KR20190042807A - Device for focusing of acoustic wave and method using the same - Google Patents

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KR20190042807A KR1020170134329A KR20170134329A KR20190042807A KR 20190042807 A KR20190042807 A KR 20190042807A KR 1020170134329 A KR1020170134329 A KR 1020170134329A KR 20170134329 A KR20170134329 A KR 20170134329A KR 20190042807 A KR20190042807 A KR 20190042807A
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이강일
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Abstract

The present invention provides a device for focusing an acoustic wave, which comprises: a host material formed with a fluid; and a plurality of scatterers periodically arranged in the host material. According to the present invention, it is possible to focus an acoustic wave in a more precise region of a half wavelength or more, which was impossible in the conventional method. Therefore, an ultra-high definition image can be acquired in imaging technique realized by using a conventional acoustic wave.

Description

음파 집속장치 및 이를 이용한 음파 집속방법 {DEVICE FOR FOCUSING OF ACOUSTIC WAVE AND METHOD USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a sound wave focusing device,

본 발명은 음파 집속장치 및 이를 이용한 음파 집속방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a sonic focusing apparatus and a sonic focusing method using the same.

음파(acoustic wave)란, 매개 물질을 진동시키며 전파하는 파동의 하나로, 그 주파수 대역에 따라 가청주파수(20 Hz 내지 20 kHz), 초저주파(20Hz 이하), 초음파(20 kHz 이상)로 구분될 수 있다.An acoustic wave is one of the waves that vibrate and propagate through the medium and can be divided into audible frequencies (20 Hz to 20 kHz), very low frequency (20 Hz or less), and ultrasound (20 kHz or more) have.

음파는 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환 가능한 압전효과를 가지는 압전소자를 이용하여 제조된 트랜스듀서(이하, ‘음파발생장치’라 칭함)에서 발생될 수 있으며, 이때, 음파발생장치는 단일의 압전소자로 제작된 단일소자 음파발생장치부터 다수개의 압전소자의 배열로 제작된 배열형 음파발생장치까지 그 형태가 다양하다.A sound wave can be generated in a transducer (hereinafter referred to as a 'sound wave generator') manufactured using a piezoelectric element having a piezoelectric effect capable of converting mechanical energy and electrical energy, And a variety of forms from a single-element acoustic wave generator manufactured by a device to an array-type acoustic wave generator manufactured by arranging a plurality of piezoelectric elements.

음파발생장치에서 송출되는 음파는 진행경로를 변경시켜 집속시키거나 발산시킬 수 있으며, 이를 통해 다양한 분야에서의 응용이 가능할 수 있다. 그 응용의 예로는, 비침습적(non-invasive) 치료, 인체 내부 영상화 등과 같은 의료 분야, 건축물의 안정성이나 수명 등을 조사하는 비파괴 검사 분야 등이 있다.The sound waves emitted from the sound wave generator can be converged or diverged by changing the traveling path, so that it can be applied in various fields. Examples of such applications include non-invasive treatment, medical applications such as in-body imaging, and nondestructive testing to investigate the stability and longevity of buildings.

특히, 음파의 집속은 단일의 압전소자에 곡률을 주어 집속형 단일소자 음파발생장치를 제작하거나, 배열형 음파발생장치의 각 압전소자에서 발생되는 음파를 각각 제어하여 구현될 수 있다. Particularly, the convergence of a sound wave can be realized by manufacturing a single-element convergence type acoustic wave generator by giving a single piezoelectric element a curvature or by controlling the sound waves generated from each piezoelectric element of the array type sound generator.

이때, 단일의 압전소자에 곡률을 줄 경우에는 압전소자의 크기, 형태, 두께 등 많은 요인에 의해 압전소자의 전체 표면에서 발생되는 초음파의 강도가 균일하지 않은 경우가 대부분이다. 예를 들면, 압전소자가 오목한 형상을 가진 경우에 음파가 압전소자의 중심부위에서는 강하고, 가장자리에서는 약하게 발생할 수 있으며, 초점에서 형성되는 음파의 강도 분포는 길이 방향으로 길고, 폭 방향으로 좁은 형태로 나타나게 될 수 있다. 또한, 압전소자에 곡률을 주어 음파발생장치를 제작하는 것은 평면인 압전소자를 가진 음파발생장치를 제작하는 것에 비해 용이하지 않다. In this case, when the curvature is given to a single piezoelectric element, the intensity of the ultrasonic waves generated from the entire surface of the piezoelectric element is not uniform due to many factors such as the size, shape, and thickness of the piezoelectric element. For example, in the case where the piezoelectric element has a concave shape, the sound wave may be strong on the central portion of the piezoelectric element and weakly on the edge, and the intensity distribution of the acoustic wave formed at the focus may be long in the longitudinal direction and narrow in the width direction Can be displayed. Further, it is not easy to produce a sound wave generating device by giving a curvature to the piezoelectric element as compared with the case of manufacturing a sound wave generating device having a piezoelectric element as a plane.

