KR20220059226A - Device for generating polarized elastic waves - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 편광 탄성파 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a polarized acoustic wave generator.
일반적으로 전자기파 분야에서 원형 편광 파동(circularly-polarized waves)에 관한 기술은 상당히 잘 알려지고 널리 활용되고 있다. 원형 편광 파동은 같은 속도와 진폭을 갖고 서로 수직한 두 개의 선형 편광 파동(linearly-polarized waves)이 90도의 위상 차이를 갖고 진행할 때 생성된다. 원형 편광 전자기파는 복굴절 편광자(birefringent polarizers) 또는 나노구조를 포함한 메타표면(metasurfaces) 등에 의해 생성되며, 이렇게 생성된 원형 편광 파동은 디스플레이, 고품질 3차원 시각화, 분자 비대칭성 분석, 입자 제어, 스핀 의존(spin-dependent) 광학 기기 등에 활용되고 있다. 그러나 매질이 필요 없고 횡파만 존재하는 전자기파와 달리, 고체를 매질로 하는 탄성파는 종파인 P파와 횡파인 SH파(shear-horizontal waves)와 SV파(shear-vertical waves)가 동시에 존재한다. 이에 현재까지 탄성파 분야에서 원형 편광 파동을 생성하기 위한 일반화된 이론과 기술은 제안되거나 개발되지 못했다.In general, a technology related to circularly-polarized waves in the field of electromagnetic waves is well known and widely used. A circularly polarized wave is created when two linearly-polarized waves with the same speed and amplitude and perpendicular to each other travel with a phase difference of 90 degrees. Circularly polarized electromagnetic waves are generated by birefringent polarizers or metasurfaces, including nanostructures, etc., and the generated circularly polarized waves can be used for display, high-quality three-dimensional visualization, molecular asymmetry analysis, particle control, spin-dependent ( spin-dependent) optical devices, etc. However, unlike electromagnetic waves that do not require a medium and only have transverse waves, in seismic waves using a solid medium, P waves, which are longitudinal waves, SH waves (shear-horizontal waves), and SV waves (shear-vertical waves), which are transverse waves, exist simultaneously. Therefore, general theories and techniques for generating circularly polarized waves in the field of seismic waves have not been proposed or developed so far.
탄성파의 경우에도 아주 제한적인 환경에서 원형 또는 타원 편광 파동을 관측한 사례는 있다. 전자기파에서와 같이 자연계에 존재하는 복굴절 편광자를 활용하는 경우를 예로 들 수 있다. 그러나 전자기파와 비교했을 때 탄성파의 파장은 수백만 배 길기 때문에 복굴절 편광자의 크기가 아주 커진다는 단점이 있다. 작은 크기의 복굴절 편광자를 사용할 경우에는 투과 파동의 진폭과 위상에 상당한 오차가 발생하여 정교한 원형 편광 파동을 생성할 수 없으며, 원치 않는 반사 파동이 생성되어 에너지 효율이 낮다는 단점이 있다. 즉, 종래기술은 탄성파 분야에서 원형 편광 파동을 생성하는데 명확한 한계가 있다. 이에 전자기파 분야에서 개발된 원형 편광을 기반으로 한 다양한 기술들이 탄성파 분야에서는 발전하지 못했다. 따라서, 이러한 한계를 극복할 수 있는 탄성파 편광 변환필터의 개발이 요구되고 있다.Even in the case of seismic waves, there are cases in which circular or elliptically polarized waves were observed in a very limited environment. As in electromagnetic waves, for example, birefringent polarizers that exist in nature are used. However, compared to electromagnetic waves, the wavelength of elastic waves is millions of times longer, so the size of the birefringent polarizer becomes very large. When a small-sized birefringent polarizer is used, a significant error occurs in the amplitude and phase of the transmitted wave, so a sophisticated circularly polarized wave cannot be generated, and an unwanted reflected wave is generated, resulting in low energy efficiency. That is, the prior art has a clear limitation in generating a circularly polarized wave in the acoustic wave field. Accordingly, various technologies based on circular polarization developed in the field of electromagnetic waves have not been developed in the field of acoustic waves. Accordingly, there is a demand for the development of an acoustic wave polarization conversion filter capable of overcoming this limitation.
본 발명의 실시예는 이방성 매질로 구성된 편광 변환필터를 이용하여 탄성파의 선형 편광과 원형 편광 사이의 자유로운 변환을 구현함으로써 선형 파형, 원형 파형 또는 타원형 편광을 포함하는 다양한 편광 탄성파를 발생시킬 수 있는 편광 탄성파 발생장치를 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention uses a polarization conversion filter composed of an anisotropic medium to implement free conversion between linearly polarized and circularly polarized acoustic waves, thereby generating various polarized elastic waves including linear, circular, or elliptical polarized waves. An object of the present invention is to provide an elastic wave generator.
본 발명의 실시예에 따른 편광 탄성파 발생장치는 배경물질에 구비되어 입사되는 미리 설정된 편광 탄성파를 선형 편광, 원형 편광 또는 타원형 편광 중 적어도 어느 하나의 편광 탄성파로 변환하여 투과하는 편광 변환필터, 그리고 상기 편광 변환필터에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 반사는 차단하고, 미리 설정된 편광 탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함하며, 완전투과 조건은 수학식 (1)의 조건을 포함한다.A polarization elastic wave generator according to an embodiment of the present invention comprises: a polarization conversion filter which converts a preset polarized elastic wave provided on a background material and incident thereon into at least one of linearly polarized, circularly polarized, or elliptical polarized elastic wave and transmits it; The polarization conversion filter includes an anisotropic medium that blocks reflection of a preset reflective acoustic wave and completely transmits a preset polarized acoustic wave as it satisfies a preset complete transmission condition, and the complete transmission condition is the expression of Equation (1) include conditions.
