KR20220023579A - Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure - Google Patents

Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure Download PDF

Info

Publication number
KR20220023579A
KR20220023579A KR1020200105495A KR20200105495A KR20220023579A KR 20220023579 A KR20220023579 A KR 20220023579A KR 1020200105495 A KR1020200105495 A KR 1020200105495A KR 20200105495 A KR20200105495 A KR 20200105495A KR 20220023579 A KR20220023579 A KR 20220023579A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit cell
acoustic
quantum crystal
layer unit
crystal
Prior art date
Application number
KR1020200105495A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102373279B1 (en
Inventor
전원주
이기용
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020200105495A priority Critical patent/KR102373279B1/en
Publication of KR20220023579A publication Critical patent/KR20220023579A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102373279B1 publication Critical patent/KR102373279B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/162—Selection of materials
    • G10K11/165—Particles in a matrix
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00—Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/10—Applications
    • G10K2210/103—Three dimensional
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00—Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/30—Means
    • G10K2210/321—Physical
    • G10K2210/3214—Architectures, e.g. special constructional features or arrangements of features
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00—Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/30—Means
    • G10K2210/321—Physical
    • G10K2210/3219—Geometry of the configuration
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00—Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/30—Means
    • G10K2210/321—Physical
    • G10K2210/3223—Materials, e.g. special compositions or gases

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

The present invention relates to a phononic crystal, and more particularly, a phononic crystal which has multi-periodicity and various geometric factors due to unit cells having a hierarchical structure and is designed using the same to have a characteristic of blocking multiple frequencies. To this end, the phononic crystal of the present invention includes i^th-level unit cells in which a pattern area containing an inclusion and a non-pattern area as a matrix are stacked, and a plurality of (i+1)^th-level unit cells are periodically arranged in the pattern areas of the i^th-level unit cells.

Description

계층구조 단위 셀을 가지는 음향양자 결정{Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure}Acoustic quantum crystal with unit cell having hierarchical structure

본 발명은 음향양자 결정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 음향양자 결정의 단위 셀이 계층구조를 가짐으로써 다중 주기성과 다양한 기하학적 인자를 가지는 음향양자 결정과, 이를 이용하여 설계한 다중 주파수를 차단하는 특성을 가지는 음향양자 결정에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic quantum crystal, and more specifically, an acoustic quantum crystal having multiple periodicity and various geometric factors by having a hierarchical structure of unit cells of the acoustic quantum crystal, and a characteristic of blocking multiple frequencies designed using the same It relates to an acoustic quantum crystal having

음향양자 결정(phononic crystal)이란 음향제어를 목적으로 설계된 단위 셀(unit cell)이 주기적으로 반복된 구조로서, 일반적으로 단위 셀은 함유물(inclusion) 또는 공극(void)이 모체(matrix)에 둘러 쌓여 있는 구조를 가진다. 이와 같은 음향양자 결정에서는 단위 셀의 주기성으로 인해, 음의 굴절(negative refraction) 현상이나 파동이 전파되지 않는 특정 주파수 대역인 밴드갭(bandgap)이 존재하는 등, 자연계에 존재하는 물질에서 일반적으로 관측되지 않는 파동 특이현상(meta phenomena of waves)이 구현될 수 있다. 이 중 특히 파동 차단을 위한 밴드갭 특성은, 파동을 한 방향으로만 통과시키는 음향 다이오드(acoustic diode), 파동 에너지를 한 곳에 집속시키는 음향 집속(acoustic confinement), 원하는 주파수 내지 주파수 대역만 차단하는 음향 필터(acoustic filter) 등의 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 이에 따라 최근 음향양자 결정에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.A phononic crystal is a structure in which unit cells designed for the purpose of sound control are periodically repeated. In general, unit cells have inclusions or voids surrounded by a matrix. It has a stacked structure. In such acoustic quantum crystals, due to the periodicity of the unit cell, negative refraction or a bandgap, which is a specific frequency band in which waves do not propagate, exists, and is generally observed in materials that exist in nature. Meta phenomena of waves can be realized. Among them, the bandgap characteristic for blocking a wave in particular is an acoustic diode that passes a wave in only one direction, an acoustic confinement that focuses the wave energy in one place, and a sound that blocks only a desired frequency or frequency band. It can be applied to various fields such as a filter (acoustic filter), and accordingly, interest in acoustic quantum crystals has recently increased significantly.

한편, 밴드갭의 중심 주파수는 브래그 산란(Bragg scattering)에 근거하여 단위 셀의 크기에 반비례한다는 특징이 있다. 따라서 음향양자 결정을 이용하여 원하는 음향파를 차단, 투과, 집속시키기 위해서는 단위 셀의 크기를 적절히 선정하는 것이 가장 중요시되며, 단위 셀 구조의 기하학적 인자들 및 음향양자 결정을 구성하는 물질 등의 조절이 필요하다.On the other hand, the center frequency of the bandgap is characterized in that it is inversely proportional to the size of the unit cell based on Bragg scattering. Therefore, in order to block, transmit, and focus a desired acoustic wave using an acoustic quantum crystal, it is most important to properly select the size of the unit cell, and to control the geometrical factors of the unit cell structure and materials constituting the acoustic quantum crystal. need.

도 1은 종래의 음향양자 결정을 나타내는 것으로, (a)는 음향양자 결정의 사시도이고, (b)는 음향양자 결정을 측면에서 바라본 측면도이다. 도 1의 음향양자 결정(10')은 함유물(I')과 모체(M')로 이루어진 가장 간단한 이종물질 적층형 주기구조(bilayered periodic structure)로서, 종래의 음향양자 결정(10')은 조절 가능한 기하학적 인자가 단지 단위 셀(100)의 두께와 모체(M) 내 함유물(I)의 비율 두 개 뿐이고, 단일 주기성(single periodicity)을 가지게 된다.1 shows a conventional acoustic quantum crystal, (a) is a perspective view of the acoustic quantum crystal, (b) is a side view of the acoustic quantum crystal viewed from the side. The acoustic quantum crystal 10' of FIG. 1 is the simplest bilayered periodic structure composed of an inclusion material (I') and a matrix (M'), and the conventional acoustic quantum crystal 10' is controlled Only two possible geometrical factors are the thickness of the unit cell 100 and the ratio of the inclusions I in the matrix M, and have a single periodicity.

이와 같이, 종래 음향양자 결정은 단위 셀의 구조를 결정짓는 기하학적 인자의 종류가 다양하지 않아 원하는 음향제어 및 음향장치를 설계하는데 있어 자유도가 높지 못하며, 단일 주기성을 가지기 때문에 여러 개의 목표 주파수 또는 목표 주파수 대역을 차단하는데 적합하지 않다.As described above, the conventional acoustic quantum crystal does not have a high degree of freedom in designing a desired acoustic control and acoustic device because the types of geometric factors determining the structure of the unit cell are not diverse. It is not suitable for blocking the band.

즉, 종래 음향양자 결정은 기하학적 인자의 부족과 단일 주기성으로 인해, 목표 주파수 차단을 위한 정밀한 조절이 어려울 뿐 아니라, 더 많은 수의 주파수를 동시에 차단하거나 더 넓은 주파수 대역을 차단하기 위한 음향양자 결정을 설계하는 것에 한계가 있다. That is, in the conventional acoustic quantum crystal, it is difficult to precisely control the target frequency due to the lack of geometric factors and single periodicity. There are limits to design.

