면형 음향렌즈를 실현할 수 있다. 즉 본 발명에 의하면, 평면형 굴절률 구배 음향렌즈 형태로 형성되되, 광대역 범위에서 높은 투과율을 가지면서도 얇은 두께를 가질 수 있도록 최적화된 설계를 가지는 음향에너지 집속장치(500)를 제공할 수 있게 되는 것이다.As such, the acoustic energy focusing device 500 according to the present invention can achieve high transmittance in a much wider frequency range than in the prior art, and can focus sound waves into a narrow area that is fundamentally impossible with a refractive acoustic lens, very It is confirmed that it has excellent focusing performance. Of course, the acoustic energy focusing device 500 according to the present invention adjusts the refractive index of sound waves by adjusting the length of the inner labyrinth passage, and the outer first direction length of each unit structure 100 is the same even if the refractive index is different. Accordingly, the shape made when the unit structures 100 are stacked and disposed on the 2x3 direction plane is formed to have the same length, ie, thickness, in the first direction at all positions, that is, a planar acoustic lens can be realized. That is, according to the present invention, it is possible to provide an acoustic energy focusing device 500 that is formed in the form of a planar refractive index gradient acoustic lens, and has an optimized design to have a thin thickness while having high transmittance in a broadband range.

[3] 제2실시예 : 축대칭형[3] Second embodiment: Axisymmetric type

도 7은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제2실시예를 도시한 것이다. 쉽게 설명하자면, 제2실시예는 제1실시예의 반쪽 형상이 제1방향을 중심으로 하여 회전된 회전체 형상을 기반으로 한다고 할 수 있다. 다만, 제1실시예의 경우 음파가 진행통로로 진행하든 수직통로로 진행하든 단면적이 변화하지 않기 때문에, 도 1에 도시된 제1×2방향 평면상의 형상을 그대로 적용할 수 있었다. 반면, 제2실시예의 경우 음파가 진행통로로 진행하는 동안에는 통로 단면적이 변화하지 않지만 수직통로로 진행할 경우 단면적의 변화가 발생하게 되어, 도 1에 도시된 제1×2방향 평면상의 형상으로부터 단면적 변화에 따른 보정이 이루어져야 한다.7 shows a second embodiment of the acoustic energy focusing device of the present invention. To put it simply, it can be said that the second embodiment is based on the shape of the rotating body in which the half shape of the first embodiment is rotated about the first direction. However, in the case of the first embodiment, since the cross-sectional area does not change whether the sound wave travels in the traveling passage or in the vertical passage, the shape of the first × 2 direction plane shown in FIG. 1 could be applied as it is. On the other hand, in the case of the second embodiment, the cross-sectional area of the passage does not change while the sound wave travels through the passage, but the change in cross-sectional area occurs when the sound wave proceeds through the vertical passage, and the cross-sectional area is changed from the shape on the 1 × 2 direction plane shown in FIG. 1 . should be corrected accordingly.

제2실시예를 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 제2실시예에서 상기 단위구조는, 기본적으로 제1방향 및 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로(110) 및 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상이 제1방향을 중심으로 회전된 회전체 형상으로 형성된다. 이 때 도 7에 도시된 바와 같이, 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향을 반경방향으로 하고 제3방향을 원주방향으로 하는 동심원 형태로서 동일 간격으로 적층 배치되어 렌즈 형태를 형성하게 된다. 제1실시예에서와 마찬가지로, 실질적으로 복수 개의 상기 단위구조(100)가 제2방향을 반경방향으로 하고 제3방향을 원주방향으로 하는 동심원 형태로서 간격이 0이 되도록 밀접하게 적층 배치되는 것이 가장 바람직하며 도 7도 그러한 예시로 도시되었으나, 필요에 따라 상기 단위구조(100)들 간의 간격이 0이 아니게 형성할 수도 있음은 물론이다.The second embodiment will be described in detail as follows. In the second embodiment, in the unit structure, a shape in which a plurality of the traveling passages 110 and the vertical passages 120 are alternately arranged on a plane basically formed in the first direction and the second direction is centered in the first direction It is formed in the shape of a rotating body rotated by At this time, as shown in FIG. 7 , a plurality of the unit structures 100 are stacked at equal intervals in the form of concentric circles with the second direction as the radial direction and the third direction as the circumferential direction to form a lens shape. . As in the first embodiment, substantially the plurality of unit structures 100 are in the form of concentric circles with the second direction as the radial direction and the third direction as the circumferential direction, and are most closely stacked so that the interval is 0. Although it is preferable and FIG. 7 is also shown as such an example, it is of course also possible to form a non-zero interval between the unit structures 100 if necessary.