그리고, 배열형 음파발생장치의 경우에는 송출된 음파가 수신 집속 위치에 도달하는데 소요되는 시간을 각각의 압전소자 개별적으로 제어함으로써 일 지점에 집속하는 것이 가능하나 배열형 음파발생장치에 배열된 압전소자의 수에 따라 이를 구현하기 위한 기술적 어려움이 존재한다.In the case of the array type sound wave generator, it is possible to concentrate the time required for the transmitted sound waves to arrive at the receiving focus position by controlling each piezoelectric element individually, There is a technical difficulty to implement this in accordance with the number of devices.

이러한 음파 집속에 관한 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-1999-025909호(출원일 : 1997. 09. 13, 공개일 :　1999. 04. 06), 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0143597(출원일 : 2013. 06. 07, 2014. 12. 17), 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0024134(출원일 : 2014. 08. 25.)공개일 : 2016. 03. 04, 2014) 등에 제시된 바 있다.This technique of focusing a sound wave is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-1999-025909 (Filing Date: 1997. 09. 13, Publication Date: Apr. 04, 1999), Korean Patent Publication No. 10-2014-0143597 2013. 06. 07, 2014. 12. 17), Korean Patent Publication No. 10-2016-0024134 (Filing date: 2014. 08. 25.) Open date: 2016. 03. 04, 2014

한편, 음파의 집속에 또 다른 방법은 오목 또는 볼록한 형태로 설계한 음향 렌즈를 사용하여 구현하는 방법이 있으나, 일반적인 음향 렌즈는 음파발생장치의 음파 송출면에 접하여 이용되기에 음파발생장치의 구동시 압전소자에서 발생하는 열이 전도되는 경우에는 장시간 이용이 어려운 문제점이 존재한다. 또한, 상술한 음파의 집속 구현 예와 더불어 음향 렌즈가 음파를 이용한 영상기술에 응용될 경우에 기본적으로 반파장 이하의 두 물체를 구분할 수 없는 회절 한계(diffraction limit)가 존재하는 문제점이 존재한다. Another method for converging sound waves is to use an acoustic lens designed to have a concave or convex shape. However, since a general acoustic lens is used in contact with a sound wave emitting surface of a sound wave generator, There is a problem that it is difficult to use for a long time when the heat generated from the piezoelectric element is conducted. Further, in addition to the above-described focusing method of sound waves, there is a problem that a diffraction limit exists which basically can not distinguish two objects less than half wavelength when an acoustic lens is applied to an image technology using sound waves.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 음파발생장치에서 송출되는 음파를 원하는 집속영역 상에 집속 정확도를 향상시키면서도 회절한계 극복이 가능한 음파 집속장치 및 이를 이용한 음파 집속방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a sound focusing device capable of overcoming a diffraction limit while improving focusing accuracy on a desired focusing region, and a sound focusing method using the same. .

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치는 유체(fluid)로 이루어진 기저물질(host material); 및 상기 기저물질 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체;를 포함하며, 상기 기저물질 내 상기 산란체의 주기적인 배열을 최소 단위로 단순화한 단위 구조(unit cell)가 상기 기저물질에 의해 상기 산란체가 둘러싸인 형태를 이루고, 상기 다수개의 산란체 중 하나의 산란체 중심축과 상기 하나의 산란체와 인접한 또 다른 하나의 산란체의 중심축이 이루는 간격과 대응되는 상기 단위 구조의 간격이 음파발생장치에서 발생하는 음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가지며, 음파가 투과할 경우에 상기 음파를 일 지점에 집속(focusing) 시킨다.According to an aspect of the present invention, there is provided a sonic focusing apparatus comprising: a host material made of a fluid; And a plurality of unit cells arranged periodically in the base material, wherein a unit cell in which the periodic arrangement of the scatterers in the base material is simplified to a minimum unit is formed by the base material, Wherein a distance between the center axis of one of the plurality of scatterers and a center axis of the other scatterer adjacent to the one scatterer and an interval of the unit structures corresponding to the interval between the centers of the scatterers and the center axis of another scatterer And has a length equal to or less than the length of the wavelength of the generated sound wave, and focuses the sound wave at one point when the sound wave is transmitted.

그리고, 상기 산란체는 구 형상, 다면체 형상, 기둥 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 마련될 수 있다.The scatterer may be provided in at least one of a spherical shape, a polyhedral shape, and a columnar shape.

또한, 상기 단위 구조는 3차원 구조를 가질 수 있다.In addition, the unit structure may have a three-dimensional structure.

그리고, 상기 기저물질은 상기 음파발생장치에서 발생하는 음파가 상기 음파 집속장치에 도달하는데 이용되는 전파매질과 동일한 종류일 수 있다.The base material may be of the same kind as the propagation medium used for the sound wave generated by the sound wave generator to reach the sound wave focusing apparatus.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치는 상기 산란체의 배열이 유지되도록 상기 산란체를 지지하는 지지체; 를 더 포함하고, 상기 지지체는 적어도 한 변의 길이가 어느 한 열에 배열되는 상기 산란체의 수와 상기 산란체의 지름을 곱한 수치 이상의 길이를 가지는 다면체 형상으로 마련될 수 있다.Also, the sonic focusing apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a support for supporting the scatterer to maintain the arrangement of the scatterers; And the support may be provided in a polyhedron shape having a length at least equal to a value obtained by multiplying the number of the scatterers arranged in a row by at least one side of the length of the scatterers.

