KR20210123157A - Plane wave generator using phononic-crystal lens and method for designing the same - Google Patents

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KR20210123157A KR1020200040556A KR20200040556A KR20210123157A KR 20210123157 A KR20210123157 A KR 20210123157A KR 1020200040556 A KR1020200040556 A KR 1020200040556A KR 20200040556 A KR20200040556 A KR 20200040556A KR 20210123157 A KR20210123157 A KR 20210123157A
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Abstract

Various embodiments of the present invention relate to a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, which comprises an acoustic quantum crystal having a scattering body having the same size at the center thereof and enabling unit cells filled with a medium of an acoustic wave to be periodically arranged in a first direction and a second direction in perpendicular to the first direction except a volume occupied with the scattering body. The scattering body is a rod extended at predetermined length in a third direction which is perpendicular to both the first direction and the second direction, is spaced by a size of the unit cell, and an outline of one surface emitting the acoustic wave of the acoustic quantum crystal is formed as a plane. Various other embodiments can be possible.

Description

음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기 및 이의 설계방법{PLANE WAVE GENERATOR USING PHONONIC-CRYSTAL LENS AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}Plane wave generator using acoustic quantum crystal lens and design method thereof

본 발명은 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기 및 이의 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens and a design method thereof.

메타물질은 주기적인 인공구조물을 이용하여 영(0) 굴절률 및 음의 굴절률과 같은 자연 물질이 가지기 어려운 파동 특성을 구현하는 것이다. 과거에는 전자기 분야에서 활발했던 메타물질의 연구가 최근 음향 분야로 빠르게 이동하면서 음향파(acoustic wave)의 파동 특성을 이용한 음향양자결정(phononic crystals)에 대한 연구가 활발해지고 있다. 예를 들어 소리를 파장보다 작은 영역에 극소적으로 집중시키거나, 진행경로를 자유자재로 바꾸거나, 음파 및 초음파 이미징 화질을 개선하는데 음향양자결정이 이용될 수 있다. 이를 위해서는 파장보다 작은 구조체를 주기적인 배열을 통해 탄성률, 밀도, 굴절률을 자유자재로 조절하는 인공 구조체 설계 기술이 필수적이다.Metamaterials use periodic artificial structures to implement wave characteristics that are difficult to have in natural materials, such as zero (0) refractive index and negative refractive index. As the study of metamaterials, which was active in the electromagnetic field in the past, is rapidly moving to the acoustic field, research on phononic crystals using the wave characteristics of an acoustic wave is becoming active. For example, acoustic quantum crystals can be used to microscopically focus sound in a region smaller than a wavelength, freely change the path of travel, or improve sound wave and ultrasound imaging quality. For this, artificial structure design technology that freely adjusts the elastic modulus, density, and refractive index through periodic arrangement of structures smaller than the wavelength is essential.

매질을 전파하는 음향파의 거동을 다양하게 제어할 수 있는 음향양자결정의 개발이 요구된다.The development of an acoustic quantum crystal capable of variously controlling the behavior of acoustic waves propagating in a medium is required.

본 발명은 통과하는 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 콜리메이터(collimator)로서 역할하는 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기 및 이의 설계방법을 제공하려는 것이다. An object of the present invention is to provide a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens serving as a collimator that modulates a wave of a passing acoustic wave into a plane wave, and a design method thereof.

본 발명에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기는, 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기에 있어서, 중심에 동일한 크기의 산란체가 형성되고 상기 산란체가 차지하는 부피 이외에는 상기 음향파의 매질로 채워지는 단위 셀이 제1 방향 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 주기적으로 배열되는 음향양자결정을 포함하고, 상기 산란체는, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 모두 수직한 제3 방향으로 일정한 길이로 연장된 봉으로서 상기 단위 셀의 크기만큼 이격되게 배치되고, 상기 음향양자결정의 상기 음향파가 출사되는 일면의 윤곽은 평면으로 형성된다. A plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to the present invention is a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens that modulates a waveform of an acoustic wave into a plane wave. and an acoustic quantum crystal in which unit cells filled with a medium of an acoustic wave are periodically arranged in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction, wherein the scatterers include: the first direction and the second direction A rod extending with a constant length in a third direction perpendicular to both is arranged to be spaced apart by the size of the unit cell, and an outline of one surface from which the acoustic wave of the acoustic quantum crystal is emitted is formed as a flat surface.

일 실시 예에서, 상기 단위 셀은 정사각형의 단면 윤곽을 가지며, 상기 단위 셀은 상기 평면파가 출사되는 방향과 상기 정사각형의 대각선이 나란하도록 주기적으로 배열된다. In an embodiment, the unit cell has a cross-sectional profile of a square, and the unit cell is periodically arranged so that a diagonal line of the square is parallel to a direction in which the plane wave is emitted.

일 실시 예에서, 상기 산란체는 원통형의 봉이다. In one embodiment, the scatterer is a cylindrical rod.

