KR102583661B1 - 음향 파동 전달 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 요구되는 특정한 임피던스를 가지도록 제조 가능한 음향 파동 전달 구조체를 제공한다. 여기서, 음향 파동 전달 구조체는 입체 형상으로 형성되고, 변에 해당하는 영역에 형성되는 기둥부와, 기둥부에 의해 둘러싸인 내부 영역에 형성되는 공간부를 가지는 단위 구조셀을 포함한다. 단위 구조셀은 복수 개 마련되며, 음향 파동이 전달되는 제1방향 및 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 연속적으로 배치된다.

Description

음향 파동 전달 구조체{ACOUSTIC WAVE TRANSMISSION STRUCTURE}
본 발명은 음향 파동 전달 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 요구되는 특정한 임피던스를 가지도록 제조 가능한 음향 파동 전달 구조체에 관한 것이다.
수중에서 음파를 이용하여 표적의 위치를 탐지하기 위한 음향 트랜스듀서는 능동모드에서 입력된 전기 신호를 음향신호로 변환하여 수중에서 방사하고 표적으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하며, 수동모드에서는 표적으로부터 방사되는 음향 신호를 전기신호로 변환하는 역할을 한다.
일반적으로 고출력 음파를 송신하기 위한 음향 트랜스듀서는 톤필츠(Tonpilz) 형태인 트랜스듀서를 적용한다. 길이방향으로 길이 변화가 일어나는 톤필츠형 음향 트랜스듀서로 인해 매질인 물에서 압력변화가 생기면서 음파가 발생하게 되며, 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 공진주파수 영역에서 이용함으로써 극대화된 음파를 송신하거나 외부 음원 및 반사 음파를 수신할 수 있는 능력이 향상되기 때문이다.
통상적으로 톤필츠형 트랜스듀서는 압전소자와, 압전소자의 전면에 배치되어 압전소자의 진동을 음향신호로 방사하는 전면추와, 압전소자의 후면에 배치되어 전면추가 음향신호를 방사할 때 방사되는 에너지를 증가시키는 후면추를 포함한다. 톤필츠형 트랜스듀서는 특정 주파수 영역에서 전면추와 후면추를 사용함으로써, 압전체의 길이를 줄여 전기적 임피던스를 낮출 수 있으며, 전면추와 후면추가 고출력 구동 시 방열제 역할을 할 수 있다.
한편, 전면추에 요구되는 기계적 특성 임피던스(Mechanical Characteristic Impedance)는 밀도 및 음속(Sound Speed)의 함수이고, 음속은 밀도 및 탄성계수의 함수인데, 이러한 특성 임피던스를 만족하는 상용소재는 없다. 따라서, 이러한 특성 임피던스를 맞추기 위해서 종래에는 에폭시에 미세한 구형의 금속체를 적절하게 혼합하여 형성하는 방식이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 균질한 물성 구현이 어렵고 생산성이 낮은 문제점이 있다. 특히, 단일공진을 가지는 톤필츠형 초음파센서의 광대역 성능 구현을 위해서는 공진모드에서 특정 등가 기계적 품질계수 2~3을 만족해야 하는데, 이론적인 기계적 품질계수를 만족시킬 수 있는 저밀도 상용 금속소재는 없는 것으로 알려져 있다.
대한민국 등록특허공보 제1173937호(2012.08.14. 공고)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 요구되는 특정한 임피던스를 가지도록 제조 가능한 음향 파동 전달 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 입체 형상으로 형성되고, 변에 해당하는 영역에 형성되는 기둥부와, 상기 기둥부에 의해 둘러싸인 내부 영역에 형성되는 공간부를 가지는 단위 구조셀;을 포함하고, 상기 단위 구조셀은 복수 개 마련되며, 음향 파동이 전달되는 제1방향 및 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단위 구조셀은 직육면체 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단위 구조셀은, 이격된 2개의 꼭짓점을 서로 연결하고 상기 공간부를 가로지르면서 배치되는 보조 기둥부를 더 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 단위 구조셀은, 각각의 면에서 선택된 2개의 꼭짓점과 상기 공간부의 중심을 연결하여 형성되는 평면부를 더 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음향 파동 전달 구조체는 음향 파동을 발생하는 진동체와 접촉되는 제1접촉면을 가지고, 상기 제1접촉면은 빈 공간이 형성되지 않도록 채워진 면의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1접촉면의 반대측에 형성되고 외부 매질에 접촉되는 상기 음향 파동 전달 구조체의 제2접촉면은 빈 공간이 형성되지 않도록 채워진 면의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음향 파동 전달 구조체는 요구되는 임피던스를 구현할 수 있는 음향 파동 전달 구조체의 형태, 예를 들면, 단위 구조셀의 기둥부의 길이 및 굵기, 공간부의 부피, 배열되는 단위 구조셀의 개수 등이 이론적 계산을 통해 산출되기만 하면, 3D 프린팅 기술을 통해 용이하게 제조가 가능하다. 이를 통해, 다양한 요구 임피던스 조건을 만족시킬 수 있는 전면추가 맞춤형으로 획득될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체가 수중 음향 센서에 설치된 예를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 일부를 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 2의 음향 파동 전달 구조체를 나타낸 정면도이다.
