KR20210038028A - Device for collimation of ultrasound and method using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a device for collimation of ultrasonic waves, which comprises: a host material consisting of a fluid; and a plurality of scattering bodies periodically arranged in the host material. According to the present invention, the amplitude of the side lobe of the ultrasonic waves passing through the device for collimation of ultrasonic waves is reduced, and only the main lobe having a strong amplitude is collimated and propagated in one direction, and may have high directivity.

Description

초음파 조준장치 및 이를 이용한 초음파 조준방법 {DEVICE FOR COLLIMATION OF ULTRASOUND AND METHOD USING THE SAME}Ultrasonic aiming device and ultrasonic aiming method using the same {DEVICE FOR COLLIMATION OF ULTRASOUND AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 초음파 조준장치 및 이를 이용한 초음파 조준방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic aiming device and an ultrasonic aiming method using the same.

초음파는 매개 물질을 진동시키며 전파하는 파동의 하나로, 비침습적(non-invasive) 치료, 인체 내부 영상화, 비파괴 검사, 수중 음파 탐지 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 상술한 분야에서 요구되는 초음파의 형태는 상이할 수 있으며, 이에 각 응용분야에 적합한 형태의 초음파를 구현하기 위한 연구가 다각도로 이루어지고 있다.Ultrasound is one of the waves that vibrate and propagate a medium, and has been applied in various fields such as non-invasive treatment, human internal imaging, non-destructive testing, and underwater sound wave detection. The types of ultrasonic waves required in the above-described fields may be different, and thus, studies to implement ultrasonic waves in a form suitable for each application field have been conducted from various angles.

한편, 조준(collimation)과 관련된 초음파 특성은 지향성(directivity)이며, 초음파가 특정 방향으로 집중되어 전파하는 것을 의미한다. 이때, 초음파 빔이 퍼지지 않고 일정 방향으로 직진하는 정도에 따라 높은 지향성을 갖는다고 말할 수 있다.On the other hand, the ultrasonic characteristic related to collimation is directivity, which means that the ultrasonic waves are concentrated and propagated in a specific direction. At this time, it can be said that the ultrasonic beam does not spread and has high directivity depending on the degree to which it travels straight in a certain direction.

그러나, 초음파는 전파함에 따라 어느 정도 발산하게 되는 것이 일반적이다. 일 예로, 단일의 압전소자로 구성된 트랜스듀서에서 송출되는 초음파는 초음파가 서로 간섭을 일으키면서 집중되는 거리, 즉, 근거리 음장(Near Field Length)까지는 빔 폭이 최소가 되며, 그 이상의 거리영역 즉, 원거리 음장(Far Field Length)에서는 빔이 발산하는 형태로 마련된다.However, it is common that the ultrasonic waves radiate to some extent as they propagate. As an example, in the ultrasound transmitted from a transducer composed of a single piezoelectric element, the beam width is minimized to the distance at which the ultrasound waves are focused while interfering with each other, that is, the near field length, and the distance area beyond that, that is, It is provided in a form in which a beam is diverged in a far field length.

또 다른 예로, 초음파를 원하는 방향으로 집중하기 위한 음향렌즈를 초음파 트랜스듀서의 전면에 배치할 경우, 초음파가 집중되는 지점인 초점까지는 빔 폭이 좁게 형성되나, 초점 전후의 빔 폭은 넓게 형성된다. As another example, when an acoustic lens for concentrating ultrasonic waves in a desired direction is disposed on the front surface of the ultrasonic transducer, the beam width is formed to be narrow up to the focal point where the ultrasonic waves are concentrated, but the beam width before and after the focus is wide.

상술한 예의 경우, 빔 폭이 넓게 형성되는 원거리 영역에서의 분해능이 현저히 떨어질 수밖에 없다. In the case of the above-described example, the resolution in the distant region in which the beam width is formed wide is inevitably deteriorated.

이에, 다수의 압전소자로 구성된 배열형 초음파 트랜스듀서에서 각 압전소자를 개별적으로 제어하여 발생되는 초음파 빔의 형태를 조정하는 기술이 제시된 바 있으나, 배열형 초음파 트랜스듀서에 포함된 압전소자의 수가 많아질수록 복잡한 전자회로가 요구되며, 이를 제어하기 위한 기술적 어려움이 존재하였다. 또한, 배열형 초음파 트랜스듀서의 중심부에서 송출되는 초음파의 에너지 크기와 측면에서 송출되는 에너지 크기가 동일할 경우, 송출되는 초음파 빔의 지향성이 떨어지며, 사이드로브(side lobe)가 증가하는 문제점이 존재하였다.Accordingly, a technique for adjusting the shape of the generated ultrasonic beam by individually controlling each piezoelectric element in an array-type ultrasonic transducer composed of a plurality of piezoelectric elements has been proposed, but the number of piezoelectric elements included in the array-type ultrasonic transducer is large. The more complex electronic circuits are required, the more technical difficulties exist for controlling them. In addition, when the energy size of the ultrasonic wave transmitted from the center of the array-type ultrasonic transducer and the energy transmitted from the side are the same, the directivity of the transmitted ultrasonic beam decreases, and there is a problem that the side lobe increases. .

