KR20090128245A

KR20090128245A - 능동 흡음재 및 이를 이용하여 음파반사를 최소화하는 방법

Info

Publication number: KR20090128245A
Application number: KR1020080054313A
Authority: KR
Inventors: 장우석
Original assignee: 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-15
Also published as: KR100992863B1

Abstract

본 발명은 능동 흡음재 및 이를 이용하여 음파반사를 최소화하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 제어기가 음향신호를 제어하여 송신센서에 피드백하는 피드백 시스템 구조를 이용하여 송신센서가 반사파를 상쇄시키는 상쇄파를 생성하도록 함으로써 매우 긴 파장을 갖는 저주파 음파도 얇은 두께의 흡음재를 이용하여 높은 흡음효과를 얻을 수 있으며, 세라믹 폴리머 복합 재질을 사용하여 능동 흡음 기능이 필요없는 고주파 대역에서도 기존의 수동 흡음재에 필적하는 흡음 성능을 나타내는 능동 흡음재 및 이를 이용하여 음파반사를 최소화하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 입사파의 신호를 측정하는 수신센서; 상기 입사파의 반사파를 상쇄하기 위한 상쇄파를 발생시키는 송신센서; 및 상기 수신센서로부터 입사파와 반사파 및 상쇄파가 중첩된 음파의 전기신호를 전달받아 상기 전기신호의 위상과 크기를 제어하여 상기 송신센서를 구동하기 위한 구동신호를 생성하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재를 제공한다.

능동 흡음재, 저주파, 상쇄파, 피드백

Description

능동 흡음재 및 이를 이용하여 음파반사를 최소화하는 방법{Active acoustic absorbent and Method for minimizing accoustic reflection}

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 조 직된 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.

한편, 이러한 수중 음향센서에 의해 탐지되지 않기 위해서는 수중 음향센서로부터 발사된 음파에 대한 반사를 최소화할 필요가 있다. 특정 벽면의 음파 반사를 최소화하고자 할 경우, 일반적으로 음파 산란이 크거나 진동저항이 크며, 밀도, 탄성 등의 성질이 음파전달의 매질과 유사한 물질로 이루어진 수동형 흡음재를 사용한다. 이러한 수동형 흡음재는 음파전달 매질과의 정합과 음파 산란 등을 통해 손실특성을 증대시키고, 입사파가 음파전달 매질에서 흡음재로 전달되면 음파를 산란시켜 음향에너지를 감소시킴으로써 반사를 최소화한다.

그러나, 이러한 수동형 흡음재는 입사되는 음파의 파장보다 대략 2~10배에 이르는 두께를 가져야 그 효과를 발휘한다. 특히 저주파 음파가 입사될 경우 수동형 흡음재의 두께는 거의 수십 센티미터에서 1미터 가량에 이르게 된다. 이와 같이 저주파 음파까지 커버하기 위해서는 흡음재가 지나치게 두꺼워져 실용성이 떨어지 는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 매우 긴 파장을 갖는 저주파 음파에 대해서 얇은 두께의 흡음재를 이용하여 높은 흡음효과를 얻을 수 있으며, 능동 흡음 기능이 필요없는 고주파 대역에서도 기존의 수동 흡음재에 필적하는 흡음 성능을 나타내는 능동 흡음재 및 이를 이용하여 음파반사를 최소화하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 능동 흡음재는 입사파의 신호를 측정하는 수신센서; 상기 입사파의 반사파를 상쇄하기 위한 상쇄파를 발생시키는 송신센서; 및 상기 수신센서로부터 입사파와 반사파 및 상쇄파가 중첩된 음파의 전기신호를 전달받아 상기 전기신호의 위상과 크기를 제어하여 상기 송신센서를 구동하기 위한 구동신호를 생성하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수신센서는 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파신호를 측정하여 아래 수학식에 의해 상기 전기신호(Es)로 변환하여 상기 제어기로 전달할 수 있다.

Es = S×(Pi + Pr + Pc), S는 상기 수신센서의 수신감도

또한, 상기 제어기는 상기 전기신호(Es)로부터 아래 수학식에 의해 상기 구동신호(Et)를 생성할 수 있다.

Et = K×Es, K는 상기 제어기의 증폭률

또한, 상기 송신센서는 상기 구동신호에 따라 아래 수학식에 의해 상기 상쇄파(Pc)를 발생시킬 수 있다.

Pc = T×Et, T는 상기 송신센서의 송신감도

또한, 상기 제어기의 증폭률 K는 아래의 수학식에 의해 정의될 수 있다.

K = -R/(S×T), R은 상기 수신센서의 반사계수

또한, 상기 송신센서와 수신센서는 평판 형상을 구비하며, 상기 송신센서와 수신센서가 적층되어 몰딩된 것일 수 있다.

