KR20090110819A - 변환기 어레이 배열 및 소다 적용을 위한 작동 - Google Patents

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KR20090110819A
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닐스 라화이트
루이스 만프레디
월터 엘. 사스
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세컨드 윈드, 인코포레이티드
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Abstract

소다 시스템용의 변환기(12)들의 어레이(10) 및 모노스태틱 소다 시스템에서의 상기 어레이(10)의 작동이 개시된다. 상기 어레이(10)는 다수의 개별적인 소리 변환기(12)들로 이루어진다. 각 변환기(12)들은 소리를 대기 중으로 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사된 방출된 소리를 감지한다. 상기 변환기(12)들은 대체로 원형의 단면 형상을 갖는다. 상기 변환기(12)들은 대체로 평면의, 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열 내에 배열된다.
변환기, 소리, 대기, 소다, 어레이, 모노스태틱, 육각형, 패킹

Description

변환기 어레이 배열 및 소다 적용을 위한 작동 {Transducer Array Arrangement and Operation for Sodar Applications}
본 발명은 음파기상탐지(SODAR ; sonic detection and ranging ; 이하 '소다'라 함) 시스템에 관한 것이다.
소다 시스템(sodar system)들은 음파(sound waves)를 사용하여 풍속과 같은 대기의 현상을 검출한다. 모노스태틱(monostatic) 소다는 단일의 장치로부터 지향성의 음향 펄스를 전송하고 그리고 반사된 신호들을 검출하는 것에 의하여 작동한다. 위상-배열(phased-array) 모노스태틱 소다들은 일군의 음향변환기(acoustic transducers)들을 사용하여 전자적인 수단들에 의하여 여러 방향들에로 사운드빔(sound beam)들을 방출하고 그리고 수신한다. 이는 상기 위상배열을 포함하는 개개 변환기들로부터 전송된 신호들의 상을 변화시키는 것에 의하여 그리고 상기 변환기들이 대기로부터 도로 반사된 신호들을 검출하도록 샘플링 프로세스(sampling process)의 위상을 변화시키는 것에 의해 수행된다. 상기 위상배열 자체는 작동에 있어서 물리적으로 움직임이 없는 채로 있게 된다. 이러한 접근법은 미합중국 특허 제4,558,594호에 기술되어 있으며, 그의 상세한 살명을 본 명세서에서 참고로 인용한다.
상기 위상배열 접근법은 전송된 신호들의 지향성의 출력밀도(directional power density) 및 상기 위상배열의 신호들을 수신하는 지향성의 민감도(sensitivity)가 단일의 변환기에 대하여 가능한 것과 비교하여 극히 좁은 1차빔(primary beam)의 폭을 가지며, 또한 이는 적절한 전자수단들과 함께 여러 방향들에로 지향될 수 있다는 이점을 갖는다.
모노스태틱 소다 시스템들은 전형적으로 상기 4,558,594호 특허의 도 2, 도 4 및 도 5들에 나타낸 바와 같이, 행과 열들을 따라 정렬되도록 하여 직사각형의 그리드 패킹 배열(rectangular grid packing arrangement)에 배열된 변환기들의 어레이를 사용한다. 이들 어레이들이 작동되어 이들이 3개의 순차적인 빔들을 하나는 상기 어레이의 평면에 대해 법선방향(normal)이고, 그리고 2개는 고도에 있어서 상기 어레이에 대해 경사지고 그리고 방위(azimuth)에서 다른 하나에 대해 90°로 된다. 원형의 변환기들로 된 상기 직사각형의 그리드 이격(rectangular grid spacing)은 상기 어레이의 약 27%를 개방공간(open space)로 남기게 되며, 이는 상기 어레이를 가로질러 음압의 불균일성(non-uniformity)이라는 결과를 가져와 잠재적인 측정 오류를 야기한다. 또한, 이는 고유적으로 음압의 최대 세기(maximum intensity)를 감소시키며, 이는 상기 어레이의 정확도 및 감도를 감소시킨다. 더욱이, 비대칭의 사운드빔들의 사용은 비대칭의 신호검출(sensing)의 결과를 가져오며, 이는 측정 및 계산에서의 오류들을 야기한다.
