KR20240035190A - dissipative metamaterial - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소산형 메타물질에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설계 및 부착이 용이한 간단한 구조를 가지며, 대상체 표면을 따라 전파하는 다중 탄성파를 효과적으로 차단할 수 있는 소산형 메타물질에 관한 것이다.The present invention relates to a dissipative metamaterial, and more specifically, to a dissipative metamaterial that has a simple structure that is easy to design and attach, and can effectively block multiple elastic waves propagating along the surface of an object.
Description
본 발명은 소산형 메타물질에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설계 및 부착이 용이한 간단한 구조를 가지며, 대상체 표면을 따라 전파하는 다중 탄성파를 효과적으로 차단할 수 있는 소산형 메타물질에 관한 것이다.The present invention relates to a dissipative metamaterial, and more specifically, to a dissipative metamaterial that has a simple structure that is easy to design and attach, and can effectively block multiple elastic waves propagating along the surface of an object.
일반적으로 탄성체 내부에서 파동을 차단하는 방법으로서, 진행하는 파동을 소산시키는 방법과, 반사시키는 방법이 있다. 도 1 은 이러한 소산에 의한 차단과 반사에 의한 차단을 도식화한 것이다.Generally, as a method of blocking waves inside an elastic body, there are a method of dissipating the traveling wave and a method of reflecting it. Figure 1 schematically illustrates this blocking by dissipation and blocking by reflection.
상기 소산 방법은 파동이 전파해오는 방향으로 Damping이 있는 소산 물질을 발라서 파동의 크기를 줄이는 방식으로서, 파동이 가진 탄성에너지를 damping에 의한 열에너지로 변환시켜 차단하는 것이다. 일반적으로 소산 성능은 해당 주파수의 의존성이 큰데, 저주파수에서는 소산 성능이 낮은 반면 고주파수일수록 소산이 잘 일어나게 된다. 한편, 평판이나 배관에서는 다중모드의 탄성파가 존재하는데, 외부(out-of-plane)변형 모드의 경우에는 소산효과가 큰 반면 내부(in-plane)변형 모드는 소산 효과가 낮다. The dissipation method is a method of reducing the size of a wave by applying a dissipating material with damping in the direction in which the wave propagates. It blocks the elastic energy of the wave by converting it into heat energy through damping. In general, dissipation performance is highly dependent on the frequency. At low frequencies, dissipation performance is low, while at higher frequencies, dissipation occurs more easily. Meanwhile, multiple modes of elastic waves exist in flat plates and pipes. The out-of-plane deformation mode has a large dissipation effect, while the in-plane deformation mode has a low dissipation effect.
반면에, 반사를 통한 파동 차단의 경우, 메타물질과 같은 특이 구조의 주기적 배열이나 혹은 동흡진기와 같은 구조물을 이용해 파동이 이를 투과할 수 없는 Bandgap을 형성하여 탄성에너지를 반사 시키는 방법이다. 하지만, 이러한 기술의 경우, 특정 좁은 주파수 영역대에서만 반사 효과를 보일 수 있으며 주기적인 구조 배치를 위해 상당히 넓은 영역을 필요로 하는 단점이 있다. 아울러, 동흡진기 기술 또한 마찬가지로 특정 공진주파수 영역대에서만 차단 성능이 극대화되며 여타 주파수 영역대에서는 별다른 효과를 보이지 못한다. On the other hand, in the case of wave blocking through reflection, a periodic arrangement of a specific structure such as a metamaterial or a structure such as a dynamic absorber is used to form a bandgap through which waves cannot penetrate and thereby reflect elastic energy. However, this technology has the disadvantage of showing a reflection effect only in a specific narrow frequency range and requiring a fairly large area for periodic structure arrangement. In addition, the dynamic absorber technology also maximizes blocking performance only in a specific resonance frequency range and has no significant effect in other frequency ranges.
궁극적으로, 입사되는 파동을 차단하기 위해서는, 소산과 반사를 통해 투과하는 파동이 없도록 하여야 한다. Ultimately, in order to block incident waves, it is necessary to ensure that no waves penetrate through dissipation and reflection.
따라서, 이러한 차단 효과를 극대화할 수 있는 수단이 필요하다.Therefore, a means to maximize this blocking effect is needed.
본 발명의 목적은, 설계 및 부착이 용이한 간단한 구조를 가지며, 대상체 표면을 따라 전파하는 다중 탄성파를 효과적으로 차단할 수 있는 소산형 메타물질을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a dissipative metamaterial that has a simple structure that is easy to design and attach, and can effectively block multiple elastic waves propagating along the surface of an object.