또한, 상기 송신센서와 수신센서는 세라믹 폴리머 복합재질일 수 있다.

또한, 상기 송신센서와 수신센서는 폴리머에 압전 세라믹 막대가 삽입된 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 음파반사를 최소화하는 방법은 (a) 수신센서가 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파신호를 측정하여 전기신호(Es)로 변환하여 제어기로 전달하는 단계; (b) 상기 제어기가 상기 전기신호(Es)의 위상과 크기를 제어하여 송신센서를 구동하기 위한 구동신호(Et)를 생성하는 단계; 및 (c) 상기 송신센서가 상기 구동신호(Et)에 따라 상기 상쇄파(Pc)를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b)단계에서 상기 제어기의 증폭률 K는 아래의 수학식에 의해 정의될 수 있다.

K = -R/(S×T)

R은 상기 수신센서의 반사계수, S는 상기 수신센서의 수신감도, T는 상기 송 신센서의 송신감도

본 발명에 의하면 송신센서가 반사파를 상쇄시키는 상쇄파를 생성하도록 하여 매우 긴 파장을 갖는 저주파 음파도 얇은 두께의 흡음재를 이용하여 높은 흡음효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 세라믹 폴리머 복합 재질을 사용하여 능동 흡음 기능이 필요없는 고주파 대역에서도 기존의 수동 흡음재에 필적하는 흡음 성능을 나타내는 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 실시예를 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 능동 흡음재의 개념도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 다른 능동 흡음재는, 도 1을 참조하면, 수신센서(10), 제어기(20) 및 송신센서(30)를 포함하여 이루어진다. 능동 흡음재는 평판 송신센서(10)와 수신센서(30)가 적층 및 몰딩된 다중 센서 구조를 갖는다. 또한, 제어기(20)가 음향신호를 제어하여 송신센서(30)에 피드백하는 피드백 시스템 구조를 갖는다.

수신센서(10)와 송신센서(30)는 평판 형상으로 형성되어 서로 몰딩됨으로써 형성될 수 있다. 또한, 수신센서(10)와 송신센서(30)는 세라믹 폴리머 복합재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 수신센서(10)와 송신센서(30)는 폴리우레탄, 고무, 네오프렌 등의 폴리머 물질에 철가루와 같은 고밀도 분말이 첨가된 폴리머부(P)에 압전 세라믹 막대(C)가 삽입된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 압전 세라믹 막대(C)는 바둑판 형상으로 폴리머부(P) 내부에 삽입될 수 있다. 폴리머부(P)는 고주파 흡음 성능이 우수하며, 얇은 두께로도 충분히 고주파 대역의 음파 신호를 흡수할 수 있다. 압전 세라믹 막대(C)는 반사파가 저주파인 경우 이를 상쇄시키는 역할을 수행한다. 이를 통해 수신센서(10)와 송신센서(30)는 기존의 수동 흡음재에 필적하는 고주파 흡음 성능을 확보하면서도, 얇은 두께로 저주파 반사파를 상쇄시킬 수 있도록 한다.

수신센서(10)는 능동 흡음재의 전면에 구비되어 입사파(Pi)의 신호를 측정한다. 또한, 수신센서(10)는 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파신호를 측정하여 이를 수학식 1과 같이 전기신호(Es)로 변환하여 제어기(30)로 전달한다. 이때, 수신센서(10)는 음파신호를 측정하기 위해 입사파, 반사파, 상쇄파의 음압을 측정하는 방식을 사용할 수 있다.

Es = S×(Pi + Pr + Pc), S는 상기 수신센서의 수신감도

제어기(20)는 수신센서(10)로부터 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파의 전기신호(Es)를 전달받아 수학식 2와 같이 전기신호(Es)의 위상과 크기를 제어하여 송신센서(30)를 구동하기 위한 구동신호(Et)를 생성한다.

Et = K×Es, K는 상기 제어기의 증폭률

송신센서(30)는 제어기(20)로부터 구동신호(Et)를 입력받아 수학식 3과 같이 입사파(Pi)와 반사파(Pr)를 상쇄하기 위한 상쇄파(Pc)를 발생시킨다.

Pc = T×Et, T는 송신센서의 송신감도

이때, 송신센서(30)가 상쇄파를 발생시켜 음파반사가 최소가 되도록 반사파를 상쇄하기 위해서는 수학식 4와 같이 반사파와 상쇄파의 중첩된 음파의 크기가 0에 접근하도록 하는 것이 바람직하다.

Pr + Pc = R×Pi + T×Et = 0, R은 수신센서의 반사계수

수학식 4를 전개하여 계산하면 아래 수학식 5와 같다.

