WO2019172556A1 - 지향성 음향 장치 - Google Patents

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WO2019172556A1
WO2019172556A1 PCT/KR2019/001988 KR2019001988W WO2019172556A1 WO 2019172556 A1 WO2019172556 A1 WO 2019172556A1 KR 2019001988 W KR2019001988 W KR 2019001988W WO 2019172556 A1 WO2019172556 A1 WO 2019172556A1
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WO
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grooves
admittance
cell region
flat plate
width
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/001988
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English (en)
French (fr)
Inventor
송경준
허신
이덕규
이은중
Original Assignee
한국기계연구원
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/32—Sound-focusing or directing, e.g. scanning characterised by the shape of the source
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/34—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means
    • H04R1/345—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means for loudspeakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/34—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means

Definitions

  • the present invention relates to a directional acoustic device. More particularly, the present invention relates to a directional acoustic device capable of emitting a long distance sound in a desired direction even on a planar surface.
  • the general apparatus for outputting sound is omnidirectional, the sound emitted from the omnidirectional sound generator is spread evenly in all directions.
  • directional sound output that emits sound only in a specific direction is an area of interest.
  • Another object of the present invention is to provide a directional acoustic device with high space efficiency, which can be implemented with a planar surface.
  • a directional acoustic device includes a flat plate having a plurality of grooves formed on a surface thereof, and a sound wave generator for radiating sound waves from the surface of the flat plate to the outside. ) And the interval p are smaller than the wavelength of the sound wave.
  • the flat plate includes a plurality of cell regions including at least one groove. The structure of the grooves included in one cell region is formed differently from that of the grooves included in the adjacent cell region, so that surface admittance values are different between the adjacent cell regions.
  • the depth d of the groove included in the one cell region may be different from the depth of the groove included in the adjacent cell region.
  • the spacing p of the grooves and the width w of the grooves are equal to each other, and a curve is repeated at a predetermined period (a) by connecting all of the center points c on the bottom surface of the groove. Can be formed.
  • the curve may be concave inwardly from the surface of the flat plate, and may be in the form of a repeating wave.
  • the width w of the groove included in the one cell region may be different from the width w of the groove included in the adjacent cell region.
  • the spacing p of the grooves and the depth d of the grooves are equal to each other, and the width w of the grooves may be increased or decreased at a constant period a.
  • the spacing p of the grooves included in the one cell region may be different from the spacing p of the grooves included in the adjacent cell region.
  • the width (w) of the grooves and the depth (d) of the grooves are equal to each other, the spacing (p) of the grooves can be increased or decreased by a certain period (a).
  • the surface admittance values of the plurality of cell regions may be combined to form a sinusoidal modulated admittance surface of the flat plate.
  • the surface admittance (Y) in each cell region may be the normal particle velocity of the particle in the surface relative to the pressure of the sound source at the surface in each cell region.
  • the admittance Y of the sinusoidal modulated admittance surface is in the x-axis direction.
  • the surface of the flat plate is divided into a plurality of cell regions, and the surface admittance values of the plurality of cell regions are combined to form a sinusoidal modulated admittance surface.
  • the surface admittance value (Y) of each cell region in the x-axis direction corresponding to each groove is ,
  • Is the surface admittance average constant value Is the surface admittance of the surrounding medium
  • M is the modulation factor
  • a is the modulation period
  • k o is the free space wave number
  • x is the location on the surface
  • w is the width of the grooves
  • p is the spacing of the grooves
  • d is the depth of the grooves.
  • the admittance Y of the sinusoidal modulated admittance surface is in the radial direction.
  • the surface of the plate may be divided into a plurality of cell regions, and the surface admittance values of the plurality of cell regions may be combined to form an sine-modulated admittance surface.
  • the plurality of grooves may be formed in a concentric shape around the sound wave generator, the plurality of grooves may be formed in a parallel line shape around the sound wave generator.
  • the directional acoustic device may further include a sound wave receiving unit for receiving sound waves incident on the surface of the flat plate from the outside.
  • the present invention has the effect of providing a directional acoustic device with high space efficiency by using a flat plate.
  • the present invention has a sinusoidal modulated admittance surface can convert the surface wave into a far-field radiation in a specific direction, and by changing the physical structure design of the acoustic device surface by implementing the sinusoidal modulated admittance surface by the physical structure design of the acoustic device surface This has the effect of providing a directional acoustic device capable of controlling the desired radiation direction and radiation width.
  • 1 is a schematic diagram for defining surface admittance.
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a directional acoustic device according to one embodiment of the present invention having an admittance surface sinusoidally modulated in a radial direction on a circular plate.
  • FIG. 3 is a diagram showing that the surface wave is converted into a far-field radiation wave by the surface wave propagation in the sinusoidal modulated surface and the admittance surface sinusoidally modulated in the x-axis direction.
  • FIG. 4 is a diagram showing dividing a sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface by the value of each cell region.
  • FIG. 5 is a view showing a groove structure formed to implement sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface.
  • FIG. 6 shows another example of a groove structure formed to implement sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface.
  • FIG. 7 illustrates another example of a groove structure formed to implement sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing characteristics of the directional acoustic device according to the embodiment of the present invention having the groove structure shown in FIG.
  • 10A and 10B show simulation results of a directional acoustic device when an omnidirectional acoustic source is applied to a flat plate surface.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a directional acoustic device of a flat plate of the present invention.
  • FIG. 12A to 12E are diagrams showing experimental results of a directional acoustic device according to another embodiment of the present invention as shown in FIG.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing surface waves radiated in a vertical direction by a leakage mode by a surface sinusoidally modulated in a radial plate on a circular plate.
