KR102606847B1 - 초음파 완전투과용 정합매질 - Google Patents

초음파 완전투과용 정합매질 Download PDF

Info

Publication number
KR102606847B1
KR102606847B1 KR1020210108869A KR20210108869A KR102606847B1 KR 102606847 B1 KR102606847 B1 KR 102606847B1 KR 1020210108869 A KR1020210108869 A KR 1020210108869A KR 20210108869 A KR20210108869 A KR 20210108869A KR 102606847 B1 KR102606847 B1 KR 102606847B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
medium
matching
transmission
wave
incident
Prior art date
Application number
KR1020210108869A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230026804A (ko
Inventor
이제승
박주아
김윤영
Original Assignee
서울대학교산학협력단
재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단, 재단법인 파동에너지 극한제어 연구단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020210108869A priority Critical patent/KR102606847B1/ko
Priority to US17/882,883 priority patent/US20230054652A1/en
Publication of KR20230026804A publication Critical patent/KR20230026804A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102606847B1 publication Critical patent/KR102606847B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/28—Details, e.g. general constructional or apparatus details providing acoustic coupling, e.g. water
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00—Ultrasound therapy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00—Ultrasound therapy
    • A61N2007/0056—Beam shaping elements

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예는 서로 다른 탄성매질의 경계에 구비된 정합층을 통해 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파의 완전투과를 용이하게 구현하고, 가공하기 쉬운 간단한 단일 패턴의 단일층 구조를 갖는 정합층을 제안함으로써 정합층의 소형화, 제작 비용 절감, 가공성 개선 등의 효과를 용이하게 구현할 수 있는 초음파 완전투과용 정합매질을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 초음파 완전투과용 정합매질은 입사매질과 투과매질의 경계에서 미리 설정된 완전투과 조건의 단일 패턴을 갖고 구비되어 입사매질에서 투과매질로 입사한 초음파를 완전히 투과시키는 정합층을 포함하며, 정합층은 미리 설정된 복수의 설계변수가 조절되어 단일 패턴을 형성한다.