한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치에 의한 음파 집속방법은 음파발생장치에서 송출되는 음파의 전파 경로에 유체로 이루어진 기저물질 및 상기 기저물질 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체로 구성된 음파 집속장치를 배치하는 배치단계; 상기 음파발생장치에서 송출된 음파가 상기 음파 집속장치에 입사되는 입사단계; 상기 입사단계에서 상기 음파 집속장치에 입사된 음파가 상기 음파 집속장치 내부를 투과하여 상기 음파 집속장치 외부로 전파되는 투과단계; 및 상기 투과단계에서 상기 음파 집속장치를 투과한 음파가 일 지점에 집속되는 집속단계;를 포함하고, 상기 입사단계에서 음파는 입사각에 따라 상기 음파 집속장치에 입사할 때 최초 접하는 입사면을 기준으로 굴절하며, 상기 투과단계에서 음파는 상기 음파 집속장치 내부를 통과하는 음파의 전파 각도에 따라 상기 음파 집속장치에서 외부로 전파될 때 접하는 투과면을 기준으로 굴절한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for focusing a sound wave on a sound wave generator, comprising the steps of: providing a base material of a fluid in a propagation path of a sound wave emitted from the sound wave generator; A disposing step of disposing a sonic focusing apparatus composed of a plurality of scatterers; An incidence step in which a sound wave emitted from the sound wave generator is incident on the sound wave focusing apparatus; A transmitting step in which the sound waves incident on the sound wave focusing device in the incidence step are transmitted through the inside of the sound wave focusing device and propagated outside the sound wave focusing device; And a convergence step of converging the sound waves transmitted through the sound focusing device in the transmission step to a single point. In the incidence step, the sound waves are incident on the incidence surface, And in the transmitting step, the sound waves are refracted based on the transmitting surface that is tangential to the outside when propagated from the sonic focusing apparatus to the outside in accordance with the propagation angle of the sound wave passing through the inside of the sonic focusing apparatus.

여기서, 상기 입사단계 및 투과단계에서 상기 음파 집속장치에 의해 이루어지는 음파의 굴절은 정상적인 굴절방향과 반대 방향으로 이루어진다.Here, in the incidence step and the transmission step, the refraction of the sound wave generated by the sonic focusing device is made in a direction opposite to the normal refraction direction.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the present invention has the following effects.

첫째, 음파 집속장치는 기저물질 내 산란체가 주기적으로 배열되고, 그 주기 간격이 음파 집속장치를 통과하는 음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가지도록 마련됨에 따라, 종래 방식으로는 불가능하던 반파장 이상의 더 정밀한 영역에서의 음파를 특정 지점에 집속하는 것이 가능하며, 이를 통해 기존 음파를 이용하여 구현되는 영상화 기술에서 초고해상도 영상을 획득하는 것이 가능할 수 있다.First, since the scattering elements in the base material are arranged periodically and their periodic intervals are equal to or less than the length of the wavelength of the sound wave passing through the sonar focusing device, It is possible to concentrate the sound waves in the more precise region at a specific point and thus it is possible to acquire an ultra high resolution image in the imaging technique implemented using the existing sound waves.

둘째, 단위 구조가 3차원 구조를 가짐에 따라 음파 집속장치를 투과하여 진행한 음파는 집속영역인 초점에서 형성되는 음파의 강도 분포가 길이 및 폭 방향 모두 같은 형태로 나타나며, 3차원 공간상에서의 공간적 집속이 이루어질 수 있다.Second, as the unit structure has a three-dimensional structure, the intensity distribution of the sound waves formed at the focal point, which is the focus region, propagates through the sound focusing device, and is expressed in the same shape in both length and width directions. Focusing can be achieved.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치를 도시한 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치를 도시한 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치를 투과하는 음파의 거동을 설명하기 위한 예시도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치를 투과하는 음파의 진행경로를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치에 의한 음파 집속방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 1 is a schematic view showing a sound wave focusing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a sound wave focusing apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view for explaining the behavior of a sound wave transmitted through a sound wave focusing apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view schematically showing a traveling path of a sound wave transmitted through a sound wave focusing device according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of focusing sound waves by a sound wave focusing apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.The preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which the technical parts already known will be omitted or compressed for simplicity of explanation.

<음파 <Sound waves 집속장치에To the focusing device 관한 설명> Description>

도1 내지 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치의 다양한 예를 도시한 개략도이며, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치를 투과하는 음파의 거동을 설명하기 위한 예시도이다.1 and 2 are schematic views illustrating various examples of a sound focusing apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic view illustrating a sound wave transmitted through a sound focusing apparatus according to an embodiment of the present invention. Fig.

본 발명의 음파 집속장치(100)는 음향 메타물질의 한 종류이며, 서로 다른 음속 및 밀도를 갖는 둘 이상의 물질을 파장보다 작거나 비슷한 크기의 격자를 이루도록 주기적으로 배열하여 인위적으로 만든 구조체이다. 이 구조체를 구성하는 재료의 크기, 간격, 요소의 물성 등에 따라 다른 특성을 보일 수 있으며, 이를 통해 상기 구조체를 통과하는 음파의 산란 특성을 제어하는 것이 가능할 수 있다. 이하에서 본 발명의 음파 집속장치(100)에 관하여 상세히 설명한다.The sound focusing apparatus 100 of the present invention is a kind of acoustic meta material and is a structure that artificially arranges two or more materials having different sonic velocities and densities periodically to form a lattice of a size smaller than or equal to a wavelength. Other characteristics may be exhibited depending on the size and spacing of the material constituting the structure, physical properties of the ellipse, etc., and it is possible to control the scattering characteristics of the sound waves passing through the structure. Hereinafter, the sonic focusing apparatus 100 of the present invention will be described in detail.