  • 14A to 14E are diagrams showing the results of acoustic radiation experiments on a sine-modulated surface in a circular plate.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for defining surface admittance, and before describing embodiments of the present invention, the surface admittance is defined with reference to FIG. 1.
  • surface admittance corresponds to the inverse of the surface impedance and is determined by the relationship between the pressure on the surface and the particle velocity.
  • the same information can be obtained through the inverse of the surface impedance.
  • the surface admittance is defined as the normal particle velocity in the surface in the vertical direction with respect to the pressure of the sound source on the surface, as shown in Equation 1 below.
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a directional acoustic device according to one embodiment of the present invention having an admittance surface sinusoidally modulated in a radial direction on a circular plate.
  • FIG. 3 is a diagram showing that the surface wave is converted into a far-field radiation wave by the surface wave propagation in the sinusoidal modulated surface and the admittance surface sinusoidally modulated in the x-axis direction.
  • 4 is a diagram showing dividing a sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface by the value of each cell region.
  • 5 is a view showing a groove structure formed to implement sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface.
  • FIG. 2 shows a directional acoustic device 1 according to an embodiment of the invention.
  • the directional acoustic device 1 includes a flat plate 10 and a sound wave generator 20 for radiating sound waves from the surface of the flat plate to the outside.
  • the flat plate 10 is shown in FIG. 2 as a cutaway perspective view having a semicircular plate shape having a predetermined height, the flat plate 10 may have a circular plate shape having a predetermined height.
  • the sound wave generator 20 is located at the center of the flat plate 10.
  • the directional acoustic device has a wavy groove structure to implement an admittance surface sine-modulated in a radial direction on a circular flat plate as shown in FIG. 2.
  • the sound wave when the sound wave is radiated from the flat plate, the sound wave is omnidirectional, so that the sound emitted from the omnidirectional sound generator is spread evenly in all directions.
  • the surface wave is converted into a far field wave in a specific direction by the admittance surface sinusoidally modulated in the x-axis direction, so that the sound wave from the sound wave generator 20 Can be delivered in any desired direction, while still gaining higher gains than conventional methods.
  • the flat plate 10 forms a plurality of grooves 11 having a width and a spacing smaller than the wavelength of sound waves on the flat plate surface as shown in FIG. 2.
  • the sound wave from the sound wave generator 20 can be transmitted in a specific direction desired.
  • the directional acoustic device may be implemented in various forms such as a speaker, a long range ultrasonic sensor, an acoustic microfluidic device, a sonar, and the like according to the type of sound waves emitted from the sound wave generator 20.
  • the apparatus may further include a sound wave receiver configured to receive sound waves incident from the outside to the surface of the flat plate for sensing information.
  • the directional acoustic device 1 allows the surface of the flat plate 10 to have a mathematically sinusoidal surface admittance, as shown below (Equation 3).
  • M is the modulation factor
  • a is the modulation period
  • r is the position on the surface in the radial direction.
  • the surface of the flat plate has an acoustically open guide structure, and the sinusoidal modulated admittance surface (SMAS) converts the surface wave of the flat plate into a far-field radiation in a specific direction, thereby providing a high gain surface. Guided to the acoustic antenna.
  • SMAS sinusoidal modulated admittance surface
  • the directional acoustic device 1 divides the surface of the flat plate into a plurality of cell regions and physically adsorbs the surface admittances of the plurality of cell regions to physically implement a surface having mathematically sinusoidally modulated admittance. The values were combined so that the surface of the flat plate made up the sinusoidal modulated admittance surface.
  • an admittance average value Y corresponding to a corresponding region is a cell formed of a plurality of different structures using a structure that is very smaller than a wavelength. Should be implemented to have each cell area.
  • each cell region has one groove, and the surface admittance Y of each cell region having one groove is shown. Can be expressed as (Equation 4).
  • w is the width of the groove
  • p is the spacing
  • k o is the free space wave
  • d is the depth of the groove.
  • the groove depth when the groove width w and the groove spacing p are constant (d) shows the form of increase and decrease at regular intervals.
  • the depth d of the groove is increased or decreased to form a curved surface repeated at a predetermined period (a).
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for convenience of description.
  • a curved line of a predetermined period is illustrated in the case of connecting a center point. When connected, the curved surface is repeated at regular intervals.
  • the formed curved surface is a concave curved surface embedded inwardly from the surface of the plate-like plate, the curved surface is repeated at a predetermined period (a) to form a curved surface as a whole.
  • the groove structure for implementing the sinusoidal modulated admittance can be variously formed, an example of which is illustrated in FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 6 shows another example of a groove structure formed to implement sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface.
  • the width of the grooves is kept constant while the depth d of the grooves and the spacing p of the grooves are kept constant.
  • the sinusoidal modulated admittance can be implemented.
  • the intervals p of the grooves are all constant, but the widths w1, w2,..., W6 of the grooves adjacent to each other increase or decrease in a constant period, or decrease and then increase. Can be formed.
  • the period in which the width increases or decreases, or the amount of change in each width in the case of increasing or decreasing the width may be variously changed.
  • FIG. 7 illustrates another example of a groove structure formed to implement sinusoidal modulated admittance of a flat plate surface.
  • the sinusoidal modulated admittance is similarly increased by increasing or decreasing the interval p of the groove at a predetermined period while keeping the groove depth d and the groove width w constant.
  • the widths w of the grooves are all constant, but the intervals p1, p2,..., And p6 of the grooves adjacent to each other increase and decrease or decrease with a constant period a. Can be formed in increasing form.