한국 등록특허공보 제10-0632298호(2006.09.29.)Korean Patent Publication No. 10-0632298 (2006.09.29.)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 음향양자 결정의 단위 셀이 계층구조를 가짐으로써 다중 주기성과 다양한 기하학적 인자를 가지는 음향양자 결정을 제공하고, 이를 이용하여 설계한 다중 주파수를 차단하는 특성을 가지는 음향양자 결정을 제공하는 것에 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the present invention provides an acoustic quantum crystal having multiple periodicity and various geometric factors by having unit cells of the acoustic quantum crystal have a hierarchical structure, and is designed using the An object of the present invention is to provide an acoustic quantum crystal having a property of blocking multiple frequencies.

본 발명의 음향양자 결정은, 단위 셀(unit cell)이 주기적으로 배열되는 구조인 음향양자 결정(phononic crystal)으로서, 함유물이 포함된 패턴영역(inclusion)과 모체(matrix)인 비패턴영역이 적층된 형태로 이루어진 제i 계층 단위 셀을 포함하고, 상기 제i 계층 단위 셀의 패턴영역은, 함유물이 포함된 패턴영역과 모체인 비패턴영역이 적층된 형태로 이루어진 제i+1 계층 단위 셀 다수개가 주기적으로 배열되어 형성되며, 상기 단위 셀은 제0 계층 단위 셀이다(여기서, i=(0, …, k-1), k는 1 이상의 자연수이다).The acoustic quantum crystal of the present invention is a phononic crystal having a structure in which unit cells are periodically arranged, and includes an inclusion-containing patterned region and a matrix non-patterned region. an i+1th hierarchical unit comprising an i-th hierarchical unit cell in a stacked form, wherein the pattern region of the i-th hierarchical unit cell includes a pattern region containing inclusions and a non-pattern region as a parent in a laminated form A plurality of cells are periodically arranged, and the unit cell is a 0th layer unit cell (here, i=(0, ..., k-1), and k is a natural number equal to or greater than 1).

상기 단위 셀의 최소 단위 셀인 제k 계층 단위 셀의 패턴영역은 함유물로만 이루어져, 상기 제k 계층 단위 셀은 함유물과 모체가 적층된 형태로 이루어질 수 있다.The pattern region of the k-th layer unit cell, which is the minimum unit cell of the unit cell, may consist of only the inclusion material, and the k-th layer unit cell may be formed in a form in which the inclusion material and the matrix are stacked.

상기 제i 계층 단위 셀의 두께는 li 이고, 상기 제i 계층 단위 셀의 패턴영역의 두께는 γi×li 일 수 있다(여기서, γi는 제i 계층 단위 셀의 함유물의 비율이다).The thickness of the i-th layer unit cell may be l i , and the thickness of the pattern region of the i-th layer unit cell may be γ i × l i (where γ i is the ratio of the content of the i-th layer unit cell) .

상기 제i 계층 단위 셀의 두께, 상기 제i 계층 단위 셀의 함유물의 비율, 제i 계층 단위 셀의 개수, 및 상기 k 중 적어도 하나 이상을 달리함에 따라, 상기 음향양자 결정의 주파수 차단 특성이 변할 수 있다.By varying at least one of the thickness of the i-th layer unit cell, the ratio of the content of the i-th layer unit cell, the number of the i-th layer unit cells, and the k, the frequency blocking characteristic of the acoustic quantum crystal may change. can

상기 γi 는 0.5 이상일 수 있다.The γ i may be 0.5 or more.

상기 모체의 음향 임피던스는 상기 함유물의 음향 임피던스보다 작을 수 있다.The acoustic impedance of the matrix may be less than the acoustic impedance of the inclusions.

상기 음향양자 결정은 다수개의 주파수 또는 다수개의 주파수 대역을 차단하는 주파수 차단 특성을 가질 수 있다.The acoustic quantum crystal may have a frequency blocking characteristic that blocks a plurality of frequencies or a plurality of frequency bands.

본 발명은 음향양자 결정의 단위 셀이 계층구조를 가짐으로써 음향양자 결정이 다중 주기성과 다양한 기하학적 인자를 가지게 됨에 따라, 다양한 기하학적 인자를 통해 원하는 음향장치를 설계하는데 높은 자유도를 제공하며, 음향양자 결정에서 다중 주기성으로 인해 여러 스케일의 주파수 영역에서 광대역 밴드 차단이 가능한 주파수 차단 특성이 구현되도록 할 수 있다.The present invention provides a high degree of freedom in designing a desired acoustic device through various geometric factors as the acoustic quantum crystal has multiple periodicity and various geometric factors because the unit cell of the acoustic quantum crystal has a hierarchical structure. Because of the multi-periodicity in , it is possible to realize a frequency blocking characteristic capable of blocking a broadband band in a frequency domain of several scales.

도 1은 종래 양자결정 구조의 사시도와 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 양자결정 구조의 측면과, 기본 단위 셀의 일부분을 확대한 것을 나타낸다.
도 3은 계층구조가 없는 양자결정 구조을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 양자결정 구조의 성능을 측정하기 위한 실험 세팅의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 음향 필터의 차음 성능을 나타내는 그래프로서, 거리별 음압을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 음향 필터의 상대 밴드폭 차단 여부를 나타내는 그래프로서, 주파수별 투과도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 음향 필터와 종래의 음향 필터 간 차음 성능을 나타내는 그래프로서, 주파수별 투과도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 음향 필터와 종래의 음향 필터 간 필터링 효율을 비교한 그래프로서, 목표 주파수 개수별 필터링 효율을 나타낸다.1 is a perspective view and a side view of a conventional quantum crystal structure.
2 is an enlarged view of a side of a quantum crystal structure and a portion of a basic unit cell according to an embodiment of the present invention.
3 shows a quantum crystal structure without a hierarchical structure.
4 is a conceptual diagram of an experimental setting for measuring the performance of the quantum crystal structure of the present invention.
5 is a graph showing the sound insulation performance of the acoustic filter of the present invention, and shows the sound pressure for each distance.
6 is a graph showing whether or not the sound filter of the present invention blocks the relative bandwidth, and shows transmittance for each frequency.
7 is a graph illustrating sound insulation performance between an acoustic filter of the present invention and a conventional acoustic filter, and shows transmittance for each frequency.
8 is a graph comparing the filtering efficiency between the acoustic filter of the present invention and the conventional acoustic filter, and shows the filtering efficiency for each target frequency.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 양자결정 구조의 측면도와, 단위 셀의 일부분을 확대한 것으로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 양자결정 구조(10)는 단위 셀(100)이 주기적으로 반복 배열되는 구조이며, 보다 구체적으로는 단위 셀(100)이 일 방향으로 연속하여 적층된 형태로 반복 배열되는 구조이다.2 is a side view of a quantum crystal structure according to an example of the present invention, and an enlarged view of a part of a unit cell. and, more specifically, a structure in which the unit cells 100 are continuously stacked in one direction and arranged repeatedly.