수학식 (1)Equation (1)
(d : 이방성 매질의 두께, λ 1: 고유모드 1의 파장, λ 2: 고유모드 2의 파장, N 1: 고유모드 1의 변위장 절점 개수, N 2: 고유모드 2의 변위장 절점 개수, ρ 0: 배경 매질의 질량밀도, C0 S: 배경 매질의 전단 탄성계수, ρ: 이방성 매질의 질량밀도, CT: 이방성 매질의 전단 탄성계수, C HS-VS : 이방성 매질의 전단 모드결합 탄성계수)(d : thickness of anisotropic medium, λ 1 : wavelength of
완전투과 조건은 이방성 매질의 첫 번째 공진주파수가 설정된 상태에서 수학식 (2)의 조건을 포함할 수 있다.The complete transmission condition may include the condition of Equation (2) in a state where the first resonant frequency of the anisotropic medium is set.
(수학식 2)(Equation 2)
(d: 이방성 매질의 두께, λ 1: 고유모드 1의 파장, λ 2: 고유모드 2의 파장, N 1: 고유모드 1의 변위장 절점 개수, N 2: 고유모드 2의 변위장 절점 개수, ρ 0: 배경 매질의 질량밀도, C0 S: 배경 매질의 전단 탄성계수, ρ: 이방성 매질의 질량밀도, CT: 이방성 매질의 전단 탄성계수, C HS-VS : 이방성 매질의 전단 모드결합 탄성계수, f1: 이방성 매질의 첫 번째 공진주파수)(d: thickness of anisotropic medium, λ 1 : wavelength of
이방성 매질은 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재, 또는 서브파장 구조를 포함한 3차원 탄성메타물질 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The anisotropic medium may include at least one of a material existing in nature, a chemically synthesized material, a composite material, or a three-dimensional elastic metamaterial including a sub-wavelength structure.
3차원 탄성메타물질은 상기 이방성 매질로 입사하는 상기 선형 편광 탄성파의 진동 방향에 대해 미리 설정된 방향으로 경사진 하나 이상의 미소구조를 갖는 단위 셀을 포함할 수 있다.The three-dimensional elastic metamaterial may include unit cells having one or more microstructures inclined in a preset direction with respect to the vibration direction of the linearly polarized acoustic wave incident into the anisotropic medium.
단위 셀은 상하, 좌우로 비대칭적인 구조를 가질 수 있다. 단위 셀 내부에는 복수의 서로 다른 모양을 갖는 미소구조를 포함할 수 있다. 미소구조는 고체와 유체를 포함한 서로 다른 물질들이 복합적으로 형성될 수 있다. The unit cell may have an asymmetric structure in top and bottom, left and right. A plurality of microstructures having different shapes may be included in the unit cell. The microstructure may be formed by a combination of different materials, including solids and fluids.
3차원 탄성메타물질은 미리 설정된 방향으로 경사진 실린더 모양의 빈 공간을 포함한 단위 셀이 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열되는 서브파장 구조를 가질 수 있다. The three-dimensional elastic metamaterial may have a sub-wavelength structure in which unit cells including an empty space in the shape of a cylinder inclined in a preset direction are periodically arranged in vertical and horizontal directions.
3차원 탄성메타물질은 서로 다른 두 개의 경사진 직육면체 모양의 빈 공간을 포함한 단위 셀이 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열되는 서브파장 구조를 가질 수 있다.The three-dimensional elastic metamaterial may have a sub-wavelength structure in which unit cells including two different inclined cuboid-shaped empty spaces are periodically arranged in vertical and horizontal directions.
편광 변환필터를 활용하면 선형 편광 탄성파를 원형 편광 탄성파로 100% 변환시킬 수 있으며, 탄성파의 선형 편광과 원형 편광 사이의 자유로운 변환을 구현할 수 있고, 선형 파형, 원형 파형 또는 타원형 편광을 포함하는 다양한 편광 탄성파를 생성할 수 있는 효과가 있다.By using the polarization conversion filter, 100% of a linearly polarized acoustic wave can be converted into a circularly polarized acoustic wave, and free conversion between linearly polarized and circularly polarized acoustic waves can be realized. It has the effect of generating seismic waves.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 x-편광 파동, y-편광 파동, 우원편광 파동, 좌원편광 파동을 도시한 도면이다.
도 2는 편광 변환필터에 입사한 선형 편광 탄성파가 원형 편광 탄성파로 변환되어 투과하는 상황을 도시한 도면이다.
도 3a은 경사진 실린더 모양의 빈 공간을 포함한 직육면체 단위 셀과 이를 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열한 3차원 탄성메타물질을 도시한 도면이다.
도 3b는 서로 다른 두 개의 경사진 직육면체 모양의 빈 공간을 포함한 직육면체 단위 셀과 이를 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열한 3차원 탄성메타물질을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 편광 변환 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기를 도시한 도면이다.
도 6a는 원형 편광 탄성파 생성기와 측정기를 활용하여 시편의 기계적 물성을 평가하는 장비를 도시한 도면이다.
도 6b는 시편의 전단탄성계수 비와 측정된 전단파 위상 차이 사이의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 원형 편광 탄성파 생성기와 측정기를 활용하여 시편의 결함을 평가하는 장비를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an x-polarization wave, a y-polarization wave, a right circularly polarized wave, and a left circularly polarized wave according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a situation in which a linearly polarized acoustic wave incident on a polarization conversion filter is converted into a circularly polarized acoustic wave and transmitted therethrough.