도 4는 도 2의 음향 파동 전달 구조체의 인장 압축 하중 특성을 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 제1접촉면 및 제2접촉면을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 다른 예를 나타낸 예시도이다.
도 7은 도 6의 음향 파동 전달 구조체를 나타낸 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 또 다른 예를 나타낸 예시도이다.
도 9은 도 8의 음향 파동 전달 구조체를 나타낸 정면도이다.
도 10은 도 8의 음향 파동 전달 구조체의 탄성계수 특성을 나타낸 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체가 수중 음향 센서에 설치된 예를 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 일부를 나타낸 예시도이고, 도 3은 도 2의 음향 파동 전달 구조체를 나타낸 정면도이다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 음향 파동 전달 구조체(100)는 진동체(10)의 전면에 구비되어 진동체(10)의 진동을 음향 파동으로 전달할 수 있다. 진동체(10)는 압전소자일 수 있으며, 이러한 압전소자는 전압 인가 시 진동하여 음파를 발생시킬 수 있고, 음파를 수신 시 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 진동체(10)의 후면에는 후면추(11)가 배치될 수 있다.
음향 파동 전달 구조체(100)는 복수 개의 단위 구조셀(110)을 포함할 수 있다. 단위 구조셀(110)은 입체 형상으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 직육면체 형상으로 형성될 수 있고, 더욱 바람직하게는 정육면체 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 복수 개의 단위 구조셀(110)은 연속적으로 배치될 수 있다. 구체적으로 단위 구조셀(110)은 음향 파동이 전달되는 제1방향(A1)을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 그리고, 단위 구조셀(110)은 제1방향(A1)과 교차하는 제2방향(A2)을 따라서도 연속적으로 배치될 수 있다. 직육면체 형상의 단위 구조셀(110)이 연속적으로 배치될 수 있도록, 제2방향(A2)은 서로 수직한 제2-1방향(A2-1) 및 제2-2방향(A2-2)을 포함할 수 있다. 제1방향(A1), 제2-1방향(A2-1) 및 제2-2방향(A2-2)은 서로 수직할 수 있으며, 이를 통해, 복수 개의 단위 구조셀(110)은 3차원 적으로 연속되게 배치될 수 있다. 단위 구조셀(110)의 한 변의 길이는 수 내지 수백 ㎛ 정도로 작을 수 있으며, 이를 통해, 단위 구조셀(110)이 직육면체 형상으로 형성됨에도 음향 파동 전달 구조체(100)는 원기둥 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 본 실시예에서 단위 구조셀(110)은 기둥부(111) 및 공간부(112)를 가질 수 있다.
기둥부(111)는 단위 구조셀(110)의 변에 해당하는 영역에 형성될 수 있다. 그리고 공간부(112)는 기둥부(111)에 의해 둘러싸인 내부 영역에 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 단위 구조셀(110)은 3차원 트러스-격자(Truss-Lattice) 구조를 가질 수 있다.
음향 파동 전달 구조체(100)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 제조될 수 있으며, 이를 통해, 음향 파동 전달 구조체(100)는 다양한 3차원 구조체로 용이하게 제조될 수 있다.
