KR102560541B1 - 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치 - Google Patents

음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치 Download PDF

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장준영
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음파의 주파수 변화에 따라 음파가 다중 빔 분할 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상을 해소함으로써 음파의 주파수 변화를 통해 음파의 방사각도를 지향성 있게 조향할 수 있는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 음파의 주파수 변경을 통해 음파의 방사 각도를 조향하기 위한 것으로, 상기 음파를 발생시키는 음파발생수단; 상기 음파발생수단의 일측에 위치되는 평판플레이트; 및 상기 평판플레이트의 표면에 형성되는 복수 개의 홈을 각각 포함하고 연속적으로 배열되는 복수 개의 단위셀로 이루어져 상기 음파를 방사하는 홀로그래픽메타표면;으로 구성되고, 상기 홀로그래픽메타표면을 이루는 상기 홈의 깊이는 기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수에 기초하여 산출한 표면어드미턴스에 의해 결정되며, 상기 표면어드미턴스는 상기 홀로그래픽메타표면을 따라 전파되는 표면파의 진행방향과 동일한 포워드 방향 또는 상기 표면파의 진행방향과 반대인 백워드 방향으로 상기 음파가 방사되도록 하여 상기 음파의 주파수 변화에 따라 상기 음파의 방사각도가 조향 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 기술적 요지로 한다.

Description

음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치{Holographic based directional sound apparatus capable of sound waves scanning}
본 발명은 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
통상의 음향 장치는 무지향성임에 따라 음파발생수단에서 발생된 음파를 방향성 없이 모든 방향으로 방사하므로 음파가 모든 방향으로 분산되면서 특정방향으로 방사되지 않고 특정거리까지 전달되지 않는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 음파발생수단의 외각이나 전방에 차단판이나 혼 등을 설치하여 음파발생수단에서 송출되는 음파가 특정 방향으로 방사되도록 안내하는 음향 장치나, 복수 개의 음파발생수단을 방사상 등의 일정 형태로 배열하고 그 배열 형태가 유지되도록 고정부재로 고정하여 각각의 음파발생수단에서 송출되는 음파가 특정방향으로 방사되도록 안내하는 음향 장치 등이 개발되고 있다.
그러나 이러한 음향 장치들은 음파발생수단에 차단판이나 혼 등이 부설되거나 복수 개의 음파발생수단을 이용하고 이들을 지지하기 위한 고정구조가 별도로 필요함에 따라 부피가 크게 증가하고 부피가 증가한 만큼 넓은 설치공간도 확보되어야 하므로 설치가 용이하지 않고 설치공간 부족시 설치가 곤란한 문제점이 있다.
그리하여 음향 응용 분야에서는 부피를 최소화하여 공간 활용도를 높이고 설치에 따른 제약을 해소하면서 음파를 특정방향으로 방사할 수 있는 지향성 음향 장치에 대한 연구 개발을 진행하고 있다.
이러한 연구 개발의 결과로 음파를 발생하는 음파발생부가 중심에 설치되고 표면에 복수 개의 홈이 함몰 형성된 평판플레이트를 이루어져 표면어드미턴스를 주기적인 사인함수 혹은 코사인 함수로 구성하면서 특정 주파수에서 높은 지향성을 갖도록 함으로써 음파를 특정방향으로 방사할 수 있는 지향성 음향 장치가 개발되었다.
그러나 상기한 지향성 음향 장치는 평판플레이트의 표면에 형성된 홈의 깊이와 폭 및 간격에 따라 음파를 평판플레이트의 수직방향으로만 방사할 수 있을 뿐이고 음파를 수직방향이 아닌 다른 방향으로 방사할 수 없는 한계가 있다.
이러한 한계로 인해 평판플레이트를 별도의 고정부재로 고정하여 그 설치각도를 음파의 송출 방향에 대응되게 조정해야 하므로 고정부재의 추가로 인해 구조가 복잡해지고 부피도 증가되며 제조비용이 증가하고 설치공간이 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 평판플레이트(10)의 표면에 홀로그래픽메타표면(11)이 형성되어 음파를 미리 정해진 각도로 방사할 수 있는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치(10)가 안출되었다.
그러나 상기 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치()는 도 1에 도시된 바와 같이 중심에 음파발생수단(11)이 위치한 평판플레이트(12)의 표면에 형성된 홀로그래픽메타표면(13)이 음파를 표면파의 진행 방향과 동일한 포워드 방향으로 방사하는 포워드 방사 모드를 구현하는 포워드 지배 영역과 표면파의 진행 방향과 반대인 백워드 방향으로 방사하는 백워드 방사 모드를 구현하는 백워드 지배 영역을 대등하게 포함한 표면어드미턴스를 가지는 형태이다.
그러면 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 특정 주파수 영역에서는 음파가 단일 빔 형태로 방사되지만, 도 4에 도시된 바와 같이 다른 특정 주파수 영역에서는 음파가 포워드 방향과 백워드 방향으로 분산되면서 단일 빔 형태가 아닌 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상을 초래하게 됨으로써 음파의 방사각도 조향을 위해 음파의 주파수를 변경하면 음파가 복수 개의 빔으로 분열되면서 지향성을 상실하게 되는 문제점이 있다.
