KR20200127847A - Anisotropic media for full transmission of obliquely incident elastic waves - Google Patents

Anisotropic media for full transmission of obliquely incident elastic waves Download PDF

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KR20200127847A
KR20200127847A KR1020200014525A KR20200014525A KR20200127847A KR 20200127847 A KR20200127847 A KR 20200127847A KR 1020200014525 A KR1020200014525 A KR 1020200014525A KR 20200014525 A KR20200014525 A KR 20200014525A KR 20200127847 A KR20200127847 A KR 20200127847A
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Abstract

An embodiment of the present invention is to provide an anisotropic medium for the complete transmission of obliquely incident elastic waves considering both longitudinal and transverse waves by using an anisotropic medium designed to completely transmit an elastic wave of the desired mode when the elastic wave is obliquely incident at the boundary of different media. The anisotropic medium for complete transmission of obliquely incident elastic waves according to an embodiment of the present invention comprises: an incident medium through which incident elastic waves that are obliquely incident at a predetermined tilt angle are transmitted, including longitudinal and transverse waves; a transmission medium through which transmission elastic waves including longitudinal and transverse waves are transmitted; and an anisotropic medium provided between the incident medium and the transmission medium to block transmission of a preset reflected elastic wave and completely transmit the transmitted elastic wave in a preset transmission mode by satisfying a preset complete transmission condition, wherein the complete transmission condition includes the phase matching condition of Equation (1) representing the wave number relationship of the eigenmode, which is represented by mutual coupling of longitudinal and transverse waves in the anisotropic medium and the polarization matching condition of Equation (2) representing the relationship between the polarization vector and the amplitude of the eigenmode.

Description

경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질{ANISOTROPIC MEDIA FOR FULL TRANSMISSION OF OBLIQUELY INCIDENT ELASTIC WAVES}Anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves{ANISOTROPIC MEDIA FOR FULL TRANSMISSION OF OBLIQUELY INCIDENT ELASTIC WAVES}

본 발명은 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질에 관한 것이다.The present invention relates to an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves.

일반적으로, 서로 다른 매질의 경계에 파동이 입사하면 필연적으로 일부 파동은 반사되고, 일부 파동만 투과한다. 그러나 표적 시스템으로 파동을 완전히 투과시키는 것은 산업 현장의 주요 관심사이다. 이러한 상황에서 파동의 투과율을 극대화시키는 기술은 지속적으로 연구되어 왔다. 파동의 완전투과란 한 매질에서 입사한 파동이 100% 효율로 다른 매질로 투과하는 현상을 의미한다.In general, when a wave is incident on the boundary between different media, some waves are inevitably reflected and only some waves are transmitted. However, the complete transmission of the wave into the target system is a major concern in the industrial field. In this situation, techniques for maximizing the transmittance of waves have been continuously studied. Complete transmission of a wave means a phenomenon in which a wave incident from one medium is transmitted to another medium with 100% efficiency.

고전적인 완전투과 기술로는 단일모드에 적용되는 파브리-페로 공진 현상과 임피던스 매칭 기술이 있다. 동일한 매질의 경계에 단일계층의 매질이 삽입되어 있는 경우, 계층의 두께가 입사파 파장 절반의 정수배가 되면 파동이 계층을 완전투과하게 되는데 이를 파브리-페로 공진현상이라고 한다. 서로 다른 매질의 경계에 단일계층의 매질이 삽입되어 있는 경우, 계층의 두께가 입사파 파장 1/4의 정수배가 되고 계층의 임피던스가 두 매질의 임피던스의 기하평균이면 파동이 계층을 완전투과하게 되고, 이를 임피던스 매칭이라고 한다.Classic full-transmission techniques include Fabry-Perot resonance and impedance matching techniques applied to single mode. When a single layer of medium is inserted at the boundary of the same medium, when the thickness of the layer becomes an integer multiple of half the wavelength of the incident wave, the wave completely penetrates the layer, which is called a Fabry-Perot resonance phenomenon. When a single layer of media is inserted at the boundary between different media, the layer thickness becomes an integer multiple of 1/4 of the incident wave wavelength, and when the layer's impedance is the geometric average of the impedances of the two media, the wave completely penetrates the layer. , This is called impedance matching.

탄성파는 매질을 구성하는 원자간 결합으로 인해 종파와 횡파가 모두 존재하여 매질 경계에서의 반사 및 투과가 훨씬 복잡하게 일어난다. 종래 탄성파 완전투과 기술의 가장 큰 한계는 수직입사에 국한된다는 점이다. 일반적으로 탄성파가 서로 다른 매질의 경계에 경사입사 하게 되면 종파와 횡파가 모두 반사되고, 종파와 횡파가 모두 투과되게 된다. 기존 기술로는 이러한 상황에서 원하는 모드의 탄성파를 표적 시스템으로 완전히 투과시킬 수 없다. 그러나 경사입사 탄성파는 시편 결함의 광범위한 비파괴검사에 활용되는 등 그 산업적 활용도가 크며, 기존의 기술적 한계인 경사입사 탄성파의 낮은 투과율을 극복할 수 있는 기술이 요구되는 상황이다.Seismic waves have both longitudinal and transverse waves due to the interatomic bonds that make up the medium, so that reflection and transmission at the boundary of the medium are much more complicated. The biggest limitation of the conventional seismic complete transmission technology is that it is limited to vertical incidence. In general, when an elastic wave is obliquely incident on the boundary of different media, both longitudinal and transverse waves are reflected, and both longitudinal and transverse waves are transmitted. Existing technologies cannot completely transmit the desired mode of acoustic waves to the target system in this situation. However, the oblique incident seismic wave is widely used for non-destructive testing of specimen defects, and has great industrial application, and a technology capable of overcoming the low transmittance of oblique incident seismic waves, which is a technical limitation, is required.

본 발명의 실시예는 서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 경사입사했을 때 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시키도록 설계된 이방성 매질을 이용하여 종파와 횡파를 모두 고려한 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention is to provide an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves considering both longitudinal and transverse waves by using an anisotropic medium designed to completely transmit the seismic wave of a desired mode when the seismic wave is obliquely incident on the boundary of different media. For.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 종파와 횡파를 포함하며 미리 설정된 경사각도를 갖고 경사입사하는 입사탄성파가 투과되는 입사매질, 종파와 횡파를 포함하는 투과탄성파가 투과되는 투과매질, 그리고 입사매질과 투과매질 사이에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 투과는 차단하고, 미리 설정된 투과모드의 투과탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함하며, 완전투과 조건은 이방성 매질 내에서 종파와 횡파의 상호 결합으로 나타나는 고유모드의 파수 관계를 나타내는 수학식(1)의 위상매칭조건, 그리고 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타내는 수학식(2)의 편광매칭조건을 포함한다.The anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention includes a longitudinal wave and a transverse wave, and an incident medium through which an incident acoustic wave obliquely incident with a predetermined inclination angle is transmitted, and a transmission acoustic wave including a longitudinal and transverse wave is transmitted. It includes a transmission medium, and an anisotropic medium that is provided between the incident medium and the transmission medium to block transmission of a preset reflected acoustic wave as it satisfies a preset complete transmission condition, and completely transmits the transmitted acoustic wave of a preset transmission mode, The complete transmission condition is the phase matching condition of Equation (1), which represents the wave number relationship of the eigenmode, which is represented by the mutual coupling of the longitudinal wave and the transverse wave, in the anisotropic medium, and the Equation (2) ) Polarization matching conditions are included.