3A is a diagram illustrating a rectangular parallelepiped unit cell including an inclined cylinder-shaped empty space and a three-dimensional elastic metamaterial that is periodically arranged in vertical and horizontal directions.
3B is a diagram illustrating a rectangular unit cell including two different inclined rectangular parallelepiped-shaped empty spaces and a three-dimensional elastic metamaterial that is periodically arranged in the vertical and horizontal directions.
4 is a diagram illustrating a simulation result of polarization conversion of an acoustic wave according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a circularly polarized acoustic wave generator and measurement device.
6A is a diagram illustrating equipment for evaluating mechanical properties of a specimen using a circularly polarized acoustic wave generator and a measuring device.
6B is a diagram illustrating the relationship between the shear modulus ratio of the specimen and the measured shear wave phase difference.
7 is a diagram illustrating equipment for evaluating defects of a specimen using a circularly polarized acoustic wave generator and a measuring device.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 실시예에 따른 편광 탄성파 발생장치는 입사되는 미리 설정된 편광 탄성파를 선형 파형, 원형 파형 또는 타원형 편광 중 적어도 어느 하나의 편광 탄성파로 변환하여 투과하는 편광 변환필터를 포함한다. 편광 변환필터는 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 반사는 차단하고, 미리 설정된 원형 편광 탄성파를 완전투과하는 이방성 매질을 포함할 수 있다. 이방성 매질로 구성된 편광 변환필터를 이용하여 탄성파의 선형 편광과 원형 편광 사이의 자유로운 변환을 구현할 수 있다. An apparatus for generating a polarization elastic wave according to an embodiment of the present invention includes a polarization conversion filter that converts an incident preset polarized elastic wave into at least one of a linear waveform, a circular waveform, and an elliptical polarization acoustic wave and transmits the converted acoustic wave. The polarization conversion filter may include an anisotropic medium that blocks reflection of a preset reflective acoustic wave and completely transmits a preset circularly polarized acoustic wave as it satisfies a preset complete transmission condition. By using a polarization conversion filter composed of an anisotropic medium, free conversion between linearly polarized and circularly polarized acoustic waves can be realized.
선형 편광 파동은 전기장 또는 매질 변위의 진동 방향이 일정한 파동을 의미하고, 원형 편광 파동은 전기장 또는 매질 변위의 크기가 일정한 채 진동 방향이 회전하는 파동을 의미한다. 선형 편광 파동 중 진동 방향이 x축과 평행한 파동을 x-편광 파동(x-polarized waves)이라 하고, 진동 방향이 y축과 평행한 파동을 y-편광 파동(y-polarized wave)이라 한다. 원형 편광 파동은 같은 속도와 진폭을 갖는 x-편광 파동과 y-편광 파동이 90도의 위상 차이를 갖고 진행할 때 생성된다. 이때 y-편광 파동의 위상이 x-편광 파동의 위상보다 90도 앞서는 경우 좌원편광(LCP, left circular polarization) 파동이 생성되고, x-편광 파동의 위상이 y-편광 파동의 위상보다 90도 앞서는 경우 우원편광(RCP, right circular polarization)이 생성된다. 선형 편광 파동과 원형 편광 파동에 대한 개념도는 도 1에 도시한 바와 같이 나타낼 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 x-편광 파동(101), y-편광 파동(102), 우원편광 파동(103), 좌원편광 파동(104)을 도시한 도면이다. 타원형 편광 파동(elliptically-polarized waves)은 같은 속도를 갖는 x-편광 파동과 y-편광 파동 사이의 위상 차이가 90도가 아닌 경우에 생성되며, 두 파동의 위상 차이에 의해 그 모양이 결정될 수 있다. 탄성파 분야에서는 x-편광 파동을 SH파(shear-horizontal waves), y-편광 파동을 SV파(shear-vertical waves), z-편광 파동을 P파(primary waves) 또는 종파(longitudinal waves)로 부르며, 좌원편광 탄성파를 LCS파(left-handed circularly-polarized shear waves), 우원편광 탄성파를 RCS파(right-handed circularly-polarized shear waves)로 부른다. A linearly polarized wave refers to a wave in which the vibration direction of an electric field or medium displacement is constant, and a circularly polarized wave refers to a wave in which the vibration direction rotates while the magnitude of the electric field or medium displacement is constant. Among linearly polarized waves, a wave whose vibration direction is parallel to the x-axis is called x-polarized waves, and a wave whose vibration direction is parallel to the y-axis is called a y-polarized wave. A circularly polarized wave is generated when an x-polarized wave and a y-polarized wave with the same velocity and amplitude travel with a phase difference of 90 degrees. At this time, when the phase of the y-polarization wave is 90 degrees ahead of the phase of the x-polarization wave, a left circular polarization (LCP) wave is generated, and the phase of the x-polarization wave is 90 degrees ahead of the phase of the y-polarization wave In this case, right circular polarization (RCP) is generated. A conceptual diagram for a linearly polarized wave and a circularly polarized wave can be represented as shown in FIG. 1 . 1 is a diagram illustrating an
