WO2021095899A1 - 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛 - Google Patents

초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛 Download PDF

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WO2021095899A1
WO2021095899A1 PCT/KR2019/015303 KR2019015303W WO2021095899A1 WO 2021095899 A1 WO2021095899 A1 WO 2021095899A1 KR 2019015303 W KR2019015303 W KR 2019015303W WO 2021095899 A1 WO2021095899 A1 WO 2021095899A1
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WO
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ultrasonic
sub
slit
ultrasound
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PCT/KR2019/015303
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English (en)
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박종진
이학주
곽준혁
송경준
정민석
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재단법인 파동에너지 극한제어연구단
부산대학교 산학협력단
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Filing date
Publication date
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
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    • B06B2201/70—Specific application

Definitions

  • the present invention relates to a super-transparent acoustic cover unit of an ultrasonic transducer, and more particularly, to a super-transparent acoustic cover unit of an ultrasonic transducer capable of improving the output of ultrasonic waves and completely blocking the inflow of foreign substances. .
  • Ultrasound refers to a periodic sound pressure having a frequency exceeding the maximum audible limit range that humans can hear, and corresponds to a sound wave exceeding about 20 kHz (20,000 Hz).
  • Ultrasound is generally used in various fields such as penetrating a medium (medium), measuring an echo wave, or supplying concentrated energy.
  • a medium medium
  • an ultrasound examination device irradiates ultrasound to a subject such as a person, animal, or object, detects an echo signal reflected in the subject, and displays a tomographic image of the tissue within the subject on a monitor. Provides the information necessary for the inspection.
  • the propagation of ultrasonic waves consists of the transmission of energy through a medium, and when ultrasonic waves pass through a medium, it is affected by the inherent acoustic impedance of the medium.
  • ultrasonic waves are relatively poorly transmitted in air and well transmitted in liquids and solids.
  • the inspection apparatus using ultrasonic waves can be classified into a contact type and a non-contact type based on a corresponding medium.
  • Contact ultrasonic testing is a liquid or solid as a medium, and as described above, it is widely used because of its good transmission power.
  • the subject since a liquid or solid is inserted between the probe and the subject and the test is performed, the subject is often exposed to a liquid or solid, and in particular, microscopic irregularities or porous tissues on the surface of the subject. When this exists, it becomes difficult to apply the contact ultrasonic test.
  • Non-contact ultrasonic testing uses air as a medium, and because it enables non-contact testing without direct contact with the subject, there is no fear of contamination of the subject, and can be effectively used even if there are fine irregularities or porous substances on the surface of the subject. In addition, it can be widely used in the field of non-destructive inspection of composite materials used in aviation, space, and building materials.
  • the non-contact ultrasonic test has a disadvantage in that a large amount of wave energy cannot penetrate into the material compared to the contact ultrasonic test due to the difference in acoustic impedance between the air and the target material.
  • an ultrasonic signal having a low power or a signal having a low signal-to-noise ratio is obtained compared to a contact ultrasonic test. Therefore, in order to improve the performance of the non-contact ultrasonic inspection, it is necessary to amplify the ultrasonic signal transmitted or received by the probe.
  • ultrasonic transducers used in various industrial fields generally have to meet certain minimum safety requirements and standards. Such requirements protect the device from scattering particles and unintended or accidental impacts, resistance to corrosion from the medium in contact, chemical stability to not contaminate the subject, and wide tolerances for static or dynamic pressure fluctuations. And the like may be included.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0023154 discloses an'ultrasonic transducer' capable of improving ultrasonic output and reception sensitivity.
  • An object of the present invention is to solve a conventional problem, and the present invention is capable of amplifying the ultrasonic wave generated in the ultrasonic generator to emit high-power ultrasonic signals, and to protect the ultrasonic generator from external foreign matter or impact. It is to provide an acoustic ultra-transmissive cover unit for a transducer.
  • the ultra-transmissive acoustic cover unit of the ultrasonic transducer is coupled to an ultrasonic generator that generates ultrasonic waves, and has a plurality of rings having different radii.
  • An amplification unit including a body portion disposed to be spaced apart, a slit portion formed to be depressed from an incident surface on which ultrasonic waves are incident and formed between adjacent body portions, and a cover portion disposed on an emission surface from which ultrasonic waves are emitted; And a membrane coupled to the cover portion and formed to have a resonant frequency coincident with an operating frequency of the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator, wherein the cover portion has a plurality of A through hole is formed, and a diameter of the through hole is smaller than a width of the slit.
  • the through hole may be disposed to be spaced apart at a predetermined interval along the circumferential direction of the slit portion.
  • the area of the cover part in contact with the slit may be divided into a plurality of sub-regions of the cover part according to a distance from the center of the body part.