음향 파동 전달 구조체(100)는 톤필츠형 초음파센서의 전면추로 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전면추에 요구되는 기계적 특성 임피던스를 만족하는 상용 소재는 없기 때문에, 이러한 특성 임피던스를 맞추기 위해서 종래에는 에폭시에 미세한 구형의 금속체를 적절하게 혼합하여 형성하는 방식이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 균질한 물성 구현이 어렵고 생산성이 낮은 문제점이 있다.
그러나, 본 발명에 따르는 음향 파동 전달 구조체(100)는 요구되는 임피던스를 구현할 수 있는 음향 파동 전달 구조체(100)의 형태, 예를 들면, 단위 구조셀(110)의 기둥부(111)의 길이 및 굵기, 공간부(112)의 부피, 배열되는 단위 구조셀(110)의 개수 등이 이론적 계산을 통해 산출되기만 하면, 3D 프린팅 기술을 통해 용이하게 제조가 가능하다. 이를 통해, 다양한 요구 임피던스 조건을 만족시킬 수 있는 전면추가 맞춤형으로 획득될 수 있다. 특히, 단일공진을 가지는 톤필츠형 초음파센서의 광대역 성능 구현을 위해서는 공진모드에서 특정 등가 기계적 품질계수 2~3을 만족해야 하는데, 본 발명에 따른 음향 파동 전달 구조체(100)는 이러한 이론적인 기계적 품질계수도 얼마든지 만족시킬 수 있도록 획득될 수 있다.
도 4는 도 2의 음향 파동 전달 구조체의 인장 압축 하중 특성을 나타낸 이미지이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 단위 구조셀(110)은 축방향으로는 탄성계수가 매우 크고 인장 압축 하중에 강성이 큼을 알 수 있다. 따라서, 이러한 단위 구조셀(110)을 가지는 음향 파동 전달 구조체(100)는 전면추의 굽힘 진동 영향이 적고, 축방향 인장 압축 하중이 큰 환경에서 효과적으로 성능이 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 제1접촉면 및 제2접촉면을 나타낸 예시도이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 음향 파동 전달 구조체(100)는 음향 파동을 발생하는 진동체(10)와 접촉되는 제1접촉면(113)을 가질 수 있다. 진동체(10)에서 발생하는 음향의 진행 방향을 기준으로 할 때, 제1접촉면(113)은 음향 파동 전달 구조체(100)의 후면일 수 있다.
제1접촉면(113)은 빈 공간이 형성되지 않도록 채워진 면의 형태로 형성됨이 바람직하다. 이를 통해, 제1접촉면(113)의 압축변형 방지의 효과가 있을 뿐만 아니라, 음향 파동 전달 구조체(100) 및 진동체(10)가 더욱 긴밀하게 접촉될 수 있어, 음향 파동 전달 구조체(100)는 진동체(10)의 진동을 효과적으로 음향 파동으로 전달할 수 있다.
제1접촉면(113)은, 음향 파동 전달 구조체(100)에서 진동체(10)와 접촉되는 부분에 배치되는 복수 개의 단위 구조셀의 후단측의 기둥부를 연결하면서 동일한 높이로 형성되거나, 또는 복수 개의 단위 구조셀의 후단측의 기둥부보다 더 후방으로 돌출되어 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
제1접촉면(113)에는 음향 파동 전달 구조체(110) 및 진동체(10)를 연결하는 체결부재(예를 들면, 볼트)가 직접 결합될 수 있다.
그리고, 음향 파동 전달 구조체(100)는 제1접촉면(113)의 반대측에 형성되고 외부 매질에 접촉되는 제2접촉면(114)을 가질 수 있다. 진동체(10)에서 발생하는 음향의 진행 방향을 기준으로 할 때, 제2접촉면(114)은 음향 파동 전달 구조체(100)의 앞면일 수 있다. 그리고, 외부 매질은 물일 수 있다.