본 발명의 다른 목적은, 소산재를 결합한 단순한 구조를 갖는 메타물질을 구현하고, 상기 메타물질을 대상체의 외부에 부착함으로써 다중 모드의 탄성파 차단 효과를 극대화할 수 있는 소산형 메타물질을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a dissipative metamaterial that can maximize the multi-mode elastic wave blocking effect by implementing a metamaterial with a simple structure combining dissipative materials and attaching the metamaterial to the outside of the object. .
본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 구조물부, 및 소산재부를 포함하고, 상기 구조물부는, 소정의 두께와 면적을 갖는 베이스부, 및 상기 베이스부의 상면에 배열되는 다수의 칼럼부를 포함하며, 상기 각각의 칼럼부는 소정의 높이 및 폭을 갖고, 상기 다수의 칼럼부는 서로 소정의 거리를 가지고 배열되며, 상기 소산재부는, 상기 베이스부 상의 상기 칼럼부 주변의 공간에 충진되는 소산재로 구성되고, 상기 베이스부의 저면이 대상물 상에 부착된다.A dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention includes a structure portion and a dissipative material portion, wherein the structure portion includes a base portion having a predetermined thickness and area, and a plurality of columns arranged on the upper surface of the base portion. Each column portion has a predetermined height and width, the plurality of column portions are arranged at a predetermined distance from each other, and the dissipative ash portion is a dissipative ash filled in the space around the column portion on the base portion. It consists of, and the bottom of the base portion is attached to the object.
일 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 상기 칼럼부는, 소정의 높이와 직경을 갖는 원기둥 형상을 갖는다.In the dissipative metamaterial according to one embodiment, the column portion has a cylindrical shape with a predetermined height and diameter.
본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 대상체의 표면에 부착되고 대상체를 따라서 전달되는 진동을 차단하는 소산형 메타물질로서, 상기 소산형 메타물질은 다수의 단위 셀이 평면 상에 전후 및 좌우 방향으로 복수 개 연속적으로 배열되는 구성을 가지며, 상기 각각의 단위 셀은 정방형 형태의 단위 공간 영역을 가지고, 상기 단위 셀 내에는, 단위구조체, 및 단위소산체가 존재하고, 상기 단위구조체는, 상기 단위 셀의 바닥면에 위치하며 소정의 두께와 전후 및 좌우 방향 폭을 갖는 베이스부, 및 상기 베이스부의 상면에 위치하며 소정의 높이와 폭을 갖는 기둥 형태의 칼럼부를 포함하고, 상기 단위소산체는, 상기 베이스부 상의 상기 칼럼부 주변에 위치하며, 소산재로 구성되고, 상기 베이스부의 저면이 대상물 상에 부착된다.The dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is a dissipative metamaterial that is attached to the surface of an object and blocks vibration transmitted along the object. The dissipative metamaterial has a plurality of unit cells back and forth on a plane. and a plurality of units sequentially arranged in the left and right directions, wherein each unit cell has a square unit space region, and within the unit cell, a unit structure and a unit dissipation body are present, and the unit structure includes, A base portion located on the bottom of the unit cell and having a predetermined thickness and a width in the front-back and left-right directions, and a column-shaped column portion located on the upper surface of the base portion and having a predetermined height and width, wherein the unit dissipator is located around the column portion on the base portion and is made of dissipative material, and the bottom of the base portion is attached to the object.
본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 상기 칼럼부는, 소정의 높이와 직경을 갖는 원기둥 형상을 갖는다. In the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention, the column portion has a cylindrical shape with a predetermined height and diameter.
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 탄성체에서 진행하는 파동을 효과적으로 차단할 수 있다. The dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention can effectively block waves traveling in an elastic body.
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 구조 및 설계가 비교적 간단한 구조를 갖는다. 따라서, 기존의 복잡한 구조를 갖는 메타물질과 비교하여, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은 설계가 매우 간단하다.The dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention has a relatively simple structure and design. Therefore, compared to existing metamaterials with complex structures, the dissipative metamaterials according to embodiments of the present invention are very simple to design.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 대상체 내 가공이 아닌 외부 부착의 사용 형태를 가짐으로서, 사용이 간편하다.In addition, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is easy to use because it is used for external attachment rather than processing within the object.
또한, 종래 기술에 의한 메타물질은, 밴드갭 특성만을 활용하거나 소산재를 붙이는 형태만으로 구성되어, 다중모드 탄성파에 대해 높은 수준의 차단 효과를 얻을 수 없었다. 반면에, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 메타구조물에 소산물질을 결합한 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 메타물질은 다중모드 탄성파에 대해서도 높은 수준의 차단 효과를 얻을 수 있다. In addition, metamaterials according to the prior art were composed of only the bandgap characteristics or the attachment of dissipative materials, so they could not achieve a high level of blocking effect against multimode elastic waves. On the other hand, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is characterized by combining a metastructure with a dissipative material. Therefore, the metamaterial according to the embodiment of the present invention can achieve a high level of blocking effect even against multimode elastic waves.