  • the period in which the interval increases or decreases, or the amount of change in each interval in the case of increasing or decreasing may be variously changed.
  • the width w and the width of the groove as shown in FIG. When the distance p of the grooves is made constant, the depth d of the grooves will be described in more detail with respect to the directional acoustic device 1 according to the embodiment of the present invention through an embodiment in the form of increasing and decreasing at regular intervals.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing characteristics of the directional acoustic device according to the embodiment of the present invention having the groove structure shown in FIG.
  • FIGS. 8A-9B show a diagram for explaining sinusoidal modulated admittance surface features of a directional acoustic device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A a cross-sectional view of the planar plate 10 sinusoidally modulated in the x-axis direction on the xy plane of the directional acoustic device 1 according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 8A, as shown in FIG. 8B.
  • SMAS sinusoidal modulation admittance surface
  • the wave propagating along the surface of the flat plate may be represented in the form of an infinite number of spatial frequencies (or Floquet mode), as shown in Equation (5).
  • k x is the propagation wave along the x-direction surface.
  • Sine admittance modulation also leads to a closed form of characteristic variance in the form of continuous fractions.
  • k x is the propagation wave along the surface in the x direction
  • k 0 is the free space wave
  • ⁇ is a phase constant
  • ⁇ is an attenuation coefficient
  • surface waves with very high intensity are Can be obtained using
  • k 0 a exceeds the threshold ( ⁇ ⁇ k 0 )
  • the presence of another harmonic mode changes the surface wave of one or more of the surface coupling modes to a far-field radiation.
  • reverse radiation is converted into forward radiation.
  • the directional acoustic device 1 may independently design the radiation direction and the beam width of the sound wave through the wave pattern design formed by the plurality of grooves.
  • the directional acoustic device may be configured such that a plurality of grooves formed in the flat plate 10 are formed concentrically around the sound wave generator 20.
  • FIG. 2 has already described only half of the circular flat plate so that the shape of the cross section is clearly shown.
  • 10A and 10B show simulation results of a directional acoustic device when an omnidirectional acoustic source is applied to a flat plate surface.
  • FIGS. 10A and 10B A finite element method (FEM) numerical simulation was performed as shown in FIGS. 10A and 10B to demonstrate the acoustic direct radiation characteristics of the sinusoidally modulated surface in the x-axis direction on a one-dimensional plane as shown in FIG. 5. .
  • FEM finite element method
  • the FEM simulation shows a broadside sound beam forming on the surface with directivity around the frequency 21750 Hz (k 0 a-4.02) as shown in FIG. 10B. Because the structures are designed as a frequency dispersion characteristics could be obtained in the normal direction of radiation 30 ° 19300Hz (k 0 a ⁇ 3.360) reverse radiation -30 ° and 23350Hz (k 0 a ⁇ 4.392) in each. That is, it was confirmed that the surface wave was generated according to the surface direction of the structure as expected.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a directional acoustic device of a flat plate of the present invention.
  • the directional acoustic device may be configured such that a plurality of grooves formed in the flat plate 10 are formed in parallel with respect to the sound wave generator 20 as shown in FIG. 11.
  • the admittance (Y) of the sinusoidally modulated admittance surface is in the x-axis direction.
  • the surface of the flat plate is divided into a plurality of cell regions, and the surface admittance values of the plurality of cell regions are combined to form a sinusoidal modulated admittance surface.
  • the surface admittance value (Y) of each cell region in the x-axis direction corresponding to each groove is ,
  • Is the surface admittance average constant value Is the surface admittance of the surrounding medium
  • M is the modulation factor
  • a is the modulation period
  • k o is the free space wave number
  • x is the location on the surface
  • w is the width of the grooves
  • p is the spacing of the grooves
  • d is the depth of the grooves.
  • FIG. 12A to 12E are diagrams showing experimental results of a directional acoustic device according to another embodiment of the present invention as shown in FIG.
  • FIGS. 12A to 12E An acoustic scanning experiment was performed as illustrated in FIGS. 12A to 12E to demonstrate acoustic emission characteristics of the directional acoustic device according to the exemplary embodiment of the present invention as illustrated in FIG. 11.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing surface waves radiated in a vertical direction by a leakage mode by a surface sinusoidally modulated in a radial plate on a circular plate.
  • FIG. 13 illustrates a beam shape in which a surface wave is generated in a circular pattern having an admittance surface sinusoidally modulated in the radial direction shown in FIG. 2, and the surface wave radiates vertically from the surface at a specific frequency.
  • 14A to 14E are diagrams showing the results of acoustic radiation experiments on a sine-modulated surface in a circular plate.
  • the directional acoustic device 1 has designed the shape of the groove so that the surface of the plate-shaped plate having a plurality of grooves formed on the surface thereof forms a mathematically sinusoidal admittance surface.
  • the surface wave may be converted into a far-field radiation in a specific direction to form a directional acoustic beam having a high gain.
  • the wave pattern design enables not only independent design of the radiation direction and beam width, but also optimal design for high performance according to the frequency band of the sound wave.

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Abstract

본 발명은 지향성 음향 장치에 관한 것으로, 평판형 플레이트와 음파발생부를 포함하며, 평판형 플레이트 표면의 물리적 구조를 통해 평판형 플레이트 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 형성하도록 하여 표면파를 특정 방향의 원거리 방사파로 변환되도록 함으로써 높은 이득의 지향성 음향 장치를 구현할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

지향성 음향 장치
본 발명은 지향성 음향 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 평면형 표면에서도 원하는 방향으로 음향을 원거리 방사할 수 있는 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
음향을 출력하는 일반적인 장치는 무지향성을 가지므로 무지향성 음향 발생장치에서 방출되는 음향은 모든 방향으로 고르게 퍼져나가게 된다.
