WO2020004856A1 - 초음파 증폭부 및 이를 이용하는 비접촉 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

초음파 증폭부 및 이를 이용하는 비접촉 초음파 트랜스듀서 Download PDF

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WO2020004856A1
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허신
정준호
송경준
이학주
박종진
곽준혁
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재단법인 파동에너지 극한제어연구단
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic amplifier and a non-contact ultrasonic transducer using the same. More particularly, the present invention relates to an ultrasonic amplifier capable of improving the ultrasonic output in the air and a non-contact ultrasonic transducer using the same.
  • An ultrasound device for example, an ultrasound inspection device, irradiates ultrasound to a subject such as a person, an animal, or an object, detects an echo signal reflected from the subject, and displays a tomographic image of the tissue in the subject on a monitor. Provide the information needed to examine the subject.
  • Ultrasound may be classified into contact ultrasound and non-contact ultrasound, and contact ultrasound may be used to transmit and receive ultrasound through a medium of water or a contact medium.
  • the non-contact ultrasonic test is to transmit and receive the ultrasonic wave through the medium (air) instead of water or contact medium, it is also called an air-coupled ultrasonic test (Air-Coupled Ultrasonic Test).
  • Air-bonded ultrasonic inspection is an inspection method that can be easily applied to porous materials such as composite materials, and is mainly used in low frequency bands of 50 to 500 kHz due to attenuation of ultrasonic waves.
  • the transducer used at this time is an air-coupled ultrasonic transducer.
  • the main application is in the non-destructive testing of composite materials used in aircraft, space, building materials, etc.
  • the contact ultrasound scan is performed by inserting water or a liquid between the probe and the test surface, and thus the test subject is often exposed to water or liquid, and there are fine irregularities or tissues on the surface of the object or a fibrous material. In this case, contact ultrasound is difficult to apply.
  • the air-bonded ultrasound has the advantage that there is no fear of contamination of the object because the non-contact inspection is possible without direct contact with the test surface. Therefore, it can be applied when inspecting wood, paper, porous material, or materials with high temperature, which can not be immersed.
  • the air-bonded ultrasonic test obtains an ultrasonic signal having a lower power or a signal to noise ratio lower than that of an ultrasonic test using water or a contact medium.
  • the resolution is low due to the low frequency compared to the contact ultrasound scan.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide an ultrasonic amplifier which can improve the ultrasonic output in the air and a non-contact ultrasonic transducer using the same.
  • the ultrasonic amplifier according to the present invention comprises a plurality of rings having a concentric axis, each ring is formed to have a first width, between each of the second ring width A slit is formed, and an air layer is formed between the generating medium for generating ultrasonic waves or the delivery medium for delivering ultrasonic waves and the plurality of rings, and the resonance phenomenon caused by the slit and the resonance phenomenon caused by the air layer are used together. It is done.
  • the ultrasonic amplifier according to the present invention may further include a connection bar provided in the radial direction of the plurality of rings to connect the plurality of rings.
  • spacers may protrude from the rear surface of the plurality of rings so that the air medium is formed by being spaced between the generating medium or the delivery medium and the plurality of rings.
  • the spacer may be formed radially in each of the rings.
  • the spacers are formed to extend in the circumferential direction to each of the rings, it may be formed spaced at a predetermined interval based on the operating wavelength of the ultrasonic waves.
  • the height of the protrusion of the spacer may be less than the operating wavelength ( ⁇ ) / 100 of the ultrasonic wave.
  • each ring may be formed in a circular ring or a square ring shape.
  • the front surface of the plurality of rings is formed in a concave surface in a continuous manner so that the ultrasonic wave amplified by the ultrasonic amplifier is concentrated at the first point in front of the ultrasonic amplifier.
  • the rear surface of the plurality of rings may be formed as a continuous convex surface.
  • the ultrasonic amplifier In the ultrasonic amplifier according to the present invention, it is formed to have a second resonant frequency which is inconsistent with the operating frequency of the ultrasonic wave, and the operating frequency and the second resonant frequency are coupled to be larger than the first bandwidth of the operating frequency.
  • the ultrasonic signal may be modified to have a second pulse width, the second pulse width being narrower than the first pulse width of the operating frequency.
  • a non-contact ultrasonic transducer includes an ultrasonic vibration unit for generating ultrasonic waves; A matching layer part disposed on a front surface of the ultrasonic vibration part and radiating ultrasonic waves generated by the ultrasonic vibration part in a forward direction; An absorption unit provided on a rear surface of the ultrasonic vibration unit and absorbing ultrasonic waves generated by the ultrasonic vibration unit; And the ultrasonic amplification unit according to any one of claims 1 to 9.
  • a non-contact ultrasonic transducer comprising: a case portion provided to surround an outer circumferential surface of the ultrasonic vibration unit and the matching layer portion, and a front end of the non-contact ultrasonic transducer being in close contact with a rear surface of the ultrasonic amplifier; And a housing surrounding the outer circumferential surface of the case part, a flange extending in the center direction from the front end of the housing and being in close contact with the front edge of the ultrasonic amplifying part to closely fix the ultrasonic amplifying part to the matching layer. It may include a clamping portion having.
  • the ultrasonic amplifier may be formed to have a first resonant frequency that matches the operating frequency of the ultrasonic wave emitted from the matching layer portion. Therefore, when an ultrasonic wave having an operating frequency coinciding with the first resonance frequency is applied to the ultrasonic amplifier, resonance may occur in the ultrasonic amplifier, and the ultrasonic wave may be amplified to improve the ultrasonic power in the air. Through this, the intensity of the pulse of the ultrasonic signal emitted from the matching layer unit may be increased.
  • the first resonant frequency of the ultrasonic amplifier in designing the first resonant frequency of the ultrasonic amplifier, can be designed by adjusting the first width of the ring, the second width of the slit, the thickness of the air layer, and the height of the spacer. This may provide the effect of making the design of the first resonant frequency easier.
  • the second resonant frequency may be inconsistent with the operating frequency to form a broadband ultrasonic wave.
  • the width of the pulse of the ultrasonic signal emitted from the matching layer unit can be narrowed.
  • the spacer is formed on one surface of the ultrasonic amplifier, it is possible to attach and detach the existing non-contact ultrasonic transducer.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating an ultrasonic amplifier of a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a plan view showing the ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG.