따라서 음파의 주파수를 변경하여 음파의 방사각도를 조정하더라도 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상 없이 음파를 주파수에 대응되는 각도로 지향성 있게 방사할 수 있도록 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 구조 개선이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-2151358호, 2020.09.02.자 공고.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 음파의 주파수를 변경하여 음파의 방사각도를 변경하더라도 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상 없이 음파를 주파수에 대응되는 각도로 지향성 있게 방사할 수 있도록, 음파를 포워드 방향 또는 백워드 방향으로 방사하는 홀로그래픽메타표면이 평면플레이트의 표면에 형성되어 음파의 주파수 변경을 통해 음파의 방사각도를 지향성 있게 조향할 수 있는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않고, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재들로부터 명확하게 이해될 수 있으면서 본 발명의 목적에 충분히 포함될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 음파의 주파수 변경을 통해 음파의 방사 각도를 조향하기 위한 것으로, 상기 음파를 발생시키는 음파발생수단; 상기 음파발생수단의 일측에 위치되는 평판플레이트; 및 상기 평판플레이트의 표면에 형성되는 복수 개의 홈을 각각 포함하고 연속적으로 배열되는 복수 개의 단위셀로 이루어져 상기 음파를 방사하는 홀로그래픽메타표면;으로 구성되고, 상기 홀로그래픽메타표면을 이루는 상기 홈의 깊이는 기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수에 기초하여 산출한 표면어드미턴스에 의해 결정되며, 상기 표면어드미턴스는 상기 홀로그래픽메타표면을 따라 전파되는 표면파의 진행방향과 동일한 포워드 방향 또는 상기 표면파의 진행방향과 반대인 백워드 방향으로 상기 음파가 방사되도록 하여 상기 음파의 주파수 변화에 따라 상기 음파의 방사각도가 조향 가능하게 될 수 있다.
상기 평판플레이트는 상기 음파발생수단의 위치를 중심으로 하여 복수 개가 서로 연결되게 배치되고 위치별로 각각 서로 다른 표면어드미턴스를 가지도록 서로 다른 상기 홀로그래픽메타표면이 형성되어 음파를 서로 다른 각도로 각각 방사하는 다중 빔 형태가 가능하게 될 수 있다.
복수 개의 상기 평판플레이트에 형성되는 상기 홀로그래픽메타표면은 복수 개의 상기 평판플레이트 중에서 어느 하나의 상기 평판플레이트에 형성되는 상기 홀로그래픽메타표면을 위치별로 대응되게 각각 미러링한 것일 수 있다.
복수 개의 상기 평판플레이트의 경계를 따라 돌출 형성되어 음파에 따라 각각의 홀로그래픽메타표면을 타고 흘러가는 반사파 간의 간섭을 방지하는 간섭방지벽;이 더 포함될 수 있다.
복수 개의 상기 평판플레이트는 사각 형상을 가지는 제1평판플레이트와 제2평판플레이트와 제3평판플레이트 및 제4평판플레이트로 구성되고, 상기 제1평판플레이트는 제1사분면에 배치되고 상기 제2평판플레이트는 제2사분면에 배치되며 상기 제3평판플레이트는 제3사분면에 배치되고 상기 제4평판플레이트는 제4사분면에 배치되며, 상기 제2평판플레이트의 상기 홀로그래픽메타표면은 상기 제1평판플레이트의 홀로그래픽메타표면을 좌우 방향으로 미러링한 것이고 상기 제3평판플레이트의 상기 홀로그래픽메타표면은 상기 제1평판플레이트의 홀로그래픽메타표면을 대각선 방향으로 미러링한 것이며 상기 제4평판플레이트의 상기 홀로그래픽메타표면은 상기 제1평판플레이트의 홀로그래픽메타표면을 전후 방향으로 미러링한 것이고, 상기 간섭방지벽은 상기 제1평판플레이트와 제2평판플레이트와 제3평판플레이트 및 제4평판플레이트의 경계를 따라 좌우 방향과 전후 방향으로 설치될 수 있다.
상기한 구성에 의한 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 아래와 같은 효과들을 기대할 수 있다.
먼저, 평판플레이트의 표면에 포워드 방사 모드를 갖거나 백워드 방사 모드를 갖는 홀로그래픽메타표면이 형성되어 음파의 주파수 변화를 통해 음파의 방사각도를 지향성 있게 방사할 수 있으므로 주파수 스캐닝 현상을 해소할 수 있다.
그리고 복수 개의 평판플레이트가 음파발생수단을 중심으로 하여 서로 일체로 결합되고 각각의 표면에 포워드 방사 모드를 갖거나 백워드 방사 모드를 갖는 서로 다른 홀로그래픽메타표면이 각각 형성되어 음파를 복수 개로 분할하여 서로 다른 각도로 방사할 수 있으므로 다중 빔 방사 형태를 구현할 수 있다.