상기 단위구조(100)의 제1방향 길이를 l0, 제2방향 길이를 p0라 할 때, 상기 단위구조(100)들 간의 간격이 0인 경우를 상정하면, 제2방향으로 1번째 배치된 상기 단위구조(100)는 반경이 p0인 원형 상하면을 갖는 원통형상이 되므로, 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2으로 형성된다. 제2방향으로 2번째 배치된 상기 단위구조(100)는, 반경이 2p0인 원에서 반경이 p0인 동심원(1번째 단위구조에 해당)을 뺀 형상의 상하면을 갖는 원통형상이 되므로, 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2{22-(2-1)2} 즉 3πp0 2가 된다. 마찬가지로, 제2방향으로 M번째 배치된 상기 단위구조(100)의 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2{M2-(M-1)2}으로 형성된다(M은 2 이상의 자연수). 한편 음파의 원활한 유입 및 배출을 위해서, 제1실시예에서와 유사하게, 제2방향 길이 p0가, 상기 음향에너지 집속장치(500)이 통과시키고자 하는 주파수 범위 내 최고주파수 파장의 반보다 작게 형성된다.When the length in the first direction of the unit structures 100 is l 0 and the length in the second direction is p 0 , it is assumed that the interval between the unit structures 100 is 0, the first arrangement in the second direction Since the unit structure 100 has a cylindrical shape having circular upper and lower surfaces having a radius p 0 , the vertical cross-sectional area S 0 in the first direction is πp 0 2 . The unit structure 100 arranged second in the second direction becomes a cylindrical shape having upper and lower surfaces of a shape obtained by subtracting a concentric circle having a radius p 0 from a circle having a radius of 2p 0 (corresponding to the first unit structure). The direction vertical cross-sectional area S 0 becomes πp 0 2 {2 2 -(2-1) 2 }, that is, 3πp 0 2 . Similarly, the first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure 100 arranged M-th in the second direction is formed as πp 0 2 {M 2 -(M-1) 2 } (M is a natural number greater than or equal to 2). Meanwhile, for smooth introduction and discharge of sound waves, similarly to the first embodiment, the second direction length p 0 is smaller than half of the wavelength of the highest frequency within the frequency range that the acoustic energy focusing device 500 wants to pass. is formed

기본적으로는, 제1실시예와 마찬가지로 제2실시예에서도, 입사측 또는 출사측에서 중간점까지 상기 미로통로(150)의 단면적이 N번 변화하되, 1번째 단면적 S1을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 1번째 단위통로, …, N번째 단면적 SN을 가지는 상기 미로통로(150) 일부를 N번째 단위통로라 할 때(N은 2 이상의 자연수), 1, …, N-1번째 단위통로 각각은 1개의 상기 진행통로(110) 및 1개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상으로 형성되고, N번째 단위통로는 홀수 개의 상기 진행통로(110) 및 짝수 개의 상기 수직통로(120)가 교번 배치된 형상 또는 단일 개의 상기 진행통로(110)만으로 형성되고, j번째 단면적은 j-1번째 단면적보다 작도록 결정된다. 물론 역시 마찬가지로, j번째 단면적이 하기의 식으로 결정될 수 있다.Basically, in the second embodiment as in the first embodiment, the cross-sectional area of the maze passage 150 is changed N times from the incident side or the emission side to the midpoint, but the maze passage having the first cross-sectional area S 1 ( 150) Part of the first unit passage, … , when a part of the maze passage 150 having an N-th cross-sectional area S N is referred to as an N-th unit passage (N is a natural number greater than or equal to 2), 1, ... , each of the N-1 th unit passages is formed in a shape in which one proceeding passage 110 and one vertical passage 120 are alternately arranged, and the N th unit passage is an odd number of the proceeding passages 110 and an even number. The vertical passages 120 are alternately arranged or formed with only a single passage 110, and the j-th cross-sectional area is determined to be smaller than the j-1th cross-sectional area. Of course, likewise, the j-th cross-sectional area may be determined by the following equation.