도1 내지 도3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치(100)는 기저물질(host material; 110)과 산란체(120)로 구성된다.1 to 3, a sonic focusing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a host material 110 and a scattering body 120.

기저물질(110)은 기체나 액체와 같은 유체(fluid)로 이루어지며, 후술할 산란체(120)와 음향 특성의 차이가 존재하는 물질이 이용될 수 있다. 이때, 음향 특성은 물질의 음속, 밀도 등을 의미한다.The base material 110 may be a fluid such as a gas or a liquid and may be a material having a difference in acoustical characteristics from a scatterer 120 described later. At this time, the acoustic characteristic means the sound speed, density, etc. of the material.

이때, 기저물질(110)은 음파발생장치(200)에서 발생하는 음파가 음파 집속장치(100)에 도달하는데 이용되는 전파매질과 동일한 종류일 수 있다. 여기서, 전파매질은 음파발생장치(200)에서 발생한 음파가 음파 집속장치(100)까지 도달하는데 진행하는 음파의 감쇠를 최소화하기 위한 것이다. 경우에 따라, 기저물질(110) 자체가 전파매질로 마련될 수 있으며, 이 경우에는 전파매질의 일 지점에 산란체(120)가 배열된 형태로 구현될 수 있다.At this time, the base material 110 may be of the same kind as the radio wave medium used for the sound wave generator 200 to reach the sound wave focusing apparatus 100. Here, the propagation medium is for minimizing the attenuation of the sound wave generated when the sound wave generated by the sound wave generator 200 reaches the sound wave focusing apparatus 100. In some cases, the base material 110 itself may be provided as a propagation medium, and in this case, the scatterer 120 may be arranged at one point of the propagation medium.

산란체(120)는 다수개의 산란체(120)가 기저물질(110) 내 주기적으로 배열되며, 도1 내지 도2에 도시된 바와 같이 기저물질(110) 내 산란체(120)의 주기적인 배열을 최소 단위로 단순화한 단위 구조(unit cell)가 기저물질(110)에 의해 산란체(120)가 둘러싸인 형태를 이룬다. 이때, 산란체(120)는 구 형상, 다면체 형상, 기둥 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 마련될 수 있다. The scatterer 120 includes a plurality of scatterers 120 periodically arranged in the base material 110 and a periodic arrangement of the scatterers 120 in the base material 110 as shown in FIGS. The unit cell is simplified by a minimum unit, and the scattering body 120 is surrounded by the base material 110. At this time, the scattering body 120 may be provided in at least one of a spherical shape, a polyhedral shape, and a columnar shape.

여기서, 다수개의 산란체(120) 중 하나의 산란체(120) 중심축과 상기 하나의 산란체(120)와 인접한 또 다른 하나의 산란체(120)의 중심축이 이루는 간격과 대응되는 단위 구조의 간격이 음파발생장치에서 발생하는 음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가지며, 음파가 투과할 경우에 상기 음파를 일 지점에 집속(focusing)시킬 수 있다.Here, the center axis of one scatterer 120 of the plurality of scatterers 120 and the center axis of another scatterer 120 adjacent to the one scatterer 120, May have a length equal to or shorter than the length of the wavelength of the sound wave generated by the sound wave generator. When the sound wave is transmitted, the sound wave may be focused at one point.

도1의 일예로, 0.5 mm의 반경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대를 1.5 mm의 격자상수(lattice constant)를 갖도록 주기적으로 배열하여 정방형 격자를 갖는 음파 집속장치를 제작할 수 있다. 이때, 격자상수는 단위 구조의 한 변(a = b = 1.5)을 의미한다. 그리고, 기저물질은 물일 수 있으며, 산란체인 스테인리스 스틸의 밀도와 음속은 각각 7800 kg/m3 및 5980 m/s 이고, 20 ℃에서 기저물질인 물의 밀도 및 음속은 각각 998 kg/m3 및 1482 m/s 이다. 여기서, 도1에서 격자 즉, 단위 구조의 형상은 정방형을 나타내었지만, 이에 한정되지 않고, 삼각형, 육각형 등의 다각형 형상을 가질 수 있으며, 단위 구조의 형상에 따라 음파 집속장치(100)를 투과하여 진행되는 음파의 진행 특성이 상이할 수 있다.For example, in FIG. 1, a cylindrical stainless steel rod having a radius of 0.5 mm may be periodically arranged to have a lattice constant of 1.5 mm to produce a sonicator having a square lattice. At this time, the lattice constant means one side of the unit structure (a = b = 1.5). The base material may be water, and the density and sound velocity of the scattering chain stainless steel are 7800 kg / m 3 and 5980 m / s, respectively. At 20 ° C., the density and sound velocity of the base material are 998 kg / m 3 and 1482 m / s. In FIG. 1, the lattice, that is, the unit structure has a square shape, but is not limited thereto. The lattice may have a polygonal shape such as a triangle shape or a hexagonal shape. The shape of the unit structure may be transmitted through the sound focusing device 100 The traveling characteristics of the proceeding sound waves may be different.