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0024134호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0024134 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0082303호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2003-0082303

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 높은 지향성을 가지도록 투과하는 초음파 빔의 퍼지는 정도를 최소로 유지하며 일 방향으로 조준 전파시키는 초음파 집속장치 및 이를 이용한 초음파 집속방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an ultrasonic focusing device for aiming propagation in one direction while maintaining the degree of spread of an ultrasonic beam transmitted to have a high directivity to a minimum, and an ultrasonic focusing method using the same. .

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파조준장치는 유체(fluid)로 이루어진 호스트 물질(host material); 및 상기 호스트 물질 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체;를 포함하며, 상기 다수개의 산란체 중 어느 하나의 산란체 중심축과 상기 어느 하나의 산란체와 이웃한 다른 하나의 산란체 중심축 간의 간격은 초음파 트랜스듀서에서 송출되는 초음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가지며, 상기 다수개의 산란체는 횡단면이 삼각형 형태를 이루도록 배열되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve this object, an ultrasonic collimating device according to an embodiment of the present invention includes a host material made of a fluid; And a plurality of scattering bodies periodically arranged in the host material; a spacing between the central axis of one scattering body among the plurality of scattering bodies and the central axis of the other scattering body adjacent to the one scattering body Is characterized in that the length is less than the length of the wavelength of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer, the plurality of scattering bodies are arranged to form a triangular cross-section.

이때, 초음파 트랜스듀서에서 송출된 초음파가 상기 초음파 조준장치를 투과할 경우, 상기 초음파 조준 장치를 투과하는 초음파는 상기 초음파 트랜스듀서에서 송출된 초음파보다 좁은 빔 폭을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서의 축 방향(axial direction)으로 조준(collimation) 전파되는 것을 특징으로 한다.At this time, when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer passes through the ultrasonic collimating device, the ultrasonic wave transmitted through the ultrasonic collimating device has a narrower beam width than the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer, and the axial direction of the ultrasonic transducer ( It is characterized in that it is propagated by collimation in the axial direction).

여기서, 상기 호스트 물질과 상기 산란체의 주기적인 배열을 최소 단위로 단순화한 단위 구조(unit cell)가 상기 호스트 물질에 의해 상기 산란체가 둘러싸인 형태를 이루며, 정방형으로 마련된 것을 특징으로 한다.Here, a unit cell in which the periodic arrangement of the host material and the scattering body is simplified to a minimum unit is formed in a form surrounded by the scattering body by the host material, and is provided in a square shape.

이때, 상기 산란체는 구 형상, 다면체 형상, 기둥 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 마련되는 것을 특징으로 한다.In this case, the scattering body is characterized in that it is provided in at least one of a spherical shape, a polyhedral shape, and a column shape.

그리고, 상기 호스트 물질은 상기 초음파 트랜스듀서에서 발생하는 초음파가 상기 초음파 조준장치에 도달하는데 이용되는 전파매질과 동일한 종류인 것을 특징으로 한다.In addition, the host material is characterized in that the same type as the propagation medium used for the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer to reach the ultrasonic aiming device.

한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치에 의한 초음파 조준방법은 초음파 트랜스듀서에서 송출되는 초음파의 전파경로에 초음파 조준장치를 배치하는 배치단계; 상기 초음파 트랜스듀서에서 초음파를 송출하는 송출단계; 상기 송출단계에서 송출된 초음파가 상기 초음파 조준장치에 입사되는 입사단계; 및 상기 입사단계에서 상기 초음파 조준장치에 입사된 초음파가 내부를 투과하여 외부로 전파되되, 상기 초음파 트랜스듀서에서 송출된 초음파보다 좁은 빔 폭을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서의 축 방향(axial direction)으로 조준(collimation) 전파하는 조준단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, in order to achieve this object, the ultrasonic aiming method by the ultrasonic aiming device according to an embodiment of the present invention includes an arrangement step of disposing the ultrasonic aiming device in a propagation path of ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer; A transmitting step of transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic transducer; An incident step in which the ultrasonic waves transmitted in the transmitting step are incident on the ultrasonic aiming device; And the ultrasonic wave incident on the ultrasonic collimator in the incidence step penetrates the inside and propagates to the outside, but has a narrower beam width than the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer and aims in the axial direction of the ultrasonic transducer. (collimation) propagating aiming step; It characterized in that it comprises a.

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

첫째, 초음파 조준장치를 투과한 초음파는 사이드로브의 진폭이 감소되고, 강한 진폭을 갖는 메인로브만이 일 방향으로 조준 전파되며, 높은 지향성을 가진다. 즉, 초음파 조준장치를 투과한 초음파는 좁은 빔 폭을 유지하며 원거리 전파될 수 있다.First, the ultrasonic wave transmitted through the ultrasonic aiming device decreases the amplitude of the side lobe, and only the main lobe having a strong amplitude is aimed and propagated in one direction, and has high directivity. That is, ultrasonic waves transmitted through the ultrasonic aiming device can be propagated over a long distance while maintaining a narrow beam width.

