KR102248811B1 - 전극을 포함하는 음파 발생 장치 및 시스템 - Google Patents

전극을 포함하는 음파 발생 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 음파 발생 장치는 압전 요소; 상기 압전 요소의 중앙부에 결합되는 원형의 제1전극; 및 상기 제1전극으로부터 반지름 방향으로 이격되어 상기 압전 요소의 외측부에 결합되는 환형의 제2전극을 포함한다.

Description

전극을 포함하는 음파 발생 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR GENERATING ACOUSTIC WAVE INCLUDING ELECTRODE}
이하, 실시예들은 음파 발생 장치 및 시스템에 관한 것이다.
압전 소자를 이용하여 음파를 발생시키는 장치가 개발되고 있다. 이러한 장치는 압전 소자에 전압이 인가되도록 구성되고, 인가된 전압에 의해 압전 소자로부터 음파가 발생할 수 있다. 압전 소자로부터 발생되는 음파의 크기 및 공진 주파수는 압전 소자의 크기, 물성, 트랜스듀서의 구조 등에 의해 조절될 수 있다. 또한, 이러한 장치에 의해 발생하는 음파의 빔 패턴 특성이 중요한데, 수중 음향 트랜스듀서 중 하나인 저주파 능동 소노부이에는 높은 지향성을 가지는 빔 패턴 특성이 요구된다. 다만, 장치가 설치되는 공간적인 특성을 고려할 필요가 있다.
미국특허공보 제6,400,645호 (2002.06.04. 등록)
일 실시예에 따른 목적은 의도하지 않은 빔 패턴 현상인 그레이팅 로브(grating lobe)의 발생을 방지하고 공간적 효율성을 가지면서도 지향성이 높은 음파 발생 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 음파 발생 시스템은 그레이팅 로브(grating lobe)의 발생을 방지하고 빔 패턴의 지향성을 향상시키기 위한 수중에서 사용되는 소노부이를 위한 음파 발생 시스템에 관한 것으로, 상기 음파 발생 시스템은 복수 개의 음파 발생 장치들을 포함하고, 상기 복수 개의 음파 발생 장치들은, 압전 요소; 상기 압전 요소의 중심부에 결합되는 원형의 제1전극; 상기 제1전극으로부터 반지름 방향으로 이격되어 상기 압전 요소의 외측부에 결합되는 환형의 제2전극; 및 상기 압전 요소, 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 둘러싸는 방수 부재를 각각 포함하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 동심원적으로 그리고 상기 압전 요소의 중심에 대해 점대칭으로 배치되고, 상기 복수 개의 음파 발생 장치들은 동일한 축 방향으로의 방사 방향을 가지도록 일렬로만 배열될 수 있다.
상기 음파 발생 장치의 방사 음압은 상기 제1전극을 커버하는 영역에 의한 제1방사 음압 및 상기 제2전극을 커버하는 영역에 의한 제2방사 음압에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 제1방사 음압은 상기 제1전극의 반지름에 의해 결정되고, 상기 제2방사 음압은 상기 제2전극의 외측 반지름 및 내측 반지름에 의해 결정될 수 있다.
상기 음파 발생 장치의 방사 음압은 아래의 수학식에 의해 결정될 수 있다.
<수학식>
Figure 112019032624630-pat00001
(여기서,
Figure 112019032624630-pat00002
,
Figure 112019032624630-pat00003
,
Figure 112019032624630-pat00004
이고,
Figure 112019032624630-pat00005
는 제2전극의 외측 반지름에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00006
는 제2전극의 내측 반지름에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00007
는 제1전극의 반지름에 의해 결정되는 방사 음압을 나타내고,
Figure 112019032624630-pat00008
는 제2전극의 외측 반지름에 의해 결정되는 제1지향 지수,
Figure 112019032624630-pat00009
는 제2전극의 내측 반지름에 의해 결정되는 제2지향 지수,
Figure 112019032624630-pat00010
는 제1전극의 반지름에 의해 결정되는 제3지향 지수를 나타내고,
Figure 112019032624630-pat00011
는 음파 발생 장치의 지향축에 대해 이루는 각도)
삭제
상기 음파 발생 장치는 상기 제2전극으로부터 반지름 방향으로 이격되어 상기 압전 요소의 외측부에 결합되는 적어도 하나 이상의 환형의 제3전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 압전 요소의 전방 및 후방 중 어느 하나에 결합되고, 상기 음파 발생 장치는 상기 압전 요소의 전방 및 후방 중 다른 하나에 결합되는 추가적인 전극을 더 포함할 수 있다.