단위 셀(100)은 함유물(I)이 포함된 패턴영역(110)과 모체(M)인 비패턴영역(120)이 적층된 형태이다. 패턴영역(110)은 단위 셀(100)에서 단위 셀(100)의 일측을 기준으로 타측으로 일정 거리까지의 부분을 의미하는 것으로, 패턴영역(110)에는 함유물(I)이 포함되어 있으며, 비패턴영역(120)은 단위 셀(100)에서 패턴영역(110)을 제외한 나머지 부분을 의미하는 것으로, 비패턴영역(120)은 모체(M)이다. 즉, 단위 셀(100)은 모체(M)와 함유물(I)로 이루어지되, 모체(M) 내에 함유물(I)이 포함되어 일정한 모양이 형성되는 패턴영역(110)과, 함유물(I)이 포함되지 않은 모체(M)인 비패턴영역(120)으로 구분되어, 단위 셀(100)은 전체적으로 패턴영역(110)과 비패턴영역(120)이 적층된 형태를 가진다.The unit cell 100 is in a form in which a patterned region 110 including an inclusion (I) and a non-patterned region 120 that is a matrix (M) are stacked. The pattern area 110 refers to a portion from the unit cell 100 to a predetermined distance from one side of the unit cell 100 to the other side, and the pattern area 110 contains an inclusion (I), The non-patterned region 120 refers to the remaining portion of the unit cell 100 excluding the patterned region 110 , and the non-patterned region 120 is the matrix M. That is, the unit cell 100 is composed of a matrix (M) and an inclusion material (I), and a pattern region 110 in which the inclusion material (I) is included in the matrix (M) to form a certain shape, and an inclusion material ( The unit cell 100 is divided into a non-patterned region 120 that is the matrix M that does not include I), and thus the unit cell 100 has a form in which the patterned region 110 and the non-patterned region 120 are stacked as a whole.

이때, 본 발명의 양자결정 구조(10)는, 단위 셀(100)이 단위 셀(100)과 동일한 형태를 가지는 작은 단위 셀들의 집합으로 이루어지고, 작은 단위 셀이 단위 셀(100)과 동일한 형태를 가지는 더 작은 단위 셀들의 집합으로 이루어지는 계층구조(hierarchical structure)를 가진다. 보다 구체적으로, 단위 셀(100)은, 단위 셀(100)의 패턴영역(110)이 단위 셀(100)의 형태와 동일하게 패턴영역과 비패턴영역이 적층된 형태로 이루어진 작은 단위 셀 다수개가 주기적으로 배열되어 형성되고, 작은 단위 셀은 다시 작은 단위 셀의 패턴영역이 단위 셀(100)의 형태와 동일하게 패턴영역과 비패턴영역이 적층된 형태로 이루어진 더 작은 단위 셀 다수개가 주기적으로 배열되어 형성되는 것이 반복적으로 이루어지는 계층구조를 가진다.At this time, in the quantum crystal structure 10 of the present invention, the unit cell 100 is made of a set of small unit cells having the same shape as the unit cell 100 , and the small unit cell has the same shape as the unit cell 100 . It has a hierarchical structure consisting of a set of smaller unit cells with More specifically, the unit cell 100 includes a plurality of small unit cells in which the pattern region 110 of the unit cell 100 has a pattern region and a non-pattern region stacked in the same manner as the unit cell 100 . The small unit cells are formed by periodically arranging a plurality of smaller unit cells in which the pattern area of the small unit cell is in the same shape as the unit cell 100, and the pattern area and the non-pattern area are stacked. It has a hierarchical structure in which what is formed is repeated.

단위 셀(100)이 계층구조를 가지는 것에 대하여 보다 더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 함유물(I)이 포함된 패턴영역(110-i)과 모체(M)인 비패턴영역(120-i)이 적층된 형태로 이루어진 제i 계층 단위 셀(100-i)을 포함하고, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 패턴영역(110-i)은, 단위 셀(100)의 형태와 동일하게 함유물(I)이 포함된 패턴영역(110-[i+1])과 모체(M)인 비패턴영역(120-[i+1])이 적층된 형태로 이루어진 제i+1 계층 단위 셀(100-[i+1]) 다수개가 주기적으로 배열되어 형성되며, 단위 셀(100)은 기본 단위 셀인 제0 계층 단위 셀(100-0)인 것을 의미한다. 여기서 i=(0, …, k-1)이고, k는 1 이상의 자연수이다. If the unit cell 100 is more specifically described for having a hierarchical structure, the present invention provides a patterned region 110-i including an inclusion (I) and a non-patterned region 120-i, which is a matrix (M). ) includes an i-th layer unit cell 100-i in a stacked form, and the pattern region 110-i of the i-th layer unit cell 100-i has the same shape as that of the unit cell 100 . The i+1th hierarchical unit consisting of a patterned region 110-[i+1] including the inclusion (I) and a non-patterned region 120-[i+1], which is the parent (M), are stacked. A plurality of cells 100-[i+1] are periodically arranged and formed, and the unit cell 100 means a 0th layer unit cell 100-0, which is a basic unit cell. where i = (0, ..., k-1), and k is a natural number greater than or equal to 1.

이때, 최소 단위 셀인 제k 계층 단위 셀(100-k)은, 제k 계층 단위 셀(100-k)의 패턴영역(110-k)이 함유물(I)로만 이루어져 함유물(I)과 모체(M)가 적층된 형태일 수 있다. 즉, 제k 계층 단위 셀(100-k) 또한 패턴영역(110-k)과 비패턴영역(120-k)로 이루어지되, 제k 계층 단위 셀(100-k)의 패턴영역(110-k)은, 제0 내지 제k-1 계층 단위 셀(100-0, 100-1, …, 100-[k-1])의 패턴영역(110-0, 110-1, …, 110-[k-1])이 함유물과 모체가 교번되는 형태인 것과 달리 함유물로만 이루어져, 제k 계층 단위 셀(100-k)은 전체적으로 함유물과 모체가 적층된 형태일 수 있다.At this time, in the k-th layer unit cell 100-k, which is the minimum unit cell, the pattern region 110-k of the k-th layer unit cell 100-k consists only of the inclusion material (I), the inclusion material (I) and the matrix (M) may be in a laminated form. That is, the k-th layer unit cell 100-k also includes a pattern area 110-k and a non-pattern area 120-k, and the pattern area 110-k of the k-th layer unit cell 100-k. ) is the pattern regions 110-0, 110-1, …, 110-[k] of the 0th to k-1th hierarchical unit cells 100-0, 100-1, …, 100-[k-1]. -1]) is composed of only inclusions, unlike inclusions and matrices, so that the k-th layer unit cell 100-k may have a form in which inclusions and mothers are stacked as a whole.

본 발명에서 k는 단위 셀(100)의 계층구조가 반복되는 횟수, 즉 단위 셀(100)의 계층구조가 총 몇 계층로 이루어져 있는지를 나타내는 N을 의미할 수 있다(k=N). 이에 의하면, 종래의 함유물(I')과 모체(M')가 한번씩 교번되는 형태의 음향양자 결정(10')은 계층구조를 갖지 않으므로 N=0 에 해당하고, 본 발명의 단위 셀(100)의 계층구조는 1 계층 이상, 즉 N≥1 에 해당한다. 즉, 본 발명은 N≥1 인 점에서 종래 음향양자 결정이 N=0인 것과 차이를 나타낸다.In the present invention, k may mean N indicating the number of times the hierarchical structure of the unit cell 100 is repeated, that is, the total number of hierarchical structures of the unit cell 100 (k=N). According to this, the conventional acoustic quantum crystal 10' in which the inclusion (I') and the matrix (M') are alternated once does not have a hierarchical structure, so N=0, and the unit cell 100 of the present invention ) corresponds to one or more hierarchies, that is, N≥1. That is, the present invention is different from the conventional acoustic quantum crystal in which N=0 in that N≥1.