또한 복수 개의 평판플레이트의 경계를 따라 간섭방지벽이 돌출 형성되어 각각의 홀로그래픽메타표면을 통해 각각 방사되는 음파의 간섭을 방지할 수 있으므로 다중 빔 방사 형태를 더욱 정밀하게 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 종래의 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 특정 주파수에서 음파가 단일 빔 형태로 방사되는 상태를 도시한 예시도이다.
도 3은 도 2의 상태를 도시한 XZ 평면에 따른 극음압레벨 이미지이다.
도 4는 종래의 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 다른 특정 주파수에서 음파가 빔 분열 형태로 방사되는 상태를 도시한 XZ 평면에 따른 극음압레벨 이미지이다.
도 5는 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽메타표면과 단위셀을 도시한 예시도이다.
도 6은 도 5의 단위셀 일부를 도시한 3차원 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 포워드 방사 모드를 갖는 홀로그래픽메타표면을 적용한 예시도이다.
도 8은 도 7의 포워드 방사 모드를 위한 홀로그래픽메타표면에 의해 음파의 주파수 증가에 따라 음파의 앙각이 증가하는 상태를 도시한 3차원 입체도이다.
도 9는 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 백워드 방사 모드를 갖는 홀로그래픽메타표면을 적용한 예시도이다.
도 10은 도 9의 백워드 방사 모드를 위한 홀로그래픽메타표면에 의해 음파의 주파수 증가에 따라 음파의 앙각이 감소하는 상태를 도시한 3차원 입체도이다.
도 11은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 제1실시예를 도시한 평면도이다.
도 12는 도 11에 따른 다중 빔 방사 형태를 도시한 음파의 3차원 이미지.
도 13은 도 11에 따른 음파의 앙각과 주파수의 관계를 도시한 XZ평면에 따른 극음압레벨 이미지이다.
도 14은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 제2실시예를 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14에 따른 다중 빔 방사 형태를 도시한 음파의 3차원 이미지.
도 16은 도 14에 따른 음파의 앙각과 주파수의 관계를 도시한 XZ평면에 따른 극음압레벨 이미지이다.
도 17은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 음압 레벨 실험하기 위해 실험 설비 및 환경을 도시한 예시도이다.
도 18은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 제1실시예에 대한 음압 레벨 실험 결과를 보여주기 위해 음파의 주파수 변화에 따른 음파의 방사 각도 변화를 나타내는 음압 레벨 맵 이미지이다.
도 19는 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 제2실시예에 대한 음압 레벨 실험 결과를 보여주기 위해 음파의 주파수 변화에 따른 음파의 방사 각도 변화를 나타내는 음압 레벨 맵 이미지이다.
도 20은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 제1실시예에 간섭방지벽이 추가된 상태를 도시한 예시도이다.
도 21은 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 제2실시예에 간섭방지벽이 추가된 상태를 도시한 예시도이다.
본 발명은 음파발생수단에서 발생하는 음파를 평판플레이트의 표면에 형성된 홈 패턴에 따른 표면어드미턴스를 통해 지향성 있게 방사할 수 있는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 음파의 방사각도를 조항햐기 위해 음파의 주파수를 변경할 때 음파가 포워드 방향과 백워드 방향으로 각각 분산되면서 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상이 발생하지 않게 함으로써 음파의 방사각도를 자유롭게 조향할 수 있도록 한 것이 큰 특징이다.
이러한 특징은 평판플레이트의 표면에 복수 개의 홈으로 이루어진 복수 개의 단위셀 조합에 따른 홀로그래픽메타표면이 형성되고, 홀로그래픽메타표면의 표면어드미턴스 중에서 음파를 포워드 방향 또는 백워드 방향으로 방사하는 표면어드미턴스가 지배적이도록 설계된 구조에 의해 달성될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 도 7 및 9에 도시된 바와 같이 음파발생수단(100), 평판플레이트(200), 홀로그래픽메타표면(300) 및 음파수신수단(미도시)으로 구성될 수 있다.
먼저, 상기 음파발생수단(100)은 음파를 발생할 수 있다.
여기서 음파발생수단(100)은 음향파를 발생하는 스피커, 초음파를 발생하는 초음파발생기, 수중에서 음파 또는 초음파를 발생하는 수중음파발생기 등으로 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 평판플레이트(200)는 소정두께를 가진 평판으로 형성되고 음파발생수단(100)이 일측에 설치될 수 있다.
단, 평판플레이트(200)는 형태가 유지될 수 있고 홀로그래픽메타표면(300)을 표면에 정밀하게 가공할 수 있도록 경질의 합성수지재로 이루어질 수 있다.
다음으로, 상기 홀로그래픽메타표면(300)은 평편플레이트(200)의 표면에 3차원 형태로 형성되어 음파발생수단(10)에서 발생한 음파를 전달받아 음파의 주파수에 대응되는 각도로 방사할 수 있다.
여기서 홀로그래픽메타표면(300)은 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 평판플레이트(200)의 표면에 원통형을 갖는 복수 개의 홈(310)이 육각형 패턴으로 배치된 단위셀(320)이 연속적으로 배열된 형태를 가질 수 있다.