본 발명은 소다 시스템용의 음향변환기(acoustic transduers)들의 배열 또는 어레이 및 개선된 대기 검출을 달성하기 위한 시스템 및 상기 어레이의 작동방법을 포함한다. 하나의 관점에 있어서, 본 발명은 통상의 직사각형의 그리드 패킹 배열 대신 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열의 음향변환기들의 어레이를 그룹화(grouping)하는 것을 포함한다. 본 발명의 어레이는 바람직하게는 모노스태틱 소다 시스템에서 사용된다. 다른 관점에 있어서, 본 발명은 90°로 이격되어 있는 열(rows)들을 두 방향들 대신에 위상배열이 120°로 이격되어 있는 열(row)들을 세 방향들로 순차적으로 작동되도록 하여 상기 변환기들을 작동시키는 것을 포함한다. 이러한 작동은 3개의 순차적인 사운드빔들을 방위에 있어서 다른 하나에 120° 이격된 그들의 주축(principal axes)들로 수행한다. 바람직하게는, 상기 빔들은 각각이 동일한 고도(elevation)에 위치한다. 그 결과, 상기 3개의 빔들의 상기 주축들이 상기 어레이의 중심에서 그의 정점(apex)에 대해 허상의 수직적으로 지향된 원뿔(virtual vertically oriented cone)의 표면 주변에서 균등하게 이격되게 된다.
바람직하게는, 본 발명에서는 대칭(원형)의 액츄에이터(actuators)들 및 나팔(horns)들을 갖는 변환기들이 사용되어 각 변환기에 대한 고유의 방향성(directionality)이 존재하지 않도록 한다. 본 발명의 하나의 이점은 상기 어레이의 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열이 그 안에 개개 변환기로 둘러싸여진 영역이 상기 변환기 액츄에이터들, 상기 변환기 나팔 및 이들과 연관된 음향의 확산 패턴(acoustical dispersion patterns)들의 원형의 형태와 유사한 어레이를 형성한다는 것이다. 이 변환기 패킹 배열은 고유적으로 상기 나팔들 사이의 공간들의 바람직하지 않은 음향 특성들을 감소시키며, 이는 상기 어레이의 전방을 가로질러 음압의 균일성을 향상시킨다. 개선된 균일성은 지향된 빔들의 주변을 넘어서는 소리(sound)의 소산(emanations)을 감소시키고 그리고 또한 대칭적으로 수신 모드(receive mode)에서 오프-빔 사운드(off-beam sounds)들에 대한 상기 어레이의 민감도를 감소시킨다.
다른 이점은 대체로 육각형의 변환기 그리드 패킹 배열은 상기 변환기들의 직사각형의 그리드 이격에 비해 주어진 영역 내에 변환기들을 보다 더 많이 허용한다는 것이며, 여기에서 상기 변환기들은 행들과 열들 내에 정렬된다. 본 발명의 배열의 상기 변환기 패킹 밀도는 또한 상기 배열의 전방을 가로질러 음압의 균일성 및 강도를 개선시킨다.
또 다른 이점은 그를 따라 빔들이 전개되는 방위상의 방향(azimuthal directions)들 각각을 따라 3개의 빔들이 120° 이격되도록 물리적으로 대칭인 상기 배열의 작동이 물리적으로 대칭인 순차적인 사운드빔들에 기초하여 소다 작동을 이룬다는 것이다. 이는 상기 소다 인클로져(sodar enclosure)가 대칭적으로 형성되도록 하는 것을 허용하며, 이는 차례로 대칭적으로 형성된 사운드빔들을 형성하며, 이는 전송된 그리고 수신된 둘 다에 해당한다. 따라서, 상기 인클로져와의 상호작용에 의해 형성된 왜곡들이 3개의 방향들 모두에 고유적으로 적용된다. 이는 비대칭의 작동으로부터의 측정 및 계산 오류들을 감소시킨다.
또 다른 이점은 120°로 이격되어 지향된 3개의 빔들을 갖는 상기 어레이의 작동이 어느 하나의 빔의 중심과 상기 방위 사이의 어떠한 특정의 최대각에 대하여도 여러 빔들의 중심들 사이에서 최대각을 허용한다는 것이다. 상기 여러 빔들 사이의 상기 각의 증가가 정확도를 증가시키는 한편으로 각 빔과 상기 방위 사이의 각의 증가가 대기의 영향들로 인한 데이터 포획(data capture)의 정확도 및 신뢰도를 저하시키기 때문에, 이러한 배열은 선행기술에 비해 정확도 및 데이터 포획을 증가시킨다.
본 발명은 대기 중으로 소리를 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사된 방출된 소리를 감지하기 위한 다수의 개개 소리 변환기(sound transducers)들을 포함하는 소다 시스템용의 변환기들의 어레이를 특징으로 하며, 여기에서 상기 변환기들은 대체로 평면형으로, 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열로 배열된다. 상기 어레이는 인접한 열들의 상기 변환기들이 상기 열의 길이방향의 축에 대해 직각방향에서 변환기의 폭의 약 절반 정도로 다른 하나로부터 단이 형성되도록(offset)하여 긴밀하게 패킹된 근본적으로 동일한 변환기들의 일련의 열들을 포함할 수 있다. 상기 변환기들 자체들은 대체로 육각형의 주연부(가장자리)로 한정될 수 있다. 상기 변환기 나팔들은 대체로 원형의 단면의 형태를 가질 수 있다.