  • the ratio of the total area of the plurality of through-holes formed in the cover sub-region to the area of the cover sub-region may be the same for each of the cover sub-regions.
  • the ratio of the summed area of the plurality of through-holes formed in the sub-region of the cover to the area of the sub-region of the cover part is within 15%. desirable.
  • the ultrasonic signal amplified through the amplifying unit and the membrane can be radiated without loss, and the ultrasonic generator and the amplifying unit can be safely protected from external foreign matter or impact.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an ultra-transmissive acoustic cover unit of an ultrasonic transducer coupled to an ultrasonic generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention by separating the acoustic ultra-transmissive cover unit.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1, and is a cross-sectional view illustrating an ultra-transmissive acoustic cover unit of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a first experimental example for explaining the ultra-transmissive action of sound waves according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 3 and is a cross-sectional view illustrating an amplification unit of an ultra-transmissive acoustic cover unit of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an ultra-transmissive acoustic cover unit of an ultrasonic transducer coupled to an ultrasonic generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a super-transmissive acoustic cover unit of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, which is a cross-sectional view showing an ultra-transmissive acoustic cover unit of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 3.
  • the ultra-transmissive acoustic cover unit of the ultrasonic transducer may include an amplifying unit 100 and a membrane 200.
  • the amplification unit 100 may be coupled to the ultrasonic generator 10. That is, the ultrasonic generator 10 may be coupled to the front surface of the ultrasonic generator 10 to which the ultrasonic waves are radiated.
  • the ultrasonic generator 10 generates ultrasonic waves, and the ultrasonic generator 10 may be an active device, for example, a piezoelectric device.
  • An ultrasonic absorption unit may be provided on a rear surface opposite to a front surface where ultrasonic waves are emitted from the ultrasonic generator 10.
  • the ultrasonic absorber absorbs the ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator 10 to limit unnecessary vibrations transmitted to the rear of the ultrasonic generator 10, and transmitted from the ultrasonic generator 10 to avoid interference of unnecessary signals.
  • the resulting ultrasonic waves can be scattered and absorbed and removed. Accordingly, the resolution of the ultrasonic transducer may be increased and a broadband may be possible.
  • the amplification unit 100 may be provided in the shape of a plate, may have an incident surface 101 through which ultrasonic waves radiated from the ultrasonic generator 10 are incident, and amplified ultrasonic waves disposed apart from the incident surface 101 It may have an emission surface 102 that radiates.
  • the plate-shaped amplification part 100 may include a body part 110, a slit part 130, and a cover part 150.
  • the body portion 110 may be formed in a ring shape, may have a concentric axis, and may be formed to have different radii. Each body portion 110 may be formed to have a first thickness (T1), and may be formed to have a first width (W1).
  • the slit portion 130 may be formed to be recessed from the incident surface 101 on which the frequency generated by the ultrasonic generator 10 is incident, and may be formed between the adjacent body portions 110, respectively.
  • Each slit portion 130 may be formed to have the same first thickness T1 as the body portion 110 and may be formed to have a second width W2. That is, the adjacent slit portions 130 may be disposed to be spaced apart by an interval of the first width W1.
  • the body portion 110 and the slit portion 130 may be formed in a ring shape, and, unlike this, may be formed in a rectangular ring shape.
  • a spacer may protrude from the incident surface 101 of the body portion 110 to which the ultrasonic waves are incident.
  • a gap in which an air layer is formed may be provided between the body part 110 and the ultrasonic generator 10 through the spacer. This air gap may form a new impedance layer layer.
  • the spacer may be in the form of a natural spacer 110a formed by the texture or surface roughness of the material of the body portion 110, as shown in FIG. 5A.
  • the spacer may be formed in an artificial structure, for example, as shown in (b) of FIG. 5, may be in the form of a multi-spacer (110b) densely formed on the surface of the body portion 110, FIG. As shown in (c) of 5, it may be in the form of a single spacer 110c formed on the surface of the body portion 110.
  • the protrusion height T4 of the gap formed by the spacer may be less than ⁇ /100.
  • the structure of the plurality of rings 110 thus manufactured may amplify the ultrasonic waves incident from the resonance phenomenon caused by the slit part 113 and the resonance phenomenon caused by the gap.
  • the cover unit 150 may be disposed on the emission surface 102 from which ultrasonic waves are radiated. That is, the cover part 150 may be provided to form the exit surface 102 of the amplifying part 100 while connecting the plurality of body parts 110.
  • the cover part 150 may be formed to have a second thickness T2, and the second thickness T2 may be smaller than the first thickness T1.
  • the cover part 150 may be directly coupled to the body part 110. That is, the cover unit 150 and the body unit 110 may be integrally manufactured using the same material.
  • the cover part 150 may have a plurality of cover part sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 in contact with each of the slit parts 130. That is, the cover portion 150 may be divided into a plurality of cover portion sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 having different radii while being in contact with each of the slit portions 130.