본 발명의 실시예는 이방성 매질로 구성된 편광 변환필터를 사용하여 수직으로 입사한 선형 편광 탄성파를 원형 편광 탄성파로 100% 변환시키는 탄성파 편광 변환을 구현할 수 있다. 이때 입사 탄성파는 P파, SH파 또는 SV파가 될 수 있고, 투과 탄성파는 LCS파 또는 RCS파가 될 수 있으며, 이는 서로 다른 필터를 통해 구현할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 편광 변환필터의 좌우에 같은 등방성 물질이 인접할 수 있고, 편광 변환필터에 SV파가 수직으로 입사하여 LCS파를 생성할 수 있다.An embodiment of the present invention may implement an acoustic wave polarization conversion that 100% converts a vertically incident linearly polarized acoustic wave into a circularly polarized acoustic wave using a polarization conversion filter composed of an anisotropic medium. In this case, the incident acoustic wave may be a P wave, an SH wave, or an SV wave, and the transmitted acoustic wave may be an LCS wave or an RCS wave, which may be implemented through different filters. For example, the same isotropic material may be adjacent to the left and right of the polarization conversion filter according to the embodiment of the present invention, and the SV wave may be vertically incident on the polarization conversion filter to generate the LCS wave.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 편광 변환필터에 입사한 선형 편광 탄성파가 원형 편광 탄성파로 변환되어 투과하는 상황을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 배경 매질(201)에 편광 변환필터(202)를 삽입했을 때, 편광 변환필터(202)에 수직으로 입사한 선형 편광 탄성파(203)가 원형 편광 탄성파(204)로 100% 변환되어 투과하는 상황을 알 수 있다. 편광 변환필터(202)를 활용하면 반사되는 탄성파가 없이 순수한 원형 편광 탄성파(204)를 완전히 투과시킬 수 있다.2 is a diagram illustrating a situation in which a linearly polarized acoustic wave incident on a polarization conversion filter according to an embodiment of the present invention is converted into a circularly polarized acoustic wave and transmitted therethrough. Referring to FIG. 2 , when the
본 발명의 실시예에서는 선형 편광 탄성파(203)를 원형 편광 탄성파(204)로 100% 변환하기 위해 편광 변환필터(202)를 구성하는 이방성 매질이 만족해야 하는 수식적인 조건을 제시할 수 있다. 예를 들어 이방성 매질 내부에 존재하는 두 고유모드 중 하나는 1/2 파장 공진(half-wave resonance)조건을 만족하고, 나머지 하나는 1/4 파장 공진(quarter-wave resonance) 조건을 만족해야 한다. 또한 배경 매질(201)과 이방성 매질 사이의 임피던스 매칭(impedance matching) 조건을 만족해야 한다. 이와 관련된 조건들을 수식으로 나타내면 수학식 1과 같다.In the embodiment of the present invention, in order to 100% convert the linearly polarized
[수학식 1][Equation 1]
(d : 이방성 매질의 두께, λ 1: 고유모드 1의 파장, λ 2: 고유모드 2의 파장, N 1: 고유모드 1의 변위장 절점 개수, N 2: 고유모드 2의 변위장 절점 개수, ρ 0: 배경 매질의 질량밀도, C0 S: 배경 매질의 전단 탄성계수, ρ: 이방성 매질의 질량밀도, CT: 이방성 매질의 전단 탄성계수, C HS-VS : 이방성 매질의 전단 모드결합 탄성계수)(d : thickness of anisotropic medium, λ 1 : wavelength of
이방성 매질의 첫 번째 공진주파수가 사용자에 의해 선택된다면 전술한 수학식 1을 만족하는 이방성 매질의 물성 값들은 하기 수학식 2로 산출할 수 있다.If the first resonant frequency of the anisotropic medium is selected by the user, the physical property values of the anisotropic medium
[수학식 2][Equation 2]
(d: 이방성 매질의 두께, λ 1: 고유모드 1의 파장, λ 2: 고유모드 2의 파장, N 1: 고유모드 1의 변위장 절점 개수, N 2: 고유모드 2의 변위장 절점 개수, ρ 0: 배경 매질의 질량밀도, C0 S: 배경 매질의 전단 탄성계수, ρ: 이방성 매질의 질량밀도, CT: 이방성 매질의 전단 탄성계수, C HS-VS : 이방성 매질의 전단 모드결합 탄성계수, f1: 이방성 매질의 첫 번째 공진주파수)(d: thickness of anisotropic medium, λ 1 : wavelength of
수학식 2에서 주어진 물성 값들을 갖는 이방성 매질로는 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재(composite material), 서브파장(subwavelength) 구조를 포함한 3차원 탄성메타물질(elastic metamaterial) 중 1종 이상을 포함하는 물질 등이 활용될 수 있다. 3차원 탄성메타물질을 활용하여 원형 편광 파동을 생성할 수 있는 편광 변환필터를 구성하는 이방성 매질을 구현하는 방법은 구체적인 실시예에서 설명한다.As an anisotropic medium having physical property values given in
본 발명의 실시예에 따른 편광 변환필터를 활용하면 선형 편광 탄성파와 원형 및 타원형 편광 탄성파 사이의 자유로운 변환이 가능하다. 본 발명의 실시예에서 다루는 선형 편광 탄성파에는 P파, SH파 또는 SV파가 있으며, 원형 편광 탄성파에는 LCS파(left-handed circularly-polarized shear waves)와 RCS파(right-handed circularly-polarized shear waves)가 있다. 본 발명을 활용하면 선형 편광과 원형 편광 사이의 편광 변환(P파, SH파 또는 SV파 <-> LCS파, RCS파), 원형 편광 사이의 편광 변환(LCS파 <-> RCS파), 선형 편광 사이의 편광 변환(P파 <-> SH파 <-> SV파)이 모두 가능하며, 이는 서로 다른 필터를 통해 구현할 수 있다. 이때 종래 기술로는 정교한 원형 편광 탄성파를 생성하는데 한계가 있기 때문에, 구체적인 실시예에서는 선형 편광 탄성파(SH파 또는 SV파)를 원형 편광 탄성파(LCS파 또는 RCS파)로 변환하는 필터에 대해 중점적으로 설명한다.By using the polarization conversion filter according to the embodiment of the present invention, free conversion between linearly polarized acoustic waves and circularly and elliptical polarized acoustic waves is possible. The linearly polarized acoustic waves handled in the embodiment of the present invention include P waves, SH waves, and SV waves. The circularly polarized acoustic waves include left-handed circularly-polarized shear waves (LCS waves) and right-handed circularly-polarized shear waves (RCS waves). ) is there. When the present invention is utilized, polarization conversion between linearly polarized light and circularly polarized light (P wave, SH wave or SV wave <->LCS wave, RCS wave), polarization conversion between circularly polarized light (LCS wave <->RCS wave), linear Polarization conversion between polarizations (P wave <-> SH wave <-> SV wave) is possible, and this can be implemented through different filters. At this time, since the prior art has a limitation in generating a sophisticated circularly polarized acoustic wave, a specific embodiment focuses on a filter that converts a linearly polarized acoustic wave (SH wave or SV wave) into a circularly polarized acoustic wave (LCS wave or RCS wave) Explain.