Description

초음파 완전투과용 정합매질{MATCHING MEDIA FOR PERFECT TRANSMISSION OF ULTRASONIC WAVES}
본 발명은 초음파 완전투과용 정합매질에 관한 것이다.
서로 다른 탄성매질의 경계에서 높은 에너지 효율로 초음파를 전달하는 것은 초음파 산업에서 중요한 이슈 중 하나이다. 한 매질에서 다른 매질로 초음파가 입사하는 경우, 일반적으로 입사한 파동 에너지의 일부만 투과되고 일부는 반사된다. 이렇게 필연적으로 발생하는 반사파는 고효율 초음파 장비 개발에 있어 장애물로 작용해왔다.
서로 다른 매질의 경계에서 초음파 투과율을 높이는 방법으로써 임피던스 정합 기술이 사용되어왔다. 임피던스 정합 기술은 서로 다른 매질의 경계에 공학적으로 설계된 정합층을 삽입함으로써 초음파 투과율을 혁신적으로 높이는 기술이다. 이러한 기술은 의료용 초음파 프로브, 산업용 초음파 센서 등에 널리 활용되고 있지만, 수직으로 입사한 초음파에만 제한적으로 적용 가능하다는 한계를 갖고 있다.
본 발명의 실시예는 서로 다른 탄성매질의 경계에 구비된 정합층을 통해 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파의 완전투과를 용이하게 구현하고, 가공하기 쉬운 간단한 단일 패턴의 단일층 구조를 갖는 정합층을 제안함으로써 정합층의 소형화, 제작 비용 절감, 가공성 개선 등의 효과를 용이하게 구현할 수 있는 초음파 완전투과용 정합매질을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 완전투과용 정합매질은 입사매질과 투과매질의 경계에서 미리 설정된 완전투과 조건의 단일 패턴을 갖고 구비되어 입사매질에서 투과매질로 입사한 초음파를 완전히 투과시키는 정합층을 포함하며, 정합층은 미리 설정된 복수의 설계변수가 조절되어 단일 패턴을 형성한다.
단일 패턴은 직사각형의 길이방향 양단에 반원을 포함하며 미리 설정된 회전각을 갖고 길이방향을 따라 복수로 연결되어 Z자 모양으로 구비될 수 있다.
복수의 설계변수는 단위 구조의 가로 길이(), 단위 구조의 세로 길이(), 단위 패턴의 폭(2), 제1 직사각형의 길이(), 제1 직사각형의 회전각(), 제1 직사각형의 일단과 연결되는 제2 직사각형의 길이(), 제2 직사각형의 회전각(), 제2 직사각형의 일단과 연결되는 제3 직사각형의 길이(), 제3 직사각형의 회전각()을 포함할 수 있다.
단일 패턴은 기계적 가공을 통해 슬릿 형상으로 구비될 수 있다.
단일 패턴은 정합층의 길이방향을 따라 1열로 배열될 수 있다.
입사매질과 투과매질은 서로 다른 탄성매질을 포함할 수 있다.
정합층은 입사매질과 투과매질 사이에서 입사매질의 경계면과 투과매질의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접할 수 있다.
정합층은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함할 수 있다.
초음파는 평면 변형 또는 평면 응력 조건의 등방성 탄성매질에서 전파되는 면내 평면파를 포함할 수 있다.
평면파는 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 평행한 종파인 P파, 그리고 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 수직한 횡파인 SV파를 포함할 수 있다.
서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파의 완전투과를 용이하게 구현하고, 정합층의 소형화, 제작 비용 절감, 가공성 개선 등의 효과를 갖도록 제작할 수 있으며, 가공하기 쉬운 간단한 구조의 정합층을 활용하여 서로 다른 매질의 경계에서 초음파를 완전히 투과시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 완전투과용 정합매질을 도시한 도면이다.
도 2a는 서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에 수직으로 입사한 초음파가 투과 및 반사되는 상황을 도시한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 정합층을 서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에 삽입했을 때 수직으로 입사한 초음파가 완전히 투과되는 상황을 도시한 도면이다.
도 3a는 서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에 경사 입사한 초음파가 투과 및 반사되는 상황을 도시한 도면이다.
도 3b는 서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에 본 발명의 실시예에 따른 정합층을 삽입했을 때 경사 입사한 초음파가 완전히 투과되는 상황을 도시한 도면이다.
도 4a는 서로 다른 입사매질과 투과매질이 맞닿아 있는 경우 변위의 회전 필드()를 도시한 도면이다.
도 4b는 서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에 본 발명의 실시예에 따른 정합층을 삽입한 경우 변위의 회전 필드()를 도시한 도면이다.