수학식(1)Equation (1)

Figure pat00001
Figure pat00001

(

Figure pat00002
: 고유모드 i의 파수(i=1,2,3,4), d: 이방성 매질의 두께, l, m, n: 정수)(
Figure pat00002
: Wave number of eigenmode i (i=1,2,3,4), d: thickness of anisotropic medium, l, m, n: integer)

수학식(2)Equation (2)

Figure pat00003
Figure pat00003

(

Figure pat00004
: 입사종파의 입사각,
Figure pat00005
: 입사횡파의 입사각,
Figure pat00006
: 투과종파의 굴절각,
Figure pat00007
: 투과횡파의 굴절각,
Figure pat00008
: 고유모드 i의 파수,
Figure pat00009
: 고유모드 i의 편광벡터,
Figure pat00010
: 고유모드 i의 변위진폭(i=1,2,3,4))(
Figure pat00004
: Incident angle of incident longitudinal wave,
Figure pat00005
: Incident angle of incident transverse wave,
Figure pat00006
: Refraction angle of transmission longitudinal wave,
Figure pat00007
: Refraction angle of transmitted transverse wave,
Figure pat00008
: Wave number of eigenmode i,
Figure pat00009
: Polarization vector of eigenmode i,
Figure pat00010
: Displacement amplitude of eigenmode i (i=1,2,3,4))

입사매질과 투과매질은 서로 다른 매질을 포함할 수 있다.The incident medium and the transmission medium may include different media.

이방성 매질은 입사매질과 투과매질 사이에서 입사매질의 경계면과 투과매질의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접할 수 있다.The anisotropic medium may be in contact with each other by surface contact between the incident medium and the transmission medium to the interface of the incident medium and the interface of the transmission medium.

투과모드는 입사탄성파와 투과탄성파의 모드가 같은 보존모드, 그리고 입사탄성파와 투과탄성파의 모드가 변환되는 변환모드를 포함할 수 있다.The transmission mode may include a storage mode in which the modes of the incident acoustic wave and the transmitted acoustic wave are the same, and a conversion mode in which the modes of the incident acoustic wave and the transmitted acoustic wave are converted.

이방성 매질은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함할 수 있다. 탄성메타물질은 단위 셀의 미소구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열될 수 있다. 여기서, 미소구조는 직사각형과 두 개의 반원을 포함하는 슬릿 형상을 가질 수 있다. 미소구조는 미리 설정된 설계변수를 포함하며, 설계변수는 단위 셀 중심에 위치한 첫 번째 슬릿의 길이(

Figure pat00011
), 반지름(
Figure pat00012
), 회전각(
Figure pat00013
)과 단위 셀 꼭지점에 위치한 두 번째 슬릿의 길이(
Figure pat00014
), 반지름(
Figure pat00015
), 회전각(
Figure pat00016
), 단위 셀의 크기(a), 단위 셀의 개수(
Figure pat00017
)를 포함할 수 있다.The anisotropic medium may include an elastic metamaterial including a predetermined microstructure. In the elastic meta material, the microstructures of the unit cells may be periodically arranged in the vertical and horizontal directions. Here, the microstructure may have a slit shape including a rectangle and two semicircles. The microstructure includes a preset design variable, and the design variable is the length of the first slit located at the center of the unit cell (
Figure pat00011
), radius(
Figure pat00012
), rotation angle (
Figure pat00013
) And the length of the second slit at the vertex of the unit cell (
Figure pat00014
), radius(
Figure pat00015
), rotation angle (
Figure pat00016
), size of unit cell (a), number of unit cells (
Figure pat00017
) Can be included.

서로 다른 입사매질과 투과매질의 경계에서 종파와 횡파를 모두 고려한 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 통해 서로 다른 입사매질과 투과매질에 대하여 경사입사한 탄성파를 보존모드 (종파->종파, 횡파->횡파) 또는 변환모드(종파->횡파, 횡파->종파)로 완전투과 시킬 수 있는 효과가 있다. At the boundary between different incidence media and transmission media, the oblique incident seismic wave that considers both longitudinal and transverse waves is preserved through anisotropic media for complete transmission of the seismic waves inclined to different incident media and transmission media (longitudinal wave -> longitudinal wave, transverse wave- > Transverse wave) or conversion mode (longitudinal wave -> transverse wave, transverse wave -> longitudinal wave) has the effect of completely transmitting.

또한, 산업적으로는 시편 결함의 광범위한 비파괴검사에 활용되는 탄성초음파의 투과율을 개선하는 등의 효과가 있다.In addition, industrially, there is an effect such as improving the transmittance of elastic ultrasonic waves used for a wide range of non-destructive testing of defects in specimens.

도 1은 입사매질에서 투과매질로 입사탄성파가 경사입사하는 상황을 도시한 도면이다.
도 2는 입사매질과 투과매질의 경계에 공학적으로 설계된 이방성 매질을 삽입하여 입사탄성파가 원하는 모드의 투과탄성파로 완전투과하는 상황을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 이방성 매질을 구현하기 위해 공학적으로 설계된 탄성메타물질의 미소구조를 도시한 도면이다.
도 4는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 5a는 입사매질에 미소구조를 설계 및 제작하여 입사탄성파를 원하는 모드의 투과탄성파로 완전투과 시키는 상황을 도시한 도면이다.
도 5b는 투과매질에 미소구조를 설계 및 제작하여 입사탄성파를 원하는 모드의 투과탄성파로 완전투과 시키는 상황을 도시한 도면이다.
도 6a는 비교예에 따른 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명을 적용한 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 7a는 비교예에 따른 웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 7b는 본 발명을 적용한 메타웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 8a는 비교예에 따른 의료용 초음파 기기에서 발생한 초음파가 인체조직으로 투과하는 상황을 도시한 도면이다.
도 8b는 비교예에 따른 의료용 초음파 기기에 본 발명에서 제안하는 이방성 매질을 삽입한 뒤 인체조직으로 탄성파를 투과시키는 상황을 도시한 도면이다.
도 9는 서로 다른 두 매질의 경계에 이방성 매질을 삽입하여 입사탄성파가 입사했을 때 반사탄성파가 존재하지 않는 무반사 필름 또는 완전흡수 필름을 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a situation in which an incident acoustic wave is obliquely incident from an incident medium to a transmission medium.
FIG. 2 is a diagram showing a situation in which the incident acoustic wave is completely transmitted to the transmission acoustic wave of a desired mode by inserting an engineered anisotropic medium at the boundary between the incident medium and the transmission medium.
3 is a diagram showing a microstructure of an engineered elastic meta material to implement the anisotropic medium proposed in the present invention.
4 is a diagram showing the operating principle of an anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves.
5A is a diagram showing a situation in which a microstructure is designed and manufactured in an incident medium to completely transmit an incident acoustic wave as a transmitted acoustic wave in a desired mode.
5B is a diagram showing a situation in which a microstructure is designed and manufactured in a transmission medium to completely transmit an incident acoustic wave as a transmission acoustic wave in a desired mode.
6A is a diagram showing an operating principle of a transducer according to a comparative example.
6B is a diagram showing an operating principle of a transducer to which the present invention is applied.
7A is a view showing an operating principle of a wedge-based pipe inspection according to a comparative example.
7B is a diagram showing the operating principle of a metawedge-based pipe inspection to which the present invention is applied.
8A is a diagram illustrating a situation in which ultrasonic waves generated by a medical ultrasonic device according to a comparative example are transmitted through human tissues.
8B is a diagram showing a situation in which an anisotropic medium proposed in the present invention is inserted into a medical ultrasound device according to a comparative example, and then an elastic wave is transmitted through a human tissue.
9 is a diagram showing an antireflective film or a completely absorbing film in which the reflected acoustic wave does not exist when the incident acoustic wave is incident by inserting an anisotropic medium at the boundary between two different media.