즉, 복수 개의 홈(310)은 육각형 패턴에 따른 각 모서리와 중심에 각각 서로 간격을 두고 배치되면서 하나의 단위셀(320)을 구성할 수 있고, 복수 개의 단위셀(320)은 연속적으로 배열되면서 홀로그래픽메타표면(300)을 구성할 수 있다.
그리고 홀로그래픽메타표면(300)은 음파에 따른 표면파를 방사파로 변환하여 미리 정해진 각도로 방사하는 표면어드미턴스를 가질 수 있고, 홀로그래픽메타표면(300)의 표면어드미턴스는 복수 개의 홈(310)에 대한 직경(D)과 깊이(d) 및 간격(a)에 따른 복수 개의 단위셀(320) 조합에 의해 결정될 수 있다.
이때 단위셀(320)을 이루는 복수 개의 홈(310)에 대한 직경(D)과 깊이(d) 및 간격(a)은 음파의 파장보다 작게 형성될 수 있다. 그리고 단위셀(320)을 이루는 복수 개의 홈(310)은 원통형으로 형성될 뿐만 아니라 사각형, 육각형, 팔각형 등을 포함하는 다각형상으로도 형성될 수 있다.
그리고 각 단위셀(320)에 대한 개별 표면어드미턴스는 단위셀(320)을 이루는 복수 개의 홈(310) 깊이에 의해 개별적으로 정해질 수 있고, 홀로그래픽메타표면(300)에 의해 방사되는 음파의 방사각도는 개별 표면어드미턴스의 조합에 의해 정해질 수 있다.
이때 각 단위셀(320)에 대한 개별 표면어드미턴스는 하기의 수학식 1로부터 산출할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112022049443316-pat00001
Figure 112022049443316-pat00002
는 주변 매질의 표면어드미턴스이며,
Figure 112022049443316-pat00003
는 평판플레이트의 표면에 대한 평균 표면어드미턴스이고,
Figure 112022049443316-pat00004
은 변조깊이이며,
Figure 112022049443316-pat00005
는 음파의 주파수이고,
Figure 112022049443316-pat00006
은 평판플레이트의 평면 구조에 따라 미리 결정되는 굴절률이며, 은 평판플레이트의 중심에서 단위셀(320)에 이르는 반경 거리이고,
Figure 112022049443316-pat00008
는 단위셀(320)에 대한 평판플레이트의 표면 상에서의 위치이다.
즉, 기설정되는 음파의 방사각도와 주파수를 수학식 1에 적용하면 홀로그래픽메타표면(300)을 구성하는 각 단위셀(320)에 대한 개별 표면어드미턴스를 산출할 수 있고, 산출된 각 단위셀(320)의 개별 표면어드미턴스를 통해 각 단위셀(320)을 구성하는 복수 개의 홈(310)의 깊이를 산출할 수 있다.
따라서 미리 정해진 음파의 방사각도와 주파수를 수학식 1에 적용하여 홀로그래픽메타표면(300)을 구성하는 각 단위셀(20a)에 대한 개별 표면어드미턴스에 대응되는 깊이로 각 단위셀(320)을 구성하는 복수 개의 홈(310)을 형성하면 각 단위셀(320)을 구성하는 복수 개의 홈(310) 조합에 따른 홀로그래픽메타표면(300)의 표면어드미턴스를 통해 음파발생수단(100)에서 발생된 음파를 미리 정해진 방사각도로 방사할 수 있다.
여기서 XY 평면에서 앙각(
Figure 112022049443316-pat00009
)과 방위각(
Figure 112022049443316-pat00010
)을 기준으로 하여 음파를 단일 빔 형태로 방사하기 위해 음파에 따른 방사파(
Figure 112022049443316-pat00011
)를 고려해야 하는데, 음파에 따른 방사파는 하기의 수학식 2과 같이 정의될 수 있고, 표면파(
Figure 112022049443316-pat00012
)와 방사파의 간섭 관계는 하기의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112022049443316-pat00013
(수학식 3)
Figure 112022049443316-pat00014
Figure 112022049443316-pat00015
여기서
Figure 112022049443316-pat00016
는 파수(
Figure 112022049443316-pat00017
)이고,
Figure 112022049443316-pat00018
은 홀로그래픽메타표면(3000)의 중심으로부터의 방사거리이며,
Figure 112022049443316-pat00019
는 홀로그래픽메타표면(300)의 표면어드미턴스 평균값이고,
Figure 112022049443316-pat00020
은 변조 깊이이다.
그리고 홀로그래픽메타표면(300)은 표면어드미턴스 평균값
Figure 112022049443316-pat00021
과 변조깊이
Figure 112022049443316-pat00022
을 매개 변수로 사용하여 설계할 수 있다.
이때 평판플레이트(200)의 표면에서 홀로그래픽메타표면(300)에서 방사파 형태로 방사되는 음파는 도 4에 도시된 바와 같이 특정 주파수에서 단일 빔 형태가 아닌 빔 분할 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상이 발생할 수 있다.
