KR20240022835A - 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터 - Google Patents

플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터 Download PDF

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임수현
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이정민
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Abstract

본 발명은 압전소자가 적층되어, 입력된 전기신호에 의해 길이 방향으로 진동을 생성하는 압전 스택을 포함하는 압전 구동기 및 상기 압전 구동기의 외면을 둘러싸도록 장착되어, 상기 압전 구동기에 의한 길이 방향 진동을 상기 압전 구동기의 외면에 수직한 측면 방향 진동으로 발생시키는 스테이브(stave)를 포함하고, 상기 스테이브는 공진 주파수가 상이한 두 가지 진동모드를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터로서, 본 발명에 의하면, 기존의 단일 진동모드로 구동되어 주파수 대역폭이 좁은 저주파 플렉스텐셔널 프로젝터를 개선하여 두 가지 진동모드를 가질 수 있다.

Description

플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터{FLEXTENSIONAL LOW FREQUENCY ACOUSTIC PROJECTOR}
본 발명은 저주파 음향 송신용 프로젝터에 관한 것으로서, 특히 플렉스텐셔널 모드를 활용하는 저주파 음향 프로젝터에 관한 것이다.
음파를 송수신하는 음향 트랜스듀서는 수중탐지용 소나(SONAR, Sound Navigation and Ranging), 비파괴 검사용 초음파 탐촉자, 의료용 초음파 탐촉자 등으로 활용되어왔다. 이러한 음향 트랜스듀서는 송신 전용으로 사용되는 프로젝터로 활용되기도 한다. 특히, 저주파 음향 프로젝터는 낮은 감쇠효과를 가지는 저주파 음파발생이 가능하여 수중 장거리 목표물 탐지 및 수중통신 등의 소나장비에 적용될 수 있다.
저주파 프로젝터의 중요한 기술 분야는 구동 주파수 대역에서 기구적 공진을 가지도록 프로젝터를 설계하는 것이다. 일반적으로 프로젝터의 기구적 공진을 만들기 위해서는 프로젝터 크기를 구동 주파수에서 반파장의 정수배가 되도록 설계함으로 파장이 긴 저주파 구동을 위한 프로젝터는 상대적으로 큰 크기가 요구된다.
저주파 구동을 위한 음향 프로젝터로 톤필츠형(Tonpilz) 프로젝터, 링형(Free Flooded Ring, FFR) 프로젝터, 플렉스텐셔널(Flextensional) 프로젝터 등이 적용되어 왔다.
톤필츠형 프로젝터는 중저주파 구동을 위해 압전소자의 양 끝단의 무게추를 볼트로 체결하여 음파를 발생하는 프로젝터이다.
링형 프로젝터는 링 형태의 압전소자에 의해 링의 측면 방향으로 음파를 발생시키는 프로젝터이며, 링 내부를 물로 채우고 내부 캐비티(Cavity)모드를 활용하여 저주파 구동이 가능하다.
플렉스텐셔널 프로젝터는 압전 구동기에 의해 발생한 길이 방향 진동을 스테이브(Stave)의 측면 방향 진동으로 변환하여 음파를 발생한다. 측면 방향 진동은 판의 굽힘 모드를 활용하므로 상대적으로 작은 크기로 저주파 구동이 가능한 장점이 있다. 그리고, 스테이브의 형태(평판, 오목, 볼록)에 따라 플렉스텐셔널 프로젝터의 종류가 구분되어 목적에 따라 적용이 가능하다.
그러나, 플렉스텐셔널 트랜스듀서는 스테이브의 단일 공진모드를 활용하므로 좁은 주파수 대역에서만 구동 가능한 한계가 있고, 수심에 따른 수압의 변화에 의해 음향특성이 변화하는 문제가 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
일본등록특허공보 제4,123,703호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 기존의 단일 진동모드로 구동되어 주파수 대역폭이 좁은 저주파 플렉스텐셔널 프로젝터를 개선하여 두 가지 진동모드를 가지는 스테이브 구조를 적용한 저주파 광대역 플렉스텐셔널 프로젝터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터는, 압전소자가 적층되어, 입력된 전기신호에 의해 길이 방향으로 진동을 생성하는 압전 스택을 포함하는 압전 스택 및 상기 압전 스택의 양 끝단에 면접하는 한 쌍의 중량체를 포함하는 압전 구동기 및 상기 압전 구동기의 외면을 둘러싸도록 장착되어, 상기 압전 구동기에 의한 길이 방향 진동을 상기 압전 구동기의 외면에 수직한 측면 방향 진동으로 발생시키는 스테이브(stave)를 포함하고, 상기 스테이브는 공진 주파수가 상이한 두 가지 진동모드를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 스테이브는, 한 쌍의 상기 중량체의 외면에 접하여 장착되는 플렉스텐셔널(flextensional) 바 및 상기 플렉스텐셔널 바의 양 단부로부터 이어진 벤딩(bending) 바를 포함한다.