따라서 해당 음향을 청취하고 싶어 하지 않는 주변 사람들에게도 전달되는 문제가 있다.
또한 모든 방향으로 분산됨에 따라 해당 음향을 전달해야 할 특정 방향으로는 원하는 크기로 음향이 전달되지 않거나 원거리까지 음향을 전달할 수 없는 문제가 있다.
이에 음향 응용 분야에서는 특정한 방향으로만 음향을 방사하는 지향성 음향 출력이 관심의 영역이다.
이러한 지향성 음향 출력의 방법으로 복수 개의 음향 발생 장치를 사용하거나 음향 발생 장치 앞에 깔대기 모양의 혼을 사용하는 방법 등이 있었다.
그러나 이러한 방법은 많은 공간을 차지하게 되므로 지향성을 가지면서도 공간 효율이 높은 새로운 형태의 음향 발생 장치의 개발이 필요한 실정이다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-0267956호가 있다.
본 발명의 목적은 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 평면형 표면으로 구현될 수 있어 공간 효율성이 높은 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계에 의해 특정 방향으로 멀리 음향을 방사할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정현 변조된 어드미턴스 표면(Sinusoidal Modulated Admittance Surface)를 가짐으로써 표면파를 특정 방향의 원거리 방사파로 변환할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계 변경으로 원하는 방사 방향과 방사 폭을 제어할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 표면에 복수 개의 홈들이 형성되어 있는 평판형 플레이트 및 상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부를 포함하며, 상기 홈의 폭(w) 및 간격(p)은 상기 음파의 파장보다 작다. 상기 평판형 플레이트는 적어도 하나의 홈이 포함되는 복수의 셀 영역을 포함한다. 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 구조는 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 구조와 서로 다르게 형성되어, 인접하는 셀 영역들 사이의 표면 어드미턴스 값이 서로 다르다.
일 실시예에서, 상기 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 깊이(d)가 상기 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 깊이와 서로 다르게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 홈들의 간격(p) 및 상기 홈들의 폭(w)은 서로 동일하고, 상기 홈의 바닥면에서의 중심점(c)들을 모두 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡선을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 곡선은 상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 내측으로 오목하게 함입되고, 반복되는 물결 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 폭(w)이 상기 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 폭(w)과 서로 다르게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 홈들의 간격(p) 및 상기 홈들의 깊이(d)는 서로 동일하고, 상기 홈들의 폭(w)은 일정 주기(a)로 증감할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 간격(p)이 상기 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 간격(p)과 서로 다르게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 홈들의 폭(w) 및 상기 홈들의 깊이(d)는 서로 동일하고, 상기 홈들의 간격(p)은 일정 주기(a)로 증감할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 상기 평판형 플레이트의 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이룰 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각 셀 영역에서의 표면 어드미턴스(Y)는 상기 각 셀 영역에서의 표면에서의 음원의 압력에 대한 표면에서의 수직방향의 입자의 속도(normal particle velocity)일 수 있다.
일 실시예에서, 1차원 평판형 플레이트를 이용하여 정현 변조된 어드미턴스 표면을 구성할 때, 상기 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는 x축 방향으로
Figure PCTKR2019001988-appb-I000001
이고, 이러한 표면을 물리적으로 구현하기 위해서는 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 한다. 예를 들어 각 홈에 대응하는 x 축 방향의 각각의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값(Y)은
Figure PCTKR2019001988-appb-I000002
이며, 여기서
Figure PCTKR2019001988-appb-I000003
는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
Figure PCTKR2019001988-appb-I000004
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 인자, a는 변조 주기, ko는 자유공간 파수, x는 표면상의 위치, w는 홈의 폭, p는 홈의 간격, d는 홈의 깊이일 수 있다.
일 실시예에서, 2차원 원형 플레이트를 이용하여 정현 변조된 어드미턴스 표면을 구성할 때, 상기 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는 방사형(radial) 방향으로
Figure PCTKR2019001988-appb-I000005
이고, 이러한 표면을 물리적으로 구현하기 위해서는 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이룰 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 홈은 상기 음파발생부를 중심으로 한 동심원 형태로 형성되어 있으며, 상기 복수 개의 홈은 상기 음파발생부를 중심으로 평행선 형태로 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 지향성 음향 장치는 외부로부터 상기 평판형 플레이트의 표면으로 입사하는 음파를 수신하는 음파수신부를 더 포함할 수도 있다.
본 발명은 평판형 플레이트를 사용함으로써 공간 효율성이 높은 지향성 음향 장치를 제공하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 정현 변조된 어드미턴스 표면을 가짐으로써 표면파를 특정 방향의 원거리 방사파로 변환할 수 있으며, 정현 변조된 어드미턴스 표면을 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계에 의해 구현함으로써 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계 변경으로 원하는 방사 방향과 방사 폭을 제어할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 표면 어드미턴스를 정의하기 위한 모식도이다.
도 2는 원형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치를 보여주는 일부 절개 사시도이다.
도 3은 정현 변조되지 않는 표면에서의 표면파 진행과 x축 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면에 의해서 표면파가 원거리 방사파로 변환되는 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 각 셀 영역의 값으로 분할하는 것을 보여주는 도면이다.
도 5는 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 7은 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8d, 및 도 9a 및 도 9b는 도 5에 도시된 홈 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 특성을 보여주는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 평판형 플레이트 표면에 무지향성 음향 소스를 가했을 때에 지향성 음향 장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 평판형 플레이트의 지향성 음향 장치를 보여주는 사시도이다.