상기 어레이는 바람직하게는 적어도 36개의 변환기들을 포함한다. 상기 변환기들은 적어도 7개의 열들로 배열될 수 있다. 상기 그리드 패턴의 6개의 측면들 각각은 적어도 3개의 변환기들로 한정될 수 있으며, 바람직하게는 4개의 변환기들로 한정된다. 하나의 구체예에 있어서, 제1열(상기 어레이의 하나의 측면을 구성하는 열)은 4개의 변환기들을 포함하고, 각 측면 뒤의 열은 5개의 변환기들을 포함하고, 그 각각의 뒤의 3개의 열들은 6개의 변환기들을 포함하고, 상기 3개의 열들 뒤의 열은 5개의 변환기들을 포함하고, 그리고 그 뒤의 열은 4개의 변환기들을 포함한다.
상기 어레이는 바람직하게는 방위각에 있어서 약 120°로 이격된 3개의 순차적인 빔들이 형성되도록 작동된다. 하나의 열을 구성하는 상기 변환기들은 바람직하게는 근본적으로 동일한 주파수에서 동음(in unison)으로 작동되고, 순차적인 열 각각의 작동은 바로 앞선 열에 대해 균일하게 상-전이(phase-shifted)되어 상기 변환기들의 면에 대해 고도에서 경사진 빔들을 형성하도록 한다. 상기한 열-대-열(row-to-row)의 위상전이는 약 60°가 될 수 있다. 상기 빔의 각도폭(angular width)은 상기 빔의 주축(beam main axis)으로부터 상기 빔의 반전력점(beam half power point)까지의 사이에서 약 5°가 될 수 있다. 3개의 빔들 각각은 빔의 주축을 따라 전송될 수 있으며, 상기 3개의 빔들의 주축들은 근본적으로 동일한 고도가 될 수 있다. 상기 빔의 주축들은 상기 변환기들의 상기 평면에 대한 법선으로부터 약 10°의 고도가 될 수 있다. 특정의 구체예에 있어서, 상기 빔의 고도는 상기 법선으로부터 11.2°이다. 상기 어레이는 바람직하게는 상기 빔들 각각의 각도폭이 바람직하게는 상기 빔의 주축으로부터 상기 빔의 반전력점까지의 사이에서 약 5°가 되도록 하여 다수의 근본적으로 동일한 빔들을 생성하도록 작동된다.
상기 변환기들은 대체로 육각형의 주연부를 가질 수 있다. 상기 변환기들의 활성영역(active area)은 상기 어레이 영역의 적어도 약 90%를 포함할수 있다. 상기 변환기들은 나팔 트위터(horn tweeters)들이 될 수 있다. 상기 변환기들은 바람직하게는 원형의 단면으로 한정된다. 상기 변환기들은 바람직하게는 직경이 약 3인치이다. 상기 변환기들은 플라스틱제의 원뿔(cone)을 가질 수 있다. 상기 변환기의 원뿔은 폴리카보네이트가 될 수 있다.
또한 본 발명의 소다 시스템용의 변환기들의 어레이는 대기 중으로 소리를 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사된 방출된 소리를 감지하기 위한 다수의 개개 소리 변환기들을 포함하며, 여기에서 상기 변환기들의 활성영역은 상기 어레이 영역의 약 90%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 소다 시스템용의 변환기들의 어레이는 대기 중으로 소리를 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사된 방출된 소리를 감지하기 위한 다수의 개개 소리 변환기들을 포함하며, 여기에서 상기 변환기들은 인접한 열들의 상기 변환기들이 상기 열의 길이방향의 축에 대해 직각방향에서 변환기의 폭의 약 절반 정도로 다른 하나로부터 단이 형성되도록(offset)하고 그리고 적어도 3개의 변환기들이 상기 그리드 패턴의 6개의 측면들 각각을 한정하도록 하여 긴밀하게 패킹된 근본적으로 동일한 변환기들의 일련의 열들을 포함하는 대체로 평면으로 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열로 배열되며, 여기에서 상기 어레이는 방위각에 있어서 약 120°로 이격된 3개의 순차적인, 근본적으로 동일하고 대칭적인 빔들이 형성되도록 작동되며, 상기 작동은 순차적인 열 각각의 작동이 바로 앞선 열에 대해 균일하게 상-전이되어 상기 변환기들의 면에 대해 고도에서 경사진 빔들을 형성하도록 작동하여 하나의 열을 구성하는 상기 변환기들이 근본적으로 동일한 주파수에서 동음으로 작동되는 것을 포함한다.