Sj = Sj-1×rS j = S j-1 ×r

(이 때, r : 등비수열 공비, 0 < r < 1)(In this case, r: geometric azeotrope, 0 < r < 1)

이러한 형상이 도 7 중간에 도시된 기본형상(base feature)이다. 그런데 이대로 축대칭 회전체를 만들 경우, 앞서 설명한 바와 같이 수직통로에서 음파가 진행하는 동안 단면적이 변화하기 때문에, 도 1에서의 이론적 계산결과와는 다른 결과가 나오게 된다. 즉 기대하는 수준의 투과율이 나오지 않는 것이다. 이러한 문제점이 해소되도록, 제2실시예에서는, 상기 기본형상을 기반으로, 각각의 단위통로에 포함되는 수직통로(120)의 단면적이 음파 진행에 따라 변동되는 정도를 고려하여, 각각의 단위통로에 포함되는 수직통로(120)의 유효길이가 해당 단위통로에 포함되는 진행통로(110)의 유효길이에 상응하도록 보정된 변형형상(modified feature)으로 상기 미로통로(150)가 형성된다. 이러한 보정은 최적화 등의 방법으로 이루어질 수 있다. 이렇게 보정된 변형형상이 도 7 우측에 도시되어 있는데, 도 7 중간의 기본형상과 비교하였을 때 전반적으로 비슷한 형태이되 렌즈 중심부측으로 갈수록 격벽 등의 형상이 더 많이 휘어진 곡면을 형성하고 있음을 확인할 수 있다.This shape is a base feature shown in the middle of FIG. 7 . However, when an axisymmetric rotation body is made as it is, as described above, since the cross-sectional area changes while the sound wave travels in the vertical passage, a result different from the theoretical calculation result in FIG. 1 is obtained. That is, the transmittance of the expected level does not come out. In order to solve this problem, in the second embodiment, based on the basic shape, in consideration of the degree to which the cross-sectional area of the vertical passage 120 included in each unit passage varies with the progress of sound waves, each unit passage The maze passage 150 is formed with a modified feature corrected so that the effective length of the included vertical passage 120 corresponds to the effective length of the progress passage 110 included in the unit passage. Such correction may be performed by an optimization method or the like. The corrected shape is shown on the right side of FIG. 7, and it can be seen that compared with the basic shape in the middle of FIG. .

그 외에는, 제1실시예와 마찬가지로 제2실시예에서도, 상기 단위구조(100)는, 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N번째 단위통로의 전파길이가 짧아지도록 형성되며, 또한 렌즈 중심부에서 가장자리로 갈수록 N의 크기가 작아지도록 형성되게 함으로써, 위치별 굴절률을 원하는 대로 조절할 수 있다. 위치별 굴절률은 역시 제1실시예와 마찬가지로, 각각의 상기 단위구조(100)의 굴절률이 하기의 식에 의해 결정되며,Other than that, in the second embodiment as in the first embodiment, the unit structure 100 is formed such that the propagation length of the N-th unit passage becomes shorter from the lens center to the edge, and N-th from the lens center to the edge. By making the size of is formed to be small, the refractive index for each position can be adjusted as desired. As in the first embodiment, the refractive index for each position is determined by the following formula for the refractive index of each of the unit structures 100,

Figure 112020088181888-pat00004
Figure 112020088181888-pat00004

(이 때, ni : i번째 단위구조(100)의 굴절률, Ri : 렌즈 중심에서 i번째 단위구조(100) 중심위치까지의 거리, l0 : 렌즈 두께, F : 렌즈 초점거리, Rlens : 렌즈 반경)(In this case, n i : refractive index of the i-th unit structure 100, R i : the distance from the center of the lens to the center position of the i-th unit structure 100, l 0 : lens thickness, F: lens focal length, R lens : lens radius)

상기의 식에 의해 결정된 굴절률에 따라 N 및 N번째 단위통로의 전파길이가 결정되게 하면 된다.The propagation length of the N and N-th unit passages may be determined according to the refractive index determined by the above equation.