  • FIG. 6 is an exemplary view for explaining an operation example of the ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is an exemplary view showing a spacer of the ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is an exemplary view for explaining that the resonant frequency is generated in the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph illustrating ultrasonic amplification of a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an exemplary view for explaining the generation of a wideband frequency in a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing pulse-echo of a non-contact ultrasonic transducer and a conventional non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an exemplary view showing an ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • the non-contact ultrasonic transducer may include an ultrasonic vibration unit 100, a matching layer unit 200, an absorbing unit 300, and an ultrasonic amplifier 400.
  • the ultrasonic vibration unit 100, the matching layer unit 200, the absorbing unit 300 and the ultrasonic amplifier 400 may have the same central axis, it may be provided along the longitudinal direction of the central axis.
  • one surface of the absorber 300 facing the ultrasonic amplifier 400 is the front surface, and the direction from the absorber 300 toward the ultrasonic amplifier 400 is the front.
  • one surface of the ultrasonic amplifier 400 facing the absorber 300 will be described as the rear side, and the direction from the ultrasonic amplifier 400 toward the absorber 300 will be described later.
  • the ultrasonic vibration unit 100 may generate ultrasonic waves.
  • the ultrasonic vibration unit 100 may be an active element, for example, a piezoelectric element.
  • the matching layer unit 200 may be provided on the front surface of the ultrasonic vibration unit 100, and may radiate the ultrasonic waves generated by the ultrasonic vibration unit 100 to the front side.
  • the matching layer unit 200 may vary in thickness depending on the operating wavelength of ultrasonic waves generated from the piezoelectric element. For example, when the operating wavelength is ⁇ , the thickness of the matching layer 200 may be ⁇ / 4.
  • the matching layer unit 200 may be formed to correspond to the shape of the piezoelectric element.
  • the matching layer unit 200 may improve the impedance difference between the ultrasonic vibration unit 100 and the air and may increase the permeability of the ultrasonic waves.
  • Absorber 300 may be provided on the rear of the ultrasonic vibration unit (100).
  • the absorber 300 may serve as a damper to limit the vibration at the rear of the ultrasonic vibrator 100 by absorbing the ultrasonic waves generated by the ultrasonic vibrator 100.
  • the absorber 300 may scatter or absorb ultrasonic waves transmitted to the absorber 300 in order to avoid unnecessary signal interference. Accordingly, the absorber 300 may have higher resolution and a wider frequency bandwidth.
  • the ultrasonic amplifier 400 may be provided on the front surface of the matching layer unit 200.
  • the ultrasonic amplifier 400 may be formed to have a first resonance frequency that matches the operating frequency of the ultrasonic waves emitted from the matching layer unit 200.
  • the ultrasonic amplification unit 400 may be disposed in front of a generation medium for generating ultrasonic waves, for example, the ultrasonic vibration unit 100, or may be disposed in front of a transmission medium for transmitting ultrasonic waves, for example, the matching layer unit 200. Can be.
  • the ultrasonic amplifier 400 is ultrasonic.
  • the transmission medium for transmitting the transmission medium for example, is disposed in front of the matching layer unit 200 will be described.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a plan view showing the ultrasonic amplifier of a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 3 is a cross-sectional view taken along line BB
  • FIG. 6 is an exemplary view for explaining an operation example of an ultrasonic amplifier of a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3 to 6 is an exemplary view for explaining an operation example of an ultrasonic amplifier of a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic amplifier 400 may have a plurality of rings 410 and connection bars 420.
  • Each ring 410 may have a concentric axis. Each ring 410 may have a first width W1 and may have the same thickness T1.
  • a slit 430 may be formed between each ring 410.
  • the slits 430 may be spaced apart between each ring 410, and the slits 430 may have a second width W2. That is, each ring 410 may be provided spaced apart from the other ring adjacent to the second width (W2).
  • the second width W2 may be less than ⁇ / 10 and may be less than the first width W1 / 5.
  • connection bar 420 may connect the plurality of rings 410 to maintain the plurality of rings 410 spaced apart by the second width W2.
  • the width of the connecting bar 420 is appropriately adjusted so that the area covered by the connecting bar 420 in the cross-sectional area of the slit 430 is small while providing sufficient rigidity for each ring 410 to be fixed. Can be.
  • connection bar 420 may be provided in a radial direction of the ring 410 so that the plurality of rings 410 may be coupled and fixed by one connection bar 420.
  • a spacer may protrude from a rear surface of the plurality of rings 410 opposite to the matching layer unit 200.
  • the spacer may be in close contact with the front surface of the matching layer unit 200. Accordingly, the rear surface of each ring 410 and the front surface of the matching layer unit 200 may be spaced apart, and an air layer AV may be formed between the rear surface of each ring 410 and the front surface of the matching layer unit 200. ) May be formed.
  • the air layer AV may form a new impedance layer layer.
  • the spacer may be in the form of a natural spacer 411a formed by the texture or surface roughness of the material of the ring 410, as shown in FIG. 5B.
  • the spacer may be formed in an artificial structure, as shown in (c) of FIG. 5, or in the form of a multi-spacer 411b that is densely formed on the surface of the ring 410, or as shown in (d) of FIG. 5. As described above, it may be in the form of a single spacer 411c formed on the surface of the ring 410.
  • the protrusion height T2 of the spacer 411b may be less than ⁇ / 100, and the protrusion height T2 of the spacer 411b may be smaller than the second width W2 of the slit 430.
  • connection bar 420 may be provided at the rear end of each ring 410, but is not limited thereto and may be provided at the front end of each ring 410.
  • connection bar 420 When the connection bar 420 is provided at the rear end of each ring 410, the connection bar 420 may be coupled such that the rear surface of the connection bar 420 corresponds to the rear surface of each ring 410.
  • a spacer having the same shape as that of the spacer 411b formed in each ring 410 may be further formed on the rear surface of the connection bar 420.
  • the ultrasonic amplifier 400 may be integrally formed with the matching layer 200, but is not limited thereto and may be manufactured and assembled separately.
  • the ultrasonic amplification unit 400 When the ultrasonic amplification unit 400 is manufactured and assembled separately, the ultrasonic amplification unit 400 may be used in combination with a conventional non-contact ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic amplifier 400 may be detachable to the existing non-contact ultrasonic transducer, the ultrasonic amplifier 400 may be designed to suit the shape of the existing non-contact ultrasonic transducer.
  • Figure 7 is an exemplary view showing a spacer of the ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • a spacer 411d may be radially formed in each ring 410.
  • the shape of the spacer is not necessarily limited to this shape.
  • the spacer 411e is formed to extend along the circumferential direction in each ring 410, but may be spaced apart at predetermined intervals.
  • 8 is an exemplary view for explaining that the resonant frequency is generated in the non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • 8 (a) and 8 (b) show resonances in the slit 430, and (c) shows resonances in the air layer AV.