일 실시 예에서, 상기 산란체의 일단이 끼워지는 구멍이 구비되는 하부 플레이트; 및 상기 산란체의 타단이 관통하는 관통홀이 구비되는 상부 플레이트를 더 포함한다. In one embodiment, the lower plate is provided with a hole in which one end of the scatterer is fitted; and an upper plate having a through hole through which the other end of the scatterer passes.

일 실시 예에서, 상기 산란체의 타단은 상기 상부 플레이트의 상면에서 소정의 길이로 돌출된다.In an embodiment, the other end of the scatterer protrudes from the upper surface of the upper plate by a predetermined length.

본 발명에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법은 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법에 있어서, 상기 음향양자결정의 일 단위가 되는 단위 셀의 크기 및 상기 단위 셀의 중심에 형성되는 산란체의 단면의 크기를 계산하는 단계; 상기 평면파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀의 배향 방향을 설계하는 단계; 및 상기 산란체를 배열하는 단계를 포함한다. The method for designing a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to the present invention is the method for designing a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens for modulating a waveform of an acoustic wave into a plane wave, the unit cell serving as one unit of the acoustic quantum crystal calculating the size of and the size of the cross section of the scatterer formed at the center of the unit cell; designing an alignment direction of a unit cell with respect to a direction in which the plane wave is emitted; and arranging the scatterers.

일 실시 예에서, 상기 음향양자결정의 일 단위가 되는 단위 셀의 크기 및 상기 단위 셀의 중심에 형성되는 산란체의 단면의 크기를 계산하는 단계는, 상기 단위 셀은, 정사각형의 단면 윤곽을 가지고 중심에 원통형의 봉인 상기 산란체가 형성하는 구조를 갖도록 상기 정사각형의 한 변의 길이 및 상기 원통형의 봉의 단면인 원의 반지름을 계산하는 단계를 포함한다. In one embodiment, the step of calculating the size of the unit cell serving as one unit of the acoustic quantum crystal and the size of the cross-section of the scatterer formed at the center of the unit cell, the unit cell has a square cross-sectional profile and calculating a length of one side of the square and a radius of a circle that is a cross-section of the cylindrical rod so as to have a structure formed by the scattering body, which is a cylindrical rod at the center.

일 실시 예에서, 상기 평면파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀의 배향 방향을 설계하는 단계에서, 상기 단위 셀의 배향 방향은 상기 평면파가 출사되는 방향과 상기 정사각형의 대각선이 나란하도록 설계된다. In an embodiment, in the designing of the orientation direction of the unit cell with respect to the direction in which the plane wave is emitted, the orientation direction of the unit cell is designed so that the direction in which the plane wave is emitted and the diagonal of the square are parallel.

일 실시 예에서, 상기 산란체를 배열하는 단계는, 상기 평면파가 출사되는 방향과 상기 단위 셀의 단면 윤곽인 상기 정사각형의 대각선이 나란하도록 상기 산란체를 상기 계산된 정사각형의 한 변의 길이만큼 이격되게 배치하는 단계를 포함한다. In an embodiment, the arranging of the scatterers may include arranging the scatterers to be spaced apart by the calculated length of one side of the square so that the direction in which the plane wave is emitted and the diagonal of the square, which is the cross-sectional outline of the unit cell, are parallel. including placing.

일 실시 예에서, 상기 산란체를 배열하는 단계에서, 상기 음향양자결정의 상기 음향파가 출사되는 일면의 윤곽은 평면으로 형성되도록 상기 산란체가 배열된다. In an embodiment, in the step of arranging the scatterers, the scatterers are arranged so that an outline of one surface from which the acoustic wave of the acoustic quantum crystal is emitted is formed as a plane.

본 발명에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기는 입사하는 음향파를 에너지 손실을 최소화하고 평면파로 변조할 수 있다. A plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to the present invention can minimize energy loss and modulate an incident acoustic wave into a plane wave.

본 발명에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법은, 특정 주파수의 음향파에 대한 음향양자결정 렌즈의 굴절률이 거의 영이 되도록 균질화 기법(homogenization method)으로 단위체의 구조를 도출할 수 있다. In the method for designing a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to the present invention, the structure of a unit body can be derived by a homogenization method so that the refractive index of the acoustic quantum crystal lens with respect to an acoustic wave of a specific frequency becomes almost zero.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈의 단위 셀의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기에 대한 파동의 거동을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다.1 is a perspective view of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a unit cell of an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
4 is a simulation diagram illustrating a wave behavior with respect to a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a design method of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a principle of designing a unit cell of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining the principle of designing a unit cell of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the principle of designing a unit cell of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.