도 8은 본 발명의 음향에너지 집속장치 제2실시예 단위구조의 주파수에 따른 투과율을 수치해석을 통해 계산한 결과로서, 도 8 우측에는 수치해석에 사용된 단위구조들이 도시되어 있다. 도 8에서 각각의 선은 서로 다른 단위구조(100)의 투과율을 나타낸다. 도 8의 예시로부터, 상기 음향에너지 집속장치(500)를 구성하는 모든 단위구조(100)는 2.90~8.44kHz(0.48fc~1.41fc)의 주파수 범위에서 0.8 이상의 투과율을 가짐을 확인할 수 있다. 역시 앞서의 선행논문 결과(0.8 이상의 투과율을 가지는 주파수 범위가 0.94fc~1.06fc)와 비교할 때, 본 발명에서는 투과율이 0.8 이상이 되는 주파수 범위가 0.48fc~1.41fc으로 상기 선행논문에 비해 7.8배나 넓은 주파수 범위에서 활용할 수 있다. 이처럼 제2실시예에서도 본 발명에 의한 음향에너지 집속장치(500)는, 종래에 비해 훨씬 광대역 범위에서의 활용이 가능하다.8 is a result of calculating the transmittance according to frequency of the unit structure according to the frequency of the acoustic energy focusing device of the second embodiment of the present invention, and the unit structures used in the numerical analysis are shown on the right side of FIG. 8 . In FIG. 8 , each line represents transmittance of different unit structures 100 . From the example of FIG. 8 , it can be confirmed that all unit structures 100 constituting the acoustic energy focusing device 500 have a transmittance of 0.8 or more in a frequency range of 2.90 to 8.44 kHz (0.48f c to 1.41f c ). . Also, compared with the previous paper results (the frequency range having a transmittance of 0.8 or more is 0.94f c ~ 1.06f c ), in the present invention, the frequency range in which the transmittance is 0.8 or more is 0.48f c ~ 1.41f c . It can be used in a frequency range that is 7.8 times wider than that. As such, in the second embodiment, the acoustic energy focusing device 500 according to the present invention can be utilized in a much wider range than in the prior art.

도 9는 본 발명의 음향에너지 집속장치 제2실시예의 집속성능을 수치해석을 통해 계산한 결과이다. 도 9의 예시에서 사용된 렌즈는, 렌즈에 입사되는 음파의 중심주파수 fc가 6kHz인 경우로 전제되어 설계되었다. 도 9로부터, 6kHz를 기준으로 초점에서의 음향에너지는 입사되는 음향에너지 대비 약 23배 증폭되며, 횡방향 반치전폭은 0.47λc/NA로, 제1실시예에서와 마찬가지로 음향에너지가 집속되는 범위를 역시 매우 좁힐 수 있음이 확인된다.9 is a result of calculating the focusing performance of the acoustic energy focusing device of the second embodiment of the present invention through numerical analysis. The lens used in the example of FIG. 9 was designed on the assumption that the center frequency f c of the sound wave incident on the lens was 6 kHz. 9, the acoustic energy at the focal point based on 6 kHz is amplified about 23 times compared to the incident acoustic energy, and the full width at half maximum in the lateral direction is 0.47λ c /NA, the range in which the acoustic energy is focused as in the first embodiment It is confirmed that it can also be very narrowed down.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application is varied, and anyone with ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims It goes without saying that various modifications are possible.