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.The terminology used herein is for reference only to specific embodiments and is not intended to limit the invention. Singular forms as used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising" as used in the specification specifies a specific characteristic, region, integer, step, action, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, action, element, component and/or group It does not exclude the existence or addition of

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.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in a commonly used dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 비스듬히 입사하면 필연적으로 일부 파동(종파 및 횡파)은 반사되고, 일부 파동(종파 및 횡파)만 투과한다. 이러한 상황에 대한 개념도는 도 1에 나타난다.When an acoustic wave enters the boundary of different media at an angle, some waves (longitudinal and transverse waves) are inevitably reflected, and only some waves (longitudinal and transverse waves) are transmitted. A conceptual diagram for this situation is shown in FIG. 1.

도 1은 입사매질(101)에서 투과매질(102)로 입사탄성파(103)가 비스듬히 입사하는 상황을 도시한다. 여기서, 입사탄성파(103)는 일반성을 잃지 않고 종파로 가정할 수 있다. 그리고 입사탄성파(103)는 횡파인 경우에도 같은 논리의 적용이 가능하다. 일반적인 경우 반사되는 종파(104), 반사되는 횡파(105), 투과하는 종파(106), 투과하는 횡파(107)가 모두 존재한다. 반사되는 파동의 반사각과 세기, 투과되는 파동의 굴절각과 세기는 입사매질과 반사매질의 물성, 입사탄성파의 입사각(108)에 의해 결정된다.1 shows a situation in which an incident acoustic wave 103 is incident at an angle from the incident medium 101 to the transmission medium 102. Here, the incident acoustic wave 103 can be assumed to be a longitudinal wave without losing generality. In addition, the same logic can be applied even when the incident elastic wave 103 is a transverse wave. In general, the reflected longitudinal wave 104, the reflected transverse wave 105, the transmissive longitudinal wave 106, and the transmissive transverse wave 107 are all present. The reflection angle and intensity of the reflected wave and the refractive angle and intensity of the transmitted wave are determined by the incident medium and the physical properties of the reflection medium, and the incident angle 108 of the incident acoustic wave.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 공학적으로 종파와 횡파를 모두 고려하여 설계된 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 서로 다른 매질의 경계에 삽입함으로써 서로 다른 매질의 경계에 탄성파가 경사 입사했을 때 원치 않는 반사탄성파를 없애고 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시키는 경사입사 탄성파 완전투과를 구현할 수 있다. 이에 대한 개념도는 도 2에 나타난다.The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves according to an embodiment of the present invention is engineered in consideration of both longitudinal and transverse waves, and inserts the anisotropic medium for complete transmissive oblique incident seismic waves into the boundaries of different media. When is obliquely incident, it is possible to realize complete transmission of the oblique incident acoustic wave in which unwanted reflected acoustic waves are removed and the acoustic waves of a desired mode are completely transmitted. A conceptual diagram for this is shown in FIG. 2.

도 2는 입사매질(201)과 투과매질(202) 사이에 이방성 매질(203)을 삽입하여 입사탄성파(204)가 투과탄성파(205)로 완전투과하는 상황을 도시한다. 일반적인 탄성파의 반사 및 투과와 달리 원치 않는 반사탄성파가 없으며, 원하는 모드의 탄성파가 완전투과된다. 입사탄성파(204)는 종파 또는 횡파가 될 수 있으며, 투과탄성파(205)도 종파 또는 횡파가 될 수 있어 총 4가지 형태의 완전투과(종파->종파, 횡파->횡파, 종파->횡파, 횡파->종파)가 가능하며 이는 서로 다른 이방성 매질(203)을 통해 구현할 수 있다. 이때 입사탄성파(204)와 투과탄성파(205)의 모드가 같은 경우를 보존모드(종파->종파, 횡파->횡파) 완전투과라 하고, 입사탄성파(204)와 투과탄성파(205)의 모드가 다른 경우를 변환모드(종파->횡파, 횡파->종파) 완전투과라 한다.FIG. 2 shows a situation in which an anisotropic medium 203 is inserted between the incident medium 201 and the transmission medium 202 so that the incident acoustic wave 204 completely passes through the transmitted acoustic wave 205. Unlike reflection and transmission of general acoustic waves, there are no unwanted reflected acoustic waves, and acoustic waves of a desired mode are completely transmitted. The incident elastic wave 204 may be a longitudinal wave or a transverse wave, and the transmitted elastic wave 205 may be a longitudinal wave or a transverse wave, so there are four types of complete transmission (longitudinal -> longitudinal, transverse -> transverse, longitudinal -> transverse, Transverse wave -> longitudinal wave) is possible, which can be implemented through different anisotropic media 203. At this time, a case in which the incident acoustic wave 204 and the transmitted acoustic wave 205 have the same mode is referred to as a storage mode (longitudinal wave -> longitudinal wave, transverse wave -> transverse wave), and the mode of the incident elastic wave 204 and the transmitted elastic wave 205 The other case is called full transmission in the conversion mode (longitudinal wave -> transverse wave, transverse wave -> longitudinal wave).

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 설계 시스템이 주어졌을 때(주파수, 입사각, 입사탄성파의 모드, 투과탄성파의 모드, 입사매질의 물성, 투과매질의 물성, 이방성 매질의 두께 등이 결정되어 있는 상황) 경사 입사한 입사탄성파(204)를 원하는 모드의 투과탄성파(205)로 표적 시스템에 완전히 투과시키기 위해 이방성 매질(203)이 만족해야 하는 수식적인 조건을 제시한다. 이를 위해서는 이방성 매질(203)이 두 조건을 만족해야 한다. 하나는 위상매칭조건(phase matching condition)이고, 다른 하나는 편광매칭조건(polarization matching condition)이다.The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention is provided with a design system (frequency, angle of incidence, mode of incident acoustic wave, mode of transmitted acoustic wave, physical properties of incident medium, physical properties of transmission medium, and anisotropic medium). A situation in which the thickness, etc. is determined) In order to completely transmit the incident acoustic wave 204 incident obliquely to the target system as the transmission acoustic wave 205 of a desired mode, a mathematical condition that the anisotropic medium 203 must satisfy is presented. For this, the anisotropic medium 203 must satisfy two conditions. One is a phase matching condition, and the other is a polarization matching condition.

이방성 매질(203)에서는 종파와 횡파가 서로 결합되어 나타나며, 총 4개의 고유모드가 존재한다. 각 고유모드의 파수를

Figure pat00018
, 편광벡터를
Figure pat00019
, 변위진폭을
Figure pat00020
라 설정한다. 위상매칭조건은 고유모드의 파수 사이의 관계를 나타낸다. 입사경계면과 투과경계면에서 고유모드의 위상 차이는 항상 П의 정수배가 되어야 한다. 이때, 모든 위상 차이가 П의 짝수배가 되면, 완전투과가 일어날 수 없기 때문에 하나 이상의 위상 차이는 П의 홀수배가 되어야 한다. 이방성 매질의 두께를 d라 하면 위상매칭조건은 수학식 1과 같이 주어진다.In the anisotropic medium 203, a longitudinal wave and a transverse wave are combined to each other, and there are a total of four eigenmodes. The wave number of each eigenmode
Figure pat00018
, The polarization vector
Figure pat00019
, Displacement amplitude
Figure pat00020
Set d. The phase matching condition represents the relationship between the wave numbers of the eigenmodes. The phase difference of the eigenmode at the incidence boundary and the transmission boundary should always be an integer multiple of P. At this time, if all of the phase differences are even multiples of P, then one or more phase differences must be odd multiples of P, because perfect transmission cannot occur. When the thickness of the anisotropic medium is d, the phase matching condition is given by Equation 1.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00021
Figure pat00021