본 발명의 실시예에 따른 편광 변환필터를 형성하는 이방성 매질로는 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재 등이 활용될 수 있지만 원하는 물성을 갖는 적절한 물질을 찾거나 합성하는데 어려움이 있을 수 있다. 이에 물질의 극한물성을 자유롭게 설계 가능한 서브파장 구조를 포함한 3차원 탄성메타물질을 활용하여 이방성 매질을 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에 적용할 3차원 탄성메타물질은 단위 셀(unit cell)에 있는 서브파장 구조가 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열된 구조를 갖고, 단위 셀 내부의 서브파장 구조에는 다양한 패턴이 사용될 수 있다.As the anisotropic medium for forming the polarization conversion filter according to the embodiment of the present invention, materials existing in nature, chemically synthesized materials, composite materials, etc. may be used, but there may be difficulties in finding or synthesizing an appropriate material having desired properties. can Therefore, it is possible to implement an anisotropic medium by using a three-dimensional elastic metamaterial including a sub-wavelength structure that can freely design the extreme properties of the material. The three-dimensional elastic metamaterial to be applied to the embodiment of the present invention has a structure in which the sub-wavelength structure in the unit cell is periodically arranged in the vertical, left-right directions, and various patterns are present in the sub-wavelength structure inside the unit cell. can be used
이방성 매질은 3차원 탄성메타물질로써 구현되기 위해 이방성 매질로 입사하는 탄성파의 진동 방향에 대해 경사진 하나 이상의 미소구조를 단위 셀로써 구비할 수 있다. 예를 들어, 3차원 탄성메타물질의 단위 셀은 경사진 실린더 또는 직육면체 모양의 빈 공간을 포함한 직육면체 단위 셀 등이 활용될 수 있으며 이는 각각 도 3a와 도 3b에 도시한 바와 같이 형성될 수 있다.In order to be implemented as a three-dimensional elastic metamaterial, the anisotropic medium may include one or more microstructures inclined with respect to the vibration direction of an acoustic wave incident into the anisotropic medium as a unit cell. For example, as the unit cell of the three-dimensional elastic metamaterial, a rectangular unit cell including an inclined cylinder or a rectangular parallelepiped-shaped empty space may be utilized, which may be formed as shown in FIGS. 3A and 3B , respectively.
도 3a는 경사진 실린더 모양의 빈 공간(302)을 포함한 직육면체 단위 셀(301)과 이를 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열한 3차원 탄성메타물질(303)을 도시한 도면이다. 도 3b는 서로 다른 두 개의 경사진 직육면체 모양의 빈 공간(각각 305, 306)을 포함한 직육면체 단위 셀(304)과 이를 상하, 좌우 방향으로 주기적으로 배열한 3차원 탄성메타물질(307)을 도시한다. 도 3a와 도 3b에서 예시로 도시된 단위 셀들은 상하좌우로 비대칭적인 구조를 갖기 때문에 매질의 이방성을 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이 3차원 탄성메타물질의 단위 셀은 실린더 모양의 빈 공간을 갖는 경우 Lx, Ly, Lz, Lh 등의 설계변수를 가질 수 있다. 그리고 도 3b에 도시된 바와 같이 직육면체 모양의 빈 공간을 갖는 경우 Lx, Ly, Lz, l1 , t1, l2, t2 등의 설계변수를 가질 수 있다. 이러한 설계변수를 조절하면 탄성파의 선형 편광과 원형 편광 사이의 자유로운 변환이 가능한 이방성 매질을 구현할 수 있다. 이러한 3차원 탄성메타물질은 드릴링과 같은 전통적인 가공법을 사용하여 제작될 수 있고, 3D 프린팅과 같은 적층 가공법을 사용하여 제작될 수도 있다. 단위 셀 내부의 미소구조는 고체와 유체를 포함한 서로 다른 물질들로 복합적으로 구성될 수 있다. 단위 셀 내부에는 두 개 이상의 서로 다른 모양을 갖는 미소구조가 존재할 수 있다. 단위 셀의 구조는 직육면체에 한정되지 않으며 평면 또는 공간상에 다각형이나 다면체로써 구성될 수 있다.3A is a diagram illustrating a
한편, 선형 편광 탄성파를 원형 편광 탄성파로 변환할 수 있는 실제 3차원 탄성메타물질의 구조를 제시한다. 여기서, 배경 물질을 알루미늄(ρ0 =2,700 kg/m3, E0 =90 GPa, V0 =0.33), 입사 파동을 110 kHz SV파, 3차원 탄성메타물질의 기질(substrate)을 철(ρ1 =7,850 kg/m3, E1 =200 GPa, V1 =0.30)이라 가정한다. 이때 설계 변수 Lx = 3.0mm, Ly = 2.9mm, Lz = 2.9mm, l1 = 2.3mm, t1 = 0.8mm, l2 = 0.9mm, t2 = 0.5mm 를 갖는 도 3b에 도시된 단위 셀을 파동 진행 방향(z 방향)으로 4회 반복적으로 배열하면 입사한 SV파가 LCS파로 100% 변환된다. 이러한 상황을 검증하기 위해 상용 소프트웨어(COMSOL Multiphysics)를 활용하여 3차원 탄성파 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과는 도 4에 도시하였다. 이때 설계한 3차원 탄성메타물질의 유효 물성(ρCCVM =4,793 kg/m3, CT CCVM = 25.29 GPa, CHS-VS CCVM = -9.901 GPa)을 수학식 1과 수학식 2에 대입하면 그 식이 만족되는 것을 확인할 수 있다(이때, N1 = 1, N2 = 3). 예시로 제시한 3차원 탄성메타물질 구조 또는 유효 물성 이외에도 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 적절한 구조 또는 유효 물성을 갖는 이방성 매질을 활용하면 탄성파의 편광 변환을 구현할 수 있다.On the other hand, the structure of an actual 3D elastic metamaterial capable of converting a linearly polarized acoustic wave into a circularly polarized acoustic wave is presented. Here, the background material is aluminum (ρ 0 =2,700 kg/m 3 , E 0 =90 GPa, V 0 =0.33), the incident wave is a 110 kHz SV wave, and the substrate of the three-dimensional elastic metamaterial is iron (ρ Assume that 1 = 7,850 kg/m 3 , E 1 =200 GPa, V 1 =0.30). 