도 5는 의료용 초음파 프로브에서 발생한 초음파가 신체조직으로 투과되는 상황을 도시한 도면이다.
도 6a는 송신용 웨지의 트랜스듀서에서 발생한 초음파가 시편을 투과해 수신용 웨지의 트랜스듀서에 도달하는 상황을 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 정합층을 활용하여 송신용 웨지의 트랜스듀서에서 발생한 초음파가 시편을 지나 수신용 웨지의 트랜스듀서에 도달하는 상황을 도시한 도면이다.
도 7a는 정합층의 유무에 따른 변위의 발산 필드()를 도시한 도면이다.
도 7b는 정합층의 유무에 따른 변위의 회전 필드()를 도시한 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예는 입사매질과 투과매질의 경계에 삽입되어 단일 패턴을 갖는 정합층의 이방성을 활용하여 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파를 완전투과시킬 수 있다. 정합층의 이방성을 효과적으로 조절할 수 있는 새로운 형상의 패턴이 필요하다. 정합층은 입사매질과 투과매질의 경계에서 미리 설정된 완전투과 조건의 단일 패턴을 갖고 구비되어 입사매질에서 투과매질로 입사한 초음파를 완전히 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 정합층은 총 9개의 설계변수를 갖는 Z자 모양의 단일 패턴으로 형성할 수 있다. 즉, 단일 패턴은 직사각형의 길이방향 양단에 반원을 포함하며 미리 설정된 회전각을 갖고 길이방향을 따라 복수로 연결되어 Z자 모양으로 구비될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 초음파 완전투과용 정합매질에 대한 개념도는 도 1에 도시한다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 단일 패턴의 정합층(101)이 정합매질의 길이방향을 따라 1열로 배열됨을 알 수 있다. Z자 모양의 단일 패턴(102)을 갖는 정합층(101)이 갖는 설계변수에는 단위 구조(103)의 가로 길이(), 단위 구조(103)의 세로 길이(), 단위 패턴(102)의 폭(2), 제1 직사각형(104)의 길이(), 제1 직사각형(104)의 회전각(), 제1 직사각형(104)의 일단과 연결되는 제2 직사각형(105)의 길이(), 제2 직사각형(105)의 회전각(), 제2 직사각형(105)의 일단과 연결되는 제3 직사각형(106)의 길이(), 제3 직사각형(106)의 회전각()을 포함할 수 있다. 정합층(101)의 구성 물질은 자유롭게 선택 가능하며, Z자 모양의 패턴들은 기계적 가공을 통해 슬릿 형상의 구멍으로 구비될 수 있다.
총 9개의 설계변수()를 적절히 조절하면 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파를 완전히 투과시키는 정합층을 설계할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제2 직사각형의 중심이 단위 구조의 중심과 일치하며, 정합층(101)의 구성 물질이 입사매질과 동일한 경우를 가정한다.
본 발명의 실시예에 따라 가공하기 쉬운 간단한 구조의 단일 패턴을 갖는 정합층(101)을 활용하면 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파를 완전히 투과시킬 수 있다. 여기서 완전투과는 한 매질에서 다른 매질로 초음파가 100% 에너지 효율로 전달되는 것을 의미한다. 그리고 초음파는 평면 변형(plane-strain) 또는 평면 응력(plane-stress) 조건의 등방성 탄성매질에서 전파되는 면내(in-plane) 평면파인 P파(primary wave or pressure wave)와 SV파(secondary vertical wave or shear vertical wave)를 포함한다. 이때, P파는 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 평행한 종파(longitudinal wave)이고, SV파는 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 수직한 횡파(shear wave or transverse wave)이다.
본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 매질의 경계에 삽입된 정합층(101)이 초음파를 완전히 투과시키는 원리를 설명한다. 정합층(101) 내부에는 총 4개의 파동모드(앞으로 진행하는 준종파 모드(QL+ 모드), 뒤로 진행하는 준종파 모드(QL- 모드), 앞으로 진행하는 준횡파 모드(QS+ 모드), 뒤로 진행하는 준횡파 모드(QS- 모드))가 형성될 수 있다. 이때, 정합층(101) 내부에 형성된 4개의 파동모드 사이에서 간섭(interference) 현상이 일어나고, 이러한 정합층(101) 내부의 적절한 파동 간섭이 서로 다른 매질의 경계에 입사한 파동 에너지를 반사 없이 100% 투과될 수 있게 한다.