  • a plurality of through holes 151 may be provided in the cover part 150, and the through holes 151 may be formed through to connect the slit part 130 and the exit surface 102.
  • the through hole 151 may be formed for each of the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4.
  • the through holes 151 formed in each of the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 may be disposed to be spaced apart at predetermined intervals along the circumferential direction of the slit 130.
  • the through hole 151 may be formed to have a first diameter W3.
  • the first diameter W3 may be formed smaller than the second width W2 of the slit portion 130.
  • the through hole 151 may be formed in a circular shape, or, unlike this, may be formed in various shapes such as a polygonal shape.
  • the ratio of the total area of each of the cover sub-areas SA1, SA2, SA3, and SA4 to the total area of the plurality of through-holes 151 formed in the cover sub-areas SA1, SA2, SA3, and SA4 is the cover
  • Each of the sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 may be formed identically to each other. Through this, it is possible to set the same frequency transmitted through each of the cover sub-areas SA1, SA2, SA3, and SA4.
  • the ratio of the total area of each of the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 to the total area of the plurality of through-holes 151 formed in the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 If set to be vaguely large, the transmittance of the wave pressure in the corresponding resonance frequency region can be increased, but as the rigidity of the cover unit 150 is excessively reduced, the cover unit 150 and the membrane 200 coupled to the cover unit 150 are ) May lack durability.
  • the ratio of the total area of each of the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 and the total area of the plurality of through-holes 151 formed in the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 is , It is preferably set within 15%.
  • the membrane 200 may be coupled to the cover unit 150 and may be formed to have a resonant frequency that matches the operating frequency of the incident ultrasonic wave.
  • the membrane 200 may be formed to have a third thickness T3.
  • the third thickness T3 may be formed to have a size smaller than the second thickness T2 of the cover part 150 and the third width W3 of the through hole 151.
  • the membrane 200 may be a thin film or a lightweight flexible film such as a film.
  • a metal sheet such as aluminum, stainless steel, or copper may be applied, and a polymer sheet such as polyvinyl chloride (PVC). Can be applied.
  • the membrane 200 may be made of various materials, and is not limited to a special material.
  • the membrane 200 may be made of a material capable of absorbing an external shock.
  • the resonant frequency of the membrane 200 may be calculated based on the operating frequency of the ultrasonic generator 10 and the ultrasonic wavelength in the medium.
  • the resonant frequency of the membrane 200 is the thickness of the cover part 150
  • a desired resonance frequency may be set by adjusting the diameter of the through hole 151 and the thickness of the membrane 200.
  • FIG. 6 is a first experimental example for explaining the ultra-transmissive action of sound waves according to the present invention.
  • Figure 6 (a) is to install a tube (130A: corresponding to the slit portion 130 of the present invention), and a diaphragm (150A: corresponding to the cover portion 150 of the present invention) in the inside of the tube (130A)
  • a hole (151A: corresponding to the through hole 151 of the present invention) of a certain diameter is formed in the center of the diaphragm 150A
  • sound waves are propagated from one side of the tube 130A to propagate the diaphragm 150A.
  • Figure 6 (b) installs a tube (130A: corresponding to the slit portion 130 of the present invention), and a diaphragm (150A: corresponding to the cover portion 150 of the present invention) inside the tube (130A) And forming a hole (151A: corresponding to the through hole 151 of the present invention) of a predetermined diameter in the central portion of the diaphragm 150A, and an elastic film 200A: the membrane of the present invention on one surface of the diaphragm 150A (Corresponding to 200) is an embodiment in which sound waves are propagated from one side of the tube 130A to measure the transmission strength of the sound waves passing through the diaphragm 150A.
  • the cross-sectional area of the hole 151A may occupy less than 15% of the area of the diaphragm 150A, and preferably may be less than 5%.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 3 and is a cross-sectional view illustrating an amplification unit of an ultra-transmissive acoustic cover unit of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • the amplification unit 1100 may also include a body portion 1110, a slit portion 1130, and a cover portion 1150 as in the above-described embodiment.
  • an annular through hole 1151 excluding components overlapping with the above-described embodiment will be described.
  • the annular through hole 1151 may be formed to have a third width W4, and the third width W4 is formed to be smaller than the second width W2 of the slit 1130 Can be.
  • the total area of each of the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4, and a plurality of through-holes 1151 formed in the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 The ratio of the total area of may be formed equally for each of the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4. Through this, it is possible to set the same frequency transmitted through each of the cover sub-areas SA1, SA2, SA3, and SA4.
  • the total area of each of the cover part sub-areas SA1, SA2, SA3, and SA4, and the corresponding The ratio of the total area of the plurality of through-holes 1151 formed in the cover sub-regions SA1, SA2, SA3, and SA4 may be set within 15%.