(

Figure pat00022
: 고유모드 i의 파수(i=1,2,3,4), d: 이방성 매질의 두께, l, m, n: 정수)(
Figure pat00022
: Wave number of eigenmode i (i=1,2,3,4), d: thickness of anisotropic medium, l, m, n: integer)

편광매칭조건은 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타낸다. 입사경계면에서 고유모드의 변위벡터 합은 입사탄성파(204)의 변위벡터와 일치해야 한다. 이 조건이 만족되면 반사되는 탄성파가 존재하지 않게 된다. 그리고 투과경계면에서 고유모드의 변위벡터 합은 원하는 모드의 투과탄성파(205)의 변위벡터와 평행해야 한다. 이 조건이 만족되면 원하는 모드(종파 또는 횡파)의 투과탄성파(205)만 순수하게 투과된다. 종합하면 이방성 매질(203)이 편광매칭조건을 만족하면 반사되는 탄성파 없이 원하는 모드의 탄성파를 완전히 투과시킬 수 있다. 편광매칭조건은 수학식 2와 같이 주어진다.The polarization matching condition represents the relationship between the polarization vector and the amplitude of the eigenmode. The sum of the displacement vectors of the eigenmode at the incidence boundary plane must match the displacement vector of the incident acoustic wave 204. When this condition is satisfied, the reflected acoustic wave does not exist. In addition, the sum of the displacement vectors of the eigenmodes in the transmission boundary plane must be parallel to the displacement vector of the transmission acoustic wave 205 of the desired mode. When this condition is satisfied, only the transmitted acoustic wave 205 of a desired mode (longitudinal wave or transverse wave) is purely transmitted. In summary, if the anisotropic medium 203 satisfies the polarization matching condition, it is possible to completely transmit the acoustic wave of the desired mode without the reflected acoustic wave. Polarization matching conditions are given as in Equation 2.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00023
Figure pat00023

(

Figure pat00024
: 입사종파의 입사각,
Figure pat00025
: 입사횡파의 입사각,
Figure pat00026
: 투과종파의 굴절각,
Figure pat00027
: 투과횡파의 굴절각,
Figure pat00028
: 고유모드 i의 파수,
Figure pat00029
: 고유모드 i의 편광벡터,
Figure pat00030
: 고유모드 i의 변위진폭(i=1,2,3,4)) (
Figure pat00024
: Incident angle of incident longitudinal wave,
Figure pat00025
: Incident angle of incident transverse wave,
Figure pat00026
: Refraction angle of transmission longitudinal wave,
Figure pat00027
: Refraction angle of transmitted transverse wave,
Figure pat00028
: Wave number of eigenmode i,
Figure pat00029
: Polarization vector of eigenmode i,
Figure pat00030
: Displacement amplitude of eigenmode i (i=1,2,3,4))

수학식 1과 수학식 2에 포함되는 문자는 주파수, 입사각, 입사탄성파(204)의 모드, 투과탄성파(205)의 모드, 입사매질(201)의 물성, 투과매질(202)의 물성, 이방성 매질(203)의 두께가 주어진 경우 이방성 매질(203)의 물성으로 표현 가능하다. 그리고 이방성 매질(203)의 물성은 질량밀도(ρ)와 6개의 탄성계수(C11, C22, C66, C12, C16, C26)로 주어지므로 총 7개의 설계 변수를 포함할 수 있다. 즉, 만족해야하는 수식의 개수(6개) 보다 설계 변수의 개수(7개)가 더 많기 때문에, 원하는 설계 시스템에 대해서 이방성 매질(203)을 적절히 설계하여 경사입사 탄성파의 완전투과를 항상 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재, 공학적으로 설계된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial) 등이 포함될 수 있다. 탄성메타물질을 이용한 이방성 매질의 구현은 구체적인 실시예에서 제시한다.The characters included in Equations 1 and 2 are frequency, angle of incidence, mode of incident acoustic wave 204, mode of transmitted acoustic wave 205, physical properties of incident medium 201, physical properties of transmission medium 202, and anisotropic medium. Given the thickness of 203, it can be expressed as the physical properties of the anisotropic medium 203. And the physical properties of the anisotropic medium 203 are given by mass density (ρ) and six elastic modulus (C 11 , C 22 , C 66 , C 12 , C 16 , C 26 ), so a total of 7 design variables can be included. have. That is, since the number of design variables (7) is more than the number of equations (6) that must be satisfied, the anisotropic medium 203 can be properly designed for a desired design system to realize full transmission of oblique incident acoustic waves at all times. . The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves according to an embodiment of the present invention may include a material existing in nature, a chemically synthesized material, a composite material, and an elastic metamaterial including an engineered microstructure. Implementation of an anisotropic medium using an elastic meta material is presented in specific examples.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 기존의 기술로는 불가능했던 경사입사 탄성파의 완전투과를 구현할 수 있다. 종래의 기술을 이용하여 서로 다른 매질의 경계에서 탄성파를 비스듬히 투과시키는 경우 필연적으로 반사탄성파가 존재하며, 이로 인해 투과탄성파의 세기가 작을 수밖에 없었다. 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 활용하면 투과탄성파의 세기를 극대화할 수 있다. 이론적으로 입사탄성파의 에너지를 원하는 모드의 투과탄성파로 전부(100%) 전달할 수 있다.The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves according to an exemplary embodiment of the present invention can realize complete transmission of oblique incident acoustic waves, which was not possible with conventional techniques. When an acoustic wave is transmitted obliquely at the boundary of different media using the conventional technique, a reflected acoustic wave is inevitably present, and thus the intensity of the transmitted acoustic wave is inevitably small. The intensity of the transmitted acoustic wave can be maximized by using an anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves. In theory, it is possible to transfer all (100%) energy of the incident acoustic wave to the transmitted acoustic wave of a desired mode.

본 발명을 활용하면 원하는 모드 이외의 투과탄성파의 세기를 0으로 만들어 순수한 모드의 투과탄성파를 투과시킬 수 있다. 종래의 기술로 입사탄성파를 순수한 종파로 비스듬히 투과시키는 방법은 존재하지 않는다. 그 이유는 횡파가 필연적으로 같이 투과되기 때문이다. 입사탄성파를 순수한 횡파로 투과시키는 종래 기술은 스넬의 임계각을 이용하는 방법이 존재한다. 그러나 이 방법의 경우 반사탄성파의 존재로 인해 에너지 효율이 낮다(플라스틱과 금속 재질의 경계에서 30% 미만)는 단점을 갖는다. 또한, 임계각 이상의 입사각을 갖는 입사탄성파에 대해서만 적용 가능하다는 한계도 존재한다. 이렇듯 종래 기술로는 구현 불가능했던 경사입사 탄성파 완전투과 현상을 본 발명을 활용하면 구현할 수 있다. By utilizing the present invention, the intensity of transmitted acoustic waves other than the desired mode is set to zero, so that the pure mode transmitted acoustic waves can be transmitted. There is no conventional technique in which incident acoustic waves are transmitted obliquely as pure longitudinal waves. The reason is that the transverse waves are necessarily transmitted together. A conventional technique for transmitting an incident acoustic wave as a pure transverse wave exists in a method using Snell's critical angle. However, this method has a disadvantage in that energy efficiency is low (less than 30% at the boundary between plastic and metal) due to the presence of reflected acoustic waves. In addition, there is also a limitation that it is applicable only to incident acoustic waves having an incident angle greater than or equal to the critical angle. As described above, the oblique incident acoustic wave complete transmission phenomenon, which was not possible with the prior art, can be implemented by using the present invention.