첨부된 도면들과 함께 고려하여 볼 때 본 발명의 여러 다른 목적들, 특징들 및 이점들이 보다 충분히 이해될 수 있을 것이며, 여기에서 유사한 참조번호들은 여러 관점들을 통하여 동일 또는 유사한 부품들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 대한 36개의 변환기 요소 어레이의 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c들은 본 발명의 하나의 구체예에 따라 도 1의 어레이의 작동에 의해 생성된 3개의 빔들을 계통적으로 나타내는 도면들이다. 이들 도면들에서 상기 빔은 도면의 명료화를 위하여 상기 어레이 자체 보다 훨씬 더 작게 묘사되었다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c들은 각각 도 2a, 도 2b 및 도 2c들의 상기 빔들을 형성하기 위해 순차적으로 작동되는 상기 어레이 요소의 열들을 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b들은 도 1의 상기 변환기 어레이에 대한 소다 인클로져의 바람직한 구체예의 다른 사시도들이고, 도 4c는 평면도이다.
도 4d는 사운드 빔의 경로를 상세하게 나타낸, 도 4a 내지 도 4c들에 나타낸 상기 인클로져의 단순화시킨 계통적 단면도이다.
도 5는 도 4a 내지 도 4d들에 나타낸 바와 같은 대체로 동일한 설계(design)의 인클로져 내의 상기 변환기 어레이의 다른 배열의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 변환기 어레이를 작동시키기 위한 시스템의 계통적인 블록다이아그램이다.
발명의 구체예들의 상세한 설명
모노스태틱 소다들은 그들의 작동의 일부로서 순차적인, 지향된 소리들의 빔들을 사용한다. 개개 음향 변환기들은 전형적으로 집속화 메카니즘(focusing mechanism) 없이는 소다용으로 적절치 못한, 구의 표면에 근접하는 넓은 파면의 소리를 방출한다. 도 1의, 긴밀하게 패킹되고 그리고 균일하게 이격된 변환기들의 어레이(10)는 개개의 변환기의 빔 보다 더 좁은 주빔(principal beam)을 효과적으로 생성하는 파면들의 복잡한 간섭하는 패턴을 생성하는 것에 의해 집속화를 수행할 수 있다. 상기 빔의 각확산(angular spread)은 상기 어레이 내의 변환기들의 수에 연관되며, 특히 변환기들은 대체로 보다 좁은 빔을 형성할 수 있다. 32 내지 60개의 변환기들의 어레이들이 대체로 소다에 응용하기에 충분하게 좁은 빔들을 생성하는 데 적절하며, 어레이(10)은 36개의 변환기(12)들을 갖는다. 각 변환기(12)는 원형의 액츄에이터들 및 나팔을 갖는다. 상기 변환기(12)들은 상기 열들의 직각방향 내의 다른 하나의 열로부터 상기 변환기의 직경의 절반으로 단이 형성되도록 배열된 상기 변환기들을 갖는 다수의 평행한 열들(도 1에 나타낸 본 발명의 비-제한적인 바람직한 구체예에서는 이러한 열들이 7개 존재함)을 따라 긴밀하게 패킹된다. 이러한 배열을 본 명세서에서는 육각형의 그리드 패킹 배열이라 칭한다.
각 변환기는 바람직하게는 3인치 직경의 원형 활성 나팔(circular active horn)을 긴밀하게 둘러싸는 전체적으로 육각형의 주연부의 형태를 갖는다. 상기 변환기는 그 외형을 상기 육각형의 그리드 패킹 배열을 용이하게 하도록 하기 위하 여 변형시킨 표준 피에조압전 나팔 "트위터" 요소(standard piezo-electric horn "tweeter" element)에 기초하고 있다. 상기 변환기의 종이 원뿔(paper cone)은 상기 장치의 내후성(weather-resistance)을 개선하기 위하여 플라스틱(바람직하게는 폴리카보네이트)로 대체될 수 있다. 상기 장치 내에서의 장착 및 교체의 편의를 위하여 변환기(12)들에는 연결기(connectors)들이 제공된다. 상기 변환기는 상기 장치에 바람직한 약 4000㎐(특히 4425㎐)에서 효과적으로 소리의 방출기(transmitter) 및 수신기(receiver)로서 작동하도록 설계된다. 상기 변환기들은 상기 위상전이된 어레이 기술이 상당한 수의 변환기들을 사용하여 양호한 지향성을 갖는 소리의 빔들을 형성할 수 있도록 하는 크기를 갖는다. 변환기 요소들의 다른 형상 및 형태들은 육각형의 어레이들로 효과적으로 조립될 수 없고, 원하는 작동주파수에서 방출기 및 수신기 둘 다로 효과적으로 작동하지 않으며, 또한 노출된 환경 내에서 작동하는 장치 내에의 설치에 적절하지 않다.