둘째, 삼각형 형태로 이루어진 산란체의 배열은 초음파 조준장치를 투과하는 초음파의 빔 폭을 좁게 형성되도록 하기에, 초음파 조준장치를 투과한 초음파는 좁은 빔 폭을 유지하며 일 방향으로 조준 전파될 수 있다. 즉, 초음파 빔의 공간적 단면을 더욱 작아지게 하여 초음파 영상분야에 응용될 경우에 높은 분해능을 제공할 수 있다. Second, since the array of the scattering bodies in a triangular shape makes the beam width of the ultrasonic wave passing through the ultrasonic aiming device narrow, the ultrasonic wave transmitted through the ultrasonic aiming device maintains a narrow beam width and can be aimed and propagated in one direction. . That is, the spatial cross-section of the ultrasonic beam can be made smaller, thereby providing high resolution when applied to the ultrasonic imaging field.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치를 도시한 것이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치를 투과하는 초음파의 거동을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 조준장치에 의한 초음파 조준방법을 도시한 흐름도이다.1 shows an ultrasonic aiming device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating the behavior of ultrasonic waves passing through the ultrasonic aiming device according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating an ultrasonic aiming method using a sound wave aiming device 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.Preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but technical parts that are already well-known will be omitted or compressed for conciseness of description.

<초음파 조준장치에 관한 설명><Description of the ultrasonic aiming device>

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치를 도시한 것이며, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치를 투과하는 초음파의 거동을 설명하기 위해 도시한 것이다.1 is a diagram illustrating an ultrasonic aiming device according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a behavior of ultrasonic waves passing through an ultrasonic collimating device according to an exemplary embodiment of the present invention.

참고로, 본 발명의 초음파 조준장치는 발산 또는 집속하는 형태의 초음파 빔이 입사된 경우에 장치를 투과하는 초음파 빔이 좁은 빔 폭을 유지하며 원거리 전파되도록 통과하는 초음파 빔의 형태를 조정하는 장치이다. 이때, 초음파 조준장치를 통과하는 초음파 빔의 형태는 가능한 작은 발산각을 가지는 형태로 마련될 수 있다.For reference, the ultrasonic collimating device of the present invention is a device that adjusts the shape of the ultrasonic beam passing so that the ultrasonic beam passing through the device maintains a narrow beam width and propagates a long distance when an ultrasonic beam in the form of diverging or focusing is incident. . In this case, the shape of the ultrasonic beam passing through the ultrasonic aiming device may be provided in a shape having a divergence angle as small as possible.

도1 내지 도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치(100)는 호스트 물질(host material; 110) 및 산란체(120)를 포함하여 구성된다.1 to 2, the ultrasonic collimating device 100 according to an embodiment of the present invention includes a host material 110 and a scattering body 120.

호스트 물질(110)은 기체나 액체와 같은 유체(fluid)로 마련된다. 일 예로, 초음파 트랜스듀서(UT)에서 발생하는 초음파가 초음파 조준장치(100)에 도달하는데 이용되는 전파매질과 동일한 종류일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치(100)는 호스트 물질(100) 즉, 전파매질의 일 지점에 후술할 산란체(120)가 배열된 형태로 구현될 수 있다. The host material 110 is formed of a fluid such as a gas or a liquid. For example, the ultrasonic wave generated by the ultrasonic transducer UT may be of the same type as the propagation medium used to reach the ultrasonic aiming device 100. In this case, the ultrasonic collimating device 100 according to an embodiment of the present invention may be implemented in a form in which a host material 100, that is, a scattering body 120 to be described later, is arranged at a point of a propagation medium.

산란체(120)는 다수개의 산란체(120)가 호스트 물질(110) 내 주기적으로 배열되며, 도1에 도시된 바와 같이 호스트 물질(110) 내 산란체(120)의 주기적인 배열을 최소 단위로 단순화한 단위 구조(unit cell)가 호스트 물질(110)에 의해 산란체(120)가 둘러싸인 형태를 이룬다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치(100)는 단위구조의 형태가 정방형으로 마련될 수 있다. 여기서, 다수개의 산란체(120)는 횡단면이 삼각형 형태를 이루도록 배열되었다. In the scattering body 120, a plurality of scattering bodies 120 are periodically arranged in the host material 110, and as shown in FIG. 1, the periodic arrangement of the scattering bodies 120 in the host material 110 is a minimum unit. A unit cell simplified to form a form surrounded by the scattering body 120 by the host material 110. In this case, the ultrasonic aiming device 100 according to an embodiment of the present invention may have a unit structure formed in a square shape. Here, the plurality of scattering bodies 120 are arranged so that the cross section forms a triangular shape.

