KR20090039394A - 수중 음향센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중 음향센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 하우징의 내부 돌출부의 일측에 제1 후면추가 안착되고, 내부 돌출부의 타측에는 지지판이 삽입되며 지지판은 제1 후면추 및 제2 후면추와 나사 결합됨으로써 제 1후면추와 제2 후면추가 수중 음향센서의 충격, 수압, 자체 중량을 흡수하도록 하고, 전면추는 조임나사에 의해 제1 후면추에 고정되도록 함으로써, 수중 음향센서의 운용, 운송, 보관, 설치 과정에서 전면추와 음향창에 자체 중량으로 인한 하중이 적게 걸리도록 하고, 수압과 외부 충격에 관계없이 음파 전달특성이 안정적이도록 하여 내구성과 정확도를 향상시키며, 제1 후면추의 전방이 압전소자의 중공(中空) 내부로 돌출되도록 하고, 배선 통로에 기울기(tilt)를 주어 전극단자에 연결된 배선이 제2 하우징의 배선통로를 통해 빠져나갈 수 있도록 하여 음향센서 전체의 길이와 무게를 최소화한 수중 음향센서에 관한 것이다.
수중 음향센서, 소나(sonar), 후면추, 압전소자, 음파 전달특성

Description

수중 음향센서{Underwater Acoustic Sensor}
본 발명은 수중 음향센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 하우징의 내부 돌출부의 일측에 제1 후면추가 안착되고, 내부 돌출부의 타측에는 지지판이 삽입되며 지지판은 제1 후면추 및 제2 후면추와 나사 결합됨으로써 제 1후면추와 제2 후면추가 수중 음향센서의 충격, 수압, 자체 중량을 흡수하도록 하고, 전면추는 조임나사에 의해 제1 후면추에 고정되도록 함으로써, 수중 음향센서의 운용, 운송, 보관, 설치 과정에서 전면추와 음향창에 자체 중량으로 인한 하중이 적게 걸리도록 하고, 수압과 외부 충격에 관계없이 음파 전달특성이 안정적이도록 하여 내구성과 정확도를 향상시키며, 제1 후면추의 전방이 압전소자의 중공(中空) 내부로 돌출되도록 하고, 배선 통로에 기울기(tilt)를 주어 전극단자에 연결된 배선이 제2 하우징의 배선통로를 통해 빠져나갈 수 있도록 하여 음향센서 전체의 길이와 무게를 최소화한 수중 음향센서에 관한 것이다.
수중 음향센서는 음파를 방사하여 되돌아오는 수면 반사파를 이용하여 물체의 위치 및 거리를 파악하는 장치이다. 이러한 수중 음향센서는 수상함과 잠수함의 소나(sonar)로 사용되며, 이외에도 대부분의 수중 무기에 장착된다.
소나(sonar)는 'Sound Navigation And Ranging'에서 유래하며, 협의로는 수중 청음기 또는 음향 탐신기를 의미한다. 제1차 세계대전 중 영국 해군에 의해 조직된 애스딕(asdic)이 이에 해당하며, 수중 청음기는 잠수함 탐지를 위해 제1차 세계대전 이래 개발되어, 특히 제2차 세계대전 중과 전후에 급속히 발달하였다. 가시광선 등의 전자파와 레이더파는 바다 속에서 전달되지 않으므로 초음파를 사용하여 표적물의 거리와 위치를 정한다. 바다 속에서 전달되는 음파의 속도는 바다의 상황에 따라 다르나 약 1,500 m/s이며, 음파는 물체에 닿으면 반사하여 되돌아오는 성질이 있어 각종 소나는 이것을 이용한다. 소나에는 음향 탐신기형과 같이 스스로 소리를 내어 물체를 표정(標定)하는 액티브 소나(active sonar)와, 수중 청음기형과 같이 음원으로부터의 소리를 측정하여 그것을 표정하는 패시브 소나(passive sonar)가 있다.
일반적인 수중 음향센서는 전압 인가에 의해 진동하는 진동체와, 진동체를 감싸는 하우징과, 진동체로부터 음파를 수중으로 전달하는 음향창으로 구성된다. 이러한 수중 음향센서는 진동체를 조립하여 하우징 내에 장착하고 음향창으로 하우징의 전면을 덮어씌움으로써 제조된다. 진동체는 금속 재질로 형성되어 중량이 매우 크다.
이러한 일반적인 수중 음향센서는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
첫째, 진동체의 하중을 고무 등의 재질로 구성된 음향창이 지지하게 되어 수중 음향센서를 운용, 운송, 보관, 설치하는 과정에서 음향창이 변형되거나 파손될 가능성이 매우 높다.
둘째, 하나로 몰딩된 진동체가 하우징 내에서 마찰을 일으킬 뿐만 아니라, 외부로부터 가해지는 각종 충격을 흡수하지 못하게 된다.
셋째, 전면추가 수압을 버티고 진동체를 하우징에 고정하므로 전면추와 음향창에 수압과 센서 자체의 하중이 과도하게 걸리게 되어, 수압과 외부 충격에 따라 음파 전달 특성이 안정적이지 못하고 왜곡될 가능성이 높다.
넷째, 일반적으로 수중 음향센서는 밀도가 높은 물질로 구성되어 있어, 특히 다수의 센서가 배열구조로 이용될 경우 배나 고정 구조물에 높은 하중을 가하며, 소나 돔과 같은 제한된 공간에서 설치 및 교체 작업 시 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 수중 음향센서의 운용, 운송, 보관, 설치 과정에서 전면추와 음향창에 자체 중량으로 인한 하중이 적게 걸리도록 하고, 수압과 외부 충격에 관계없이 음파 전달특성이 안정적이도록 하여 내구성과 정확도를 향상시키며, 음향센서 전체의 길이와 무게를 최소화한 수중 음향센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 수중 음향센서는 중공(中空)을 구비하는 원통 형상으로 형성되며, 내주면에 돌출부를 구비하는 제1 하우징; 전압 인가시 진동하여 음파를 발생시키고 상기 물체로부터 반사된 음파를 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 압전소자를 포함하며, 상기 돌출부에 고정되는 진동체; 및 상기 진동체에서 발생한 음파를 수중 공간에 전달하며, 상기 제1 하우징의 일측 개구를 커버하는 음향창을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동체는 상기 음향창과 상기 압전소자 사이에 구비되어 상기 압전소자에서 발생한 음파를 상기 음향창으로 전달하는 전면추를 포함할 수 있다.
또한, 상기 진동체는 상기 압전소자와 접하며 상기 돌출부의 일측에 안착되는 제1 후면추를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 후면추와 상기 전면추는 조임나사에 의해 서로 결합될 수 있다.
또한, 상기 진동체는 상기 돌출부의 타측에 안착되어 상기 제1 후면추와 나사결합되는 지지판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 진동체는 상기 제1 후면추 및 상기 지지판에 나사결합되는 제2 후면추를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 후면추와 상기 돌출부 사이, 상기 돌출부와 상기 지지판 사이 중 적어도 어느 하나에는 링 형상의 흡진재가 삽입될 수 있다.
또한, 상기 제1 하우징의 타측 개구에는 중공(中空)을 구비하는 제2 하우징이 결합될 수 있다.
본 발명에 의하면 수중 음향센서의 운용, 운송, 보관, 설치 과정에서 전면추와 음향창에 자체 중량으로 인한 하중이 적게 걸리도록 하고, 수압과 외부 충격에 관계없이 음파 전달특성이 안정적이도록 하여 내구성과 정확도를 향상시킬 수 있으며, 수중 음향센서의 전체 길이와 무게를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 음향센서 중 진동체를 제외한 상태의 분리 사시도이다. 도 2는 본 발명이 바람직한 실시예에 따른 수중 음향 센서 중 진동체의 분리 사시도이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 음향센서의 단면도이다. 이하에서는 편의상 수중 음향센서에서 음향창(10)이 위치하는 방향을 전방, 제2 하우징(70)이 위치하는 방향을 후방으로 하여 설명을 전개하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 음향센서는 음향창(10), 흡진재(20, 40, 50, 60), 제1 하우징(30), 제2 하우징(70), 및 진동체(100)를 포함하여 형성된다. 또한, 진동체(100)는 전면추(110), 압전소자(120), 제1 후면추(130), 지지판(140), 제2 후면추(150), 및 조임나사(160)를 포함하여 형성된다.
음향창(10)은 제1 하우징(30)의 일측 개구를 커버하며, 전면추(110)의 진동을 전달받아 수중 공간으로 음파를 발생시킨다. 또한, 음향창(10)은 목표 물체로부터 반사된 음파의 진동을 수용하여 전면추(110)로 전달한다. 이를 위해 음향창(10)은 캡 형상으로 형성되며, 제1 하우징(30)의 일측에 결합된다. 음향창(10)과 제1 하우징(30)은 상호 간의 결합을 위해 결합 부위에 요철(凹凸) 형상이 형성된다. 음향창(10)의 내부 평면은 전면추(110)의 평면에 접해 있다. 음향창(10)은 고무 또는 폴리우레탄과 같은 부드러운 재질로 형성되며, 대략 2~3mm의 두께로 형성될 수 있 다.
흡진재(20)는 전면추(110)와 제1 하우징(30) 사이에 삽입되어, 전면추(110)의 진동이 제1 하우징(30)에 전달되지 않도록 진동을 흡수하는 역할을 수행한다. 흡진재(20)는 진동을 흡수할 수 있는 재질이면 어떤 것이라도 사용될 수 있으며, 대략 링 형상으로 형성된다.
제1 하우징(30)은 중공(中空)을 구비하는 원통 형상으로 형성되며, 진동체(100)를 수용하고 외부 충격으로부터 진동체(100)를 보호한다. 제1 하우징(30)은 금속 재질로 형성되며, 내주면에 돌출부(32)를 구비한다. 돌출부(32)는 제1 하우징(30)의 후방에 치우쳐서 형성되며, 내주면에 대하여 단턱을 이루게 된다. 돌출부(32)의 전방에는 제1 후면추(130)가 안착되고, 돌출부(32)의 후방에는 지지판(140)이 안착된다. 이때, 돌출부(32)의 전방과 제1 후면추(130) 사이 및 돌출부(32)의 후방과 지지판(140) 사이에는 각각 흡진재(40, 50)가 삽입되어 제1 후면추(130)의 진동과 외부 충격을 흡수한다. 제1 하우징(30)의 전방 개구는 음향창(10)에 의해 폐쇄되고, 후방 개구에는 제2 하우징(70)이 결합된다.
제2 하우징(70)은 제1 하우징(30)의 후방 개구에 결합되며, 흡진재(60)를 사이에 두고 지지판(140)에 밀착된다. 제2 하우징(70)에는 압전소자의 배선이 통과할 수 있도록 배선통로(72)가 형성되며, 배선 주위는 실링(sealing)되는 것이 바람직하다.
진동체(100)는 전면추(110), 압전소자(120), 제1 후면추(130), 지지판(140), 제2 후면추(150) 및 조임나사(160)를 포함하여 형성된다.
전면추(110)는 압전소자(120)에서 발생된 진동을 음향창(10)으로 전달하고, 물체로부터 반사된 음파를 압전소자(120)로 전달하는 역할을 수행한다. 전면추(110)의 대략 중앙에는 조임나사(160)가 결합할 수 있도록 나사구멍이 형성되어 있다.
압전소자(120)는 전압을 인가받아 전면추(110)를 진동시키고 음향창(10)을 통해 음파를 발생시킨다. 또한, 압전소자(120)는 외부 물체로부터 음향창(10)을 통해 전면추(110)로 전달된 진동을 전기적 신호로 변환시킨다. 압전소자(120)는 제1 후면추(130)의 돌출부분이 삽입될 수 있도록 링 형상의 단위 압전소자가 여러 개 적층되는 것이 바람직하다. 압전소자(120)의 내면에는 전압을 인가하기 위한 전극 단자(122)가 구비된다. 압전소자(120)의 전방은 전면추(110)에 접하고, 후방은 제1 후면추(130)에 접하게 된다.
제1 후면추(130)는 제1 하우징(30)의 돌출부(32) 전방에 안착된다. 제1 후면추(130)는 2단의 원통 형상으로 형성되며, 중공(中空)이 구비되어 있다. 제1 후면추(130)의 중공에는 조임나사(160)가 삽입되어 전면추(110)와 제1 후면추(130)를 결합시킨다. 제1 후면추(130)에는 돌출부(32)를 경계로 반대편에 안착된 지지판(140)에 나사결합되도록 나사구멍이 형성되어 있으며, 전극단자(122)의 배선이 제2 하우징(70) 방향으로 빠져나갈 수 있도록 배선통로(132)가 구비된다. 배선통로(132)는 중공에 대하여 기울기를 가지도록 형성되어(tilted), 중공과 수평으로 형성된 경우에 비하여 배선처리를 위한 하우징 뒷부분 내의 공간을 감소시키도록 함으로써 수중 음향센서 전체의 길이와 중량을 감소시킨다. 또한, 제1 후면추(130) 의 전방 부분이 적층된 압전소자(120)의 중공 내부로 돌출되도록 함으로써 후면추의 무게는 동일하나 길이를 감소시켜 하우징을 포함한 수중 음향센서 전체의 길이와 무게를 감소시키게 된다. 또한, 제1 후면추(130)는 외부 충격을 흡수하고, 수압과 자체 중량으로 인한 하중으로부터 수중 음향센서를 보호한다. 이를 통해, 제1 후면추(130)는 수압과 외부 충격에 관계없이 음파 전달 특성이 안정적이 되도록 한다.
지지판(140)은 제1 하우징(30)의 돌출부(32) 후방에 안착된다. 지지판(140)의 대략 중앙에는 조임나사(160)가 삽입되기 위한 홀이 형성되며, 홀 주변에는 제1 후면추(130) 및 제2 후면추(150)와 나사결합이 이루어질 수 있도록 나사구멍이 구비되고, 배선이 제2 하우징(70) 방향으로 빠질 수 있도록 배선통로(142)가 구비된다. 지지판(140)은 전방으로 제1 후면추(130)와 결합하고, 후방으로 제2 후면추(150)와 결합함으로써, 음향창(10)이 지면 방향으로 향하게 될 때 하중에 의해 진동체(100)의 무게가 음향창(10)에 걸리지 않고 지지판(140)에 걸리도록 한다.
제2 후면추(150)는 지지판(140)을 통해 제1 후면추(130)에 결합된다. 제2 후면추(150)의 대략 중앙에는 조임나사(160)가 삽입되기 위한 홀이 형성되며, 홀 주변에는 지지판(140)과 나사결합이 이루어질 수 있도록 나사구멍이 구비되고, 배선이 제2 하우징(70) 방향으로 빠질 수 있도록 배선통로(152)가 구비된다. 제2 후면추(150)는 제1 후면추(130)와 함께 외부 충격을 흡수하고, 수압과 자체 중량으로 인한 하중으로부터 수중 음향센서를 보호하며, 수압과 외부 충격에 관계없이 안정적인 음파 전달 특성을 갖도록 한다.
조임나사(160)는 제1 후면추(130)에서 전면추(110) 방향으로 삽입되어 전면추(110)가 제1 후면추(130)에 고정되도록 한다. 이를 통해, 음향창(10)이 지면 방향으로 향하여 하중이 걸리거나 외부 충격이 가해질 경우, 전면추(110)가 음향창(10) 방향으로 돌출하여 음향창(10)이 파손되는 것을 방지한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 음향센서의 작용을 설명하면 다음과 같다.
압전소자(120)의 전극단자(122)를 통해 전압이 인가되면 압전소자(120)가 진동하고, 압전소자(120)의 진동이 전면추(110)로 전달된다. 전면추(110)는 전달받은 진동을 음향창(10)으로 전달하며, 음향창(10)은 수중 공간으로 음파를 발생시킨다. 진행되는 음파가 물체에 부딪혀서 반사되면 음향창(10)을 진동시키고, 진동이 전면추(110)를 거쳐 압전소자(120)에 도달한다. 압전소자(120)는 진동을 전기적인 신호로 변환하여 물체의 위치, 거리 등을 감지한다.
한편, 수중 음향센서의 운반, 보관 과정에서 음향창(10)이 지면 방향을 향하게 되어 하중이 걸리는 경우 조임나사(160)를 통해 전면추(110)가 제1 후면추(130)에 고정되고, 제1 후면추(130)는 돌출부(32)를 경계로 지지판(140)과 제2 후면추(150)에 결합되어 있으므로 전면추(110)가 음향창(10)을 변형, 파손시키는 현상이 방지된다. 또한, 수중 음향센서에 외부 충격이 가해지는 경우 제1 후면추(130)와 제2 후면추(150)가 충격을 흡수한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 수상함 소나, 잠수함 소나 및 다양한 수중 무기에 장착되어 현재 전량 해외기술에 의존하는 국내 수중 무기의 음향센서 부분을 국산화할 수 있어, 국내 수중무기의 비밀성 유지, 외화 절감, 독자기술 확보 및 수중무기의 해외수출도 가능하게 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 음향센서 중 진동체를 제외한 상태의 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명이 바람직한 실시예에 따른 수중 음향 센서 중 진동체의 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 음향센서의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 - 음향창 20, 40, 50, 60 - 흡진재
30 - 제1 하우징 70 - 제2 하우징
100 - 진동체 110 - 전면추
120 - 압전소자 130 - 제1 후면추
140 - 지지판 150 - 제2 후면추
160 - 조임나사

Claims (10)

  1. 수중에서 물체의 위치와 거리를 감지하는 수중 음향센서에 있어서,
    중공(中空)을 구비하는 원통 형상으로 형성되며, 내주면에 돌출부를 구비하는 제1 하우징;
    전압 인가시 진동하여 음파를 발생시키고 상기 물체로부터 반사된 음파를 감지하여 전기적인 신호로 변환하는 압전소자를 포함하며, 상기 돌출부에 고정되는 진동체; 및
    상기 진동체에서 발생한 음파를 수중 공간에 전달하며, 상기 제1 하우징의 일측 개구를 커버하는 음향창
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진동체는
    상기 음향창과 상기 압전소자 사이에 구비되어 상기 압전소자에서 발생한 음파를 상기 음향창으로 전달하는 전면추를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 진동체는
    일부가 상기 압전소자와 접하며, 상기 돌출부의 일측에 안착되는 제1 후면추를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압전소자는 중공이 구비된 링 형상의 단위 압전소자가 적층되어 형성되며, 상기 제1 후면추의 일부는 상기 압전소자의 중공 내부로 돌출된 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 후면추와 상기 전면추는 조임나사에 의해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 후면추는
    상기 조임나사가 삽입되기 위한 중공과, 상기 압전소자에 전기적으로 연결되는 배선이 통과하기 위한 배선통로를 구비하며, 상기 배선통로는 상기 중공에 대하여 비스듬한 경사를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  7. 제3항에 있어서, 상기 진동체는
    상기 돌출부의 타측에 안착되어 상기 제1 후면추와 나사결합되는 지지판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 진동체는
    상기 제1 후면추 및 상기 지지판에 나사결합되는 제2 후면추를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 후면추와 상기 돌출부 사이, 상기 돌출부와 상기 지지판 사이 중 적어도 어느 하나에는 링 형상의 흡진재가 삽입되는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하우징의 타측 개구에는 중공(中空)을 구비하는 제2 하우징이 결합되는 것을 특징으로 하는 수중 음향센서.
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