나아가, 상기 플렉스텐셔널 바는 복수 개의 판이 상기 압전 스택의 둘레를 따라 이격 배치된 것을 특징으로 하고, 상기 벤딩 바는 복수 개의 판이 상기 압전 구동기의 둘레를 따라 이격 배치된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 플렉스텐셔널 바는 폭 방향으로 굴곡진 형상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 플렉스텐셔널 바의 상면은 길이 방향으로 굴곡진 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플렉스텐셔널 바의 상면은 오목한 형상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 압전 구동기는 상기 중량체와 면접하여 상기 압전 스택과 상기 중량체 간에 개재되는 절연판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 플렉스텐셔널 바의 양 단부는 각각 한 쌍의 상기 중량체 각각에 면접하고, 상기 벤딩 바의 일 단부의 하면이 상기 중량체의 측면에 면접하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 중량체에 일 면이 접하고, 상기 벤딩 바의 내면에 측면이 접하도록 구성되는 배플(baffle) 및 상기 스테이브의 외면 형상에 대응되는 내면 형상을 가지며, 상기 스테이브를 둘러싸는 음향 윈도우를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터는 플렉스텐셔널 바와 벤딩 바의 두 가지 진동모드로 구동됨으로써, 넓은 주파수 대역에서 저주파 음향송신을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터의 외관을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터의 측단면 형상을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터를 구성하는 압전 구동기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터를 구성하는 스테이브를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터에 의한 송신 감도 특성을 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터의 외관을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터의 측단면 형상을 도시한 것이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터를 설명하기로 한다.
본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터는 압전 구동기(110), 스테이브(120), 배플(130), 음향 윈도우(140)를 포함하여, 압전 구동기(110)를 이용하여 스테이브(120)를 통해 저주파 음향을 송신하는 것이며, 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터는 단일 진동모드가 아닌 두 가지 진동모드를 가질 수 있어 넓은 주파수 대역에서 저주파 음향 송신이 가능하게 하기 위한 것이다.
압전 구동기(110)는 음향 프로젝터의 길이 방향으로 진동하며, 스테이브(120)는 압전 구동기(110)에 의한 길이 방향 진동을 길이 방향에 수직한 측면 방향, 반경 방향 진동으로 변환하여 음파를 방사한다.
도 3에서 참조되는 압전 구동기(110)는 입력된 전기신호에 의해 프로젝터 길이 방향으로 진동을 생성하며, 전기신호를 진동신호로 변환하는 압전 스택(111), 압전 스택(111)의 양 단부에 결합되는 한 쌍의 중량체(112)로 구성된다.
압전 스택(111)은 원형, 사각형 또는 다면체 링 구조의 압전소자를 적층한 구조를 가질 수 있으며, 도시와 같이 원통형일 수 있다. 그리고, 중량체(112)는 압전 스택(111)의 외경보다 큰 외경을 가지는 것이 바람직하다. 각각의 압전소자 사이에는 전기신호를 인가하기 위한 전극판이 삽입되거나 전극면이 증착될 수 있다.
압전소자는 전기신호를 기계신호로 변환 가능한, PZT[Pb(Zr/Ti)O3], PMN-PT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PIN-PMN-PT[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PIN-PMN-PT Mn doped 및 PMN-PZT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3] 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 압전 스택(111)은 전극에 인가되는 고전압 전기신호를 구조물과 절연하기 위하여 양 단부에 절연판을 가질 수 있다. 절연판은 중량체(112)와 면접하게 구성될 수 있으며, 압전 스택(111)과 동일한 형상의 링 구조로 적용될 수 있다. 절연판은 알루미나, GRP, 세라믹, 유리, 엔지니어링 플라스틱 등 절연재질이 적용될 수 있다.