그리고, 단위 구조는 도1의 경우에는 2차원 구조를 가지지만, 도2에 도시된 바와 같이 3차원 구조를 가질 수 있다. 도2의 일예로, 산란체로서 0.5 mm의 반경을 갖는 구 형태의 스테인리스 스틸 구체를 1.0 mm의 격자상수(lattice constant)를 갖도록 주기적으로 배열하여 육면체의 단위구조를 갖는 음파 집속장치를 제작할 수 있다. 이때, 격자상수는 단위 구조의 한 변(a = b = c = 1.0)을 의미한다. 그리고, 기저물질은 물일 수 있다. 여기서, 도2에서 격자 즉, 단위 구조의 형상은 정육면체형상을 나타내었지만, 이에 한정되지 않고, 다면체 형상을 가지며 주기적으로 배열될 수 있다.In addition, although the unit structure has a two-dimensional structure in the case of FIG. 1, it may have a three-dimensional structure as shown in FIG. In the example of FIG. 2, a spherical stainless steel spherical body having a radius of 0.5 mm as a scattering body may be periodically arranged so as to have a lattice constant of 1.0 mm to produce a sonic focusing apparatus having a hexahedral unit structure . At this time, the lattice constant means one side of the unit structure (a = b = c = 1.0). And, the base material can be water. In FIG. 2, the lattice, that is, the shape of the unit structure is a cubic shape, but it is not limited thereto, and it may have a polyhedral shape and be periodically arranged.

여기서, 단위 구조가 3차원 구조를 가짐에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치(100)를 투과하여 진행한 음파는 3차원 공간상에서의 공간적 집속이 이루어질 수 있으며, 집속영역인 초점에서 형성되는 음파의 강도 분포가 길이 및 폭 방향 모두 같은 길이를 가지는 형태로 나타나게 될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치(100)는 음파를 특정 지점에 정밀하게 집속하는 것이 가능하다. 이때, 산란체의 크기, 단위 구조, 격자상수 등은 구현하고자하는 집속 위치 및 구동하고자 하는 음파의 주파수 등에 의해 가변적으로 변경될 수 있다. Here, since the unit structure has a three-dimensional structure, the sound waves transmitted through the acoustic focusing device 100 according to the embodiment of the present invention can be focused on the three-dimensional space, The intensity distribution of the sound waves to be formed may appear in a form having the same length in both the length and width directions. That is, the sonar 100 according to the embodiment of the present invention can precisely concentrate the sound waves at specific points. At this time, the size of the scatterer, the unit structure, the lattice constant, and the like can be variably changed depending on the focusing position to be implemented and the frequency of a sound wave to be driven.

이러한 구성에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치(100)는 음향 메타물질의 주요 파동 특이 현상 중 하나의 음의 굴절(negative refraction)이 발생하며, 특정지점에서 발생하는 음파가 음파 집속장치(100)를 통과함으로써 반대편의 일정 지점에서 집속될 수 있다. 이는 도4의 예시도를 통해 확인할 수 있다. According to this configuration, the sound wave focusing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention generates negative refraction of one of the main wave-specific phenomena of the acoustic meta-material, And may be focused at a certain point on the opposite side by passing through the apparatus 100. This can be confirmed through the exemplary diagram of FIG.

이때, 도3 (a)는 전파매질이 물인 경우에 비집속형 트랜스듀서 즉, 음파발생장치(200)에서 전파매질에 송출되는 음파의 거동을 예시한 것이고, 도3(b)는 도3(a)와 같은 전파환경에서 음파 집속장치(100)를 음파발생장치(200)에서 발생하는 음파의 전파경로에 위치시켰을 경우의 음파의 거동을 예시한 것이다. 여기서, 도3(a)와 도3(b)의 동일 영역 상에서 음파 집속장치(100)가 없을 경우에 발산하던 음파가 음파 집속장치(100)를 통과한 뒤에는 일 지점으로 수렴되며 전파되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 도4(b)의 음파 집속장치(100)는 기저물질(110)이 전파매질과 동일한 물질이며, 기저물질(110)인 전파매질 내 산란체(120)가 주기적인 배열을 이루는 구조이다. 3 (a) illustrates the behavior of a sound wave to be transmitted to the radio wave medium in the non-focusing transducer, that is, the sound wave generator 200 when the radio wave medium is water, and FIG. 3 (b) the behavior of a sound wave in the case where the sonicator 100 is placed in the propagation path of the sonic wave generated in the sonic wave generator 200 in a propagation environment as shown in FIG. Here, when the sound wave focusing apparatus 100 is not present on the same area as in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the sound wave that has diverged is converged to one point after passing through the sound wave focusing apparatus 100, . 4B is a structure in which the base material 110 is the same material as the propagation medium and the scattering bodies 120 in the propagation medium as the base material 110 are periodically arranged .

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치(100)는 지지체(130)를 더 포함하여 구성된다.Meanwhile, the sound wave focusing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention further includes a support body 130.