본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나","A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.The various embodiments of this document and the terms used therein are not intended to limit the technical features described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, or substitutions of the embodiments. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for similar or related components. The singular form of the noun corresponding to the item may include one or more of the item, unless the relevant context clearly dictates otherwise. As used herein, "A or B", "at least one of A and B", "at least one of A or B," "A, B or C," "at least one of A, B and C," and "A , B, or C" each may include any one of the items listed together in the corresponding one of the phrases, or all possible combinations thereof. Terms such as “first”, “second”, or “first” or “second” may simply be used to distinguish the component from other components in question, and may refer to components in other aspects (e.g., importance or order) is not limited.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 사시도 및 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈의 단위 셀의 단면도이다. 1 and 2 are perspective and cross-sectional views, respectively, of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view of a unit cell of an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기(100)는, 음향파(acoustic wave)를 산란하는 산란체가 형성된 단위 셀이 주기적으로 배열되는 음향양자결정을 포함하고, 상기 음향양자결정을 통과하는 음향파의 파형을 평면파로 변조한다. 1 to 3 , in the plane wave generator 100 using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention, unit cells in which scatterers scattering acoustic waves are formed are periodically arranged. It includes a quantum crystal, and modulates a waveform of an acoustic wave passing through the acoustic quantum crystal into a plane wave.

상기 평면파 발생기(100)는 중심에 동일한 크기의 산란체(111)가 형성되고 산란체(111)가 차지하는 부피 이외에는 음향파가 진행하는 매질(112)로 채워지는 단위 셀(110)이 제1 방향(도시된 X축 방향) 및 제1 방향과 수직한 제2 방향(도시된 Y축 방향)으로 주기적으로 배열되는 음향양자결정을 포함한다. 즉, 단위 셀(110)의 단면 윤곽은 정사각형이고 단위 셀(110)은 바둑판과 같이 배열된다. 여기서, 단위 셀(110)에서 산란체(111)가 차지하는 부피 이외의 공간을 채우는 매질(112)은 음향파가 진행할 수 있는 매질로서 공기 또는 물이다.In the plane wave generator 100 , the scatterers 111 of the same size are formed in the center and the unit cells 110 filled with the medium 112 through which the acoustic wave propagates except for the volume occupied by the scatterers 111 are arranged in the first direction. (shown in the X-axis direction) and the second direction (shown in the Y-axis direction) perpendicular to the first direction includes an acoustic quantum crystal arranged periodically. That is, the cross-sectional contour of the unit cell 110 is square, and the unit cell 110 is arranged like a checkerboard. Here, the medium 112 filling the space other than the volume occupied by the scatterers 111 in the unit cell 110 is air or water as a medium through which the acoustic wave can proceed.

산란체(111)는 일정한 길이로 연장된 봉으로 단위 셀의 중심에 Z축 방향으로 연장되도록 서로 단위 셀의 크기만큼 이격되게 배치된다. 산란체가 단위 셀의 크기로 주기적으로 배치되는 음향양자결정이 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향파에 대한 콜리메이터(collimator)로 역할하기 위한 파동 물성을 갖추기 위해서는 산란체의 단면 모양, 단면 크기를 포함하는 산란체의 구조적 특성 및 산란체의 배치 간격을 포함하는 단위 셀의 형태 및 크기를 결정하고 음향양자결정을 설계하는 것이 중요하다. 이를 설계하는 과정에 대해서는 후술한다.The scatterers 111 are rods extending to a certain length and are disposed to be spaced apart from each other by the size of the unit cell so as to extend in the Z-axis direction at the center of the unit cell. The cross-sectional shape and cross-sectional size of the scatterer must be determined in order for the acoustic quantum crystal, in which the scattering body is periodically arranged in the size of a unit cell, to have wave properties to act as a collimator for the acoustic wave that modulates the acoustic wave into a plane wave. It is important to determine the shape and size of the unit cell including the structural characteristics of the scatterers and the spacing between the scatterers and design the acoustic quantum crystal. A process for designing this will be described later.

본 실시 예에서, 산란체(111)는 원통형의 봉으로 형성되며, 입사하는 음향파를 전방향(사방)으로 산란시킨다. 본 실시 예에서, 산란체의 단면 형상을 원으로 하였지만, 입사하는 음향파를 전방향으로 산란할 수 있는 대칭 구조를 갖는 형태로서 마름모 등의 형태도 이용할 수 있다.In the present embodiment, the scattering body 111 is formed as a cylindrical rod, and scatters incident acoustic waves in all directions (in all directions). In this embodiment, although the cross-sectional shape of the scattering body is a circle, a shape such as a rhombus may be used as a shape having a symmetrical structure capable of scattering incident acoustic waves in all directions.