이때, 산란체(120)의 배열은 어느 하나의 산란체(120)가 또 다른 산란체(120)와 일렬로 배열되되, 일정 간격 이격 배치되며 구성된 레이어가 초음파의 진행방향을 따라 다수개 적층되어, 특정 형태를 가진다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치(100)는 초음파 트랜스듀서에 근접 배치되는 어느 하나의 레이어(layer, 이하, ‘제1 레이어’라 칭함)를 기준으로 초음파의 진행 방향을 따라 또 다른 레이어들이 배치된다. 이때, 제1 레이어를 기준으로 배치되는 또 다른 레이어들은 제1 레이어를 구성하는 산란체(120)의 수보다 적은 수의 산란체(120)로 구성된다. 즉, 제1 레이어를 제외한 레이어들은 이전에 배치된 레이어를 구성하는 산란체(120)보다 적은 수의 산란체(120)를 가지며 배치되고, 이에 따라 전체 산란체(120)의 배열이 삼각형 형태로 마련될 수 있다. At this time, the arrangement of the scattering bodies 120 is that any one scattering body 120 is arranged in a line with the other scattering bodies 120, but a plurality of layers are arranged at a certain interval and are stacked along the direction of the ultrasonic waves. , Has a specific form. In more detail, the ultrasonic collimating device 100 according to an embodiment of the present invention uses an ultrasonic wave based on any one layer (layer, hereinafter referred to as a'first layer') disposed close to the ultrasonic transducer. Other layers are arranged along the direction of progression. In this case, the other layers arranged on the basis of the first layer are composed of the number of scattering bodies 120 less than the number of the scattering bodies 120 constituting the first layer. That is, the layers other than the first layer are arranged with fewer scattering bodies 120 than the scattering bodies 120 constituting the previously arranged layer, and accordingly, the entire arrangement of the scattering bodies 120 is in a triangular shape. Can be provided.

그리고, 산란체(120)는 호스트 물질(110)이 가지는 음향특성과 상이한 음향특성을 가지는 물질로 마련되는 것이 바람직하다. 여기서, 음향특성은 음속, 밀도 등을 의미한다.In addition, it is preferable that the scattering body 120 is formed of a material having acoustic properties different from those of the host material 110. Here, the acoustic characteristics mean sound speed, density, and the like.

이때, 산란체(120)는 구 형상, 다면체 형상, 기둥 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 마련될 수 있다. 참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치(100)에서 산란체(120)는 원기둥 형상을 가진다.In this case, the scattering body 120 may be provided in at least one of a spherical shape, a polyhedral shape, and a column shape. For reference, in the ultrasonic collimating device 100 according to an embodiment of the present invention, the scattering body 120 has a cylindrical shape.

여기서, 다수개의 산란체(120) 중 하나의 산란체(120) 중심축과 상기 하나의 산란체(120)와 이웃한 다른 하나의 산란체(120) 중심축 간의 간격은 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출되는 초음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가진다. Here, the distance between the central axis of one scattering body 120 among the plurality of scattering bodies 120 and the central axis of the one scattering body 120 and the other adjacent scattering body 120 is an ultrasonic transducer (UT). It has a length equal to or less than the length of the wavelength of the ultrasonic wave transmitted from.

참고로, 본 발명의 초음파 조준장치(100)는 서로 다른 음속 및 밀도를 갖는 둘 이상의 물질을 파장보다 작거나 비슷한 크기의 격자를 이루도록 주기적으로 배열하여 인위적으로 만든 구조체이다. 이때, 구조체를 구성하는 재료의 크기, 간격, 요소의 물성 등에 따라 다른 특성을 보일 수 있으며, 이를 통해 상기 구조체를 통과하는 초음파의 산란 특성을 제어하는 것이 가능하다.For reference, the ultrasonic collimating device 100 of the present invention is a structure artificially made by periodically arranging two or more materials having different sound velocities and densities to form a grid having a size smaller than or similar to a wavelength. At this time, different characteristics may be exhibited depending on the size, spacing, and physical properties of the elements constituting the structure, and through this, it is possible to control the scattering characteristics of ultrasonic waves passing through the structure.

한편, 도1 및 도2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조준장치(100)는 0.5 mm의 반경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대를 1.5 mm의 격자상수(lattice constant)를 갖도록 주기적으로 배열하여 제작되었다. 이때, 다수개의 산란체(120)는 정방형 격자구조를 가지며 배열되며, 그 배열의 횡단면은 삼각형 형태를 이룬다. 이때, 다수개의 산란체(120)의 배열은 초음파 조준장치(100)를 투과하는 초음파 빔이 더욱 좁은 빔 폭을 가지도록 구현된 것이다. On the other hand, the ultrasonic collimating device 100 according to an embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 periodically uses a cylindrical stainless steel rod having a radius of 0.5 mm to have a lattice constant of 1.5 mm. It was produced by arranging it. At this time, the plurality of scattering bodies 120 are arranged to have a square lattice structure, and the cross-section of the arrangement forms a triangular shape. In this case, the arrangement of the plurality of scattering bodies 120 is implemented so that the ultrasonic beam passing through the ultrasonic aiming device 100 has a narrower beam width.