지지체(130)는 유체인 기저물질(110) 내 산란체(120)의 배열이 유지되도록 산란체(120)를 지지한다.The support 130 supports the scatterer 120 to maintain the arrangement of the scatterers 120 in the base material 110, which is a fluid.

일 예로, 지지체(130)는 도1에 도시된 바와 같이, 다수개의 홀이 주기적으로 형성되어 산란체(120)를 삽입 가능하도록 마련될 수 있다. 이때, 기저물질(110)이 음파 집속장치(100)의 외부환경인 음파 전파매질과 상이한 물질인 경우에는 음파 집속장치(100)와 전파매질의 경계면에 별도의 경계막(미도시)이 추가 위치할 수 있다. 이 경우에 경계막은 전파매질과 유사한 음향 임피던스를 가지는 물질로 제작되는 것이 바람직하다. For example, as shown in FIG. 1, the support 130 may be provided so that a plurality of holes are periodically formed to insert the scattering body 120 therein. In this case, when the base material 110 is a material different from the sound wave propagation medium that is the external environment of the sound wave focusing device 100, a separate boundary film (not shown) is added to the interface between the sound wave focusing device 100 and the wave medium can do. In this case, the boundary film is preferably made of a material having an acoustic impedance similar to that of the radio wave medium.

또 다른 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치(100)의 단위구조가 3차원 구조를 가지는 경우에, 지지체(130)는 적어도 한 변의 길이가 어느 한 열에 배열되는 산란체(120)의 수와 산란체(120)의 지름을 곱한 수치 이상의 길이를 가지는 다면체 형상으로 마련될 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이 육면체 형상의 지지체(130) 내부에 기저물질(110)과 산란체(120)가 위치할 수 있으며, 이 경우, 지지체(130)를 투과하여 기저물질(110) 및 산란체(120)로 이루어진 구간을 진행하는 음파가 지지체(130)에 의해 투과손실이 발생하지 않도록 음파의 투과손실이 가장 적은 재료로 마련될 수 있다. 즉, 지지체(130)는 음파의 전파매질과 유사한 음향 임피던스를 가지는 물질로 제작되는 것이 바람직하다. In another embodiment, when the unit structure of the sonic focusing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention has a three-dimensional structure, the support body 130 may include a scattering body 120 having at least one side of which is arranged in a row, The length of which is equal to or greater than a value obtained by multiplying the diameter of the scatterer 120 by the number of the scatterers 120. [ 2, the base material 110 and the scattering body 120 may be positioned inside the hexahedral support body 130. In this case, the base body 110 and the scattering body 120 may be formed by transmitting through the support body 130, The sound wave propagating through the section including the body 120 may be formed of a material having the smallest transmission loss of sound waves so that transmission loss is not caused by the support body 130. That is, the support 130 is preferably made of a material having an acoustic impedance similar to the propagation medium of a sound wave.

<음파 <Sound waves 집속장치에To the focusing device 의한 음파  Sound wave by 집속방법에How to focus 관한 설명> Description>

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치를 투과하는 음파의 진행을 개략적으로 도시한 개략도이고, 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속장치에 의한 음파 집속방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 4 is a schematic view showing the progress of a sound wave transmitted through a sound wave focusing device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view illustrating a sound wave focusing method by a sound wave focusing device according to an embodiment of the present invention FIG.

1. 배치단계<S100>1. Batch step <S100>

배치단계(S100)는 음파발생장치(200)에서 송출되는 음파의 전파경로에 유체로 이루어진 기저물질(110) 및 기저물질(110) 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체(120)로 구성된 음파 집속장치(100)를 배치하는 단계이다.The placement step S100 includes a base material 110 made of a fluid and a plurality of scatterers 120 periodically arranged in the base material 110 in a propagation path of a sound wave emitted from the sound wave generator 200, And arranging the apparatus 100 in this step.

이때, 음파 집속장치(100)에 대한 자세한 설명은 상술하였기에 중복되는 설명은 생략하고자 한다.Since the detailed description of the sonic focusing apparatus 100 has been described above, duplicate explanations are omitted.

또한, 배치단계(S100) 이전에, 원하는 지점에 음파를 집속시키기 위하여 음파발생장치(200) 및 음파 집속장치(100)의 배치위치와 더불어 음파 집속장치(100)의 단위 구조, 음파 집속장치(100)의 전체 구조 등을 결정하는 시뮬레이션 단계가 선행될 수 있다.In addition, in order to focus the sound waves at desired points before the placement step S100, the unit structure of the sound focusing apparatus 100, the position of the sound focusing apparatus 100 and the position of the sound focusing apparatus 100, 100 may be preceded by a simulation step.