본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기(100)에서 산란체(111)가 이웃하는 산란체와 단위 셀(110)의 크기만큼씩 이격되게 배치되되 산란체(111)가 주기적으로 배열됨으로써 음향양자결정이 형성된다. 이 때, 산란체의 주기적 배열로 상기 음향양자결정의 윤곽이 드러나며 상기 음향양자결정의 음향파가 출사하는 면의 윤곽이 평면으로 형성된다. 이로써, 상기 음향양자결정을 통과한 음향파의 파형이 평면파로 변조될 수 있다. 본 실시 예에서는, 상기 음향양자결정의 단면 윤곽이 직사각형이 되도록 산란체가 배치된다. In the plane wave generator 100 using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention, the scatterers 111 are arranged to be spaced apart from the neighboring scatterers by the size of the unit cell 110, but the scatterers 111 are Acoustic quantum crystals are formed by periodic arrangement. At this time, the contour of the acoustic quantum crystal is revealed by the periodic arrangement of the scatterers, and the contour of the surface from which the acoustic wave of the acoustic quantum crystal is emitted is formed as a plane. Accordingly, the waveform of the acoustic wave passing through the acoustic quantum crystal may be modulated into a plane wave. In this embodiment, the scattering body is disposed so that the cross-sectional contour of the acoustic quantum crystal is rectangular.

단위 셀(110)은 정사각형의 가상의 단면 윤곽을 가진다. 단위 셀(110)의 크기는 정사각형의 한 변의 길이(d1)가 된다. 본 실시 예에서, 음향파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀(110)의 배향 방향은, 변조된 평면파가 출사되는 방향과 단위 셀의 단면 윤곽인 정사각형의 대각선이 나란해지는 방향이다. The unit cell 110 has an imaginary cross-sectional profile of a square. The size of the unit cell 110 is the length d1 of one side of the square. In this embodiment, the orientation direction of the unit cell 110 with respect to the direction in which the acoustic wave is emitted is the direction in which the direction in which the modulated plane wave is emitted and the diagonal of a square that is the cross-sectional outline of the unit cell are parallel.

산란체(111)의 주기적인 배열을 통해 단위 셀(110)의 주기적인 배열을 달성하고 산란체를 지지하기 위해 하부 플레이트(121) 및 상부 플레이트(122)가 구비된다. 또한, 하부 플레이트(121)의 모서리 측에서 상부 플레이트(122)의 모서리 측으로 연장되어 상부 플레이트를 지지하는 4 개의 지지대(123)가 구비된다. A lower plate 121 and an upper plate 122 are provided to achieve the periodic arrangement of the unit cells 110 through the periodic arrangement of the scatterers 111 and to support the scatterers. In addition, four supports 123 extending from the edge side of the lower plate 121 to the edge side of the upper plate 122 to support the upper plate are provided.

하부 플레이트(121)는 상부 플레이트(122)보다 두껍게 형성되고, 산란체(111)의 일단이 끼워지는 일측이 막힌 구조를 갖는 구멍이 상기 음향양자결정의 주기적인 배열로 형성되어 있다. 이 때, 상기 구멍은 산란체의 단면과 모양과 크기가 동일하거나 그 크기가 약간 클 수 있다. The lower plate 121 is thicker than the upper plate 122 , and holes having a structure in which one end of the scattering body 111 is closed are formed in a periodic arrangement of the acoustic quantum crystals. In this case, the hole may have the same cross-section as the shape and size of the scatterer, or may have a slightly larger size.

상부 플레이트(122)는 산란체(111)의 타단이 관통하는 관통홀이 상기 음향양자결정의 주기적인 배열로 형성되어 있다. 이때, 관통홀은 하부 플레이트(121)에 형성된 구멍보다 그 크기가 약간 클 수 있다. 이로써, 하부 플레이트(121)와 상부 플레이트(122)가 적층된 구조에 산란체(111)를 꽂고 상부 플레이트(122)를 들어 올릴 때 산란체(111)의 외주면과 관통홀 사이의 마찰 발생을 줄이는 제작 상의 편의성이 있다. The upper plate 122 has a through hole through which the other end of the scattering body 111 passes is formed in a periodic arrangement of the acoustic quantum crystals. In this case, the size of the through hole may be slightly larger than that of the hole formed in the lower plate 121 . Accordingly, when the scatterer 111 is inserted into a structure in which the lower plate 121 and the upper plate 122 are stacked and the upper plate 122 is lifted, friction between the outer circumferential surface of the scatterer 111 and the through hole is reduced. There is convenience in manufacturing.