상기 어레이의 대체로 육각형의 외형 및 상기 어레이의 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열들은 또한 기계적인 장치들 없이 빔들을 조향시키는 데 필요한 방향성의 제어를 가능하게 한다. 빔 조향(beam steering)은 서로에 대해 같은 위상으로 구동된 각 열 내의, 그리고 연속적이지는 않으나 열-대-열(row-to-row)의 동일한 위상전이로 동일한 파장에서 구동된 각 열들 각각의 상기 변환기들에 대해 일련의 평행한 열들 내의 상기 변환기들을 구동시키는 것에 의해 수행된다. 열들 사이에서 위상전이가 없는 경우, 상기 주빔은 상기 어레이의 평면에 대해 수직인 축을 다라 방출된다. 위상전이가 도입됨에 따라, 간섭패턴(interference pattern)은 상 기 빔이 더 이상 수직(상기 어레이가 수평이라고 가정)이 아닌 고도들에로 지향되도록 변화된다. 또한, 상기 빔은 상기 열들 각각을 구성하는 상기 변환기들이 그를 따라 놓이는 축들에 대해 직각이다. 따라서, 상대적인 배향을 달리하는 열들 내의 상기 변환기들을 구동시키는 것에 의하여, 원하는 방위 방향들을 따라 지향되는 빔들을 생성할 수 있다.
어레이(10)는 긴밀하게 패킹되는 변환기들의 일련의 열들로 이루어진다. 각 변환기는 대체로 육각형의 주연부의 형태를 갖는다. 이러한 주연부는 활성 변환기 영역을 긴밀하게 둘러싸며, 이 영역은 원형이다. 상기 육각형의 주연부는 일차적으로는 상기 어레이의 조립을 용이하게 하도록 하기 위하여 존재한다. 상기 활성 변환기 영역 자체가 육각형인 경우, 상기 어레이 내의 모든 사점영역(dead area ; 즉 소리가 발생하지 않는 영역)을 효과적으로 제거하는 부가적인 이점을 가질 수 있다. 유사하게, 선행기술의 사각형으로 배열된 어레이들과 비교하여, 사각형의 활성 나팔영역(active horn area)을 갖는 사각형의 변환기는 본 발명에 따라 상기 변환기 폭의 약 1/2(one-half)로 단이 형성되도록 하여 인접한 열들 내의 상기 변환기들과 함께 일부(전부는 아님)의 이점들을 제공할 수 있다. 따라서 상기 어레이는 그 자체로는 대체로 육각형이다.
상기 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열은 상기 어레이의 각 활성요소(active element)가 각 변환기 나팔의 원형의 형상에 의해 점거되는 실제의 영역에 비해 단지 약 10% 더 큰 육각형의 영역을 점거하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 상기 어레이 영역의 단지 약 10%만이 소리의 생성 또는 감지에 포함되지 않게 된다. 이는 선행기술의 사각형의 그리드 어레이 요소 배치와 대조되는 것이며, 여기에서 각 원형의 변환기는 상기 원형의 변환기 나팔에 의해 점거되는 실제의 영역보다 약 27% 더 큰 사각형의 영역을 점거한다. 본 발명의 상기 육각형의 그리드 어레이 패킹 배치는 원하는 간섭패턴 및 상기 어레이를 가로지르는 음압의 균일성에 기여하지 않는 전체 어레이의 영역을 최소화한다. 상기 원형 변환기들 사이의 영역들 내의 공기움직임(air motion)은 또한 목적하는 빔들과는 다른 방향들 내에서의 소리 방출을 생성하는 간섭패턴들을 생성한다. 상기 바람직하지 못한 방출들은 상기 빔들의 방향들을 분석하기 위한 소다 시스템의 능력을 감소시킨다. 상기 바람직하지 못한 방출들은 또한 나무들 및 다른 인접한 물체들을 충격하여 유사하거나 또는 상기 목적하는 빔들로부터 상기 대기 환경들에서 반사되어 나오는 것 보다 더 큰 크기의 울림(echoes)들을 생성하기에 충분하게 수평적으로 방사될 수 있다.
본 발명의 상기 육각형의 어레이는 60°로 이격된 6개의 방사상 축들에 대해 물리적으로 대칭이다. 이는 상기 변환기들이 상기 어레이 내에 긴밀하게 패킹되는 것과 함께(여기에서 상기 어레이의 인접하는 평행한 열들은 변환기 폭의 절반으로 단이 형성되도록 하여 변환기들을 가짐), 상기 육각형의 6개의 측면들을 이루는 6개의 외측열들 각각에의 3개 또는 그 이상의 변환기들로 이루어진다. 본 발명의 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열은 대체로 주변에 대해 대칭인 주빔축들을 따라 방출되고 그리고 상기 어레이의 중앙에 위치되는 정점을 갖는 실제적으로 수직인 원뿔의 표면 상에 놓여지는 3 내지 6개의 대체로 원뿔형의 빔들을 순차적으로 생성 시키는 작동을 가능하게 한다. 바람직한 구체예는 120°로 이격되는 이러한 3개의 빔들을 생성한다. 상기 빔들은 작동방법에 의해 결정되는 바람직한 고도에 위치된다. 이러한 빔들은 도 2a 내지 도 2c들에서 개략적으로 묘사되었다. 이러한 묘사는 상기 빔의 바닥이 대략적으로 상기 어레이의 크기인 원형에 보다 유사하기 때문에 고도로 개략적인 것이다. 상기 빔의 유효거리(effective length)는 상기 어레이의 직경의 약 400배이다. 이러한 빔들을 형성하기 위한 상기 어레이의 작동을 도 3a 내지 도 3c들에 개략적으로 묘사하였다. 이러한 작동을 수행하기 위한 시스템의 개략적인 블록다이아그램을 도 6에 나타내었다.