제2접촉면(114)은 빈 공간이 형성되지 않도록 채워진 면의 형태로 형성됨이 바람직하다. 이를 통해, 수밀성이 향상되고, 방사 면적이 넓어지며, 방사 표면의 축방향 변위 크기가 커질 수 있고, 외부 매질이 더욱 긴밀하게 접촉될 수 있어, 방사되는 음향 에너지를 최대화할 수 있고, 음향 파동 전달 구조체(100)가 방사하는 음향 파동이 외부 매질로 효과적으로 전달되도록 할 수 있다. 또한, 제2접촉면(114)은 외부 매질에 포함된 이물질이 음향 파동 전달 구조체(100)의 내측으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
제2접촉면(114)은, 음향 파동 전달 구조체(100)의 전면부에 배치되는 복수 개의 단위 구조셀의 전단측의 기둥부를 연결하면서 동일한 높이로 형성되거나, 또는 복수 개의 단위 구조셀의 전단측의 기둥부보다 더 전방으로 돌출되어 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 다른 예를 나타낸 예시도이고, 도 7은 도 6의 음향 파동 전달 구조체를 나타낸 정면도이다. 본 실시예에서는 단위 구조셀의 구성이 도 1 내지 도 5에서 설명한 단위 구조셀과 다를 수 있으며, 다른 구성은 동일하므로 반복되는 내용은 가급적 생략한다.
도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체(100a)의 단위 구조셀(110a)은 보조 기둥부(115)를 더 가질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 단위 구조셀(110a)은 공간부(112)에 보조 기둥부(115)를 가지는 3차원 트러스-격자(Truss-Lattice) 구조일 수 있다.
보조 기둥부(115)는 이격된 2개의 꼭짓점을 서로 연결하고 공간부(112)를 가로지르면서 배치될 수 있다. 보조 기둥부(115)에 의해 단위 구조셀(110a)은 대각 방향의 보강이 이루어질 수 있기 때문에, 보조 기둥부(115)를 가지는 음향 파동 전달 구조체(100a)는 전단력 및 굽힘 하중에 대한 강성이 보강될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체의 또 다른 예를 나타낸 예시도이고, 도 9은 도 8의 음향 파동 전달 구조체를 나타낸 정면도이고, 도 10은 도 8의 음향 파동 전달 구조체의 탄성계수 특성을 나타낸 이미지이다. 본 실시예에서는 단위 구조셀의 구성이 도 1 내지 도 5에서 설명한 단위 구조셀과 다를 수 있으며, 다른 구성은 동일하므로 반복되는 내용은 가급적 생략한다.
도 8 내지 도 10에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체(100b)의 단위 구조셀(110b)은 평면부(116)를 더 가질 수 있다.
평면부(116)는 단위 구조셀(110b)의 각각의 면에서 선택된 2개의 꼭짓점과 공간부의 중심을 연결하여 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 단위 구조셀(110b)은 3차원 플레이트-격자(Plate-Lattice) 구조를 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 음향 파동 전달 구조체(100b)는 등방성 탄성을 가질 수 있으며, 이를 통해 전단력 또는 굽힘 하중에 대한 강성이 더욱 클 수 있다. 따라서, 이러한 단위 구조셀(110b)을 가지는 음향 파동 전달 구조체(100b)는 전면추의 축방향 인장 압축 하중이 클 뿐만 아니라, 굽힘 진동 영향이 큰 환경에서도 효과적으로 성능이 구현될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 진동체
100, 100a, 100b: 음향 파동 전달 구조체
110, 110a, 110b: 단위 구조셀
111: 기둥부
112: 공간부
113: 제1접촉면
114: 제2접촉면
115: 보조 기둥부
116: 평면부

Claims (6)

  1. 입체 형상으로 형성되고, 변에 해당하는 영역에 형성되는 기둥부와, 상기 기둥부에 의해 둘러싸인 내부 영역에 형성되는 공간부를 가지는 단위 구조셀;을 포함하고,
    상기 단위 구조셀은 복수 개 마련되며, 음향 파동이 전달되는 제1방향 및 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 구조셀은 직육면체 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단위 구조셀은, 이격된 2개의 꼭짓점을 서로 연결하고 상기 공간부를 가로지르면서 배치되는 보조 기둥부를 더 가지는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 단위 구조셀은, 각각의 면에서 선택된 2개의 꼭짓점과 상기 공간부의 중심을 연결하여 형성되는 평면부를 더 가지는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음향 파동 전달 구조체는 음향 파동을 발생하는 진동체와 접촉되는 제1접촉면을 가지고,
    상기 제1접촉면은 빈 공간이 형성되지 않도록 채워진 면의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1접촉면의 반대측에 형성되고 외부 매질에 접촉되는 상기 음향 파동 전달 구조체의 제2접촉면은 빈 공간이 형성되지 않도록 채워진 면의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 파동 전달 구조체.
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