도 2는 일 예로서 N=2 인 음향양자 결정을 나타내는 것으로, 단위 셀(100)의 계층구조가 총 2 계층로 이루어져있다. 즉, 본 발명의 단위 셀(100)은 제0 계층 단위 셀(100-0)에 해당하고, 제0 계층 단위 셀(100-0)의 패턴영역(110-0)은 제1 계층 단위 셀(100-1) 다수개가 주기적으로 배열되어 형성되며, 제1 계층 단위 셀(100-1)의 패턴영역(110-1)은 제2 계층 단위 셀(110-2) 다수개가 주기적으로 배열되어 형성된다. 이와 같이, 본 발명의 음향양자 결정(10)은 기본 단위 셀인 제0 계층 단위 셀(100-0)이 주기적으로 배열되어 형성되는 것이되, 제0 계층 단위 셀(100-0)은 또 다시 더 작은 단위의 단위 셀(100-1, 100-2, …, 100-k)들의 집합으로 형성될 수 있다.FIG. 2 shows an acoustic quantum crystal with N=2 as an example, and the hierarchical structure of the unit cell 100 consists of a total of two layers. That is, the unit cell 100 of the present invention corresponds to the 0th layer unit cell 100-0, and the pattern region 110-0 of the 0th layer unit cell 100-0 is the first layer unit cell ( 100-1) is formed by periodically arranging a plurality, and the pattern region 110-1 of the first hierarchical unit cell 100-1 is formed by periodically arranging a plurality of second hierarchical unit cells 110-2 . As described above, the acoustic quantum crystal 10 of the present invention is formed by periodically arranging the 0th layer unit cell 100-0, which is the basic unit cell, and the 0th layer unit cell 100-0 is further further It may be formed as a set of small unit cells 100-1, 100-2, ..., 100-k.

또한, 제2 계층 단위 셀(100-2)은 최소 단위 셀인 제k 계층 단위 셀(100-k)에 해당하며, 제2 계층 단위 셀(100-2)의 패턴영역(110-2)은 상위 계층의 제0, 제1 계층 단위 셀(100-0, 100-1)과 달리 모체(M) 내에 함유물(I)이 포함된 형태가 아닌, 함유물로(I)만 이루어져, 제2 계층 단위 셀(100-2)은 함유물(I)과 모체(M)가 적층된 형태를 가진다.In addition, the second hierarchical unit cell 100-2 corresponds to the kth hierarchical unit cell 100-k, which is the minimum unit cell, and the pattern region 110-2 of the second hierarchical unit cell 100-2 is higher Unlike the 0th and 1st hierarchical unit cells 100-0 and 100-1 of the hierarchy, the inclusion (I) is not included in the parent body (M), but only the inclusion (I), so that the second layer The unit cell 100-2 has a form in which an inclusion (I) and a parent body (M) are stacked.

이와 같이, 계층구조를 가지는 단위 셀(100)에 있어서, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 두께는 li 이고, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 패턴영역(110-i)의 두께는 γi×li 이고, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 개수는 ni 일 수 있다. 즉, 각 계층 단위 셀(100-i)은 모두 패턴영역(110-i)과 비패턴영역(120-i)이 적층된 형태라는 점이 제0 계층 단위 셀(100-0)이 패턴영역(110-0)과 비패턴영역(120-0)이 적층된 형태라는 점과 동일한 것이며, 각 계층 단위 셀(100-i)의 구체적인 기하학적 인자들, 즉 각 계층 단위 셀(100-i)의 두께, 각 계층 단위 셀(100-i)의 패턴영역(110-i)의 두께 등은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 한편, γi는 제i 계층 단위 셀의 함유물의 비율로서, 자세한 내용은 후술하기로 한다.As such, in the unit cell 100 having a hierarchical structure, the thickness of the i-th hierarchical unit cell 100-i is l i , and the pattern region 110-i of the i-th hierarchical unit cell 100-i is A thickness of γ i × l i may be, and the number of the i-th layer unit cells 100 - i may be n i . That is, each hierarchical unit cell 100-i has a pattern region 110-i and a non-pattern region 120-i in a stacked form. -0) and the non-pattern region 120-0 are stacked, specific geometric factors of each layer unit cell 100-i, that is, the thickness of each layer unit cell 100-i; The thickness of the pattern region 110 - i of each hierarchical unit cell 100 - i may be the same or different from each other. Meanwhile, γ i is the ratio of the content of the i-th layer unit cell, which will be described later in detail.

즉, 본 발명의 음향양자 결정(10)은 이와 같이 단위 셀(100)이 계층구조를 가지게 되어 다중 주기성(multiple periodicity)을 가지고, 변경가능한 각 계층의 단위 셀(100-i)의 기하학적 인자가 증가됨에 따라, 종래 음향양자 결정(10')의 한계점이었던 단일 주기성과 기하학적 인자의 부족을 해결할 수 있고, 다중 주기성과 다양한 기하학적 인자를 통해 원하는 음향 장치를 설계하거나 음향 제어하는데 높은 자유도를 제공할 수 있다.That is, in the acoustic quantum crystal 10 of the present invention, the unit cell 100 has a hierarchical structure as described above, so that it has multiple periodicity, and the geometrical factors of the unit cells 100-i of each layer that can be changed are As it increases, the lack of single periodicity and geometric factors, which were limitations of the conventional acoustic quantum crystal 10', can be solved, and a high degree of freedom can be provided in designing a desired acoustic device or controlling acoustics through multiple periodicity and various geometric factors. there is.

즉, 본 발명에 의하면, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 두께, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 패턴영역(110-i)의 두께, 제i 계층 단위 셀(100-i)의 개수, 및 단위 셀(100)의 계층구조의 계층수(N) 중 적어도 하나 이상을 달리하여, 음향양자 결정(10)의 주파수 차단 특성을 변화시킬 수 있다. 음향양자 결정의 주파수 차단 특성이라 함은 상술한 바와 같이, 음의 굴절 현상이나 파동이 전파되지 않는 특정 주파수 대역인 밴드갭이 존재하는 등의 자연계에 존재하는 물질에서 일반적으로 관측되지 않는 파동 특이현상이 구현되는 음향양자 결정의 특성을 말한다.That is, according to the present invention, the thickness of the i-th layer unit cell 100-i, the thickness of the pattern region 110-i of the i-th layer unit cell 100-i, and the i-th layer unit cell 100-i ) and at least one of the number of layers (N) of the hierarchical structure of the unit cell 100 may be changed to change the frequency blocking characteristic of the acoustic quantum crystal 10 . As described above, the frequency blocking characteristics of acoustic quantum crystals are wave singular phenomena that are not generally observed in materials existing in nature, such as negative refraction or band gaps, which are specific frequency bands in which waves do not propagate. This refers to the characteristics of the acoustic quantum crystal implemented.

음향양자 결정이 파동을 한 방향으로만 통과시키거나, 파동 에너지를 한 곳에 집속시키거나, 원하는 주파수 내지 주파수 대역만 차단하는 등의 파동 특이현상이 구현되는 음향양자 결정의 특성을 의미한다.Acoustic quantum crystal refers to the characteristic of an acoustic quantum crystal in which a wave singular phenomenon is realized, such as passing a wave in only one direction, concentrating the wave energy in one place, or blocking only a desired frequency or frequency band.

이때, 모체(M)를 구성하는 물질의 종류와, 함유물(I)을 구성하는 물질의 종류를 달리하는 것도 음향양자 결정의 주파수 차단 특성을 변경시키는 또 다른 인자가 될 수 있음은 물론이다.At this time, it goes without saying that changing the type of material constituting the matrix (M) and the type of material constituting the inclusion (I) may also be another factor for changing the frequency blocking characteristics of the acoustic quantum crystal.

이하에서는, 본 발명의 음향양자 결정(10) 또는 이를 이용하여 설계한, 다중 주파수 내지 주파수 대역을 차단하는 음향 필터에 대하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, the acoustic quantum crystal 10 of the present invention or an acoustic filter designed using the same, for blocking multiple frequencies or frequency bands, will be described.