또한 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 단순한 접착성 물질을 이용하여 구조물에 부착될 수 있다. 이러한 간단한 부착을 통해서, 원하는 신호 차단 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은 실제 산업 현장에 매우 효율적으로 응용될 수 있다. Additionally, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention can be attached to a structure using a simple adhesive material. Through this simple attachment, the desired signal blocking effect can be achieved. Therefore, the dissipative metamaterial according to the embodiment of the present invention can be applied very efficiently in actual industrial sites.
예컨대, 일반적으로 비파괴 검사에서는 검측하고자 하는 대상체에 파동을 발생시키고 수신기를 이용하여 상기 파동을 측정하여 관측된 신호의 파형을 분석하여 결함을 검사한다. 하지만 검사 과정에서 원치 않는 파동 또한 수신기에 들어오게 되고, 이는 검사 결과의 정확도를 저하시키는 방해 신호로 작용한다. For example, in general, in non-destructive testing, a wave is generated in an object to be inspected, the wave is measured using a receiver, and the waveform of the observed signal is analyzed to inspect defects. However, during the inspection process, unwanted waves also enter the receiver, which acts as an interference signal that reduces the accuracy of the inspection results.
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 적절한 위치에 설치한다면 상기와 같은 방해 신호를 크게 줄여서, 비파괴 검사의 정확도를 매우 큰 폭으로 증가시킬 수 있다.If the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is installed in an appropriate location, the above-mentioned interference signal can be greatly reduced, and the accuracy of non-destructive testing can be greatly increased.
도 1 은 소산에 의한 차단과 반사에 의한 차단을 도식화한 것이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질의 구조를 도시한 개념도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질을 구성하는 단위 셀의 단위구조체의 예시를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질을 구성하는 단위 셀의 설계변수를 나타낸 도면이다.
도 5 는 소정의 설계변수 하에서 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질의 주파수 분산 곡선(Dispersion curve)이다.
도 6 및 7 은 상기 설계 변수가 적용된 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질의 신호 차단 시뮬레이션 결과이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질의 실험 환경의 구성을 나타낸 것이다.
도 9 내지 11 은, 각각 소산물질을 단독으로 적용한 경우, 메타물질을 단독으로 적용한 경우, 및 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 적용한 경우를 나타낸 개념도이며, 도 12 내지 14 는 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 15 및 16 은 초음파 기반 유량 측정 원리 및 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질의 적용을 나타낸 개념도이다.
도 17 은 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 적용하여 초안정영역을 구현하는 예를 나타낸 개념도이다.Figure 1 schematically illustrates blocking by dissipation and blocking by reflection.
Figure 2 is a conceptual diagram showing the structure of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing an example of the unit structure of a unit cell constituting a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing design variables of a unit cell constituting a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a frequency dispersion curve of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention under predetermined design variables.
Figures 6 and 7 are the signal blocking simulation results of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention to which the above design variables are applied.
Figure 8 shows the configuration of an experimental environment for a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
9 to 11 are conceptual diagrams showing the case of applying the dissipative material alone, the case of applying the metamaterial alone, and the case of applying the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention, respectively, and Figures 12 to 14 show the experimental results. It represents.
15 and 16 are conceptual diagrams showing the ultrasonic-based flow measurement principle and the application of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
Figure 17 is a conceptual diagram showing an example of implementing an ultra-stable region by applying a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing embodiments of the present invention.