500 : 음향에너지 집속장치
100 : 단위구조 150 : 미로통로
110 : 진행통로 120 : 수직통로500: acoustic energy focusing device
100: unit structure 150: maze passage
110: progress passage 120: vertical passage

Claims (22)

음파가 진행하는 방향을 제1방향, 상기 제1방향과 수직한 방향을 제2방향, 상기 제1방향 및 상기 제2방향 모두에 수직한 방향을 제3방향이라 할 때,
미로통로(labyrinthine)가 내부에 형성되는 단위구조를 복수 개 포함하되,
상기 미로통로는 상기 제1방향으로 연장되는 진행통로 및 상기 제2방향으로 연장되는 수직통로가 상기 제1방향으로 복수 개 교번 배치되는 형태로 형성되며,
복수 개의 상기 단위구조는 상기 제2방향 및 상기 제3방향으로 이루어지는 평면상에 분산 배치되어 상기 단위구조의 상기 제1방향 길이를 두께로 갖는 렌즈 형태를 형성하며,
상기 렌즈 형태 중심부에서 가장자리로 갈수록 상기 단위구조의 굴절률이 점점 작아지도록 형성되되, 상기 단위구조의 굴절률은 상기 미로통로의 단면적 및 길이에 의해 조절되며,
상기 미로통로는, 음파가 유입되는 측을 입사측, 음파가 배출되는 측을 출사측, 입사측 및 출사측 사이의 정중간지점을 중간점이라 할 때, 입사측에서 중간점까지 단면적이 점점 줄어들고, 중간점에서 출사측까지 단면적이 점점 늘어나는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
When a direction in which the sound wave travels is a first direction, a direction perpendicular to the first direction is a second direction, and a direction perpendicular to both the first direction and the second direction is a third direction,
A labyrinth passage (labyrinthine) including a plurality of unit structures formed therein,
The labyrinth passage is formed in a form in which a plurality of passage passages extending in the first direction and vertical passages extending in the second direction are alternately arranged in the first direction,
A plurality of the unit structures are dispersedly arranged on a plane formed in the second direction and the third direction to form a lens shape having a thickness of the first direction length of the unit structure,
The lens shape is formed such that the refractive index of the unit structure gradually decreases from the center to the edge, and the refractive index of the unit structure is controlled by the cross-sectional area and length of the maze passage,
In the maze passage, when the side where the sound wave is introduced is the incident side, the side where the sound wave is discharged is the exit side, and the midpoint between the incident side and the exit side is the midpoint, the cross-sectional area from the incident side to the midpoint gradually decreases, , Acoustic energy focusing device, characterized in that it is formed in the form of a cross-sectional area gradually increasing from the midpoint to the emission side.
 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 미로통로는,
입사측 배경매질 및 출사측 배경매질의 굴절률이 동일한 경우, 입사측에서 출사측까지의 형태가 중간점을 기준으로 대칭 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 1, wherein the maze passage,
Acoustic energy focusing device, characterized in that when the refractive index of the incident-side background medium and the emission-side background medium are the same, the shape from the incident side to the emission side is symmetrical with respect to the midpoint.
 제 3항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제1방향 및 상기 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로 및 상기 수직통로가 교번 배치된 형상이 상기 제3방향으로 기결정된 높이로 형성되는 직육면체 형상으로 형성되며,
복수 개의 상기 단위구조가 상기 제2방향 및 상기 제3방향 각각에 대하여 동일 간격으로 적층 배치되어 상기 렌즈 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 3, wherein the unit structure,
A shape in which a plurality of the traveling passages and the vertical passages are alternately arranged on a plane formed in the first direction and the second direction is formed in a rectangular parallelepiped shape with a predetermined height in the third direction,
Acoustic energy focusing device, characterized in that the plurality of unit structures are stacked at the same interval in each of the second direction and the third direction to form the lens shape.
 제 4항에 있어서, 상기 단위구조는,
복수 개의 상기 단위구조가 상기 제2방향 및 상기 제3방향 각각에 대하여 간격이 0이 되도록 밀접하게 적층 배치되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 4, wherein the unit structure,