앞서 살펴본 도 2는 단위 셀의 계층구조가 총 2 계층(N=2)으로 이루어진 음향양자 결정을 나타내는 것으로, 각 계층의 단위 셀의 두께(또는 단위 셀의 길이, 이하 '단위 셀의 두께'라고 함)(li), 단위 셀의 개수(ni), 함유물의 비율(γi)에 의해 음향양자 결정의 전체적인 구조가 결정된다. 여기서 함유물의 비율(γ)이란 단위 셀 전체 부피에서 패턴영역이 차지하는 부피의 비율을 의미할 수 있으며, 이에 따라 패턴영역의 두께(또는 패턴영역의 길이, 이하 '패턴영역의 두께'라고 함)(γi×li)가 단위 셀의 두께에 함유물의 비율을 곱한 것에 해당하게 된다. 아래 첨자(i=0, …, k)는 각 계층을 의미한다. 도 3은 계층구조가 없는(N=0) 음향양자 결정으로서, 계층구조가 없는 경우는 상술한 바와 같이 종래의 음향양자 결정에 해당한다.2 shows the acoustic quantum crystal in which the hierarchical structure of the unit cell is composed of a total of two layers (N=2), and the thickness of the unit cell of each layer (or the length of the unit cell, hereinafter referred to as the 'thickness of the unit cell') The overall structure of the acoustic quantum crystal is determined by (l i ), the number of unit cells (n i ), and the ratio of inclusions (γ i ). Here, the content ratio (γ) may mean the ratio of the volume occupied by the pattern area to the total volume of the unit cell, and accordingly, the thickness of the pattern area (or the length of the pattern area, hereinafter referred to as 'the thickness of the pattern area') ( γ i ×l i ) corresponds to the thickness of the unit cell multiplied by the ratio of inclusions. Subscripts (i=0, …, k) mean each layer. 3 is an acoustic quantum crystal without a hierarchical structure (N=0), and the absence of a hierarchical structure corresponds to a conventional acoustic quantum crystal as described above.

본 발명은 모체로 음향 임피던스(acoustic impedance)가 작은 물질을 사용하고, 함유물로 음향 임피던스가 높은 물질을 사용할 수 있다. 음향 임피던스는 매질의 밀도와 매질 속에서의 음속의 곱으로 정의되며, 이때 모체의 음향 임피던스와 함유물의 음향 임피던스가 15배 이상 차이가 나도록 하는 것이 바람직하다. 일 예로서, 본 발명에서는 모체로 PDMS(polydimethhylsiloxane)을, 함유물로 알루미늄(Al)을 사용하였으며, 각각의 밀도(ρ), 체적 탄성계수(κ), 음속(c)은, ρPDMS=969 kg/m3, ρAl=2,700 kg/m3, κPDMS=1.21 Gpa, cPDMS=1,119 m/s, cAl=6,320 m/s 에 해당한다. 또한, PDMS의 음향 손실계수 αPDMS=1.854×10-7×f1.35 dB/m 이고, Al의 음향 손실계수 αAl은 PDMS의 음향 손실계수보다 매우 작은 관계로 무시한다.In the present invention, a material having a small acoustic impedance may be used as a matrix, and a material having a high acoustic impedance may be used as an inclusion material. The acoustic impedance is defined as the product of the density of the medium and the speed of sound in the medium, and at this time, it is preferable that the acoustic impedance of the matrix and the acoustic impedance of the material differ by 15 times or more. As an example, in the present invention, polydimethhylsiloxane ( PDMS ) was used as a matrix and aluminum (Al) was used as an inclusion material. kg/m 3 , ρ Al =2,700 kg/m 3 , κ PDMS =1.21 Gpa, c PDMS = 1119 m/s, c Al =6,320 m/s. In addition, the acoustic loss coefficient of PDMS α PDMS = 1.854×10 -7 ×f 1.35 dB/m, and the acoustic loss coefficient α Al of Al is neglected because it is much smaller than the acoustic loss coefficient of PDMS.

본 발명의 음향 필터의 차음 성능은 다음 식 1을 만족하는 전달행렬법(transfer matrix method)으로부터 유도된 음향 파워 투과계수(transmission coefficient)를 도출함으로써 예측 가능하다.The sound insulation performance of the acoustic filter of the present invention can be predicted by deriving an acoustic power transmission coefficient derived from a transfer matrix method satisfying Equation 1 below.

식 1:

Figure pat00001
Equation 1:
Figure pat00001

여기서, T는 음향 파워 투과계수이고, Ω는 음향 필터의 전달 행렬이며, 아래 첨자는 행렬의 원소 위치를 의미한다(예: Ω21은 행렬 Ω의 1행 2열의 원소 값). 실제 공학문제로의 적용을 위해, 주어진 공간 내에서 여러 개의 목표 주파수 대역을 차단할 수 있는 음향 필터를 다음의 방법을 통해 설계하였다.Here, T is the acoustic power transmission coefficient, Ω is the transmission matrix of the acoustic filter, and subscripts indicate the element positions of the matrix (eg, Ω 21 is the element value of row 1, column 2 of the matrix Ω). For application to actual engineering problems, an acoustic filter capable of blocking multiple target frequency bands within a given space was designed through the following method.

계층1) 다중 주파수 차단 음향 필터의 구성 물질과, 단위 셀 계층구조의 총 계층수(N)를 선정한다.Layer 1) The constituent materials of the multi-frequency cutoff sound filter and the total number of layers (N) of the unit cell hierarchical structure are selected.

계층2) 기하학적 인자 li(i번째 단위 셀의 두께), γi(i번째 단위 셀의 함유물의 비율), ni(i번째 단위 셀의 개수)를 달리하며 음향 필터의 파워 투과 스펙트럼을 계산한다. 이때, 음향 필터의 총 두께(n0×l0)는 주어진 공간의 크기를 넘지 않도록 한다.Layer 2) Calculate the power transmission spectrum of the acoustic filter by varying the geometrical factors l i (thickness of the i-th unit cell), γ i (the ratio of the content of the i-th unit cell), and n i (the number of the i-th unit cells) do. In this case, the total thickness (n 0 ×l 0 ) of the sound filter does not exceed the size of the given space.

계층3) 계층 2에서 얻은 결과 중, 음향 필터의 밴드갭 영역내에 모든 목표 주파수 대역을 차단하는 음향 필터를 선택한다. 여기서, 주파수 대역이 모두 차단된다 함은 해당 주파수 대역에서의 음향 파워 투과계수가 10-4 보다 작다는 것으로 정의된다.Layer 3) From the results obtained in Layer 2, an acoustic filter that blocks all target frequency bands within the bandgap region of the acoustic filter is selected. Here, all of the frequency bands being blocked is defined as that the acoustic power transmission coefficient in the corresponding frequency band is less than 10 -4 .