본 발명의 목적은, 설계 및 부착이 용이한 간단한 구조를 가지며, 대상체 표면을 따라 전파하는 다중 탄성파를 효과적으로 차단할 수 있는 소산형 메타물질을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to provide a dissipative metamaterial that has a simple structure that is easy to design and attach, and can effectively block multiple elastic waves propagating along the surface of an object.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질의 구조를 도시한 개념도이다.Figure 2 is a conceptual diagram showing the structure of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 소정의 구조물로 이루어진 구조물부(10), 및 상기 구조물부(10)에 결합되는 소산재부(20)를 포함할 수 있다.The dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention may include a
상기 구조물부(10)는, 소정의 두께와 면적을 갖는 베이스부(100), 및 상기 베이스부(100)의 상면에 배열되는 다수의 칼럼부(200)를 포함할 수 있다. 상기 각각의 칼럼부(200)는 소정의 높이 및 폭을 갖고, 상기 다수의 칼럼부(200)는 서로 소정의 거리를 가지고 배열된다. 상기 구조물부(10)를 구성하는 재질은 선택될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 등일 수 있다.The
상기 소산재부(20)는, 상기 베이스부(100) 상의 상기 칼럼부(200) 주변의 공간에 충진되는 소산재로 구성된다. 상기 소산재부(20)를 구성하는 재질은 선택될 수 있으며, 그 두께 또한 선택될 수 있다. 상기 소산재부(20)를 구성하는 소산재는 예컨대 공지의 소산재를 사용할 수 있으며, 이는 통상의 기술자에게 자명한 것이므로 구체적인 설명을 생략한다.The
본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질의 사용은, 상기 베이스부(100)의 저면이 대상물 상에 부착되는 형태로 이루어질 수 있다.The use of the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention may be done in a way that the bottom of the
본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질이 갖는, 다중 탄성파의 전파 차단 원리는, 상기 구조물부(10)가 갖는 메타물질 구조의 공진모드를 이용하여 밴드갭 현상을 발생시키고, 이와 함께 상기 소산재부(20)의 소산 효과(탄성에너지를 열에너지로 변환하여 에너지를 소산하는 효과)를 결합하여 다중 모드 탄성파 차단효과를 극대화하는 것이다.The principle of blocking the propagation of multiple elastic waves, which is possessed by the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention, generates a band gap phenomenon using the resonance mode of the metamaterial structure of the
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질을 구성하는 단위 셀의 단위구조체의 예시를 도시한 도면이다.Figure 3 is a diagram showing an example of the unit structure of a unit cell constituting a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
달리 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 다수의 단위 셀의 집합으로 설명될 수 있다. 상기 단위 셀은, 평면 상에 전후 및 좌우 방향으로 복수 개가 연속적으로 배열되는 구성을 가질 수 있다. 즉, 소산형 메타물질은, 좌우 및 전후 방향으로 다수 개가 주기적으로 배열된 단위 셀의 집합으로 이루어진다. 상기 각각의 단위 셀은, 정방형 형태의 단위 공간 영역을 갖는다.In other words, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention can be described as a set of multiple unit cells. The unit cells may have a configuration in which a plurality of unit cells are sequentially arranged in the front-back and left-right directions on a plane. In other words, the dissipative metamaterial is made up of a set of unit cells arranged periodically in the left-right and front-back directions. Each unit cell has a square unit space area.
상기 단위 셀은, 상기 구조물부(10)의 일부로 이루어지는 단위구조체와, 상기 소산재부(20)의 일부로 이루어지는 단위소산체를 포함할 수 있다. 단, 도면에서 단위소산체는 도시가 생략되어 있다.The unit cell may include a unit structure made up of a part of the
상기 단위구조체는, 도 3 에 도시된 바와 같이 평판 상에 원기둥, 사각기둥, 별모양 기둥 등의 다양한 모양의 기둥을 갖는 구조를 가질 수 있다. 그리고 상기 단위소산체는, 상기 평판 상의 상기 기둥 형태 구조물 주변 영역 내에 위치한다. 상기 단위소산체는 그 종류가 자유롭게 선택될 수 있다.The unit structure may have a structure having pillars of various shapes, such as cylinders, square pillars, and star-shaped pillars, on a flat plate, as shown in FIG. 3 . And the unit dissipation body is located in an area surrounding the pillar-shaped structure on the plate. The type of the unit dissipative product may be freely selected.
상기 단위구조체는 밴드갭 현상을 발생시키는 역할을 수행할 수 있다. The unit structure may play a role in generating a band gap phenomenon.
실시예에 따라서, 상기 단위구조체의 구체적인 형태에 대해서 설명하면 이하와 같다.Depending on the embodiment, the specific form of the unit structure will be described as follows.
상기 단위구조체는 베이스부(100), 및 칼럼부(200)를 포함한다. 베이스부(100)는 소정의 두께를 갖는 평판 형태의 구성 요소이다. 베이스부(100)는 단위구조체의 바닥면을 구성한다. 상기 단위구조체의 전후 방향 폭은 베이스부(100)의 전후 방향 폭에 대응한다. 상기 단위구조체의 좌우 방향 폭은 베이스부(100)의 좌우 방향 폭에 대응한다. 상기 단위 셀이 정방향의 형태를 가짐으로서, 상기 단위구조체 및 베이스부(100)의 전후 방향 폭과 좌우 방향 폭은 동일하다.The unit structure includes a
한편, 일 예에 의하면, 상기 베이스부(100)는 대상체의 일부일 수 있다. 즉, 베이스부(100)는 배관 등의 일부일 수 있다. 이에 의하면, 상기 칼럼부(200) 및 소산재부(20)로 구성되는 합성 구조물의 바닥면이 대상체 상에 부착되는 실시 형태도 가능하다. 이 경우, 상기 베이스부(100)는 대상체의 일 부분으로 구성된다.Meanwhile, according to one example, the
상기 칼럼부(200)는, 상기 베이스부(100) 상에 세워진 기둥 형태의 구성 요소이다. 일 실시예에 의하면, 상기 칼럼부(200)는, 세워진 원기둥 형태를 가질 수 있다. 상기 칼럼부(200)는, 베이스부(100)의 중심에 위치한다. 상기 원기둥 형태의 칼럼부(200)는 소정의 높이, 및 직경을 갖는다. The
도 4 에 표시된 바를 참조하면, 상기 메타요소의 설계변수는, 아래와 같이 총 4개가 된다.Referring to FIG. 4, there are a total of four design variables for the meta element as follows.