중량체(112)는 압전 스택(111) 양 끝단에 각각 면접하고, 중량체(112) 옆면에 후술할 스테이브(120)를 부착하여 고정한다.
중량체(112)의 형상은 후술할 스테이브(120)의 부착을 위해 원형, 사각형 또는 다면체 링 구조를 가질 수 있고, 두께와 직경은 스테이브(120)의 진동 특성을 고려하여 결정될 수 있다. 중량체(112)의 재질은 철, 알루미늄, 텅스텐, 황동, 엔지니어링 플라스틱 등으로 적용될 수 있다.
중량체(112)는 압전 스택(112) 및 중량체(112)를 부착된 상태로 고정하고, 압전소자에 압축 전응력을 인가하여 인장에 취약한 압전소자의 고출력 구동을 가능하게 하기 위하여 장력 볼트를 적용할 수 있다. 장력볼트는 철, 알루미늄, 텅스텐 등 강도가 강한 금속 물질이 적용될 수 있다.
다음, 도 4에서 참조되는 스테이브(120)는 플렉스텐셔널 바(121)와 벤딩 바(122)를 포함하고, 플렉스텐셔널 바(121)와 벤딩 바(122)는 도시와 같이 복수 개의 판이 압전 구동기(110) 중량체(112) 외면을 둘러싸도록 압전 구동기(110)의 원주 방향을 따라 배치되며, 복수 개의 판의 내면의 일부분은 압전 구동기 중량체(110)의 외면에 부착된다.
그리고, 복수 개의 스테이브(120)는 서로 이격되어 배치될 수 있다.
플렉스텐셔널 바(121)는 평판형, 오목형 또는 볼록형 구조를 가질 수 있으며, 양 끝단이 중량체(112)에 고정된다.
그래서, 압전 구동기(110)의 길이 방향 진동을 측면, 반경 방향의 플렉스텐셔널 모드(flextensional mode) 진동으로 변환하여 음파를 방사한다.
플렉스텐셔널 바(121)는 하면은 압전 스택(111)의 외면에 대응되도록 폭 방향으로 라운드지게 형성될 수 있으며, 도 2에서 참조되는 바와 같이 상면은 양 단부의 두께가 중앙부의 두께보다 크도록 길이 방향으로 라운드지게 형성될 수 있으며, 오목하게 형성되는 것이 보다 바람직하다.
플렉스텐셔널 바(121)가 오목한 타원 형상을 가질 경우, 수압 인가 시 압전 구동기(110)에 압축응력이 인가되어 고출력 구동을 가능하게 한다.
그리고, 벤딩(Bending) 바(122)는 플렉스텐셔널 바(121)의 양 단부의 상단면과 이어지며, 일 단부는 하면이 중량체(112)의 측면에 접하여 고정되고 타 단부는 자유단으로 형성되어 압전 구동기(110)의 길이 방향 진동을 측면 방향의 벤딩 바 모드 진동으로 변환하여 음파를 방사한다.
이러한 플렉스텐셔널 바(121) 및 벤딩 바(122)의 공진주파수는 바의 두께 및 길이에 의하여 결정된다. 플렉스텐셔널 바(121)와 압전 구동기(110) 사이의 내부 공간(150)은 공기로 채워질 수 있다.
그리고, 스테이브(120)의 재질은 철, 알루미늄, 텅스텐, 황동, 엔지니어링 플라스틱 등으로 적용될 수 있다.
다음, 한 쌍의 배플(130, baffle)은 각각 압전 구동기(110)의 양 끝단, 즉 중량체(112)에 일면이 접하고, 벤딩 바(122)의 내면에 측면이 접하도록 구성될 수 있다.
배플(130)은 스테이브(120)의 진동 및 음향 방사를 안정화하기 위해 음향 임피던스가 낮은 고무, 우레탄, 다공성 복합체 등의 폴리머 재질이 적용될 수 있다.
그리고, 음향 윈도우(140)는 스테이브(200)의 외면 형상에 맞는 내면 형상을 가짐으로써 스테이브(200)를 둘러싼 형태이며, 프로젝터 내부를 수밀하는 역할을 한다. 또한 음향적으로 투명한 특성을 가지도록 고무, 우레탄 등의 폴리머 재질이 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터에 의한 송신 감도 특성을 나타낸 것이다.
압전 구동기(110)에서 발생된 길이 방향 진동은 압전 구동기(110)에 부착된 스테이브(120)에 전달되고 측면 방향 진동으로 전환되어 음파를 발생시킨다.
스테이브(120)는 압전 구동기(110) 원주 방향으로 다수가 배열되어 지향성 없이 모든 방향으로 음향을 방출하는 전방향성(Omnidirectional) 특성을 가진다. 스테이브(120)는 중앙부의 플렉스텐셔널 바(121)와 양 단의 벤딩 바(122)로 구성되며 독립적인 진동모드로 구동됨을 도 5를 통해 알 수 있다. 플렉스텐셔널바(210)와 밴딩바(220)의 진동모드는 바의 두께 및 길이에 의하여 설계될 수 있으며 두 가지 진동모드를 인접하게 설계할 경우 도 5에서 확인되는 바와 같이 광대역 송신이 가능하게 된다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
100 : 플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터
110 : 압전 구동기
111 : 압전 스택
112 : 중량체
120 : 스테이브
121 : 플렉스텐셔널 바
122 : 벤딩 바
130 : 배플
140 : 음향 윈도우