본 발명에서 경사입사 탄성파 완전투과를 구현하는 기술의 원리는 공진 기반이 아닌 이방성 매질 내 고유모드를 이용한 방법이어서 투과율이 주파수와 입사각의 변화에 민감하게 반응하지 않는다는 이점이 있다. 종래 기술의 경우 파브리-페로 공진을 이용할 경우 주파수와 입사각의 변화에 따라 투과율이 급격히 낮아지며, 임피던스 매칭을 이용하는 경우 입사각의 변화에 따라 투과율이 급격히 낮아지는 단점이 있다.In the present invention, the principle of the technique of implementing the oblique incident acoustic wave complete transmission is a method using an eigenmode in an anisotropic medium, not based on resonance, and thus has the advantage that the transmittance does not react sensitively to changes in frequency and angle of incidence. In the case of the prior art, when the Fabry-Perot resonance is used, the transmittance is rapidly lowered according to the change of the frequency and the incident angle, and when the impedance matching is used, the transmittance is rapidly lowered according to the change of the incident angle.

본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재 등이 활용될 수 있지만 원하는 물성을 갖는 적절한 물질을 찾거나 합성하는데 어려움이 있을 수 있다. 이에 물질의 극한물성을 자유롭게 설계 가능한 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 활용하여 이방성 매질을 구현하는 방법에 대해 설명한다.The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves according to an embodiment of the present invention may be a material existing in nature, a chemically synthesized material, a composite material, etc., but it may be difficult to find or synthesize an appropriate material having desired physical properties. have. Therefore, a method of implementing an anisotropic medium using an elastic metamaterial including microstructures that can freely design the extreme physical properties of a material will be described.

본 발명의 실시예에 적용할 탄성메타물질은 단위 셀(unit cell)에 있는 미소구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열된 구조를 갖는다. 단위 셀 내부의 미소구조에는 다양한 패턴이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 슬릿 구조를 기반으로 한 미소구조를 포함할 수 있다.The elastic metamaterial to be applied to the embodiment of the present invention has a structure in which microstructures in a unit cell are periodically arranged in vertical and horizontal directions. Various patterns can be used for the microstructure inside the unit cell. The anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention may include a microstructure based on a slit structure.

도 3은 직사각형과 두 개의 반원으로 구성된 슬릿 형태의 미소구조를 갖는 탄성메타물질을 도시한다. 슬릿 형태의 미소 구조가 갖는 설계변수에는 단위 셀 중심에 위치한 첫 번째 슬릿의 길이(

Figure pat00031
), 반지름(
Figure pat00032
), 회전각(
Figure pat00033
)과 단위 셀 꼭지점에 위치한 두 번째 슬릿의 길이(
Figure pat00034
), 반지름(
Figure pat00035
), 회전각(
Figure pat00036
), 단위 셀의 크기(a), 단위 셀의 개수(
Figure pat00037
) 등이 있다. 미소구조가 갖는 총 8개의 설계 변수를 적절히 조절하면 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 물성을 갖는 경사입사 완전투과용 이방성 매질을 설계할 수 있다. 도 3에 나타난 슬릿 형태의 미소구조의 경우 단위 셀이 상하좌우로 비대칭적인 구조를 갖기 때문에 매질의 극한 이방성을 구현하는데 더 효과적이다.3 shows an elastic meta material having a slit-shaped microstructure composed of a rectangle and two semicircles. The design variable of the slit-shaped microstructure is the length of the first slit located at the center of the unit cell (
Figure pat00031
), radius(
Figure pat00032
), rotation angle (
Figure pat00033
) And the length of the second slit at the vertex of the unit cell (
Figure pat00034
), radius(
Figure pat00035
), rotation angle (
Figure pat00036
), size of unit cell (a), number of unit cells (
Figure pat00037
), etc. If the total eight design variables of the microstructure are properly adjusted, it is possible to design an anisotropic medium for completely transmissive oblique incidence having physical properties that satisfy Equations 1 and 2. In the case of the slit-shaped microstructure shown in FIG. 3, since the unit cell has an asymmetric structure in the vertical and horizontal directions, it is more effective in realizing the extreme anisotropy of the medium.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 완전투과용 이방성 매질의 원리를 도시한다. 도 4를 참조하면, 입사매질(401)과 투과매질(402) 사이에 삽입된 이방성 매질(403)의 물성이 수학식 1과 수학식 2를 만족하도록 설계되면 입사탄성파(404)가 원하는 모드의 투과탄성파(405)로 완전히 투과될 수 있다. 이때 이방성 매질(403) 내부에서는 독특한 파동 변환(406)이 일어난다. 이방성 매질(403) 내부에서의 파동 변환(406)은 이방성 매질(403) 내부에 존재하는 4개의 고유모드(각각 407, 408, 409, 410)의 간섭에 의해 나타나는 이방성 매질(403) 내부의 변위장이다. 407은 고유모드 1의 변위장이고, 408은 고유모드 2의 변위장이다. 그리고 409는 고유모드 3의 변위장이고, 410은 고유모드 4의 변위장이다. 예를 들어, 알루미늄(ρ=2700kg/m3, E=70GPa, ν=0.33)을 입사매질, PEEK(ρ=1320kg/m3, E=4.2292GPa, ν=0.3992)를 투과매질(402)로 가정하였을 때, 90kHz의 종파가 60도의 입사각을 갖고 입사하는 경우 이방성 매질(403)의 물성이 ρ=1669.2kg/m3, C11=24.191GPa, C22=43.202GPa, C66=12.364GPa, C12=5.019GPa, C16=-3.276GPa, C26=-7.732GPa 이고, 두께가 0.05m인 경우 종파가 100% 투과되고, 이방성 매질(403)의 물성이 ρ=2610kg/m3, C11=72.699GPa, C22=95.991GPa, C66=9.9562GPa, C12=-7.84GPa, C16=10.333GPa, C26=3.2985GPa 이고, 두께가 0.05m인 경우 횡파가 100% 투과된다. 이방성 매질(403)이 존재하지 않는 경우 종파의 투과율이 39.4%, 횡파의 투과율이 20.2%에 불과한 것과 비교하면 경사입사 완전투과용 이방성 매질을 활용했을 때 종파와 횡파의 투과율이 각각 254%와 495% 증폭되었음을 알 수 있다. 예시로 든 물성 이외에도 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 적절한 물성을 갖는 이방성 매질(403)을 활용하면 경사입사 탄성파 완전투과를 구현할 수 있다.4 shows the principle of an anisotropic medium for oblique incident complete transmission according to an embodiment of the present invention. 4, if the physical properties of the anisotropic medium 403 inserted between the incident medium 401 and the transmission medium 402 are designed to satisfy Equations 1 and 2, the incident acoustic wave 404 is in a desired mode. It may be completely transmitted through the transmission acoustic wave 405. At this time, a unique wave transformation 406 occurs inside the anisotropic medium 403. The wave transformation 406 inside the anisotropic medium 403 is the displacement of the inside of the anisotropic medium 403 caused by the interference of the four eigenmodes (407, 408, 409, 410, respectively) that exist inside the anisotropic medium 403. This is the chapter. 407 is the displacement field of eigenmode 1, and 408 is the displacement field of eigenmode 2. And 409 is the displacement field of eigenmode 3, and 410 is the displacement field of eigenmode 4. For example, aluminum (ρ=2700kg/m 3 , E=70 GPa, ν=0.33) was used as the incident medium, PEEK (ρ=1320kg/m 3 , E=4.2292 GPa, ν=0.3992) was used as the transmission medium 402. Assuming that, when a longitudinal wave of 90 kHz is incident with an angle of incidence of 60 degrees, the physical properties of the anisotropic medium 403 are ρ=1669.2kg/m 3 , C 11 =24.191 GPa, C 22 =43.202 GPa, C 66 =12.364 GPa, If C 12 =5.019 GPa, C 16 =-3.276 GPa, C 26 =-7.732 GPa, and the thickness is 0.05m, the longitudinal wave is 100% transmitted, and the physical properties of the anisotropic medium 403 are ρ=2610kg/m 3 , C 11 =72.699 GPa, C 22 =95.991 GPa, C 66 =9.9562 GPa, C 12 =-7.84 GPa, C 16 =10.333 GPa, C 26 =3.2985 GPa, and if the thickness is 0.05 m, the transverse wave is 100% transmitted. When the anisotropic medium 403 does not exist, the transmittance of the longitudinal wave is only 39.4% and the transmittance of the transverse wave is only 20.2%. % Amplification. In addition to the exemplified physical properties, by using the anisotropic medium 403 having appropriate physical properties that satisfy Equations 1 and 2, it is possible to implement full transmission of oblique incident seismic waves.