1)
제1 변수 : 베이스부(100)의 전후 방향 폭 및 좌우 방향 폭(L)One)
First variable: front-to-back width and left-right width (L) of the
2)
제2 변수 : 베이스부(100)의 두께(t)2)
Second variable: Thickness (t) of
3) 제3 변수 : 칼럼부(200)의 높이(h)3) Third variable: Height of column part 200 (h)
4)
제4 변수 : 칼럼부(200)의 직경(D)4)
Fourth variable: diameter (D) of
여기서, 상기 칼럼부(200)는 베이스부(100)의 중심에 위치함으로서, 상기 제1 변수의 크기는, 칼럼부(200)의 중심 간의 거리로 이해될 수도 있다.Here, since the
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질의 설계변수는, 먼저 상기 베이스부(100)에 해당하는 요소(평판 및 배관)의 두께(t)를 정하고, 차단하고자 하는 영역에 목표 주파수 영역대에 대응하는 단위 셀의 폭(L), 원기둥 형태의 단위 구조 높이(h) 및 지름(D)을 선택하는 형태로 결정될 수 있다. 즉, 상기 4개의 설계 변수는 첫 번째로 정해지는 대상체의 두께 t에 따라서, 나머지 3가지 설계 변수를 적절히 조절하여 선택함으로서, 원하는 주파수 영역대에서 다중모드 탄성파의 전파를 차단하는 데 사용될 수 있다.The design variable of the dissipative metamaterial according to the embodiment of the present invention is to first determine the thickness (t) of the elements (plate and pipe) corresponding to the
이어서, 단위구조체의 칼럼부(200) 주변 영역에 소산물질로 이루어지는 소산체부를 결합한다. 소산체부는, 예컨대 액상의 재질을 도포하여 경화하거나, 또는 각종 부착, 결합 등의 방법으로 구조물부(10)에 결합될 수 있다.Next, a dissipation body portion made of a dissipation material is coupled to the area around the
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 구성하는 구조물부(10) 및 소산재부(20)의 구성 물질의 선택은 자유롭게 이루어질 수 있다. 아울러, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 대상체에 설치하는 방법은, Hard Bonding이 가능한 접착체(ex. loctite)나 용접 등의 방법이 가능하다.Materials for the
<시뮬레이션 예><Simulation example>
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 의한 소산형 메타물질의 시뮬레이션 예에 대해서 설명한다. Below, a simulation example of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention will be described.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 구성하는 메타요소는, 설계에 따라서 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있다.As described above, the meta-elements constituting the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention may have various shapes and sizes depending on the design.
본 시뮬레이션에서는, 상기 칼럼부(200)는 원기둥 형태의 구성을 갖는다. 이러한 원기둥 형태의 칼럼부(200)는, 제작 및 부착의 용이성을 가질 수 있다. In this simulation, the
본 예에 의한 소산형 메타물질의 차단 주파수 영역은, 상기 소산형 메타물질의 설계 변수를 변경함으로서 선택될 수 있다. 즉, 상기 원기둥 형태의 칼럼부(200)의 지름(D), 높이(h), 및 베이스부(100)의 폭(L)(즉, 메타요소의 폭)을 변경함으로서 선택될 수 있다.The cutoff frequency region of the dissipative metamaterial according to this example can be selected by changing the design variables of the dissipative metamaterial. That is, the selection can be made by changing the diameter (D), the height (h) of the
일 예로, 도 5 는 상기 설계변수를 각각 아래와 같이 설정한 경우의 주파수 분산 곡선(Dispersion curve)이다.As an example, Figure 5 is a frequency dispersion curve when the design variables are set as follows.
D=5.4 mm, h=6 mm, L=7 mmD=5.4 mm, h=6 mm, L=7 mm
도 5 의 가운데에 사각형으로 표시된 부분은 파동이 전파할 수 없는 차단 주파수 영역(Stop band)이다.The part marked with a square in the center of Figure 5 is a stop band where waves cannot propagate.