예를 들면, 도 2a에 개략적으로 나타낸 빔(1)을 생성하기 위하여는, 제1열을 구성하는 변환기(4, 9, 15 및 21)들을 특정의 파형으로 구동시키고; 제2열을 구성하는 변환기(3, 8, 14, 20 및 27)들을 n의 위상전이를 갖는 동일한 파형으로 구동시키고; 제3열을 상기 제1열로부터 2n의 위상전이를 갖는 동일한 파형으로 구동시키고; 제4열을 상기 제1열로부터 3n의 위상전이를 갖는 동일한 파형으로 구동시키고; 제5열을 상기 제1열로부터 4n의 위상전이를 갖는 동일한 파형으로 구동시키고; 제6열을 상기 제1열로부터 5n의 위상전이를 갖는 동일한 파형으로 구동시키고; 그리고 제7열을 상기 제1열로부터 6n의 위상전이를 갖는 동일한 파형으로 구동시켰다. 빔(2)은 도 3b에 나타낸 바와 같이 상기 제1열을 시계방향으로 120° 이동시켜 상기 제1열이 변환기(33, 34, 35 및 36)들을 포함하고 제2열 내지 제7열들이 도면에 표시된 대로 변환기들을 포함하고 그리고 상기 어레이를 동일한 방법으로 작동시키는 것에 의하여 생성된다. 빔(3)은 도 3c에 나타낸 바와 같이 다시 시계방 향으로 120° 이동시켜 상기 제1열이 변환기(1, 5, 10 및 16)들을 포함하고 제2열 내지 제7열들 또한 도면에 표시된 대로 변환기들을 포함하고 그리고 다시 상기 열들을 동일한 방법으로 작동시키는 것에 의하여 유사하게 생성된다.
도 6의 시스템(150)은 이러한 작동을 위상제어(phase control) 및 스위칭제어(switching control)(154)를 위한 신호들을 공급하는 신호발생기(signal generator)(152)로 수행하며, 이는 변환기(1-N)들의 어레이(156)에 적절한 변환기구동신호들을 공급한다. 변환기 어레이(156)에 의해 수신되는 울림신호들은 수신기(158) 및 프로세서(160)에로 전달되며, 이는 소다시스템으로부터 파생될 수 있는 대기의 정보를 출력한다. 소다 신호들로부터의 대기의 정보의 유도(derivation)는 예를 들면 미합중국 특허 제4,558,594호에서 규정된 바와 같이 당해 기술분야에서 공지된 것이다.
시스템(150)은 당해 기술분야에서 숙련된 자에게는 명백한 바와 같이 전부 하드웨어 또는 하드웨어와 펌웨어(firmware)의 조합으로 달성될 수 있다. 바람직하게는, 시스템(150)은 모든 신호발생기(152) 및 위상제어 및 스위칭제어(154)들이 마이크로프로세서들 및 디지털시그널프로세서(DSP) 칩 내의 펌웨어로 실행되는 것을 제외하고는 하드웨어로 달성된다.
어레이(10)의 상기 변환기 배열이 상기 육각형의 어레이의 6개의 측면들 각각에 대해 대칭이기 때문에, 상기 3개의 빔들은 근본적으로 다른 하나에 대해 동일하며, 유일한 차이는 상기 빔의 주축들의 방위 방향이다. 이러한 빔들이 6개까지 생성될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c들의 나팔-형상의 인클로져(100)는 인클로 져(100)의 중앙의 수직상의 축(105)에 대해 120°로 이격된 3개의 동일하게 형상화된 로브(lobes)(102, 104 및 106)들을 한정하며 유사하게 대칭적으로 형상화된다.
인클로져(100)에 있어서, 어레이(10)는 수직으로부터 45°인 편평한 표면(110)에 면하여 수직적으로 위치되어 소리거울(sound mirror)로서 작용한다. 도 4d의 개략적인 단면도를 참조하시오. 이러한 배열은 도 5의 다른 구체예의 평면도에서 보여지는 바와 같이, 상기 인클로져의 중앙 바닥에서 수평적으로 위치되는 동일한 어레이(10)와 음향학적으로 유사하다. 도 4d에 나타낸 상기 수직의 어레이 위치는 상기 변환기들이 물, 얼음, 눈 또는 부스러기(먼지)들이 수집되는 것을 억제한다.