  • the first resonant frequency of the ultrasonic amplifier 400 includes the second width W2 of the slit 430, the first width W1 of the ring 410, and the height of the spacer ( Can be determined by T2). That is, the resonance condition of the sound waves in the tube formed by the slit 430 is an acoustically blocked tube structure shape and may be affected by the air layer AV formed by the spacer 411b.
  • the ultrasonic amplifier 400 may have a structure period ⁇ of the sum of the first width W1 of the ring 410 and the second width W2 of the slit 430, and the structure period ⁇ may include: Since it is smaller than the wavelength, an evanescent wave may be generated by generating higher order modes. As a result, additional acoustic reactance may occur, and due to the additional reactance, the radiation impedance of the periodic structure and the external environment may be determined by the Bloch theory. ] Can be expressed as
  • ⁇ is the density of air
  • c is the velocity of air
  • ⁇ is the structure period
  • ⁇ W2 / ⁇
  • n is an integer.
  • the acoustic relationship in the periodic slit 430 of the ultrasonic amplifier 400 may be expressed as a wave propagation type inside the waveguide as shown in [Equation 2].
  • Pin is the pressure of the sound of the front end of the slit 430
  • Uin is the speed of the sound of the front end of the slit 430
  • Pout is the pressure of the sound of the rear end that meets the spacer 411b of the slit 430
  • Uout is the speed of sound at the rear end that meets the spacer 411b of the slit 430
  • i is a complex number meaning SQRT (-1).
  • T1 is the thickness of the ring 410 and the thickness of the slit 430.
  • resonance may occur in the circumferential direction by the air layer AV formed between the matching layer unit 200 and the ring 410.
  • the resonance frequency may be generated by the air layer AV which is much smaller than the wavelength formed in the air layer AV, and at this time, the wavelength of the resonance frequency formed in the air layer AV Can be determined by the period of the structure and the spacer gap.
  • the distribution of the sound pressure gradient felt at the ultrasonic impedance interface may be determined by the resonance phenomenon caused by the slit 430 and the resonance phenomenon generated in the spacer 411b formed in the air layer AV. Distribution can be obtained. That is, the ultrasonic amplifier 400 according to the present exemplary embodiment may use the resonance phenomenon caused by the slit 430 and the resonance phenomenon caused by the air layer AV.
  • the resonance frequency of the resonance phenomenon generated in the air layer AV due to the spacer 411b can be obtained from Equation 3.
  • the acoustic impedance formed in the air layer AV may be composed of two terms.
  • the first term represents compliance due to the presence of the air layer in the spacer 411b
  • the second term is the acoustic mass or inductance due to the higher order mode. May mean.
  • Zg 0
  • a resonance condition formed by the air layer AV generated in the spacer 411b can be obtained.
  • this resonance condition can be satisfied in the condition that ⁇ ⁇ 2 ⁇ .
  • FIG. 9 is a graph illustrating ultrasonic amplification of a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic waves UW1 generated in the ultrasonic vibration unit 100 and radiated from the matching layer unit 200 are, for example, a center frequency F0, a first frequency F1, and The band width BW between the second frequency F2, the operating frequency having a reversal force of -3dB, the second width W2 of the slit 430, the projecting height T2 of the spacer 411. And adjusting the thickness T1 of the ring 410 so that the ultrasonic amplifier 400 has a first resonant frequency that matches the operating frequency, the ultrasonic wave UW1 emitted from the matching layer 200 is ultrasonic.
  • the ultrasonic amplifying unit 400 may radiate the ultrasonic wave UW2 whose amplitude is increased by the second amplitude A2 from the first amplitude A1.
  • the pulse signal strength of the conventional non-contact ultrasonic transducer may be effectively increased due to the acoustic signal characteristics of the ultrasonic device having improved sensitivity.
  • FIG. 10 is an exemplary view for explaining the generation of a wideband frequency in a non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic amplification unit 400 is adjusted by adjusting the second width W2 of the slit 430, the protrusion height T2 of the spacer 411b, and the thickness T1 of the ring 410.
  • ) Is formed to have a second resonant frequency (UW3) slightly inconsistent with the operating frequency (UW1), that is, the second having a different center frequency (F3) that is inconsistent with the center frequency (F0) of the operating frequency (UW1)
  • the resonance frequency UW3 is formed, the operating frequency UW1 and the second resonant frequency UW3 are coupled to each other to have a second bandwidth BW2 between the second frequency F2 and the third frequency F4. Can be.
  • the second bandwidth BW2 may be greater than the first bandwidth BW1 between the first frequency F1 and the second frequency F2 of the operating frequency UW1.
  • the operating frequency UW1 and the second resonant frequency UW3 may be coupled to each other to generate wideband ultrasound.
  • the pulse width of the operating frequency of the ultrasonic waves radiated from the matching layer unit 200 may be narrowed.
  • the ultrasonic signal may be modified to have a second pulse width narrower than the first pulse width of the operating frequency.
  • the non-contact ultrasonic transducer may include a case part 500 and a clamping part 600.
  • the case part 500 may be provided to surround the outer circumferential surfaces of the ultrasonic vibration part 100 and the matching layer part 200.
  • the case part 500 may be in close contact with the outer circumferential surfaces of the ultrasonic vibration part 100 and the matching layer part 200 to fix the ultrasonic vibration part 100 and the matching layer part 200.
  • the case part 500 may be formed to further surround the absorbing part 300.
  • a transmission line for transmitting power and control signals to the ultrasonic vibration unit 100, and a connector (not shown) connected to the ultrasonic vibration unit 100 to transmit and receive electrical signals.
  • a cable 710 in which a signal line (not shown) is accommodated may be connected.
  • the front end of the case part 500 may be in close contact with the rear surface of the ultrasonic amplifier 400.
  • the clamping part 600 may have a housing 610 and a flange 620.
  • the housing 610 may be provided to surround the outer circumferential surface of the case part 500.
  • the housing 610 may be tightly coupled to the case part 500.
  • the flange 620 may extend in the center direction at the front end of the housing 610.
  • the flange 620 may be in close contact with the front edge of the ultrasonic amplifier 400, and the ultrasonic amplifier 400 is pressed by the amplifier 400 in the direction of the matching layer 200. It may be fixed in close contact with the portion (200).
  • each ring 410 is not limited to the shape of a circular ring as shown, it may be formed in the shape of a square ring.
  • the matching layer part 200, the ultrasonic vibration part 100, the absorbing part 300, the case part 500, and the clamping part 600 may also be formed to have a rectangular cross-sectional area.