도 6 및 7 은 상기 설계 변수가 적용된 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질의 신호 차단 시뮬레이션(Comsol multiphysics 5.3a) 결과이다. 상기 시뮬레이션 결과는, 변위장 플롯 및 수신부(Receiver)의 데이터를 플롯하여 나타내었다. Figures 6 and 7 are the results of a signal blocking simulation (Comsol multiphysics 5.3a) of a dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention to which the above design variables are applied. The simulation results were expressed by plotting the displacement field plot and data from the receiver.
도 6 및 7 의 (a) 는 소산형 메타물질의 투과 주파수 영역대(Frequency pass band)를 나타낸 것이다. 도 6 및 7 의 (b) 는 차단 주파수 영역대(Frequency stop band)의 결과를 나타낸 것이다.Figures 6 and 7 (a) show the frequency pass band of the dissipative metamaterial. Figures 6 and 7 (b) show the results of the frequency stop band.
도 6 및 7 을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은 투과 주파수 대역(도 6 및 7 의 (a))에서는 신호에 영향을 끼치지 않으면서, 매우 효과적으로 원하는 영역의 신호(도 6 및 7 의 (b))만을 차단할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention does not affect the signal in the transmission frequency band ((a) of FIGS. 6 and 7), but very effectively transmits the signal (signal) in the desired region. It can be confirmed that only (b) of FIGS. 6 and 7 can be blocked.
즉, 기존의 메타물질에서는 원치 않는 노이즈 신호가 발생하는 반면에, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 상기 노이즈 신호의 크기를 기존 메타물질에서 발생하는 노이즈 신호의 크기 대비 수 십분의 일에서 수 백분의 일 수준으로 줄일 수 있다.That is, while existing metamaterials generate unwanted noise signals, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention reduces the size of the noise signal to several tenths of the size of the noise signal generated from existing metamaterials. It can be reduced from one to a few hundredths of a percent.
<실험례><Experimental example>
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 실제 대상물에 적용한 실험예를 설명한다. 본 실험은, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질이 갖는 실질 신호 차단 성능을 확인하기 위한 것이다.Below, an experimental example in which the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is applied to an actual object will be described. This experiment is intended to confirm the actual signal blocking performance of the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention.
도 8 은 실험 환경의 구성을 나타낸 것이다. Figure 8 shows the configuration of the experimental environment.
본 실험은, 두께(t)가 3 mm 인 알루미늄 평판(V)에서 실험을 진행하였다. 신호를 가진하는 송신부(P)와, 신호를 측정하는 수신부(Q)가 상기 알루미늄 평판 상에 구비된다. 상기 송신부 및 수신부에 적용된 트랜스듀서로는 압전 소자(Piezo-electric material)를 이용하였다. This experiment was conducted on an aluminum plate (V) with a thickness (t) of 3 mm. A transmitter (P) that excites the signal and a receiver (Q) that measures the signal are provided on the aluminum plate. A piezo-electric material was used as the transducer applied to the transmitting unit and receiving unit.
아울러, 송신부를 이용하여 가진한 파동의 형태는, 해닝 윈도우(20 cycle hanning windowed pulse)를 이용하였다. 상기 파동은 일반적으로 비파괴 검사에서 많이 사용하는 것이다.In addition, the form of the wave excited using the transmitter used a Hanning window (20 cycle hanning windowed pulse). The above waves are generally used in non-destructive testing.
상기 송신부(P)와 수신부(Q) 사이에는 차단 구조물(W)이 배치된다. 상기 차단 구조물은 아래와 같다.A blocking structure (W) is disposed between the transmitting unit (P) and the receiving unit (Q). The blocking structure is as follows.
Case1) 소산물질을 단독으로 적용 (도 9)Case 1) Applying the dissipative material alone (Figure 9)
Case2) 메타물질을 단독으로 적용 (도 10)Case 2) Application of metamaterial alone (Figure 10)
Case3) 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 적용 (도 11)Case 3) Application of dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention (FIG. 11)
도 12 내지 14 는 실험 결과를 나타낸 것으로서, 수신부에 포착된 신호의 크기를 나타낸 것이다. 실험 결과를 확인하면, 차단 구조물을 투과하는 신호의 에너지 투과율은, 상기 case1 및 case2 에 비하여, case3 에서 월등히 감소함을 명확하게 확인할 수 있다. Figures 12 to 14 show the results of the experiment and show the size of the signal captured in the receiver. By checking the experimental results, it can be clearly seen that the energy transmittance of the signal passing through the blocking structure is significantly reduced in case 3 compared to
즉, 차단 구조물에 소산물질을 단독으로 적용한 경우, 또는 차단 구조물에 메타물질을 단독으로 적용한 경우에 비해서, 본 발명의 실시예와 같이 소산물질과 메타물질이 결합된 소산형 메타물질을 차단 구조물에 적용한 경우에, 신호의 에너지 투과율이 월등히 감소한다. 즉, 소산물질과 메타물질을 결합함으로서 에너지 차단 효과가 비약적으로 상승한다.That is, compared to the case where the dissipative material is applied alone to the blocking structure or the metamaterial is applied alone to the blocking structure, a dissipative metamaterial in which a dissipative material and a metamaterial are combined as in an embodiment of the present invention is applied to the blocking structure. When applied, the energy transmittance of the signal is significantly reduced. In other words, by combining dissipative materials and metamaterials, the energy blocking effect increases dramatically.