Acoustic energy focusing device, characterized in that the plurality of unit structures are closely stacked so as to have an interval of 0 in each of the second direction and the third direction.
 제 4항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제1방향 길이를 l0, 상기 제2방향 길이를 p0, 상기 제3방향 길이를 q0라 할 때,
상기 단위구조의 상기 제1방향 수직 단면적 S0가 p0×q0로 형성되고,
입사측 또는 출사측에서 중간점까지 상기 미로통로의 단면적이 N번 변화하되,
1번째 단면적 S1을 가지는 상기 미로통로 일부를 1번째 단위통로, …, N번째 단면적 SN을 가지는 상기 미로통로 일부를 N번째 단위통로라 할 때(N은 2 이상의 자연수),
1, …, N-1번째 단위통로 각각은 1개의 상기 진행통로 및 1개의 상기 수직통로가 교번 배치된 형상으로 형성되고,
N번째 단위통로는 홀수 개의 상기 진행통로 및 짝수 개의 상기 수직통로가 교번 배치된 형상 또는 단일 개의 상기 진행통로만으로 형성되고,
j번째 단면적은 j-1번째 단면적보다 작도록 결정되는 것(이 때, j : 인덱스 번호, j = 1, …, N)을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 4, wherein the unit structure,
When the length in the first direction is l 0 , the length in the second direction is p 0 , and the length in the third direction is q 0 ,
The first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure is formed by p 0 ×q 0 ,
The cross-sectional area of the maze passage is changed N times from the incident side or the exit side to the midpoint,
A part of the maze passage having a first cross-sectional area S 1 is divided into a first unit passage, ... , when a part of the maze passage having an N-th cross-sectional area S N is an N-th unit passage (N is a natural number greater than or equal to 2),
One, … , each of the N-1th unit passages is formed in a shape in which one of the traveling passages and one of the vertical passages are alternately arranged,
The N-th unit passage is formed in a shape in which an odd number of the passage passages and an even number of the vertical passages are alternately arranged or only a single passage passage,
The j-th cross-sectional area is determined to be smaller than the j-1th cross-sectional area (in this case, j: index number, j = 1, ..., N) acoustic energy focusing device, characterized in that.
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
j번째 단면적이 하기의 식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
Sj = Sj-1×r
(이 때, r : 등비수열 공비, 0 < r < 1)
According to claim 6, wherein the unit structure,
A sound energy focusing device, characterized in that the j-th cross-sectional area is determined by the following equation.
S j = S j-1 ×r
(In this case, r: geometric azeotrope, 0 < r < 1)
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
1, …, N-1번째 단위통로 각각의 전파길이가 서로 동일하게 형성되며,
N번째 단위통로의 전파길이는 나머지 단위통로의 전파길이와 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 6, wherein the unit structure,
One, … , the propagation length of each of the N-1th unit passages is equal to each other,
The acoustic energy focusing device, characterized in that the propagation length of the N-th unit passage is formed to be different from the propagation length of the remaining unit passages.
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 렌즈 형태 중심부에서 가장자리로 갈수록 N번째 단위통로의 전파길이가 짧아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 6, wherein the unit structure,
Acoustic energy focusing device, characterized in that formed so that the propagation length of the N-th unit passage from the center of the lens shape toward the edge becomes shorter.
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 렌즈 형태 중심부에서 가장자리로 갈수록 N의 크기가 작아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 6, wherein the unit structure,
Acoustic energy focusing device, characterized in that the size of N decreases from the center of the lens shape toward the edge.
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
각각의 상기 단위구조의 굴절률이 하기의 식에 의해 결정되며,
Figure 112020088181888-pat00005