  • FIG. 11 is a graph illustrating pulse-echo of a non-contact ultrasonic transducer and a conventional non-contact ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 illustrates a pulse-echo signal of a non-contact ultrasonic transducer in a 50 kHz band. After radiating a 50 kHz ultrasonic wave to a reflector, the pulse-echo signal is analyzed and analyzed in a pulse receiver.
  • FIG. 11A illustrates a pulse-echo signal when the ultrasonic amplifier 400 is omitted
  • FIG. 11B illustrates the ultrasonic amplifier 400 under the same condition as that of FIG. It represents the pulse-echo signal which advanced by combining.
  • the magnitude of voltage fluctuation is small around 0.0015 seconds
  • the ultrasonic wave is shown in (b) of FIG. 11.
  • the magnitude of the voltage variation is relatively large at about 0.0015 seconds.
  • FIG. 12 is an exemplary view showing an ultrasonic amplifier of the non-contact ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • the shape of the ultrasonic amplifier may be different, and the other configuration is the same as the above-described embodiment, the repeated content is omitted as much as possible.
  • each ring 410a of the ultrasonic amplifier 400a may be formed as a continuous concave surface 415. Through this, the ultrasonic waves amplified by the ultrasonic amplifier 400a may be radiated to be concentrated at the first point P in front of the ultrasonic amplifier 400a.
  • Each ring 410a may be formed with the same height, and thus, the rear surface of each ring 410a may be formed with a continuous convex surface 416.
  • the front surface of the matching layer part may also be formed to correspond to the convex surface 416, whereby the thickness of the air layer between the ultrasonic amplifier 400a and the matching layer part may be constant. have.
  • the convex surface 416 may be formed to correspond to the concave surface 415, and thus, the front surface of the matching layer portion may be formed in the same shape as the front surface of the ultrasonic amplifier 400a. .
  • the present invention can be industrially used in the field of ultrasonic inspection technology that outputs ultrasonic waves to a subject and detects echo signals reflected in the subject to provide information necessary for examination of the subject.

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Abstract

본 발명의 일실시예는 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있는 초음파 증폭부를 제공한다. 초음파 증폭부는 동심축을 가지는 복수의 링을 포함하고, 각각의 링은 제1폭을 가지도록 형성되고, 각각의 링의 사이에는 제2폭을 가지는 슬릿이 형성되며, 초음파가 발생하는 발생 매개체 또는 초음파를 전달하는 전달 매개체와 복수의 링 사이에는 공기층이 형성된다.

Description

초음파 증폭부 및 이를 이용하는 비접촉 초음파 트랜스듀서
본 발명은 초음파 증폭부 및 이를 이용하는 비접촉 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있는 초음파 증폭부 및 이를 이용하는 비접촉 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
초음파 장치, 예를 들어 초음파 검사 장치는 초음파를 사람, 동물, 물체 등의 피검체에 조사하고, 피검체 내에서 반사되는 에코 신호를 검출하여 피검체 내 조직의 단층상 등을 모니터에 표시하고, 피검체의 검사에 필요한 정보를 제공한다.
초음파 검사는 접촉 초음파 검사와 비접촉 초음파 검사로 대별될 수 있으며, 접촉 초음파 검사는 물이나 접촉매질(Couplant)을 매개체로 초음파를 송수신하는 것으로, 일반적으로 많이 사용되는 방식이다.
한편, 비접촉 초음파 검사는 물이나 접촉매질 대신 공기(대기)를 매개체로 초음파를 송수신하는 것으로, 공기접합 초음파 검사(Air-Coupled Ultrasonic Test)라고도 한다.
공기접합 초음파 검사는 복합재와 같이 다공성 물질에 적용이 용이한 검사법으로 초음파의 감쇠(attenuation of ultrasonic)가 심하여 50 ~ 500 kHz 대역의 저주파수 대역에서 주로 사용되고 있다. 이때 사용되는 탐촉자(Transducer)가 공기접합 초음파 탐촉자(Air-coupled ultrasonic Transducer)이다. 주된 응용분야는 항공기, 우주, 건축 자재 등에 사용되는 복합재료의 비파괴 검사 분야이다.
일반적인 접촉 초음파 검사는 탐촉자와 탐상면 사이에 물 또는 액체를 넣고 탐상을 진행하므로 검사 대상체가 물 또는 액체에 노출이 되는 경우가 많으며, 대상체의 표면의 미세한 요철이나 조직이 존재하는 경우나 섬유질 물질인 경우에는 접촉식 초음파 검사 적용이 어려워진다. 반면 공기접합 초음파 검사는 검사면과의 직접적인 접촉 없이 비접촉 검사가 가능하므로 대상체의 오염 우려가 없다는 장점이 있다. 그래서 수침법을 사용할 수 없는 검사대상체인 나무, 종이, 다공성(Porous) 재료 또는 높은 온도를 가지는 물질을 검사할 때 적용이 가능하다.
그러나, 공기와 대상 물질과의 임피던스(impedance) 차이로 인하여 물 또는 접촉매질을 매개체로 하는 초음파 검사에 비해 많은 양의 파동 에너지를 물질 내부로 침투시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 공기접합 초음파 검사는 물이나 접촉매질을 매개체로 하는 초음파 검사에 비해 파워가 낮은 초음파 신호 또는 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 낮은 신호를 얻게 된다. 또한, 접촉 초음파 검사에 비해 저주파인 관계로, 해상도가 낮다는 단점이 있다.