하나의 비-제한적인 구체예에 있어서, 각 변환기는 대략 3인치의 직경이며, 상기 어레이는 대략 3인치의 파장들에 대응하는 주파수들에서 작동된다. 전형적인 주파수는 4425㎐가 될 수 있다. 이 파장의 소리들은 소다 시스템에 필수적인 것으로 인정되는 대기 중의 난류(turbulence) 및 열경사(thermal gradations)들로부터 반사되고 그리고 그들을 통하여 진행될 수 있음이 밝혀졌다. 7개의 열들 내의 36개의 변환기들로 이루어지는 바람직한 어레이에 대하여, 열대열(from row to row)의 상기 위상전이는 대략 60°(또는 대략 3.75 x 10-5 초)이며, 이는 고도에 있어서 상기 변환기들의 상기 평면에 대한 법선으로부터 대략 10°(보다 정확하게는 11.2°)로 경사지고 그리고 상기 반전력점에 대한 주빔축으로부터 측정된 대략 5°의 주빔의 각도폭을 갖는 빔을 수행한다. 상기 빔전력은 상기 빔주축(대략 20°의 전 체 빔폭(beam width))으로부터 대략 10°에 위치하는 널(null)에서 대략 0으로 강하된다. 바람직하게는, 하우징(100)의 상기 3개의 로브들 각각은 이러한 널의 위치의 근처에 위치되는 내부표면을 한정한다. 이는 상기 주빔이 대기 감지에서 완전히 활용되도록 하는 한편으로 차단하는 것을 도와 그에 따라 상기 주빔의 일부가 아닌 원치않는 방출들 및 원치않는 회귀 신호(return signals)들 둘 다를 방지하도록 한다.
도 1에 나타낸 바와 같은 상기 어레이의 바람직한 구체예는 36개의 변환기들을 가지며, 비록 존재할 수 있음에도 불구하고, 상기 어레이의 중앙에는 변환기가 없다. 이는 일차적으로는 상기 바람직한 구체예에서의 전자공학들에 기인하며, 이는 대체로 서라운드 사운드 응용예들(surround sound applications)에서 사용되는 주변 집적회로들로 설계된다. 이들 회로들 각각은 3개의 좌측 채널 및 3개의 우측 채널들로 각각 전체 6개를 갖는다. 따라서 상기 어레이의 각 60°-각도의 세그먼트는 상기 전송회로(transmitting circuit)의 전체 6개의 기하학적으로 그리고 전자공학적으로 동일한 서브디비젼(subdivisions)들에 대하여 이들 회로들 중의 하나에 의하여 솜씨있게 조작될 수 있다. 따라서 상기 어레이의 상기 중앙에의 37번째의 변환기를 첨가하는 것은 펌웨어와 마찬가지로 상기 전송회로에 실질적인 복잡성을 부가한다. 시험 결과는 상기 중앙의 스피커가 상기 유닛의 지향성에 실질적인 영향을 주지 않는 다는 것을 나타내고 있으며 - 기껏해야 이는 지향성을 3% 증가시킬 수 있는 한편으로 이는 비용과 복잡성을 대략 17% 정도 증가시킨다. 따라서, 중앙 스피커를 없는 채로 남기는 것이 비용과 기능성 사이에서의 적절한 상 충(trade-off)이다.
본 발명의 사용방법 및 작동방법의 보다 더한 논의에 대하여는 앞서의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 따라서, 사용방법 및 작동방법에 관련한 보다 더한 논의는 생략하기로 한다.
계속해서 앞서의 상세한 설명에 대하여, 크기, 물질, 형태, 형상, 작동주파수 및 파장, 작동 기능 및 작동 방법, 조립 및 사용을 포함하여 본 발명의 상기 부품들의 최적의 수치적인 관계들은 당해 기술분야에서 숙련된 자에게는 쉽게 이해될 수 있고 그리고 명백한 것으로 여겨지며, 도면들에 도시되고 그리고 상세한 설명들에서 기재된 모든 동등한 관계들은 본 발명에 포함되는 것으로 고려된다.
따라서, 앞서의 것들은 단지 본 발명의 원리들을 설명하기 위한 것으로 고려되어야 한다. 더욱이, 여러 변형들 및 변경들이 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 쉽게 이루어질 수 있기 때문에, 도시되고 그리고 기술된 정확한 구조 및 작동들이 본 발명을 한정하는 것은 원치 않는 것이며, 모든 적절한 변형들 및 등가물들은 본 발명의 범주 내에 속하는 것이 될 것이다.