Claims (9)

  1. 압전소자가 적층되어, 입력된 전기신호에 의해 길이 방향으로 진동을 생성하는 압전 스택 및 상기 압전 스택의 양 끝단에 면접하는 한 쌍의 중량체를 포함하는 압전 구동기; 및
    상기 압전 구동기의 외면을 둘러싸도록 장착되어, 상기 압전 구동기에 의한 길이 방향 진동을 상기 압전 구동기의 외면에 수직한 측면 방향 진동으로 발생시키는 스테이브(stave)를 포함하고,
    상기 스테이브는 공진 주파수가 상이한 두 가지 진동모드를 발생시키는 것을 특징으로 하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이브는,
    한 쌍의 상기 중량체의 외면에 접하여 장착되는 플렉스텐셔널(flextensional) 바; 및
    상기 플렉스텐셔널 바의 양 단부로부터 이어진 벤딩(bending) 바를 포함하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 플렉스텐셔널 바는 복수 개의 판이 상기 압전 스택의 둘레를 따라 이격 배치된 것을 특징으로 하고,
    상기 벤딩 바는 복수 개의 판이 상기 압전 구동기의 둘레를 따라 이격 배치된 것을 특징으로 하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플렉스텐셔널 바는 폭 방향으로 굴곡진 형상인 것을 특징으로 하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 플렉스텐셔널 바의 상면은 길이 방향으로 굴곡진 형상인 것을 특징으로 하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 플렉스텐셔널 바의 상면은 오목한 형상인 것을 특징으로 하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 압전 구동기는 상기 중량체와 면접하여 상기 압전 스택과 상기 중량체 간에 개재되는 절연판을 더 포함하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 플렉스텐셔널 바의 양 단부는 각각 한 쌍의 상기 중량체 각각에 면접하고, 상기 벤딩 바의 일 단부의 하면이 상기 중량체의 측면에 면접하는 것을 특징으로 하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 중량체에 일 면이 접하고, 상기 벤딩 바의 내면에 측면이 접하도록 구성되는 배플(baffle); 및
    상기 스테이브의 외면 형상에 대응되는 내면 형상을 가지며, 상기 스테이브를 둘러싸는 음향 윈도우를 더 포함하는,
    플렉스텐셔널 저주파 음향 프로젝터.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4123703A (en) 1977-09-02 1978-10-31 Sri International Microwave method of and apparatus for flaw detection

Patent Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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