본 발명의 실시예에서는 서로 다른 매질의 경계에서 초음파를 완전히 투과시키기 위해 그 경계에 삽입된 정합층(101)의 유효 물성이 만족해야 하는 수식적인 조건을 제시한다. 초음파의 완전투과를 위해서는 정합층(101)이 총 6개의 조건을 만족해야 하는데, 이는 3개의 일반화된 위상 매칭 조건(generalized phase matching condition)과 3개의 일반화된 임피던스 매칭 조건(generalized impedance matching condition)으로 구분된다. 일반화된 위상 매칭 조건은 정합층(101) 내부에 형성된 4개의 파동모드의 파수 사이의 관계를 나타내며 수학식 1과 같이 주어진다.
[수학식 1]
(k QL+ - k QL-)*d = l * π
(k QL+ - k QS+)*d = m * π
(k QL+ - k QS-)*d = n * π
(k i : 정합층(101) 내부에 형성된 i 모드(i = QL+, QL-, QS+, QS-)의 파수(wavenumber), d: 정합층의 두께, l,m,n: 임의의 정수)
일반화된 임피던스 매칭 조건은 정합층(101), 입사매질, 투과매질의 임피던스 사이의 관계를 나타내며 수학식 2와 같이 주어진다.
[수학식 2]
Z1 = sqrt(cos(2*θ SV)) * Z0
Z2 = sqrt(tan(θ SV)) * Z0
Z3 = sqrt(sin(2*θ SV)) * Z0
(θ SV: 투과되는 횡파(SV파)의 굴절각, Z i (i = 1,2,3,4): 일반화된 다중모드 임피던스(generalized bimodal impedance))
본 발명의 실시예에 따른 단일 패턴 정합층(101)의 형상을 결정하는 총 9개의 설계변수를 조절해가며 수학식 1과 수학식 2에 기술된 총 6개의 조건을 만족하는 정합층(101)을 설계한 뒤, 그 정합층(101)을 서로 다른 탄성매질의 경계에 삽입하면 한 매질에서 다른 매질로 입사한 초음파를 완전히 투과시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 초음파 완전투과용 정합매질은 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파를 완전히 투과시킬 수 있다. 그리고 정합층(101)은 총 9개의 설계변수를 갖는 Z자 모양의 단일 패턴을 포함할 수 있다. 정합층(101)은 가공하기 쉬운 간단한 구조를 통해 초음파의 완전투과를 용이하게 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 복잡하고 많은 수의 패턴을 가공해야 하는 종래 기술의 문제를 해결할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예는 정합층(101)을 소형화하고, 정합층(101)의 제작 비용을 절감하는 동시에 정합층(101) 패턴의 가공성을 높이는 효과가 있다. 본 발명의 실시예는 높은 에너지의 초음파를 필요로 하는 의료용 초음파 기술과 산업용 초음파 기술에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 탄성매질의 경계에 수직으로 입사한 초음파를 완전히 투과시킬 수 있는 정합층에 관한 개념도를 제시한다. 서로 다른 탄성매질의 경계에 초음파가 수직으로 입사하는 경우, 일반적으로 입사된 에너지의 일부만 투과되고 일부는 반사되며 이에 대한 개념도는 도 2a에 도시한다. 이때 본 발명의 실시예에서 제안하는 공학적으로 설계된 정합층을 서로 다른 탄성매질의 경계에 삽입하면 수직으로 입사한 파동 에너지 전부를 투과시킬 수 있다. 이에 대한 개념도는 도 2b에 도시한다.
도 2a는 서로 다른 입사매질(201)과 투과매질(202)의 경계에 수직으로 입사한 초음파가 투과 및 반사되는 상황을 도시한다. 여기서 입사 초음파(203)는 P파와 SV파가 모두 가능하다. 도 2a에 도시한 바와 같이 서로 다른 매질의 경계에서는 일반적으로 투과 초음파(204)와 반사 초음파(205)가 모두 발생하므로 초음파의 완전투과가 불가능하다. 수직 입사의 경우 정합층이 삽입되지 않았을 때 입사 초음파(203)와 투과 초음파(204), 반사 초음파(205)의 파동모드는 항상 같다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 공학적으로 설계된 정합층(208)을 서로 다른 입사매질(206)과 투과매질(207)의 경계에 삽입했을 때 수직으로 입사한 초음파가 완전히 투과되는 상황을 도시한다. 여기서 입사 초음파(209)의 파동모드는 P파와 SV파가 모두 가능하며, 투과 초음파(210)의 파동모드도 P파와 SV파가 모두 가능하다. 즉, 원치 않는 반사 초음파 없이 투과 초음파(210)만 발생시킬 수 있으며, 투과 초음파(210)의 파동모드는 정합층의 설계에 따라 입사 초음파(209)와 같거나 다른 파동모드로 선택 가능하다. 정합층(208)은 입사매질(206)과 투과매질(207) 사이에서 입사매질(206)의 경계면과 투과매질(207)의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접할 수 있다. 그리고 정합층(208)은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 탄성매질의 경계에 경사 입사한 초음파를 완전히 투과시킬 수 있는 정합층에 관한 개념도를 제시한다. 서로 다른 탄성매질의 경계에 초음파가 경사 입사하는 경우, 일반적으로 입사된 에너지의 일부만 투과되고 일부는 반사된다. 초음파가 수직으로 입사하는 경우와의 차이점은 P파와 SV파가 모두 투과 및 반사된다는 것이다. 이에 대한 개념도는 도 3a에 도시한다. 이때 본 발명의 실시예에서 제안하는 공학적으로 설계된 정합층을 서로 다른 탄성매질의 경계에 삽입하면 경사로 입사한 파동 에너지 전부를 투과시킬 수 있다. 이에 대한 개념도는 도 3b에 도시한다.