Pr + Pc = R×Pi + T×Et

= R×Pi + T×K×Es

= R×Pi + T×K×S×(Pi + Pr + Pc)

= Pi×(R + T×K×S) + T×K×S×(Pr + Pc)

수학식 5를 Pr + Pc 에 대하여 정리하면,

Pr + Pc = Pi×(R + T×K×S)/(1 - T×K×S)

Pr + Pc = 0 이 되기 위해서는 R + T×K×S = 0 이 되어야 하며, 그 결과 제어기의 증폭률 K는 수학식 7과 같이 정의되는 것이 바람직하다.

K = -R/(S×T)

제어기(20)가 수학식 7과 같이 정의된 경우 반사파와 상쇄파는 서로 상쇄되어 음파반사가 최소화된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음파반사를 최소화하는 방법의 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음파반사를 최소화하는 방법은, 도 2를 참조하면, 수신센서 작동 단계(S10), 제어기가 구동신호를 생성하는 단계(S20), 송신센서가 상쇄파를 발생시키는 단계(S30)를 포함하여 이루어진다.

단계 S10은 수신센서가 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파신호를 측정하여 전기신호(Es)로 변환하여 제어기로 전달하는 단계이다.

단계 S20은 제어기가 전기신호(Es)의 위상과 크기를 제어하여 송신센서를 구동하기 위한 구동신호(Et)를 생성하는 단계이다. 이때, 제어기는 수학식 7과 같은 증폭률을 가지도록 정의함으로써, 반사파(Pr)와 상쇄간섭을 일으키는 상쇄파를 발 생시키도록 하는 것이 바람직하다.

단계 S30은 송신센서가 구동신호(Et)에 따라 상쇄파(Pc)를 발생시키는 단계이다.

이와 같이 본 발명에 따른 능동 흡음재와 이를 이용한 음파신호 최소화 방법에 의하면 전기 에너지를 이용하여 아주 긴 파장의 저주파 음파도 얇은 두께의 흡음재를 이용하여 높은 흡음효과를 얻을 수 있고, 더불어 능동 흡음 기능이 필요없는 고주파 대역에서도 기존의 수동 흡음재에 필적하는 흡음 성능을 나타낼 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 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 능동 흡음재에 관한 것으로, 상대의 수중 음향센서를 기만하기 위한 수중 전자전을 비롯하여 다양한 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 흡음재의 개념도,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 - 수신센서 20 - 제어기

30 - 송신센서

Claims

입사파의 신호를 측정하는 수신센서;

상기 입사파의 반사파를 상쇄하기 위한 상쇄파를 발생시키는 송신센서; 및

상기 수신센서로부터 입사파와 반사파 및 상쇄파가 중첩된 음파의 전기신호를 전달받아 상기 전기신호의 위상과 크기를 제어하여 상기 송신센서를 구동하기 위한 구동신호를 생성하는 제어기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.
제1항에 있어서,

상기 수신센서는 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파신호를 측정하여 아래 수학식에 의해 상기 전기신호(Es)로 변환하여 상기 제어기로 전달하는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.

Es = S×(Pi + Pr + Pc), S는 상기 수신센서의 수신감도
제2항에 있어서,

상기 제어기는 상기 전기신호(Es)로부터 아래 수학식에 의해 상기 구동신호(Et)를 생성하는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.

Et = K×Es, K는 상기 제어기의 증폭률
제2항에 있어서,

상기 송신센서는 상기 구동신호에 따라 아래 수학식에 의해 상기 상쇄파(Pc)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.

Pc = T×Et, T는 상기 송신센서의 송신감도
제4항에 있어서,

상기 제어기의 증폭률 K는 아래의 수학식에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.

K = -R/(S×T), R은 상기 수신센서의 반사계수
제1항에 있어서,

상기 송신센서와 수신센서는 평판 형상을 구비하며, 상기 송신센서와 수신센서가 적층되어 몰딩된 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.
제1항에 있어서,

상기 송신센서와 수신센서는 세라믹 폴리머 복합재질인 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.
제7항에 있어서,

상기 송신센서와 수신센서는 폴리머에 압전 세라믹 막대가 삽입된 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 흡음재.
(a) 수신센서가 입사파(Pi)와 반사파(Pr) 및 상쇄파(Pc)가 중첩된 음파신호를 측정하여 전기신호(Es)로 변환하여 제어기로 전달하는 단계;

(b) 상기 제어기가 상기 전기신호(Es)의 위상과 크기를 제어하여 송신센서를 구동하기 위한 구동신호(Et)를 생성하는 단계; 및

(c) 상기 송신센서가 상기 구동신호(Et)에 따라 상기 상쇄파(Pc)를 발생시키는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 음파반사를 최소화하는 방법.
제9항에 있어서,

상기 (b)단계에서 상기 제어기의 증폭률 K는 아래의 수학식에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 음파반사를 최소화하는 방법.

K = -R/(S×T)

R은 상기 수신센서의 반사계수, S는 상기 수신센서의 수신감도, T는 상기 송신센서의 송신감도