2. 입사단계<S200>2. Inclusion phase <S200>

입사단계(S200)는 음파발생장치(100)에서 송출된 음파가 음파 집속장치에 입사되는 단계이다. 이때, 도3에 도시된 바와 같이, 음파는 전파매질과 음파 집속장치(100) 간의 음속 및 밀도 차이에 의해 음파 집속장치(100)에 입사하는 입사각에 따라 입사 시 최초 접하는 입사면(IF)을 기준으로 굴절한다. 그러나, 이때의 굴절은 정상적인 굴절 방향 즉, 양의 굴절(positive refraction) 방향이 아닌 반대 방향 즉, 음의 굴절(negative refraction) 방향으로 굴절이 이루어진다. 만약 음파가 음파 집속장치(100)에 입사하는 경우에 입사면(IF)에서 일반적인 방향으로 굴절한다면 음파 집속장치(100)를 통과한 음파는 일 지점에서 집속될 수 없다. 이때, 음파 집속장치(100)와 수직으로 진행하는 음파는 굴절 없이 음파 집속장치(100)를 통과하게 된다.In the incidence step S200, the sound wave emitted from the sound wave generator 100 is incident on the sound wave focusing apparatus. As shown in FIG. 3, according to the sound velocity and the density difference between the propagation medium and the sonic focusing apparatus 100, the sound wave is incident on the sonic focusing apparatus 100 at an incident angle IF Refract by reference. However, the refraction at this time is refracted in the direction opposite to the normal refraction direction, that is, the direction of positive refraction, that is, the direction of negative refraction. If a sound wave is incident on the sound focusing apparatus 100 and the light is refracted in the general direction on the incident surface IF, the sound waves passing through the sound focusing apparatus 100 can not be focused at one point. At this time, the sound waves traveling perpendicular to the sound focusing apparatus 100 pass through the sound focusing apparatus 100 without refraction.

3. 투과단계<S300>3. Transmission step <S300>

투과단계(S300)는 입사단계(S200)에서 음파 집속장치(100)에 입사된 음파가 음파 집속장치(100) 내부를 투과하여 외부로 전파되는 단계이다. 이때, 도3에 도시된 바와 같이, 음파는 음파 집속장치(100) 내부를 통과하는 음파의 전파 각도에 따라 상기 음파 집속장치(100)에서 외부로 전파될 때 접하는 투과면(TF)을 기준으로 굴절한다. 그러나, 이때의 굴절은 정상적인 굴절 방향 즉, 양의 굴절(positive refraction) 방향이 아닌 반대 방향 즉, 음의 굴절(negative refraction) 방향으로 굴절이 이루어진다. 좀 더 자세히 설명하자면, 음파가 음파 집속장치(100)를 통과할 때 음파 집속장치(100) 내에서 간섭이 발생하고, 음의 굴절에 의하여 진행파(propagating wave)의 경우 특정 지점에 집속되고, 감쇠파(evanescent wave)의 경우에는 진폭이 감쇠되지 않고 다시 증폭되어 결과적으로 특정 지점에서의 집속이 이루어지게 된다. The transmission step S300 is a step in which the sound waves incident on the sonic focusing apparatus 100 in the incidence step S200 are transmitted through the interior of the sonic focusing apparatus 100 and propagated to the outside. As shown in FIG. 3, the sound wave is transmitted from the sound wave focusing apparatus 100 with respect to the transmitting surface TF, which is touched when the sound wave propagates to the outside according to the propagation angle of the sound wave passing through the inside of the sound wave focusing apparatus 100 Refract. However, the refraction at this time is refracted in the direction opposite to the normal refraction direction, that is, the direction of positive refraction, that is, the direction of negative refraction. More specifically, when a sound wave passes through the sonar 100, interference occurs in the sonar 100, and when a propagating wave is caused by negative refraction, it is focused at a specific point, In the case of an evanescent wave, the amplitude is not attenuated but amplified again, resulting in focusing at a particular point.

4. 4. 집속단계Focusing stage <S400>&Lt; S400 >

집속단계(S400)는 투과단계(S400)에서 음파 집속장치를 투과한 음파가 일 지점에 집속되는 단계이다. 이때, 음파 집속장치(100)에 의해 집속된 음파는 기존에는 불가능한 반파장 이상의 더 정밀한 영역에서의 집속이 이루어질 수 있다. 이때, 3차원 구조의 단위 구조가 주기적으로 배열된 음파 집속장치(100)를 투과하여 진행한 음파는 집속영역(FZ)인 초점에서 형성되는 음파의 강도 분포가 길이 및 폭 방향 모두 같은 형태로 나타나며, 3차원 공간상에서의 공간적 집속이 이루어질 수 있다.The focusing step S400 is a step in which the sound waves transmitted through the sound focusing device in the transmission step S400 are focused on one point. At this time, the sound waves focused by the sonic focusing apparatus 100 can be converged in a more precise region of a half wavelength or more, which is impossible in the past. At this time, The intensity distribution of the sound waves formed at the focal point, which is the focusing area FZ, is the same in both the length and the width direction, and the sound waves transmitted through the sound focusing device 100 having the three- Spatial focusing in a dimensional space can be achieved.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. And the scope of the present invention should be understood as the scope of the following claims and their equivalents.