도 3a는 서로 다른 입사매질(301)과 투과매질(302)의 경계에 경사 입사한 초음파가 투과 및 반사되는 상황을 도시한다. 여기서 입사 초음파(303)는 P파와 SV파가 모두 가능하며, P파로 가정한다. 일반적인 경우 경사 입사한 입사 초음파(303)는 반사되는 SV파(304), 반사되는 P파(305), 투과되는 SV파(306), 투과되는 P파(307)를 모두 생성한다. 반사되는 파동(304, 305)의 반사각과 투과되는 파동(306, 307)의 굴절각은 스넬의 법칙에 의해 결정되며 반사 및 투과되는 파동의 진폭은 프레넬 방정식에 의해 결정된다.
도 3b는 서로 다른 입사매질(308)과 투과매질(309)의 경계에 공학적으로 설계된 정합층(310)을 삽입했을 때 경사 입사한 초음파가 완전히 투과되는 상황을 도시한다. 여기서 입사 초음파(311)의 파동모드는 P파와 SV파가 모두 가능하며, 투과 초음파(312)의 파동모드도 P파와 SV파가 모두 가능하다. 이때 서로 다른 두 매질의 경계에 삽입된 정합층(310)에 의해 입사 초음파(311)가 완전투과하여 투과 초음파(312)만 생성된다. 투과 초음파(312)의 파동모드는 정합층의 설계에 따라 입사 초음파(311)와 같거나 다른 파동모드로 선택 가능하다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정합층(101)은 총 9개의 설계변수()를 포함한다. 설계 시스템이 결정되었을 때(입사매질, 투과매질, 입사 초음파의 입사각, 입사 초음파의 주파수, 입사 초음파의 파동모드, 투과 초음파의 파동모드가 결정되었을 때) 정합층(101)의 설계변수를 설계하여 서로 다른 탄성매질의 경계에 삽입하면 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 한 매질에서 다른 매질로 수직 또는 경사 입사한 초음파를 완전히 투과시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 서로 다른 탄성매질의 경계에 경사 입사한 초음파를 완전히 투과시키는 정합층의 구조와 시뮬레이션 해석 결과를 제시한다. 본 발명의 실시예는 PEEK를 입사매질, 철을 투과매질로 가정한다. 주파수 100 kHz인 P파가 두 매질의 경계에 입사각 30도를 갖고 경사 입사하여 SV파로 투과되는 경우를 가정한다. 먼저, 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층이 없는 경우에 대한 시뮬레이션 해석 결과는 도 4a에 도시한다. 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층이 있는 경우에 대한 시뮬레이션 해석 결과는 도 4b에 도시한다.
도 4a는 서로 다른 입사매질(401)과 투과매질(402)이 맞닿아 있는 경우 변위의 회전 필드()를 도시한다. 변위의 회전 필드는 SV파의 진폭에 비례하고, P파의 진폭과는 무관하다. 이때 입사매질(401)에 상당한 양의 원치 않는 반사가 일어나기 때문에 투과매질(402)로 투과하는 SV파(403)의 세기가 작은 것을 확인할 수 있다.
도 4b는 서로 다른 입사매질(404)과 투과매질(405)의 경계에 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층(406)을 삽입한 경우 변위의 회전 필드()를 도시한다. 이때 입사매질(404)로의 반사는 거의 일어나지 않고 투과매질(405)로 투과되는 SV파(407)의 세기가 크게 증폭되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예는 단일 패턴의 정합층을 이용하여 서로 다른 탄성매질의 경계에서 초음파를 완전히 투과시킬 수 있기 때문에 고효율 파동 장비 개발에 활용될 수 있다. 예를 들어, 높은 에너지의 초음파를 전달하는 것이 매우 중요한 의료용 초음파 치료, 진단, 영상화 또는 산업용 초음파 비파괴검사 등에 직접적으로 활용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층은 의료용 초음파 치료, 진단, 영상화 등에 사용되는 고효율 의료용 초음파 프로브로 활용될 수 있다. 의료용 초음파 프로브는 신체조직으로 초음파를 투과시켜 원하는 부위를 치료, 진단 또는 영상화하는 장치이다. 프로브에서 신체조직으로 초음파를 투과시키는 경우 일반적으로 그 투과율이 매우 낮기 때문에 초음파 신호를 분석하는 데 어려움이 있다. 따라서 신체조직으로 강한 세기의 초음파를 투과시키는 것은 매우 중요하다. 종래 기술에서는 초음파 투과율 증가를 위해 임피던스 정합층을 활용하였는데, 자연계에 존재하는 물질만을 활용하여 프로브와 신체조직 사이의 임피던스 정합을 완벽히 구현하는 데 어려움이 있었다. 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층을 활용하면 종래 기술과는 달리 다양한 소재의 정합층을 활용하여 신체조직으로의 초음파 투과율을 극대화하면서 정합층의 소형화, 제작 비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다. 이에 대한 개념도는 도 5에 도시한다.