이러한 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캔닝 현상은 도 1에 도시된 바와 같이 홀로그래픽메타표면(300)이 음파에 따른 방사파를 표면파의 진행방향과 동일한 포워드 방향으로 방사하는 포워드 방사 모드를 구현하는 포워드 지배 영역뿐만 아니라 표면파의 진행방향과 반대인 백워드 방향으로 방사하는 백워드 방사 모드를 구현하는 백워드 지배 영역을 모두 포함한 표면어드미턴스를 가지도록 설계됨에 따라 발생할 수 있다.
따라서 음파가 주파수의 변화에 따라 빔 분할 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상을 해소하기 위하여 홀로그래픽메타표면(300)이 음파를 포워드 방향으로 방사하는 포워드 방사 모드 또는 백워드 방향으로 방사되도록 하는 백워드 방사 모드 중 어느 하나의 모드를 갖는 표면어드미턴스를 가지도록 설계되어야 한다.
즉, 평판플레이트(200)를 통해 음파를 포워드 방사 모드를 방사하기 위해서는 도 7에 도시된 바와 같이 평판플레이트(200)의 홀로그래픽메타표면(300)을 포워드 방사 모드를 갖는 표면어드미턴스가 백워드 방사 모드를 갖는 표면어드미턴스를 압도하여 지배하는 형태가 되도록 설계해야 한다.
그리고 평판플레이트(200)를 통해 음파를 백워드 방사 모드를 방사하기 위해서는 도 9에 도시된 바와 같이 평판플레이트(200)의 홀로그래픽메타표면(300)을 백워드 방사 모드를 갖는 표면어드미턴스가 포워드 방사 모드를 갖는 표면어드미턴스를 압도하여 지배하는 형태가 되도록 설계해야 한다.
여기서 주파수 스캐닝 현상은 홀로그래픽메타표면(300)과 함께 음파의 주파수 변화를 고려해야 하는데, 표면파와 방사파의 간섭 패턴에 따른 사인파 위상 분포는 하기의 수학식 4에 의해 정의될 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112022049443316-pat00023
그리고 홀로그래픽메타표면(300)은 다른 주파수
Figure 112022049443316-pat00024
를 갖는 기준 표면파(
Figure 112022049443316-pat00025
)를 간섭한다. 단,
Figure 112022049443316-pat00026
는 자유공간에서의 파수(
Figure 112022049443316-pat00027
)이며,
Figure 112022049443316-pat00028
는 유효굴절률이다.
따라서 홀로그래픽메타표면(300)에 따른 방사파의 위상(Φ)은 하기의 수학식 5와 같이 정의될 수 있고, 방사파는 앙각(θ)과 방위각(
Figure 112022049443316-pat00029
)이 각각 30°와 45°일 때 하기의 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
(수학식 5)
Figure 112022049443316-pat00030
(수학식 6)
Figure 112022049443316-pat00031
여기서 '_'와 '+'는
Figure 112022049443316-pat00032
와
Figure 112022049443316-pat00033
일 때 방사파와 표면파의 간섭 관계에 따른 백워드 방사 모드와 포워드 방사 모드에 대한 방사파를 각각 의미한다. 그러면
Figure 112022049443316-pat00034
,
Figure 112022049443316-pat00035
방향에 따른 방사파의 위상은 각각 하기의 수학식 7에 의해 각각 정의될 수 있다.
(수학식 7)
Figure 112022049443316-pat00036
Figure 112022049443316-pat00037
여기서 '_'와 '+'는
Figure 112022049443316-pat00038
와
Figure 112022049443316-pat00039
일 때 방사파와 표면파의 간섭 관계에 따른 백워드 방사 모드와 포워드 방사 모드에 대한 방사파의 위상을 각각 의미한다. 그러면
Figure 112022049443316-pat00040
,
Figure 112022049443316-pat00041
방향에 따른 주파수는 하기의 수학식 8에 의해 각각 산출될 수 있다.
(수학식 8)
Figure 112022049443316-pat00042
Figure 112022049443316-pat00043
그리고 주파수의 진폭은 하기의 수학식 9에 의해 산출될 수 있다.
(수학식 9)
Figure 112022049443316-pat00044
또한
Figure 112022049443316-pat00045
이므로 방사파의 앙각(
Figure 112022049443316-pat00046
)과 방위각(
Figure 112022049443316-pat00047
)은 하기의 수학식 10 및 11로 각각 정의될 수 있다.
(수학식 10)
Figure 112022049443316-pat00048
(수학식 11)
Figure 112022049443316-pat00049
시뮬레이션 결과에 따르면, 방위각(
Figure 112022049443316-pat00050
)은
Figure 112022049443316-pat00051
인 조건에서 주파수와 함께 변하지 않지만, 주파수(
Figure 112022049443316-pat00052
)가 증가하면 포워드 방사 모드에서
Figure 112022049443316-pat00053
가 증가하게 되고 백워드 방사 모드에서
Figure 112022049443316-pat00054
가 감소하게 된다.
즉, 음파의 주파수가 증가하면 포워드 방사 모드에서 음파에 따른 방사파의 방위각이 주파수와 비례하게 증가하게 되고 백워드 방사 모드에서는 음파에 따른 방사파의 방위각이 주파수와 반비례하게 감소하게 된다.