따라서 공기접합 초음파 검사법 성능향상을 위해서는 공기접합 초음파 트랜스듀서의 송수신 초음파 신호를 증폭시킬 필요성이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있는 초음파 증폭부 및 이를 이용하는 비접촉 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 증폭부는, 동심축을 가지는 복수의 링을 포함하고, 각각의 상기 링은 제1폭을 가지도록 형성되고, 각각의 상기 링의 사이에는 제2폭을 가지는 슬릿이 형성되며, 초음파가 발생하는 발생 매개체 또는 초음파를 전달하는 전달 매개체와 상기 복수의 링 사이에는 공기층이 형성되고, 상기 슬릿에 의한 공진현상과 상기 공기층에 의한 공진현상을 함께 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 복수의 링의 지름방향으로 구비되어 상기 복수의 링을 연결하는 연결바를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 발생 매개체 또는 상기 전달 매개체와 상기 복수의 링의 사이가 이격되어 상기 공기층이 형성되도록 상기 복수의 링의 후면에는 스페이서가 돌출 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 스페이서는 각각의 상기 링에 방사상으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 스페이서는 각각의 상기 링에 원주방향을 따라 연장되도록 형성되되, 초음파의 작동파장에 기초하여 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 스페이서의 돌출 높이는 상기 초음파의 작동파장(λ)/100 미만일 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 각각의 링은 원형링 또는 사각링 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 상기 초음파 증폭부에서 증폭되는 초음파가 방사되어 상기 초음파 증폭부의 전방의 제1지점에서 집중되도록, 상기 복수의 링의 전면(前面)은 연속되는 오목면으로 형성되고, 상기 복수의 링의 후면은 연속되는 볼록면으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 증폭부에 있어서, 초음파의 작동주파수와 불일치되는 제2공진주파수를 가지도록 형성되고, 상기 작동주파수와 상기 제2공진주파수가 커플링되면서 상기 작동주파수의 제1밴드폭보다 큰 제2밴드폭으로 만들어지고, 상기 작동주파수의 제1펄스폭보다 좁은 제2펄스폭을 가지도록 초음파 신호가 변형될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서는, 초음파를 발생시키는 초음파 진동부; 상기 초음파 진동부의 전면(前面)에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 전방(前方)으로 방사하는 매칭 레이어부; 상기 초음파 진동부의 후면에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 흡수하는 흡수부; 그리고 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 초음파 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 초음파 진동부 및 상기 매칭 레이어부의 외주면을 감싸도록 구비되고, 전(前)단부가 상기 초음파 증폭부의 후면에 밀착되는 케이스부; 및 상기 케이스부의 외주면을 감싸는 하우징과, 상기 하우징의 전(前)단부에서 중심방향으로 연장 형성되고 상기 초음파 증폭부의 전면(前面) 테두리에 밀착되어 상기 초음파 증폭부를 상기 매칭 레이어부에 밀착 고정시키는 플랜지를 가지는 클램핑부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초음파 증폭부는 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 제1공진주파수를 가지도록 형성될 수 있다. 따라서, 초음파 증폭부에 제1공진주파수와 일치되는 작동주파수를 가지는 초음파가 가해지면, 초음파 증폭부에서 공진 현상이 발생할 수 있고, 초음파가 증폭되어 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있다. 이를 통해, 매칭 레이어부에서 방사하는 초음파 신호의 펄스의 세기를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초음파 증폭부의 제1공진주파수를 설계함에 있어, 링의 제1폭, 슬릿의 제2폭, 공기층의 두께, 스페이서의 높이를 조절하여 제1공진주파수가 설계될 수 있으며, 이는 제1공진주파수의 설계가 더욱 용이해질 수 있도록 하는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제2공진주파수를 작동주파수와 불일치시켜 광대역 초음파를 형성할 수 있다. 이를 통해, 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파 신호의 펄스의 폭을 좁힐 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초음파 증폭부의 일면에 스페이서가 형성됨으로 인해, 기존의 비접촉 초음파 트랜스듀서에 탈부착하여 사용이 가능하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부를 나타낸 평면도이다.
도 5는 도 3의 B-B선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부의 작동예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부의 스페이서를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 공진주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 광대역 주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서와 종래의 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스-에코를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부를 나타낸 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 비접촉 초음파 트랜스듀서는 초음파 진동부(100), 매칭 레이어부(200), 흡수부(300) 그리고 초음파 증폭부(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 초음파 진동부(100), 매칭 레이어부(200), 흡수부(300) 그리고 초음파 증폭부(400)는 동일한 중심축을 가질 수 있으며, 중심축의 길이방향을 따라 구비될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상, 흡수부(300)에서 초음파 증폭부(400)를 향하는 방향을 기준으로 전(前) 및 후(後)로 구분하여 설명한다. 예를 들어, 초음파 증폭부(400)를 향하는 흡수부(300)의 일면은 전(前)면으로, 흡수부(300)에서 초음파 증폭부(400)를 향하는 방향은 전(前)방으로 한다. 그리고, 흡수부(300)를 향하는 초음파 증폭부(400)의 일면은 후면으로, 초음파 증폭부(400)에서 흡수부(300)를 향하는 방향은 후방으로 하여 설명한다.
상세히, 초음파 진동부(100)는 초음파를 발생시킬 수 있다. 초음파 진동부(100)는 능동소자(Active Element)일 수 있으며, 예를 들면, 압전소자일 수 있다.
매칭 레이어부(200)는 초음파 진동부(100)의 전(前)면에 구비될 수 있으며, 초음파 진동부(100)에서 발생시키는 초음파를 전(前)방으로 방사할 수 있다.
초음파 진동부(100)가 압전소자인 경우, 매칭 레이어부(200)는 압전소자에서 발생되는 초음파의 작동파장에 따라 두께가 달라질 수 있다. 예를 들어, 작동파장이 λ인 경우, 매칭 레이어부(200)의 두께는 λ/4 일 수 있다. 매칭 레이어부(200)는 압전소자의 형상에 대응되도록 형성될 수 있다.
매칭 레이어부(200)는 초음파 진동부(100)와 공기 사이의 임피던스 차이를 개선할 수 있으며, 초음파의 투과성을 증가시킬 수 있다.
흡수부(300)는 초음파 진동부(100)의 후면에 구비될 수 있다. 흡수부(300)는 초음파 진동부(100)에서 발생시키는 초음파를 흡수함으로써 초음파 진동부(100)의 후방에서 진동이 제한되도록 하는 댐퍼 역할을 할 수 있다.
흡수부(300)는 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 흡수부(300)에 전달되는 초음파를 산란 또는 흡수하여 제거할 수 있으며, 이에 따라, 분해능이 높아지고 주파수 대역폭이 넓혀질 수 있다.
초음파 증폭부(400)는 매칭 레이어부(200)의 전(前)면에 구비될 수 있다. 초음파 증폭부(400)는 매칭 레이어부(200)에서 방사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 제1공진주파수를 가지도록 형성될 수 있다.
제1공진주파수를 가지는 초음파 증폭부(400)에 제1공진주파수와 일치되는 작동주파수를 가지는 초음파가 가해지면, 초음파 증폭부(400)에서 공진 현상이 발생할 수 있고, 초음파가 증폭되어 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있다.
초음파 증폭부(400)는 초음파가 발생하는 발생 매개체, 예를 들어 초음파 진동부(100)의 전방에 배치되거나 또는 초음파를 전달하는 전달 매개체, 예를 들어 매칭 레이어부(200)의 전방에 배치될 수 있다.
본 실시예에서는 초음파 진동부(100)의 전방에 매칭 레이어부(200)가 배치되고, 매칭 레이어부(200)의 전방에 초음파 증폭부(400)가 배치되므로, 초음파 증폭부(400)가 초음파를 전달하는 전달 매개체, 예를 들어 매칭 레이어부(200)의 전방에 배치된 경우를 예로 들어 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부를 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 3의 B-B선 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부의 작동예를 설명하기 위한 예시도이다. 이하에서는 도 3 내지 도 6을 더 포함하여 설명한다.
도 3 내지 도 6을 더 포함하여 보는 바와 같이, 초음파 증폭부(400)는 복수의 링(410)과 연결바(420)를 가질 수 있다.
각각의 링(410)은 동심축을 가질 수 있다. 각각의 링(410)은 제1폭(W1)으로 형성될 수 있으며, 동일한 두께(T1)를 가질 수 있다.
각각의 링(410)의 사이에는 슬릿(430)이 형성될 수 있다. 슬릿(430)은 각각의 링(410) 사이에 이격된 간격일 수 있으며, 슬릿(430)은 제2폭(W2)을 가질 수 있다. 즉, 각각의 링(410)은 이웃하는 다른 링과 제2폭(W2)의 간격으로 이격되어 마련될 수 있다.
제2폭(W2)은 λ/10 미만일 수 있고, 제1폭(W1)/5 미만일 수 있다.
연결바(420)는 복수의 링(410)을 연결하여, 복수의 링(410)이 제2폭(W2)으로 이격된 상태가 유지되도록 할 수 있다.
각각의 링(410)이 고정될 수 있도록 충분한 강성을 제공하면서도 슬릿(430)의 단면적 중에 연결바(420)에 의해 가려지는 면적이 작아질 수 있도록, 연결바(420)의 폭은 적절하게 조절될 수 있다.
또한, 하나의 연결바(420)에 의해 복수의 링(410)이 결합 및 고정될 수 있도록, 연결바(420)는 링(410)의 지름방향으로 구비될 수 있다.
그리고, 매칭 레이어부(200)에 대향되는 복수의 링(410)의 후면에는 스페이서가 돌출 형성될 수 있다.
스페이서는 매칭 레이어부(200)의 전면에 밀착될 수 있다. 이에 따라, 각각의 링(410)의 후면과 매칭 레이어부(200)의 전면의 사이가 이격될 수 있으며, 각각의 링(410)의 후면과 매칭 레이어부(200)의 전면 사이에는 공기층(AV)이 형성될 수 있다. 공기층(AV)은 새로운 임피던스 레이어층을 형성할 수 있다.
스페이서는 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 링(410)의 재료의 질감이나 표면거칠기(Surface Roughness)에 의해서 형성되는 자연스러운 스페이서(411a)의 형태일 수 있다.
또는, 스페이서는 인위적인 구조로 형성될 수 있는데, 도 5의 (c)에서 보는 바와 같이 링(410)의 표면에 조밀하게 형성되는 멀티 스페이서(411b)의 형태이거나, 도 5의 (d)에서 보는 바와 같이 링(410)의 표면에 형성하는 싱글 스페이서(411c)의 형태일 수도 있다.
이하에서는 설명의 편의상 멀티 스페이서(411b) 형태의 스페이서를 기준으로 하여 설명한다.
스페이서(411b)의 돌출 높이(T2)는 λ/100 미만일 수 있으며, 스페이서(411b)의 돌출 높이(T2)는 슬릿(430)의 제2폭(W2)보다 작을 수 있다.
연결바(420)는 각각의 링(410)의 후단부에 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각의 링(410)의 전단부에 구비될 수도 있다.
연결바(420)가 각각의 링(410)의 후단부에 구비되는 경우, 연결바(420)는 연결바(420)의 후면이 각각의 링(410)의 후면에 대응되도록 결합될 수 있다. 또한, 이 경우, 연결바(420)의 후면에는 각각의 링(410)에 형성되는 스페이서(411b)와 동일한 형태의 스페이서가 더 형성될 수 있다.
초음파 증폭부(400)는 매칭 레이어부(200)와 일체로 형성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 별도로 제조되어 조립될 수도 있다.
초음파 증폭부(400)가 별도로 제조되어 조립되는 경우, 초음파 증폭부(400)는 기존 상용제품인 비접촉 초음파 트랜스듀서에 결합하여 사용될 수 있다. 그리고, 초음파 증폭부(400)는 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서에 탈부착이 가능할 수 있으며, 초음파 증폭부(400)는 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서의 형상에 적합하도록 설계될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부의 스페이서를 나타낸 예시도이다.
도 7의 (a)에서 보는 바와 같이, 스페이서(411d)는 각각의 링(410)에 방사상으로 형성될 수 있다. 그러나 스페이서의 형상이 반드시 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 도 7의 (b)에서 보는 바와 같이, 스페이서(411e)는 각각의 링(410)에 원주방향을 따라 연장되도록 형성되되, 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 공진주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다. 여기서, 도 8의 (a) 및 (b)는 슬릿(430)에서의 공명을 나타낸 것이고, (c)는 공기층(AV)에서의 공명을 나타낸 것이다.
도 6 및 도 8에서 보는 바와 같이, 초음파 증폭부(400)의 제1공진주파수는 슬릿(430)의 제2폭(W2), 링(410)의 제1폭(W1) 및 스페이서의 높이(T2)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 슬릿(430)에 의해 형성된 관내의 음파의 공명조건은 음향학적으로 막힌관 구조 형상이고, 또한 스페이서(411b)에 의해 형성된 공기층(AV)에 의해 영향을 받을 수 있다.
그리고, 초음파 증폭부(400)는 링(410)의 제1폭(W1) 및 슬릿(430)의 제2폭(W2)의 합의 구조물 주기(Λ)를 가질 수 있으며, 구조물 주기(Λ)가 파장보다 작기 때문에, 고차 모드(higher order modes) 발생에 의한 소멸파 발생(Evanescent wave)이 이루어질 수 있다. 이로 인해 부가적인 음향학적인 리액턴스(Reactance)가 발생할 수 있으며, 부가적인 리액턴스로 인해 주기적인 구조물과 외부환경과의 반응하는 방사 임피던스(radiation impedance)는 블로스 이론(Bloch theory)에 의해 [수학식 1]과 같이 표현이 가능할 수 있다.
Figure PCTKR2019007372-appb-img-000001
여기서, ρ는 공기의 밀도, c는 공기의 속도, Λ는 구조물 주기, ε= W2/Λ, n은 정수를 의미한다.
또한, 초음파 증폭부(400)의 주기적인 슬릿(430) 내에서의 음향학적인 관계식은 [수학식 2]와 같이 도파관 내부의 파동 전파식으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019007372-appb-img-000002
여기서, Pin은 슬릿(430)의 전단의 소리의 압력이고, Uin은 슬릿(430)의 전단의 소리의 속도이고, Pout은 슬릿(430)의 스페이서(411b)와 만나는 후단의 소리의 압력이고, Uout은 슬릿(430)의 스페이서(411b)와 만나는 후단의 소리의 속도이고, i는 SQRT(-1)을 의미하는 복소수이다. 그리고, k는 파수(wavenumber)로서 ω/c를 의미하며, 여기서, ω= 2πf이고, f는 주파수, c는 슬릿 내의 공기의 속도이다.
그리고, 주기적인 구조물인 링(410) 및 슬릿(430)과, 스페이서(411b)에 형성된 공기층(AV)에 의해 슬릿(430) 아래부분에 형성된 음향학적 임피던스는 [수학식 3]과 같이 표현이 가능하다.
Figure PCTKR2019007372-appb-img-000003
여기서, x = λ/Λ를 의미한다.
물리적으로, 슬릿(430) 내부에서의 음향학적인 공명조건은 λ~(4×T1)/n (n=1,3,5,7,9,....)로 주어질 수 있다. 여기서, T1은 링(410)의 두께이자 슬릿(430)의 두께이다.
또한, 매칭 레이어부(200)와 링(410) 사이에서 형성된 공기층(AV)에 의해 원주방향으로 공진현상이 발생할 수 있다.
특히, 원형모양의 링(410)이 주기적으로 배열되어 있기 때문에, 소리가 주기적인 구조물을 통과할 때, 대칭면의 경계면에서 음파가 서로 만나서 속도 구배가 0인 지점이 존재할 수 있다. 따라서, 새로운 하드월(hard-wall) 경계 조건에 의해, 공기층(AV)에 형성된 파장보다 매우 작은 공기층(AV)에 의해 공진주파수가 발생할 수 있으며, 이때, 공기층(AV)에 형성된 공진주파수의 파장은 구조물의 주기와 스페이서 갭에 의해 결정될 수 있다.
실제로, 초음파 임피던스 경계면에 느끼는 음압 구배 분포는 슬릿(430)에 의한 공진현상과 공기층(AV)에 형성된 스페이서(411b)에 생긴 공진현상에 의해 결정될 수 있으며, 이러한 공진현상에 의해 임피던스 경계층의 음압 구배 분포를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예의 초음파 증폭부(400)는 슬릿(430)에 의한 공진현상과 공기층(AV)에 의한 공진현상을 함께 이용할 수 있다.
스페이서(411b)로 인한 공기층(AV)에 발생된 공진현상의 공진주파수는 [수학식 3]에서 얻을 수 있다. [수학식 3]에서 알 수 있듯이, 공기층(AV)에 형성된 음향학적 임피던스는 두 개의 텀(term)으로 구성될 수 있다. 첫 번째 텀(term)은 스페이서(411b)의 공기층의 존재로 인해 컴플라이언스(compliance)를 나타내고, 두번째 텀(term)은 고차모드(higher order mode)에 의한 어코스틱 매스(acoustic mass) 또는 인덕턴스(inductance)를 의미할 수 있다. 실제로 Zg=0을 만족하는 조건일 때, 스페이서(411b)에 생성된 공기층(AV)에 의해 형성된 공명조건을 구할 수 있다. 그리고 이러한 공명조건은 λ~ 2Λ인 조건에서 만족될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 더 포함하여 보는 바와 같이, 초음파 진동부(100)에서 발생되고 매칭 레이어부(200)에서 방사되는 초음파(UW1)가 예를 들어, 중심주파수(F0), 제1주파수(F1) 및 제2주파수(F2) 사이의 밴드폭(BW)을 가지며, -3dB의 반전력을 가지는 작동주파수를 가지고, 슬릿(430)의 제2폭(W2), 스페이서(411)의 돌출 높이(T2) 및 링(410)의 두께(T1)를 조절하여 초음파 증폭부(400)가 작동주파수와 일치되는 제1공진주파수를 가지도록 형성되면, 매칭 레이어부(200)에서 방사되는 초음파(UW1)가 초음파 증폭부(400)에 가해지면 초음파 증폭부(400)에서는 제1진폭(A1)에서 제2진폭(A2)만큼 진폭이 증가된 초음파(UW2)가 방사될 수 있다.
이처럼, 비접촉 초음파 트랜스듀서에 외부에서 펄스 신호(Pulse signal)를 가하게 되면, 민감도가 향상된 초음파 소자의 음향 신호 특성 때문에 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스 신호 세기를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 광대역 주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10을 더 포함하여 보는 바와 같이, 슬릿(430)의 제2폭(W2), 스페이서(411b)의 돌출 높이(T2) 및 링(410)의 두께(T1)를 조절하여 초음파 증폭부(400)가 작동주파수(UW1)와 살짝 불일치하게 제2공진주파수(UW3)를 가지도록 형성되면, 즉, 작동주파수(UW1)의 중심주파수(F0)와 불일치하는 다른 중심주파수(F3)를 가지는 제2공진주파수(UW3)가 형성되면, 작동주파수(UW1)와 제2공진주파수(UW3)가 커플링되면서 제2주파수(F2) 및 제3주파수(F4) 사이의 제2밴드폭(BW2)을 가질 수 있다. 제2밴드폭(BW2)은 작동주파수(UW1)가 가지는 제1주파수(F1) 및 제2주파수(F2) 사이의 제1밴드폭(BW1)보다 클 수 있다. 작동주파수(UW1)와 제2공진주파수(UW3)가 커플링되면서, 광대역 초음파를 생성할 수 있다.
그리고 이러한 방법을 이용하면, 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서보다 훨씬 높은 주파수 대역을 커버할 수 있는 광대역 센서를 구현할 수 있다. 즉, 매칭 레이어부(200)에서 방사하는 초음파의 작동주파수의 펄스폭을 좁힐 수 있다. 다시 말하면, 작동주파수의 제1펄스폭보다 좁은 제2펄스폭을 가지도록 초음파 신호를 변형할 수 있다.
그리고, 비접촉 초음파 트랜스듀서는 케이스부(500) 및 클램핑부(600)를 포함할 수 있다.
케이스부(500)는 초음파 진동부(100) 및 매칭 레이어부(200)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 케이스부(500)는 초음파 진동부(100) 및 매칭 레이어부(200)의 외주면에 밀착되어 초음파 진동부(100) 및 매칭 레이어부(200)를 고정시킬 수 있다.
케이스부(500)는 흡수부(300)를 더 감싸도록 형성될 수도 있다.
케이스부(500)의 후방에는 초음파 진동부(100)에 전원과 제어신호를 전송하는 전송선(미도시)과, 초음파 진동부(100)와 연결되어 전기적 신호를 송수신하기 위한 커넥터(미도시)의 신호선(미도시)이 내측에 수용되는 케이블(710)이 연결될 수 있다.
케이스부(500)의 전(前)단부는 초음파 증폭부(400)의 후면에 밀착될 수 있다.
클램핑부(600)는 하우징(610)과 플랜지(620)를 가질 수 있다.
하우징(610)은 케이스부(500)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 하우징(610)은 케이스부(500)에 밀착결합될 수 있다.
플랜지(620)는 하우징(610)의 전(前)단부에서 중심방향으로 연장 형성될 수 있다. 플랜지(620)는 초음파 증폭부(400)의 전(前)면 테두리에 밀착될 수 있으며, 증폭부(400)를 매칭 레이어부(200)의 방향으로 가압하여 초음파 증폭부(400)가 매칭 레이어부(200)에 밀착 고정되도록 할 수 있다.
한편, 각각의 링(410)은 도시된 것과 같은 원형링의 형상에 한정되는 것은 아니며, 사각링의 형상으로 형성될 수도 있다. 이 경우, 매칭 레이어부(200), 초음파 진동부(100), 흡수부(300), 케이스부(500) 및 클램핑부(600)도 사각형상의 단면적을 가지도록 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서와 종래의 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스-에코(Pulse-Echo)를 나타낸 그래프이다. 도 11은 50kHz 대역의 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스-에코 신호를 나타낸 것으로, 반사체에 50kHz 대역의 초음파를 방사한 후 수신하고, 펄스 리스버(Pulse Receiver)에서 분석하였다.
도 11의 (a)는 초음파 증폭부(400)가 생략된 상태에서의 펄스-에코 신호를 나타낸 것이고, 도 11의 (b)는 도 11의 (a)와 동일한 조건 하에서 초음파 증폭부(400)를 결합하여 진행한 펄스-에코 신호를 나타낸다. 도 11의 (a)에서 보는 바와 같이, 초음파 증폭부(400)가 생략된 상태의 비접촉 초음파 트랜스듀서에서는 0.0015초 부근에서 전압의 변동크기가 작은 반면, 도 11의 (b)에서 보는 바와 같이 초음파 증폭부(400)가 결합된 상태의 비접촉 초음파 트랜스듀서에서는 0.0015초 부근에서 전압의 변동크기가 상대적으로 크게 나타난다. 이를 통해, 초음파 증폭부(400)를 이용하면 에코 신호가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭부를 나타낸 예시도이다. 본 실시예에서는 초음파 증폭부의 형상이 다를 수 있으며, 다른 구성은 전술한 일실시예와 동일하므로, 반복되는 내용은 최대한 생략한다.
도 12에서 보는 바와 같이, 초음파 증폭부(400a)의 각각의 링(410a)의 전(前)면은 연속되는 오목면(415)으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 초음파 증폭부(400a)에서 증폭되는 초음파는 초음파 증폭부(400a)의 전방의 제1지점(P)에 집중되도록 방사될 수 있다.
각각의 링(410a)은 동일한 높이로 형성될 수 있으며, 따라서, 각각의 링(410a)의 후면은 연속되는 볼록면(416)으로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 매칭 레이어부의 전(前)면도 볼록면(416)에 대응되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해, 초음파 증폭부(400a) 및 매칭 레이어부 사이의 공기층의 두께가 일정하게 될 수 있다.
볼록면(416)은 오목면(415)에 대응되도록 형성될 수 있으며, 따라서, 매칭 레이어부의 전(前)면은 초음파 증폭부(400a)의 전(前)면과 동일한 형태로 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 피검체에 초음파를 출력하고 피검체 내에서 반사되는 에코 신호를 검출하여 피검체의 검사에 필요한 정보를 제공하는 초음파 검사 기술 분야에 산업상 이용가능하다.

Claims (11)

  1. 동심축을 가지는 복수의 링을 포함하고,
    각각의 상기 링은 제1폭을 가지도록 형성되고,
    각각의 상기 링의 사이에는 제2폭을 가지는 슬릿이 형성되며,
    초음파가 발생하는 발생 매개체 또는 초음파를 전달하는 전달 매개체와 상기 복수의 링 사이에는 공기층이 형성되고,
    상기 슬릿에 의한 공진현상과 상기 공기층에 의한 공진현상을 함께 이용하는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 링의 지름방향으로 구비되어 상기 복수의 링을 연결하는 연결바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발생 매개체 또는 상기 전달 매개체와 상기 복수의 링의 사이가 이격되어 상기 공기층이 형성되도록 상기 복수의 링의 후면에는 스페이서가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서는 각각의 상기 링에 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서는 각각의 상기 링에 원주방향을 따라 연장되도록 형성되되, 초음파의 작동파장에 기초하여 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서의 돌출 높이는 상기 초음파의 작동파장(λ)/100 미만인 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 링은 원형링 또는 사각링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 증폭부에서 증폭되는 초음파가 방사되어 상기 초음파 증폭부의 전방의 제1지점에서 집중되도록, 상기 복수의 링의 전면(前面)은 연속되는 오목면으로 형성되고, 상기 복수의 링의 후면은 연속되는 볼록면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  9. 제1항에 있어서,
    초음파의 작동주파수와 불일치되는 제2공진주파수를 가지도록 형성되고,
    상기 작동주파수와 상기 제2공진주파수가 커플링되면서 상기 작동주파수의 제1밴드폭보다 큰 제2밴드폭으로 만들어지고,
    상기 작동주파수의 제1펄스폭보다 좁은 제2펄스폭을 가지도록 초음파 신호가 변형되는 것을 특징으로 하는 초음파 증폭부.
  10. 초음파를 발생시키는 초음파 진동부;
    상기 초음파 진동부의 전면(前面)에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 전방(前方)으로 방사하는 매칭 레이어부;
    상기 초음파 진동부의 후면에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 흡수하는 흡수부; 그리고
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 초음파 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초음파 진동부 및 상기 매칭 레이어부의 외주면을 감싸도록 구비되고, 전(前)단부가 상기 초음파 증폭부의 후면에 밀착되는 케이스부; 및
    상기 케이스부의 외주면을 감싸는 하우징과, 상기 하우징의 전(前)단부에서 중심방향으로 연장 형성되고 상기 초음파 증폭부의 전면(前面) 테두리에 밀착되어 상기 초음파 증폭부를 상기 매칭 레이어부에 밀착 고정시키는 플랜지를 가지는 클램핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
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