도 12a 내지 도 12e는 도 11에 도시된 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 13은 원형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 표면에 의해 표면파가 누설 모드에 의해 수직 방향으로 방사를 보여주는 개략도이다.
도 14a 내지 도 14e는 원형 플레이트에 정현 변조된 표면의 음향 방사 실험 결과를 보여주는 도면이다.
< 부호의 설명>
1: 지향성 음향 장치 10: 평판형 플레이트
11: 홈 20: 음파발생부
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 지향성 음향 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 지향성 음향 장치를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 발명의 설명에서 용어 "중심", "세로", "상", "하", "앞", "뒤", "좌", "우", "수직", "수평", "꼭대기", "바닥", "안", "밖" 등이 가리키는 방향이나 위치관계는 첨부된 도면이 가리키는 방향이나 위치관계를 기초로 것으로, 단지 본 발명을 해석하고 간략하게 설명하기 편리하게 하기 위한 것일 뿐, 가리키는 장치나 구성요소가 반드시 특정된 방향을 갖고 있다거나 특정된 방향으로 구성되고 조작된다는 것을 제시하거나 암시하는 것이 아니므로 본 발명에 대한 한정으로 이해해서는 안된다. 이 외에, 용어 "제 1", "제 2"는 단지 설명의 목적일 뿐 상대적인 중요성을 지시하거나 암시하는 것으로 이해해서는 안된다.
도 1은 표면 어드미턴스를 정의하기 위한 모식도이며, 본 발명의 실시예들을 설명하기 전에, 도 1을 참조하여 표면 어드미턴스를 정의한다.
일반적으로 표면 어드미턴스(surface admittance)란, 표면 임피던스의 역수에 해당하는 것으로, 표면에서의 압력과 입자 속도의 관계식으로 결정된다.
표면 임피던스를 통해서는, 부하나 저항, 및 압력과 입자 속도와의 위상차 정보를 획득할 수 있으므로, 표면에 압력을 인가하였을 때 입자 속도가 흐르는 것에 반하는 정도에 대한 정보를 획득할 수 있다.
따라서, 상기 표면 어드미턴스의 경우 상기 표면 임피던스의 역수를 통해 동일한 정보를 획득할 수 있다.
결국, 상기 표면 어드미턴스는 하기 (수학식 1)과 같이, 표면에서의 음원의 압력에 대한 표면에서의 수직방향의 입자의 속도(normal particle velocity)로 정의된다.
Figure PCTKR2019001988-appb-I000006
(수학식 1)
즉, 상기 표면 어드미턴스는 하기 (수학식 2)에서와 같이, 도 1에서 정의된 좌표에서, y=0인 표면에서의 압력에 대한 y=0인 표면에서의 수직방향의 입자의 속도로 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2019001988-appb-I000007
(수학식 2)
도 2는 원형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치를 보여주는 일부 절개 사시도이다. 도 3은 정현 변조되지 않는 표면에서의 표면파 진행과 x축 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면에 의해서 표면파가 원거리 방사파로 변환되는 것을 보여주는 도면이다. 도 4는 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 각 셀 영역의 값으로 분할하는 것을 보여주는 도면이다. 도 5는 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조를 보여주는 도면이다.
도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 평판형 플레이트(10)와 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부(20)를 포함하여 이루어진다.
상기 평판형 플레이트(10)는 도 2에는 절개된 사시도로서 소정의 높이를 가지는 반원형 플레이트 형상을 가지는 것으로 도시되고 있으나, 소정의 높이를 가지는 원형 플레이트 형상을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 음파발생부(20)는 상기 평판형 플레이트(10)의 중심에 위치하게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 원형의 평판형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 구현하기 위해 물결무늬 홈 구조를 가지고 있다.
일반적으로 도 3 왼쪽에 도시된 바와 같이 평판형 플레이트로부터 음파를 방사할 경우 음파는 무지향성을 가지므로 무지향성 음향 발생장치에서 방출되는 음향은 모든 방향으로 고르게 퍼져나가게 된다.
이에 반해 도 3 오른쪽에 도시된 바와 같이 x축 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면에 의해서 표면파(surface wave)가 특정 방향의 원거리 방사파(far field wave)로 변환됨으로써 음파발생부(20)로부터의 음파를 원하는 특정 방향으로 전달할 수 있으면서도 기존 방식보다 높은 이득을 얻을 수 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 플레이트(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 평판형 플레이트 표면에 음파의 파장보다 작은 폭과 간격을 갖는 복수 개의 홈(11)을 형성하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 함으로써 음파발생부(20)로부터의 음파가 원하는 특정 방향으로 전달될 수 있도록 한다.
이때 음파발생부(20)에서 방사하는 음파의 종류에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 스피커, 장거리 초음파 센서, 음향 마이크로 유체 장치, 수중 음파 탐지기 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 정보 센싱을 위해 외부로부터 상기 평판형 플레이트의 표면으로 입사하는 음파를 수신하는 음파수신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 평판형 플레이트(10)의 표면이 아래 (수학식 3)과 같이 수학적으로 사인파 형태의 표면 어드미턴스를 갖도록 한다.
Figure PCTKR2019001988-appb-I000008
(수학식 3)
여기서
Figure PCTKR2019001988-appb-I000009
는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
Figure PCTKR2019001988-appb-I000010
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 인자, a는 변조 주기, r은 방사형 방향의 표면상의 위치이다.