따라서 음파의 주파수 변화에 따라 포워드 방사 모드에서의 음파의 방사각도와 백워드 방사 모드에서의 음파의 방사각도가 서로 다르게 변화됨으로써 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상이 발생하게 되는 것이다.
결론적으로 빔 분열 형태로 방사되는 주파수 스캐닝 현상을 방지하기 위해서는 평판플레이트(200)의 표면에 포워드 방사 모드를 갖는 표면어드미턴스의 비율이 지배적인 홀로그래픽메타표면(300)을 설계하거나 백워드 방사 모드를 갖는 표면어드미턴스의 비율이 지배적인 홀로그래픽메타표면(300)을 설계해야 한다.
이를 위해 복수 개의 단위셀(320)의 조합에 따른 홀로그래픽메타표면(300)을 설계하고, 음파발생수단(100)이 중심에 위치한 복합평판플레이트의 표면에 설계된 홀로그래픽메타표면(300)을 형성한 후, 음파발생수단(100)의 위치를 기준으로 하여 복합평판플레이트를 일정각도 반경으로 절단하여 하나의 평판플레이트(200)로 가공할 수 있다.
이때 평판플레이트(200)는 홀로그래픽메타표면(300)이 음파를 포워드 방사 모드로 방사하는 표면어드미턴스의 비율이 음파를 백워드 방사 모드로 방사하는 표면어드미턴스의 비율을 지배적으로 압도하게 되면 도 8에 도시된 바와 같이 음파의 주파수가 증가함에 따라 음파의 앙각도 증가하면서 음파를 포워드 방향으로 방사하는 포워드 방사 모드를 구현할 수 있다.
이와 반대로 평판플레이트(200)는 홀로그래픽메타표면(300)이 음파를 백워드 방사 모드로 방사하는 표면어드미턴스의 비율이 음파를 포워드 방사 모드로 방사하는 표면어드미턴스의 비율을 지배적으로 압도하게 되면 도 10에 도시된 바와 같이 음파의 주파수 증가함에 따라 음파의 앙각이 감소하면서 음파를 백워드 방향으로 방사하는 백워드 방사 모드를 구현할 수 있다.
그리고 포워드 방사 모드 또는 백워드 방사 모드의 홀로그래픽메타표면(300)을 가지는 복수 개의 평판플레이트(300)를 삽입공을 중심하여 일정각도로 배치하고 일체로 연결하면 음파를 복수 개로 분할하여 서로 다른 각도로 방사하는 다중 빔 형태로 방사할 수 있다.
제1실시예에 따라 도 11에 도시된 바와 같이 서로 동일한 포워드 방사 모드의 홀로그래픽메타표면(300)을 갖는 제1평판플레이트(200a)와 제2평판플레이트(200b)와 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)를 제1사분면과 제2사분면과 제3사분면 및 제4사분면에 각각 배치하여 음파를 다중 빔 형태로 방사할 수 있다.
단, 제2사분면에 배치되는 제2평판플레이트(200b)의 제2홀로그래픽메타표면(300b)은 제1사분면에 배치되는 제1평판플레이트(200a)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)을 좌우 방향으로 미러링한 형태가 되고, 제3사분면에 배치되는 제3평판플레이트(200c)의 제3홀로그래픽메타표면(300)은 제1사분면에 배치되는 제1평판플레이트(200a)의 제1홀로그래픽메타표면(300)을 대각선 방향으로 미러링한 형태가 되며, 제4분면에 배치되는 제4평판플레이트(200d)의 제4홀로그래픽메타표면(300)은 제1사분면에 배치되는 제1평판플레이트(200a)의 제1홀로그래픽메타표면(300)을 상하 방향으로 미러링한 형태가 된다.
그러면 각 평판플레이트(200)의 홀로그래픽메타표면(300)은 위치별로 서로 미러링한 형태으므로 XY평면 상에서 서로 다른 표면어드미턴스를 가지게 되면서 포워드 방사 모드로 음파를 4개로 분할하여 서로 다른 각도로 각각 방사할 수 있다.
여기서 제1평판플레이트(200a)와 제2평판플레이트(200b)와 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c) 및 제4홀로그래픽메타표면(300d)에 따른 음파에 대한 방사파는 하기의 수학식 11로 각각 표현될 수 있다.
(수학식 11)
이때 제1평판플레이트(200a)과 제2평판플레이트(200b)과 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c) 및 제4홀로그래픽메타표면(300d)을 도 12에 도시된 음파의 3차원 이미지와 같이 30°의 앙각에서 각각 음파를 45°, 135°, 225°및 315°의 방위각으로 각각 방사하도록 설계할 수 있다.
그러면 제1평판플레이트(200a)과 제2평판플레이트(200b)과 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c) 및 제4홀로그래픽메타표면(300d)은 도 13에 도시된 XZ평면에 따른 극음압 레벨과 같이 음파의 주파수가 각각 19㎑, 20㎑ 및 21㎑로 변경될 때 XZ평면에서 음파를 20°, 30°및 42°의 앙각으로 각각 방사할 수 있다.