  • the acoustic ultra-transmissive cover unit includes the cover portions 150 and 1150 having the through holes 151 and 1151 and the membrane 200, thereby amplifying having the slit portions 130 and 1130.
  • acoustic impedance matching of the same or close level may be exhibited, and accordingly, the ultrasonic signals amplified through the amplification units 100 and 1100 may be radiated without loss.
  • the acoustic ultra-transmissive cover unit according to the present invention can protect the amplification units 100 and 1100 and the ultrasonic generator 10 from external foreign matter or impact through the membrane 200.
  • the acoustic ultra-transmissive cover unit according to the present invention can exclude a separate protective layer for protection from external foreign matter or impact, it is possible to reduce weight and size.
  • the ultra-transmissive cover unit of the ultrasonic transducer according to the present invention to which the ultra-transmitting technology that focuses and propagates energy in a very small area compared to the wavelength is applied to high-performance acoustic devices such as imaging devices and sensors having high resolution beyond the diffraction limit. Can be applied.
  • the present invention can amplify ultrasonic waves to emit high-power ultrasonic signals, improve durability from external foreign matter or impact, and can be used industrially in the field of ultrasonic technology having high resolution.

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Abstract

본 발명은 초음파 발생부에서 발생된 초음파를 증폭시켜 고출력의 초음파 신호를 방사할 수 있으며, 외부 이물질의 유입을 완전히 차단시킬 수 있는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버유닛을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 초음파를 발생시키는 초음파 발생부에 결합되고, 서로 다른 반경을 가지는 복수의 링 형태로 이격되게 배치되는 바디부와, 초음파가 입사되는 입사면으로부터 함몰되게 형성되고 인접하는 상기 바디부 사이에 각각 형성되는 슬릿부와, 초음파가 방사되는 출사면에 배치되는 커버부를 포함하는 증폭부; 및 상기 커버부에 결합되고, 상기 초음파 발생부에서 발생된 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 형성되는 멤브레인;을 포함하고, 상기 커버부에는 상기 슬릿부와 연통되는 복수의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀의 지름은 상기 슬릿부의 폭보다 작은 특징을 개시한다.

Description

초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛
본 발명은 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛에 관한 것으로, 상세하게는 초음파의 출력을 향상시킬 수 있고, 외부 이물질의 유입을 완벽하게 차단할 수 있는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛에 관한 것이다.
초음파(Ultrasonic, Ultrasound)는 인간이 들을 수 있는 가청 최대 한계 범위를 넘어서는 주파수를 가지는 주기적인 음압(Sound Pressure)을 의미하며, 약 20kHz(20,000Hz)를 초과하는 음파에 해당된다.
초음파는 일반적으로 매개체(매질)을 관통시키거나 반향파의 측정 또는 집중된 에너지를 공급하는 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 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.
초음파의 전파는 매질을 통한 에너지의 전달로 이루어지는데, 초음파가 어떤 매질을 통과할때는 그 매질이 가지는 고유한 음향 인피던스(Acoustic Impedance)에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 초음파는 상대적으로 공기 중에서는 잘 전달되지 못하고, 액체나 고체에서는 잘 전달된다. 이처럼 초음파를 이용한 검사 장치는 해당 매질을 기준으로 접촉식과 비접촉식으로 구별될 수 있다.
접촉식 초음파 검사는 액체나 고체를 매질로 하는 것으로, 전술한 바와 같이 초음파의 전달 출력이 좋아 일반적으로 많이 사용된다. 하지만, 접촉식 초음파 검사는 탐촉자와 피검체 사이에 액체 또는 고체를 넣고 탐상을 진행하므로 피검체가 액체나 고체에 노출되는 경우가 많고, 특히 피검체의 표면에 미세한 요철이나 다공성(Porous)의 조직이 존재하는 경우에는 접촉식 초음파 검사의 적용이 어려워진다.
비접촉식 초음파 검사는 공기를 매질로 하는 것으로, 피검체와의 직접적인 접촉 없이 비접촉 검사가 가능하므로 피검체의 오염 우려가 없고, 피검체의 표면에 미세한 요철이나 다공성(Porous) 물질이 존재하더라도 효과적으로 사용될 수 있으며, 항공, 우주, 건축 자재 등에 사용되는 복합재료의 비파괴 검사 분야에 널리 사용될 수 있다. 하지만, 비접촉식 초음파 검사는 공기와 대상 물질과의 음향 인피던스(Acoustic Impedance) 차이로 인하여 접촉식 초음파 검사에 비해 많은 양의 파동 에너지를 물질 내부로 침투시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 접촉식 초음파 검사에 비해 파워가 낮은 초음파 신호 혹은 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 낮은 신호를 얻게 된다. 따라서, 비접촉식 초음파 검사의 성능 향상을 위해서는 탐촉자의 송신 또는 수신되는 초음파 신호를 증폭시킬 필요성이 있다.
한편 다양한 산업 분야에서 사용되는 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 특정 최소 안전 요건 및 표준을 만족하여야 한다. 그러한 요건들은 비산되는 입자 및 의도치 않거나 우발적인 충격들로부터 장치를 보호하고, 접촉되는 매질로부터 부식에 대한 내성, 피검체를 오염시키지 않기 위한 화학적 안정성, 정적 또는 동적 압력 변동들에 대한 광범위한 허용오차 등이 포함될 수 있다.
현재 초음파 트랜스듀서들을 보호하기 위한 방안으로는 트랜스듀서의 압전요소 전방에 금속성 보호층을 부착하는 경우가 있다. 하지만, 초음파 경로상에 구비되는 보호층의 추가로 인하여, 보호층이 결합되는 층이나 보호층 경계면에서 음파의 반사, 산란 및 급격한 공진 피크(sharp resonant peak)가 발생되면서 수신되는 신호를 감소시키게 된다.
따라서, 고출력 및 내구성이 함께 만족될 수 있는 새로운 장치 및 구조의 트랜스듀서 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0023154호(2016.03.03. 공개)에는 초음파 출력과 수신 감도를 향상시킬 수 있는 '초음파 변환기'가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 초음파 발생부에서 발생된 초음파를 증폭시켜 고출력의 초음파 신호를 방사할 수 있으며, 외부 이물질이나 충격으로부터 초음파 발생부를 보호할 수 있는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛은, 초음파를 발생시키는 초음파 발생부에 결합되고, 서로 다른 반경을 가지는 복수의 링 형태로 이격되게 배치되는 바디부와, 초음파가 입사되는 입사면으로부터 함몰되게 형성되고 인접하는 상기 바디부 사이에 각각 형성되는 슬릿부와, 초음파가 방사되는 출사면에 배치되는 커버부를 포함하는 증폭부; 및 상기 커버부에 결합되고, 상기 초음파 발생부에서 발생된 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 형성되는 멤브레인;을 포함할 수 있고, 이때 상기 커버부에는 상기 슬릿부와 연통되는 복수의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀의 지름은 상기 슬릿부의 폭보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛에 있어서, 상기 관통홀은 상기 슬릿부의 원주방향을 따라 미리 설정된 간격으로 이격되게 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛에 있어서, 상기 슬릿부에 접하는 커버부의 영역은 상기 바디부의 중심으로부터의 거리에 따라 복수의 커버부 서브영역으로 구획될 수 있고, 이때 상기 커버부 서브영역의 면적에 대한 상기 커버부 서브영역에 형성된 상기 복수의 관통홀의 합산 면적의 비는, 상기 커버부 서브영역마다 각각 동일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛에 있어서, 상기 커버부 서브영역의 면적에 대한 상기 커버부 서브영역에 형성된 상기 복수의 관통홀의 합산 면적의 비는 15% 이내인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 증폭부 및 멤브레인을 통하여 증폭된 초음파 신호를 손실 없이 방사할 수 있고, 외부 이물질이나 충격으로부터 초음파 발생부 및 증폭부를 안전하게 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생부에 결합된 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 분리하여 나타낸 분리 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A선 단면도로서, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 B-B선 단면도이다.
도 5는 도 3의 C부분 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 음파의 초투과 작용을 설명하기 위한 제1실험예이다.
도 7은 도 3의 B-B선 단면도로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛의 증폭부를 나타낸 단면도이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생부에 결합된 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 분리하여 나타낸 분리 사시도이며, 도 3은 도 1의 A-A선 단면도로서, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛을 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3의 B-B선 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛은 증폭부(100) 및 멤브레인(200)을 포함할 수 있다.
증폭부(100)는 초음파 발생부(10)에 결합될 수 있다. 즉, 초음파 발생부(10)에서 초음파가 방사되는 초음파 발생부(10)의 전면에 결합될 수 있다.
초음파 발생부(10)는 초음파를 발생시키는 것으로, 초음파 발생부(10)는 능동소자일 수 있으며, 예를 들면, 압전소자일 수 있다.
초음파 발생부(10)에서 초음파가 방사되는 전면과 반대되는 후면에는 초음파 흡수부가 구비될 수 있다. 초음파 흡수부는 초음파 발생부(10)에서 발생되는 초음파를 흡수하여 초음파 발생부(10)의 후방으로 전달되는 불필요한 진동을 제한할 수 있고, 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 초음파 발생부(10)에서 전달되는 초음파를 산란, 흡수하여 제거할 수 있다. 이에 따른 초음파 트랜스듀서는 분해능이 높아지고 광대역이 가능해질 수 있다.
증폭부(100)는 플레이트 형상으로 구비될 수 있으며, 초음파 발생부(10)에서 방사되는 초음파가 입사되는 입사면(101)을 가질 수 있고, 입사면(101)에서 이격되게 배치되어 증폭된 초음파를 방사하는 출사면(102)을 가질 수 있다.
이러한 플레이트 형상의 증폭부(100)는 바디부(110), 슬릿부(130), 커버부(150)를 포함할 수 있다.
바디부(110)는 링 형태로 이루어질 수 있고, 동심축을 가지며 서로 다른 반경을 가지도록 형성될 수 있다. 각각의 바디부(110)는 제1두께(T1)를 가지도록 형성될 수 있고, 제1폭(W1)을 가지도록 형성될 수 있다.
슬릿부(130)는 초음파 발생부(10)에서 발생된 주파수가 입사되는 입사면(101)으로부터 함몰되게 형성될 수 있고, 인접하는 바디부(110) 사이에 각각 형성될 수 있다. 각각의 슬릿부(130)는 바디부(110)와 동일한 제1두께(T1)를 가지도록 형성될 수 있고, 제2폭(W2)을 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 인접하는 슬릿부(130)는 제1폭(W1)의 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.
바디부(110) 및 슬릿부(130)는 도시된 바와 같이, 링 형상으로 형성될 수 있고, 이와 달리, 사각형 링 형상으로 형성될 수도 있다.
도 5는 도 3의 C부분 확대도이다.
초음파가 입사되는 바디부(110)의 입사면(101)에는 스페이서가 돌출 형성될 수 있다. 스페이서를 통해 각각의 바디부(110)와 초음파 발생부(10)의 사이에는 공기층이 형성되는 갭(gap)이 마련될 수 있다. 이러한 공기층 갭은 새로운 임피던스 레이어층을 형성할 수 있다.
스페이서는 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 바디부(110)의 재료의 질감이나 표면거칠기에 의해 형성되는 자연스러운 스페이서(110a)의 형태일 수 있다. 또한 스페이서는 인위적인 구조로 형성될 수도 있으며, 예를 들면, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 바디부(110)의 표면에 조밀하게 형성되는 멀티 스페이서(110b)의 형태일 수 있고, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 바디부(110)의 표면에 형성하는 싱글 스페이서(110c)의 형태일 수 있다. 이때, 입사되는 초음파의 작동파장이 λ일 때, 스페이서에 의해 형성되는 갭의 돌출 높이(T4)는 λ/100 미만일 수 있다.
이렇게 제작된 복수의 링(110) 구조물은 슬릿부(113)에 의한 공진현상과 갭(gap)에 의한 공진현상으로부터 입사되는 초음파를 증폭시킬 수 있다.
커버부(150)는 초음파가 방사되는 출사면(102)에 배치될 수 있다. 즉, 커버부(150)는 복수의 바디부(110)를 연결하면서 증폭부(100)의 출사면(102)을 형성하도록 구비될 수 있다.
커버부(150)는 제2두께(T2)를 가지도록 형성될 수 있고, 제2두께(T2)는 제1두께(T1)보다 작을 수 있다.
커버부(150)는 바디부(110)에 직접 결합될 수 있다. 즉, 커버부(150)와 바디부(110)는 동일한 소재를 이용하여 일체로 제작될 수 있다.
커버부(150)는 각각의 슬릿부(130)와 접하는 복수의 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)을 가질 수 있다. 즉, 커버부(150)는 각각의 슬릿부(130)와 접하면서 서로 다른 반경을 가지는 복수의 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)으로 구획될 수 있다.
커버부(150)에는 복수의 관통홀(151)이 구비될 수 있고, 관통홀(151)은 슬릿부(130)와 출사면(102)을 연결하도록 관통 형성될 수 있다. 이러한 관통홀(151)은 각각의 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)마다 형성될 수 있다.
각각의 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성되는 관통홀(151)은 슬릿부(130)의 원주방향을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되게 배치될 수 있다.
관통홀(151)은 제1지름(W3)을 가지도록 형성될 수 있다. 제1지름(W3)은 슬릿부(130)의 제2폭(W2)보다 작게 형성될 수 있다.
관통홀(151)은 도시된 바와 같이, 원형 형상으로 형성될 수 있고, 이와 달리, 다각 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수도 있다.
각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 전체 면적과, 해당 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성된 복수의 관통홀(151)의 전체 면적의 비는, 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)마다 서로 동일하게 형성될 수 있다. 이를 통해, 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)을 투과하는 동일한 주파수를 설정할 수 있다.
여기서, 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 전체 면적과, 해당 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성된 복수의 관통홀(151)의 전체 면적의 비를 막연하게 크게 설정하면, 해당 공진주파수 영역에서 파동 압력의 투과율은 높일 수는 있겠으나 커버부(150)의 강성이 지나치게 감소됨에 따라 커버부(150) 및 커버부(150)에 결합되는 멤브레인(200)의 내구성이 결여될 수 있다.
결국, 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 관통홀(151)을 형성할 시, 외부 충격으로부터 커버부(150) 및 멤브레인(200)의 내구성을 확보하는 동시에 음파의 투과율을 최대로 향상시킬 수 있는 조건에서 설정될 필요가 있다.
이를 위한 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 전체 면적과, 해당 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성된 복수의 관통홀(151)의 전체 면적의 비는, 15% 이내에서 설정됨이 바람직하다.
멤브레인(200)은 커버부(150)에 결합될 수 있고, 입사되는 초음파의 작동주파수에 일치되는 공진주파수를 가지도록 형성될 수 있다.
멤브레인(200)은 제3두께(T3)를 가지도록 형성될 수 있다. 제3두께(T3)는 커버부(150)의 제2두께(T2) 및 관통홀(151)의 제3폭(W3)보다 작은 크기로 형성될 수 있다.
멤브레인(200)은 박막, 필름과 같은 경량의 가요성 막이 적용될 수 있으며, 예를 들면, 알루미늄, 스테인리스, 구리 등의 금속 시트가 적용될 수 있고, 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride:PVC) 등의 폴리머 시트가 적용될 수 있다. 이와 같이, 멤브레인(200)은 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 특별한 소재에 한정되는 것은 아니다. 더불어, 멤브레인(200)은 외부 충격을 흡수할 수 있는 소재로 이루어질 수도 있다.
멤브레인(200)의 공진주파수는 초음파 발생부(10)의 작동주파수 및 매질에서의 초음파 파장을 기반으로 계산될 수 있으며, 다시 말해, 멤브레인(200)의 공진주파수는 커버부(150)의 두께, 관통홀(151)의 지름, 멤브레인(200)의 두께를 조절하여 원하는 공진주파수를 설정할 수 있다.
일반적으로 파동은 파장보다 현저하게 작은 구멍은 통과하지 못하고 반사되는 특성을 가지는데, 이러한 파동현상을 기초로 한스베테(Hans Bethe)가 이론적으로 계산한 결과에 따르면, 벽에서 구멍이 차지하는 면적 안에서 파동강도와 입사파의 파동강도의 비(η)는 1보다 현저하게 작다. 이에, η>1이면 초투과(Extraordinary transmission)라고 부른다.
도 6은 본 발명에 따른 음파의 초투과 작용을 설명하기 위한 제1실험예이다.
먼저 도 6 (a)는 관(130A:본 발명의 슬릿부(130)에 대응)을 설치하고, 상기 관(130A)의 내부에 격판(150A:본 발명의 커버부(150)에 대응)을 설치하며, 상기 격판(150A)의 중앙부에 일정 지름의 구멍(151A:본 발명의 관통홀(151)에 대응)을 형성한 상태에서, 관(130A)의 일측에서 음파를 전파하여 격판(150A)을 투과하는 음파의 투과 세기를 측정한 실험예이다.
도 6 (a)에 나타낸 바와 같이, 탄성막(멤브레인) 없이 구멍(151A)만이 형성된 격판(150A)의 경우, 음파가 작은 구멍(151A)을 거의 투과하지 못함을 보여주고 있으며, 이는 구멍(151A)의 크기가 음파의 파장보다 매우 작기 때문이다.
반면 도 6 (b)는 관(130A:본 발명의 슬릿부(130)에 대응)을 설치하고, 상기 관(130A)의 내부에 격판(150A:본 발명의 커버부(150)에 대응)을 설치하며, 상기 격판(150A)의 중앙부에 일정 지름의 구멍(151A:본 발명의 관통홀(151)에 대응)을 형성하고, 상기 격판(150A)의 일면에 탄성막(200A:본 발명의 멤브레인(200)에 대응)을 형성한 상태에서, 관(130A)의 일측에서 음파를 전파하여 격판(150A)을 투과하는 음파의 투과세기를 측정한 실시예이다.
도 6 (b)에 나타낸 바와 같이, 탄성막(200A)이 있는 격판(150A)의 경우, 공진주파수 1,200Hz 영역에서 파동 압력의 약 80%가 투과되었음을 확인할 수 있다. 이는 구멍(151A)과 탄성막(200A)으로 이루어진 공진주파수에서 구멍(151A) 내부의 공기 효과적 질량이 0에 근접하는 것에 기인한 이유이다. 이와 같이, 구멍(151A)의 면적을 통해서 거의 모든 입사에너지가 투과하여 구멍(151A) 내부에서 에너지가 강하게 집속되는 것을 알 수 있다.
여기서 전술한 바와 같이, 구멍(151A)의 단면적은 격판(150A) 면적의 15% 이내를 차지할 수 있으며, 바람직하게는 5% 이내 일 수 있다.
도 7은 도 3의 B-B선 단면도로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛의 증폭부를 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 증폭부(1100) 역시 전술한 일 실시예와 마찬가지 바디부(1110), 슬릿부(1130), 커버부(1150)를 포함할 수 있다.
다만, 다른 실시예에 따른 증폭부(1100)는 슬릿부(1130)와 접하는 커버부(1150) 영역 즉, 각각의 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성되는 관통홀(1151)이 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 형상과 상응하게 환 형상으로 형성된 점에서 전술한 일 실시예에 따른 증폭부(100)와 구별된다. 이하 설명에서는 전술한 일 실시예와 중복되는 구성요소를 제외한 환 형상의 관통홀(1151)를 중심으로 설명한다.
다른 실시예에 따른 환 형상의 관통홀(1151)은 제3폭(W4)을 가지도록 형성될 수 있고, 제3폭(W4)는 슬릿부(1130)의 제2폭(W2)보다 작게 형성될 수 있다.
이 경우에도 전술한 바와 마찬가지, 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 전체 면적과, 해당 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성된 복수의 관통홀(1151)의 전체 면적의 비는, 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)마다 동일하게 형성될 수 있다. 이를 통해, 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)을 투과하는 동일한 주파수를 설정할 수 있다.
또한 전술한 바와 마찬가지, 커버부(1150) 및 멤브레인의 내구성을 확보하는 동시에 음파의 투과율을 최대로 향상시킬 수 있도록, 각 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)의 전체 면적과, 해당 커버부 서브영역(SA1,SA2,SA3,SA4)에 형성된 복수의 관통홀(1151)의 전체 면적의 비는 15% 이내에서 설정될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 음향 초투과형 커버 유닛은 관통홀(151,1151)을 가지는 커버부(150,1150) 및 멤브레인(200)을 포함함으로써, 슬릿부(130,1130)를 가지는 증폭부(100,1100)만을 구성한 경우와 비교하여, 동일하거나 근접한 수준의 음향 임피던스 매칭을 보일 수 있고, 이에 따라, 증폭부(100,1100)를 통해 증폭된 초음파 신호를 손실 없이 방사할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 음향 초투과형 커버 유닛은 멤브레인(200)을 통하여 외부 이물질이나 충격으로부터 증폭부(100,1100) 및 초음파 발생부(10)를 보호할 수 있게 된다. 예를 들면, 매질 상에 존재하는 비산 입자나 의도치 않거나 우발적인 충격 등으로부터 장치를 보호할 수 있고, 접촉되는 매질로부터 부식에 대한 장치의 내성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 음향 초투과형 커버 유닛은 외부 이물질이나 충격으로부터 보호를 위한 별도의 보호층을 배제할 수 있기 때문에, 경량화 및 소형화가 가능하다.
또한 파장 대비 매우 작은 영역에 에너지를 집속, 전파하는 초투과 기술이 적용된 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛은 회절 한계를 뛰어넘는 높은 분해능을 가지는 이미징 장치, 센서 등 고성능 음향 장치에 응용될 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
본 발명은 초음파를 증폭시켜 고출력의 초음파 신호를 방사하고, 외부 이물질이나 충격으로부터 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 높은 분해능을 가지는 초음파 기술 분야에서 산업상 이용가능하다.

Claims (4)

  1. 초음파를 발생시키는 초음파 발생부에 결합되고, 서로 다른 반경을 가지는 복수의 링 형태로 이격되게 배치되는 바디부와, 초음파가 입사되는 입사면으로부터 함몰되게 형성되고 인접하는 상기 바디부 사이에 각각 형성되는 슬릿부와, 초음파가 방사되는 출사면에 배치되는 커버부를 포함하는 증폭부; 및
    상기 커버부에 결합되고, 상기 초음파 발생부에서 발생된 초음파의 작동주파수와 일치되는 공진주파수를 가지도록 형성되는 멤브레인;을 포함하고,
    상기 커버부에는 상기 슬릿부와 연통되는 복수의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀의 지름은 상기 슬릿부의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 슬릿부의 원주방향을 따라 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿부에 접하는 커버부의 영역은 상기 바디부의 중심으로부터의 거리에 따라 복수의 커버부 서브영역으로 구획되고,
    상기 커버부 서브영역의 면적에 대한 상기 커버부 서브영역에 형성된 상기 복수의 관통홀의 합산 면적의 비는, 상기 커버부 서브영역마다 각각 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커버부 서브영역의 면적에 대한 상기 커버부 서브영역에 형성된 상기 복수의 관통홀의 합산 면적의 비는 15% 이내인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서의 음향 초투과형 커버 유닛.
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