도 5는 의료용 초음파 프로브(501)에서 발생한 초음파(502)가 신체조직(503)으로 투과되는 상황을 도시한다. 의료용 초음파 프로브(501)는 초음파를 생성하는 트랜스듀서(504), 초음파를 흡수하는 흡음층(backing layer, 505), 초음파 투과율을 높이는 정합층(matching layer, 506), 특정 지점으로 초음파를 집속시키는 음향렌즈(507)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층(506)을 활용하면 신체조직(503)으로 초음파를 완전히 투과시킬 수 있어 초음파 신호 분석이 유리하다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에서 제안하는 초음파 완전투과용 정합매질은 산업용 초음파 비파괴검사 등에 사용되는 고효율 웨지로 활용될 수 있으며 이에 대한 개념도는 도 6에 도시한다. 종래 기술을 활용하면 도 6a에 도시한 바와 같이 웨지와 시편의 경계에서 초음파 투과율이 낮아 수신 신호의 크기가 매우 작았다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 제안하는 초음파 완전투과용 정합매질을 활용하면 도 6b에 도시한 바와 같이 웨지와 시편의 경계에서 초음파를 완전히 투과시킬 수 있어 수신 신호의 크기를 극대화할 수 있다.
도 6a는 종래 기술을 활용하여 송신용 웨지(601)의 트랜스듀서(602)에서 발생한 초음파가 시편(603)을 투과해 수신용 웨지(604)의 트랜스듀서(605)에 도달하는 상황을 도시한다. 송신용 웨지(601)의 트랜스듀서(602)는 P파를 발생시키고, 수신용 웨지(604)의 트랜스듀서(605)는 수신한 P파 신호를 분석한다. 송신용 웨지(601)의 트랜스듀서(602)에서 발생한 P파는 시편과의 경계에서 일부는 반사되고 일부만 투과한다. 이때 스넬의 임계각에 의해 투과되는 초음파는 SV파만 존재한다. 투과한 SV파는 수신용 웨지(604)와 시편(603)의 경계에서 일부는 반사되고 일부만 투과한다. 즉,송신용 웨지(601) 및 수신용 웨지(604)와 시편(603) 사이의 경계에서 원하지 않는 반사가 많이 일어나 투과율이 낮으므로 수신 신호가 매우 작다.
도 6b는 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층(606, 607)을 활용하여 송신용 웨지(608)의 트랜스듀서(609)에서 발생한 초음파가 시편(610)을 지나 수신용 웨지(611)의 트랜스듀서(612)에 도달하는 상황을 도시한다. 송신용 웨지(608)의 트랜스듀서(609)는 P파를 발생시키고, 수신용 웨지(611)의 트랜스듀서(612)는 수신한 P파 신호를 분석한다. 송신용 웨지(608)의 트랜스듀서(609)에서 발생한 P파는 정합층(606)에 의해 시편(610)으로 반사 없이 완전투과된다. 수신용 웨지(611)와 시편(610)의 경계에서도 정합층(607)에 의해 수신용 웨지(611)로 P파가 반사 없이 완전투과된다. 즉, 본 발명에서 제안하는 정합층을 활용하면 송신용 웨지(608) 및 수신용 웨지(611)와 시편(610) 사이의 경계에서 초음파를 완전히 투과시킬 수 있어 수신 신호의 크기를 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
이를 검증하기 위해 상용 소프트웨어(COMSOL Multiphysics)를 활용하여 시뮬레이션 해석을 진행하고, 그 결과는 도 7에 도시한다. 시뮬레이션에서 웨지의 재질은 PEEK, 시편의 재질은 철로 설정하였다.
도 7a는 정합층의 유무에 따른 변위의 발산 필드()를 도시한다. 변위의 발산 필드는 P파의 진폭에 비례하고, SV파의 진폭과는 무관하다. 정합층이 없는 경우 수신용 웨지에서 전파되는 P파(701)의 세기가 약한 것을 확인할 수 있다. 이에 종래 기술로 초음파 비파괴검사를 수행할 때 수신 신호의 세기가 작다는 단점이 있었다. 반면, 정합층이 있는 경우 수신용 웨지에서 전파되는 P파(702)의 세기가 상대적으로 커지는 것을 확인할 수 있다. 이에 본 발명의 실시예에서 제안하는 정합층을 활용하여 초음파 비파괴검사를 수행하면 수신 신호의 세기를 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
도 7b는 정합층의 유무에 따른 변위의 회전 필드()를 도시한다. 변위의 회전 필드는 SV파의 진폭에 비례하고, P파의 진폭과는 무관하다. 정합층이 없는 경우 웨지와 시편의 경계에서 원치 않는 반사가 발생하기 때문에 시편에서 전파하는 SV파(706)의 세기가 약한 것을 확인할 수 있다. 반면, 정합층이 있는 경우 웨지와 시편의 경계에서 초음파가 완전투과되어 시편에서 전파하는 SV파(709)의 세기가 상대적으로 커지는 것을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
101 ; 정합층 102 ; 단일 패턴
201 ; 입사매질 202 ; 투과매질
203 ; 입사 초음파 204 ; 투과 초음파
205 ; 반사 초음파

Claims (10)

  1. 입사매질과 투과매질의 경계에서 미리 설정된 완전투과 조건의 단일 패턴을 갖고 구비되어 상기 입사매질에서 상기 투과매질로 입사한 초음파를 완전히 투과시키는 정합층
    을 포함하며,
    상기 완전투과 조건은 3개의 일반화된 위상 매칭 조건과 3개의 일반화된 임피던스 매칭 조건을 포함하고,
    상기 정합층은 미리 설정된 복수의 설계변수가 조절되어 상기 완전투과 조건을 만족하는 단일 패턴을 형성하는 초음파 완전투과용 정합매질.
  2. 제1항에서,
    상기 단일 패턴은 직사각형의 길이방향 양단에 반원을 포함하며 미리 설정된 회전각을 갖고 길이방향을 따라 복수로 연결되어 Z자 모양으로 구비되는 초음파 완전투과용 정합매질.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 설계변수는 단위 구조의 가로 길이(), 단위 구조의 세로 길이(), 단위 패턴의 폭(2), 제1 직사각형의 길이(), 제1 직사각형의 회전각(), 상기 제1 직사각형의 일단과 연결되는 제2 직사각형의 길이(), 제2 직사각형의 회전각(), 상기 제2 직사각형의 일단과 연결되는 제3 직사각형의 길이(), 제3 직사각형의 회전각()을 포함하는 초음파 완전투과용 정합매질.
  4. 제2항에서,
    상기 단일 패턴은 기계적 가공을 통해 슬릿 형상으로 구비되는 초음파 완전투과용 정합매질.
  5. 제2항에서,
    상기 단일 패턴은 상기 정합층의 길이 방향을 따라 1열로 배열되는 초음파 완전투과용 정합매질.
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 정합층은 상기 입사매질과 상기 투과매질 사이에서 상기 입사매질의 경계면과 상기 투과매질의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접하는 초음파 완전투과용 정합매질.
  8. 제1항에서,
    상기 정합층은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함하는 초음파 완전투과용 정합매질.
  9. 제1항에서,
    상기 초음파는 평면 변형 또는 평면 응력 조건의 등방성 탄성매질에서 전파되는 면내 평면파를 포함하는 초음파 완전투과용 정합매질.
  10. 제9항에서,
    상기 평면파는
    파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 평행한 종파인 P파, 그리고
    파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 서로 수직한 횡파인 SV파
    를 포함하는 초음파 완전투과용 정합매질.
KR1020210108869A 2021-08-18 2021-08-18 초음파 완전투과용 정합매질 KR102606847B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210108869A KR102606847B1 (ko) 2021-08-18 2021-08-18 초음파 완전투과용 정합매질
US17/882,883 US20230054652A1 (en) 2021-08-18 2022-08-08 Matching media for perfect transmission of ultrasonic waves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210108869A KR102606847B1 (ko) 2021-08-18 2021-08-18 초음파 완전투과용 정합매질