(이 때, ni : i번째 단위구조의 굴절률, Ri : 렌즈 중심에서 i번째 단위구조 중심위치까지의 거리, l0 : 렌즈 두께, F : 렌즈 초점거리, Rlens : 렌즈 반경)
상기의 식에 의해 결정된 굴절률에 따라 N 및 N번째 단위통로의 전파길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 6, wherein the unit structure,
The refractive index of each of the above unit structures is determined by the following formula,
Figure 112020088181888-pat00005

(In this case, n i : refractive index of the i-th unit structure, R i : the distance from the center of the lens to the center of the i-th unit structure, l 0 : lens thickness, F: lens focal length, R lens : lens radius)
Acoustic energy focusing device, characterized in that the propagation length of the N and N th unit passage is determined according to the refractive index determined by the above equation.
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제2방향 길이 p0 및 상기 제3방향 길이 q0가, 상기 음향에너지 집속장치가 통과시키고자 하는 주파수 범위 내 최고주파수 파장의 반보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 6, The unit structure,
The acoustic energy focusing device, characterized in that the second direction length p 0 and the third direction length q 0 are formed to be smaller than half the wavelength of the highest frequency within the frequency range to be passed by the acoustic energy focusing device.
 제 6항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제3방향 길이 q0가 상기 제2방향 길이 p0와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 6, wherein the unit structure,
The acoustic energy focusing device, characterized in that the third direction length q 0 is formed to be the same as the second direction length p 0 .
 제 3항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제1방향 및 상기 제2방향으로 이루어지는 평면상에 복수 개의 상기 진행통로 및 상기 수직통로가 교번 배치된 형상이 상기 제1방향을 중심으로 회전된 회전체 형상으로 형성되며,
복수 개의 상기 단위구조가 상기 제2방향을 반경방향으로 하고 상기 제3방향을 원주방향으로 하는 동심원 형태로서 동일 간격으로 적층 배치되어 상기 렌즈 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
According to claim 3, wherein the unit structure,
A shape in which a plurality of the traveling passages and the vertical passages are alternately arranged on a plane formed in the first direction and the second direction is formed in the shape of a rotating body rotated around the first direction,
Acoustic energy focusing device, characterized in that the plurality of unit structures are stacked at equal intervals in the form of concentric circles with the second direction as the radial direction and the third direction as the circumferential direction to form the lens shape.
 제 14항에 있어서, 상기 단위구조는,
복수 개의 상기 단위구조가 상기 제2방향을 반경방향으로 하고 상기 제3방향을 원주방향으로 하는 동심원 형태로서 간격이 0이 되도록 밀접하게 적층 배치되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
15. The method of claim 14, wherein the unit structure,
Acoustic energy focusing device, characterized in that the plurality of unit structures are closely stacked and arranged so that the interval is 0 in the form of concentric circles with the second direction as the radial direction and the third direction as the circumferential direction.
 제 14항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제1방향 길이를 l0, 상기 제2방향 길이를 p0라 할 때,
상기 제2방향으로 1번째 배치된 상기 단위구조의 상기 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2으로 형성되고,
상기 제2방향으로 M번째 배치된 상기 단위구조의 상기 제1방향 수직 단면적 S0가 πp0 2{M2-(M-1)2}으로 형성되고(M은 2 이상의 자연수),
입사측 또는 출사측에서 중간점까지 상기 미로통로의 단면적이 N번 변화하되,
1번째 단면적 S1을 가지는 상기 미로통로 일부를 1번째 단위통로, …, N번째 단면적 SN을 가지는 상기 미로통로 일부를 N번째 단위통로라 할 때(N은 2 이상의 자연수),
1, …, N-1번째 단위통로 각각은 1개의 상기 진행통로 및 1개의 상기 수직통로가 교번 배치된 형상으로 형성되고,
N번째 단위통로는 홀수 개의 상기 진행통로 및 짝수 개의 상기 수직통로가 교번 배치된 형상 또는 단일 개의 상기 진행통로만으로 형성되고,
j번째 단면적은 j-1번째 단면적보다 작도록 결정되는 (이 때, j : 인덱스 번호, j = 1, …, N) 기본형상을 기반으로,
각각의 단위통로에 포함되는 수직통로의 단면적이 음파 진행에 따라 변동되는 정도를 고려하여,
각각의 단위통로에 포함되는 수직통로의 유효길이가 해당 단위통로에 포함되는 진행통로의 유효길이에 상응하도록 보정된 변형형상으로 상기 미로통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
15. The method of claim 14, wherein the unit structure,
When the length in the first direction is l 0 and the length in the second direction is p 0 ,
The first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure arranged first in the second direction is formed as πp 0 2 ,
The first direction vertical cross-sectional area S 0 of the unit structure arranged M-th in the second direction is formed by πp 0 2 {M 2 -(M-1) 2 } (M is a natural number greater than or equal to 2),
The cross-sectional area of the maze passage is changed N times from the incident side or the exit side to the midpoint,
A part of the maze passage having a first cross-sectional area S 1 is divided into a first unit passage, ... , when a part of the maze passage having an N-th cross-sectional area S N is an N-th unit passage (N is a natural number greater than or equal to 2),
One, … , each of the N-1th unit passages is formed in a shape in which one of the traveling passages and one of the vertical passages are alternately arranged,
The N-th unit passage is formed in a shape in which an odd number of the passage passages and an even number of the vertical passages are alternately arranged or only a single passage passage,
The j-th cross-sectional area is determined to be smaller than the j-1th cross-sectional area (in this case, j: index number, j = 1, …, N) based on the basic shape,
Considering the degree to which the cross-sectional area of the vertical passage included in each unit passage varies with the progress of sound waves,
The acoustic energy focusing device, characterized in that the maze passage is formed in a deformed shape corrected so that the effective length of the vertical passage included in each unit passage corresponds to the effective length of the traveling passage included in the unit passage.
 제 16항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 기본형상에서, j번째 단면적이 하기의 식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
Sj = Sj-1×r
(이 때, r : 등비수열 공비, 0 < r < 1)
The method of claim 16, wherein the unit structure,
In the basic shape, the acoustic energy focusing device, characterized in that the j-th cross-sectional area is determined by the following equation.
S j = S j-1 ×r
(In this case, r: geometric azeotrope, 0 < r < 1)
 제 16항에 있어서, 상기 단위구조는,
1, …, N-1번째 단위통로 각각의 전파길이가 서로 동일하게 형성되며,
N번째 단위통로의 전파길이는 나머지 단위통로의 전파길이와 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
17. The method of claim 16, wherein the unit structure,
One, … , the propagation length of each of the N-1th unit passages is equal to each other,
The acoustic energy focusing device, characterized in that the propagation length of the N-th unit passage is formed to be different from the propagation length of the remaining unit passages.
 제 16항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 렌즈 형태 중심부에서 가장자리로 갈수록 N번째 단위통로의 전파길이가 짧아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
17. The method of claim 16, wherein the unit structure,
Acoustic energy focusing device, characterized in that formed so that the propagation length of the N-th unit passage from the center of the lens shape toward the edge becomes shorter.
 제 16항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 렌즈 형태 중심부에서 가장자리로 갈수록 N의 크기가 작아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
The method of claim 16, wherein the unit structure,
Acoustic energy focusing device, characterized in that the size of N decreases from the center of the lens shape toward the edge.
 제 16항에 있어서, 상기 단위구조는,
상기 제2방향 길이 p0가, 상기 음향에너지 집속장치가 통과시키고자 하는 주파수 범위 내 최고주파수 파장의 반보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.
17. The method of claim 16, wherein the unit structure,
The acoustic energy focusing device, characterized in that the second direction length p 0 is formed to be smaller than half the wavelength of the highest frequency within the frequency range to be passed by the acoustic energy focusing device.
 제 16항에 있어서, 상기 단위구조는,
각각의 상기 단위구조의 굴절률이 하기의 식에 의해 결정되며,
Figure 112020088181888-pat00006

(이 때, ni : i번째 단위구조의 굴절률, Ri : 렌즈 중심에서 i번째 단위구조 중심위치까지의 거리, l0 : 렌즈 두께, F : 렌즈 초점거리, Rlens : 렌즈 반경)
상기의 식에 의해 결정된 굴절률에 따라 N 및 N번째 단위통로의 전파길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 음향에너지 집속장치.The method of claim 16, wherein the unit structure,
The refractive index of each of the above unit structures is determined by the following formula,
Figure 112020088181888-pat00006

(In this case, n i : refractive index of the i-th unit structure, R i : the distance from the center of the lens to the center of the i-th unit structure, l 0 : lens thickness, F: lens focal length, R lens : lens radius)
Acoustic energy focusing device, characterized in that the propagation length of the N and N th unit passage is determined according to the refractive index determined by the above equation.
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