KR930010299B1 - 변환기용 음향정합부재 및 그의 성형방법 - Google Patents

변환기용 음향정합부재 및 그의 성형방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

변환기용 음향정합부재 및 그의 성형방법
제1도는 본 발명에 따른 음향정합부재의 사시도.
제2도는 본 발명에 따른 음향정합부재의 일부 확대도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : PZT실린더 2 : 전기 연결 와이어
3 : 정합레이어 5 : 구면체
6 : 빈공간
본 발명은 변환기에 관한 것으로서 특히 음향정합부재(acoustic matching member) 및 그 성형방법에 관한 것이다.
기체에 100KHz와 1MHz 또는 그 이상의 주파수 사이의 주파수 영역에 있는 기체속의 초음파 신호를 송수신함으로써 용이하게 획득되는 다수의 유용한 측정 방법들이 공지되어 있다. 이러한 고주파수에서는, 저주파수(예를들어 오디오 주파수)에서 사용되는 종래의 음향 변환기의 구성은 전체적인 디멘젼이 매우 작기 때문에 실용적이지 못하다.
고주파수 초음파의 변환기를 만드는 표준적인 방법은 요구되는 주파수에서 공진하는 선택된 피에조 세라믹, 예로서 지르콘산티탄산염(lead zirconate titanate : PZT)등을 사용하는 것이다. PZT는 고음향 임피던스(MKS 단위로 약 3×107)를 지니는 단단하며 조밀한 물질인 반면, 기체는 매우 낮은 음향 임피던스(MKS 단위로 약 400정도)를 지닌다. PZT 자체는 공진 동작에 의해 약간 향상될지라도 과대한 음향부정합으로 인해 매우 낮은 전기 음향 효율을 지닌다.
전통적으로, 피에조(piezo) 세라믹 소자는 실린더이며 상기의 피에조 세라믹 소자의 원형의 단면은 이 단면에 접속된 전극의 전기적인 자극에 응답하여 피스톤처럼 움직인다. 기체에 대한 음향 부정합을 축소시키는 일반적인 방법은 음향정합 레이어를 PZT디스크의 선택된 동작면에 접속시키는 것이다. 상기 레이어는 비교적 낮은 음향 임피던스를 지니는 물질로 되어 있고, 두께는 동작의 선택된 주파수에서의 물질의 음향 파장의 1/4이다. 이 디멘젼에 의해 공진동작이 발생되고 따라서(송신을 위해) PZT실린더의 단면에서 얻어지는 작은 움직임이 상당히 확대되고, 허용(여전히 ＂하이＂일지라도)효율이 획득된다.
음향-전기 변환(즉 수신)을 위한 기준은 전기-음향 변환(즉 송신)을 위한 기준과 동일하고 같은 변환기가 양자에 모두 사용될 수도 있다.
이 기술에 의해 획득할 수 있는 효율은 전적으로 유용한 매질(material)의 특성에 의해 제한된다. 이강적인 매질은 약 105정도의 음향 임피던스와 매우 작은 내부 손실을 지니고, 또한 사용상 안정적이고, 반복성이 있으며 실용적이어야만 한다. 이러한 모든 기준들을 만족시키는 매질이 아직까지는 공지되어 있지 않다. 이상적인 조건에 근접한 약간의 매질들은 다음과 같다 :
1. 실리콘 탄성체.
이러한 부류의 매질이 일반적으로 사용되고 많은 응용예들에 있어서 유용하게 실시되고 있다. 음향 손실은 작다. 약 7×105까지 낮아진 음향 임피던스의 획득이 가능하다. 이러한 매질을 사용할 때 발생되는 중대한 결점은 온도에 따른 음향파장의 변화의 폭(전통적으로 0.3%/K)이 크다는 점이다. 이러한 요인에 의해 정확한 공진정합이 획득되는 동작 온도의 범위가 제한되게 된다.
2. 일반중합체.
많은 중합체들이 유용하게 실시된다.
음향 임피던스가 실리콘의 경우보다는 크지만 1.5×106이하이므로 전체적인 효율은 낮으나 상당히 안정된 매질이다.
3. 액체 및 기체.
문헌에 보면 다수의 음향 정합 레이어들의 실험적인 용도로 사용되는 것을 알 수 있다. 일반적인 액체는 매우 작은 손실과 약 106이하의 매우 낮은 음향 임피던스를 지닌다. 만약 기체가 압축되면, 그 기체의 음향 임피던스는 압축비율에 따라 곧바로 상승하고, 밀폐된 액체 또는 매우 압축된 조밀한 가스가 음향정합 레이어로서 사용될 수 있다. 이러한 기술은 통상적인 실시에 있어서는 실용적이지 못하다.
본 발명에 따른 첫번째 견지에 있어서, 변환기용의 음향정합부재가 제공되고, 상기 음향정합부재는 다공(多空)을 포함하는 매질을 구비하고, 부재의 음향 전파의 진행 방향으로 다공질 가지는 매질에서의 음향의 속도는 다공을 지니지 않는 매질에서의 속도보다 실제적으로 느리다.
본 발명에 따른 두번째 견지에 따라서, 다공이 있는 매질로부터 음향정합부재가 형성되는 단계를 구성하고 있는 변환기용 음향정합부재를 형성하는 방법이 제공된다. 이러한 방법에 의하면 다공이 있는 매질에서의 음향속도는 상기 음향정합부재의 음향전파의 방향으로 다공을 가지지 않는 매질에서의 음향속도보다 실제적으로 느리다.
이러한 다공들은 열을 가열하는 상황하에서 속이빈 미소 구면체(hollow microsphere)를 압축하여, ＂공기함유된＂ 매질 구조를 형성하든지 또는 용융된 매질에 기체로 거품을 일으킴으로써 바람직하게 형성된다.
따라서 상기 미소 구면체들이 접촉점들을 가지고 함께 결합되며 그 밖의 빈공간들이 인접한 미소 구면체들 사이에 남겨지는 비결정질의 속이빈 미소 구면체들의 매트릭스를 구비하는 변환기용 음향정합부재가 제공된다.
이제 본 발명의 구체적 실시예를 전기적으로 연결된 와이어(2)가 있고 그리고 정합 레이어(3)가 부착된 PZT실린더(1)를 도시한 제1도와 음향정합부재의 일부분을 확대하여 도시한 제2도를 참조하여 실시예에 의하여 설명하기로 한다.
상기에서 음향이 방사되는 방향은 화살표(4)로 표시되어 있다.
제2도에 도시되어 있는 것과 같이 정합 레이어(3)는 글래스버블(glass bubble)인 미소한 구면체(5)와 빈공간(6)을 구성하고 있고, 상기 구면체(5)들은 인접하는 표면에서 함께 서로 결합되어 있으며, 빈공간(6)들은 구면체(5)들 사이에 형성되어서 그들의 일부분은 서로 연결되어져 있다.
체적 음향 임피던스는 밀도와 체적 음향 속도를 곱한 값이다.
또한 음향 속도는 체적탄성 계수의 함수이다. 이러한 파라미터들은 매질에 따라 적절히 조정되어 실질적으로 향상된 특성을 지닌 매질을 창출한다.
바람직한 출발 매질(starting material)은 안정적이고 손실이 적으나 매우 높은 음향 임피던스를 지니는 C-클래스(소다-라임-브로실리케이트글래스)이다. 또한 매질은 가열될 때 쉽게 형성되게 되고, 온도에 따른 유연함의 예측도를 지닌다. 조밀도가 매우 높은 다공을 지니는 스폰지 구조로 성형되는 글래스를 준비함으로써 3×105까지 되는 음향 임피던스가 실험적으로 획득된다.
글래스는 글래스버블인 속이빈 미소한 구면체(5)의 형태로 쉽게 이용 가능하고, 신택틱 포옴(syntactic foam : 중앙부분에 미세한 공간이 있는 구(球)형태의 제품) 및 차체충전재(car body filler)와 같은 다양한 상업용 응용품들에서 사용되고 있으며, 예를들어 3M 글래스버블의 상표명으로 미네소타 마이닝 및 매뉴팩쳐링 회사에 의해 생산되고 있다.
매우 작은 글래스 스폰지 구조는 주형 내에 들어있는 글래스버블을 글래스가 유연하게 되는 온도로 가열하고, 버블들을 서로 결합시키기 위하여 특정한 체적율로 압축시킴으로써 쉽게 획득된다.
허용 가능 공전 조건은, 예를들면, 약 650℃의 온도이고 체적율 1.5-2.5-1이다. 적절하게 모울딩함으로써 PZT실린더(1)에 접속되는 전기연결와이어(2)가 생성되어지게 된다.
글래스버블과 압축율에 대한 상기의 설명에 따라서 되풀이되는 결과가 획득된다. 예를 들면 2 : 1의 체적율로 압축된 0.25g/cm3의 출발밀도를 지니는 글래스버블에 의해 약 900m/s의 전파속도(길이 방향의 체적파를 전파하는 속도)를 지니는 매질이 생성되어 다공이 형성되어 있지 않은 글래스의 전파속도 5-6000m/s와의 비교가 이루어진다. 상기 매질은 4.5×105의 음향 임피던스를 지니는데 반하여 다공이 생성되어 있지 않은 글래스(ρ=2.5)는 약 14×106의 음향 임피던스를 지닌다.
또한 결과적으로 생성된 다공이 형성되어 있는 매질에서는 주위 온도의 범위에서의 온도 변화에 따른 음향 파장 또는 체적 탄성 계수의 변화가 생기지 않는다.
바깥쪽면(즉 ＂밀폐된 셀＂이 아님)과 연결되는 버블들 사이의 다공에 의해 다수의 매질 구조가 형성되기 때문에, 습기 등이 들어가지 못하도록 매질의 표면을 봉합하는 것이 항상 필요하다. 이와 같은 공정은 음향적인 실시를 심각하게 손상시킴이 없이 다양한 방법으로 성취될 수 있다.
예를 들면 실리콘 탄성체의 얇은 레이어 또는 저융점 글래스의 얇은 레이어가 만족스럽게 사용된다.
전술된 바람직한 구체저 실시에 있어서 사용되는 매질은 C-글래스 일지라도 이에 제한됨이 없이 다른 글래스 또는 다른 비결정질 매질이 사용될 수도 있다.
대안으로서, 플라스틱수지와 같은 합성 플라스틱물질, 또는 알루미늄 혹은 티타늄과 같은 금속이 사용될 수도 있다. 본 발명에 따르면 매질내에서의 음향전파 속도가 조절 가능하게 되지만 수지를 사용할 경우에도 유사한 온도에 따른 전술한 효과가 발생되게 된다.
더우기, 음향정합부재를 형성하는 다른 방법으로는 예를들면 필요한 다공을 제공하기 위하여 매질에 거품을 일으키는 것과 같은 방법 등이 있으며 이러한 방법은 특히 전술한 플라스틱 및 금속들과 함께 사용하기에 적합하다.

Claims (10)

  1. 인접한 속이빈 미소한 구면체(5)들이 그들의 접촉하는 부분에서 함께 결합되어 있고, 상기 접촉하는 부분이외의 인접한 구면체(5)들 사이에는 빈공간(6)이 형성되어 있는 비결정의 매질로 이루어진 일련의 구면체(5)들을 구비하는 것을 특징으로 하는 변환기용 음향정합부재.
  2. 제1항에 있어서, 매질의 체적탄성 계수가 주위온도의 표준범위와 관련하여 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 음향정합부재.
  3. 제1항에 있어서, 매질이 습기차단용 레이어에 의해 둘러싸여져 있는 것을 특징으로 하는 음향정합부재.
  4. 제7항에 있어서, 차단용 레이어가 실리콘 탄성체를 포함하는 것을 특징으로하는 음향정합부재.
  5. 제3항에 있어서, 차단용 레이어가 글래스의 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향정합부재.
  6. 비결정질로 된 속이빈 일련의 미소한 구면체(5)들 중 인접하는 구면체(5)들의 접촉하는 부분 이외의 부분에 빈공간(6)이 형성되도록 상기 인접하는 구면체(5)들의 서로 접촉하는 부분을 결합시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 변환기용 음향정합부재 성형방법.
  7. 제1항에 있어서, 매질이 글래스인것을 특징으로 하는 음향정합부재.
  8. 제 7 항에 있어서, 글래스가 C-글래스인 것을 특징으로 하는 음향정합부재.
  9. 제6항에 있어서, 상기 비결정질은 글래스인 것을 특징으로 하는 음향정합부재 성형방법.
  10. 제9항에 있어서, 글래스는 C-글래스인 것을 특징으로 하는 음향정합부재 성형방법.
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