탄성메타물질의 미소구조는 입사매질을 기질(substrate)로 제작될 수 있고, 투과매질을 기질로 제작될 수도 있다. 이는 각각 도 5a와 도 5b에 나타난다. 어느 매질을 기질로 미소구조를 제작할지는 제작 가능성, 비용, 시간 등을 종합적으로 고려하여 판단할 수 있다.The microstructure of the elastic metamaterial may be made of an incident medium as a substrate or a transmission medium as a substrate. This is shown in Figs. 5A and 5B, respectively. Which medium to use as a substrate can be judged by comprehensively considering the manufacturing possibility, cost, and time.

도 5a는 입사매질(501)에 미소구조(502)를 제작하여 입사탄성파(503)를 투과탄성파(504)로 완전투과 시키는 상황을 도시한다. 미소구조(502)는 입사매질(501)을 기질로 제작된 이방성 매질로 구현될 수 있다. 도 5b는 투과매질(505)에 미소구조(506)를 제작하여 입사탄성파(507)를 투과탄성파(508)로 완전투과 시키는 상황을 도시한다. 미소구조(506)는 투과매질(505)을 기질로 제작된 이방성 매질로 구현될 수 있다.5A shows a situation in which a microstructure 502 is fabricated in the incident medium 501 so that the incident acoustic wave 503 is completely transmitted to the transmitted acoustic wave 504. The microstructure 502 may be implemented as an anisotropic medium made of the incident medium 501 as a substrate. 5B shows a situation in which a microstructure 506 is fabricated in the transmission medium 505 and the incident acoustic wave 507 is completely transmitted to the transmission acoustic wave 508. The microstructure 506 may be implemented as an anisotropic medium made of the transmission medium 505 as a substrate.

본 발명의 일 실시예에서, 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 탄성파 가진용 및 측정용 트랜스듀서 시스템의 성능을 높이는데 활용될 수 있다. 기존의 탄성파 트랜스듀서 시스템은 도 6a에 나타나고, 본 발명을 적용한 탄성파 트랜스듀서 시스템은 도 6b에 나타난다. 기존의 시스템에서 필연적으로 발생하던 반사탄성파와 원치 않는 모드의 투과탄성파를 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 이용하여 제거함으로써 시스템의 효율을 높일 수 있다. 탄성파 트랜스듀서 시스템의 성능이 개선된다면 보다 정밀한 산업용 및 의료용 초음파 비파괴검사가 가능할 것으로 기대된다.In one embodiment of the present invention, the anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves may be used to increase the performance of a transducer system for excitation and measurement of acoustic waves. A conventional acoustic wave transducer system is shown in FIG. 6A, and an acoustic wave transducer system to which the present invention is applied is shown in FIG. 6B. The efficiency of the system can be improved by removing the reflected acoustic waves that inevitably occur in the existing system and the transmitted acoustic waves of unwanted modes by using an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves. If the performance of the seismic transducer system is improved, it is expected that more precise industrial and medical ultrasonic non-destructive testing will be possible.

도 6a는 기존 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한다. 트랜스듀서(601)와 웨지(602)를 활용하여 투과매질(603)로 종파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 입사탄성파(604)가 웨지(602)와 투과매질(603)의 경계로 입사하면 투과되는 투과탄성파의 종파(605) 이외에 투과되는 투과탄성파의 횡파(606), 반사되는 반사탄성파의 종파(607), 반사되는 반사탄성파의 횡파(608)가 모두 존재하게 된다. 트랜스듀서(609)와 웨지(610)를 활용하여 투과매질(611)로 횡파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 입사탄성파(612)가 스넬의 임계각 이상의 각도로 입사하는 경우, 순수한 투과탄성파의 횡파(613)가 투과되지만 반사되는 반사탄성파의 종파(614)와 반사되는 반사탄성파의 횡파(615)가 존재하게 된다. 결론적으로 기존 트랜스듀서의 경우 필연적으로 발생하는 반사탄성파 때문에 효율이 좋지 않다.Figure 6a shows the principle of operation of a conventional transducer. A case where a longitudinal wave is to be transmitted obliquely to the transmission medium 603 using the transducer 601 and the wedge 602 will be described. When the incident acoustic wave 604 enters the boundary between the wedge 602 and the transmission medium 603, in addition to the longitudinal wave 605 of the transmitted acoustic wave transmitted, the transverse wave 606 of the transmitted acoustic wave and the longitudinal wave 607 of the reflected reflected acoustic wave , All the transverse waves 608 of the reflected acoustic wave are present. A case in which a transverse wave is transmitted at an angle to the transmission medium 611 using the transducer 609 and the wedge 610 will be described. When the incident acoustic wave 612 is incident at an angle greater than Snell's critical angle, the transverse wave 613 of the pure transmitted acoustic wave is transmitted, but the longitudinal wave 614 of the reflected reflected acoustic wave and the transverse wave 615 of the reflected reflected acoustic wave exist. . In conclusion, conventional transducers have poor efficiency due to inevitably generated reflected acoustic waves.

도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 적용한 새로운 트랜스듀서의 작동 원리를 도시한다. 좌측의 도면을 참고하여 종파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 시스템은 기존의 트랜스듀서(616), 웨지(617) 그리고 웨지(617)와 투과매질(618) 사이에 삽입된 이방성 매질(619)로 구성된다. 이방성 매질(619)은 입사탄성파(620)를 순수한 투과탄성파의 종파(621)로 완전투과 시킨다. 우측의 도면을 참고하여 횡파를 비스듬히 투과시키고자 하는 경우를 설명한다. 시스템은 마찬가지로 기존의 트랜스듀서(622), 웨지(623) 그리고 웨지(623)와 투과매질(624) 사이에 삽입된 이방성 매질(625)로 구성된다. 이방성 매질(625)은 입사탄성파(626)를 순수한 투과탄성파의 횡파(627)로 완전투과 시킨다. 반사탄성파가 존재하지 않기 때문에 기존의 트랜스듀서보다 효율이 좋다.6B shows an operating principle of a new transducer using an anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves according to an embodiment of the present invention. A case in which a longitudinal wave is to be transmitted at an angle will be described with reference to the drawing on the left. The system consists of a conventional transducer 616, a wedge 617, and an anisotropic medium 619 inserted between the wedge 617 and the transmission medium 618. The anisotropic medium 619 completely transmits the incident acoustic wave 620 as a longitudinal wave 621 of a pure transmitted acoustic wave. A case in which a transverse wave is to be transmitted at an angle will be described with reference to the drawing on the right. The system likewise consists of a conventional transducer 622, a wedge 623, and an anisotropic medium 625 inserted between the wedge 623 and the transmission medium 624. The anisotropic medium 625 completely transmits the incident acoustic wave 626 as a transverse wave 627 of a pure transmitted acoustic wave. Since there is no reflected acoustic wave, it is more efficient than conventional transducers.