3b with design variables L x = 3.0 mm, L y = 2.9 mm, L z = 2.9 mm, l 1 = 2.3 mm, t 1 = 0.8 mm, l 2 = 0.9 mm, t 2 = 0.5 mm. If the unit cells are repeatedly arranged 4 times in the wave propagation direction (z direction), the incident SV wave is 100% converted into an LCS wave. To verify this situation, a three-dimensional seismic simulation was performed using commercial software (COMSOL Multiphysics), and the results are shown in FIG. 4 . At this time, if the effective physical properties of the designed three-dimensional elastic metamaterial (ρ CCVM = 4,793 kg/m 3 , C T CCVM = 25.29 GPa, C HS-VS CCVM = -9.901 GPa) are substituted into
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 편광 변환 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 배경 매질(401)에 수학식 1과 수학식 2를 만족하는 3차원 탄성메타물질(402)을 삽입했을 때, 입사한 선형 편광 탄성파(403)가 반사되는 탄성파 없이 원형 편광 탄성파(404)로 100% 변환되어 투과될 수 있다.4 is a diagram illustrating a simulation result of polarization conversion of an acoustic wave according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , when the three-dimensional
본 발명의 실시예에 따른 편광 변환필터는 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기로 활용될 수 있다. 편광 변환필터는 종파 또는 횡파 트랜스듀서와 같은 기존의 초음파 발생기와 시편 사이에 삽입되어 원형 편광 생성 및 측정용 트랜스듀서로써 구현될 수 있다. 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기는 탄성파 영역에서 원형 편광 기반 장비 개발에 광범위하게 활용될 수 있다. 이에 대한 개념도는 도 5에 도시한다.The polarization conversion filter according to an embodiment of the present invention may be used as a circularly polarized acoustic wave generator and measurer. The polarization conversion filter may be implemented as a transducer for generating and measuring circular polarization by being inserted between a specimen and an existing ultrasonic generator such as a longitudinal wave or transverse wave transducer. Circularly polarized acoustic wave generator and measuring device can be widely used in the development of circularly polarized acoustic wave-based equipment in the elastic wave area. A conceptual diagram for this is shown in FIG. 5 .
도 5는 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기(501)를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기는 기존의 종파 또는 횡파 트랜스듀서(502)와 편광 변환필터(503)를 포함하며, 시편(504)으로 원형 편광 탄성파(505)를 전달하는 기능과 시편으로부터 오는 원형 편광 탄성파(506)를 측정하는 기능을 모두 구현할 수 있다.5 is a diagram illustrating a circularly polarized acoustic wave generator and
본 발명의 실시예에 따른 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기는 기계적 물성 평가 장비로 활용될 수 있다. 특히 시편의 전단 이방성(shear mode anisotropy)을 평가하는데 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전단 이방성 평가 장비는 원형 편광 탄성파 생성기와 측정기를 포함하며 시편의 한 쪽에서 원형 편광 탄성파를 고효율로 입사시킨 뒤 시편의 다른 쪽에서 SH파와 SV파의 위상 차이(ФSH - ФSV)를 측정함으로써 시편의 전단탄성계수 사이의 비율(C66/C55)을 측정한다. 이에 대한 개념도는 도 6a에 도시하며, 시편의 전단탄성계수 사이의 비율과 측정된 SH파와 SV파의 위상 차이 사이의 관계는 도 6b에 도시한다.The circularly polarized acoustic wave generator and measurement device according to an embodiment of the present invention may be used as a mechanical property evaluation device. In particular, it can be used to evaluate the shear mode anisotropy of the specimen. The shear anisotropy evaluation equipment according to an embodiment of the present invention includes a circularly polarized acoustic wave generator and a measuring device, and after highly efficiently incident circularly polarized acoustic waves from one side of the specimen, the phase difference between the SH wave and the SV wave (Ф SH - Ф By measuring SV ), the ratio (C 66 /C 55 ) between the shear modulus of the specimen is measured. A conceptual diagram for this is shown in FIG. 6A, and the relationship between the ratio between the shear modulus of the specimen and the measured phase difference between the SH wave and the SV wave is shown in FIG. 6B.