참고로, 격자상수는 단위 구조의 한 변(a = 1.5)을 의미한다. 그리고, 호스트 물질은 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 있다. 또한, 단위구조는 2차원 형태뿐 아니라 3차원 형태로 마련될 수 있다. 이때, 단위 구조의 형상에 따라 초음파 조준장치(100)를 투과하여 진행되는 초음파의 진행 특성이 상이할 수 있다.For reference, the lattice constant means one side of the unit structure (a = 1.5). In addition, the host material may be water, and the density and sound velocity of the scattering stainless steel are 7800 kg/m 3 and 5980 m/s, respectively, and the density and sound velocity of the base material water at 20° C. are 998 kg/m 3 and 1482, respectively. m/s. Here, in FIG. 1, the shape of a grid, that is, a unit structure, is a square, but is not limited thereto, and may have a polygonal shape such as a triangle or a hexagon. In addition, the unit structure may be provided in a three-dimensional form as well as a two-dimensional form. In this case, according to the shape of the unit structure, the propagation characteristics of ultrasonic waves transmitted through the ultrasonic aiming device 100 may be different.

이때, 산란체의 크기, 단위 구조, 격자상수, 산란체의 배열 형태 등은 구현하고자하는 초음파의 빔폭 및 구동하고자 하는 초음파의 주파수 등에 의해 가변적으로 변경될 수 있다. In this case, the size of the scattering body, the unit structure, the lattice constant, the arrangement shape of the scattering body, etc. may be variably changed depending on the beam width of the ultrasonic wave to be implemented and the frequency of the ultrasonic wave to be driven.

도2를 참조하여, 상술한 구성으로 구성된 초음파 조준장치(100)의 유무에 따른 초음파의 거동을 설명하고자 한다. 도2(a)는 비 집속형 트랜스듀서 즉, 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출되는 초음파의 전파경로 상에 초음파 조준장치(100)가 없을 경우의 초음파의 거동을 예시한 것이고, 도2(b)는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출되는 초음파의 전파경로 상에 초음파 조준장치(100)를 위치시켰을 경우의 초음파의 거동을 예시한 것이다. 여기서, 도2(a)와 도2(b)의 동일 영역 상에서 초음파 조준장치(100)가 없을 경우에 발산하던 초음파가 초음파 조준장치(100)를 투과한 뒤에는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출된 초음파보다 좁은 빔 폭을 가지며, 초음파 트랜스듀서(UT)의 축 방향(axial direction)으로 조준(collimation) 전파되는 것을 확인할 수 있다.With reference to FIG. 2, the behavior of ultrasonic waves according to the presence or absence of the ultrasonic aiming device 100 configured as described above will be described. Figure 2(a) is an illustration of the behavior of ultrasonic waves when there is no ultrasonic aiming device 100 on the propagation path of ultrasonic waves transmitted from the non-focused transducer, that is, the ultrasonic transducer (UT), and Figure 2(b) ) Illustrates the behavior of ultrasonic waves when the ultrasonic aiming device 100 is positioned on the propagation path of ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer (UT). Here, in the same area of Figs. 2(a) and 2(b), after the ultrasonic wave that was emitted when there is no ultrasonic aiming device 100 passes through the ultrasonic aiming device 100, it is transmitted from the ultrasonic transducer (UT). It can be seen that it has a beam width that is narrower than that of ultrasonic waves, and is propagated by collimation in the axial direction of the ultrasonic transducer UT.

좀 더 자세히 설명하자면, 도2(a)에서는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 발생된 메인로브(main lobe) 이외에 다수개의 사이드로브(side lobe)가 발생하고 있으나, 도2(b)에서는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 발생된 초음파가 초음파 조준장치(100)를 투과하며 좁은 폭의 메인로브(main lobe)만이 일 방향으로 전파된다. 이때, 사이드로브(side lobe)는 초음파 트랜스듀서(UT)의 표면을 기준으로 표면에 수직한 방향이 아닌 다른 방향으로 발생된 초음파들을 지칭한다. In more detail, in Fig. 2(a), in addition to the main lobe generated from the ultrasonic transducer (UT), a number of side lobes are generated, but in Fig. 2(b), the ultrasonic transducer The ultrasonic waves generated in the (UT) pass through the ultrasonic aiming device 100, and only a main lobe having a narrow width is propagated in one direction. In this case, the side lobe refers to ultrasonic waves generated in a direction other than a direction perpendicular to the surface with respect to the surface of the ultrasonic transducer UT.

즉, 초음파 조준장치(100)를 투과한 초음파는 강한 진폭을 갖는 메인로브가 일 방향으로 조준 전파되며, 높은 지향성을 가진다. 이때, 삼각형 형태로 이루어진 산란체의 배열은 초음파 조준장치(100)를 투과하는 초음파의 빔 폭을 더욱 더 좁게 형성되도록 하며, 초음파 영상분야에 응용될 경우에 높은 분해능을 제공할 수 있다. 이외에도, 초음파 조준장치(100)는 높은 지향성이 요구되는 분야에서 응용될 수 있다.That is, the ultrasonic wave transmitted through the ultrasonic aiming device 100 aims and propagates through the main lobe having a strong amplitude in one direction, and has high directivity. In this case, the arrangement of the scattering bodies in a triangular shape makes the beam width of the ultrasonic wave passing through the ultrasonic aiming device 100 even narrower, and when applied to the ultrasonic imaging field, high resolution can be provided. In addition, the ultrasonic aiming device 100 may be applied in a field requiring high directivity.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 집속장치(100)는 지지프레임(BF)을 더 포함하여 구성된다. 이때, 지지프레임(BF)은 유체인 호스트물질(110) 내 산란체(120)의 배열이 유지되도록 산란체(120)를 지지한다.On the other hand, the ultrasonic focusing device 100 according to an embodiment of the present invention is configured to further include a support frame (BF). At this time, the support frame BF supports the scattering body 120 so that the arrangement of the scattering bodies 120 in the host material 110 which is a fluid is maintained.