경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 웨지기반 배관 검사 또는 웨지기반 유량계의 성능 개선에 활용될 수도 있다. 일반적인 웨지를 사용한 경우는 도 7a, 경사입사 탄성파 완전투과를 이용한 메타웨지를 사용한 경우는 도 7b에 나타난다. 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 활용하면 원하는 모드의 탄성파를 배관에 100% 효율로 투과시킬 수 있기 때문에 종래의 기술 보다 성능이 높다는 장점을 갖는다.The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves may be used for wedge-based piping inspection or for improving the performance of wedge-based flow meters. A case of using a general wedge is shown in FIG. 7A, and a case of using a metawedge using complete transmission of oblique incident acoustic waves is shown in FIG. 7B. The use of an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves has the advantage of having higher performance than the conventional technology because it is possible to transmit the desired mode of elastic waves through the pipe with 100% efficiency.

도 7a는 기존의 웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한다. 시스템은 송신용 트랜스듀서(701), 송신용 웨지(702), 배관(703), 수신용 웨지(704), 수신용 트랜스듀서(705)로 구성된다. 스넬의 임계각 이상의 입사탄성파(706)가 송신용 웨지(702)와 배관(703)의 경계에 입사하면 일부 탄성파가 반사되고(반사탄성파의 종파(707)와 반사탄성파의 횡파(708)), 순수한 투과탄성파의 횡파(709)가 배관(703)으로 투과된다. 그리고 배관(703)과 수신용 웨지(704)의 경계에 횡파가 입사하면 일부 횡파가 반사되고, 일부 탄성파(투과탄성파의 종파(711)와 투과탄성파의 횡파(712))가 수신용 웨지(704)로 투과된다. 원하지 않는 모드의 탄성파와 반사탄성파의 횡파(710)의 존재로 인해 시스템의 효율이 낮다.7A shows the principle of operation of a conventional wedge-based pipe inspection. The system is composed of a transmission transducer 701, a transmission wedge 702, a pipe 703, a reception wedge 704, and a reception transducer 705. When the incident acoustic wave 706 of Snell's critical angle or more enters the boundary between the transmission wedge 702 and the pipe 703, some acoustic waves are reflected (longitudinal wave 707 of reflected elastic wave and transverse wave 708 of reflected elastic wave), pure The transverse wave 709 of the transmitted acoustic wave is transmitted through the pipe 703. And when the transverse wave is incident on the boundary between the pipe 703 and the receiving wedge 704, some transverse waves are reflected, and some elastic waves (the longitudinal wave 711 of the transmission elastic wave and the transverse wave 712 of the transmission elastic wave) are transmitted to the receiving wedge 704 ). The efficiency of the system is low due to the presence of the undesired mode acoustic wave and the transverse wave 710 of the reflected acoustic wave.

도 7b는 본 발명을 적용한 새로운 메타웨지기반 배관 검사의 작동 원리를 도시한다. 시스템은 송신용 트랜스듀서(713), 송신용 웨지(714), 송신용 이방성 매질(715), 배관(716), 수신용 이방성 매질(717), 수신용 웨지(718), 수신용 트랜스듀서(719)로 구성된다. 송신용 이방성 매질(715)은 입사탄성파(720)를 투과탄성파의 횡파(721)로 배관(716)에 완전투과 시킨다. 수신용 이방성 매질(717)은 이 파동을 다시 투과탄성파의 종파(722)로 수신용 웨지(718)에 완전투과 시킨다. 반사되는 탄성파가 없기 때문에 기존의 시스템보다 효율이 좋다는 장점을 갖는다.7B shows the principle of operation of a new metawedge-based pipe inspection to which the present invention is applied. The system includes a transmission transducer 713, a transmission wedge 714, a transmission anisotropic medium 715, a pipe 716, a reception anisotropic medium 717, a reception wedge 718, and a reception transducer ( 719). The transmission anisotropic medium 715 completely transmits the incident acoustic wave 720 to the pipe 716 as a transverse wave 721 of the transmitted acoustic wave. The receiving anisotropic medium 717 completely transmits the wave to the receiving wedge 718 as a longitudinal wave 722 of a transmitted acoustic wave again. Since there is no reflected acoustic wave, it has the advantage of being more efficient than the existing system.

본 발명의 일 실시예에서, 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 의료용 초음파 기술에 활용될 수 있다. 이는 도 8a와 도 8b에 나타난다. 기존에는 도 8a에 도시한 바와 같이 트랜스듀서에서 인체 조직으로 초음파를 투과시켰을 때 투과율이 낮고 여러 모드가 혼재하여 분석이 어려웠다. 그러나 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 이용하면 도 8b에 도시한 바와 같이 의료용 초음파 신호를 크게 개선할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the anisotropic medium for completely transmitting oblique incident acoustic waves may be utilized in medical ultrasound technology. This is shown in Figs. 8A and 8B. In the past, as shown in FIG. 8A, when an ultrasonic wave was transmitted from a transducer to a human tissue, analysis was difficult because the transmittance was low and several modes were mixed. However, the use of an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves can greatly improve medical ultrasonic signals as shown in FIG. 8B.

도 8a는 기존의 의료용 초음파 기기(801)에서 발생한 초음파가 인체조직(802)으로 투과하는 투과탄성파(803)의 상황을 도시한다. 이때 반사되는 탄성파의 존재로 인해 투과율이 낮고 여러 모드가 혼재한다는 단점이 있다. 도 8b는 기존의 의료용 초음파 기기(804)에 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질(805)을 삽입한 뒤 인체조직(806)으로 탄성파를 투과하는 투과탄성파(807)의 상황을 도시한다. 이때 원하는 모드의 탄성파가 100% 투과되어 초음파 신호 분석에 유리하다는 장점이 있다. FIG. 8A shows a situation of a transmitted acoustic wave 803 through which ultrasonic waves generated in a conventional medical ultrasonic device 801 are transmitted through a human tissue 802. At this time, there is a disadvantage in that the transmittance is low and several modes are mixed due to the presence of the reflected acoustic wave. FIG. 8B shows a situation of a transmitted acoustic wave 807 that transmits the acoustic wave through the human tissue 806 after inserting the anisotropic medium 805 for completely transmitting oblique incident acoustic wave into the conventional medical ultrasonic device 804. At this time, there is an advantage in that 100% of the acoustic wave of the desired mode is transmitted, which is advantageous for ultrasonic signal analysis.

경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질을 서로 다른 두 매질 사이에 삽입하여 입사된 파동에너지를 모두 투과시킴으로써 반사가 없는 무반사 필름 또는 완전흡수 필름을 구현할 수 있다. 이는 도 9에 나타난다.An anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves may be inserted between two different media to transmit all incident wave energy, thereby implementing a non-reflective film or a completely absorbing film without reflection. This is shown in Figure 9.