산란체(111)는 타단이 상부 플레이트의 상면에서 소정의 길이로 돌출되도록 형성된다. 이로써, 평면파 발생기(1000를 이동시킬 때 상부 플레이트에서 산란체(111)가 빠지는 것이 방지된다.The scattering body 111 is formed so that the other end protrudes from the upper surface of the upper plate to a predetermined length. Accordingly, when the plane wave generator 1000 is moved, the scattering body 111 is prevented from falling out of the upper plate.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기에 대한 파동의 거동을 나타내는 시뮬레이션 도면이다.4 is a simulation diagram illustrating a wave behavior with respect to a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기(100)는, 음향파를 산란하는 산란체가 형성된 단위 셀이 주기적으로 배열되는 음향양자결정을 포함하고, 상기 음향양자결정을 통과하는 음향파의 파형을 평면파로 변조한다. 상기 음향양자결정은 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향파에 대한 콜리메이터(시준기)로 역할하기 위해 표 1과 같은 유효 물질 특성(effective material property)을 가진다.Referring to FIG. 4 , the plane wave generator 100 using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention includes an acoustic quantum crystal in which unit cells in which scatterers for scattering acoustic waves are formed are periodically arranged, and the The waveform of the acoustic wave passing through the acoustic quantum crystal is modulated into a plane wave. The acoustic quantum crystal has effective material properties as shown in Table 1 in order to serve as a collimator (collimator) for an acoustic wave that modulates the waveform of the acoustic wave into a plane wave.

유효 물질 특성Active substance properties 실수부real part 허수부imaginary part 유효 밀도(kg/m3)Effective density (kg/m 3 ) 90.090.0 11.811.8 유효 벌크 모듈러스(Pa)Effective Bulk Modulus (Pa) 1.7e+111.7e+11 7.9e+97.9e+9

본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정의, 물의 밀도가 1000 kg/m3이므로, 유효 밀도(effective mass density)의 실수부는 거의 0의 값을 갖고, 유효 벌크 모듈러스(effective bulk modulus)는 무한대의 값을 가짐을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정은 특정한 주파수의 음향파에 대해 굴절률이 거의 영인 렌즈가 될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정은 원통형 파형의 음향파를 평면파로 변조할 수 있다. In the acoustic quantum crystal according to an embodiment of the present invention, since the density of water is 1000 kg/m 3 , the real part of the effective mass density has a value of almost 0, and the effective bulk modulus is infinite It can be seen that the value of Through this, the acoustic quantum crystal according to an embodiment of the present invention may be a lens having an almost zero refractive index with respect to an acoustic wave of a specific frequency. In addition, the acoustic quantum crystal according to an embodiment of the present invention may modulate a cylindrical acoustic wave into a plane wave.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법의 순서도이다. 5 is a flowchart of a design method of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법(S100)은 단위 셀의 구조를 설계하는 단계(S110), 단위 셀의 배향 방향을 결정하는 단계(S120) 및 산란체를 배열하는 단계(S130)를 포함한다.Referring to FIG. 5 , the design method ( S100 ) of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention includes the steps of designing the structure of a unit cell ( S110 ), and determining the orientation direction of the unit cell. (S120) and arranging the scatterers (S130).

본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기(100)는, 음향파(acoustic wave)를 산란하는 산란체가 형성된 단위 셀이 주기적으로 배열되는 음향양자결정을 포함하고, 상기 음향양자결정을 통과하는 음향파의 파형을 평면파로 변조한다. 산란체(111)는 일정한 길이로 연장된 봉으로 단위 셀의 중심에 Z축 방향으로 연장되도록 서로 단위 셀의 크기만큼 이격되게 배치된다. The plane wave generator 100 using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention includes an acoustic quantum crystal in which unit cells in which a scatterer for scattering an acoustic wave is formed is periodically arranged, and the acoustic quantum crystal The waveform of the acoustic wave passing through the crystal is modulated into a plane wave. The scatterers 111 are rods extending to a certain length and are disposed to be spaced apart from each other by the size of the unit cell so as to extend in the Z-axis direction at the center of the unit cell.

산란체가 단위 셀의 크기로 주기적으로 배열되는 음향양자결정이, 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향파에 대한 콜리메이터(collimator)로 역할하기 위해 유효 물질 특성, 즉, 유효 밀도 및 유효 벌크 모듈러스를 갖추기 위해서는 산란체의 단면 모양, 단면 크기를 포함하는 산란체의 구조적 특성 및 산란체의 배치 간격을 포함하는 단위 셀의 형태 및 크기를 포함하는 단위 셀의 구조를 설계하는 단계(S110)가 선행된다.Acoustic quantum crystals, in which scatterers are periodically arranged in the size of a unit cell, have effective material properties, that is, effective density and effective bulk modulus, in order to serve as a collimator for an acoustic wave that modulates the waveform of the acoustic wave into a plane wave. In order to achieve this, the step of designing the structure of the unit cell including the shape and size of the unit cell including the structural characteristics of the scatterer including the cross-sectional shape and the cross-sectional size of the scatterer and the spacing between the scatterers (S110) is preceded. .

단계 S110에서, 단위 셀의 구조를 설계하기 위해, 균질화 기법(homogenization method)을 이용하여 단위 셀의 기본 구조(산란체의 단면 모양 및 단면 크기, 단위 셀의 형태 및 크기)를 도출한다.In step S110, in order to design the structure of the unit cell, the basic structure (the cross-sectional shape and cross-sectional size of the scattering body, and the shape and size of the unit cell) of the unit cell is derived using a homogenization method.

산란체의 경계 또는 음향양자결정의 경계에서의 속력장( v ) 및 압력장(p)은 다음 수학식 1인 선형 오일러 방정식 및 수학식 2로 나타나고, 음향양자결정의 유효 물질 특성은 수학식 1과 수학식 2를 연립하여 얻을 수 있다. The speed field (v ) and pressure field ( p ) at the boundary of the scatterer or the boundary of the acoustic quantum crystal are represented by the following Equation 1, the linear Euler equation and Equation 2, and the effective material properties of the acoustic quantum crystal are represented by Equation 1 and Equation 2 can be combined.

수학식 1Equation 1

Figure pat00001
at
Figure pat00002
Figure pat00001
at
Figure pat00002

수학식 2Equation 2

Figure pat00003
at
Figure pat00004
Figure pat00003
at
Figure pat00004

여기서,

Figure pat00005
은 경계에 걸친 공간적 평균을 지칭하고, 바(bar,　
Figure pat00006
)로 표시된 것은 유효 물질 특성을 의미하고,
Figure pat00007
은 관심 영역인 경계를 지칭한다. here,
Figure pat00005
denotes the spatial mean across the boundary, and
Figure pat00006
) indicates the active substance properties,
Figure pat00007
denotes a boundary that is a region of interest.

음향양자결정의 유효 물질 특성에 해당하는 유효 밀도 텐서(

Figure pat00008
and　
Figure pat00009
)와 유효 벌크 모듈러스(
Figure pat00010
)는 수학식 1 및 2로부터 수학식 3 및 4로 도출된다. The effective density tensor (
Figure pat00008
and
Figure pat00009
) and the effective bulk modulus (
Figure pat00010
) is derived from Equations 1 and 2 to Equations 3 and 4.

수학식 3Equation 3

Figure pat00011
and
Figure pat00012
Figure pat00011
and
Figure pat00012

수학식 4Equation 4

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서,

Figure pat00014
는 경계에 걸친 x방향 성분의 공간적 평균이다. 음향양자결정의 유효 밀도는 등방성이라는 가정(
Figure pat00015
) 하에
Figure pat00016
및
Figure pat00017
, 대신해
Figure pat00018
를 사용한다. here,
Figure pat00014
is the spatial average of the x-direction components over the boundary. It is assumed that the effective density of acoustic quantum crystals is isotropic (
Figure pat00015
) under
Figure pat00016
and
Figure pat00017
, on behalf of
Figure pat00018
use

또한, 상기 수학식 1의

Figure pat00019
평균은 수학식 5로 계산된다.In addition, in Equation 1
Figure pat00019
The average is calculated by Equation (5).

수학식 5Equation 5

Figure pat00020
Figure pat00020

Figure pat00021
Figure pat00021

여기서,

Figure pat00022
은 관심 영역인 경계이고 L, R, B 및 T 은 경계의 좌, 우, 상 및 하를 의미한다.here,
Figure pat00022
is a boundary that is a region of interest, and L, R, B and T denote the left, right, top and bottom of the boundary.

또한, 상기 수학식 2의

Figure pat00023
평균은 수학식 6으로 계산된다.In addition, in Equation 2
Figure pat00023
The average is calculated by Equation (6).

수학식 6Equation 6

Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00024
Figure pat00025

where

Figure pat00026
and
Figure pat00027
where
Figure pat00026
and
Figure pat00027

상기 수학식 1 내지 6을 통해 음향양자결정의 유효 물질 특성 중 유효 밀도(effective mass density)의 실수부는 거의 0의 값을 갖고, 유효 벌크 모듈러스(effective bulk modulus)는 무한대의 값을 가지도록 단위 셀의 구조가 도출될 수 있다. 이를 통해, 도출된 단위 셀이 주기적으로 배열된 음향양자결정은, 특정한 주파수의 음향파에 대해 굴절률이 거의 영인 렌즈가 될 수 있고 콜리메이터가 될 수 있다. Through Equations 1 to 6, the real part of the effective mass density among the effective material properties of the acoustic quantum crystal has a value of almost 0, and the effective bulk modulus has an infinite value. structure can be derived. Through this, the acoustic quantum crystal in which the derived unit cells are periodically arranged can be a lens having an almost zero refractive index for an acoustic wave of a specific frequency and can be a collimator.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다.6 to 8 are diagrams for explaining the principle of designing a unit cell of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens according to an embodiment of the present invention.