일 예로, 지지프레임(BF)는 도1에 도시된 바와 같이, 다수개의 홀이 주기적으로 형성되어 산란체(120)를 삽입 가능하도록 마련될 수 있다. 이때, 호스트 물질(110)이 초음파 전파매질과 상이한 물질로 마련되는 경우, 초음파 조준장치(100)와 전파매질의 경계면에 별도의 경계부재(미도시)가 추가로 위치할 수 있다.For example, as shown in FIG. 1, the support frame BF may be provided such that a plurality of holes are periodically formed to allow insertion of the scattering body 120. In this case, when the host material 110 is formed of a material different from the ultrasonic propagation medium, a separate boundary member (not shown) may be additionally positioned on the interface between the ultrasonic collimating device 100 and the propagation medium.

<초음파 조준장치에 의한 초음파 조준방법에 관한 설명><Explanation of ultrasonic aiming method using ultrasonic aiming device>

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 조준장치에 의한 초음파 조준방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating an ultrasonic aiming method using a sound wave aiming device according to an embodiment of the present invention.

1. 배치단계<S100>1. Arrangement step <S100>

배치단계(S100)는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출되는 초음파의 전파경로에 초음파 조준장치(100)를 배치하는 단계이다. 이때, 초음파 조준장치(100)에 대한 자세한 설명은 상술하였기에 중복되는 설명은 생략하고자 한다.The arrangement step (S100) is a step of disposing the ultrasonic aiming device 100 in the propagation path of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer (UT). At this time, since the detailed description of the ultrasonic aiming device 100 has been described above, a redundant description will be omitted.

또한, 배치단계(S100) 이전에, 원하는 초음파 빔의 거동을 구현하기 위하여 초음파 트랜스듀서(UT) 및 초음파 조준장치(100)의 배치위치와 더불어 초음파 조준장치(100)를 구성하는 호스트 물질(110)과 산란체(120)의 배열, 초음파 조준장치(100)의 전체 구조 등을 결정하는 시뮬레이션 단계가 선행될 수 있다.In addition, before the placement step (S100), in order to implement the desired behavior of the ultrasound beam, the host material 110 constituting the ultrasound aiming device 100 together with the placement position of the ultrasonic transducer (UT) and the ultrasonic aiming device 100 ) And the arrangement of the scattering body 120, the overall structure of the ultrasonic aiming device 100, and the like may be preceded by a simulation step.

2. 송출단계<S200>2. Transmission step <S200>

송출단계(S200)는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 초음파를 송출하는 단계이다. 이때, 초음파 조준장치(100)의 구조에 알맞은 주파수 대역을 송출함으로써, 해당 주파수 대역의 초음파가 초음파 조준장치(100)를 투과하여 조준 전파하도록 한다. 이때, 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출되는 초음파의 주파수 대역은 배치단계(S100) 이전에 결정될 수 있다. 일 예로, 시뮬레이션 단계에서 결정될 수 있다. The transmitting step S200 is a step of transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic transducer UT. At this time, by transmitting a frequency band suitable for the structure of the ultrasonic aiming device 100, the ultrasonic wave of the corresponding frequency band passes through the ultrasonic aiming device 100 to propagate aiming. In this case, the frequency band of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer UT may be determined before the arrangement step S100. For example, it may be determined in the simulation step.

참고로, 본 발명의 초음파 조준장치(100)는 초음파가 투과할 수 있는 주파수 대역(pass band; 이하, ‘투과밴드’라 칭함) 및 통과할 수 없는 주파수 대역(stop band)이 존재한다. 이에, 본 발명에서는 투과밴드에 해당하는 주파수 대역을 송출하는 것이 바람직하다. 도2는 초음파 트랜스듀서(UT)에서 780 kHz의 주파수를 가지는 초음파가 발생된 경우를 예시한 것이다.For reference, the ultrasonic collimating device 100 of the present invention includes a pass band through which ultrasonic waves can pass (hereinafter, referred to as a “transmission band”) and a stop band through which the ultrasonic wave cannot pass. Accordingly, in the present invention, it is preferable to transmit a frequency band corresponding to the transmission band. 2 illustrates a case where ultrasonic waves having a frequency of 780 kHz are generated in the ultrasonic transducer (UT).

3. 입사단계<S300>3. Admission stage <S300>

입사단계(S300)는 송출단계(S200)에서 송출된 초음파가 초음파 조준장치(100)에 입사되는 단계이다. The incident step (S300) is a step in which the ultrasonic waves transmitted in the transmission step (S200) are incident on the ultrasonic aiming device 100.