도 9는 서로 다른 두 매질(입사매질(901)과 투과매질(902)) 사이에 이방성 매질(903)을 삽입하여 입사탄성파(904)가 입사했을 때 반사탄성파(종파(905) 또는 횡파(906))가 존재하지 않는다. 여기서, 이방성 매질(903)은 무반사 필름 또는 완전흡수 필름을 포함할 수 있다. 입사탄성파(904)의 에너지는 모두 투과탄성파(907)로 전달된다.9 is a reflected acoustic wave (longitudinal wave 905 or transverse wave 906) when an anisotropic medium 903 is inserted between two different media (incident medium 901 and transmission medium 902) and incident acoustic wave 904 is incident. )) does not exist. Here, the anisotropic medium 903 may include an anti-reflective film or a completely absorbing film. All of the energy of the incident acoustic wave 904 is transferred to the transmitted acoustic wave 907.

경사 입사한 탄성파의 신호 분석은 기계 이상 진단용 비파괴 검사, 웨지기반 배관 검사 및 웨지기반 유량계, 의료용 초음파 치료 기술, 의료용 초음파 영상화 기술, 초음파 가진기 등의 분야에 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질은 이러한 분야에 적용되어 탄성파 신호의 세기와 품질을 개선할 수 있다.Signal analysis of an obliquely incident seismic wave can be used in fields such as non-destructive testing for diagnosing machine abnormalities, wedge-based piping inspection and wedge-based flowmeters, medical ultrasonic treatment technology, medical ultrasonic imaging technology, and ultrasonic exciters. The anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves according to an exemplary embodiment of the present invention can be applied to such fields to improve the strength and quality of an acoustic wave signal.

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.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also It is natural to fall within the scope of the present invention.

201 ; 입사매질 202 ; 투과매질
203 ; 이방성 매질 204 ; 입사탄성파
205 ; 투과탄성파
201; Incident medium 202; Transmission medium
203; Anisotropic medium 204; Incident acoustic wave
205; Transmission acoustic wave

Claims (8)

종파와 횡파를 포함하며 미리 설정된 경사각도를 갖고 경사입사하는 입사탄성파가 투과되는 입사매질,
종파와 횡파를 포함하는 투과탄성파가 투과되는 투과매질, 그리고
상기 입사매질과 상기 투과매질 사이에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 투과는 차단하고, 미리 설정된 투과모드의 투과탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함하며,
상기 완전투과 조건은
상기 이방성 매질 내에서 종파와 횡파의 상호 결합으로 나타나는 고유모드의 파수 관계를 나타내는 수학식(1)의 위상매칭조건, 그리고
상기 고유모드의 편광벡터와 진폭 사이의 관계를 나타내는 수학식(2)의 편광매칭조건을 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
수학식(1)
Figure pat00038

(
Figure pat00039
: 고유모드 i의 파수(i=1,2,3,4), d: 이방성 매질의 두께, l, m, n: 정수)
수학식(2)
Figure pat00040

(
Figure pat00041
: 입사종파의 입사각,
Figure pat00042
: 입사횡파의 입사각,
Figure pat00043
: 투과종파의 굴절각,
Figure pat00044
: 투과횡파의 굴절각,
Figure pat00045
: 고유모드 i의 파수,
Figure pat00046
: 고유모드 i의 편광벡터,
Figure pat00047
: 고유모드 i의 변위진폭(i=1,2,3,4))
An incident medium through which incident acoustic waves that are obliquely incident at a predetermined inclination angle are transmitted, including longitudinal and transverse waves,
A transmission medium through which transmission acoustic waves including longitudinal and transverse waves are transmitted, and
It includes an anisotropic medium that is provided between the incident medium and the transmission medium to block transmission of a preset reflected acoustic wave as it satisfies a preset complete transmission condition, and completely transmits a transmission acoustic wave in a preset transmission mode,
The conditions for complete transmission are
The phase matching condition of Equation (1) representing the wave number relationship of the eigenmode expressed by mutual coupling of longitudinal and transverse waves in the anisotropic medium, and
Anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves comprising the polarization matching condition of Equation (2) representing the relationship between the polarization vector and amplitude of the eigenmode.
Equation (1)
Figure pat00038

(
Figure pat00039
: Wave number of eigenmode i (i=1,2,3,4), d: thickness of anisotropic medium, l, m, n: integer)
Equation (2)
Figure pat00040

(
Figure pat00041
: Incident angle of incident longitudinal wave,
Figure pat00042
: Incident angle of incident transverse wave,
Figure pat00043
: Refraction angle of transmission longitudinal wave,
Figure pat00044
: Refraction angle of transmitted transverse wave,
Figure pat00045
: Wave number of eigenmode i,
Figure pat00046
: Polarization vector of eigenmode i,
Figure pat00047
: Displacement amplitude of eigenmode i (i=1,2,3,4))
제1항에서,
상기 입사매질과 상기 투과매질은 서로 다른 매질을 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In claim 1,
The incident medium and the transmission medium are anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves including different media.
제2항에서,
상기 이방성 매질은 상기 입사매질과 상기 투과매질 사이에서 상기 입사매질의 경계면과 상기 투과매질의 경계면에 각각 면접촉으로 상호 접하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In paragraph 2,
The anisotropic medium is an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves in contact with each other in surface contact between an interface of the incident medium and an interface of the transmission medium between the incident medium and the transmission medium.
제1항에서,
상기 투과모드는
상기 입사탄성파와 상기 투과탄성파의 모드가 같은 보존모드, 그리고
상기 입사탄성파와 상기 투과탄성파의 모드가 변환되는 변환모드를 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In claim 1,
The transmission mode is
A storage mode in which the incident acoustic wave and the transmitted acoustic wave have the same mode, and
An anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves, comprising a conversion mode in which modes of the incident acoustic waves and the transmitted acoustic waves are converted.
제1항에서,
상기 이방성 매질은 미리 설정된 미소구조를 포함한 탄성메타물질(elastic metamaterial)을 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In claim 1,
The anisotropic medium is an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves including an elastic metamaterial including a predetermined microstructure.
제5항에서,
상기 탄성메타물질은 단위 셀의 미소구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열되는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In clause 5,
The elastic meta material is an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves in which the microstructures of unit cells are periodically arranged in vertical and horizontal directions.
제6항에서,
상기 미소구조는 직사각형과 두 개의 반원을 포함하는 슬릿 형상을 갖는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In paragraph 6,
The microstructure is an anisotropic medium for complete transmission of oblique incident acoustic waves having a slit shape including a rectangle and two semicircles.
제7항에서,
상기 미소구조는 미리 설정된 설계변수를 포함하며,
상기 설계변수는 단위 셀 중심에 위치한 첫 번째 슬릿의 길이(
Figure pat00048
), 반지름(
Figure pat00049
), 회전각(
Figure pat00050
)과 단위 셀 꼭지점에 위치한 두 번째 슬릿의 길이(
Figure pat00051
), 반지름(
Figure pat00052
), 회전각(
Figure pat00053
), 단위 셀의 크기(a), 단위 셀의 개수(
Figure pat00054
)를 포함하는 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질.
In clause 7,
The microstructure includes preset design variables,
The design variable is the length of the first slit located at the center of the unit cell (
Figure pat00048
), radius(
Figure pat00049
), rotation angle (
Figure pat00050
) And the length of the second slit at the vertex of the unit cell (
Figure pat00051
), radius(
Figure pat00052
), rotation angle (
Figure pat00053
), size of unit cell (a), number of unit cells (
Figure pat00054
) Containing anisotropic medium for complete transmission of oblique incident seismic waves.
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