도 6a는 원형 편광 탄성파 생성기(601)와 측정기(602)를 활용하여 시편(603)의 기계적 물성을 평가하는 장비를 도시한 도면이다. 도 6a를 참조하면, 한 쪽에서 원형 편광 탄성파 생성기를 통해 시편으로 원형 편광 탄성파(604)를 전달하고, 시편을 통과한 탄성파(605)를 다른 쪽에서 원형 편광 탄성파 측정기를 통해 측정할 수 있다.FIG. 6A is a diagram illustrating equipment for evaluating mechanical properties of a
도 6b는 시편의 전단탄성계수 비와 측정된 전단파 위상 차이 사이의 관계를 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기는 시편의 잔류 응력(residual stress) 측정 장비로 활용될 수 있다. 시편의 잔류 응력 측정은 정밀 기계 가공, 구조적 건전성 평가 등에 중요하게 활용된다. 그러나 종래 기술로 활용되는 변형계(strain gauge)의 경우 대상물의 변형을 측정하여 응력을 계산하기 때문에 초기 응력 조건이나 잔류 응력에 대한 정보를 얻는데 한계가 있다. 본 발명의 실시예에 따른 잔류 응력 측정 장비는 원형 편광 탄성파 생성기와 측정기를 포함하며 시편의 한 쪽에서 원형 편광 탄성파를 고효율로 입사시킨 뒤 시편의 다른 쪽에서 투과한 원형 편광 탄성파의 모양을 측정함으로써 시편의 잔류 응력을 추정한다. SH파와 SV파의 속도는 초기 응력 조건에 영향을 받기 때문에 SH파와 SV파의 위상 차이로 인해 투과한 원형 편광 탄성파의 모양이 변하게 되며, 이를 측정함으로써 잔류 응력을 합리적으로 추정할 수 있다.6B is a diagram illustrating the relationship between the shear modulus ratio of the specimen and the measured shear wave phase difference. The circularly polarized acoustic wave generator and measuring device according to an embodiment of the present invention may be used as a residual stress measuring device of a specimen. Residual stress measurement of specimens is importantly used for precision machining and structural integrity evaluation. However, in the case of a strain gauge used in the prior art, since the stress is calculated by measuring the deformation of the object, there is a limit in obtaining information about the initial stress condition or residual stress. The residual stress measuring device according to an embodiment of the present invention includes a circularly polarized acoustic wave generator and a measuring device, and after highly efficiently incident circularly polarized acoustic wave from one side of the specimen, measures the shape of the circularly polarized acoustic wave transmitted from the other side of the specimen. Estimate the residual stress. Since the velocities of the SH wave and SV wave are affected by the initial stress condition, the shape of the transmitted circularly polarized acoustic wave changes due to the phase difference between the SH wave and the SV wave, and by measuring this, the residual stress can be reasonably estimated.
본 발명의 실시예에 따른 원형 편광 탄성파 생성 및 측정기는 시편의 결함 평가 장비로 활용될 수 있다. 종래 기술로 활용되는 유도초음파 비파괴 검사 장비의 경우 결함의 존재 여부만 판단할 수 있고, 결함의 크기나 모양에 대한 정보를 얻는데 한계가 있다. 본 발명의 실시예에 따른 결함 평가 장비는 원형 편광 탄성파 생성기와 측정기를 포함하며 투과하거나 반사한 원형 편광 탄성파의 모양을 측정함으로써 시편의 결함 존재 여부, 결함 크기, 결함 모양 등에 관한 정보를 추정한다. 이에 대한 개념도는 도 7에 도시한다. The circularly polarized acoustic wave generator and measurer according to an embodiment of the present invention may be used as a defect evaluation device for a specimen. In the case of guided ultrasound non-destructive testing equipment used in the prior art, only the presence or absence of a defect can be determined, and there is a limit in obtaining information about the size or shape of the defect. The defect evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention includes a circularly polarized acoustic wave generator and a measuring device, and estimates information on whether a defect exists, a defect size, a shape of a defect, etc. in a specimen by measuring the shape of a transmitted or reflected circularly polarized acoustic wave. A conceptual diagram for this is shown in FIG. 7 .
도 7은 원형 편광 탄성파 생성기(701)와 측정기(702)를 활용하여 시편(703)의 결함(704)을 평가하는 장비를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 시편(703)으로 원형 편광 탄성파(705)를 입사시켰을 때 시편(703)의 결함 존재 여부, 결함 크기, 결함 모양에 따라 반사되는 원형 편광 탄성파(706)와 투과되는 원형 편광 탄성파(707)의 모양이 변하는 것을 이용하여 시편(703)의 결함(704)을 평가할 수 있다.7 is a diagram illustrating equipment for evaluating the
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also It goes without saying that they fall within the scope of the present invention.
201 ; 배경 매질
202 ; 편광 변환필터
203 ; 선형 편광 탄성파
204 ; 원형 편광 탄성파201;
203; linearly polarized
Claims (9)
상기 편광 변환필터에 구비되어 미리 설정된 완전투과 조건을 만족시킴에 따라 미리 설정된 반사탄성파의 반사는 차단하고, 미리 설정된 편광 탄성파를 완전투과하는 이방성 매질
을 포함하며,
상기 완전투과 조건은 수학식 (1)의 조건을 포함하는 편광 탄성파 발생장치.