이때, 초음파 조준장치(100)에 입사된 초음파는 전파매질과 초음파 조준장치(100)간의 음향특성 차이에 의해 굴절하게 된다. 이때의 굴절은 정상적인 굴절 방향 즉, 양의 굴절(positive refraction) 방향이 아닌 반대 방향 즉, 음의 굴절(negative refraction) 방향으로 굴절이 이루어진다. 초음파 조준장치(100)에 수직으로 입사하는 초음파는 굴절 없이 통과하게 된다. At this time, the ultrasonic wave incident on the ultrasonic aiming device 100 is refracted due to the difference in acoustic characteristics between the propagation medium and the ultrasonic aiming device 100. The refraction at this time is not in the normal refraction direction, that is, in the positive refraction direction, but in the opposite direction, that is, in the negative refraction direction. Ultrasound incident perpendicularly to the ultrasonic aiming device 100 passes through without refraction.

좀 더 자세히 설명하자면, 초음파가 초음파 조준장치(100)를 통과할 때 초음파 조준장치(100) 내에서 간섭이 발생하여, 초음파 트랜스듀서(UT)에서 발생한 초음파의 사이드로브는 메인로브 영역으로 중첩되고, 매우 높은 진폭의 메인로브만이 투과되게 된다. In more detail, when ultrasonic waves pass through the ultrasonic collimator 100, interference occurs within the ultrasonic collimator 100, so that the side lobes of the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer UT are overlapped with the main lobe area. , Only the very high amplitude main lobe is transmitted.

4. 조준단계<S400>4. Aiming step <S400>

조준단계(S400)는 입사단계(S300)에서 초음파 조준장치(100)에 입사된 초음파가 내부를 투과하여 외부로 전파되되, 초음파 트랜스듀서(UT)에서 송출된 초음파보다 좁은 빔 폭을 가지며 초음파 트랜스듀서(UT)의 축 방향(axial direction)으로 조준 전파하는 단계이다. In the aiming step (S400), the ultrasonic wave incident on the ultrasonic aiming device 100 in the incident step (S300) passes through the inside and is propagated to the outside, but has a narrower beam width than the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer (UT). This is a step of aiming propagation in the axial direction of the ducer UT.

도2에 도시된 바와 같이, 초음파 전파경로 상에 초음파 조준장치(100)가 존재하지 않는 경우에 비하여 존재하는 경우에는 매우 작은 빔폭을 가지는 초음파가 전파한다. 즉, 초음파 트랜스듀서(UT)에서 발생된 메인로브가 초음파 조준장치(100)를 투과할 때 초음파 트랜스듀서(UT)의 축 방향으로 조준된다. 이때, 사이드로브와 같이 초음파 조준장치(100)에 수직한 방향이 아닌 다른 방향으로 입사하는 초음파들은 초음파 조준장치를 투과하면서 음의 굴절에 의해 메인로브 영역으로 중첩되어, 초음파 조준장치(100)를 투과한 초음파는 최초 입사된 초음파의 빔 폭보다 매우 좁은 빔 폭을 가지며 일 방향으로 조준 전파될 수 있다. 이때, 초음파 조준장치(100)를 투과하여 조준 전파되는 초음파 빔은 퍼지는 정도가 최소로 유지될 수 있다.As shown in FIG. 2, when the ultrasonic collimating device 100 is present on the ultrasonic propagation path, compared to the case where the ultrasonic collimating device 100 does not exist, ultrasonic waves having a very small beam width propagate. That is, when the main lobe generated by the ultrasonic transducer UT passes through the ultrasonic aiming device 100, it is aimed in the axial direction of the ultrasonic transducer UT. At this time, ultrasonic waves incident in a direction other than a direction perpendicular to the ultrasonic aiming device 100, such as a side lobe, are superimposed on the main lobe region by negative refraction while passing through the ultrasonic aiming device, thereby forming the ultrasonic aiming device 100. The transmitted ultrasound has a beam width that is much narrower than the beam width of the initially incident ultrasound and may be propagated by aiming in one direction. In this case, the degree of spread of the ultrasonic beam that is aimed and propagated through the ultrasonic aiming device 100 may be kept to a minimum.

참고로, 도2(b)를 살펴보면, 일부 사이드로브가 관찰되는데, 이는 입사된 초음파 중 일부가 삼각형의 빗변에서 양의 굴절방향으로 굴절된 것으로 보인다. 이때, 관찰된 사이드로브는 메인로브가 전파하는 전파경로 상에 나타나는 것이 아니기 때문에, 초음파 조준장치(100)를 투과한 초음파 빔을 이용한 측정이 이루어질 경우, 해당 측정값에 영향을 미치지 않는다.For reference, looking at Fig. 2(b), some side lobes are observed, which appears to be that some of the incident ultrasonic waves are refracted from the hypotenuse of the triangle in the positive refractive direction. At this time, since the observed side lobe does not appear on the propagation path through which the main lobe propagates, when the measurement using the ultrasonic beam transmitted through the ultrasonic aiming device 100 is performed, the measured value is not affected.