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230026804A KR20230026804A (ko) 2023-02-27
KR102606847B1 true KR102606847B1 (ko) 2023-11-29

Family

ID=85228920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210108869A KR102606847B1 (ko) 2021-08-18 2021-08-18 초음파 완전투과용 정합매질

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230054652A1 (ko)
KR (1) KR102606847B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101856201B1 (ko) * 2017-07-25 2018-05-09 서울대학교산학협력단 탄성파의 모드변환용 필터, 이를 이용한 초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 파동에너지 소산기

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102336714B1 (ko) * 2019-05-03 2021-12-08 서울대학교산학협력단 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101856201B1 (ko) * 2017-07-25 2018-05-09 서울대학교산학협력단 탄성파의 모드변환용 필터, 이를 이용한 초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 파동에너지 소산기

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230026804A (ko) 2023-02-27
US20230054652A1 (en) 2023-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5706820A (en) Ultrasonic transducer with reduced elevation sidelobes and method for the manufacture thereof
US10962506B2 (en) Inspection devices and related systems and methods
US9170240B2 (en) Ultrasonic particle measuring system
JPH07107595A (ja) 超音波フェーズドアレイ変換器及びその製造方法
US20070197917A1 (en) Continuous-focus ultrasound lens
JP2007114075A5 (ko)
KR102606847B1 (ko) 초음파 완전투과용 정합매질
EP3815794A1 (en) Ultrasonic wave amplifying unit and non-contact ultrasonic wave transducer using same
Brown et al. Fabrication and performance of high-frequency composite transducers with triangular-pillar geometry
CN108543690B (zh) 一种基于流体介质的漏斗状超声波约束装置
Hahamovich et al. Ultrasound detection using acoustic apertures
JP7489345B2 (ja) 超音波検査装置
Han et al. Phased-array transducer for intracardiac echocardiography based on 1–3 piezocomposite
CN109044485B (zh) 一种高声压高声强超声波测量系统
Celmer et al. Study of crosstalk in linear ultrasonic transducer arrays
JP4452001B2 (ja) フェーズドアレイによる探傷方法及び探傷装置
WO2018147036A1 (ja) 超音波プローブ
JPS59180456A (ja) 超音波探触子
KR100344144B1 (ko) 도전성 에폭시를 이용한 의료용 초음파 프로브
Wang et al. Design and validation of an orthotropic piezoelectric composite material phased array sensor used to nondestructive detection
Ye et al. Focusing higher-order Lamb waves based on the Luneburg lens
Wu et al. Investigation of an Active Focusing Planar Piezoelectric Ultrasonic Transducer
Cotter et al. Squirter, roller probe, and air–coupled ultrasonic transducer techniques for low frequency inspection of advanced composite materials
WO2017085512A1 (en) Inspection device and method
Alvarez-Arenas et al. Air-coupled and water immersion sectorized array transducers for industrial and medical endoscopy

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant