WO2018174339A1 - Anisotropic medium for mode conversion of elastic wave, shear ultrasonic transducer using same, and sound insulating panel using same - Google Patents

Anisotropic medium for mode conversion of elastic wave, shear ultrasonic transducer using same, and sound insulating panel using same Download PDF

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WO2018174339A1
WO2018174339A1 PCT/KR2017/006518 KR2017006518W WO2018174339A1 WO 2018174339 A1 WO2018174339 A1 WO 2018174339A1 KR 2017006518 W KR2017006518 W KR 2017006518W WO 2018174339 A1 WO2018174339 A1 WO 2018174339A1
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김윤영
양웅위
권민우
이형진
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Abstract

Provided is an anisotropic medium for mode conversion of an elastic wave. The anisotropic medium is disposed between external isotropic media and, as an anisotropic layer, causes a multimodal transmission phenomenon with respect to an incident elastic wave of a specific mode. The anisotropic medium has a non-zero mode-coupling stiffness constant, and the stiffness constant and excitation frequency-dependent thickness of the anisotropic layer satisfies the following equation (2), which is a same direction phase-matching condition, or the following equation (3), which is an opposite direction phase-matching condition. Thus, mode conversion Fabry-Perot resonance is generated. Equation (2): △φ≡kqld-kqsd=(2n+1)π, (kql: wave number of the anisotropic medium in a quasi-longitudinal mode, kqs: wave number of the anisotropic medium in a quasi-shear mode, d: thickness of the anisotropic medium, n: arbitrary integer) Equation (3): ∑φ≡kqld+kqsd=(2m+1)π, (m: arbitrary integer)

Description

탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널Anisotropic Medium for Mode Conversion of Seismic Waves, Shear Ultrasonic Transducer Using the Same, and Sound Insulation Panel Using the Same
본 발명은 탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성파에 대하여 횡파를 종파로 또는 종파를 횡파로 모드를 변환하여 산업용 또는 의료용 초음파, 소음 또는 진동 저감, 지진파 관련 기술에 사용될 수 있는 탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널에 관한 것이다.The present invention relates to an anisotropic medium for modulating a modulated wave, a shear ultrasonic transducer using the same, and a sound insulation panel using the same. More specifically, the present invention relates to an acoustic wave for converting a transverse wave into a longitudinal wave or a longitudinal wave into a transverse wave for industrial or medical purposes. The present invention relates to anisotropic medium for mode conversion of seismic waves that can be used in ultrasound, noise or vibration reduction, and seismic wave related technologies, a shear ultrasonic transducer using the same, and a sound insulating panel using the same.
전자기파, 음파 및 탄성파 등의 파동관련 분야에서 단일모드만을 고려하는 파브리, 페로의 공진현상(Fabry-Perot resonance)을 이용한 파브리, 페로의 간섭계는 현재 다양하게 응용되고 있다. In the wave-related fields such as electromagnetic waves, acoustic waves and elastic waves, interferometers of Fabry and Ferro using Fabry-Perot resonance, which consider only a single mode, have been widely applied.
파동이 임의의 단일계층(monolayer) 또는 다중계층(multilayer)을 통과하는 경우, 계층내부에서 다중반사 현상(mutiple internal reflection) 및 파동간섭현상(wave interference)이 발생한다. 즉, 단일계층의 경우 계층의 두께가 입사하는 파동의 반파장의 정수배가 되는 파브리, 페로의 공진주파수에서는 단일모드의 입사파동이 100% 계층을 투과할 수 있으며, 다중계층의 경우에도 입사파동이 100% 계층을 투과할 수 있는 공진주파수가 존재한다. When a wave passes through any monolayer or multilayer, muteple internal reflection and wave interference occur within the layer. That is, in the case of a single layer, a single mode incident wave can transmit 100% of the layer at the resonant frequency of Fabry and Ferro, where the thickness of the layer becomes an integer multiple of the half wavelength of the incident wave. There is a resonant frequency that can penetrate the% layer.
한편, 전자기파나 음파와 달리 탄성파의 경우 매질 내부의 고체원자결합으로 인해 종파(압축파)와 횡파(전단파)가 모두 존재하는데, 이러한 탄성파의 파동은 임의의 이방성계층을 투과하거나 이방성계층에 반사될 때, 이방성 매질 안에 존재하는 탄성파 모드결합으로 인해 종파에서 횡파로 혹은 횡파에서 종파로 매우 용이하게 변환될 수 있다. On the other hand, unlike electromagnetic and acoustic waves, in the case of elastic waves, both longitudinal waves (compressed waves) and transverse waves (shear waves) exist due to the solid atom coupling inside the medium, and the waves of the elastic waves are transmitted through any anisotropic layer or reflected by the anisotropic layer. At this time, due to the seismic mode coupling present in the anisotropic medium, it can be converted very easily from longitudinal to transverse waves or transverse to longitudinal waves.
그러나, 이러한 파동의 모드변환이 존재하는 경우라도, 다중모드(종파 및 횡파)에 관한 이방성매질 투과현상을 설명하는 이론이나 이를 구현할 수 있는 기술은 현재까지는 개발되고 있지 못한 상황이다. However, even when such a mode change of the wave exists, the theory explaining the anisotropic medium transmission phenomenon regarding the multi-mode (longwave and transverse wave) and the technology capable of implementing it have not been developed until now.
관련 선행기술로는 미국 등록특허 US 4,319,490호 및 미국 공개특허 US 2004-0210134호가 있다. Related prior arts are US Pat. No. 4,319,490 and US 2004-0210134.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 모드변환 파브리, 페로의 공진현상(Transmodal Fabry-Perot resonance)을 적용하여 종파에서 횡파로 또는 횡파에서 종파로 고효율 모드변환이 가능한 탄성파의 모드변환용 이방성매질에 관한 것이다. Therefore, the technical problem of the present invention was conceived in this respect, the object of the present invention is to apply a mode conversion Fabry-Perot resonance (Transmodal Fabry-Perot resonance) to the high efficiency mode conversion from longitudinal to transverse wave or transverse wave to longitudinal wave The present invention relates to an anisotropic medium for mode conversion of elastic waves.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄성파의 모드변환용 이방성매질을 이용한 전단초음파 트랜스듀서에 관한 것이다. In addition, another object of the present invention relates to a shear ultrasonic transducer using an anisotropic medium for mode conversion of the acoustic wave.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄성파의 모드변환용 이방성매질을 이용한 이용한 차음패널에 관한 것이다. In addition, another object of the present invention relates to a sound insulating panel using an anisotropic medium for mode conversion of acoustic waves.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 탄성파의 모드변환용 이방성매질에서, 외부 등방성매질 사이에 위치하여 이방성계층으로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 투과현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가, In the anisotropic medium for modulating the seismic wave according to an embodiment for realizing the object of the present invention, it causes a multi-mode transmission phenomenon for a specific mode of seismic wave between the isotropic medium and incident as an anisotropic layer. Has a non-zero mode-coupling stiffness constant, and the thickness of the anisotropic layer
동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (2) 또는, Equation (2) or
Figure PCTKR2017006518-appb-I000001
식 (2)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000001
Formula (2)
(kql: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수, kqs: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),(k ql : wave number in quasi-longitudinal mode of anisotropic medium, k qs : wave number in quasi-shear mode of anisotropic medium, d: thickness of anisotropic medium, n: arbitrary integer),
Figure PCTKR2017006518-appb-I000002
식 (3)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000002
Formula (3)
(m: 임의의 정수)(m: random integer)
반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (3)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킨다. The resonance of the mode conversion fabric, Ferro, is generated by satisfying Equation (3), which is an opposite phase matching condition.
일 실시예에서, 상기 이방성매질이 상기 식 (2) 및 식 (3)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (4)를 만족시키며, In one embodiment, when the anisotropic medium satisfies the formulas (2) and (3), the elastic modulus of the anisotropic medium satisfies the following formula (4),
Figure PCTKR2017006518-appb-I000003
식 (4)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000003
Formula (4)
(C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, p: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)(C 11 : longitudinal (or compressive) modulus, C 66 : transverse (or shear) modulus, C 16 : modulus of modulus of modulus, p: mass density of anisotropic media, f TFPR : modal change Fabry, Ferro resonant frequency )
입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어, It shows the symmetric transmittance and reflectance frequency response with respect to the incident acoustic wave based on the resonant frequency of mode conversion Fabry and Ferro,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000004
식 (5)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000004
Equation (5)
상기 식 (5)와 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능할 수 있다. As shown in Equation (5), it may be possible to predict or select a resonance frequency at which the mode conversion occurs at the maximum between the longitudinal wave and the transverse wave.
일 실시예에서, 상기 입사되는 탄성파에 대하여,In one embodiment, for the incident acoustic wave,
C11 = C66 식 (6) C 11 = C 66 (6)
(C11 : 이방성매질의 종탄성계수, C66 : 이방성매질의 전단탄성계수)(C 11 : longitudinal modulus of anisotropic media, C 66 : shear modulus of anisotropic media)
상기 식 (6)의 파동분극매칭조건을 만족시킬 수 있다. The wave polarization matching condition of Equation (6) can be satisfied.
일 실시예에서, 상기 이방성매질이 상기 식 (6)을 만족시키는 경우, 준종파 및 준횡파 고유모드들의 입자진동방향이 수평에서 ±45°의 각도를 이루고, In one embodiment, when the anisotropic medium satisfies Equation (6), the direction of particle vibration of quasi-long wave and quasi-transverse eigenmodes forms an angle of ± 45 ° from
탄성계수들은 하기 식 (7)을 만족시키며, Elastic modulus satisfies the following equation (7),
Figure PCTKR2017006518-appb-I000005
식 (7)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000005
Formula (7)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000006
식 (8)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000006
Formula (8)
입사하는 종파(횡파)가 횡파(종파)로 완벽하게 변환되어 투과되는 완벽한 모드변환 공진주파수는 상기 식 (8)을 만족시킬 수 있다. The perfect mode conversion resonant frequency in which the incident longitudinal wave (transverse wave) is completely converted into the transverse wave (long wave) and transmitted may satisfy the above Equation (8).
일 실시예에서, 상기 이방성매질은, In one embodiment, the anisotropic medium,
서로 거울 대칭성을 가지는 제1 및 제2 매질들을 포함하며,First and second media having mirror symmetry with each other,
상기 제1 및 제2 매질들은, The first and second media,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000007
식 (9)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000007
Formula (9)
(
Figure PCTKR2017006518-appb-I000008
: 제1 매질(210)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합 탄성계수,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000009
: 제2 매질(220)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합관련 탄성계수,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000010
: 제1 및 제2 매질들의 질량밀도)
(
Figure PCTKR2017006518-appb-I000008
: Longitudinal modulus, shear modulus, modulus of modulus of elasticity of the first medium 210,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000009
: Young's modulus, shear modulus and modulus-related modulus of elasticity of the second medium 220,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000010
: Mass density of the first and second media)
상기 식 (9)를 만족시킬 수 있다. The above formula (9) can be satisfied.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 매질들 각각은 반복되는 제1 및 제2 미소구조들을 포함하여, 탄성메타물질로 구현될 수 있다. In one embodiment, each of the first and second media may be formed of an elastic metamaterial, including repeating first and second microstructures.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 서로 다른 물질이 접하는 경계선이 한 개인 단일위상을 가지는 슬릿(slit) 또는 휘어지거나 찌그러진 슬릿 형태의 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다. In one embodiment, the anisotropic medium may be implemented by repeating a slit or a curved or crushed slit microstructure having a single phase having a boundary line between different materials.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질의 반복되는 미소구조는 서로 다른 물질이 접하는 경계선이 여러 개인 위상을 가져서 슬릿, 원형 및 다각형 구멍 등으로 복합적으로 구성될 수 있으며, 휘어지거나 찌그러진 구멍의 형태를 또한 포함한다.In one embodiment, the repeating microstructure of the anisotropic medium may be composed of slits, circular and polygonal holes, etc., having multiple phase boundaries where different materials contact each other, and may also include curved or crushed holes. do.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 기울어진 형태의 공진기가 포함된 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다. In one embodiment, the anisotropic medium may be implemented by repeating the microstructure including the resonator of the inclined form.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 입사파의 파장보다 작은 크기를 가지며, 주기성을 가지는 슈퍼셀을 포함한 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다. In one embodiment, the anisotropic medium has a size smaller than the wavelength of the incident wave, the microstructure including a supercell having a periodicity may be repeated.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 육각형 및 그 외 다각형 중 어느 하나의 단위셀 형상이 미소구조를 포함하여 주기적 배열되어 구현될 수 있다. In one embodiment, the anisotropic medium may be implemented by the unit cell shape of any one of a square, a rectangle, a parallelogram, a hexagon, and other polygons periodically including a microstructure.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 서로 다른 2개 이상의 물질들로 구성된 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다. In one embodiment, the anisotropic medium may be implemented by repeated microstructure composed of two or more different materials.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 유체 또는 고체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the anisotropic medium may comprise a fluid or a solid.
일 실시예에서, 상기 외부매질들은 등방성 고체 또는 등방성 유체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the external media may comprise an isotropic solid or an isotropic fluid.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 탄성파가 수직입사하는 경우뿐 아니라 탄성파가 경사입사하는 경우에도 확장되어 적용될 수 있다.In one embodiment, the anisotropic medium may be extended and applied not only when the acoustic wave is vertically incident but also when the elastic wave is obliquely incident.
일 실시예에서, 상기 2차원 평면 형상의 이방성매질에 대한 탄성파 입사는, 3차원 공간상에서 탄성파가 입사하는 경우로도 확장되어 적용이 가능하게 된다. 이 때, 상기 이방성 매질은 종파, 수평전단파(shear horizontal wave), 및 수직전단파(shear vertical wave) 사이의 다양한 모드변환용으로 사용될 수 있다. In one embodiment, the seismic wave incident on the two-dimensional planar anisotropic medium can be extended to apply even when the seismic wave is incident on the three-dimensional space. In this case, the anisotropic medium may be used for various mode conversion between the longitudinal wave, the shear horizontal wave, and the vertical shear wave.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질이 공간상에서 3차원 메타물질로써 구현되는 경우, 파동 입사방향에 대해 기울어진 미소구조의 형상은 원기둥 등의 다양한 회전체, 다면체, 또는 휘어지거나 찌그러진 회전체 및 다면체 등을 포함할 수 있으며, 해당 미소구조를 포함하는 반복되어 공간을 채우는 단위셀의 형상은 정육면체, 직육면체, 육각기둥 등의 다양한 다면체가 해당될 수 있다. In one embodiment, when the anisotropic medium is implemented as a three-dimensional metamaterial in space, the shape of the microstructure inclined with respect to the wave incidence direction may be various rotating bodies, polyhedrons, or curved or crushed rotating bodies and polyhedrons, such as cylinders. The shape of the unit cell repeatedly filling the space including the corresponding microstructure may correspond to various polyhedrons such as a cube, a cube, a hexagonal column, and the like.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 다른 실시예에 따른 탄성파의 모드변환용 이방성매질에서, 외부 등방성매질의 일 측에 위치하고 다른 측은 자유단 또는 고정단인 이방성계층으로 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 반사현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가, In the anisotropic medium for modulating the acoustic wave according to another embodiment for realizing the object of the present invention described above, the other side is located on one side of the external isotropic medium and the other side is applied to the elastic wave of the specific mode incident on the anisotropic layer which is a free end or a fixed end Has a non-zero mode-coupling stiffness constant, and the thickness of the anisotropic layer according to the
동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (10) 또는, Equation (10) or
Figure PCTKR2017006518-appb-I000011
식 (10)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000011
Formula (10)
(kql: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수, kqs: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),(k ql : wave number in quasi-longitudinal mode of anisotropic medium, k qs : wave number in quasi-shear mode of anisotropic medium, d: thickness of anisotropic medium, n: arbitrary integer),
Figure PCTKR2017006518-appb-I000012
식 (11)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000012
Formula (11)
(m: 임의의 정수)(m: random integer)
반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (11)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킨다. The resonance of the mode conversion Fabry and Ferro is generated by satisfying Equation (11), which is an opposite phase matching condition.
일 실시예에서, 상기 이방성매질이 상기 식 (10) 및 식 (11)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (12)를 만족시키며, In one embodiment, when the anisotropic medium satisfies the formulas (10) and (11), the elastic modulus of the anisotropic medium satisfies the following formula (12),
Figure PCTKR2017006518-appb-I000013
식 (12)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000013
Formula (12)
(C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, p: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)(C 11 : longitudinal (or compressive) modulus, C 66 : transverse (or shear) modulus, C 16 : modulus of modulus of modulus, p: mass density of anisotropic media, f TFPR : modal change Fabry, Ferro resonant frequency )
입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어, It shows the symmetric transmittance and reflectance frequency response with respect to the incident acoustic wave based on the resonant frequency of mode conversion Fabry and Ferro,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000014
식 (13)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000014
Formula (13)
상기 식 (13)과 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능할 수 있다. As shown in Equation (13), it may be possible to predict or select a resonance frequency at which the mode conversion occurs to the maximum between the longitudinal wave and the transverse wave.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 위상매칭조건들과 분극매칭조건을 일정 범위 내에서 만족하는 경우에도, 공진주파수 주변에서 탄성파 모드변환을 수행할 수 있다.In one embodiment, the anisotropic medium may perform the acoustic wave mode conversion around the resonance frequency even when the phase matching conditions and the polarization matching conditions are satisfied within a certain range.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합탄성계수의 기호 Cij(i,j=1,2,3,4,5,6)는 이방성 매질이 위치한 방향 및 탄성파의 입사 평면에 따라 전통적인 기호약속에 따라 적절히 선택될 수 있다. In one embodiment, the symbol C ij (i, j = 1,2,3,4,5,6) of the longitudinal modulus, shear modulus and modulus of modulus of the anisotropic medium is the direction and the acoustic wave in which the anisotropic medium is located. Depending on the plane of incidence can be appropriately selected according to traditional preferences.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 전단초음파 트랜스 듀서는, 상기 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패치 모드변환기를 포함하며, 상기 메타패치 모드변환기의 저면에 시편을 위치시키고, 상기 메타패치 모드변환기의 상부에 종파를 입사시키고, 상기 시편의 결함에 의해 반사되는 결함신호가 상기 메타패치 모드 변환기를 투과하여 계측된다. According to another aspect of the present invention, a shear ultrasonic transducer includes a metapatch mode converter including the anisotropic medium for mode conversion, and a specimen is placed on a bottom surface of the metapatch mode converter. A longitudinal wave is incident on the metapatch mode converter, and a defect signal reflected by the defect of the test piece is transmitted through the metapatch mode converter.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 차음패널은 상기 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패널 모드변환기, 및 상기 메타패널 모드변환기의 양측에 결합된 고체매질들을 포함하고, 유체매질들이 상기 고체매질들의 외측에 각각 결합되어, 일측 유체매질을 통해 외부 음원으로부터 발생된 종파가 입사된 후 횡파로 변환시켜 다른 측의 유체매질로 음원의 투과를 차단한다. According to another aspect of the present invention, a sound insulation panel includes a metapanel mode converter including the anisotropic medium for mode conversion, and solid media coupled to both sides of the metapanel mode converter. Fluid media are respectively coupled to the outside of the solid media, the longitudinal wave generated from an external sound source through the one fluid medium is incident and then converted into a transverse wave to block the transmission of the sound source to the fluid medium on the other side.
본 발명의 실시예들에 의하면, 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 조건을 만족시키는 이방성 매질을 통해 초고효율 탄성파의 모드변환을 수행할 수 있다. According to embodiments of the present invention, mode conversion of an ultra-high efficiency acoustic wave may be performed through an anisotropic medium satisfying a condition in which resonance of mode conversion Fabry and Ferro occurs.
특히, 상기 이방성 매질이 다양한 구조 및 다양한 재질을 통해 구현될 수 있어, 다양한 형태의 탄성파 모드변환을 수행할 수 있으며, 이에 따라 기술적 필요에 따른 다양한 조합의 구조체를 제작할 수 있다. In particular, the anisotropic medium can be implemented through a variety of structures and various materials, it is possible to perform a variety of forms of acoustic wave mode conversion, it is possible to manufacture a structure of various combinations according to the technical needs.
도 1a는 종래 기술에서 탄성파가 모드변환없이 투과하는 상태를 도시한 모식도이며, 도 1b는 도 1a에서의 단일모드에 의한 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다. FIG. 1A is a schematic diagram showing a state in which a seismic wave is transmitted without mode conversion in the prior art, and FIG. 1B is a graph showing a state in which resonance of Fabry and Ferro occurs due to a single mode in FIG. 1A.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 모드변환용 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 2b는 도 2a의 모드변환용 이방성매질에 의한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다. Figure 2a is a schematic diagram showing the state of the acoustic wave passing through the mode conversion anisotropic medium according to an embodiment of the present invention, Figure 2b is a resonance phenomenon of the mode conversion Fabry, Ferro by the mode conversion anisotropic medium of Figure 2a It is a graph showing the state that occurs.
도 3a는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 모두 만족시키는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이며, 도 3b는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 만족시키지 못하는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이다(f: 주파수, d: 이방성매질의 두께). 3A is a graph showing the transmittance and reflectance when the phase wave satisfies the phase matching conditions when the wave enters the anisotropic medium, and FIG. 3B shows the transmittance when the wave does not satisfy the phase matching condition when the wave enters the anisotropic medium. And reflectivity graph (f: frequency, d: thickness of the anisotropic medium).
도 4a 내지 도 4c는 상기 이방성매질(100)의 내부에서의 파동분극매칭조건의 모드변환율에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프들이다. 4A to 4C are graphs for explaining the influence on the mode conversion rate of the wave polarization matching condition in the anisotropic medium 100.
도 5a는 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 경우의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 5b는 도 5a의 이방성매질에 의한 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 주파수응답의 예를 도시한 그래프이다.  FIG. 5A is a schematic diagram showing a state of an acoustic wave passing through an anisotropic medium in the case where perfect resonance of mode conversion Fabry and Ferro occurs. FIG. 5B illustrates resonance of perfect mode conversion Fabry and Ferro by the anisotropic medium of FIG. 5A. It is a graph showing an example of frequency response that occurs.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이중층의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 6b는 도 6a의 이중층의 이방성매질에 의한 탄성파의 투과 및 반사 주파수 응답을 도시한 그래프이다. Figure 6a is a schematic diagram showing the state of the acoustic wave transmitted through the anisotropic medium of the double layer according to another embodiment of the present invention, Figure 6b is a graph showing the transmission and reflection frequency response of the elastic wave by the anisotropic medium of the double layer of Figure 6a to be.
도 7a는 도 6a의 이중층의 이방성매질 중 제1 매질만 포함하는 단일층을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 7b는 도 7a의 제1 매질에 의한 탄성파의 투과 및 반 주파수 응답을 도시한 그래프이다. FIG. 7A is a schematic diagram showing a state of an acoustic wave passing through a single layer including only the first medium of the anisotropic medium of the double layer of FIG. 6A, and FIG. 7B illustrates transmission and half frequency response of the acoustic wave by the first medium of FIG. 7A. It is a graph shown.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 한쪽 경계면이 자유단 혹은 고정단인 경우 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이다. 8 is a schematic diagram showing a state of an acoustic wave passing through an anisotropic medium when one interface is a free end or a fixed end according to another embodiment of the present invention.
도 9a는 도 8의 이방성매질에서, 상기 이방성매질의 탄성파가 입사하는 반대쪽 경계면에 자유단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이고, 도 9b는 상기 경계면에 고정단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이다. FIG. 9A is a graph illustrating a reflectance frequency response when a free end boundary condition is applied to an opposite boundary surface to which an acoustic wave of the anisotropic medium is incident in the anisotropic medium of FIG. 8, and FIG. 9B is a fixed end boundary condition applied to the boundary plane. It is a graph showing the reflectance frequency response in the case.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 전단모드 초음파 트랜스듀서에 적용되어, 전단 초음파를 생성하는 상태를 도시한 모식도이다. 10 is a schematic diagram showing a state in which an anisotropic medium is applied to a shear mode ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention to generate shear ultrasonic waves.
도 11은 도 10의 전단모드 초음파 트랜스듀서를 이용한 전단 초음파 결함신호를 측정하는 상태를 도시한 모식도이다. FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a state of measuring shear ultrasonic defect signals using the shear mode ultrasonic transducer of FIG. 10.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 차음패널에 적용된 상태를 도시한 모식도이다. 12 is a schematic diagram showing a state in which an anisotropic medium is applied to a sound insulating panel according to another embodiment of the present invention.
도 13은 이중층의 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도이다. 13 is a cross-sectional view showing the microstructure of the anisotropic medium of the double layer.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도들이다. 14A to 14F are cross-sectional views illustrating microstructures of anisotropic media according to other embodiments of the present invention.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 예를 도시한 단면도들이다. 15A to 15C are cross-sectional views illustrating examples of anisotropic media according to other embodiments of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. As the inventive concept allows for various changes and numerous modifications, the embodiments will be described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In this application, the terms "comprise" or "consist of" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1a는 종래 기술에서 탄성파가 모드변환없이 투과하는 상태를 도시한 모식도이며, 도 1b는 도 1a에서의 단일모드에 의한 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다. FIG. 1A is a schematic diagram showing a state in which a seismic wave is transmitted without mode conversion in the prior art, and FIG. 1B is a graph showing a state in which resonance of Fabry and Ferro occurs due to a single mode in FIG. 1A.
도 1a를 참조하면, 종래 기술에서, 탄성파(11)가 등방성계층(isotropic layer) 또는 이방성계층(anisotropic layer)의 주축(principal axis)과 평행하게 입사하는 경우, 계층내에서는 종파와 횡파간 모드결합이 없으므로 모드변환없이 투과파(12)와 반사파(13)가 발생한다. Referring to FIG. 1A, in the prior art, when an acoustic wave 11 is incident in parallel with a principal axis of an isotropic layer or anisotropic layer, mode coupling between longitudinal and transverse waves in the layer is performed. Therefore, the transmission wave 12 and the reflection wave 13 are generated without mode conversion.
이하에서는, 상기 계층물질(10)을 둘러싼 외부매질(14, 15)는 등방성 물질이며 설명의 편의를 위하여 서로 동일한 고체물질인 경우를 예를 들어 설명한다. Hereinafter, the case in which the outer mediums 14 and 15 surrounding the layered material 10 are isotropic materials and the same solid materials for convenience of explanation will be described by way of example.
그러나, 종래 기술은 물론이며, 후술되는 본 발명의 실시예들에서도, 이방성계층의 좌우에 인접한 외부매질이 서로 같은 경우만 한정되지는 않으며, 외부매질은 고체물질 뿐 아니라 유체물질도 포함할 수 있다. However, in the embodiments of the present invention described below, as well as the prior art, the external media adjacent to the left and right sides of the anisotropic layer are not limited to each other, and the external media may include not only a solid material but also a fluid material. .
또한, 후술되는 도면에서는 설명의 편의상 외부 등방성매질에 대한 설명 및 도시는 생략한다. In the drawings to be described later, description and illustration of an external isotropic medium are omitted for convenience of description.
또한, 상기 모드결합이 없는 계층에서 단일모드에서 파브리, 페로의 공진현상이 발생하면, 상기 도 1b에 도시된 바와 같이, 단일모드의 투과율은 100%가 된다. 이 때, 단일계층(10)의 경우, 계층의 두께가 입사하는 파동의 반파장의 정수배가 되는 파브리, 페로의 공진조건은 하기 식 (1)로 표현된다. In addition, when the resonance phenomenon of Fabry and Ferro occurs in a single mode in the layer without the mode coupling, as shown in FIG. 1B, the transmittance of the single mode is 100%. At this time, in the case of the single layer 10, the resonance conditions of Fabry and Ferro, in which the thickness of the layer becomes an integer multiple of the half wavelength of the incident wave, are expressed by the following equation (1).
Figure PCTKR2017006518-appb-I000015
식 (1)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000015
Formula (1)
(k: 계층(10) 내부의 단일모드에 대한 파동수, d: 계층두께, n: 양의 정수)(k: number of waves for single mode inside layer 10, d: layer thickness, n: positive integer)
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 모드변환용 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 2b는 도 2a의 모드변환용 이방성매질에 의한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다. Figure 2a is a schematic diagram showing the state of the acoustic wave passing through the mode conversion anisotropic medium according to an embodiment of the present invention, Figure 2b is a resonance phenomenon of the mode conversion Fabry, Ferro by the mode conversion anisotropic medium of Figure 2a It is a graph showing the state that occurs.
도 2a를 참조하면, 본 실시예에 의한 모드변환용 이방성매질(100)은 이방성계층으로서 투과현상이 발생하며, 0이 아닌 모드 결합 강성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가진다. Referring to FIG. 2A, the anisotropic medium 100 for mode conversion according to the present embodiment has a transmission phenomenon as an anisotropic layer, and has a non-zero mode-coupling stiffness constant.
이에 따라, 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)로 탄성파(101)가 입사되는 경우, 투과파(102)와 반사파(103) 외에, 변환된 상이한 모드, 즉 종파 입사시 횡파 투과파(104) 및 횡파 반사파(105)가 함께 발생하게 된다. Accordingly, as shown, when the acoustic wave 101 is incident on the anisotropic medium 100, in addition to the transmission wave 102 and the reflected wave 103, the transverse wave 104 at the time of incidence of different modes that are converted, that is, longitudinal wave 104. ) And the shear wave reflected wave 105 are generated together.
한편, 이러한 경우에도, 모드변환투과율이 최대가 되는 소위 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal Fabry-Perot resonance)'가 발생하는 조건이 존재하며, 이는 상기 식 (1)로 표현된 종래의 단일모드 공진조건과는 다양한 형태로서 다르다고 할 수 있다. On the other hand, even in such a case, there is a condition under which so-called 'transmodal Fabry-Perot resonance' occurs in which the mode conversion transmittance is maximum, which is a conventional single unit represented by Equation (1). It can be said that it differs in various forms from the mode resonance condition.
우선, 이방성매질(100)의 모드결합 강성계수가 다른 강성계수들에 비해 비교적 작은 약한 모드결합(weakly mode-coupled) 이방성계층을 통한 모드변환에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 투과율이 표시된다(종파가 계층에 입사하는 경우). First, in mode conversion through a weakly mode-coupled anisotropic layer where the modulus of stiffness of the anisotropic medium 100 is relatively small compared to other stiffness coefficients, the transmittance is indicated, as shown in FIG. 2B. (When a sect enters the layer).
즉, 도 2b를 참조하면, 입사파(101)인 종파의 일부가 횡파로 변환되어 투과파(104)로 생성되며, 최대투과변환율은 이방성매질(100)의 파동모드들이 특정한 위상차를 가질 때 발생하게 된다. 즉, 도 2a에서의 1차원 수직입사의 경우, 종파에서 횡파로 또는 횡파에서 종파로의 최대투과변환율은 하기 식 (2)의 위상매칭조건을 만족하는 공진주파수 근처에서 발생한다. That is, referring to FIG. 2B, a part of the longitudinal wave, which is the incident wave 101, is converted into a transverse wave to generate the transmitted wave 104. The maximum transmittance occurs when the wave modes of the anisotropic medium 100 have a specific phase difference. Done. That is, in the case of the one-dimensional vertical incidence in FIG. 2A, the maximum transmission conversion rate from the longitudinal wave to the transverse wave or from the transverse wave to the longitudinal wave occurs near the resonance frequency satisfying the phase matching condition of Equation (2) below.
결국, 하기 식 (2)를 만족시키는 조건의 이방성매질(100)을 통해 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal Fabry-Perot resonance)'를 발생시킬 수 있다. As a result, it is possible to generate a 'transmodal Fabry-Perot resonance' through the anisotropic medium 100 satisfying the following Equation (2).
Figure PCTKR2017006518-appb-I000016
식 (2)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000016
Formula (2)
(kql: 이방성매질(100)의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수, kqs: 이방성매질(100)의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질(100) 두께, n: 임의의 정수)(k ql : wave number in quasi-longitudinal mode of anisotropic medium (100), k qs : wave number in quasi-shear mode of anisotropic medium (100), d: anisotropic medium (100) Thickness, n: any integer)
한편, 상기 약한 모드결합을 갖는 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal Fabry-Perot resonance)'에 관한 조건을 동일방향 위상매칭조건(co-directional phase-matching condition)이라 할 때, 마찬가지로 이방성매질(100)의 내부에서는 반대방향 위상매칭조건(contra-directional phase-matching condition)도 존재하게 되며, 이는 도 2a에서와 같은 1차원 수직입사의 경우, 하기 식 (3)으로 정의된다. On the other hand, when the condition of the 'mode-modulated Fabry-Perot resonance' having the weak mode coupling is called a co-directional phase-matching condition, anisotropic medium ( Inside of 100), there is also a contra-directional phase-matching condition, which is defined by the following equation (3) in the case of one-dimensional vertical incidence as shown in FIG. 2A.
Figure PCTKR2017006518-appb-I000017
식 (3)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000017
Formula (3)
(m: 임의의 정수)(m: random integer)
도 3a는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 모두 만족시키는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이며, 도 3b는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 만족시키지 못하는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이다(f: 주파수, d: 이방성매질의 두께). 3A is a graph showing the transmittance and reflectance when the phase wave satisfies the phase matching conditions when the wave enters the anisotropic medium, and FIG. 3B shows the transmittance when the wave does not satisfy the phase matching condition when the wave enters the anisotropic medium. And reflectivity graph (f: frequency, d: thickness of the anisotropic medium).
즉, 도 3a에는 입사하는 탄성파가 상기 식 (2) 및 식 (3)의 두가지 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal Fabry-Perot resonance)' 조건(동일방향 및 반대방향 위상매칭조건)을 모두 만족시키는 경우의 상기 이방성매질(100)을 투과하는 경우에서의 투과율 및 반사율을 나타낸 것이며, 도 3b는 상기 식 (2) 및 식 (3)의 조건을 만족하지 못하는 경우의 상기 이방성매질(100)을 투과하는 경우에서의 투과율 및 반사율을 나타낸 것이다. That is, in FIG. 3A, the incident seismic wave is subjected to both the 'mode-modulated Fabry-Perot resonance' conditions (the same and opposite phase matching conditions) of Equations (2) and (3). When the anisotropic medium 100 is satisfied, the transmittance and reflectance are shown when the anisotropic medium 100 is transmitted. FIG. 3B illustrates the anisotropic medium 100 when the conditions of Formulas (2) and (3) are not satisfied. The transmittance and reflectance in the case of transmitting light are shown.
도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)의 탄성계수들이 상기 두 가지 위상매칭조건을 만족하는 경우에는 하기 식 (4)를 만족시킨다. As shown, when the modulus of elasticity of the anisotropic medium 100 satisfies the two phase matching conditions, the following equation (4) is satisfied.
Figure PCTKR2017006518-appb-I000018
식 (4)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000018
Formula (4)
(C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, p: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)(C 11 : longitudinal (or compressive) modulus, C 66 : transverse (or shear) modulus, C 16 : modulus of modulus of modulus, p: mass density of anisotropic media, f TFPR : modal change Fabry, Ferro resonant frequency )
이 경우, 상기 이방성매질(100)을 입사하는 탄성파에 대하여 공진주파수에 대하여 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답(frequency response)을 보이며, 이 경우 상기 두 가지 위상매칭조건만으로 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수를 하기 식 (5)와 같이 정확하게 예측할 수 있다. In this case, the acoustic wave incident on the anisotropic medium 100 exhibits a symmetric transmittance and a reflectance frequency response with respect to the resonant frequency. In this case, the resonance in which the mode conversion occurs to the maximum with only the two phase matching conditions is achieved. The frequency can be accurately predicted as in the following equation (5).
Figure PCTKR2017006518-appb-I000019
식 (5)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000019
Equation (5)
반면, 상기 위상매칭조건을 모두 만족하지 못하는 탄성계수를 갖는 상기 이방성매질(100)에 대하여는 공진주파수에 대해 비대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 보이며, 이에 따라 동일방향 위상매칭조건인 식 (2)만으로 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수를 근사적으로만 예측할 수 있다. On the other hand, with respect to the anisotropic medium 100 having an elastic modulus that does not satisfy all of the phase matching conditions, the transmittance and reflectance frequency responses are asymmetrical with respect to the resonance frequency. It can only approximate the resonance frequency at which the mode conversion occurs at the maximum.
도 4a 내지 도 4c는 상기 이방성매질(100)의 내부에서의 파동분극매칭조건의 모드변환율에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프들이다. 4A to 4C are graphs for explaining the influence on the mode conversion rate of the wave polarization matching condition in the anisotropic medium 100.
앞서 설명한 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal Fabry-Perot resonance)' 조건에서, 식 (2) 및 식 (3)으로 표현되는 위상매칭조건 이외에, 본 실시예에 의한 이방성매질(100)의 내부에는 파동분극매칭조건(polarization-matching condition)이 존재하며, 상기 탄성파(101)가 상기 이방성매질(100) 상으로 수직으로 입사하는 경우 하기 식 (6)으로 정의된다. Inside the anisotropic medium 100 according to the present embodiment, in addition to the phase matching conditions represented by Equations (2) and (3) under the above-described 'mode-modulated Fabry-Perot resonance' condition There is a polarization-matching condition, and when the elastic wave 101 is incident vertically on the anisotropic medium 100 is defined by the following equation (6).
C11 = C66 식 (6) C 11 = C 66 (6)
(C11 : 이방성매질의 종탄성계수, C66 : 이방성매질의 전단탄성계수)(C 11 : longitudinal modulus of anisotropic media, C 66 : shear modulus of anisotropic media)
즉, 상기 식 (6)의 파동분극매칭조건이 만족되는 상기 이방성매질(100)에서는 준종파 및 준횡파 고유모드들의 입자진동방향이 수평에서 ±45°의 각도를 이루게 된다. That is, in the anisotropic medium 100 in which the wave polarization matching condition of Equation (6) is satisfied, the particle vibration directions of quasi-long wave and quasi-transverse intrinsic modes have an angle of ± 45 ° from the horizontal.
이와 관련하여 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 이방성매질(100)로의 1차원 수직입사의 경우 상기 식 (6)의 파동분극매칭조건을 만족시키는 이방성매질(100)에서의 투과율 주파수응답은 도 4b에 도시된 바와 같으며, 이를 통해 상기 이방성매질(100)은 모드변환공진점 부근에서 탄성파의 고효율(high conversion rate) 및 고순도(high purity) 모드변환이 가능하게 된다.  4A to 4C, in the case of one-dimensional vertical incidence into the anisotropic medium 100, the transmittance frequency response in the anisotropic medium 100 satisfying the wave polarization matching condition of Equation (6) is shown in FIG. As shown in 4b, through this, the anisotropic medium 100 enables high conversion rate and high purity mode conversion of the acoustic wave near the mode conversion resonance point.
상기 파동 분극매칭조건은 앞선 두 위상매칭조건들과 독립적으로 적용될 수 있는 조건으로, 도 4a 내지 도 4c의 이방성물질 또한 위상매칭조건을 만족하지 않는 일반적인 경우를 도시하였다. 따라서, 모드변환 공진점을 중심으로 종파투과율 및 횡파투과율의 주파수응답은 대칭을 이루지 않는다. The wave polarization matching condition is a condition that can be applied independently of the above two phase matching conditions. The general anisotropy material of FIGS. 4A to 4C also does not satisfy the phase matching condition. Therefore, the frequency response of longitudinal transmittance and transverse transmittance is not symmetrical around the mode conversion resonance point.
도 5a는 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 경우의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 5b는 도 5a의 이방성매질에 의한 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 주파수응답의 예를 도시한 그래프이다.  FIG. 5A is a schematic diagram showing a state of an acoustic wave passing through an anisotropic medium in the case where perfect resonance of mode conversion Fabry and Ferro occurs. FIG. 5B illustrates resonance of perfect mode conversion Fabry and Ferro by the anisotropic medium of FIG. 5A. It is a graph showing an example of frequency response that occurs.
도 5a를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 이방성매질(100)의 탄성계수들이 상기 식 (2), 식 (3), 그리고 식 (6)의 위상매칭조건들과 분극매칭조건을 만족하는 경우, 상기 탄성계수들은 하기 식 (7)을 만족시킨다. Referring to FIG. 5A, when the elastic modulus of the anisotropic medium 100 according to the present embodiment satisfies the phase matching conditions and polarization matching conditions of Equations (2), (3), and (6) , The elastic modulus satisfies the following equation (7).
또한, 상기 이방성매질로 구성된 계층에서는 하기 식 (8)을 만족시키는 공진주파수에서, 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생한다. Further, in the layer composed of the anisotropic medium, the resonance of the perfect mode conversion Fabry and Ferro occurs at the resonance frequency satisfying the following Equation (8).
Figure PCTKR2017006518-appb-I000020
식 (7)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000020
Formula (7)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000021
식 (8)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000021
Formula (8)
그리하여, 입사파(101)로서 종파가 입사하는 경우 횡파만 투과(102)하게 되며, 계층 외부의 등방성 매질의 푸아송비(Poisson's ratio)에 따라 다르지만 외부매질이 등방성 금속매질인 경우, 대략 90% 이상의 모드변환투과율이 발생하게 된다. 이 경우, 입사파(101)의 파동모드는 종파 및 횡파가 모두 가능하다. Thus, when the longitudinal wave is incident as the incident wave 101, only the transverse wave is transmitted 102, and depending on the Poisson's ratio of the isotropic medium outside the layer, but the outer medium is isotropic metal medium, approximately 90% or more Mode conversion transmittance will occur. In this case, the wave mode of the incident wave 101 can be both a longitudinal wave and a transverse wave.
한편, 반사파의 경우 모드변환 없이 종파로 반사되며(103), 외부매질이 등방성 금속매질인 경우, 대략 10% 미만의 모드비변환반사율을 갖게 된다. On the other hand, the reflected wave is reflected in the longitudinal wave without the mode conversion (103), when the external medium is an isotropic metal medium, it has a mode ratio conversion reflectance of less than about 10%.
즉, 상기 완벽한 모드변환 공진의 발생시, 상기 이방성매질(100) 좌우로 각각 종파(101, 103)와 횡파(102)가 격리되는 완벽한 모드격리(perfect mode isolation) 현상이 발생한다. That is, when the perfect mode conversion resonance occurs, perfect mode isolation occurs in which the longitudinal waves 101 and 103 and the transverse wave 102 are isolated to the left and right of the anisotropic medium 100, respectively.
한편, 도 5b를 참조하면, 상기 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 이방성매질(100)의 투과율 및 반사율 주파수응답을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 모드변환공진점들의 정 중앙에 단일모드 파브리, 페로의 공진(100% 모드비변환투과율)도 완벽하게 발생하는 것을 확인할 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 5B, the transmittance and reflectance frequency responses of the anisotropic medium 100 in which the perfect mode conversion Fabry and Ferro resonance are generated are shown. It can be seen that the resonance of the ferro (100% mode ratio conversion transmittance) also occurs completely.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이중층의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 6b는 도 6a의 이중층의 이방성매질에 의한 탄성파의 투과 및 반사 주파수 응답을 도시한 그래프이다. Figure 6a is a schematic diagram showing the state of the acoustic wave transmitted through the anisotropic medium of the double layer according to another embodiment of the present invention, Figure 6b is a graph showing the transmission and reflection frequency response of the elastic wave by the anisotropic medium of the double layer of Figure 6a to be.
본 실시예에 의한 이중층의 이방성매질(200)을 통해 앞서 설명한 단일층의 이방성매질(100)로는 구현하기 어려운 입사하는 파동의 반사를 극소화시키고 탄성파 모드변환투과율을 극대화하거나 또는 극소화 하는 것이 가능하게 된다. Through the anisotropic medium 200 of the double layer according to the present embodiment, it is possible to minimize the reflection of incident waves that are difficult to implement with the anisotropic medium 100 of the single layer described above and to maximize or minimize the acoustic wave mode conversion transmittance. .
즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(200)은 제1 매질(210) 및 제2 매질(220)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 매질들(210, 220)을 구성하는 탄성메타물질의 미소구조(microstructure)가 서로 거울 대칭성(mirror symmetry)을 가진다. 그리하여, 입사하는 파동의 반사를 극소화시키고 탄성파 모드변환투과율을 극대화시킬 수 있다. 이 때, 상기 탄성파 모드변환투과율은 예를 들어 99% 이상이 될 수 있다. That is, as shown in FIG. 6A, the anisotropic medium 200 includes a first medium 210 and a second medium 220, and constitutes the first and second media 210 and 220. The microstructures of the elastic metamaterials have mirror symmetry with each other. Thus, the reflection of the incident wave can be minimized and the acoustic wave mode conversion transmittance can be maximized. In this case, the elastic wave mode conversion transmittance may be, for example, 99% or more.
이 경우, 단일모드의 탄성파(211)가 상기 이방성매질(200)로 1차원 수직입사를 하는 경우, 상기 미세구조의 거울대칭조건은 하기 식 (9)와 같다. In this case, when the single-wave acoustic wave 211 is one-dimensional vertical incidence into the anisotropic medium 200, the mirror symmetry condition of the microstructure is as shown in Equation (9).
Figure PCTKR2017006518-appb-I000022
식 (9)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000022
Formula (9)
(
Figure PCTKR2017006518-appb-I000023
: 제1 매질(210)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합 탄성계수,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000024
: 제2 매질(220)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합관련 탄성계수,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000025
: 제1 및 제2 매질들의 질량밀도)
(
Figure PCTKR2017006518-appb-I000023
: Longitudinal modulus, shear modulus, modulus of modulus of elasticity of the first medium 210,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000024
: Young's modulus, shear modulus and modulus-related modulus of elasticity of the second medium 220,
Figure PCTKR2017006518-appb-I000025
: Mass density of the first and second media)
도 7a는 도 6a의 이중층의 이방성매질 중 제1 매질만 포함하는 단일층을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 7b는 도 7a의 제1 매질에 의한 탄성파의 투과 및 반 주파수 응답을 도시한 그래프이다. FIG. 7A is a schematic diagram showing a state of an acoustic wave passing through a single layer including only the first medium of the anisotropic medium of the double layer of FIG. 6A, and FIG. 7B illustrates transmission and half frequency response of the acoustic wave by the first medium of FIG. 7A. It is a graph shown.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 매질(210)을 통해 탄성파(211)가 입사하는 경우 투과파(102, 104)의 대략 40% 정도가 변환된 모드(종파 입사시 횡파, 또는 횡파 입사시 종파)이며, 마찬가지로 반사되는 경우 반사파(103, 105)도 유사한 비율로 모드가 변환되며 반사된다. As shown in FIGS. 7A and 7B, when the elastic wave 211 enters through the first medium 210, a mode in which approximately 40% of the transmitted waves 102 and 104 are converted (horizontal wave at longitudinal wave incident, Or a longitudinal wave at the time of incidence of a transverse wave), and similarly, when reflected, the reflected waves 103 and 105 are converted and reflected in a similar ratio.
즉, 상기와 같이 모드변환이 발생하는 단일층을 서로 중첩한 상기 이중층의 이방성매질(200)을 사용함으로써, 단일층보다 반사율을 극소화하며 거의 완전한 모드변환투과성능을 구현할 수 있다. That is, by using the anisotropic medium 200 of the double layer superimposed on the single layer in which the mode conversion occurs as described above, it is possible to minimize the reflectance than the single layer and to achieve almost complete mode conversion transmission performance.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 한쪽 경계면이 자유단 혹은 고정단인 경우 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이다. 도 9a는 도 8의 이방성매질에서, 상기 이방성매질의 탄성파가 입사하는 반대쪽 경계면에 자유단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이고, 도 9b는 상기 경계면에 고정단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이다. 8 is a schematic diagram showing a state of an acoustic wave passing through an anisotropic medium when one interface is a free end or a fixed end according to another embodiment of the present invention. FIG. 9A is a graph illustrating a reflectance frequency response when a free end boundary condition is applied to an opposite boundary surface to which an acoustic wave of the anisotropic medium is incident in the anisotropic medium of FIG. 8, and FIG. 9B is a fixed end boundary condition applied to the boundary plane. It is a graph showing the reflectance frequency response in the case.
도 8을 참조하면, 본 실시예에서, 이방성매질(100)의 한쪽 경계면(106)이 자유단(Free end) 혹은 고정단(Fixed end) 조건일 경우에, 상기 이방성매질은 반사형(reflection-type) 탄성파 모드변환용으로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 8, in the present embodiment, when one interface 106 of the anisotropic medium 100 is in a free end or fixed end condition, the anisotropic medium is reflective. type) It can be used for converting seismic mode.
자유단 조건은 도 1a 에서 탄성파가 투과하는 외부매질(15)이 기체와 같은 물질일 경우, 근사적으로 적용이 가능하며, 고정단 조건은 상기 외부매질(15)이 질량밀도와 강성이 매우 큰 고체물질일 경우로 근사할 수 있다. The free end condition may be approximately applied when the external medium 15 through which the acoustic wave penetrates is a gas-like material in FIG. 1A, and the fixed end condition indicates that the external medium 15 has a very high mass density and rigidity. It can be approximated as a solid material.
만약, 상기 이방성매질의 탄성계수와 가진주파수에 따른 이방성매질의 두께가 반사형 동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (10)과, If the thickness of the anisotropic medium according to the elastic modulus and the excitation frequency of the anisotropic medium is a reflection type co-directional phase matching condition of the following equation (10),
Figure PCTKR2017006518-appb-I000026
식 (10)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000026
Formula (10)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000027
식 (11)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000027
Formula (11)
반사형 반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (11)을 만족하면, 반사형 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생되어, 적절한 외부매질(107)의 물성치(등방성물질의 경우 푸아송비)에 대해, 입사하는 종파(횡파)를 반사하는 횡파(종파)로 최대로 변환시킬 수 있다. If the above equation (11), which is the reflective opposite phase matching condition, is satisfied, resonance of the reflective mode conversion Fabry and Ferro occurs, which causes the incident to the physical properties (Poisson's ratio in the case of isotropic material) of the appropriate external medium 107. The maximum length can be converted into a horizontal wave (long wave) reflecting a longitudinal wave (seam wave).
이 때 상기 반사형 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (12)로 주어진다. At this time, the elastic moduli of the reflective anisotropic medium are given by the following equation (12).
Figure PCTKR2017006518-appb-I000028
식 (12)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000028
Formula (12)
또한, 모드변환 반사율이 최대가 되는 반사형 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수는 하기 식 (13) 으로 주어지므로, 투과형 모드변환의 경우와 마찬가지로, 적절한 외부매질(107)의 물성치에 대해 공진주파수의 예측과 선택이 가능하다. In addition, since the resonant frequency of the reflection mode conversion Fabry and Ferro in which the mode conversion reflectance is maximized is given by the following equation (13), the resonance frequency of the appropriate external medium 107 can be adjusted in the same manner as in the case of the transmission mode conversion. Predictions and choices are possible.
Figure PCTKR2017006518-appb-I000029
식 (13)
Figure PCTKR2017006518-appb-I000029
Formula (13)
즉, 상기 반사형 모드변환용 이방성매질이 두가지 반사형 위상매칭조건과 더불어 파동분극매칭조건 식 (6)을 정확히 혹은 근사적으로라도 만족시키는 경우에, 적절한 외부매질(107)의 물성치에 대해 완벽하게 입사하는 어떤 모드를 다른 모드로 변환시켜 반사시키는 완벽한 반사형 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생할 수 있다. That is, when the anisotropic medium for the reflective mode conversion satisfies the wave polarization matching condition equation (6) together with the two reflective phase matching conditions exactly or approximately, the physical properties of the appropriate external medium 107 are perfectly satisfied. Resonance of the perfect reflection mode conversion Fabry and Ferro, which converts one incident mode into another mode and reflects it, can occur.
상기 반사형 모드변환용 이방성매질의 경우, 투과형 모드변환용 이방성매질과 다른 점은 파동분극매칭조건 식 (6)을 근사적으로 만족하여도, 외부매질(107)의 물성치에 따라 거의 완벽한 모드변환을 구현할 수 있다. In the case of the anisotropic medium for the reflective mode conversion, the difference between the anisotropic medium and the transmissive mode conversion is almost perfect mode conversion according to the physical properties of the external medium 107 even though the wave polarization matching condition (6) is approximately satisfied. Can be implemented.
한편, 도 9a 및 도 9b는 종파 모드가 외부매질(107)로부터 상기 반사형 이방성매질에 입사할 때, 상기 이방성매질의 반사율 주파수 특성을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 도 9a는 이방성매질(100)의 탄성파(101)가 입사하는 반대 쪽 경계면(106)에 자유단 경계조건이 적용되었을 때의 반사율 주파수응답을 나타내며, 도 9b는 상기 경계면(106)에 고정단 경계조건이 적용되었을 때의 반사율 주파수응답을 나타낸다.9A and 9B illustrate reflectance frequency characteristics of the anisotropic medium when the longitudinal wave mode enters the reflective anisotropic medium from the external medium 107. As shown in FIG. 9A, FIG. The reflectance frequency response when the free end boundary condition is applied to the opposite boundary surface 106 to which the acoustic wave 101 of 100 is incident, and FIG. 9B shows the fixed frequency boundary condition when the fixed end boundary condition is applied to the boundary surface 106. Reflectance frequency response.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 전단모드 초음파 트랜스듀서에 적용되어, 전단 초음파를 생성하는 상태를 도시한 모식도이다. 도 11은 도 10의 전단모드 초음파 트랜스듀서를 이용한 전단 초음파 결함신호를 측정하는 상태를 도시한 모식도이다. 10 is a schematic diagram showing a state in which an anisotropic medium is applied to a shear mode ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention to generate shear ultrasonic waves. FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a state of measuring shear ultrasonic defect signals using the shear mode ultrasonic transducer of FIG. 10.
일반적으로, 앞서 설명한 탄성파 모드변환용 이방성매질(100)은 구체적으로 전단모드(혹은 횡파 모드) 초음파 트랜스듀서(shear mode ultrasound transducer)를 개발하는데 응용될 수 있다. 전단모드 초음파는 종파모드 초음파와는 매질진동방향(particle motion direction), 위상속도(phase speed), 감쇠계수(attenuation factor) 등이 확연히 달라서, 기존의 종파모드가 탐지하기 어려운 결함(1004) 등을 높은 민감도와 에너지 효율로 탐지하는데 긴요하게 쓰일 수 있다. 기존의 압전소자 기반 초음파 트랜스듀서는 종파의 생성 및 측정은 우수하나, 전단파의 선택적 가진은 상당히 어렵다고 알려져 있다. 따라서, 기존에는 초음파 웨지(wedge)를 이용하여 기존의 초음파 트랜스듀서로 생성된 종파를 전단파로 변환하여 사용하지만, 웨지/트랜스듀서 경계면 및 웨지/시편(산업용 비파괴 검사분야의 경우, 시편은 금속물질) 경계면에서, 트랜스듀서, 웨지, 시편의 물성치 차이로 인한 초음파 에너지의 반사손실이 상당한 심한 것으로 역시 알려져 있다.In general, the anisotropic medium 100 for elastic wave mode conversion described above may be specifically applied to develop a shear mode (or shear wave mode) shear mode ultrasound transducer. Shear-mode ultrasound differs from longitudinal wave ultrasound in particle motion direction, phase speed, and attenuation factor, so that defects 1004 are difficult to detect in conventional longitudinal mode. It can be used critically for detection with high sensitivity and energy efficiency. Conventional piezoelectric element-based ultrasonic transducers are excellent in generating and measuring longitudinal waves, but it is known that selective excitation of shear waves is quite difficult. Therefore, while conventionally used to convert the longitudinal wave generated by the conventional ultrasonic transducer to the shear wave using the ultrasonic wedge (wedge / transducer interface and wedge / specimen (in the case of industrial non-destructive inspection field, the specimen is a metal material) At the interface, it is also known that the return loss of ultrasonic energy due to differences in the properties of transducers, wedges and specimens is quite severe.
앞선 실시예를 통해 설명한 이방성매질(100)은 종래 초음파 트랜스듀서(1002) 전면에 부착되어 호환이 매우 용이한 메타패치 모드변환기(Meta-patch mode converter)(1001)에 적용될 수 있다.The anisotropic medium 100 described through the foregoing embodiments may be applied to a meta-patch mode converter 1001 that is attached to the front surface of the conventional ultrasonic transducer 1002 and is very easy to be compatible.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)이 메타패치 모드변환기(1001)로 구비되어 상기 전단모드 초음파 트랜스듀서(1000)에 적용되며, 이를 이용한 고효율 전단파(102)를 생성할 수 있다. That is, as shown in Figure 10, the anisotropic medium 100 is provided as a metapatch mode converter 1001 is applied to the shear mode ultrasonic transducer 1000, to generate a high efficiency shear wave 102 using the same Can be.
즉, 입사하는 종파(101)는 매우 소량의 반사파(103)가 반사되며 상기 메타패치 모드 변환기(1001)를 투과하여 고효율의 전단파(102)로 생성되며, 이를 통해 종래 종파로서는 탐지가 어려운 시편(1003)의 구조적 결함(1004)을 보다 용이하게 계측할 수 있다. That is, the incident longitudinal wave 101 reflects a very small amount of reflected waves 103 and passes through the metapatch mode converter 1001 to generate a highly efficient shear wave 102, thereby making it difficult to detect a conventional longitudinal wave. The structural defect 1004 of 1003 can be measured more easily.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)이 메타패치 모드변환기(1001)로 구비되면, 상기 시편(1003)의 구조적 결함(1004)에서 반사된 전단파(101)를 변환시켜 측정이 가능한 종파(102)로 만들어, 이렇게 높은 신호세기로 변환된 종파(102)를 보다 용이하게 측정할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 11, when the anisotropic medium 100 is provided as the metapatch mode converter 1001, the shear wave 101 reflected by the structural defect 1004 of the specimen 1003 is converted and measured. By making this possible longitudinal wave 102, the longitudinal wave 102 converted to such a high signal strength can be measured more easily.
이와 같이, 상기 이방성매질(100)은 높은 신호세기로 변환된 종파(102)를 측정하는 센서용 전단모드 초음파 트랜스듀서(1000)에 상기 이방성매질(100)이 적용될 수 있다. As described above, the anisotropic medium 100 may be applied to the shear mode ultrasonic transducer 1000 for the sensor measuring the longitudinal wave 102 converted into a high signal strength.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 차음패널에 적용된 상태를 도시한 모식도이다. 12 is a schematic diagram showing a state in which an anisotropic medium is applied to a sound insulating panel according to another embodiment of the present invention.
앞선 실시예를 통해 설명한, 탄성파 모드변환용 이방성매질(100)은 구체적으로 모드변환 공진을 기반한 차음패널(TFPR-based sound insulating panel)로써 응용될 수 있다. 고체매질에서 유체매질로 파동에너지가 전파될 때, 수직입사의 경우, 전단파(횡파)는 전단강성(shear modulus)이 없는 유체매질로 전파되지 못하고 고체매질 내부에 가두어 진다. The anisotropic medium for acoustic wave mode conversion described above through the embodiments may be specifically applied as a TFPR-based sound insulating panel based on mode conversion resonance. When wave energy propagates from a solid medium to a fluid medium, in the case of vertical incidence, shear waves (transverse waves) are not propagated into the fluid medium without shear modulus and are trapped inside the solid medium.
도 12는 상기 이방성매질(100)이 메타패널 모드 변환기(2001)로 사용된 상기 차음패널(2000)로써, 모드변환 파브리, 페로의 공진(TFPR)에 기반한 상기 차음패널(2000)의 음파 차단 기능을 도시한 것이다. 12 is the sound insulation panel 2000 in which the anisotropic medium 100 is used as the metapanel mode converter 2001, and the sound wave blocking function of the sound insulation panel 2000 based on the mode conversion fabric, the resonance of the ferro (TFPR). It is shown.
즉, 도 12를 참조하면, 외부 유체매질(2004)에서 차음패널(2000)로 입사하는 음파(111)의 일부는 고체매질(2002)내부에서 일차적으로 종파모드 탄성파가 되며 메타패널 모드변환기(Meta-panel mode converter)(2001)를 투과하며 소량의 반사파(103)와 함께 다시 전단파(102)로 고효율로 변환된다. That is, referring to FIG. 12, a part of the sound wave 111 incident from the external fluid medium 2004 into the sound insulation panel 2000 becomes the longitudinal wave mode seismic wave within the solid medium 2002 and the meta-panel mode converter Meta. It passes through a panel mode converter 2001 and, with a small amount of reflected wave 103, is converted back into a shear wave 102 with high efficiency.
이 때 변환된 전단파(102)는 전단강성이 없는 다음의 유체매질(2005)로 투과하지 못하고 그 경계에서 대부분 반사되어 전단파(110)로써 고체 차음패널 내부에 갇히게 되므로, 유체매질(2005)로의 음파(113)의 투과는 효과적으로 차단될 수 있다. At this time, the converted shear wave 102 does not penetrate into the next fluid medium 2005 without shear stiffness and is mostly reflected at the boundary thereof, so that the shear wave 102 is trapped inside the solid sound insulation panel as the shear wave 110. Transmission of the 113 can be effectively blocked.
이 경우, 모드변환 공진 차음패널(2000)을 이루고 있는 메타패널 모드변환기(2001)에 대한 고체매질(2002, 2003)의 상대적인 계층두께는 적절하게 변화를 줄 수 있다.In this case, the relative layer thicknesses of the solid mediums 2002 and 2003 with respect to the metapanel mode converter 2001 constituting the mode conversion resonance sound insulation panel 2000 may be appropriately changed.
도 13은 이중층의 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도이다. 13 is a cross-sectional view showing the microstructure of the anisotropic medium of the double layer.
도 13에서는 도 6a를 참조하여 설명한 이중층의 이방성매질(200)의 미소구조의 예를 도시한 것으로, 도 13을 참조하면, 상기 이중층의 이방성매질(200)은 제1 매질(210) 및 제2 매질(220)을 포함하며, 각각의 매질은 앞서 설명한 '모드변환 파브리, 페로의 공진조건'을 모두 만족시키거나, 부분적으로 만족시키거나, 또는 근사적으로 만족시킬 수 있다. FIG. 13 illustrates an example of the microstructure of the anisotropic medium 200 of the bilayer described with reference to FIG. 6A. Referring to FIG. 13, the anisotropic medium 200 of the bilayer may include a first medium 210 and a second layer. A medium 220 may be included, and each medium may satisfy, partially satisfy, or approximately satisfies all of the above-described 'mode conversion fabric, resonance conditions of ferro'.
이에 따라, 입사되는 탄성파(211)는 모드변환없이 투과(212)되거나 모드변환이 수행되어 투과(214)되거나, 모드변환없이 반사(213)되거나 모드변환이 수행되어 반사(215)될 수 있다. Accordingly, the incident acoustic wave 211 may be transmitted 212 without mode conversion or transmitted 214 by performing mode conversion, reflection 213 without mode conversion, or reflection 215 by performing mode conversion.
이 경우, 상기 이중층의 이방성매질(200)의 제1 매질(210) 및 제2 매질(220)들 각각은 도 13에 도시된 바와 같은 서로 거울대칭을 갖는 제1 미소구조(230) 및 제2 미소구조(240)를 가질 수 있다. In this case, each of the first medium 210 and the second medium 220 of the anisotropic medium 200 of the bilayer each have a first microstructure 230 and a second mirror symmetry with each other as shown in FIG. 13. It may have a microstructure 240.
즉, 상기 제1 및 제2 미소구조들(230, 240)이 반복되는 구조의 이방성매질(200)을 통해 이른바, 탄성메타물질을 구현할 수 있다. That is, the so-called elastic meta material may be realized through the anisotropic medium 200 having the structure in which the first and second microstructures 230 and 240 are repeated.
이상에서는, 2차원 평면 형상의 이방성매질에 대하여 탄성파가 수직으로 입사하는 경우에 대하여 한정하여 설명하였다. In the above, the case where the elastic wave is perpendicularly incident on the two-dimensional planar anisotropic medium has been described.
그러나, 상기 2차원 평면 형상의 이방성매질에 대하여 탄성파가 경사입사하는 경우는 물론이며, 3차원 공간상에서 탄성파가 입사하는 경우로도 확장되어 적용이 가능하게 된다. However, it is possible to extend and apply to the case where the elastic wave is obliquely incident on the two-dimensional planar anisotropic medium and also when the elastic wave is incident on the three-dimensional space.
특히, 3차원 공간상에서 탄성파가 입사하는 경우에는 전단파는 수평방향과 수직방향으로 진동하는 수평전단파(shear horizontal wave)와 수직전단파(shear vertical wave)가 존재하며, 이 경우 상기 이방성매질이 어떤 모드결합계수를 가지는 가에 따라 종파와 횡파 간의 모드변환공진 뿐만 아니라, 수평횡파와 수직횡파 사이의 모드변환공진도 발생이 가능하다. In particular, when a seismic wave is incident on a three-dimensional space, a shear wave includes a shear horizontal wave and a shear vertical wave that vibrate in a horizontal direction and a vertical direction, and in this case, the anisotropic medium is modulated in any mode. Depending on whether the coefficient has a coefficient, the mode conversion resonance between the horizontal and vertical waves as well as the mode conversion resonance between the vertical and horizontal waves can be generated.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도들이다. 14A to 14F are cross-sectional views illustrating microstructures of anisotropic media according to other embodiments of the present invention.
도 14a 내지 도 14c에 도시된 미소구조들은 탄성파 모드변환공진을 구현할 수 있는 이방성매질의 미소구조들의 예로서, 상기 미소구조들의 형태, 치수, 위상 또는 빈 공간의 개수 등을 서로 다르게 구성함으로써 모드변환 파브리, 페로의 공진조건들을 만족하는 다양한 이방성매질을 구현할 수 있게 된다. The microstructures shown in FIGS. 14A to 14C are examples of the microstructures of the anisotropic medium capable of implementing the acoustic wave mode conversion resonance. Various anisotropic media satisfying the resonance conditions of Fabry and Ferro can be realized.
예를 들어, 도 14a에 도시된 바와 같이, 서로 다른 물질이 접하는 경계선이 한 개인 단일위상을 가지는 슬릿(slit)(310)이나 휘어진 슬릿 형태의 미소구조가 반복되어 상기 이방성매질(300)을 구현할 수 있다. For example, as shown in FIG. 14A, a slit 310 or a curved slit-like microstructure having a single phase in which different materials contact each other may be repeated to implement the anisotropic medium 300. Can be.
도 14b에 도시된 바와 같이, 한 개의 단일위상을 가지는 슬릿(311)과 이에 수직인 또 다른 슬릿(312)이 반복되는 형태로 상기 이방성매질(301)을 구현할 수 있다. 특히, 도 14b의 슬릿 구조를 통해 거의 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킬 수 있다. As shown in FIG. 14B, the anisotropic medium 301 may be implemented in a form in which a slit 311 having one single phase and another slit 312 perpendicular thereto are repeated. In particular, through the slit structure of FIG. 14B, it is possible to generate almost perfect mode conversion Fabry and Ferro resonances.
도 14c에 도시된 바와 같이, 기울어진 형태의 공진기(410)가 포함된 미소구조가 반복되어 상기 이방성매질(400)을 구현할 수도 있다. As shown in FIG. 14C, the microstructure including the inclined resonator 410 may be repeated to implement the anisotropic medium 400.
또한, 다양한 형태의 미소구조들(510, 520, 530, 540)이 서로 복합적으로 결합된 슈퍼셀(500)을 통해서도 이방성매질을 구현할 수 있으며, 이 경우, 상기 슈퍼셀의 크기는 입사파의 파장보다 작아야 하며, 주기성(periodicity)을 가져야 한다. 이러한 단위셀 또는 슈퍼셀의 모양은 도 14d 및 도 14f에 도시된 바와 같이, 직사각형(610), 육각형(710)이 될 수 있어, 일정한 주기를 가지면서 이방성매질(600, 700)을 구현할 수 있게 된다. In addition, the anisotropic medium may be realized through the supercell 500 in which the microstructures 510, 520, 530, and 540 of various shapes are combined with each other. In this case, the size of the supercell is the wavelength of the incident wave. It must be smaller and have periodicity. As shown in FIGS. 14D and 14F, the unit cell or the super cell may have a rectangular shape 610 and a hexagonal shape 710, so that the anisotropic medium 600 and 700 may be implemented at regular intervals. do.
상기 이방성매질의 미소구조는 정사각형 또는 직사각형 형상 외에, 평행사변형, 육각형, 그 외 다각형 등과 같은 주기적 배열이 가능한 모든 단위셀 형상을 포함할 수 있으며, 단일상(single phase) 뿐만 아니라 두 개 이상의 서로 다른 물질을 포함하는 다중상(multi-phase)으로 구성될 수도 있다. The microstructure of the anisotropic medium may include all unit cell shapes capable of periodic arrangement such as parallelograms, hexagons, and other polygons, in addition to square or rectangular shapes, and not only a single phase but also two or more different shapes. It may also consist of a multi-phase comprising material.
또한, 상기 미소구조를 이루는 물질은 고체뿐만 아니라 유체일 수도 있다. In addition, the microstructured material may be a fluid as well as a solid.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 예를 도시한 단면도들이다. 15A to 15C are cross-sectional views illustrating examples of anisotropic media according to other embodiments of the present invention.
도 15a를 참조하면, 상기 이방성매질(200)은 서로 다른 2개의 매질들(210, 220)이 서로 연속되어 구성될 수 있으며, 도 15b를 참조하면, 상기 이방성매질(800)은 서로 다른 2개의 매질들(810, 820)이 앞서 설명한 바와 같이 거울대칭적 미소구조를 포함하며 서로 연속되어 구성될 수 있다. Referring to FIG. 15A, the two anisotropic media 200 may be configured to have two different media 210 and 220 continuous to each other. Referring to FIG. 15B, the anisotropic media 800 may have two different media. The media 810, 820 may comprise mirror symmetric microstructures as described above and may be configured to be continuous with each other.
또한, 도 15c를 참조하면, 상기 이방성매질(900)은 서로 다른 3개의 매질들(910, 920, 930)이 서로 연속되어 구성될 수도 있다. In addition, referring to FIG. 15C, the three anisotropic media 900 may be configured such that three different media 910, 920, and 930 are continuous with each other.
한편, 도시하지는 않았으나, 상기 도 15a 내지 도 15c의 각각의 매질들이 다중층(multilayer)으로써 서로 반복되어 구성됨으로써 이방성매질을 구성할 수도 있다. Although not shown, the media of FIGS. 15A to 15C may be repeatedly configured with each other as a multilayer to form an anisotropic media.
이상과 같이, 다양한 미소구조의 메타물질과 여러 겹의 계층 구성을 통해 이방성매질이 더욱 다양한 물성치를 갖게 되며, 이에 따라 주파수광대역 고효율모드변환이나 특정 주파수에 선택적인 주파수협대역 고효율모드변환을 수행할 수 있다. As described above, the anisotropic medium has more various physical properties through various microstructured metamaterials and multiple layers, and thus, it is possible to perform frequency wideband high efficiency mode conversion or selective narrowband high efficiency mode conversion for a specific frequency. Can be.
본 발명의 실시예들에 의하면, 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 조건을 만족시키는 이방성 매질을 통해 탄성파의 모드변환을 수행할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, the mode conversion of the seismic wave may be performed through an anisotropic medium satisfying the condition in which the resonance of the mode conversion Fabry and Ferro occurs.
특히, 상기 이방성 매질이 다양한 구조 및 다양한 재질을 통해 구현될 수 있어, 다양한 특성의 탄성파 모드변환을 수행할 수 있으며, 이를 위해 기술적 필요에 따른 다양한 조합의 구조체를 제작할 수 있다. In particular, the anisotropic medium can be implemented through a variety of structures and various materials, it is possible to perform the acoustic wave mode conversion of various characteristics, for this purpose it can be produced a structure of various combinations according to the technical needs.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the foregoing has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.

Claims (17)

  1. 외부 등방성매질 사이에 위치하여 이방성계층으로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 투과현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가, It is located between the external isotropic media and causes the multimode transmission phenomenon for the specific mode of acoustic wave incident as anisotropic layer, has non-zero mode-coupling stiffness constant, and the frequency with the elastic coefficients. According to the thickness of the anisotropic layer,
    동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (2) 또는, Equation (2) or
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000030
    식 (2)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000030
    Formula (2)
    (kql: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수, kqs: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),(k ql : wave number in quasi-longitudinal mode of anisotropic medium, k qs : wave number in quasi-shear mode of anisotropic medium, d: thickness of anisotropic medium, n: arbitrary integer),
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000031
    식 (3)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000031
    Formula (3)
    (m: 임의의 정수)(m: random integer)
    반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (3)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시키는 모드변환용 이방성 매질. An anisotropic medium for mode conversion which generates resonance of mode conversion Fabry and Ferro by satisfying Equation (3), which is an opposite phase matching condition.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 이방성매질이 상기 식 (2) 및 식 (3)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (4)를 만족시키며, When the anisotropic medium satisfies the formulas (2) and (3), the elastic modulus of the anisotropic medium satisfies the following formula (4),
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000032
    식 (4)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000032
    Formula (4)
    (C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, p: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)(C 11 : longitudinal (or compressive) modulus, C 66 : transverse (or shear) modulus, C 16 : modulus of modulus of modulus, p: mass density of anisotropic media, f TFPR : modal change Fabry, Ferro resonant frequency )
    입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어, It shows the symmetric transmittance and reflectance frequency response with respect to the incident acoustic wave based on the resonant frequency of mode conversion Fabry and Ferro,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000033
    식 (5)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000033
    Equation (5)
    상기 식 (5)와 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능한 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. Anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the prediction or selection of the resonant frequency that the mode conversion occurs to the maximum between the longitudinal wave and the transverse wave as shown in the equation (5).
  3. 제1항에 있어서, 상기 입사되는 탄성파에 대하여,The method of claim 1, wherein the incident acoustic wave,
    C11 = C66 식 (6) C 11 = C 66 (6)
    (C11 : 이방성매질의 종탄성계수, C66 : 이방성매질의 전단탄성계수)(C 11 : longitudinal modulus of anisotropic media, C 66 : shear modulus of anisotropic media)
    상기 식 (6)의 파동분극매칭조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. An anisotropic medium for mode conversion characterized by satisfying the wave polarization matching condition of the formula (6).
  4. 제3항에 있어서, The method of claim 3,
    상기 이방성매질이 상기 식 (6)을 만족시키는 경우, 준종파 및 준횡파 고유모드들의 입자진동방향이 수평에서 ±45°의 각도를 이루고, When the anisotropic medium satisfies Equation (6), the particle vibration directions of quasi-long wave and quasi-transverse eigen modes form an angle of ± 45 ° from horizontal,
    탄성계수들은 하기 식 (7)을 만족시키며, Elastic modulus satisfies the following equation (7),
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000034
    식 (7)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000034
    Formula (7)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000035
    식 (8)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000035
    Formula (8)
    입사하는 종파(횡파)가 횡파(종파)로 완벽하게 변환되어 투과되는 완벽한 모드변환 공진주파수는 상기 식 (8)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. An anisotropic medium for mode conversion, wherein a perfect mode conversion resonant frequency in which incident longitudinal waves (transition waves) are completely converted into transverse waves (long waves) and transmitted satisfies Equation (8).
  5. 제1항에 있어서, 상기 이방성매질은, The method of claim 1, wherein the anisotropic medium,
    서로 거울 대칭성을 가지는 제1 및 제2 매질들을 포함하며,First and second media having mirror symmetry with each other,
    상기 제1 및 제2 매질들은, The first and second media,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000036
    식 (9)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000036
    Formula (9)
    (
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000037
    : 제1 매질(210)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합 탄성계수,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000038
    : 제2 매질(220)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합관련 탄성계수,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000039
    : 제1 및 제2 매질들의 질량밀도)
    (
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000037
    : Longitudinal modulus, shear modulus, modulus of modulus of elasticity of the first medium 210,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000038
    : Young's modulus, shear modulus and modulus-related modulus of elasticity of the second medium 220,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000039
    : Mass density of the first and second media)
    상기 식 (9)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. Anisotropic medium for mode conversion, characterized by satisfying the above formula (9).
  6. 제5항에 있어서, The method of claim 5,
    상기 제1 및 제2 매질들 각각은 반복되는 제1 및 제2 미소구조들을 포함하여, 탄성메타물질로 구현되는 모드변환용 이방성 매질. Each of the first and second media includes repeating first and second microstructures, wherein the anisotropic medium for mode conversion is implemented with an elastic metamaterial.
  7. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    서로 다른 물질이 접하는 경계선이 한 개인 단일위상을 가지는 슬릿(slit) 또는 휘어지거나 찌그러진 슬릿 형태의 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. An anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the microstructure of the slit (slit) or curved or crushed slit form having a single phase with a boundary between different materials is repeatedly implemented.
  8. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    기울어진 형태의 공진기가 포함된 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. Anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the microstructure including the inclined resonator is repeatedly implemented.
  9. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    입사파의 파장보다 작은 크기를 가지며, 주기성을 가지는 슈퍼셀을 포함한 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. An anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the microstructure including a supercell having a size smaller than the wavelength of the incident wave and having a periodicity is repeatedly implemented.
  10. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    정사각형, 직사각형, 평행사변형, 육각형 및 그 외 다각형 중 어느 하나의 단위셀 형상이 미소구조를 포함하여 주기적 배열되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. Anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the unit cell shape of any one of a square, a rectangle, a parallelogram, a hexagon, and other polygons are implemented in a periodic arrangement including a microstructure.
  11. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    서로 다른 2개 이상의 물질들로 구성된 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. Anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the microstructure composed of two or more different materials is repeated.
  12. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    유체 또는 고체를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. Anisotropic medium for mode conversion comprising a fluid or a solid.
  13. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 외부매질들은 등방성 고체 또는 등방성 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. The external medium is anisotropic medium for mode conversion, characterized in that it comprises an isotropic solid or isotropic fluid.
  14. 외부 등방성매질의 일 측에 위치하고 다른 측은 자유단 또는 고정단인 이방성계층으로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 반사현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가, An anisotropic layer, located at one side of the outer isotropic medium and the other side is a free or fixed end, which causes multiple modes of reflection on the incident modulus, and non-mode-coupling stiffness constants. The thickness of the anisotropic layer according to the elastic modulus and the excitation frequency
    동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (10) 또는, Equation (10) or
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000040
    식 (10)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000040
    Formula (10)
    (kql: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수, kqs: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),(k ql : wave number in quasi-longitudinal mode of anisotropic medium, k qs : wave number in quasi-shear mode of anisotropic medium, d: thickness of anisotropic medium, n: arbitrary integer),
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000041
    식 (11)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000041
    Formula (11)
    (m: 임의의 정수)(m: random integer)
    반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (11)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시키는 모드변환용 이방성 매질. An anisotropic medium for mode conversion which generates resonance of mode conversion Fabry and Ferro by satisfying Equation (11), which is an opposite phase matching condition.
  15. 제14항에 있어서, The method of claim 14,
    상기 이방성매질이 상기 식 (10) 및 식 (11)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (12)를 만족시키며, When the anisotropic medium satisfies the formulas (10) and (11), the elastic modulus of the anisotropic medium satisfies the following formula (12),
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000042
    식 (12)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000042
    Formula (12)
    (C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, p: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)(C 11 : longitudinal (or compressive) modulus, C 66 : transverse (or shear) modulus, C 16 : modulus of modulus of modulus, p: mass density of anisotropic media, f TFPR : modal change Fabry, Ferro resonant frequency )
    입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어, It shows the symmetric transmittance and reflectance frequency response with respect to the incident acoustic wave based on the resonant frequency of mode conversion Fabry and Ferro,
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000043
    식 (13)
    Figure PCTKR2017006518-appb-I000043
    Formula (13)
    상기 식 (13)와 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능한 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질. The anisotropic medium for mode conversion, characterized in that the prediction or selection of the resonant frequency that the mode conversion occurs to the maximum between the longitudinal wave and the transverse wave as shown in the equation (13).
  16. 제1항 또는 제14에 있어서, The method according to claim 1 or 14,
    상기 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패치 모드변환기를 포함하며, It includes a meta-patch mode converter including the anisotropic medium for mode conversion,
    상기 메타패치 모드변환기의 저면에 시편을 위치시키고, 상기 메타패치 모드변환기의 상부에 종파를 입사시키고, 상기 시편의 결함에 의해 반사되는 결함신호가 상기 메타패치 모드 변환기를 투과하여 계측되는 것을 특징으로 하는 전단초음파 트랜스듀서. A specimen is placed on the bottom of the metapatch mode converter, a longitudinal wave is incident on the metapatch mode converter, and a defect signal reflected by the defect of the specimen is transmitted through the metapatch mode converter. Shear ultrasonic transducer.
  17. 제1항 또는 제14에 있어서, The method according to claim 1 or 14,
    상기 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패널 모드변환기; 및A metapanel mode converter including the mode converting anisotropic medium; And
    상기 메타패널 모드변환기의 양측에 결합된 고체매질들을 포함하고, Solid media coupled to both sides of the metapanel mode converter,
    유체매질들이 상기 고체매질들의 외측에 각각 결합되어, 일측 유체매질을 통해 외부 음원으로부터 발생된 종파를 입사시켜 다른 측의 유체매질로 음원의 투과를 차단하는 차음패널. And a fluid medium coupled to the outside of the solid media, respectively, to inject a longitudinal wave generated from an external sound source through one fluid medium to block transmission of the sound source to the fluid medium of the other side.
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