도2에 예시된 초음파 조준장치(100)는 하나의 예이기에, 주파수 대역, 단위구조, 산란체 개수 및 배열 등을 조정함으로써, 사이드로브의 발생을 최소화 하는 것이 가능할 수 있다. Since the ultrasonic collimating device 100 illustrated in FIG. 2 is an example, it may be possible to minimize the occurrence of side lobes by adjusting a frequency band, a unit structure, and the number and arrangement of scattering objects.

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.As described above, a detailed description of the present invention has been made by an embodiment with reference to the accompanying drawings, but since the above-described embodiment has been described with reference to a preferred example of the present invention, the present invention is limited to the above embodiment. It should not be understood as being, and the scope of the present invention should be understood in terms of the claims and their equivalent concepts to be described later.

100 : 초음파 조준장치
110 : 호스트 물질
120 : 산란체
BF : 지지프레임
UT : 초음파 트랜스듀서100: ultrasonic aiming device
110: host material
120: scattering body
BF: Support frame
UT: ultrasonic transducer

Claims (6)

유체(fluid)로 이루어진 호스트 물질(host material); 및
상기 호스트 물질 내 주기적으로 배열된 다수개의 산란체;를 포함하며,
상기 다수개의 산란체 중 어느 하나의 산란체 중심축과 상기 어느 하나의 산란체와 이웃한 다른 하나의 산란체 중심축 간의 간격은 초음파 트랜스듀서에서 송출되는 초음파가 가지는 파장의 길이 이하의 길이를 가지며,
상기 다수개의 산란체는 횡단면이 삼각형 형태를 이루도록 배열되는 것을 특징으로 하는
초음파 조준장치.
A host material made of a fluid; And
Includes; a plurality of scattering bodies periodically arranged in the host material,
The distance between the central axis of any one scatterer among the plurality of scatterers and the central axis of the other scatterer adjacent to the one scatterer has a length less than the length of the wavelength of the ultrasound transmitted from the ultrasonic transducer. ,
The plurality of scattering bodies are arranged to form a triangular cross-section.
Ultrasonic aiming device.
 제1항에 있어서,
초음파 트랜스듀서에서 송출된 초음파가 상기 초음파 조준장치를 투과할 경우, 상기 초음파 조준 장치를 투과하는 초음파는 상기 초음파 트랜스듀서에서 송출된 초음파보다 좁은 빔 폭을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서의 축 방향(axial direction)으로 조준(collimation) 전파되는 것을 특징으로 하는
초음파 조준 장치.
The method of claim 1,
When the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer pass through the ultrasonic collimator, the ultrasonic waves transmitted through the ultrasonic collimator have a narrower beam width than the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer, and an axial direction of the ultrasonic transducer. ), characterized in that it is propagated by collimation
Ultrasonic aiming device.
 제2항에 있어서,
상기 호스트 물질과 상기 산란체의 주기적인 배열을 최소 단위로 단순화한 단위 구조(unit cell)가 상기 호스트 물질에 의해 상기 산란체가 둘러싸인 형태를 이루며, 정방형으로 마련된 것을 특징으로 하는
초음파 조준장치.
The method of claim 2,
A unit cell in which the periodic arrangement of the host material and the scattering body is simplified to a minimum unit, and the scattering body is surrounded by the host material, and is provided in a square shape.
Ultrasonic aiming device.
 제2항에 있어서,
상기 산란체는 구 형상, 다면체 형상, 기둥 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는
초음파 조준장치.
The method of claim 2,
The scattering body is characterized in that it is provided in at least one shape of a spherical shape, a polyhedral shape, and a column shape
Ultrasonic aiming device.
 제2항에 있어서,
상기 호스트 물질은 상기 초음파 트랜스듀서에서 발생하는 초음파가 상기 초음파 조준장치에 도달하는데 이용되는 전파매질과 동일한 종류인 것을 특징으로 하는
초음파 조준장치.
The method of claim 2,
The host material is of the same type as the propagation medium used for the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer to reach the ultrasonic aiming device.
Ultrasonic aiming device.
 초음파 트랜스듀서에서 송출되는 초음파의 전파경로에 초음파 조준장치를 배치하는 배치단계;
상기 초음파 트랜스듀서에서 초음파를 송출하는 송출단계;
상기 송출단계에서 송출된 초음파가 상기 초음파 조준장치에 입사되는 입사단계; 및
상기 입사단계에서 상기 초음파 조준장치에 입사된 초음파가 내부를 투과하여 외부로 전파되되, 상기 초음파 트랜스듀서에서 송출된 초음파보다 좁은 빔 폭을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서의 축 방향(axial direction)으로 조준(collimation) 전파하는 조준단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 조준장치에 의한 초음파 조준방법.Arrangement step of arranging the ultrasonic aiming device in the propagation path of the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer;
A transmitting step of transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic transducer;
An incident step in which the ultrasonic waves transmitted in the transmitting step are incident on the ultrasonic aiming device; And
In the incidence step, the ultrasonic waves incident on the ultrasonic collimator pass through and propagate to the outside, but have a narrower beam width than the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer and aim in the axial direction of the ultrasonic transducer ( collimation) propagating aiming step; Characterized in that it comprises a
Ultrasonic aiming method by ultrasonic aiming device.
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