본 발명에서 3cm의 공간 제약이 주어진 경우에 임의로 선택된 10개 주파수 대역(중심주파수는 각각 0.095, 0.27, 0.42, 0.66, 1.21, 1.96, 2.48, 4.38, 5.58, 8.61 MHz이고, 상대 밴드폭은 0.1에 해당함)을 차단하는 음향 필터를 설계하였고 그 차단 성능을 검증하였다. 여기서 상대 밴드폭(relative bandwidth, Δr)이란, 주파수 대역 대비 중심 주파수의 비율로 정의된다. 설계 결과는 아래 표 1과 같이, 단위 셀의 계층구조가 1 계층(N=1)로 이루어진 음향양자 결정으로서, 제0 계층 단위 셀의 총 개수(n0)는 4개이고 두께(l0)는 0.65 cm 이고 함유물의 비율(γ0)은 0.55이며, 제1 단위 셀의 개수(n1)는 3개이고 함유물의 비율(γ1)은 0.7이다.10 frequency bands randomly selected in the present invention given the space constraint of 3 cm (center frequencies are 0.095, 0.27, 0.42, 0.66, 1.21, 1.96, 2.48, 4.38, 5.58, 8.61 MHz, respectively, and the relative bandwidth is 0.1 A sound filter that blocks the corresponding) was designed and its blocking performance was verified. Here, the relative bandwidth ( Δr ) is defined as the ratio of the center frequency to the frequency band. As shown in Table 1 below, the design result is an acoustic quantum crystal in which the hierarchical structure of unit cells is composed of one layer (N=1), and the total number (n 0 ) of the unit cells of the 0th layer is 4 and the thickness (l 0 ) is 0.65 cm, the proportion of inclusions (γ 0 ) is 0.55, the number of first unit cells (n 1 ) is three, and the proportion of inclusions (γ 1 ) is 0.7.

NN n0 n 0 l0(cm)l 0 (cm) γ0 γ 0 n1 n 1 γ1 γ 1 1One 44 0.650.65 0.550.55 33 0.70.7

이와 같이 설계된 음향 필터의 차음 성능을 검증하기 위해, 목표 주파수를 가지는 평면파가 음향 필터에 입사하는 경우에 대한 파동 특성을 분석하였다. 도 4는 실험 셋업의 개념도이고, 설계전산해석에는 상용 소프트웨어 COMSOL 5.2a가 사용되었으며, 그 결과를 도 5에 그래프로 도시하였다.In order to verify the sound insulation performance of the acoustic filter designed as described above, wave characteristics were analyzed when a plane wave having a target frequency was incident on the acoustic filter. 4 is a conceptual diagram of the experimental setup. Commercial software COMSOL 5.2a was used for design computational analysis, and the results are graphically illustrated in FIG. 5 .

음향 필터의 총 두께는 2.7 cm(x=0부터 x=2.7까지)이며, 외부 매질은 모두 물이다. 음향 평면파는 x=-0.5 cm 위치에서 x축 양의 방향으로 방사되며, 음향 평면파의 크기는 0.02 Pa로 일정하다. 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이, 모든 목표 주파수에 대해 음향 필터 오른쪽 끝단에서의 음향 평면파의 음압이 거의 0이라는 것을 확인할 수 있으며, 이는 모든 목표 주파수가 설계된 음향 필터에 의해 모두 차단됨을 의미한다.The total thickness of the acoustic filter is 2.7 cm (from x=0 to x=2.7), and the external medium is all water. The acoustic plane wave is radiated in the positive direction of the x-axis at a position of x=-0.5 cm, and the magnitude of the acoustic plane wave is constant at 0.02 Pa. As shown in the graph of FIG. 5 , it can be confirmed that the sound pressure of the acoustic plane wave at the right end of the acoustic filter is almost 0 for all target frequencies, which means that all target frequencies are blocked by the designed acoustic filter.

나아가, 목표 주파수뿐만 아니라, 그 주파수를 중심 주파수로 하는 상대 밴드폭 0.1의 주파수 대역들까지 차단되는지 확인하기 위해, 설계된 음향 필터의 파워 투과 스펙트럼을 계산하였고, 그 결과를 도 6에 그래프로 도시하였다. 도 6의 그래프에 나타난 바와 같이, 10개의 목표 주파수들과 이를 중심으로 하는 상대 밴드폭 0.1의 주파수 대역이 모두 필터의 밴드갭 영역내로 포함됨을 확인할 수 있다. Furthermore, in order to check whether not only the target frequency but also frequency bands with a relative bandwidth of 0.1 having the frequency as the center frequency are cut off, the power transmission spectrum of the designed acoustic filter was calculated, and the result is shown as a graph in FIG. . As shown in the graph of FIG. 6 , it can be confirmed that all ten target frequencies and a frequency band having a relative bandwidth of 0.1 centered thereon are included in the bandgap region of the filter.

즉, 단위 셀이 계층구조를 가지는 본 발명의 음향양자 결정 또는 이를 기반으로 설계된 음향 필터는 다중 목표 주파수 내지 목표 주파수 대역을 동시에 차단할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 음향양자 결정에 의하면, 중심 주파수를 기준으로 원하는 다수개의 밴드폭 내의 주파수를 모두 차단할 수 있으며, 이에 따라 초음파 신호 주파수 대역의 불안정성이나 불확실성에 대하여 강건한 설계가 가능해질 수 있다.That is, the acoustic quantum crystal of the present invention in which the unit cell has a hierarchical structure or an acoustic filter designed based on the same can simultaneously block multiple target frequencies or target frequency bands. As described above, according to the acoustic quantum determination of the present invention, it is possible to block all frequencies within a plurality of desired bandwidths based on the center frequency, and accordingly, it is possible to design robust against instability or uncertainty of the ultrasonic signal frequency band.

나아가, 본 발명인 계층구조를 가지는 음향양자 결정과 종래의 음향양자 결정의 차음 성능을 비교해보았으며, 그 결과를 도 7에 그래프로 도시하였다. 비교에 사용된 종래 음향양자 결정의 기하학적 인자는 N=0, l0=1 cm, n0=10, γ0=0.7 이며, 본 발명의 음향양자 결정의 기하학적 인자는 N=2, l0=1 cm, n0=10, n1=n2=5, γ0=γ1=γ2=0.7 이다. 도 7의 위의 그래프는 종래의 음향양자 결정의 파워 투과 스펙트럼을 나타내며, 아래의 그래프는 본 발명의 음향양자 결정의 파워 투과 스펙트럼을 나타낸다. 매질의 손실로 인해 고주파수 영역에서는 이론 결과와 전산해석 결과가 일치하지 않는 경향이 있으나, 밴드갭 영역에는 크게 영항을 주지 않는다.Furthermore, the sound insulating performance of the acoustic quantum crystal having a hierarchical structure according to the present invention was compared with that of the conventional acoustic quantum crystal, and the results are graphically shown in FIG. 7 . The geometric factors of the conventional acoustic quantum crystal used for comparison are N=0, l 0 =1 cm, n 0 =10, γ 0 =0.7, and the geometrical factors of the acoustic quantum crystal of the present invention are N=2, l 0 = 1 cm, n 0 =10, n 1 =n 2 =5, γ 0 =γ 1 =γ 2 =0.7. The upper graph of FIG. 7 shows the power transmission spectrum of the conventional acoustic quantum crystal, and the lower graph shows the power transmission spectrum of the acoustic quantum crystal of the present invention. Due to the loss of the medium, the theoretical and computational results tend not to match in the high-frequency region, but it does not significantly affect the bandgap region.

도 7에 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명의 음향양자 결정은 다중 주기성이라는 기하학적 특징으로 인해 다양한 스케일의 다중 주파수 영역에서 다수 개의 넓은 밴드갭이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 종래의 단일 주기성을 가지는 음향양자 결정에 비해, 본 발명의 단위 셀이 계층구조를 가지는 음향양자 결정이 다수 개의 주파수 대역을 동시에 차단하기에 유리하다는 것을 의미하다.As shown in the graph in FIG. 7 , it can be confirmed that the acoustic quantum crystal of the present invention has a large number of wide band gaps in the multi-frequency region of various scales due to the geometrical characteristic of multi-periodicity. This means that, compared to the conventional acoustic quantum crystal having a single periodicity, the acoustic quantum crystal having a hierarchical unit cell structure of the present invention is advantageous in blocking a plurality of frequency bands at the same time.