100 : 음파 집속장치
110 : 기저물질
120 : 산란체
130 : 지지체
IF : 입사면
TF : 투과면
FZ : 집속영역
200 : 음파 발생장치100: sonar concentrator
110: Base material
120: scatterer
130: Support
IF: incidence plane
TF: Transmissive surface
FZ: focusing area
200: sound wave generator

Claims (7)

유체(fluid)로 이루어진 기저물질(host material); 및
상기 기저물질 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체;를 포함하며,
상기 기저물질 내 상기 산란체의 주기적인 배열을 최소 단위로 단순화한 단위 구조(unit cell)가 상기 기저물질에 의해 상기 산란체가 둘러싸인 형태를 이루고,
상기 다수개의 산란체 중 하나의 산란체 중심축과 상기 하나의 산란체와 인접한 또 다른 하나의 산란체의 중심축이 이루는 간격과 대응되는 상기 단위 구조의 간격이 음파발생장치에서 발생하는 음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가지며, 음파가 투과할 경우에 상기 음파를 일 지점에 집속(focusing) 시키는 것을 특징으로 하는
음파 집속장치.
A host material comprising a fluid; And
A plurality of scatterers arranged periodically in the base material,
A unit cell in which the scattering body is simplified by uniting the periodic arrangement of the scattering body in the base material to a minimum unit is formed by the scattering body surrounded by the base material,
Wherein the distance between the center axis of one of the plurality of scatterers and the center axis of the one scatterer and the center axis of another scatterer adjacent to the scatterer, And has a length equal to or less than the length of the wavelength, and focuses the sound wave at one point when the sound wave is transmitted
Acoustic wave focusing device.
제1항에 있어서,
상기 산란체는 구 형상, 다면체 형상, 기둥 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는
음파 집속장치.
The method according to claim 1,
Characterized in that the scattering body is provided in at least one of a spherical shape, a polyhedral shape, and a columnar shape
Acoustic wave focusing device.
제2항에 있어서,
상기 단위 구조는 3차원 구조를 가지는 것을 특징으로 하는
음파 집속장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the unit structure has a three-dimensional structure
Acoustic wave focusing device.
제2항에 있어서,
상기 기저물질은 상기 음파발생장치에서 발생하는 음파가 상기 음파 집속장치에 도달하는데 이용되는 전파매질과 동일한 종류인 것을 특징으로 하는
음파 집속장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the base material is of the same kind as the propagation medium used for the sound waves generated in the sound wave generator to reach the sound wave focusing device
Acoustic wave focusing device.
제3항에 있어서,
상기 산란체의 배열이 유지되도록 상기 산란체를 지지하는 지지체; 를 더 포함하고,
상기 지지체는 적어도 한 변의 길이가 어느 한 열에 배열되는 상기 산란체의 수와 상기 산란체의 지름을 곱한 수치 이상의 길이를 가지는 다면체 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는
음파 집속장치.
The method of claim 3,
A support for supporting the scatterer to maintain the arrangement of the scatterers; Further comprising:
Characterized in that the support is provided in a polyhedral shape having a length at least equal to a value obtained by multiplying the number of the scatterers arranged at any one of the columns in the length of at least one side by the diameter of the scatterer
Acoustic wave focusing device.
음파발생장치에서 송출되는 음파의 전파 경로에 유체로 이루어진 기저물질 및 상기 기저물질 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체로 구성된 음파 집속장치를 배치하는 배치단계;
상기 음파발생장치에서 송출된 음파가 상기 음파 집속장치에 입사되는 입사단계;
상기 입사단계에서 상기 음파 집속장치에 입사된 음파가 상기 음파 집속장치 내부를 투과하여 상기 음파 집속장치 외부로 전파되는 투과단계; 및
상기 투과단계에서 상기 음파 집속장치를 투과한 음파가 일 지점에 집속되는 집속단계;를 포함하고,
상기 입사단계에서 음파는 입사각에 따라 상기 음파 집속장치에 입사할 때 최초 접하는 입사면을 기준으로 굴절하며,
상기 투과단계에서 음파는 상기 음파 집속장치 내부를 통과하는 음파의 전파 각도에 따라 상기 음파 집속장치에서 외부로 전파될 때 접하는 투과면을 기준으로 굴절하는 것을 특징으로 하는
음파 집속장치에 의한 음파 집속방법.
A disposing step of disposing a sound wave focusing device composed of a base material made of a fluid in a propagation path of a sound wave emitted from the sound wave generator and a plurality of scatterers arranged periodically in the base material;
An incidence step in which a sound wave emitted from the sound wave generator is incident on the sound wave focusing apparatus;
A transmitting step in which the sound waves incident on the sound wave focusing device in the incidence step are transmitted through the inside of the sound wave focusing device and propagated outside the sound wave focusing device; And
And a convergence step of converging the sound wave transmitted through the sound wave focusing device at one point in the transmission step,
In the incidence step, the sound waves refract on the basis of the incidence surface which is initially touched when the incandescent lamp is incident on the sonic focusing device,
Wherein the sound wave is refracted with respect to a transmitting surface that is in contact with the sound wave when the sound wave propagates from the sound wave focusing device to the outside according to a propagation angle of the sound wave passing through the inside of the sound wave focusing device
A method of sound wave focusing by a sonic focusing device.
제6항에 있어서,
상기 입사단계 및 투과단계에서 상기 음파 집속장치에 의해 이루어지는 음파의 굴절은 정상적인 굴절방향과 반대 방향으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
음파 집속장치에 의한 음파 집속방법. The method according to claim 6,
Wherein refraction of a sound wave generated by the sonic focusing device in the incidence step and the transmission step is performed in a direction opposite to a normal refraction direction
A method of sound wave focusing by a sonic focusing device.
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