삭제
일 실시예에 따른 음파 발생 장치 및 시스템은 그레이팅 로브의 발생을 방지하고 공간적 효율성을 가지면서도 지향성이 높다.
일 실시예에 따른 음파 발생 장치 및 시스템의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 음파 발생 시스템의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 방사 음압을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 음파 발생 장치의 단면도이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 음파 발생 시스템의 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 음파 발생 시스템(1)은 음파를 발생시키도록 구성된 복수 개의 음파 발생 장치(10)들을 포함할 수 있다. 복수 개의 음파 발생 장치(10)들은 각각의 축(X)이 동일한 음파 발생 방향을 향하도록 일렬로 배열될 수 있다. 여기서, 음파 발생 방향은 음파의 방사 방향으로 이해될 수 있다. 이러한 음파 발생 시스템(1)은 소노부이(sonobuoy)에 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 음파 발생 장치(10)는 상대적으로 작은 공간을 차지하면서도 높은 지향성을 갖는 구조를 구비할 수 있다. 다시 말하면, 음파 발생 장치(10)는 작은 방사 면적을 가질 수 있다. 여기서, "방사 면적"이란 음파가 발생하는 소스(source)의 면적을 말한다. 따라서, 음파 발생 장치(10)의 방사 면적이 감소한다는 것은 음파 발생 장치(10)가 구성하는 전체 시스템의 크기가 감소한다는 것을 의미한다.
음파 발생 장치(10)는 환형 전극 패턴 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 음파 발생 장치(10)는 압전 요소(110), 전방 전극부(120), 후방 전극부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
압전 요소(110)는 특정 자극이 인가되면 팽창 또는 수축하면서 진동을 발생시키도록 구성된다. 압전 요소(110)는 원통형을 구비할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 압전 요소(110)는 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
전방 전극부(120)는 압전 요소(110)의 전방에 위치할 수 있다. 전방 전극부(120)는 압전 요소(110)의 전방 단부에 각각 결합되는 제1전극(121) 및 제2전극(122)을 포함할 수 있다.
제1전극(121)은 원형의 플레이트 형상을 구비할 수 있다. 제1전극(121)은 압전 요소(110)의 중심부에 배치될 수 있다. 제1전극(121)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1전극(121)을 형성하는 금속 물질은 알루미늄을 포함할 수 있다.
제2전극(122)은 환형의 플레이트 형상을 구비할 수 있다. 제2전극(122)은 제1전극(121)으로부터 반지름 방향으로 이격되어 제1전극(121)의 외측에 배치될 수 있다. 제2전극(122)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2전극(122)을 형성하는 금속 물질은 알루미늄을 포함할 수 있다.
후방 전극부(130)는 압전 요소(110)의 후방에 위치할 수 있다. 후방 전극부(130)는 압전 요소(110)를 기준으로 제1전극(121) 및 제2전극(122)의 맞은편인 압전 요소(110)의 후방 단부에 결합되는 후방 전극(131)을 포함할 수 있다. 후방 전극(131)은 원형의 플레이트 형상을 구비할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 후방 전극(131)은 압전 요소(110)의 후방의 적어도 일부분을 커버할 수 있다. 바람직하게는, 후방 전극(131)은 압전 요소(110)의 후방의 전체 영역을 커버할 수 있다. 후방 전극(131)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 후방 전극(131)을 형성하는 금속 물질은 알루미늄을 포함할 수 있다.
도시되지 않았지만, 음파 발생 장치(10)는 전방 전극부(120) 및 후방 전극부(130)를 둘러싸는 방수 부재를 더 포함할 수 있다. 방수 부재는 음파 발생 장치(10)가 수중에 배치되는 경우에 압전 요소(110), 전방 전극부(120) 및 후방 전극부(130)를 물로부터 보호할 수 있다. 방수 부재는 유연한 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, 방수 부재는 플라스틱을 포함할 수 있다.
제어부(140)는 제1전극(121) 및 제2전극(122)에 연결되고 제1전극(121) 및 제2전극(122)에 인가되는 전압을 제어하여 제1전극(121) 및 제2전극(122)을 구동시킬 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(140)는 제1전극(121) 및 제2전극(122)이 모두 구동하도록 제1전극(121) 및 제2전극(122)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(140)는 제1전극(121) 및 제2전극(122) 중 어느 하나가 선택적으로 구동하도록 제1전극(121) 및 제2전극(122)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다. 일 예로, 제1전극(121)이 구동하고 제2전극(122)이 구동하지 않을 수 있다. 또 다른 예로, 제1전극(121)이 구동하지 않고 제2전극(122)이 구동할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 방사 음압을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 방사 음압은 제1전극(121)을 커버하는 영역(S3)에 의한 방사 음압 및 제2전극(122)을 커버하는 영역(S1)에 의한 방사 음압에 기초하여 결정될 수 있다. "방사 음압"이란 전극에 결합된 압전 요소가 구동하면 압전 요소가 진동하여 음압이 발생되고, 이러한 진동이 매체를 통해 방사되는 것을 고려하여 언급되는 용어로 사용된다.
예를 들어, 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 방사 음압은 아래의 수학식에 따라 결정될 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112019032624630-pat00012
여기서,
Figure 112019032624630-pat00013
는 음파 발생 장치의 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00014
는 제2전극(122)의 외측 반지름(a)에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00015
는 제2전극(122)의 내측 반지름(b)에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00016
는 제1전극(121)의 반지름(c)에 의해 결정되는 방사 음압을 나타낸다.
한편, 각각의 방사 음압은 3차원 공간상에서 방사 방향의 축(예를 들어, z축)에 대해 이루는 각도(
Figure 112019032624630-pat00017
)와, 중심부에 배치된 제1전극(121)의 중심으로부터 측정된 거리(r)에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 상기와 같은 방사 음압은 다음의 수학식에 의해 표현될 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112019032624630-pat00018
여기서,
Figure 112019032624630-pat00019
는 제2전극(122)의 외측 반지름(a)에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00020
는 제2전극(122)의 외측 반지름(a)에 의해 결정되는 축 방향으로의 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00021
는 영역(S1+S2+S3)에 의한 지향 지수를 나타낸다.
<수학식 3>
Figure 112019032624630-pat00022
여기서,
Figure 112019032624630-pat00023
는 제2전극(122)의 내측 반지름(b)에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00024
는 제2전극(122)의 내측 반지름(b)에 의해 결정되는 축 방향으로의 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00025
는 영역(S1+S2)에 의한 지향 지수를 나타낸다.
<수학식 4>
Figure 112019032624630-pat00026
여기서,
Figure 112019032624630-pat00027
는 제1전극(121)의 반지름(c)에 의해 결정되는 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00028
는 제1전극(121)의 반지름(c)에 의해 결정되는 축 방향으로의 방사 음압,
Figure 112019032624630-pat00029
는 영역(S1)에 의한 지향 지수를 나타낸다.
상기와 같이, 제2전극(122)에 의해 발생하는 방사 음압을 계산하기 위해서, 압전 요소의 전체 영역인 S1+S2+S3에 의한 방사 음압인
Figure 112019032624630-pat00030
와, 제1전극(121)이 존재하는 영역(S3) 및 전극이 존재하지 않는 영역(S2)에 의해 발생되는 방사 음압인
Figure 112019032624630-pat00031
의 차를 계산한다. 다음으로, 음파 발생 장치의 전체 방사 음압인
Figure 112019032624630-pat00032
를 계산하기 위해서, 위와 같이 계산된 방사 음압인
Figure 112019032624630-pat00033
-
Figure 112019032624630-pat00034
에, 제1전극(121)이 존재하는 영역(S3)에 의한 방사 음압인
Figure 112019032624630-pat00035
를 더한다.
상기와 같은 방식에 의해 결정된 음파 발생 장치의 구조는 단일의 원형 전극의 구조에 비해 빔 패턴을 조절할 수 있다는 이점이 있다. 다시 말하면, 단일의 원형 전극의 구조는 고정값인 반지름 a을 가지므로 빔 패턴을 조절할 수 있는 여지가 없지만, 일 실시예에 따른 음파 발생 장치의 구조는 복수 개의 영역들로 분할된 환형 전극 패턴을 가지므로 반지름 b, c를 적절히 조절함으로써 빔 패턴을 개선하고 고지향성의 음파를 발생시킬 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 음파 발생 장치의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 음파 발생 장치(10')는 압전 요소(110), 전방 전극부(120'), 후방 전극부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 전방 전극부(120')는 제1전극(121), 제2전극(122) 및 제3전극(123)을 포함할 수 있다. 후방 전극부(130)는 후방 전극(131)을 포함할 수 있다.
전방 전극부(120')의 제3전극(123)은 제2전극(122)으로부터 반지름 방향으로 이격되어 압전 요소(110)의 외측부에 결합될 수 있다. 제3전극(123)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3전극(123)을 형성하는 금속 물질은 알루미늄을 포함할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 음파 발생 장치의 구조는 환형 전극 패턴을 가지는 한 정해진 공간 내에서 복수 개의 영역들로 분할된 복수 개의 전극들을 포함할 수 있음이 이해될 수 있다. 다시 말하면, 환형의 단면적을 가지는 전극의 개수는 앞서 설명한 실시예인 2개, 3개에 반드시 제한되는 것은 아니고, 필요에 따라 그 이상일 수도 있다. 이 경우, 복수 개의 전극들이 모두 또는 그 중 적어도 하나 이상이 구동하도록 제어부에 의해 제어될 수 있다. 이는 음파 발생 장치가 설치되는 공간의 특성, 매질의 특성 등을 고려하여 원하는 빔 패턴을 달성하기 위한 것이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (8)

  1. 그레이팅 로브(grating lobe)의 발생을 방지하고 빔 패턴의 지향성을 향상시키기 위한 수중에서 사용되는 소노부이를 위한 음파 발생 시스템에 있어서,
    상기 음파 발생 시스템은 복수 개의 음파 발생 장치들을 포함하고,
    상기 복수 개의 음파 발생 장치들은,
    압전 요소;
    상기 압전 요소의 중심부에 결합되는 원형의 제1전극;
    상기 제1전극으로부터 반지름 방향으로 이격되어 상기 압전 요소의 외측부에 결합되는 환형의 제2전극; 및
    상기 압전 요소, 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 둘러싸는 방수 부재;
    를 각각 포함하고,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 동심원적으로 그리고 상기 압전 요소의 중심에 대해 점대칭으로 배치되고,
    상기 복수 개의 음파 발생 장치들은 동일한 축 방향으로의 방사 방향을 가지도록 일렬로만 배열되는 음파 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 음파 발생 장치들의 각각의 방사 음압은 상기 제1전극을 커버하는 영역에 의한 제1방사 음압 및 상기 제2전극을 커버하는 영역에 의한 제2방사 음압에 기초하여 결정되는 음파 발생 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1방사 음압은 상기 제1전극의 반지름에 의해 결정되고,
    상기 제2방사 음압은 상기 제2전극의 외측 반지름 및 내측 반지름에 의해 결정되는 음파 발생 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 음파 발생 장치들의 각각의 방사 음압은 아래의 수학식에 의해 결정되는 음파 발생 시스템.
    <수학식>
    Figure 112020040405166-pat00036

    (여기서,
    Figure 112020040405166-pat00037
    ,
    Figure 112020040405166-pat00038
    ,
    Figure 112020040405166-pat00039
    이고,
    Figure 112020040405166-pat00040
    는 제2전극의 외측 반지름에 의해 결정되는 방사 음압,
    Figure 112020040405166-pat00041
    는 제2전극의 내측 반지름에 의해 결정되는 방사 음압,
    Figure 112020040405166-pat00042
    는 제1전극의 반지름에 의해 결정되는 방사 음압을 나타내고,
    Figure 112020040405166-pat00043
    는 제2전극의 외측 반지름에 의해 결정되는 제1지향 지수,
    Figure 112020040405166-pat00044
    는 제2전극의 내측 반지름에 의해 결정되는 제2지향 지수,
    Figure 112020040405166-pat00045
    는 제1전극의 반지름에 의해 결정되는 제3지향 지수를 나타내고,
    Figure 112020040405166-pat00046
    는 음파 발생 장치의 지향축에 대해 이루는 각도)
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 음파 발생 장치들은, 상기 제2전극으로부터 반지름 방향으로 이격되어 상기 압전 요소의 외측부에 결합되는 적어도 하나 이상의 환형의 제3전극을 각각 더 포함하는 음파 발생 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 압전 요소의 전방 및 후방 중 어느 하나에 결합되고,
    상기 복수 개의 음파 발생 장치들은 상기 압전 요소의 전방 및 후방 중 다른 하나에 결합되는 추가적인 전극을 각각 더 포함하는 음파 발생 시스템.
  8. 삭제
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