특히, 공진 구조물의 차단 주파수 영역대(170kHz - 188kHz)에서는 수신부에서 수신되는 신호가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 차단 구조물이 효과적으로 신호를 차단하는 것을 알 수 있다.In particular, it can be seen that the signal received at the receiver is greatly reduced in the cutoff frequency range (170 kHz - 188 kHz) of the resonance structure. In other words, it can be seen that the blocking structure effectively blocks the signal.
<산업 분야 적용 형태><Form of industrial application>
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질이 적용될 수 있는 산업분야에 대해서 설명한다. Below, industrial fields to which the dissipative metamaterial according to embodiments of the present invention can be applied will be described.
먼저, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 초음파 유량측정 기술에 적용될 수 있다. First, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention can be applied to ultrasonic flow measurement technology.
초음파 기반 유량 측정 원리는 도 15 및 16 에 도시된 바와 같다. 유동이 있는 곳에 초음파가 진행을 하게 되면 유속에 따라서 초음파 전파 속도에 차이가 생긴다. TA-B와 TB-A를 측정하면, 이를 활용하여 역으로 유속 vf를 측정할 수 있다.The ultrasonic-based flow measurement principle is as shown in Figures 15 and 16. When ultrasonic waves travel where there is a flow, there is a difference in the ultrasonic propagation speed depending on the flow speed. If T AB and T BA are measured, the flow velocity vf can be measured conversely.
초음파를 이용한 유량측정에서 중요한 것은, 유체를 통과하는 경로를 따라서 진행한 초음파를 측정하는 것이다. 문제는 도 16 에 도시된 바와 같이 배관 구조물 역시 초음파를 전달하는 경로가 된다는 것이다. 특히 유체와 배관 사이의 임피던스 차이가 큰 경우, 유체를 통해서 들어오는 초음파 신호의 크기는 매우 작은 반면, 배관을 통해서 들어오는 신호의 크기는 상대적으로 크다는 특징이 있다. 이 경우 수신기에 수신된 신호에서, 배관 구조물을 통해 전달된 신호와, 유체를 통과하여 온 신호를 구분하기 매우 어렵다. 따라서, 정밀한 유속 측정이 어렵게 된다.What is important in flow measurement using ultrasonic waves is to measure the ultrasonic waves that travel along the path passing through the fluid. The problem is that, as shown in FIG. 16, the piping structure also serves as a path for transmitting ultrasonic waves. In particular, when the impedance difference between the fluid and the pipe is large, the size of the ultrasonic signal coming through the fluid is very small, while the size of the signal coming through the pipe is relatively large. In this case, it is very difficult to distinguish between the signal transmitted through the piping structure and the signal transmitted through the fluid from the signal received by the receiver. Therefore, precise flow velocity measurement becomes difficult.
그러나, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 이용하면, 이러한 문제점을 해결할 수 있다. However, this problem can be solved by using the dissipative metamaterial according to the embodiment of the present invention.
예컨대, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 배관 구조물에 적용하면, 배관 구조물을 통해서 수신기에 불필요하게 수신되는 초음파 신호를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라서, 유체를 통과하여 들어온 신호만을 정확히 구분할 수 있다. For example, if the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is applied to a piping structure, ultrasonic signals that are unnecessarily received by the receiver through the piping structure can be dramatically reduced. Accordingly, only signals that have passed through the fluid can be accurately distinguished.
특히, 기체를 전송하는 배관의 유량 측정의 경우, 기존의 초음파 유량측정 기술에서는 정확한 측정에 한계가 있었다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 상기와 같은 한계를 극복하고, 정밀한 측정이 가능하다.In particular, in the case of measuring the flow rate of pipes that transmit gas, there were limitations to accurate measurement using existing ultrasonic flow measurement technology. However, the dissipative metamaterial according to the embodiment of the present invention overcomes the above limitations and enables precise measurement.
이어서, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 정밀공정이 사용되는 일체의 산업분야에 적용될 수 있다. Subsequently, the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention can be applied to all industrial fields where precision processes are used.