제2실시예에 따라 도 14에 도시된 바와 같이 서로 동일한 백워드 방사 모드의 홀로그래픽메타표면(300)을 갖는 4개의 평판플레이트를 제1사분면과 제2사분면과 제3사분면 및 제4사분면에 각각 배치하여 음파를 다중 빔 형태로 방사할 수 있다.
단, 제2사분면에 배치되는 제2평판플레이트(200b)의 제2홀로그래픽메타표면(300b)은 제1사분면에 배치되는 제1평판플레이트(200a)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)을 좌우 방향으로 미러링한 형태가 되고, 제3사분면에 배치되는 제3평판플레이트(200c)의 제3홀로그래픽메타표면(300)은 제1사분면에 배치되는 제1평판플레이트(200a)의 제1홀로그래픽메타표면(300)을 대각선 방향으로 미러링한 형태가 되며, 제4분면에 배치되는 제4평판플레이트(200d)의 제4홀로그래픽메타표면(300)은 제1사분면에 배치되는 제1평판플레이트(200a)의 제1홀로그래픽메타표면(300)을 상하 방향으로 미러링한 형태가 된다.
그러면 제1평판플레이트(200a)와 제2평판플레이트(200b)와 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c)은 위치별로 서로 미러링한 형태으므로 XY평면 상에서 서로 다른 표면어드미턴스를 가지게 되면서 백워드 방사 모드로 음파를 4개로 분할하여 서로 다른 각도로 각각 방사할 수 있다.
여기서 제1평판플레이트(200a)와 제2평판플레이트(200b)와 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c)에 따른 음파에 대한 방사파는 하기의 수학식 12로 각각 표현될 수 있다.
(수학식 12)
이때 제1평판플레이트(200a)과 제2평판플레이트(200b)과 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c)을 도 15에 도시된 음파의 3차원 이미지와 같이 30°의 앙각에서 각각 음파를 45°, 135°, 225°및 315°의 방위각으로 각각 방사하도록 설계할 수 있다.
그러면 제1평판플레이트(200a)과 제2평판플레이트(200b)과 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)의 제1홀로그래픽메타표면(300a)과 제2홀로그래픽메타표면(300b)과 제3홀로그래픽메타표면(300c)은 도 16에 도시된 XZ평면에 따른 극음압 레벨과 같이 음파의 주파수가 각각 19㎑, 20㎑ 및 21㎑로 변경될 때 XZ평면에서 음파를 46°, 32°및 23°의 앙각으로 각각 방사할 수 있다.
상기한 제1실시예와 제2실시예에 대한 음압 레벨 실험을 도 17의 실험 장비와 환경을 이용하여 실시하였다.
제1실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 ABS수지로 이루어지고 크기가 240mm×240mm이며 표면에 원통형을 가진 복수 개의 홈(310)이 육각형 패턴으로 배치된 복수 개의 단위셀(320)을 연속적으로 각각 형성한 포워드 방사 모드의 제1평판플레이트(200a)와 제2평판플레이트(200b)와 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)가 제1사분면과 제2사분면과 제3사분면 및 제4사분면에 각각 배치된 상태로 결합되고 홈(310)의 개수가 총 14,581개이며 중심에 구멍이 형성되어 스피커의 음향이 방출되는 구조로 설계하였다.
그리고 제2실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 ABS수지로 이루어지고 크기가 240mm×240mm이며 표면에 원통형을 가진 복수 개의 홈(310)이 육각형 패턴으로 배치된 복수 개의 단위셀(320)을 연속적으로 각각 형성한 백워드 방사 모드의 제1평판플레이트(200a)와 제2평판플레이트(200b)와 제3평판플레이트(200c) 및 제4평판플레이트(200d)가 제1사분면과 제2사분면과 제3사분면 및 제4사분면에 각각 배치된 상태로 결합되고 홈(310)의 개수가 총 14,581개이며 중심에 구멍이 형성되어 스피커의 음향이 방출되는 구조로 설계하였다.
한편 음압 측정을 위한 스캐닝 영역을 XY평면에서 700mm×300mm의 넓이로 한정하고 스텝 크기가 X방향과 Y방향 모두 10mm인 GRAS 46BE 1/4인치의 마이크를 사용하였다.
제1실시예에 대한 실험 결과는 도 18에 도시된 바와 같이 제1실시예가 음파의 주파수가 20㎑일 때 음파를 포워드 방사 모드로 4방향 분할되면서 30°의 앙각으로 방사하도록 설계된 것임을 음압 레벨 맵 이미지를 통해 확인할 수 있었고 음파의 주파수를 각각 19㎑와 20㎑ 및 21㎑로 각각 증가하면 음파의 앙각도 음파의 주파수에 비례하게 20°, 28°및 35°로 각각 조향되는 것을 표면 법선에 따른 음압 레벨 맵 이미지를 통해 확인할 수 있었다.
제2실시예에 대한 실험 결과는 도 19에 도시된 바와 같이 음파의 주파수가 20㎑ 일 때 음파를 백워드 방사 모드로 4방향 분할되면서 30°의 앙각으로 방사하도록 설계된 것임을 음압 레벨 맵 이미지를 통해 확인할 수 있었고 음파의 주파수를 각각 19㎑와 20㎑ 및 21㎑로 각각 증가하면 음파의 앙각도 음파의 주파수에 반비례하게 41°, 34°및 27°로 각각 조향되는 백워드 방사 모드를 표면 법선에 따른 음압 레벨 맵 이미지를 통해 확인할 수 있었다.