이러한 평판형 플레이트의 표면은 음향학적으로 열린 가이드 구조 형태를 가지게 되며, 정현 변조된 어드미턴스 표면(Sinusoidal Modulated Admittance Surface: SMAS)에 의해 평판형 플레이트의 표면파는 특정방향의 원거리 방사파로 변환되어 고 이득 표면 음향 안테나로 유도된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 수학적으로 정현 변조된 어드미턴스를 갖는 표면을 물리적으로 구현하기 위해 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 하였다.
보다 상세히 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이 이러한 정현 변조된 어드미턴스 값(Y)을 구현하기 위해서는 파장보다 매우 작은 구조체를 이용하여 복수개의 다른 구조물로 구현된 셀로 해당 영역에 맞는 어드미턴스 평균값(Y)을 각각의 셀 영역이 갖도록 구현하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)에서는 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 셀 영역이 하나의 홈을 갖도록 구성하였으며, 이때 하나의 홈을 갖는 각 셀 영역의 표면 어드미턴스(Y)는 (수학식 4)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019001988-appb-I000011
(수학식 4)
여기서
Figure PCTKR2019001988-appb-I000012
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, w는 홈의 폭, p 홈의 간격, ko는 자유공간 파수, d는 홈의 깊이이다.
(수학식 3)과 (수학식 4)를 만족시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 홈의 폭(w)과 홈의 간격(p)을 일정하게 할 때 홈의 깊이(d)는 일정 주기로 증감하는 형태를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이 서로 이웃하는 홈의 바닥면을 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡면을 이루도록 홈의 깊이(d)가 증감하는 형태로 나타난다.
즉, 도 5에서 상기 각각의 홈의 바닥면에서의 중심점(c)들을 모두 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡선을 형성하도록 상기 홈의 깊이가 증감할 수 있다. 이 때, 도 5는 설명의 편의상 단면도를 도시한 것으로, 도 5에서는 중심점을 연결하는 경우 일정 주기의 곡선을 형성하는 것이 예시되고 있으나, 상기 지향성 음향 장치에서는 바닥면의 중심을 관통하는 중심선들을 모두 연결하면 일정 주기로 반복되는 곡면을 형성하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 형성되는 곡면은 평판형 플레이트의 표면으로부터 내측으로 함입된 오목한 형태의 곡면이며, 이러한 곡면은 상기 일정 주기(a)로 반복되어 전체적으로 물결 형상을 가지는 곡면을 형성하게 된다.
한편, 상기 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위한 홈 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이러한 예는 하기 도 6 및 도 7에 예시된다.
도 6은 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, (수학식 3)과 (수학식 4)를 만족시키는 상기 지향성 음향 장치(1)에서, 홈의 깊이(d)와 홈의 간격(p)을 일정하게 유지하면서 홈의 폭(w)을 일정 주기(a)로 증감시킴으로써, 상기 정현 변조된 어드미턴스를 구현할 수 있다.
즉, 도 6에서 홈의 간격(p)은 모두 일정하지만, 서로 인접하는 홈의 폭들(w1, w2, ..., w6)은 일정한 주기로 증가하였다가 감소하거나, 또는 감소하였다가 증가하는 형태로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 폭이 증감하는 주기나, 증감하는 경우의 각각의 폭들의 변화량은 다양하게 변경될 수 있다.
도 7은 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 지향성 음향 장치(1)에서, 홈의 깊이(d)와 홈의 폭(w)을 일정하게 유지하면서 홈의 간격(p)을 일정 주기로 증감시킴으로서 마찬가지로 상기 정현 변조된 어드미턴스를 구현할 수 있으며, 이는 (수학식 4)를 통해 동일하게 이해할 수 있다.
즉, 도 7에서 홈의 폭(w)은 모두 일정하지만, 서로 인접하는 홈의 간격들(p1, p2, ..., p6)은 일정한 주기(a)로 증가하였다가 감소하거나, 또는 감소하였다가 증가하는 형태로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 간격이 증감하는 주기나, 증감하는 경우의 각각의 간격들의 변화량은 다양하게 변경될 수 있다.
이상과 같이, 지향성 음향 장치(1)의 정현 변조된 어드미턴스 표면 특징을 구현할 수 있는 홈의 구조의 예를 설명하였으나, 이하에서는 설명의 편의상, 도 5에 도시된 바와 같이 홈의 폭(w)과 홈의 간격(p)을 일정하게 할 때 홈의 깊이(d)는 일정 주기로 증감하는 형태의 실시예를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)에 대해 더 상세히 설명한다.
다만, 이러한 실시예에서의 특징이 홈의 간격이나 홈의 폭을 증감하는 형태로 구현할 때에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 8a 내지 도 8d, 및 도 9a 및 도 9b는 도 5에 도시된 홈 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 특성을 보여주는 도면이다.
도 8a 내지 도 9b도 9에 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 정현 변조된 어드미턴스 표면 특징들을 설명하기 위한 그림이 도시되어 있다.
우선, 도 8a에 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)의 x-y 평면상에서 x 축 방향으로 정현변조된 평판형 플레이트(10)의 단면도가 도시되어 있고, 도 8b에 도시된 바와 같이 표면을 따라 표면 탄성파의 방향이 x방향이라고 가정하여 사인파 변조 어드미턴스 표면(SMAS)을 고려한다. 이때 필드(Field)와 지오메트리(Geometry)는 z방향으로 불변하며, 수학적으로 x-y 평면의 변조된 표면은 앞서 설명한 (수학식 3)과 같은 형태를 보여준다.
이러한 주기적인 어드미턴스 변조로 인해, 평판형 플레이트의 표면을 따라 전파되는 파수는 (수학식 5)과 같이 무한 수의 공간 주파수(또는 Floquet 모드) 형태로 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2019001988-appb-I000013
(수학식 5)
여기서 kx는 x방향 표면을 따른 전파 파수이다.
또한 정현 어드미턴스 변조는 연속적인 분율 형태로 특징적인 분산 관계의 닫힌 형태를 유도한다.
Figure PCTKR2019001988-appb-I000014
(수학식 6)
여기서,
Figure PCTKR2019001988-appb-I000015
, kx는 x방향 표면을 따른 전파 파수, k0는 자유공간파수이고, (수학식 6)로부터 kx=β는 실수인 표면파와 kx=β-jα는 복소수인 누설파의 두 가지 형태의 유도파 솔루션(guided-wave solution)을 얻을 수 있으며, β는 위상상수이고, α는 감쇠계수이다.
도 8c는 평균 표면 어드미턴스
Figure PCTKR2019001988-appb-I000016
=1.2와 (수학식 6)로부터 변조 인자 M=0.5인 SMAS에 대한 분산 다이어그램을 보여준다.
M=0에서의 분산 곡선은 직선적인 빨간 점선,
Figure PCTKR2019001988-appb-I000017
로 표시되고, 방사각 β= k0는 파란색 점선으로 표시된다. 방사각(β〉k0) 아래에서 SMAS에 따라 곡면 모드가 존재한다. 개방 스톱 밴드는 SMAS의 고조파 모드로 인해 k0a~2.0부근에도 존재한다. 이 영역에서 강하게 국한된 표면 모드는 아래쪽 또는 위쪽 밴드 가장자리에서 얻을 수 있다. 또한 매우 높은 강도(intensity)를 갖는 표면파는 높은
Figure PCTKR2019001988-appb-I000018
를 사용하여 얻을 수 있다. 그러나 k0a가 임계값을 초과하면(β〈k0) 다른 고조파 모드의 존재로 인해 표면 결합 모드 중 하나 혹은 그 이상의 표면파가 원거리 방사파로 변화된다. 또한 분산관계를 통해 k0a가 증가함에 따라 역방향 방사선은 순방향 방사선으로 변환된다.
도 8d는 SMAS를 따른 누설률과 관련된 감쇠 계수 α를 보여준다. 예상대로, 정지 대역(stop band) 내의 종 방향(수평) 파수 kx에는 큰 감쇄 α가 있으며, 이는 유도 모드(guided-modes)가 없음을 의미한다. 임계값(β=k0) 위에는 SMAS에서의 누설로 인해 복소수 형태의 파수 kx가 존재한다.
도 9a 및 도 9b는 평균 표면 어드미턴스
Figure PCTKR2019001988-appb-I000019
=1.2이고 변조 인자가 각각 M=0.3, 0.5, 0.7일 때의 SMAS에 대한 분산 관계 및 감쇄인자의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 변조 인자 M이 증가함에 따라 누설률이 증가하여 BW~`a/k0에 의한 높은 빔폭을 나타내지만 방사각도 θ=sin-1(β/k0)는 거의 같다. 따라서 위상 상수 β와 감쇠 계수α는 변조 프로파일을 자유자재로 변경하는 것을 통해 독립적으로 제어 가능함을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 복수 개의 홈이 형성하는 물결무늬 설계를 통해 음파의 방사 방향과 빔 폭을 독립 설계할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 평판 플레이트(10)에 형성된 복수 개의 홈이 음파발생부(20)를 중심으로 동심원 형태로 형성되도록 구성할 수 있다. 이 경우, 도 2는 단면의 형상이 명확히 도시되도록 원형 평판 플레이트의 절반만 도시한 것임은 이미 설명한 바와 같다.
도 10a 및 도 10b는 평판형 플레이트 표면에 무지향성 음향 소스를 가했을 때에 지향성 음향 장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같은 1차원 평면상에 x 축 방향으로 정현 변조된 표면의 음향 지향성 방사 특성을 증명하기 위해 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 FEM(finite element method) 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
FEM 시뮬레이션을 위해 표면에서 수직 방향으로 방사를 구현하는 설계 주파수 k0a~4.02에서
Figure PCTKR2019001988-appb-I000020
=1.2, M=0.5인 평면 SMAS 표면을 사용하였으며, 서로 이웃하는 홈의 바닥면이 물결 무늬를 이루도록 도 10a에서와 같은 깊이 변화를 갖는 240개의 홈(p=0.1a, w=0.05a, a=10mm)을 형성하였으며, 무지향 포인트 음향 소스를 사용하였다.
FEM 시뮬레이션은 도 10b에 도시된 바와 같이 주파수 21750Hz(k0a~4.02) 주변의 지향성을 갖는 표면에 수직방향 (broadside) 사운드 빔 포밍을 보여준다. 설계된 구조체가 주파수 분산 특성으로 인해 19300Hz (k0a~3.360)에서 역방향 방사선 -30° 및 23350Hz (k0a~4.392)에서 정방향 방사선 30°를 각각 얻을 수 있었다. 즉, 예상대로 표면파가 구조물의 표면 방향에 따라 생성됨을 확인할 수 있었다.
도 11은 본 발명의 평판형 플레이트의 지향성 음향 장치를 보여주는 사시도이다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 도 11에 도시된 바와 같이 평판 플레이트(10)에 형성된 복수 개의 홈이 음파발생부(20)를 중심으로 평행선 형태로 형성되도록 구성할 수도 있다.
이때 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는 x축 방향으로
Figure PCTKR2019001988-appb-I000021
이고, 이러한 표면을 물리적으로 구현하기 위해서는 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 한다. 예를 들어 각 홈에 대응하는 x 축 방향의 각각의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값(Y)은
Figure PCTKR2019001988-appb-I000022
이며, 여기서
Figure PCTKR2019001988-appb-I000023
는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
Figure PCTKR2019001988-appb-I000024
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 인자, a는 변조 주기, ko는 자유공간 파수, x는 표면상의 위치, w는 홈의 폭, p는 홈의 간격, d는 홈의 깊이일 수 있다.
도 12a 내지 도 12e는 도 11에 도시된 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 음향 방사 특성을 증명하기 위해 도 12a 내지 도 12e에 도시된 바와 같이 음향 스캐닝 실험을 수행하였다. 표면에 수직 방향 방사를 구현하기 위한 설계 주파수 k0a~4.02에서 Yx=1.2, M=0.5인 평면 SMAS 표면을 사용하였으며, 서로 이웃하는 홈의 바닥면이 물결 무늬를 이루도록 깊이 변화를 갖는 240개의 홈(p=0.1a, w=0.05a, a=10mm)을 형성하였으며, 무지향 포인트 음향 소스를 사용하였다.
음향 스캐닝 실험 결과 주파수 21750Hz(k0a~4.02) 정도의 높은 지향성을 지닌 수직 방향 음향 빔 포밍, 저주파 19300Hz(k0a~3.360)에서 방사선 -30° 및 고주파 23350Hz(k0a~4.392)에서 방사선 30°를 각각 얻을 수 있었다. 즉, 예상대로 표면파가 구조물의 표면 방향에 따라 생성되고 표면파가 특정 방향으로 원거리 파로 산란됨을 확인할 수 있었다.
도 13은 원형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 표면에 의해 표면파가 누설 모드에 의해 수직 방향으로 방사를 보여주는 개략도이다.
도 13은 도 2에 도시된 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 가지는 원형 패턴에서 표면파가 발생하고, 특정한 주파수에서 표면파가 표면에서 수직방향으로 방사하는 빔 형상을 표현하고 있다.
도 14a 내지 도 14e는 원형 플레이트에 정현 변조된 표면의 음향 방사 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 14a 내지 도 14e는 원형타입 정현 변조된 표면에 의해 3D 연필 모양의 방사 빔 형성을 보여주고 있다. 표면에서 음향 누설파로 인해 19000Hz에서 23000Hz까지의 주파수 범위에서 음향 신호 이득을 얻을 수 있다. k0a ~ 4.02 주변에서 수직방향의 방사모드로 인해 약 22 kHz의 주파수 범위에서 최대 SPL 이득을 갖는 매우 좁은 사운드 빔 형성이 얻어진다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 표면에 복수 개의 홈이 형성되어 있는 평판형 플레이트의 표면이 수학적으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 홈의 형상을 설계하여 표면파를 특정방향의 원거리 방사파로 변환하여 높은 이득을 갖는 지향성 음향 빔을 형성할 수 있다.
특히 물결무늬 설계를 통해 방사 방향과 빔 폭을 독립 설계할 수 있을 뿐만 아니라 음파의 주파수 대역에 따라 높은 성능을 갖도록 최적 설계가 가능하다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 지향성 음향 장치를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 표면에 복수 개의 홈들이 형성되어 있는 평판형 플레이트; 및
    상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부를 포함하며,
    상기 홈의 폭(w) 및 간격(p)은 상기 음파의 파장보다 작고,
    상기 평판형 플레이트는 적어도 하나의 홈이 포함되는 복수의 셀 영역을 포함하고,
    하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 구조는 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 구조와 서로 다르게 형성되어, 인접하는 셀 영역들 사이의 표면 어드미턴스 값이 서로 다른 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 깊이(d)가 상기 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 깊이와 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홈들의 간격(p) 및 상기 홈들의 폭(w)은 서로 동일하고,
    상기 홈의 바닥면에서의 중심점(c)들을 모두 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡선을 형성하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 곡선은 상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 내측으로 오목하게 함입되고, 반복되는 물결 형태인 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 폭(w)이 상기 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 폭(w)과 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 홈들의 간격(p) 및 상기 홈들의 깊이(d)는 서로 동일하고,
    상기 홈들의 폭(w)은 일정 주기(a)로 증감하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 간격(p)이 상기 인접한 셀 영역에 포함되는 홈의 간격(p)과 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 홈들의 폭(w) 및 상기 홈들의 깊이(d)는 서로 동일하고,
    상기 홈들의 간격(p)은 일정 주기(a)로 증감하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 상기 평판형 플레이트의 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각 셀 영역에서의 표면 어드미턴스(Y)는 상기 각 셀 영역에서의 표면에서의 음원의 압력에 대한 표면에서의 수직방향의 입자의 속도(normal particle velocity)인 것을 특징으로 하는 지향성 음향장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는
    Figure PCTKR2019001988-appb-I000025
    이고, 각각의 셀 영역의 표면어드미턴스 값(Y)은
    Figure PCTKR2019001988-appb-I000026
    이며, 여기서
    Figure PCTKR2019001988-appb-I000027
    는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
    Figure PCTKR2019001988-appb-I000028
    는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 깊이, a는 변조 주기, ko는 자유공간 파수, x는 표면상의 위치, w는 홈의 폭, p는 홈의 간격, d는 홈의 깊이인 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 홈들은 상기 음파발생부를 중심으로 한 동심원 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 홈들은 평행선 형태로 형성되어 있으며, 그 중심 영역에 상기 음파 발생부가 위치하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    외부로부터 상기 평판형 플레이트의 표면으로 입사하는 음파를 수신하는 음파수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
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