본 발명은 음파기상탐지 시스템을 제조 및 사용하는 산업에서 이용될 수 있다.

Claims (25)

  1. 대기 중으로 소리를 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사되는 방출된 소리를 감지하기 위한 다수의 개개 소리 변환기들을 포함하여 이루어지며, 여기에서 상기 변환기들이 대체로 평면 내에 대체로 육각형의 그리드 패킹 배열 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이가 인접한 열들의 상기 변환기들이 상기 열의 길이방향의 축에 대해 직각방향에서 변환기의 폭의 약 절반 정도로 다른 하나로부터 단이 형성되도록하여 긴밀하게 패킹된 근본적으로 동일한 변환기들의 일련의 열들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 변환기들이 대체로 육각형의 주연부 형태를 한정하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  4. 제 2 항에 있어서,
    방위각에 있어서 약 120°로 이격되는 3개의 순차적인 빔들을 형성하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    하나의 열을 구성하는 상기 변환기들이 근본적으로 동일한 주파수에서 동음으로 작동되고, 순차적인 열 각각의 작동은 바로 앞선 열에 대해 균일하게 상-전이(phase-shifted)되어 상기 변환기들의 면에 대해 고도에서 경사진 빔들을 형성하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  6. 제 5 항에 있어서,
    열대열의 위상전이가 대략 60°임을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 빔의 각도폭이 상기 빔의 주축으로부터 상기 빔의 반전력점까지의 사이에서 약 5°임을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  8. 제 4 항에 있어서,
    3개의 빔들 각각이 주빔축을 따라 전송되고 그리고 상기 3개의 빔의 주축들이 필수적으로 동일한 고도에 위치되는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 빔의 주축들이 상기 변환기들의 평면에 대한 법선으로부터 약 10°의 고도임을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 빔의 주축들이 상기 법선으로부터 11.2°의 고도임을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기의 나팔들이 대체로 원형의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  12. 제 1 항에 있어서,
    적어도 36개의 변환기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 변환기들이 적어도 7개의 열들 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 어레이가 6개의 측면들을 한정하고 그리고 상기 6개의 측면들 각각이 적어도 4개의 변환기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각 측면 뒤의 상기 열이 적어도 5개의 변환기들을 포함하고, 그 뒤의 상기 3개의 열들 각각이 적어도 6개의 변환기들을 포함하고, 이들 3개의 열들 뒤의 열이 적어도 5개의 변환기들을 포함하며, 또한 그 뒤의 열이 적어도 4개의 변환기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  16. 제 1 항에 있어서,
    다수의 근본적으로 동일한 빔들을 형성하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 빔들 각각의 각도폭이 상기 빔의 주축으로부터 상기 빔의 반전력점까지에서 대략 5°인 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기들의 활성영역이 상기 어레이 영역의 적어도 약 90%를 포함하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기들이 나팔 트위터들을 갖는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 변환기들이 원형의 단면을 한정하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 변환기들의 직경이 대략 3인치인것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기들이 플라스틱 원뿔을 갖는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 변환기의 원뿔들이 폴리카보네이트인 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  24. 대기 중으로 소리를 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사되는 방출된 소리를 감지하기 위한 다수의 개개 소리 변환기들을 포함하여 이루어지며, 여기에서 상기 변환기의 활성영역이 어레이 영역의 대략 90%를 포함하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
  25. 대기 중으로 소리를 방출하고 그리고 상기 대기에 의해 반사되는 방출된 소리를 감지하기 위한 다수의 개개 소리 변환기들을 포함하여 이루어지며;
    여기에서 상기 변환기들이 6개의 측면들을 한정하고 그리고 인접한 열들의 상기 변환기들이 상기 열의 길이방향의 축에 대해 직각방향에서 변환기의 폭의 약 절반 정도로 다른 하나로부터 단이 형성되도록하고 그리고 적어도 3개의 변환기들이 그리드 패킹 배열의 6개의 측면들 각각을 한정하도록 하여 긴밀하게 패킹된 근본적으로 동일한 변환기들의 일련의 열들을 포함하는 대체로 평면이고 대체로 육각형인 그리드 패킹 배열 내에 배열되고;
    여기에서 어레이가 방위각에 있어서 약 120°로 이격된 3개의 순차적인 근본적으로 동일하고 그리고 대칭적인 빔들이 형성되도록 작동되고, 상기 작동이 바로 선행하는 열에 대해 균일하게 위상전이된 각 순차적인 열의 작동으로 근본적으로 동일한 주파수에서 하나의 열을 구성하는 상기 변환기들을 동음으로 작동시키는 것 을 포함하여 상기 변환기들의 평면에 대해 고도에 있어서 경사진 빔들을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 소다 시스템용 변환기들의 어레이.
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