보다 정량적으로 분석하기 위해, 종래 음향양자 결정과 본 발명의 음향양자 결정의 필터링 효율(filtering efficiency)을 비교한다. 여기서 필터링 효율이란, 임의의 다중 주파수 대역 차단에 적합한 필터가 설계될 수 있는 가능성을 의미한다. 필터링 효율은 임의로 선정된 2,000개 목표 주파수 대역 그룹 대비 차단 가능한 주파수 그룹 개수의 비율로 정의되는 것으로, 이 과정을 10번 반복함으로써 총 20,000개 목표 주파수 그룹에 대한 테스트를 수행하였고, 10번의 테스트로부터 얻어진 필터링 효율의 평균값과 ±2 표준편차 범위 내에서 목표 주파수의 개수가 달라지는 정도를 도 8에 나타내었다. 이때, 목표 주파수는 20 kHz와 10 MHz 사이의 초음파 영역에서 임의로 선택되었으며, 각 주파수에 대한 상대 밴드폭을 고려하여 주파수 대역 차단 가능 여부를 분석하였다.For a more quantitative analysis, the filtering efficiency of the conventional acoustic quantum crystal and the acoustic quantum crystal of the present invention are compared. Here, the filtering efficiency means a possibility that a filter suitable for blocking multiple frequency bands can be designed. Filtering efficiency is defined as the ratio of the number of interceptable frequency groups to the randomly selected 2,000 target frequency band groups. By repeating this process 10 times, a test was performed for a total of 20,000 target frequency groups. Fig. 8 shows the average value of the filtering efficiency and the degree to which the number of target frequencies varies within the range of ±2 standard deviations. At this time, the target frequency was arbitrarily selected in the ultrasonic region between 20 kHz and 10 MHz, and whether the frequency band could be blocked was analyzed in consideration of the relative bandwidth for each frequency.

도 8의 그래프에 나타난 바와 같이, 종래의 음향양자 결정은 목표 주파수의 개수가 증가하거나 상대 밴드폭(Δr)이 증가함에 따라 필터링 효율이 급격히 떨어지는 반면(red line), 본 발명인 계층구조를 가지는 음향양자 결정은 목표 주파수의 개수가 증가하거나 상대 밴드폭이 증가하더라도 0.9 이상의 필터링 효율을 유지하는 것을 확인할 수 있다(blue line). 이와 같이, 차단하고자 하는 주파수의 개수가 많거나 주파수 대역폭이 넓을수록 본 발명인 계층구조를 가지는 음향양자 결정을 이용하여 음향필터 설계를 하는 것이 유리하다는 것을 확인할 수 있다.As shown in the graph of FIG. 8 , the conventional acoustic quantum crystal has a hierarchical structure according to the present invention, whereas the filtering efficiency decreases rapidly as the number of target frequencies increases or the relative bandwidth (Δ r ) increases (red line). It can be seen that the acoustic quantum crystal maintains the filtering efficiency of 0.9 or more even when the number of target frequencies increases or the relative bandwidth increases (blue line). As described above, it can be confirmed that it is advantageous to design an acoustic filter using the acoustic quantum crystal having a hierarchical structure according to the present invention, as the number of frequencies to be blocked is large or the frequency bandwidth is wide.

즉, 계층구조 단위셀을 가지는 본 발명의 음향양자 결정은, 그 다중 주기성으로 인해 다수 스케일의 주파수 영역에서 넓은 밴드갭들을 가질 수 있고, 다양한 변경 가능한 기하학적 인자들로 인해 그 밴드갭들의 위치를 미세하게 조정할 수 있게 됨에 따라, 본 발명의 음향양자 결정에서 여러 개의 다중 목표 주파수 내지 목표 주파수 대역을 동시에 차단할 수 있는 주파수 차단 특성이 구현될 수 있다.That is, the acoustic quantum crystal of the present invention having a hierarchical unit cell can have wide bandgaps in a frequency domain of multiple scales due to its multiple periodicity, and the position of the bandgaps can be refined due to various changeable geometric factors. As a result of being able to adjust the frequency range, a frequency blocking characteristic capable of simultaneously blocking multiple multiple target frequencies or target frequency bands can be implemented in the acoustic quantum crystal of the present invention.

이와 같은 본 발명의 음향양자 결정을 이용하여 초음파 검사장비, 초음파 센서 등에 적용이 가능하고, 바이오 메디컬 분야에서 의료시술시 특정 주파수를 차단하여 원하는 주파수 대역만을 사용하는 것이 가능할 수 있다. By using the acoustic quantum crystal of the present invention, it can be applied to ultrasound examination equipment, ultrasound sensors, and the like, and it may be possible to use only a desired frequency band by blocking a specific frequency during medical treatment in the biomedical field.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10': 종래 음향양자 결정
100': 종래 음향양자 결정의 단위셀
I': 종래 음향양자 결정의 함유물
M': 종래 음향양자 결정의 모체
10: 음향양자 결정
100, 100-0: 단위 셀(제0 계층 단위셀)
110, 110-0: 단위 셀(제0 계층 단위 셀)의 패턴영역
120, 120-1: 단위 셀(제0 계층 단위 셀)의 비패턴영역
100-i: 제i 계층 단위 셀
110-i: 제i 계층 단위 셀의 패턴영역
120-i: 제i 계층 단위 셀의 비패턴영역
100-k: 제k 계층 단위 셀
110-k: 제k 계층 단위 셀의 패턴영역
120-k: 제k 계층 단위 셀의 비패턴영역
I: 함유물
M: 모체10': conventional acoustic quantum crystal
100': a unit cell of a conventional acoustic quantum crystal
I': Inclusions of conventional acoustic quantum crystals
M': matrix of conventional acoustic quantum crystals
10: Acoustic quantum crystal
100, 100-0: unit cell (0th layer unit cell)
110, 110-0: pattern area of unit cell (0th layer unit cell)
120, 120-1: non-pattern area of the unit cell (the 0th layer unit cell)
100-i: ith layer unit cell
110-i: pattern area of the ith layer unit cell
120-i: non-pattern region of the ith layer unit cell
100-k: k-th layer unit cell
110-k: pattern area of the k-th layer unit cell
120-k: non-pattern region of the k-th layer unit cell
I: inclusions
M: parent

Claims (7)