단계 S110에서, 단위 셀의 기본 구조가, 도 3에 도시된 바와 같이 정사각형의 셀의 중심에 원형 단면을 갖는 산란체가 형성되는 구조일 때, 정사각형의 한 변의 길이(d1) 또는 산란체의 크기인 원의 반지름(d2)를 변화시켜가며, 블로흐 모드 분석(Bloch mode analysis)을 통해 음향양자결정이 가질 수 있는 밴드 구조(band structure)를 그래프로 컴퓨팅한다. 도 6에 도시된 바와 같이 상기 컴퓨팅 과정을 통해 그려진 그래프에서 디락 포인트(Dirac-like point)인 교차점이 발생하는 경우, 그 때의 d1 및 d2 가 각각 단위 셀의 크기 및 산란체의 단면의 크기로 결정된다.In step S110, when the basic structure of the unit cell is a structure in which a scatterer having a circular cross section is formed in the center of a square cell as shown in FIG. 3, the length d1 of one side of the square or the size of the scatterer By changing the radius (d2) of the circle, the band structure that the acoustic quantum crystal may have is computed as a graph through Bloch mode analysis. As shown in FIG. 6 , when an intersection, which is a Dirac-like point, occurs in the graph drawn through the computing process, d1 and d2 at that time are the size of the unit cell and the size of the cross section of the scatterer, respectively. it is decided

단계 S120에서, 음향파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀(110)의 배향 방향은 컴퓨팅 과정을 통해 그려진 음향양자결정이 가질 수 있는 밴드 구조의 그래프에서 디락 포인트(Dirac-like point)인 교차점이 발생하는 파수(wave number) 축지점에 따라 결정된다. 본 발명의 일 실시 예에서는, 상기 교차점이

Figure pat00028
포인트에 형성되어 음향파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀(110)의 배향 방향이 변조된 평면파가 출사되는 방향과 단위 셀의 단면 윤곽인 정사각형의 대각선이 나란해지는 방향으로 결정된다. In step S120, the orientation direction of the unit cell 110 with respect to the direction in which the acoustic wave is emitted is a Dirac-like point in the graph of the band structure that the acoustic quantum crystal drawn through the computing process may have. The wave number is determined according to the axis point. In one embodiment of the present invention, the intersection
Figure pat00028
The orientation direction of the unit cell 110 with respect to the direction in which the acoustic wave is emitted and formed at the point is determined by the direction in which the modulated plane wave is emitted and the diagonal of a square, which is the cross-sectional outline of the unit cell, is parallel.

참고로, 도 7은 산란체의 단면의 크기를 변화시키는 경우 이로부터 도출되는 밴드 구조의 변화 양태를 나타내고, 도 8은 단위 셀의 크기를 변화시키는 경우 이로부터 도출되는 밴드 구조의 변화 양태를 나타낸다. For reference, FIG. 7 shows a change in the band structure derived therefrom when the size of the cross-section of the scatterer is changed, and FIG. 8 shows a change in the band structure derived therefrom when the size of the unit cell is changed. .

단계 S130에서, 상기 단계 S110 내지 단계 S120에서 설계된 구조로 산란체를 배열하고 본 발명인 음향양자결정을 이용한 평면파 발생기를 완성한다. 구체적으로 S110에서 결정된 단면의 모양 및 크기를 갖는 봉을 복수 개 준비하고, 상기 봉을 단위 셀의 크기로 단계 S120에서 결정된 단위 셀의 배향방향으로 이격되게 주기적으로 배열한다.In step S130, the scatterers are arranged in the structure designed in steps S110 to S120, and the plane wave generator using the acoustic quantum crystal according to the present invention is completed. Specifically, a plurality of rods having the shape and size of the cross-section determined in S110 are prepared, and the rods are periodically arranged to be spaced apart from each other in the orientation direction of the unit cell determined in step S120 to the size of the unit cell.

또한, 단계 S130에서, 음향양자결정이 음향파를 평면파로 변조시키기 위해 음향양자결정의 음향파가 출사되는 일면의 윤곽은 평면으로 형성되도록 산란체가 배열된다. In addition, in step S130, the scattering body is arranged so that the contour of one surface from which the acoustic wave of the acoustic quantum crystal is emitted is formed in a plane so that the acoustic quantum crystal modulates the acoustic wave into a plane wave.

Claims (10)

음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기에 있어서,
중심에 동일한 크기의 산란체가 형성되고 상기 산란체가 차지하는 부피 이외에는 상기 음향파의 매질로 채워지는 단위 셀이 제1 방향 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 주기적으로 배열되는 음향양자결정을 포함하고,
상기 산란체는, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 모두 수직한 제3 방향으로 일정한 길이로 연장된 봉으로서 상기 단위 셀의 크기만큼 이격되게 배치되고,
상기 음향양자결정의 상기 음향파가 출사되는 일면의 윤곽은 평면으로 형성되는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기.
A plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens that modulates a waveform of an acoustic wave into a plane wave, the plane wave generator comprising:
A scatterer of the same size is formed in the center, and unit cells filled with the acoustic wave medium other than the volume occupied by the scatterer are periodically arranged in a first direction and a second direction perpendicular to the first direction. do,
The scatterers, as rods extending with a constant length in a third direction perpendicular to both the first direction and the second direction, are disposed to be spaced apart by the size of the unit cell,
A plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, wherein the contour of one surface from which the acoustic wave is emitted of the acoustic quantum crystal is formed as a plane.
 청구항 1에 있어서,
상기 단위 셀은 정사각형의 단면 윤곽을 가지며,
상기 단위 셀은 상기 평면파가 출사되는 방향과 상기 정사각형의 대각선이 나란하도록 주기적으로 배열되는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기.
The method according to claim 1,
The unit cell has a square cross-sectional profile,
The unit cell is a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, which is periodically arranged so that a diagonal line of the square is parallel to a direction in which the plane wave is emitted.
 청구항 1에 있어서,
상기 산란체는 원통형의 봉인, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기.
The method according to claim 1,
The scatterer is a cylindrical seal, a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens.
 청구항 1에 있어서,
상기 산란체의 일단이 끼워지는 구멍이 구비되는 하부 플레이트; 및
상기 산란체의 타단이 관통하는 관통홀이 구비되는 상부 플레이트를 더 포함하는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기.
The method according to claim 1,
a lower plate having a hole through which one end of the scatterer is fitted; and
A plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, further comprising an upper plate having a through hole through which the other end of the scatterer passes.
 청구항 4에 있어서,
상기 산란체의 타단은 상기 상부 플레이트의 상면에서 소정의 길이로 돌출되는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기.
5. The method according to claim 4,
A plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, wherein the other end of the scatterer protrudes by a predetermined length from the upper surface of the upper plate.
 음향파의 파형을 평면파로 변조하는 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법에 있어서,
상기 음향양자결정의 일 단위가 되는 단위 셀의 크기 및 상기 단위 셀의 중심에 형성되는 산란체의 단면의 크기를 계산하는 단계;
상기 평면파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀의 배향 방향을 설계하는 단계; 및
상기 산란체를 배열하는 단계를 포함하는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법.
In the design method of a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens that modulates a waveform of an acoustic wave into a plane wave,
calculating a size of a unit cell serving as one unit of the acoustic quantum crystal and a size of a cross-section of a scatterer formed at the center of the unit cell;
designing an alignment direction of a unit cell with respect to a direction in which the plane wave is emitted; and
A method of designing a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, comprising the step of arranging the scatterers.
 청구항 6에 있어서,
상기 음향양자결정의 일 단위가 되는 단위 셀의 크기 및 상기 단위 셀의 중심에 형성되는 산란체의 단면의 크기를 계산하는 단계는,
상기 단위 셀은, 정사각형의 단면 윤곽을 가지고 중심에 원통형의 봉인 상기 산란체가 형성하는 구조를 갖도록 상기 정사각형의 한 변의 길이 및 상기 원통형의 봉의 단면인 원의 반지름을 계산하는 단계를 포함하는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법.
7. The method of claim 6,
Calculating the size of a unit cell that becomes one unit of the acoustic quantum crystal and the size of a cross section of a scatterer formed at the center of the unit cell,
The unit cell includes calculating the length of one side of the square and the radius of a circle that is the cross-section of the cylindrical rod so that the unit cell has a structure formed by the scattering body having a cylindrical rod at the center. A design method of a plane wave generator using a crystal lens.
 청구항 7에 있어서,
상기 평면파가 출사되는 방향에 대한 단위 셀의 배향 방향을 설계하는 단계에서,
상기 단위 셀의 배향 방향은 상기 평면파가 출사되는 방향과 상기 정사각형의 대각선이 나란하도록 설계되는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법.
8. The method of claim 7,
In the step of designing the orientation direction of the unit cell with respect to the direction in which the plane wave is emitted,
The orientation direction of the unit cell is designed so that a diagonal line of the square is parallel to a direction in which the plane wave is emitted.
 청구항 8에 있어서,
상기 산란체를 배열하는 단계는,
상기 평면파가 출사되는 방향과 상기 단위 셀의 단면 윤곽인 상기 정사각형의 대각선이 나란하도록 상기 산란체를 상기 계산된 정사각형의 한 변의 길이만큼 이격되게 배치하는 단계를 포함하는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법.
9. The method of claim 8,
The step of arranging the scatterers,
A plane wave using an acoustic quantum crystal lens, comprising disposing the scatterers to be spaced apart by the calculated length of one side of the square so that the direction in which the plane wave is emitted and the diagonal of the square, which is the cross-sectional outline of the unit cell, are parallel. Generator design method.
 청구항 6에 있어서,
상기 산란체를 배열하는 단계에서,
상기 음향양자결정의 상기 음향파가 출사되는 일면의 윤곽은 평면으로 형성되도록 상기 산란체가 배열되는, 음향양자결정 렌즈를 이용한 평면파 발생기의 설계방법.7. The method of claim 6,
In the step of arranging the scatterers,
The method of designing a plane wave generator using an acoustic quantum crystal lens, wherein the scattering body is arranged so that the contour of one surface from which the acoustic wave of the acoustic quantum crystal is emitted is formed in a plane.
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