한편, 음파에 대한 다중 빔 방사를 구현하기 위해 복수 개의 평판플레이트(200)을 서로 연결한 구조에서는 각 평판플레이트(200)의 표면에 형성된 홀로그래픽메타표면(300)을 서로 구획하기 위해 도 20 및 21에 도시된 바와 같이 각 평판플레이트(200)의 경계를 따라 소정높이를 가지는 간섭방지벽(400)이 돌출 형성될 수 있다.
상기 간섭방지벽(400)은 음파에 의해 각 평판플레이트(200)의 홀로그래픽메타표면(300)을 타고 흘러가는 표면파가 이웃하는 다른 평판플레이트(200)의 홀로그래픽메타표면(300)을 타고 흘러가는 다른 표면파와 간섭되지 않도록 차단함으로써 표면파의 간섭으로 인한 음파의 주파수 변경에 따른 음파의 조향 방해를 해소할 수 있다.
마지막으로, 상기 음파수신수단은 홀로그래픽메타표면(300)에 의해 평판플레이트(200)의 표면으로부터 기설정되는 방사각도로 방사되는 음파를 수신할 수 있다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
100: 음파발생수단
200: 평판플레이트
200a: 제1평판플레이트
200b: 제2평판플레이트
200c: 제3평판플레이트
200d: 제4평판플레이트
300: 홀로그래픽메타표면
300a: 제1홀로그래픽메타표면
300b: 제2홀로그래픽메타표면
300c: 제3홀로그래픽메타표면
300d: 제4홀로그래픽메타표면
310: 홈
320: 단위셀
400: 간섭방지벽

Claims (5)

  1. 음파의 주파수 변경을 통해 음파의 방사 각도를 조향하기 위한 것으로,
    상기 음파를 발생시키는 음파발생수단;
    상기 음파발생수단의 일측에 위치되는 평판플레이트; 및
    상기 평판플레이트의 표면에 형성되는 복수 개의 홈을 각각 포함하고 연속적으로 배열되는 복수 개의 단위셀로 이루어져 상기 음파를 방사하는 홀로그래픽메타표면;으로 구성되고,
    상기 홀로그래픽메타표면을 이루는 상기 홈의 깊이는
    기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수에 기초하여 산출한 표면어드미턴스에 의해 결정되며,
    상기 표면어드미턴스는
    상기 홀로그래픽메타표면을 따라 전파되는 표면파의 진행방향과 동일한 포워드 방향 또는 상기 표면파의 진행방향과 반대인 백워드 방향으로 상기 음파가 방사되도록 하여 상기 음파의 주파수 변화에 따라 상기 음파의 방사각도가 조향 가능하게 되고,
    상기 평판플레이트는
    상기 음파발생수단의 위치를 중심으로 하여 복수 개가 서로 연결되게 배치되고 위치별로 각각 서로 다른 표면어드미턴스를 가지도록 서로 다른 상기 홀로그래픽메타표면이 형성되어 각각 음파를 서로 다른 각도로 방사하는 다중 빔 형태가 가능하게 되며,
    복수 개의 상기 평판플레이트에 형성되는 상기 홀로그래픽메타표면은
    복수 개의 상기 평판플레이트 중에서 어느 하나의 상기 평판플레이트에 형성되는 상기 홀로그래픽메타표면을 위치별로 대응되게 각각 미러링한 것임을 특징으로 하는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    복수 개의 상기 평판플레이트의 경계를 따라 돌출 형성되어 음파에 따라 각각의 홀로그래픽메타표면을 타고 흘러가는 반사파 간의 간섭을 방지하는 간섭방지벽;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    복수 개의 상기 평판플레이트는
    사각 형상을 가지는 제1평판플레이트와 제2평판플레이트와 제3평판플레이트 및 제4평판플레이트로 구성되고,
    상기 제1평판플레이트는 제1사분면에 배치되고 상기 제2평판플레이트는 제2사분면에 배치되며 상기 제3평판플레이트는 제3사분면에 배치되고 상기 제4평판플레이트는 제4사분면에 배치되며,
    상기 제2평판플레이트의 상기 홀로그래픽메타표면은 상기 제1평판플레이트의 홀로그래픽메타표면을 좌우 방향으로 미러링한 것이고 상기 제3평판플레이트의 상기 홀로그래픽메타표면은 상기 제1평판플레이트의 홀로그래픽메타표면을 대각선 방향으로 미러링한 것이며 상기 제4평판플레이트의 상기 홀로그래픽메타표면은 상기 제1평판플레이트의 홀로그래픽메타표면을 전후 방향으로 미러링한 것이고,
    상기 간섭방지벽은
    상기 제1평판플레이트와 제2평판플레이트와 제3평판플레이트 및 제4평판플레이트의 경계를 따라 좌우 방향과 전후 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 음파 스캐닝이 가능한 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
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