수학식 (1)
(d : 이방성 매질의 두께, λ 1: 고유모드 1의 파장, λ 2: 고유모드 2의 파장, N 1: 고유모드 1의 변위장 절점 개수, N 2: 고유모드 2의 변위장 절점 개수, ρ 0: 배경 매질의 질량밀도, C0 S: 배경 매질의 전단 탄성계수, ρ: 이방성 매질의 질량밀도, CT: 이방성 매질의 전단 탄성계수, C HS-VS : 이방성 매질의 전단 모드결합 탄성계수)A polarization conversion filter that converts a preset polarized acoustic wave provided on the background material and incident into at least one of linearly polarized, circularly polarized, or elliptical polarized acoustic wave and transmits it; and
An anisotropic medium that is provided in the polarization conversion filter and completely transmits the preset polarized acoustic wave while blocking the reflection of the preset reflective acoustic wave as it satisfies the preset complete transmission condition
includes,
The complete transmission condition includes the condition of Equation (1).
Equation (1)
(d : thickness of anisotropic medium, λ 1 : wavelength of eigenmode 1, λ 2 : wavelength of eigenmode 2, N 1 : number of displacement field nodes of eigenmode 1, N 2 : number of displacement field nodes of eigenmode 2, ρ 0 : mass density of background medium, C 0 S : shear modulus of background medium, ρ : mass density of anisotropic medium, C T : shear modulus of anisotropic medium, C HS-VS : shear mode coupling modulus of anisotropic medium)
상기 완전투과 조건은
상기 이방성 매질의 첫 번째 공진주파수가 설정된 상태에서 수학식 (2)의 조건을 포함하는 편광 탄성파 발생장치.
(수학식 2)
(d: 이방성 매질의 두께, λ 1: 고유모드 1의 파장, λ 2: 고유모드 2의 파장, N 1: 고유모드 1의 변위장 절점 개수, N 2: 고유모드 2의 변위장 절점 개수, ρ 0: 배경 매질의 질량밀도, C0 S: 배경 매질의 전단 탄성계수, ρ: 이방성 매질의 질량밀도, CT: 이방성 매질의 전단 탄성계수, C HS-VS : 이방성 매질의 전단 모드결합 탄성계수, f1: 이방성 매질의 첫 번째 공진주파수)In claim 1,
The complete permeation condition is
A polarized acoustic wave generator including the condition of Equation (2) in a state where the first resonant frequency of the anisotropic medium is set.
(Equation 2)
(d: thickness of anisotropic medium, λ 1 : wavelength of eigenmode 1, λ 2 : wavelength of eigenmode 2, N 1 : number of displacement field nodes of eigenmode 1, N 2 : number of displacement field nodes of eigenmode 2, ρ 0 : mass density of background medium, C 0 S : shear modulus of background medium, ρ : mass density of anisotropic medium, C T : shear modulus of anisotropic medium, C HS-VS : shear mode bonding elasticity of anisotropic medium Coefficient, f 1 : first resonant frequency of anisotropic medium)
상기 이방성 매질은 자연계에 존재하는 물질, 화학적으로 합성된 물질, 복합재, 또는 서브파장 구조를 포함한 3차원 탄성메타물질 중 1종 이상을 포함하는 편광 탄성파 발생장치.In claim 1,
The anisotropic medium is a polarized acoustic wave generator including at least one of a material existing in nature, a chemically synthesized material, a composite material, or a three-dimensional elastic metamaterial including a sub-wavelength structure.
상기 3차원 탄성메타물질은 상기 이방성 매질로 입사하는 상기 선형 편광 탄성파의 진동 방향에 대해 미리 설정된 방향으로 경사진 하나 이상의 미소구조를 갖는 단위 셀을 포함하는 편광 탄성파 발생장치.In claim 3,
and the three-dimensional elastic metamaterial includes unit cells having one or more microstructures inclined in a predetermined direction with respect to the vibration direction of the linearly polarized acoustic wave incident into the anisotropic medium.
상기 단위 셀은 상하 및 좌우로 비대칭적인 구조를 갖는 편광 탄성파 발생장치.In claim 4,
The unit cell is a polarized acoustic wave generator having an asymmetric structure vertically and horizontally.
상기 단위 셀 내부에는 복수의 서로 다른 모양을 갖는 미소구조를 포함하는 편광 탄성파 발생장치.In claim 4,
A polarized acoustic wave generator including a plurality of microstructures having different shapes inside the unit cell.
상기 미소구조는 고체와 유체를 포함한 서로 다른 물질들이 복합적으로 형성되는 편광 탄성파 발생장치.In claim 4,
The microstructure is a polarized acoustic wave generator in which different materials including a solid and a fluid are compositely formed.
상기 3차원 탄성메타물질은 미리 설정된 방향으로 경사진 실린더 모양의 빈 공간을 포함한 단위 셀이 상하 및 좌우 방향으로 주기적으로 배열되는 서브파장 구조를 갖는 편광 탄성파 발생장치.In claim 4,
The three-dimensional elastic metamaterial is a polarized elastic wave generator having a sub-wavelength structure in which unit cells including an empty space in the shape of a cylinder inclined in a preset direction are periodically arranged in vertical and horizontal directions.
상기 3차원 탄성메타물질은 서로 다른 두 개의 경사진 직육면체 모양의 빈 공간을 포함한 단위 셀이 상하 및 좌우 방향으로 주기적으로 배열되는 서브파장 구조를 갖는 편광 탄성파 발생장치.In claim 4,
The three-dimensional elastic metamaterial is a polarized elastic wave generator having a sub-wavelength structure in which unit cells including two different inclined cuboid-shaped empty spaces are periodically arranged in vertical and horizontal directions.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023243919A1 (en) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | 서울대학교산학협력단 | Full transmission device for wide-angle mode conversion of elastic waves |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102497796B1 (en) | 2023-02-08 |
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