예컨대, 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질을 진동 차단재로 활용하면, 외부로부터의 파동(진동)을 극한으로 차단하고, 매우 안정한 영역을 구축할 수 있다. For example, if the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is used as a vibration blocking material, waves (vibrations) from the outside can be blocked to an extreme extent and a very stable region can be built.
도 17 은 적용 예시를 나타낸 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질은, 예컨대 반도체 제조 공정에 적용될 수 있다. 반도체 제조 공정은, 수 나노미터 단위의 정밀한 공정을 가지며, 외부의 미세한 초음파 진동도 큰 장애요소로 작용할 수 있다. Figure 17 shows an application example. The dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention can be applied, for example, to a semiconductor manufacturing process. The semiconductor manufacturing process has a precision process of several nanometers, and even small external ultrasonic vibrations can act as a major obstacle.
본 발명의 실시예에 의한 소산형 메타물질이 반도체 제조 공정에 적용되면, 상기와 같은 진동을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 반도체 공정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.When the dissipative metamaterial according to an embodiment of the present invention is applied to a semiconductor manufacturing process, the above vibration can be effectively blocked, thereby improving the precision of the semiconductor process.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.Although preferred embodiments have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and common knowledge in the technical field to which the invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those who have the knowledge, and these modifications should not be understood individually from the technical idea or perspective of the present invention.
10: 구조물부
20: 소산재부
100: 베이스부
200: 칼럼부10: Structure part
20: Sosanjaebu
100: base part
200: Column part
Claims (4)
상기 구조물부는,
소정의 두께와 면적을 갖는 베이스부, 및
상기 베이스부의 상면에 배열되는 다수의 칼럼부를 포함하며,
상기 각각의 칼럼부는 소정의 높이 및 폭을 갖고,
상기 다수의 칼럼부는 서로 소정의 거리를 가지고 배열되며,
상기 소산재부는, 상기 베이스부 상의 상기 칼럼부 주변의 공간에 충진되는 소산재로 구성되고,
상기 베이스부의 저면이 대상물 상에 부착되는 소산형 메타물질.Includes a structural unit and a dissipative unit,
The structural part,
A base portion having a predetermined thickness and area, and
It includes a plurality of column parts arranged on the upper surface of the base part,
Each of the column parts has a predetermined height and width,
The plurality of column units are arranged at a predetermined distance from each other,
The dissipative ash portion is composed of dissipative ash filled in the space around the column portion on the base portion,
A dissipative metamaterial in which the bottom of the base is attached to an object.
상기 칼럼부는,
소정의 높이와 직경을 갖는 원기둥 형상을 갖는 소산형 메타물질.According to paragraph 1,
The column part,
A dissipative metamaterial having a cylindrical shape with a predetermined height and diameter.
상기 소산형 메타물질은 다수의 단위 셀이 평면 상에 전후 및 좌우 방향으로 복수 개 연속적으로 배열되는 구성을 가지며,
상기 각각의 단위 셀은 정방형 형태의 단위 공간 영역을 가지고,
상기 단위 셀 내에는, 단위구조체, 및 단위소산체가 존재하고,
상기 단위구조체는, 상기 단위 셀의 바닥면에 위치하며 소정의 두께와 전후 및 좌우 방향 폭을 갖는 베이스부, 및
상기 베이스부의 상면에 위치하며 소정의 높이와 폭을 갖는 기둥 형태의 칼럼부를 포함하고,
상기 단위소산체는,
상기 베이스부 상의 상기 칼럼부 주변에 위치하며, 소산재로 구성되고,
상기 베이스부의 저면이 대상물 상에 부착되는 소산형 메타물질.In a dissipative metamaterial that is attached to the surface of an object and blocks vibration transmitted along the object,
The dissipative metamaterial has a configuration in which a plurality of unit cells are sequentially arranged in the front-back and left-right directions on a plane,
Each unit cell has a square unit space area,
In the unit cell, a unit structure and a unit dissipation body exist,
The unit structure includes a base portion located on the bottom of the unit cell and having a predetermined thickness and width in the front-back and left-right directions, and
It is located on the upper surface of the base portion and includes a column-shaped column portion having a predetermined height and width,
The unit dissipative body is,
Located around the column portion on the base portion and composed of dissipative ash,
A dissipative metamaterial in which the bottom of the base is attached to an object.
상기 칼럼부는,
소정의 높이와 직경을 갖는 원기둥 형상을 갖는 소산형 메타물질.
According to paragraph 3,
The column part,
A dissipative metamaterial having a cylindrical shape with a predetermined height and diameter.
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|---|---|---|---|---|
| KR20220115538A (en) | 2021-02-10 | 2022-08-17 | 한국과학기술원 | High modulation metamaterial structure |
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