단위 셀(unit cell)이 주기적으로 배열되는 구조인 음향양자 결정(phononic crystal)으로서,
함유물을 포함하는 패턴영역(inclusion)과 모체(matrix)인 비패턴영역이 적층된 형태로 이루어진 제i 계층 단위 셀을 포함하고,
상기 제i 계층 단위 셀의 패턴영역은, 상기 함유물이 포함된 패턴영역과 상기 모체인 비패턴영역이 적층된 형태로 이루어진 제i+1 계층 단위 셀 다수개가 주기적으로 배열되어 형성되며,
상기 단위 셀은 제0 계층 단위 셀인, 음향양자 결정.
(여기서, i=(0, …, k-1), k는 1 이상의 자연수이다)
As a phononic crystal having a structure in which unit cells are periodically arranged,
It includes an i-th layer unit cell in a form in which a pattern region including an inclusion and a non-pattern region, which is a matrix, are stacked,
The pattern region of the i-th layer unit cell is formed by periodically arranging a plurality of i+1-th layer unit cells in a form in which the pattern region including the inclusion material and the non-pattern region as the parent are stacked,
The unit cell is a 0th layer unit cell, acoustic quantum determination.
(here, i=(0, …, k-1), k is a natural number greater than or equal to 1)
 제1항에 있어서,
상기 단위 셀의 최소 단위 셀인 제k 계층 단위 셀의 패턴영역은 상기 함유물로만 이루어져, 상기 제k 계층 단위 셀은 상기 함유물과 상기 모체가 적층된 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는, 음향양자 결정.
According to claim 1,
An acoustic quantum crystal, characterized in that the pattern region of the k-th layer unit cell, which is the minimum unit cell of the unit cell, consists only of the inclusion material, and the k-th layer unit cell is formed in a form in which the inclusion material and the matrix are stacked.
 제2항에 있어서,
상기 제i 계층 단위 셀의 두께는 li 이고, 상기 제i 계층 단위 셀의 패턴영역의 두께는 γi×li 인 것을 특징으로 하는, 음향양자 결정.
(여기서, γi는 제i 계층 단위 셀의 함유물의 비율이다)
3. The method of claim 2,
The thickness of the i-th layer unit cell is l i , and the thickness of the pattern region of the i-th layer unit cell is γ i ×l i , an acoustic quantum crystal.
(where γ i is the ratio of the content of the i-th layer unit cell)
 제3항에 있어서,
상기 제i 계층 단위 셀의 두께, 상기 제i 계층 단위 셀의 함유물의 비율, 제i 계층 단위 셀의 개수, 및 상기 k 중 적어도 하나 이상을 달리함에 따라, 상기 음향양자 결정의 주파수 차단 특성이 변하는 것을 특징으로 하는, 음향양자 결정.
4. The method of claim 3,
By varying at least one of the thickness of the i-th layer unit cell, the ratio of contents of the i-th layer unit cell, the number of i-th layer unit cells, and k, the frequency blocking characteristic of the acoustic quantum crystal is changed Characterized in that, acoustic quantum crystal.
 제3항에 있어서,
상기 γi 는 0.5 이상인 것을 특징으로 하는, 음향양자 결정.
4. The method of claim 3,
The γ i is characterized in that 0.5 or more, acoustic quantum crystal.
 제1항에 있어서,
상기 모체의 음향 임피던스는 상기 함유물의 음향 임피던스보다 작은 것을 특징으로 하는, 음향양자 결정.
According to claim 1,
An acoustic quantum crystal, characterized in that the acoustic impedance of the matrix is less than the acoustic impedance of the inclusion.
 제1항에 있어서,
상기 음향양자 결정은 다수개의 주파수 또는 다수개의 주파수 대역을 차단하는 주파수 차단 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 음향양자 결정.According to claim 1,
The acoustic quantum crystal is characterized in that it has a frequency blocking characteristic for blocking a plurality of frequencies or a plurality of frequency bands, an acoustic quantum crystal.
KR1020200105495A 2020-08-21 2020-08-21 Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure KR102373279B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200105495A KR102373279B1 (en) 2020-08-21 2020-08-21 Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200105495A KR102373279B1 (en) 2020-08-21 2020-08-21 Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220023579A true KR20220023579A (en) 2022-03-02
KR102373279B1 KR102373279B1 (en) 2022-03-15

Family

ID=80815693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200105495A KR102373279B1 (en) 2020-08-21 2020-08-21 Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102373279B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118212904A (en) * 2024-05-20 2024-06-18 北京量子信息科学研究院 Single crystal diamond phonon crystal, preparation method thereof and quantum device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004317701A (en) * 2003-04-15 2004-11-11 Alps Electric Co Ltd Multilayer film optical filter and optical component
KR100632298B1 (en) 2005-03-15 2006-10-12 한국전자통신연구원 Frequency Selective Surface Blocking Multiple Frequency Bands
KR20070104679A (en) * 2005-03-07 2007-10-26 오피씨 레이저 시스템즈, 엘.엘.씨. Optical phase conjugation laser diode
KR20120052869A (en) * 2010-11-16 2012-05-24 시게이트 테크놀로지 엘엘씨 Memory cell with phonon-blocking insulating layer
KR102055579B1 (en) * 2019-06-27 2019-12-13 주식회사 옵트론텍 Optical filter

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004317701A (en) * 2003-04-15 2004-11-11 Alps Electric Co Ltd Multilayer film optical filter and optical component
KR20070104679A (en) * 2005-03-07 2007-10-26 오피씨 레이저 시스템즈, 엘.엘.씨. Optical phase conjugation laser diode
KR100632298B1 (en) 2005-03-15 2006-10-12 한국전자통신연구원 Frequency Selective Surface Blocking Multiple Frequency Bands
KR20120052869A (en) * 2010-11-16 2012-05-24 시게이트 테크놀로지 엘엘씨 Memory cell with phonon-blocking insulating layer
KR102055579B1 (en) * 2019-06-27 2019-12-13 주식회사 옵트론텍 Optical filter

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
안영관 외 4명. 위상최적설계를 이용한 다양한 격자의 음향 양자 결정 구조 밴드 갭 최대화. 대한기계학회 춘추학술대회 논문집. 2011.11. (제524면 내지 제525면) *
조수호 외 7명. 음향양자 결정의 결함 모드를 이용한 에너지 국부화 및 수확. 대한기계학회 춘추학술대회 논문집. 2017.05. (제192면 내지 제193면) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118212904A (en) * 2024-05-20 2024-06-18 北京量子信息科学研究院 Single crystal diamond phonon crystal, preparation method thereof and quantum device

Also Published As

Publication number Publication date
KR102373279B1 (en) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sigalas et al. Attenuation of multiple-scattered sound
DE602005004617T2 (en) BALLISTIC PROTECTION RADOM
EP2229710B1 (en) An artificial dielectric material and a method of manufacturing the same
DE19820466C2 (en) Device and method for the targeted exposure of a biological sample to sound waves
Achaoui et al. Local resonances in phononic crystals and in random arrangements of pillars on a surface
US4339018A (en) Sound absorbing structure
KR102373279B1 (en) Phononic crystal with unit cell having hierarchical structure
DE3590430T1 (en) Loudspeaker system with a pronounced directional effect
Fang et al. Acoustic splitting and bending with compact coding metasurfaces
DE19962028A1 (en) Filter arrangement
DE1132593B (en) Acoustically effective plate, especially for coupling to an electroacoustic transducer
US4243117A (en) Sound absorbing structure
Lee et al. Elastic metamaterial-based impedance-varying phononic bandgap structures for bandpass filters
US11551655B2 (en) Sound absorption structure and method of manufacturing the same
CN110335581A (en) A kind of three-dimensional gradient periodic structure plate with multiple band gap properties
CN111667809A (en) Acoustic super surface capable of regulating underwater sound wave reflection angle
JP4327797B2 (en) Two-dimensional photonic crystal, and waveguide and resonator using the same
JP5281504B2 (en) EMI shield
CN109951180B (en) Digital acoustic switch based on non-Hermite system
Lee et al. Broadband sound blocking in phononic crystals with rotationally symmetric inclusions
CN106887224B (en) Digital acoustics supernormal material
CN116030783A (en) Ultra-thin acoustic super-surface capable of regulating and controlling reflection angle of underwater sound wave
CN113808568B (en) Multi-frequency acoustic super surface capable of regulating and controlling refraction angle of underwater acoustic wave
DE2709647C2 (en) Sound receiving antenna
CN209928973U (en) Embedded periodic structure plate with gradient refractive index

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant