KR20210002703A - 개선된 음향 전송 효율을 위한 차단 플레이트 구조체 - Google Patents

Abstract

음향 매칭 구조체는 더 높은 임피던스를 갖는 변환 요소로부터 더 낮은 음향 임피던스를 갖는 주위 음향 매체 내로 방사되는 전력을 증가시키기 위해 사용된다. 음향 매칭 구조체는 2개의 단부 벽 및 측벽에 의해 한정되는 얇은 실질적으로 평면 캐비티로 구성된다. 캐비티의 단부 벽들은 짧은 거리(동작 주파수에서 주위 매체 내의 음향 파들의 파장의 ¼보다 더 작음)만큼 분리되는 차단 플레이트 벽 및 변환 요소 벽에 의해 형성된다. 단부 벽들 및 측벽은 주위 매체 내의 음향 파들의 파장의 절반과 거의 동일한 직경을 갖는 캐비티를 한정한다. 동작 시, 변환 요소는 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 발생시킨다. 변환 요소는 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 여기시키기 위해 캐비티의 평면에 수직인 방향으로 단부 벽의 운동을 발생시키는 액추에이터일 수 있고, 캐비티 기하학적 형상 및 공진 증폭은 결과적인 압력 진동의 진폭을 증가시킨다. 캐비티 측벽 또는 단부 벽들은 압력 파들이 주위 음향 매체 내로 전파되는 것을 허용하기 위해 캐비티의 중심으로부터 떨어져서 위치되는 적어도 하나의 애퍼처를 포함한다.

Description

개선된 음향 전송 효율을 위한 차단 플레이트 구조체

이전 출원들

본 본원은 이하의 2개의 임시 출원에 대한 혜택을 주장한다:

1) 2018년 5월 2일에 출원된 미국 임시 출원 일련 번호 제62/665,867호; 및

2) 2019년 1월 7일에 출원된 미국 임시 출원 일련 번호 제62/789,261호.

개시의 분야

본 개시는 일반적으로 음향 매칭 구조체들을 음향 트랜스듀서들로 통합함으로써 음향 전송 효율을 개선하는 것에 관한 것이다.

음향 트랜스듀서들은 하나의 형태의 에너지, 전형적으로 전기 에너지를 음향(압력) 파들로 변환한다. 트랜스듀서로부터 주위 음향 매체로 방출되는 에너지의 비율은 트랜스듀서에 대한 매체의 음향 임피던스에 의존한다. 효과적인 전송을 위해, 임피던스들은 거의 동일해야 한다. 많은 응용들에서, 음향 매체는 공기 또는 다른 기체 매체일 것이며, 이는 전형적으로, 변환 요소의 것보다 몇 자릿수 낮은 음향 임피던스를 갖는다. 이러한 큰 임피던스 부정합은 음향 매체 내로 에너지의 나쁜 전송을 초래하여, 트랜스듀서에 의해 방출되는 음향 에너지의 양을 제한한다. 전송 효율을 개선하기 위한 기술들은 트랜스듀서와 음향 매체 사이에, 매칭 층, 또는 매칭 구조체를 추가하는 것을 수반한다.

많은 종래의 임피던스 매칭 층 접근법들은 전송 방향에 평행한 치수들이 음향 파장의 상당한 부분인 것을 필요로 한다. 이것은 매우 얇거나 밀집한 해결책을 필요로 하는 응용들을 위해 그들의 유용성을 제한한다. 종래의 임피던스 매칭 층들의 추가 단점은 사용되는 낮은 음향 임피던스 재료들이 복잡한 제조 프로세스들을 필요로 할 수 있다는 것이다.

본 출원은 트랜스듀서의 것보다 상당히 더 낮은 음향 임피던스를 갖는 매체 내로 방출할 때 음향 트랜스듀서의 전송 효율을 증가시키기 위해 사용되는 음향 매칭 구조체를 설명한다.

이하의 전문용어는 트랜스듀서의 부분들을 식별한다: 트랜스듀서는 음향 매칭 구조체 및 변환 요소로 구성된다. 음향 매칭 구조체는 수동적이고 변환 요소로부터 주위 음향 매체로 음향 전송의 효율을 개선하도록 디자인된다. 변환 요소는 전기 입력으로 구동될 때 음향 출력을 발생시킨다. 변환 메커니즘은 진동 운동(oscillating motion)에 의한 것, 예를 들어 전기기계 액추에이터를 사용하는 것, 또는 진동 온도에 의한 것, 예를 들어, 전열 트랜스듀서를 사용하는 것일 수 있다.

구체적으로, 음향 매칭 구조체는 더 높은 임피던스를 갖는 변환 요소로부터 더 낮은 음향 임피던스를 갖는 주위 음향 매체 내로 방사되는 전력을 증가시키기 위해 사용된다.

음향 매칭 구조체는 음향 변환 요소 및 차단 플레이트에 의해 한정되는 공진 음향 캐비티로 구성된다. 공진 음향 캐비티는 변환 요소에 의해 발생되는 압력 진동들을 증폭시키고 차단 플레이트는 하나 이상의 애퍼처를 포함하며, 이는 압력 진동들이 공진 음향 캐비티로부터 주위 음향 매체로 전파되는 것을 허용한다.

음향 매칭 구조체의 바람직한 실시예는 2개의 단부 벽 및 측벽에 의해 한정되는 얇은 실질적으로 평면 캐비티로 구성된다. 캐비티의 단부 벽들은 트랜스듀서의 동작 주파수에서 주위 음향 매체 내의 음향 파들의 파장의 ¼ 미만인, 짧은 거리에 의해 분리되는 차단 플레이트 벽 및 변환 요소 벽에 의해 형성된다. 단부 벽들 및 측벽은 주위 음향 매체 내의 음향 파들의 파장의 절반과 거의 동일한 직경을 갖는 캐비티를 한정한다. 동작 시, 변환 요소는 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 발생시킨다. 변환 요소는 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 여기시키기 위해 캐비티의 평면에 수직인 방향으로 단부 벽의 운동을 발생시키는 액추에이터일 수 있고, 캐비티는 결과적인 압력 진동의 공진 증폭을 야기한다. 캐비티 측벽 또는 단부 벽들은 압력 파들이 주위 음향 매체 내로 전파되는 것을 허용하기 위해 캐비티의 중심에서 떨어져서 위치되는 적어도 하나의 애퍼처를 포함한다.

아래의 상세한 설명과 함께, 비슷한 참조 번호들이 개별 도면들 도처에서 동일한 또는 기능적으로 유사한 요소들을 지칭하는 첨부 도면들은 명세서에 포함되고 명세서의 일부를 형성하며, 청구된 발명을 포함하는 개념들의 실시예들을 추가로 예시하고 그러한 실시예들의 다양한 원리들 및 장점들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 간단한 ¼ 파장 음향 매칭 층을 갖는 트랜스듀서의 간략화된 개략도이다.
도 2는 플레이트로부터 구성되는 음향 매칭 구조체의 계산된 음향 임피던스를 나타내는 그래프이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 박막 매칭 층의 계산된 음향 임피던스를 나타내는 그래프들이다.
도 6은 헬름홀츠(Helmholtz) 공진기를 포함하는 트랜스듀서의 단면이다.
도 7은 본 발명의 예시적 실시예인 차단 플레이트를 포함하는 음향 매칭 구조체에 결합되는 변환 요소이다.
도 8은 원하는 음향 공진 모드를 발생시키고 환상 애퍼처들을 갖는 차단 플레이트를 포함하는 음향 매칭 구조체에 결합되는 변환 요소이다.
도 9는 원하는 공진 모드를 발생시키고 비환상 애퍼처들을 갖는 차단 플레이트를 포함하는 음향 매칭 구조체에 결합되는 변환 요소이다.
도 10은 원하는 공진 모드를 발생시키고 애퍼처들의 방사상 분포를 갖는 차단 플레이트를 포함하는 음향 매칭 구조체에 결합되는 변환 요소이다.
도 11은 음향 매칭 구조체를 갖고 갖지 않는 온-축 압력 측정들을 나타내는 그래프이다.
도 12는 음향 매칭 구조체를 갖고 갖지 않는 시뮬레이션을 사용하여 계산되는 방사 전력을 나타내는 그래프이다.
도 13은 이러한 트랜스듀서 구조체에 적절한 음향 매칭 구조체를 포함하는 트랜스듀서의 축대칭 시뮬레이션에서 방사상 모드 압력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14a는 이러한 액추에이터에 적절한 음향 매칭 구조체에 결합되는 압전 벤딩 모드 액추에이터를 포함하는 트랜스듀서의 단면이다.
도 14b는 공진 음향 캐비티 내의 압력 진동의 방사상 의존성을 도시한다.
도 14c는 벤딩 모드 액추에이터 속도의 방사상 의존성을 도시한다.
도 15는 실시예에서의 애퍼처들의 파라미터들에 관한 의존성들을 상세히 설명하는 시뮬레이션에서 방사 전력을 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예에서의 캐비티의 높이(h_cavity)가 변화될 때 주파수 응답을 갖는 시뮬레이션에서 방사 전력을 나타내는 그래프이다.
도 17a 및 도 17b는 원통형 측벽들을 갖는 관형 캐비티를 포함하는 트랜스듀서의 단면이다.
도 17c는 캐비티 내의 압력 진동들의 진폭이 종방향 축을 따라 어떻게 변화되는지를 도시한다.
도 18a는 고차 음향 공진 모드로 구동되는 음향 캐비티를 포함하는 트랜스듀서의 단면이다.
도 18b는 압력 진동들의 위상이 3개의 평행 축을 따라 어떻게 변화되는지를 나타내는 그래프이다.
도 18c는 압력 진동들의 위상을 도시한다.
도 18d는 액추에이터의 속도 프로파일을 도시한다.
도 19a, 도 19b 및 도 19c는 공진 음향 캐비티 및 박막 매칭 층과 결합되는 차단 플레이트를 갖는 트랜스듀서의 단면들을 도시한다.
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 음향 캐비티 및 구멍들의 어레이를 갖는 플레이트와 결합되는 차단 플레이트를 포함하는 트랜스듀서의 단면들을 도시한다.
도 21은 구멍 매칭 층 구조체들을 갖는 박막 및 플레이트 둘 다와 결합되는 다수의 트랜스듀서를 도시한다.
본 기술분야의 통상의 기술자들은 도면들 내의 요소들이 단순성 및 명료성을 위해 예시되고 반드시 축척에 따라 도시되는 것은 아닌 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면들 내의 요소들의 일부의 치수들은 본 발명의 실시예들의 이해를 개선하는 것을 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다.
장치 및 방법 컴포넌트들은 본원에서 설명의 혜택을 갖는 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 쉽게 분명할 상세들로 개시를 모호하게 하지 않도록 본 발명의 실시예들을 이해하는 것과 관련된 그러한 특정 상세들만을 도시하는 도면들 내의 종래의 기호들에 의해 적절한 곳에 표현되었다.

I. 음향 매칭 층들

이러한 설명에서, 변환 요소는 에너지를 음향 에너지로 변환하는 구조체의 일부를 직접 지칭한다. 액추에이터는 운동 에너지를 매체에 전달하기 전에 운동 에너지를 포함하는 고체 구조체의 일부를 지칭한다.

기체 또는 재료의 특정 음향 임피던스는 음향 압력 및 그러한 압력과 연관되는 입자 속도의 비율로 정의되거나, 이하와 같다.

이것은 임의적 음장들(acoustic fields)에 대해 유지된다. 이러한 논의를 간략화하기 위해, 평면 파 해결책을 상기에 고려하는 것이 가장 유용하다. 이것은 방정식을 스칼라 양들로 감소시킨다.

입자 속도와 동일한 방향으로 전파되는 파에 대한 것이고, 여기서 ρ는 밀도이고 c는 매체의 음속이다. 이러한 양의 중요성은 상이한 음향 임피던스를 갖는 2개의 음향 매체 사이의 계면으로부터의 반사 및 투과를 고려할 때 강조된다. 특정 음향 임피던스(z₁ 내지 z₂)를 갖는 재료로부터 이동하는 평면 파가 매체 경계 상에 입사될 때, 반사(R) 및 투과(T)의 정규화된 세기는 이하이다.

이것은 2개의 매체의 임피던스가 실질적으로 상이한 값들을 가질 때, 반사된 세기가 투과된 세기보다 훨씬 더 큰 것을 나타낸다. 이것은 대부분의 기체 결합 음향 액추에이터들에 대한 것이며, 액추에이터는

과 유사한 음향 임피던스를 갖는 벌크 고체 재료 및 예를 들어,

에 있어서 해수면 및 20℃에서의 공기로 구성된다. 이것은 감소된 효율 및 출력을 야기한다.

공진 압전 벤딩 액추에이터의 음향 임피던스는

을 제공하는 40kHz 액추에이터에 대해 분석되었다(Toda, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 49, No. 7, July 2002). 이러한 공진 벤딩 액추에이터는 그것이 구성되는 벌크 재료들(PZT 및 알루미늄)보다 훨씬 더 낮은 음향 임피던스를 갖지만, 액추에이터 임피던스와 공기 임피던스 사이의 실질적인 차이가 남아 있어, 효율 및 음향 출력을 감소시킨다.

이러한 문제에 대한 해결책은 더 높은 임피던스 액추에이터와 더 낮은 임피던스 벌크 기체상 매체 사이의 중간물의 역할을 하는 임피던스(Z₂)를 갖는 음향 매칭 층을 추가하는 것이다.

음향 매칭 층 또는 다른 음향 매칭 구조체는 액추에이터로부터 매체로의 음향 에너지 전달의 경로 내로 삽입될 필요가 있고, 소스 및 목적지의 음향 임피던스들의 기하 평균인, 최적 매칭 구조체 임피던스에 가능한 한 가까운 음향 임피던스를 갖도록 디자인되며, 이는 일부 실시예들에서 더 높은 임피던스 액추에이터 및 더 낮은 임피던스 벌크 공기 또는 다른 음향 매체일 수 있다. 중간 임피던스 매칭 층의 효과는 더 높은 임피던스 영역으로부터 매칭 층으로 그 다음 매칭 층으로부터 더 낮은 임피던스 영역으로의 에너지 전달이 더 높은 임피던스 영역으로부터 더 낮은 임피던스 영역으로의 더 직접적인 에너지 전달보다 더 효율적인 것이다.

종점들의 음향 임피던스들의 로그들 및 각각의 매칭 층은 값들이 점진적이고 실질적으로 동일하게 이격되는 체인을 형성할 때 가장 효율적인 체인을 형성하는 복수의 매칭 층이 또한 있을 수 있다.

변환 요소의 표면에 추가되는 단일 재료 매칭 층의 경우에, 선택되고 균형 유지되어야 하는 2개의 중대한 성질이 있다:

1. 층의 음향 임피던스(Z₂)는 음향 소스 영역 내의 임피던스의 기하 평균과 거의 동일해야 하며, 이는 일부 실시예들에서 압전 소스 요소(Z₁) 및 매체(Z₃)의 임피던스로 구성될 수 있다.

2. 벌크 재료의 층의 두께는 동작 주파수(압력 진동들의 주파수)에서 매칭 층 재료 내의 종방향 압력 파들의 ¼ 파장과 거의 동일해야 한다.

이러한 2개의 성질은 임의의 주어진 재료의 층의 두께가 또한 음향 임피던스에 영향을 주므로, 튜닝되고 매칭되어야 한다. 적절한 재료들의 제한된 선택만이 있을 것이고, 주파수들의 일부 범위들에 대해 이러한 제한된 선택이 작을 수 있다는 것이 인식될 수 있다.

도 1은 종래의 매칭 층을 포함하는 트랜스듀서의 개략도(100)를 도시한다. 중간 층(130)(중간 음향 임피던스를 가짐)은 액추에이터(140)와 음향 매체(110)(예컨대 공기) 사이에 추가되는 매칭 층의 역할을 한다. 중간 층(130)의 두께(120)는 매칭 층이 벌크 재료로 간주될 때 동작 주파수에서 매칭 층 내의 종방향 압력 파들의 ¼ 파장과 거의 동일하다.

도 2는 선행 기술(Toda, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 49, No. 7, July 2002)에 설명된 바와 같이, 구멍들의 어레이를 포함하는 두께 t(220)의 플레이트로부터 구성되는 음향 매칭 구조체의 계산된 음향 임피던스(210)를 나타내는 그래프(200)이다. 플레이트 두께에 따른 음향 임피던스의 변화는 공기 중에서 30kHz, 40kHz 및 50kHz(250, 240, 230)의 주파수들에 대해 계산되어, 플레이트 두께가 공기의 음향 파장의 ¼과 동일할 때 임피던스 최대치들을 나타낸다.

도 3, 도 4 및 도 5는 이전 단락에서 참조된 선행 기술에 설명된 바와 같이, 박막 매칭 층의 계산된 음향 임피던스를 나타내는 그래프들(300, 400, 500)이다. 도 3에서, 음향 임피던스(310)는 0.1mm 내지 0.5mm(370, 360, 350, 340, 330)의 두께를 갖는 공기 갭만큼 변환 요소로부터 이격되는 15㎛ 두께 폴리에틸렌 필름의 경우에 대한 주파수(320)에 대해 플롯팅된다. 도 4에서, 음향 임피던스(410)는 5 ㎛ 내지 45㎛(470, 460, 450, 440, 430)의 필름 두께 값들의 범위에 대한 주파수(420)에 대해 플롯팅되며, 필름은 0.2mm의 공기 갭만큼 변환 요소로부터 분리된다. 도 5에서, 음향 임피던스(510)는 25㎛의 필름 두께에 대한 필름과 변환 요소(520) 사이의 분리에 대해 플롯팅된다. 박막 및 얇은 공기 갭의 조합은 갭이 거의 20 내지 22㎛일 때 높은 음향 임피던스(530)를 생성한다.

도 6은 헬름홀츠 공진기를 포함하는 트랜스듀서의 단면이다. 헬름홀츠 공진기(600)는 음향 파장의 ¼보다 실질적으로 더 작은 치수들 및 공간적으로 균일한 압력을 갖는 캐비티(640), 및 전형적으로 캐비티(640)의 중심에 위치되는 애퍼처(650)를 갖는다. 캐비티는 벽들(610a, 610b, 620a, 620b)에 의해 한정된다.

일 예로서, 공기 중에서 동작하는 두께 모드 압전 액추에이터에 대한 매칭 층의 음향 임피던스가 계산될 수 있다. 이러한 상황에서 요구되는 음향 임피던스는 거의

이다. 계산은 인접 요소들의 임피던스들 각각의 로그들을 취함으로써 진행되며, 이는 예상된 온도 및 압력에서 압전 변환 요소(Z₁)에 대해 거의 7.5이고 벌크 공기(Z₃)에 대해 거의 2.5인 것으로 발견되었다. 그 다음, 요구되는 각각의 매칭 층에 대해, 인접 영역들의 임피던스들의 로그들의 평균은 매칭 층을 위해 요구되는 임피던스의 로그를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표 1은 공기 및 PZT-5A(압전 재료)의 음향 임피던스, 및 임피던스들 각각의 로그들과 함께

인 공기 중에서 동작하는 두께 모드 압전 액추에이터에 대한 매칭 층의 이상적인 음향 임피던스를 나타낸다.

따라서, 이상적인 매칭 층이 음향 임피던스들에서 이러한 큰 갭을 가교하도록 요구되는 음향 임피던스들은 매우 낮은 음속 및 낮은 밀도를 갖는 고체 재료로 구성되어야 한다. 낮은 음속은 ¼ 파장 기준에 맞추는 매칭 층을 제조하도록 요구되는 재료의 크기 또는 체적을 감소시키기 위해 바람직하다. 낮은 밀도는 재료가 매칭 층에 적절한 음향 임피던스를 갖도록 요구된다. 그러나, 일반적으로, 적절한 재료들은 자연적으로 발생하지 않는다. 그들은 종종 복잡하고 제어하기 어려운 경향이 있는 특수한 제조 프로세스들로 구성되어야 하므로, 매칭 층으로서 가변 음향 성질들 및 가변 성능을 초래한다. 그러한 구성된 적절한 재료들의 예들에 대해, 유리 및 수지 마이크로구체들(resin microspheres)을 사용하는 매칭 층들은 미국 특허 제4,523,122호에 설명되고 드라이 겔 재료를 사용하는 매칭 층은 미국 특허 제6,989,625호에 설명된다. 전형적인 공진 압전 벤딩 액추에이터에 대한 이상적인 매칭 층은 훨씬 더 낮은 음향 임피던스를 가질 것이고 구성하기에 더 도전적일 것이다.

적절한 재료들의 낮은 밀도, 낮은 음속 매칭 층들이 갖는 추가 문제 쟁점은 ¼ 파장 요건에 의해 부과되는 두께에 관한 제약이다. 변환 요소의 일차 동작 주파수가 더 낮을수록, 파장이 더 길어지고 매칭 층이 더 두꺼워져야 한다. 예를 들어, 주변 압력 및 온도에서 공기 중의 40 kHz에서의 파장은 8.58 mm이다. 따라서, 재료가 공기의 것과 유사한 음속을 갖는 것을 가정하면―이는 전문가 프로세스가 생성하는 것을 다시 필요로 할 가능성이 있는 높은 밀도이지만 낮은 강성 재료를 요구함에 따라 달성하는 것이 자체로 어려울 것임 ― 이상적인 매칭 층은 2.14 mm에 가까운 두께를 가질 것이다. 두께 제약 응용들에서, 이것은 상업적으로 또는 특정 관심 응용에 대해, 실행 가능하기에 너무 클 수 있다. 공기보다 더 큰 음속을 갖는 재료로 제조되는 매칭 층들은 이러한 2.14 mm보다 더 두꺼울 필요가 있을 것이다.

본 발명은 중간 음향 임피던스, 즉 변환 요소의 것보다 더 낮은 음향 임피던스 및 주위 음향 매체보다 더 높은 음향 임피던스를 달성하기 위해 변환 요소로부터 음향 매체로 음향 에너지 전달의 경로에 차단 플레이트를 배치함으로써 형성되는 통기된 공진 음향 캐비티의 사용을 제안한다. 중간 음향 임피던스는 변환 요소로부터 음향 매체로 음향 에너지 전달의 효율을 증가시키고, 변환 요소로부터 음향 매체로 음향 에너지의 전달의 경로 내의 음향 캐비티에서 제어된 공진 음향 모드의 생성을 통해 제공된다. 음향 캐비티는 변환 요소에 의해 여기될 수 있는 음향 매체에서 공진 음향 모드를 일으키는 방식으로 음향 매체를 제약한다. 음향 캐비티의 한 면을 형성하는 차단 플레이트는 음향 에너지가 음향 캐비티로부터 음향 매체로 전송되는 것을 허용하는 애퍼처들을 포함한다.

음향 매칭 구조체의 효율적인 음향 임피던스는 음향 압력 대 입자 속도의 비율인, 음향 임피던스의 정의(

)로부터 결정될 수 있다. 동작 시, 액추에이터는 음향 매체에서 경계 속도장(boundary velocity field)을 생성하고 에너지 전달의 경로 내에 의도적으로 배치되는 차단 플레이트의 일 측면 상에 위치된다. 액추에이터 및 차단 플레이트는 액추에이터 및 차단 플레이트에 의해 실질적으로 한정되는 음향 캐비티를 형성한다. 액추에이터는 액추에이터의 표면으로부터 음향 캐비티 내로 음향 파를 주입(drive)한다. 액추에이터가 실질적으로 일정한 변위 진폭 및 주파수로 계속 진동함에 따라, 캐비티 내의 공진 음향 진동들은 여기되고 진폭에 고정된다. 실질적으로 일정한 액추에이터 진동 속도 진폭에서 기인하는 음향 압력의 공진 증가는 Q_cavity의 인자만큼 벌크 음향 매체에 대한 음향 캐비티의 유효 음향 임피던스의 증가를 표시하며, 여기서 Q_cavity는 캐비티 음향 공진의 품질 인자이다.

그러한 공진 음향 모드를 생성하도록 디자인되는 구조체에서, 치수들은 또한 유체를 얇은 층에 한정하고 액추에이터의 면과 실질적으로 평행할 유체 운동을 제약함으로써 차단 플레이트 및 액추에이터의 가까운 간격이 음향 매체의 유효 음향 임피던스를 증가시키도록 배열되고 크기 조절될 수 있다. 평평한 원통형 캐비티의 경우에, 유체 속도 및 압력은 인자: f_geom = r_cavity/(2 h_cavity)만큼 증가되며, 여기서 r_cavity는 캐비티의 반경이고 h_cavity는 액추에이터 및 차단 플레이트의 분리인 캐비티의 높이이고, 매체의 유효 음향 임피던스는 동일한 인자(f_geom)만큼 증가된다. 바람직하게는, f_geom > 2.5이도록 r_cavity > 5 h_cavity이고, 더 바람직하게는, f_geom > 5이도록 r_cavity > 10 h_cavity이다. 캐비티 내의 유체의 음향 임피던스는 인자: Q_cavity × f_geom, 공진 캐비티 품질 인자 및 기하학적 증폭 인자의 곱만큼 벌크 음향 매체에 비해 증가된다. 이러한 방식으로, 음향 캐비티는 벌크 음향 매체보다 더 높고 액추에이터보다 더 낮은 음향 임피던스를 갖는 음향 매칭 층으로서의 역할을 한다.

음향 공진을 지원할 수 있는 최소 캐비티 높이를 고려하는 것이 유용하다. 과도한 점성 손실들 없이 캐비티에서 음향 공진을 설정하기 위해, h_cavity > δ를 필요로 하며, 여기서 δ는 점성 경계 층 두께이다. 음속(c)을 갖는 유체를 포함하는 반경(r_cavity)을 갖는 원통형 캐비티에 대해, 그의 주변에서 압력 노드를 가지며, 제1 방사상 음향 모드는 이하의 형태의 베셀 함수를 따르는 압력 분포를 갖는다:

그리고 제1 방사상 음향 공진의 주파수(f₀)는 이하에 의해 주어진다:

이것으로부터 조건(

)을 유도할 수 있다. 20℃에서 공기 중에 동작하기 위해, 이것은

를 제공한다. 더 낮은 동적 점도 및 더 높은 음속을 갖는 기체들에 대해, 이러한 값은 1 × 10^-8 m만큼 낮게 더 작을 수 있다.

그러나, 작은 캐비티 높이는 액추에이터 및 차단 플레이트의 좁은 분리가 음향 매체를 제약하고 위에 설명된 바와 같이 기하학적 증폭 인자(f_geom = r_cavity/(2 h_cavity))를 갖는 주어진 액추에이터 구동 속도에 대해 캐비티 내의 음향 매체의 방사상 속도의 증가를 야기함에 따라 유익하다. 최적 캐비티 높이는 기하학적 증폭 인자를 최대화하는 것과, 경계 층들 내의 점성 손실들을 최소화함으로써 캐비티 품질 인자를 최대화하는 것 사이의 트레이드오프에서 기인한다.

그러나, 목표는 에너지를 매체 내로 전달하는 것이므로, 애퍼처는 음향 파들이 구조체로부터 탈출하는 것을 허용하도록 요구된다. 적절한 음향 섭동의 유지 및 보존의 제약들을 균형 유지하는 것이 도움이 되며, 여기서 새로운 매칭 구조체 내의 더 작은 면적 애퍼처가 유익하며, 이는 증가된 섭동이 음향 매체 내로 계속 전달되어야 한다는 요건이고, 새로운 매칭 구조체 내의 더 큰 면적 애퍼처가 유익하다. 하나의 섹션 또는 많은 개별 섹션들을 포함할 수 있는 적어도 일부 애퍼처는 트랜스듀서에 의해 발생되는 음향 출력의 일부가 사이클마다 벌크 매체 내로 탈출할 수 있도록 추가되어야 한다.

이러한 실시예들에서, 용어 "음향 매체"는 음향 파들이 이동하는 캐비티 내부의 매체를 지칭한다. "벌크 매체"는 캐비티 외부에 존재하는 음향 매체를 지칭한다. 매체는 액체, 예컨대 물, 또는 기체, 예컨대 공기 또는 본 발명의 구성 재료와 별개인 임의의 다른 매체일 수 있다. 음향 파들을 지원하는 임의의 매체는 이러한 논의의 목적들을 위해 "유체"로서 지칭될 수 있다.

음향 매체에서 적절한 공진 모드를 생성하는 것인 구조체를 디자인하는 프로세스는 간략화된 경계 값 문제로 예시될 수 있다. 간단한 구조체는 이러한 예에서 측벽들의 주위 구조체에 의해 제한되었던 음향 매체의 체적으로 구성되는 음향 캐비티의 형태로 상기 설명된 성질들을 구체화할 수 있다. 공진 주파수 모드 구조체는 헬름홀츠 방정식에 대한 해법들을 발견함으로써 결정될 수 있다.

여기서

및

이고, 적절한 경계 조건들을 갖는다. 이러한 방정식들에서, P(x)는 주변 압력으로부터의 피크 압력 편차이고(데카르트 좌표들에서의 변위 벡터(x = [x, y, z])의 공간 변화 함수 또는 캐비티 원점으로부터의 원통 좌표들에서의 변위 벡터(r = [r, θ, z])의 함수), p는 복소수 값 음향 압력이고, c₀은 주변 매체의 음속이고, ρ₁은 주변 밀도로부터의 1차 밀도 편차이고(여기서 밀도는 주변 밀도(ρ₀)에 추가되는 이러한 편차(ρ₁)이므로, ρ = ρ₀ + ρ₁임), ω는 음향 각 주파수이고, t는 시간이고, j는

이고, k는 파수이다. 음향 압력(p)이 밀도(ρ), 및 따라서 이전에 논의된 바와 같은 음향 임피던스와 관련될 수 있다는 점이 즉시 이해될 수 있다.

원통형 캐비티에 적절한, 원통 좌표들을 사용하는 일 예로서, 반경(

_cavity) 및 높이(h_cavity)를 갖는 캐비티를 고려할 수 있다. 관심 도메인은 0 ≤ r ≤

_cavity, 0 ≤ θ ≤ 2π, 0 ≤ z ≤ h_cavity에 의해 설명된다. 변수들의 분리는 이하의 형태의 분석 해법을 허용한다.

여기서, J₀은 제1 종류의 영차 베셀 함수이고, 방사상 파수(k_rl)는 캐비티 반경으로 나누어지는 베셀 함수 제로들에 의해 주어지는 값들을 갖고, k_θm은 정수 값들(k_θm = m)을 갖고 k_zn은 k_zn = 2πn/h_cavity에 의해 주어지는 값들을 갖는다. k_rl의 처음 3개의 값은 k_r0 = 2.404/

_cavity, k_r0 = 5.201/

_cavity, k_r0 = 8.6537/

_cavity에 의해 주어진다. 제로 압력 경계 조건에 대응하는, 이러한 분석 설명에서의 r =

_cavity에서 P_lmn = 0인 점을 주목한다. 실제로, 이러한 분석 설명은 완전히 정확하지 않고, 경계 조건은 r =

_cavity 근처의 애퍼처들의 존재로 인해 혼합될 것이다(제로 압력도 제로 변위도 없음). 그러나, P_lmn은 도 13에 도시된 수치 시뮬레이션의 결과들에 의해 나타낸 바와 같이, r = 0에서 그의 값과 비교하여 r =

_cavity에서 작을 것이다.

데카르트 좌표들을 사용하는 일 예로서, 강성 벽들을 갖는 직사각형 캐비티 내에 포함되는 매체 체적에 대한 모드 구조체의 결정을 통해 작동할 수 있으며, 원점은 박스의 하나의 코너에 배치되며, 축들은 관심 도메인이 x ≥ 0, y ≥ 0 및 z ≥ 0에 의해 설명되도록 배향된다. 그 다음, 변수들의 분리는 이하의 형태의 분석 해법을 허용한다.

파수들(k_xl, k_ym 및 k_zn)은 이하로서 각각 캐비티의 물리적 치수들(L_x, L_y, 및 L_z)에 의해 주어진다:

여기서 l, m 및 n은 캐비티의 각각의 공진 모드를 설명하기 위해 정수들의 임의의 고유 조합 대신에 대용될 수 있다.

그 다음, 모드를 발생시키는 각 주파수는 이하에 의해 주어진다.

파의 진폭(A_lmn)은 입력에 따라 스케일링되지만 이러한 분석에서 모드의 주파수에 영향을 미치지 않는다.

모드 l = 2, m = 2 및 n = 0의 특정 경우를 검사하며, L_x = L_y = L이다. 여기서, 각 주파수는

에 의해 주어진다. 캐비티 내의 음향 압력은 이하에 의해 주어지며

여기서 z 상에 어떠한 의존성도 없다. 캐비티의 하단 중심

은 음향 압력 파복이고 주변 압력보다 훨씬 더 높을 수 있는 벽들과 동일한 피크 압력을 경험한다. 이러한 위치에 배치되는 액추에이터는 주어진 변위에 대한 더 높은 압력에 대해 작동하는 혜택을 수용한다. 이러한 예에서의 z-의존성의 결여는 L_z가 매우 작을지라도 이러한 캐비티가 이러한 모드를 달성하는 것을 의미한다.

애퍼처들의 존재는 혼합된 경계 조건을 야기하고, 이것은 해결책을 복잡하게 한다. 더욱이, 변환 요소로부터 외부 음향 매체로의 손실들 및 에너지 전파는 음향 파에서 진행 파 성분을 초래한다. 그 결과는 완전한 노드 위치들이 없지만, 최소 압력 진동 진폭의 위치들이 있다는 것이다.

음향 에너지가 캐비티로부터 주위 음향 매체로 전파되는 것을 허용하는 애퍼처(들)는 더 낮은 압력 진동 진폭의 영역들에 위치되고, 변환 요소들은 더 높은 압력 진동 진폭의 영역들에 위치된다.

상기 설명은 폐쇄된 강성 박스에서 음향 모드의 이상화된 경우를 설명한다. 실제로, 압력 진동 진폭은 압력 파들이 캐비티로부터 외부 음향 매체로 전파되는 것을 허용하는 애퍼처들 근처에서 감소될 것이다.

점성 침투 깊이(

)와 관련된 최소 필요한 L_z가 있으며, 여기서 υ는 매체의 동적 점도이다. 이러한 값보다 상당히 더 작은 것은 에너지가 벽들에서 열점성 경계 층 효과들을 통해 열에 손상되는 것을 야기할 것이다. 전형적인 매칭 층에 비해 이러한 해결책의 명백한 장점은 음향 에너지의 전달에 영향을 미치기 위해 음향 에너지 전달의 경로와 평행하지 않은 모드를 이용하기 때문에 λ/4(λ는 파장임)보다 두께가 훨씬 더 작을 수 있다는 것이다.

그러나, 그것은 이러한 예에서와 같이 z에서 작을 필요는 없다. 원한다면, 높고 얇은 캐비티는 액추에이터 근처에서 발생하는 높은 압력 파복으로 디자인될 수 있다. 이것은 작은 표면적에서 더 큰 수들의 트랜스듀서들을 압축하는 것이 요구되지만, 두께 제한들이 대신에 완화되는 응용들에서 유익할 수 있다. 예를 들어, 이전과 같이 음향 매체의 모드 형상 l = 0, m = 0 및 n = 1을 취하며, 이러한 경우에 L_z = L이다. 여기서, 각 주파수는 대신에

에 의해 주어지고 음향 압력은 이러한 예에서 z 상의 의존성만을 갖는

에 의해 주어진다. 애퍼처로부터 멀리 연장되고 z 내의 대향 위치에서 최대 변위로 구부러지는 스트립의 형태로 긴 액추에이터를 사용하는 것이 여기서 유리하다. 이것은 높은 압력 파복 및 따라서 가장 적절한 순간 음향 임피던스가 z = L인 가장 먼 지점에서 이러한 예에 발생해야 하기 때문이다.

추가 예들은 특히, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 길이 제한 요건들을 갖지 않는 적어도 하나의 치수가 있는 경우들에, 구성될 수 있다.

훨씬 더 높은 음향 압력을 달성하기 위해, 모드 형상이 l = 0, m = 0 및 n = 3에 의해 정의되는 캐비티를 구성하는 것이 합리적일 수 있다. 이러한 경우에, 음향 캐비티의 길이를 따라 존재하는 2개의 파복이 있다. 상기 예들과 달리, 이러한 파복들은 역위상이고 캐비티에 존재하는 진행 파 모드의 반 주기마다 교환된다. 사이클 내의 각각의 높은 압력 지점에서 양 파복들 내로 구동함으로써, 2개의 트랜스듀서가 위상 밖의 각각의 구동 π 라디안들로 에너지를 전달하는 상태에서, 더 높은 압력들 및 따라서 추가로 증가된 음향 임피던스들이 발생될 수 있어 음향 매체에 보다 효율적인 에너지 전달을 초래할 것이다. 다른 실시예에서, 단일 액추에이터는 그의 운동의 하나의 위상 동안 구조체의 하나의 파복 내로 변위를 적용하고 반대 위상 동안 다른 파복에서 운동을 여기시키도록 위치될 수 있다. 이것은 제2 파복 위치에서 가요성 표면에의 기계적 결합을 통해 달성될 수 있다. 대안적으로, 작은 기체 포켓은 가요성 표면에 결합을 제공할 수 있다. 다른 배열에서, 액추에이터는 절반이 구조체 내로 이동하고 절반이 다른 극성에서 반전되는 구동의 하나의 극성 동안 밖으로 이동하는 'S' 형상 모드에서 동작하도록 디자인될 수 있다. 그 다음, 이것은 최대 변위의 표면들에서 역위상 파복들을 포함하는 구조체에 매칭될 것이다.

이전 2개의 단락에 설명되는 예시적 캐비티들은 다른 2개보다 더 길게 연장되는 하나의 일차 치수를 갖는 본 발명의 관형 형상 실시예들을 설명한다. 이러한 배열의 장점은 캐비티가 변환 요소에 직접적으로 수직으로 연장될 필요는 없지만 필요하면 만곡될 수 있다는 것이다. 이것은 유효 매칭 층이 되는데 필요한 모드 구조체를 여전히 개발하는 동안 음향 파를 지향시키고 조종하기 위해 도파관과 같은 역할을 한다. 음향 모드를 유지하는 것을 돕는 유효 캐비티 단면은 캐비티를 통해 음향 파면을 따를 것이다. 캐비티 모드의 경로의 추정은 변환 요소의 중심으로부터 캐비티를 통해 차단 플레이트의 중심으로 가상 라인을 연결하는 한편 측벽들에 대한 라인 상의 임의의 지점에서 평균 거리를 최대화함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 라인을 법선으로서 사용하여 단면들을 취하는 것은 모드 구조체를 적절히 추정할 수 있다. 캐비티 단면을 굽히고 변경하는 것은 예를 들어, 어레이 배열에서 유효 간격을 축소 가능하게 할 수 있다. 이것은 주어진 피치를 갖는 트랜스듀서들의 어레이로부터 매칭 캐비티들의 망을 배열하고 피치가 애퍼처 측 상에서 더 좁아지도록 캐비티의 대향 차단 플레이트 측을 감소시키고 스큐잉함으로써 행해질 수 있다. 이러한 실시예는 또한 예를 들어, 직선형으로부터 육각형 패킹으로 유효 어레이 배열을 변경하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 주제에 관한 추가 변형은 트랜스듀서가 주파수 가변성의 더 넓은 확산을 갖도록 요구되면 고려될 수 있다. 모드 번호들{l, m, n }이 비제로인 2개의 축(예컨대 제1 예의 모드(l = 2, m = 2, n = 0))이 있으면, 이때 각각의 비제로 축에 대한 ω는 각각의 축이 개별 공진 시스템으로 간주될 때 공진 모드의 피크를 상이한 주파수들로 시프트시키기 위해 효과적으로 섭동될 수 있다. ω의 이러한 섭동의 일 실시예는 정사각형 프리즘으로부터 직사각형 프리즘으로 기하학적 내부 캐비티를 수정함으로써 실현될 수 있으며, 정사각형 프리즘으로부터의 편차는 2개의 공진 피크의 분리를 나타낸다. 이러한 피크들이 함께 가까워질 때, 그들은 사실상의 단일(그러나 잠재적으로 더 넓은) 피크로 간주될 수 있다. 이러한 ω가 벗어날 때, 그것은 출력의 공진 피크를 넓히는 효과를 가져서, 감소된 제조 공차들이 사용될 수 있게 하거나 구동 주파수가 출력의 급격한 손실을 경험하는 것 없이 공진 주파수로부터 변화되는 것을 허용한다. 이러한 더 넓은 응답은 피크 주파수에서 감소된 출력을 훼손시킨다.

유사한 분석은 임의적 형상화된 구조체 또는 캐비티에 대해 수행될 수 있다. 원통형 캐비티와 같은 일부는 이전 예들과 유사한 방식으로 분석적으로 해결될 수 있는 한편, 다른 것들은 적절한 높은 압력 파복들이 형성되는 곳, 형성될 때 및 어떻게 형성될지를 예측하기 위해 유한 요소 분석의 수치 시뮬레이션들의 도움을 필요로 할 것이다. 디자인 목표는 원하는 진동 주파수에서 음향 트랜스듀서 구조체 내에 장착되는 액추에이터의 변위를 공간적으로 모방하는 압력 분포를 산출하는 음향 모드를 갖는 것이다.

밀폐된 캐비티가 공진 모드를 제자리에 보유하고 유지하도록 디자인되면, 애퍼처들은 캐비티 내의 음장의 일부가 사이클마다 벌크 매체 내로 탈출하는 것을 허용하기 위해 공진 캐비티의 표면에 이상적으로 추가되어야 한다. 애퍼처들의 정확한 형상 및 배치는 폐쇄 형태 분석 해석에 적합하지 않다. 일반적으로, 크기는 캐비티 모드를 실질적으로 방해하지 않도록 캐비티 내의 모드의 더 큰 길이 치수들과 비교할 때 작게 유지되어야 하고; 너무 큰 애퍼처들은 캐비티에서 음향 압력의 상당한 손실을 야기할 것이고 원하는 임피던스 효과가 약해지게 할 것이다. 그러나, 너무 작고, 충분하지 않은 음향 압력은 사이클 당 탈출하지 않으므로 매칭 층으로서 캐비티의 효력을 감소시킨다. 음향 모드 형상의 등위상 부분에 실질적으로 대응하는 애퍼처 형상은 또한 모드 형상의 상당한 방해를 방지하는 것을 도울 것이다. 애퍼처들의 일부 예들은 도 8, 도 9, 및 도 10에 주어진다. 다양한 애퍼처 형상들에 대한 시뮬레이션 결과들은 아래에 논의될 것이다.

II. 차단 플레이트 매칭 구조체들

A. 차단 플레이트 구조체 디자인

도 7은 본 발명의 일 실시예를 예시하는 역할을 하는, 단면에서 차단 플레이트에 결합되는 트랜스듀서의 개략도(700)를 도시한다. 차단 플레이트 구조체는 측벽(780) 및 애퍼처(들)(797)를 갖는 차단 플레이트(770)를 포함한다. 이것은 주위 구조체(790)에서 음향 변환 요소(785)로부터 이격되어 위치된다. 차단 플레이트는 변환 요소 정면으로부터 떨어진 전파 방향으로, 거리(h_cavity)(730)만큼 이격되며, 여기서 h_cavity(730)는 동작 주파수에서 주위 매체 내의 음향 파들의 파장의 ¼ 미만이다. 차단 플레이트(770)의 하면 표면(즉, 변환 요소 측 상의)은 얇은 평면 음향 캐비티의 일 표면을 형성하며, 캐비티의 공간적 범위는 변환 요소(765), 차단 플레이트(755), 및 측벽들(790)의 전파 면에 의해 형성된다. 변환 요소의 동작은 차단 플레이트에 평행하게 이동하는 캐비티(795)에서의 실질적으로 방사상 음향 공진을 여기시키며, 이는 이러한 압력이 여기서 실질적으로 공진 모드로 인해 주변 압력 및 최대 압력 섭동의 합이므로 그의 동작의 압축 위상 동안 변환 요소의 정면에 의해 경험되는 압력을 증가시킨다. (방사상은 여기서 전파 방향에 수직인 방향인 것으로 정의된다.) 캐비티(795)는 음향 압력 파들이 주위 매체 내로 전파되는 것을 허용하기 위해 그 중심라인으로부터 떨어져서 벌크 매체와 마주하는 외부 표면 상에 위치되는 하나 이상의 애퍼처(797)를 갖는다. 애퍼처(들)(797)는 차단 플레이트(770)와 측벽(780) 사이의 개구부에 의해 형성된다. 도 7에 도시된 트랜스듀서의 20kHz, 65kHz 및 200kHz 실시예들에 대한 공칭 파라미터 값들은 표 2에 제시된다.

차단 플레이트 구조체는 운동 에너지를 음향 매체 내로 이동시키기 위한 일차 전달 표면을 표현하는 음향 변환 요소 조립체의 작동 면 바로 옆에 위치되는 캐비티(795)를 형성한다. 이러한 실시예에서 이러한 캐비티의 음향 공진 주파수는 트랜스듀서에 의해 전파 매체 내로 방사되는 전력을 증가시키기 위해 실질적으로 방사상 모드와 매칭하도록 선택된다. 이것은 도 7의 변환 요소와 차단 정면 플레이트 사이의 작은 캐비티(795)가 트랜스듀서의 운동에 의해 그러한 캐비티(795) 내에 발생되는 압력 진동의 진폭을 증가시키기 때문에 가능하다. 이것은 구조체(전형적으로 전파 매체와 동일함) 내에 제약되는 더 높은 음향 임피던스 트랜스듀서와 더 낮은 음향 임피던스 매체 사이의 결합(그리고 결국 전력 전달의 효율)을 개선한다. 이러한 음향 전력은 하나 이상의 애퍼처(들)(797)를 통해 주위 매체 내로 전파된다.

애퍼처 예들은 도 8, 도 9 및 도 10에 도시된다.

도 8은 상부 표면(820)이 환상 형상 애퍼처들(830)을 갖는 음향 구조체에 결합되는 변환 요소(810)를 갖는 개략도(800)를 도시한다.

도 9는 상부 표면(920)이 비환상 형상 애퍼처들(930)을 갖는 음향 구조체에 결합되는 변환 요소(910)를 갖는 개략도(900)를 도시한다.

도 10은 상부 표면(1020)이 원형 피치 상에 위치되는 원형 애퍼처들(1030)을 갖는 음향 구조체에 결합되는 변환 요소(1010)를 갖는 개략도(1000)를 도시한다.

도 11 및 도 12는 특정 주파수 범위에 걸쳐, 이러한

디자인에서의 온-축 음향 압력 및 방사된 음향 전력 둘 다가 갖지 않는 것보다 본 발명을 구체화하는 차단 플레이트의 구조체의 사용으로 더 큰 것을 실험 데이터 및 수치 시뮬레이션 각각으로 증명한다.

도 11은 본 발명을 구체화하고 구체화하지 않은 측정된 온-축 음향 압력의 그래프(1100)를 도시한다. x축(1120)은 Hz의 주파수이다. y축(1110)은 30 cm에서의 Pa의 온-축 음향 압력이다. 플롯은 본 발명(1130)을 구체화하는 음향 구조체를 갖고 이러한 구조체(1140)를 갖지 않는 트랜스듀서에 대한 주파수의 함수로서 트랜스듀서로부터 30 cm에서 측정되는 온-축 음향 압력을 나타낸다. 그래프(1100)는 50 kHz와 80 kHz 사이의 거의 모든 주파수들에 대해, 30 cm에서의 온-축 음향 압력이 갖지 않는 것보다 본 발명을 구체화하는 차단 플레이트를 갖는 트랜스듀서에 대해 더 높은 것을 나타낸다. 온-축 음향 압력은 차단 플레이트 구조체가 이러한 실시예에서 약 62 kHz와 약 66 kHz 사이에 사용될 때 상당히 더 높다.

도 12는 차단 플레이트를 갖고 갖지 않는 시뮬레이션된 온-축 음향 전력의 그래프(1200)를 도시한다. x축(1220)은 Hz의 주파수이다. y축(1210)은 W의 방사 전력이다. 플롯은 차단 플레이트(1230)를 갖고 차단 플레이트(1240)를 갖지 않는 트랜스듀서에 대한 주파수의 함수로서 방사 전력을 나타낸다. 그래프(1200)는 약 60 kHz와 약 90 kHz 사이의 주파수들에 대해, 방사 전력이 갖지 않는 것보다 차단 플레이트에서 상당히 더 높은 것을 나타낸다.

게다가, 그 자체의 동작 주파수를 갖는 변환 요소에 결합될 때, 음향 출력(예를 들어, 광대역, 높은 온-축 압력, 높은 방사된 음향 전력)의 바람직한 특성들을 제공할 수 있는 캐비티의 음향 공진의 주파수를 튜닝하는 것이 가능하다. 변환 요소 동작 주파수는 음향 공진 주파수와 상이할 수 있다. 캐비티의 공진 주파수 및 변환 요소의 동작 주파수가 밀접하게 매칭될 때, 방사된 음향 전력은 가장 크다. 추가 성능 개선은 변환 요소 및 음향 캐비티 공진이 모드 형상 매칭되면, 즉 변환 요소 진동의 변위 프로파일이 매체에서 여기되는 음향 공진의 압력 모드 형상과 실질적으로 유사하면 실현될 수 있다.

임피던스 매칭 효과를 활성화시키는 주파수 및 원하는 출력을 구성하는 하나 이상의 추가 주파수(또한 다수의 변환 요소와 관련될 수 있음)의 혼합을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 임피던스 매칭 효과로 인해, 이것은 별개로 주파수 컴포넌트들 각각과 비교할 때 선형으로 작용하지 않을 것이고, 따라서 디자인 단순성, 작은 크기 및 높은 출력 효율이 중요한 한편 높은 초음파 주파수들이 무시될 수 있는 응용들에서, 예컨대 작은 스피커 유닛들에서, 이것은 더 상업적으로 실행 가능한 디자인들을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

도 13은 축대칭 시뮬레이션에서의 차단 플레이트(실시예인 구조체의 일부임)를 갖고 갖지 않는 트랜스듀서들의 전파 면에서 압력 진동들의 크기의 그래프(1300)를 도시한다. 이러한 경우에, 차단 플레이트 및 측벽들은 원형으로 대칭이다. x축(1320)은 중심으로 시작하는 트랜스듀서 면 상의 방사상 라인의 mm의 거리이다. y축(1310)은 Pa의 절대 음향 압력이다. 플롯은 차단 플레이트(1330)를 갖고 차단 플레이트(1340)를 갖지 않는 트랜스듀서의 중심(r = 0 mm)과 에지(r = 2.5 mm) 사이의 방사상 거리의 함수로서 트랜스듀서의 절대 음향 압력을 나타낸다. 그래프(1300)는 차단 플레이트를 갖지 않는 절대 음향 압력이 약 750 Pa에서 본질적으로 일정한 것을 나타낸다. 대조적으로, 차단 플레이트를 갖는 절대 압력은 r = 0 mm에서 약 21000 Pa의 범위이고 r = 2.5 mm에서 약 2000 Pa까지 점진적으로 떨어진다. 나타낸 데이터는 2개의 다르게 동일한 피스톤 모드 액추에이터에 대한 축대칭 압력 음향 유한 요소 모델(COMSOL)로부터 취해진다.

이로부터, 간단한 피스톤 모드 액추에이터(예를 들어, 두께 모드에서의 압전 액추에이터)로부터의 방사 전력이 도 12에 도시된 바와 같이 주위 구조체를 갖는 차단 플레이트의 존재에 의해 증가될 수 있으므로, 변위 프로파일을 모드 형상에 매칭시키는 것은 차단 플레이트 및 주위 구조체가 효과적일 절대 요건이 아닌 것을 알 수 있다.

B. 벤딩 모드 압전 액추에이터에 결합되는 차단 플레이트

도 14a는 벤딩 모드 압전 액추에이터에 결합될 때 차단 플레이트의 단면 실시예의 개략도(1400)를 도시한다. 차단 플레이트 구조체는 지지 구조체(1410a, 1410b)를 사용하여 장착되고, 기판(1430) 및 압전 변환 요소(1440)를 포함하는 음향 액추에이터로부터 이격되는 차단 플레이트(1420), 측벽들(1450) 및 애퍼처(들)(1490)를 포함한다.

도 14b는 공진 음향 캐비티 내에 압력 진동의 방사상 의존성을 나타내는 그래프(1492)이다. 도 14c는 벤딩 모드 액추에이터 속도의 방사상 의존성을 나타내는 그래프(1494)이다.

이러한 실시예에서, 액추에이터의 변위 프로파일은 캐비티 내의 방사상 모드 음향 압력 분포와 잘 매칭된다. 추가적으로, 차단 플레이트 구조체는 캐비티의 기하학적 형상뿐만 아니라 액추에이터의 운동을 정의하기 위해 사용된다. 차단 플레이트 구조체는 이러한 영역 내의 재료의 더 큰 두께 때문에, 구조체가 실질적으로 더 강성해지는 캐비티의 주변에서 액추에이터의 운동을 심하게 제약한다. 유사하게, 구조체는 캐비티의 중심 및 따라서 높은 압력 파복이 위치되는 액추에이터의 중심에서 운동을 제약하지 않는다. 이것은 액추에이터의 변위가 작동될 때 원하는 굽힘 형상을 따르는 것을 허용하며, 이는 도 13에 도시된 음향 압력 분포와 프로파일이 매우 유사하다. 따라서, 차단 플레이트는 이중 기능: 즉, 액추에이터를 위한 기계적 지지를 제공하는 기능 및 음향 매칭 구조체를 생성하는 기능의 역할을 한다. 이것은 전체 시스템의 높이를 추가로 감소시킨다.

1. 공진 주파수의 튜닝

도 7로 돌아가면, 캐비티 공진은 캐비티 반경(r_cavity)(750)을 변경함으로써 튜닝될 수 있다. 이것은 변환 요소 반경(r_transducer)(740)과 상이할 수 있으며, 이는 캐비티의 공진 주파수(f_acoustic)가

와 같이 변화되므로, 변환 요소가 캐비티와 별도로 디자인되는 것을 허용한다.

아래의 표 3은 3 상이한 동작 주파수로 캐비티에 튜닝하기 위한 예시적 치수들을 나타낸다.

필요하지 않지만, 변환 요소 반경 및 캐비티 반경은 전형적으로 동일하게 선택된다. 표 3은 차단 플레이트를 갖지 않는 변환 요소에 걸쳐 방사된 음향 전력을 여전히 증가시키면서, r_cavity(750)가 서브파장이거나 파장보다 더 클 수 있는 것을 나타낸다.

표 3은 주어진 차단 플레이트 및 지지 구조체 두께(h_blocking)(720) 및 캐비티 높이(h_cavity)(730)(둘 다 0.2 mm임)에 대해, 방사 전력이 타겟 파장보다 실질적으로 더 작거나 더 큰 반경을 갖는 캐비티에 의해 증가될 수 있는 것을 나타낸다. 데이터는 압력 음향 유한 요소 모델(COMSOL)을 사용하여 트랜스듀서의 중심라인에 관한 2차원 축대칭 시뮬레이션으로부터 취해진다.

r_cavity에 더하여, w_aperture의 폭(760)은 캐비티의 공진 주파수를 튜닝하기 위해 사용될 수 있다. 도 15는 w_aperture의 폭 및 주파수에 관한 방사 전력 의존성을 나타내는 그래프(1500)이다. x축(1520)은 Hz의 주파수이다. y축(1510)은 W의 방사 전력이다. 플롯은 w_aperture = 0.01 mm(1530), 0.05 mm(1535), 0.1 mm(1540), 0.5 mm(1545), 1 mm(1550), 1.5 mm(1555), 및 2 mm(1560)에서 주파수의 함수로서 트랜스듀서의 방사 전력을 나타낸다. 차단 플레이트를 갖지 않는 기준선(1525)은 비교를 위해 도시된다. 그래프(1500)는 0.1 mm의 w_aperture가 약 50 kHz의 주파수에서 0.040 W의 가장 높은 방사 전력을 생성하는 것을 나타낸다. 어떠한 다른 w_aperture도 임의의 테스트된 주파수에서 0.020 W보다 더 큰 방사 전력을 생성하지 않는다. 데이터는 압력 음향 유한 요소 모델(COMSOL)을 사용하여 트랜스듀서의 중심라인에 관한 2차원 축대칭 시뮬레이션으로부터 취해졌으며, 여기서 변환 요소는 각각의 주파수에서 사전 설정된 속도로 이동하는 간단한 피스톤인 것으로 간주된다.

중심 영역은 애퍼처의 폭, 즉 w_aperture < 0.9r_cavity이도록, 차단 정면 플레이트에 의해 여전히 부분적으로 차단되어야 한다. 그렇지만, w_aperture > 2δ이도록 동작 주파수(f)에서 진동 경계 층 두께(

)(여기서 υ는 매체의 동적 점도임)와 관련되는, 유출구의 폭에 관한 하한이 또한 존재한다. 이러한 값 아래에서, 음향 에너지의 상당한 비율이 유출구에서의 점성 소산을 통해 손실된다.

여기되는 방사상 음향 모드의 공진 주파수는 도 16에 도시된 바와 같이, 캐비티 높이(h_cavity)(730)에만 약하게 의존한다. 도 16은 차단 플레이트 구조체를 통해 매체 내로 방사되는 음향 에너지의 주파수 응답에 관한 캐비티 높이의 효과의 그래프(1600)이다. x축(1620)은 Hz의 주파수이다. y축(1610)은 W의 방사 전력이다. 플롯은 50 ㎛(1630), 100 ㎛(1640), 150 ㎛(1650), 및 200 ㎛(1660)의 h_cavity에서 주파수의 함수로서 트랜스듀서의 방사 전력을 나타낸다. 그래프는 100 ㎛(1640), 150 ㎛(1650), 및 200 ㎛(1660)의 h_cavity에 대한 함수가 꽤 유사한 것을 나타낸다. 도 16에 대한 데이터는 차단 플레이트와 결합되는 피스톤 트랜스듀서의 압력 음향 유한 요소 모델을 사용하여 트랜스듀서의 중심라인에 관한 2차원 축대칭 시뮬레이션으로부터의 모델링된 스펙트럼들이다.

도 16으로부터 일 예를 취하면, 캐비티 높이(h_cavity)가 100 ㎛에서 200 ㎛까지 증가될 때, 시뮬레이션된 공진 주파수는 5%만큼만 변경된다. 따라서, 그의 공진 주파수는 상술한 이전 시도된 해결책들과 달리, 매칭 구조체의 총 두께와 독립적으로 상대적으로 튜닝될 수 있다. 추가적으로, 전송 효율의 개선은 표 4에 나타낸 바와 같이, 고정 캐비티 높이를 갖는 큰 주파수 범위에 걸쳐 나타날 수 있다.

표 4는 주어진 차단 플레이트 두께 및 캐비티 높이(둘 다 = 0.2 mm)에 대해, 방사된 음향 전력이 차단 플레이트에 의해 큰 범위의 주파수들에 걸쳐 증가될 수 있는 것을 나타낸다. 애퍼처 폭은 각각의 주파수에 대한 방사 전력을 최대화하기 위해 조정된다. 데이터는 압력 음향 유한 요소 모델(COMSOL)을 사용하여 트랜스듀서의 중심라인에 관한 2차원 축대칭 시뮬레이션으로부터 취해진다.

캐비티 높이에 관한 유사한 하한은 애퍼처 채널 폭과 같이 존재하며, 즉 점성 침투 깊이는 캐비티 크기에 대략적인 하한을 두고, 즉 이전과 동일한 이유로, h_cavity > 2δ이다. 캐비티 높이에 관한 상한은 또한 지배적인 음향 공진 모드가 디자인된 방사상 모드인 것을 보장하도록 요구된다. 이것은

를 필요로 하며, 여기서 λ는 트랜스듀서 동작 주파수의 음향 파장이다.

캐비티 높이(h_cavity)에 관한 이러한 제한들은 또한 평면이 아닐 수 있거나, 동일한 치수 구성을 갖지 않을 수 있거나 유사한 의도된 공진 모드를 심지어 갖지 않을 수 있는 본 발명의 다른 실시예들과 관련이 있다. 이전과 같이, 점성 침투 깊이는 이용가능한 구조체의 가장 얇은 치수의 얇음을 제한하여, 점성 침투 깊이가 구조체 또는 캐비티의 내부 치수들의 최소 제한으로서 도달됨에 따라 열로서 에너지를 많이 소산할 것이다. 발생되는 다른 얇은 모드들은 또한 의도되는 각각의 모드가 특성 치수 요건들을 가질 것이므로, 구조체에 의해 제약되는 정확한 모드를 달성하기 위해 그들의 가장 얇은 치수가 실질적으로 유사한 제한들을 갖는 것을 필요로 할 것이다. 이러한 요건들로부터 너무 멀리 이동하는 것은 여기되는 공진 모드에서 점프를 야기하고 따라서 이 문서에 이전에 설명된 바와 같이 튜닝된 구조체의 추가로부터 획득되는 효율에 유해한 영향을 미칠 수 있다.

도 17 및 도 18은 음향 매칭 구조체의 대안적인 종방향 실시예를 사용하는 트랜스듀서들에 관한 것이며, 음향 캐비티의 반경은 음향 캐비티의 높이보다 더 작다. 도 17a는 트랜스듀서의 축대칭 도를 도시한다. 액추에이터(1710)는 그의 주변에서 중공 튜브(1750)의 일단부에 결합된다. 그 다음, 차단 플레이트(1720)는 튜브의 대향 단부와 결합된다. 음향 캐비티(1740)는 액추에이터 튜브, 및 차단 플레이트의 조합에 의해 형성된다. 압력 파들이 주위 매체 내로 방사되는 것을 허용하기 위해 차단 플레이트에 작은 애퍼처(1730)가 있다. 액추에이터의 종방향 진동 운동(1715에 의해 표시되는 운동)은 캐비티에서 종방향 압력 파들을 발생시킨다. 이러한 압력 진동들의 주파수는 종방향 음향 공진이 캐비티에서 여기되어, 그들의 진폭을 증가시키도록 조정될 수 있다. 이러한 공진 주파수 캐비티의 높이에 주로 의존할 것이며, 캐비티의 반경은 더 작은 효과를 가질 것이다.

도 17b는 트랜스듀서의 축대칭 도를 도시한다. 중공 원통형 액추에이터(1760)는 일단부에서, 베이스(1770)에 결합된다. 그 다음, 차단 플레이트(1720)는 액추에이터의 대향 단부와 결합된다. 음향 캐비티(1740)는 액추에이터, 베이스, 및 차단 플레이트의 조합에 의해 형성된다. 압력 파들이 주위 매체 내로 방사되는 것을 허용하기 위해 차단 플레이트에 작은 애퍼처(1730)가 있다. 1765에 의해 표시되는 액추에이터의 방사상 운동은 캐비티에서 종방향 압력 파들을 발생시킨다. 이러한 압력 진동들의 주파수는 종방향 음향 공진이 캐비티에서 여기되어, 그들의 진폭을 증가시키도록 조정될 수 있다. 이러한 공진 주파수는 캐비티의 높이에 주로 의존할 것이며, 캐비티의 반경은 더 작은 효과를 가질 것이다. 이러한 구성은 도 17a에 도시된 구성보다 더 높은 음향 출력을 가능하게 하는 더 큰 표면적을 액추에이터에 제공하는 장점을 갖는다.

도 17c는 캐비티 내의 압력 진동들의 진폭(1784)이 2개의 경우에 대해, 종방향 축(1782)을 따라 액추에이터로부터 애퍼처로 어떻게 변화되는지를 나타낸다: (A) 차단 플레이트가 존재하는 것(1786) (B) 차단 플레이트가 존재하지 않는 것(1788). 양 경우들에서, 1차 음향 공진은 압력 진동들의 진폭이 튜브의 폐쇄 단부로부터 개방 단부로 단조 감소하는 곳에서 여기된다. 그러나, 진폭은 차단 플레이트가 존재하는 경우에 대해, 그리고 그와 같이 현저히 압력 파들이 주위 매체 내로 방사되는 애퍼처에서 실질적으로 더 높다. 액추에이터는 두께 모드 압전 액추에이터일 수 있으며, 여기서, 구동되면, 그의 운동은 거의 균일하고 그의 영역에 걸쳐 동위상이다. 캐비티에서 종방향 압력 파들을 발생시키는 것은 이러한 운동이다.

도 18a는 트랜스듀서의 축대칭 도를 도시한다. 액추에이터(1810)는 그이 주변에서, 중공 튜브(1850)의 일단부에 결합된다. 그 다음, 차단 플레이트(1820)는 튜브의 대향 단부와 결합된다. 음향 캐비티(1840)는 액추에이터, 튜브, 및 차단 플레이트의 조합에 의해 형성된다. 압력 파들이 주위 매체 내로 방사되는 것을 허용하기 위해 차단 플레이트에 2개의 작은 애퍼처(1830 및 1860)가 있다. 이러한 경우에, 그리고 도 17과 대조적으로, 액추에이터의 운동은 캐비티에서 고차 음향 공진을 여기시킨다.

도 18b는 압력 진동들의 위상이 3개의 평행 축(A, B, 및 C)을 따라 어떻게 변화되는지를 나타내는 그래프(1870)이다. 각각의 축을 따라, 압력은 액추에이터 근처에서 가장 높지만 튜브의 대향 단부에서 압력과 역위상이다. 이러한 위치에서 애퍼처로부터 방사되는 압력이 애퍼처들(1830 및 1860)로부터 방사되는 압력과 역위상일 것이므로 축(B)을 따라 어떠한 애퍼처도 위치하지 않으며, 이는 상쇄적 간섭을 야기하고 트랜스듀서의 전체 압력 출력을 낮출 것이다.

압력 진동들의 위상은 종 방향 및 방사상 방향으로 변화된다. 방사상 방향으로, 주어진 z 높이에서, 캐비티의 중심에서의 압력은 도 18c의 그래프(1880)에 나타낸 바와 같이 튜브의 내부 둘레 근처의 압력과 역위상이다.

도 18d는 설명되는 음향 공진에 모드 형상 매칭되는 액추에이터의 속도 프로파일(1890)을 도시하며, 여기서 액추에이터의 진동들의 위상은 그의 반경에 걸쳐 변환되고; 그의 중심에서 동위상이고, 그의 주변 근처에서 역위상이다. 이러한 사례에서, 벤딩 모드 압전 액추에이터는 그러한 속도 프로파일을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.

도 19a는 액추에이터 및 차단 플레이트 및 박막 매칭 구조체들의 조합인 매칭 구조체를 포함하는 트랜스듀서를 도시한다. 박막(1950)은 액추에이터(1910)로부터 떨어진 짧은 거리만큼 이격되어, 밀봉된 음향 캐비티(1940)를 형성한다. 차단 플레이트(1930)는 박막의 대향 측면으로부터 짧은 거리만큼 이격되어, 애퍼처(1920)와 함께 개별 음향 캐비티(1960)를 형성한다. 2개의 매칭 구조체의 조합은 트랜스듀서의 음향 전송 효율을 개선할 수 있다.

유사하게, 도 19b는 액추에이터 및 차단 플레이트(1930) 및 박막(1950) 매칭 구조체들의 조합인 매칭 구조체를 포함하는 트랜스듀서를 도시한다. 그러나, 이러한 실시예에서, 차단 플레이트(1930) 및 박막(1950)의 위치들은 반전되어, 액추에이터에 가장 가까운 것은 차단 플레이트(1930)이고, 박막(1950)은 압력을 주위 매체 내로 직접 방사한다. 박막은 스페이서 요소(1970)에 의해 차단 플레이트(1930)로부터 떨어진 짧은 거리에 위치된다.

도 19c는 2개의 이웃 트랜스듀서(1992, 1194)를 도시하며, 각각은 도 19b에서와 동일한 구성을 갖지만, 연속 박막(1950)은 2개의 트랜스듀서 사이에 공유된다. 이것은 박막(1950)이 추가 처리를 필요로 하지 않고 최종 조립체로서 트랜스듀서 어레이에 적층될 수 있으므로 트랜스듀서들의 어레이들이 제조되고 있는 경우 유리할 수 있다.

도 20a는 액추에이터(2010), 및 차단 플레이트 매칭 구조체를 포함하는 트랜스듀서를 도시한다. 차단 플레이트(2020)는 음향 매체 내의 압력 진동들의 파장의 거의 ¼인 두께를 갖는다. 예를 들어, 이러한 매체는 공기일 수 있다. 따라서, 애퍼처(2030)는 파장의 ¼과 동일한 길이를 갖는다. 종방향 음향 공진은 액추에이터 및 차단 플레이트에 의해 형성되는, 캐비티(2040)에서 여기되는 방사상 공진에 더하여, 애퍼처에서 여기될 수 있다. 이러한 부가적인 종방향 공진은 압력 출력을 추가로 증폭할 수 있다.

도 20b는 액추에이터 및 차단 플레이트 매칭 구조체를 각각 포함하는 2개의 트랜스듀서(2061, 2062)를 도시하며, 개별 다공 플레이트(2060)는 양 트랜스듀서들의 정면에 배열된다. 부가적인 다공 플레이트는 부가적인 매칭 구조체로서의 역할을 하고 음향 전송의 효율을 추가로 개선할 수 있다. 그것은 또한 예를 들어, 트랜스듀서들에 대한 돌발적 손상, 또는 그들 내로의 먼지 진입에 대한 보호 장벽으로서의 역할을 할 수 있다.

도 20c는 액추에이터 및 차단 플레이트(2020) 및 다공 플레이트(2060) 매칭 구조체들의 조합인 매칭 구조체를 포함하는 트랜스듀서를 도시한다. 다공 플레이트(2060)는 액추에이터(2010)로부터 짧은 거리만큼 이격된다. 차단 플레이트(2020)는 다공 플레이트의 대향 측면으로부터 짧은 거리만큼 이격되어, 애퍼처(2030)와 함께 캐비티(2040)를 형성한다. 2개의 매칭 구조체의 조합은 트랜스듀서의 음향 전송 효율을 개선할 수 있다.

도 21은 서로 가깝게 배열되는 2개의 액추에이터(2109, 2110)를 도시하며, 연속 박막(2150)은 그들의 정면에 위치되고, 연속 다공 플레이트(2160)는 연속 박막의 정면에 위치된다. 2개의 매칭 구조체의 조합은 트랜스듀서(들)의 음향 전송 효율을 개선할 수 있다. 더욱이, 박막 및 다공 플레이트 둘 다가 다수의 액추에이터에 의해 공유됨에 따라, 트랜스듀서 어레이들의 조립의 용이성이 개선될 수 있다.

2. 차단 플레이트의 장점들

차단 플레이트 매칭 구조체의 동작 주파수는 평면 내 치수들(r_cavity, w_aperture)에 크게 의존하고 두께 치수들(h_cavity, h_blocking)에 비교적 불변이다. (전형적인 매칭 층들/구조체들에 대해, 임계 파라미터인 것은 두께이다.) 이것은 차단 플레이트를 갖는 매칭 구조체가 더 낮은 두께 및 따라서 이러한 실시예에서 넓은 주파수 범위에 걸친 다른 매칭 층들보다 더 낮은 프로파일을 갖는 것을 허용한다. 차단 플레이트를 갖는 매칭 구조체는 또한 다른 보다 종래의 매칭 층들/구조체들과 대조적으로, 종래의 제조 기술들 및 전형적인 공차들로 제조될 수 있다. 변환 요소의 전파 면적의 큰 부분이 플레이트 자체에 의해 차단되는 것을 고려하면, 차단 플레이트를 추가하는 것이 음향 출력을 개선할 수 있는 것은 직관적이지 않다.

상술한 대안적인 매칭 구조체들에 대한 차단 플레이트를 포함하는 음향 구조체의 장점들은 아래에 설명된다.

1. 종래의 매칭 층들은 전형적으로 λ/4(여기서, λ는 음향 트랜스듀서의 요구되는 일차 파장을 나타냄) 두께에 가까운 반면, 여기서 설명되는 차단 플레이트를 포함하는 새로운 음향 구조체는 더 얇은 구조체로 전송 효율을 개선하는 것을 달성할 수 있다. 추가적으로, 종래의 임피던스 매칭 층들은 낮은 음향 임피던스 재료들을 생성하기 위해 복잡한 제조 프로세스들을 필요로 하는 반면, 본원에 설명되는 새로운 음향 구조체는 종래의 프로세스들, 예를 들어 기계가공, 사출 성형, 에칭을 사용하여 제조될 수 있다. 더욱이, 낮은 음향 임피던스 재료들은 전형적으로 강건성이 결여되는 반면, 본 발명을 구현하기 위한 필요한 구조체는 알루미늄과 같은 보다 강성하고 강건한 엔지니어링 재료들로 제조될 수 있다.

2. 차단 플레이트는 특히 낮은 초음파 주파수들에서, Toda에 설명된 바와 같이 서브파장 구멍들의 규칙적인 어레이를 갖는 플레이트보다 더 얇은 구조체로 성능 개선들을 달성할 수 있다.

3. Toda에 설명되는 박막 매칭 층의 경우에, 성능은 전파 방향과 평행한 치수들에 강하게 의존한다. 이것은 높은 주파수들(≫ 80 kHz)에서 제한될 수 있으며, 여기서 변환 요소로부터의 박막의 간격은 합리적으로 달성가능하지 않은 엄격한 공차들을 필요로 한다. 그러나, 차단 플레이트 및 지지 구조체는 적어도 기계가공 및 에칭에서 전형적인 산업 공차들로 제조될 수 있다. 더욱이, 얇은 폴리머 필름들은 강건성이 결여되는 반면, 그의 지지 구조체를 갖는 차단 플레이트는 알루미늄과 같은 보다 강성하고 강건한 엔지니어링 재료들의 단일 피스로 제조될 수 있다.

4. 설명되는 음향 구조체는 특히 낮은 초음파 주파수들에서, 음향 혼보다 더 얇은 구조체로 동일하거나 더 큰 성능 개선들을 달성할 수 있다.

5. 헬름홀츠 공진기들은 공진기의 치수들이 동작 주파수에서 파장보다 실질적으로 더 작아야 한다는 요건에 의해 제한된다. 이것은 실질적으로 서브파장 변환 요소를 필요로 하며, 이는 전력 출력을 제한하고 어떤 변환 요소들이 이러한 매칭 개념으로 사용될 수 있는지를 제약한다. 이러한 실시예에서 캐비티를 형성하는 지지 구조체 및 차단 플레이트는 직경이 실질적으로 서브파장일 필요가 없으므로 더 큰 변환 요소들을 수용할 수 있다. 상술한 디자인과 헬름홀츠 공진기 사이의 차이들 중 하나는 이러한 디자인이 공간적으로 균일한 압력을 갖지 않는 음향 공진을 구동한 다음(본 발명의 경우에 그것은 방사상 압력 변화와 함께 실질적으로 불균일한 음향 압력을 갖는 선택된 음향 모드를 숨겨야 함) 먼 단부에 개구부/파이프를 갖는다는 것이다. 이것은 불균일한 압력을 갖는 임의의 구조체(파이프, 구, 혼 등)에 일반화될 수 있는 것으로 제시되는 이전 섹션들에 있었다. 이것은 모드 구조체 및 개구부를 갖는 임의의 밀폐된 체적을 포함한다.

III. 본 발명의 예시적 실시예들의 개요

본 발명의 일 실시예는 사용 시, 유체를 포함하는 캐비티를 포함하는 음향 매칭 구조체이며, 캐비티는 실질적으로 평면 형상을 갖는다. 캐비티는 실질적으로 평면 치수를 한정하는 2개의 단부 벽 및 캐비티를 한정하고 단부 벽들에 실질적으로 수직인 측벽에 의해 정의되며, 캐비티는 단부 벽들 사이의 캐비티 내의 평면 치수의 평균 단면적에 의해 주어지는 면적(A_cavity)을 갖는다. 캐비티의 측벽은 원형일 수 있거나 다른 형상을 가질 수 있으며, 어느 경우에 유효 측벽 반경(r_cavity)은 r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의된다. 적어도 하나의 애퍼처는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되며; 캐비티 높이(h_cavity)는 단부 벽들의 평균 분리로서 정의되고, r_cavity 및 h_cavity는 부등식을 충족시킨다: r_cavity는 h_cavity보다 더 크다. 동작 시, 캐비티 단부 벽들 중 하나에 작용하는 변환 요소는 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 발생시키고; 사용 시, 캐비티 내의 유체에서의 음향 진동들은 압력 파들이 주위 음향 매체 내로 전파되게 한다.

본 발명의 추가 실시예는 동작 시, 유체를 포함하는 캐비티를 포함하는 음향 매칭 층이며, 캐비티는 실질적으로 평면 치수를 한정하는 2개의 단부 벽을 갖는 실질적으로 평면 형상 및 단부 벽들 사이의 캐비티의 평면 치수의 평균 단면적에 의해 주어지는 면적(A_cavity)을 갖는다. 단부 벽들 중 하나는 변환 요소에 의해 형성될 수 있고 다른 것은 차단 플레이트에 의해 형성될 수 있다. 캐비티는 r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의되는 유효 측벽 반경(r_cavity)을 갖고 캐비티 높이(h_cavity)는 단부 벽들의 평균 분리로서 정의된다. 동작 시, 캐비티는 유체에서 음향 진동의 공진 주파수를 지원하며, 주파수는

에 의해 정의되는 파장을 결정하고, c는 유체에서의 음속이고, h_cavity는 파장의 절반보다 실질적으로 더 작고, r_cavity는 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 절반보다 더 크고, 적어도 하나의 애퍼처는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되고, 적어도 하나의 음향 변환 요소는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 상에 위치된다. 결과적인 음향 캐비티는 변환 요소로부터 애퍼처 외부의 매체로 음향 에너지의 전달을 실질적으로 개선하는 공진 모드를 유도하기 위해 캐비티 내의 음향 매체를 제약한다.

본 발명의 추가 실시예는 동작 시, 유체를 포함하는 캐비티를 포함하는 음향 매칭 층이며, 캐비티는 실질적으로 관형 형상을 갖고, 2개의 단부 벽은 관형 치수의 단부들을 한정하고, 중심라인은 하나의 단부 벽의 기하학적 중심을 다른 단부 벽의 기하학적 중심에 연결하는 캐비티 내의 라인으로서 정의되고 그의 길이를 따르는 각각의 지점에서 단부 벽들을 배제하는 가장 가까운 경계로부터 그의 거리를 최대화하는 그러한 방식으로 캐비티를 가로지르고, 면적(A_cavity)은 단부 벽들 사이의 캐비티의 평균 단면적에 의해 주어지며 단면들은 중심라인을 따르는 법선으로 취해지고, 캐비티는 r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의되는 유효 측벽 반경(r_cavity)을 갖고; 캐비티 높이(h_cavity)는 중심라인의 길이로서 정의되고, 동작 시, 캐비티는 유체 내의 음향 진동의 공진 주파수를 지원하고 주파수는

에 의해 정의되는 파장을 결정하며, 여기서 c는 유체에서의 음속이고 r_cavity는 파장의 절반보다 실질적으로 더 작고, h_cavity는 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 절반보다 더 크다. 적어도 하나의 애퍼처는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되고 적어도 하나의 음향 변환 요소는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 상에 위치된다. 결과적인 음향 캐비티는 변환 요소로부터 애퍼처 외부의 매체로 음향 에너지의 전달을 실질적으로 개선하는 공진 모드를 유도하기 위해 캐비티 내의 음향 매체를 제약한다.

본 발명의 추가 실시예는 벌크 매체 내로 음향 에너지 전달의 경로에 존재하는 차단 플레이트를 포함하는 음향 매칭 층이며; 동작 시, 차단 플레이트의 존재는 음향 모드를 여기시키고; 적어도 하나의 축은 캐비티 내의 공진 주파수의 파장의 절반보다 실질적으로 더 작은 치수를 갖고; 적어도 하나의 축은 캐비티 내의 공진 주파수에서 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 더 큰 치수를 갖는다.

상기 실시예들 중 어느 하나에서, 변환 요소는 단부 벽들의 평면들에 실질적으로 수직인 방향으로 하나의 단부 벽 또는 양 단부 벽들의 진동 운동을 야기하는 액추에이터일 수 있다.

아래의 실시예들은 종방향 및 다른(방사상이 아닌) 캐비티 모드들에 관한 것이다.

일 실시예는 동작 시, 유체를 포함하는 캐비티를 포함하는 음향 매칭 구조체이며, 캐비티는 실질적으로 관형 형상을 갖고, 2개의 단부 벽은 관형 치수의 단부들을 한정하고, 중심라인은 하나의 단부 벽의 기하학적 중심을 다른 단부 벽의 기하학적 중심에 연결하는 캐비티 내의 라인으로서 정의되고 그의 길이를 따르는 각각의 지점에서 단부 벽들을 배제하는 가장 가까운 경계로부터 그의 거리를 최대화하는 그러한 방식으로 캐비티를 가로지른다.

캐비티 면적(A_cavity)은 단부 벽들 사이의 캐비티의 평균 단면적에 의해 주어지며 단면들은 중심라인을 따르는 법선으로 취해지고, 캐비티는 r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의되는 유효 측벽 반경(r_cavity)을 갖고; 캐비티 높이(h_cavity)는 중심라인의 길이로서 정의되고, 동작 시, 캐비티는 유체 내의 음향 진동의 공진 주파수를 지원하고; 주파수는

에 의해 정의되는 파장을 결정하며, 여기서 c는 유체에서의 음속이고, r_cavity는 파장의 절반보다 실질적으로 더 작고, h_cavity는 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 절반보다 더 크다. 적어도 하나의 애퍼처는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되고, 적어도 하나의 음향 변환 요소는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 상에 위치된다. 결과적인 음향 캐비티는 변환 요소로부터 애퍼처 외부의 매체로 음향 에너지의 전달을 실질적으로 개선하는 공진 모드를 유도하기 위해 캐비티 내의 음향 매체를 제약한다.

추가 실시예는 벌크 매체 내로 음향 에너지 전달의 경로에 존재하는 차단 플레이트를 포함하는 음향 매칭 구조체이며; 동작 시, 차단 플레이트의 존재는 음향 모드를 여기시키고; 적어도 하나의 축은 캐비티 내의 공진 주파수에서 파장의 절반보다 실질적으로 더 작은 치수를 갖고; 적어도 하나의 축은 캐비티 내의 공진 주파수에서 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 절반보다 더 큰 치수를 갖는다.

IV. 부가적인 개시

1. 트랜스듀서용 음향 매칭 구조체로서, 구조체는,

사용 시, 유체를 포함하는 캐비티 - 캐비티는 실질적으로 평면 형상을 가짐 -;

캐비티의 실질적으로 평면 형상을 한정하는 2개의 단부 벽;

캐비티를 한정하고 단부 벽들에 실질적으로 수직인 측벽;

- 구조체는 단부 벽들 사이의 캐비티 내의 평면 치수의 평균 단면적에 의해 주어지는 면적(A_cavity)을 정의하고;

캐비티는,

r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의되는 유효 측벽 반경(r_cavity)을 가짐 -; 및

단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되는 적어도 하나의 애퍼처

를 포함하고,

캐비티 높이(h_cavity)는 단부 벽들의 평균 분리로서 정의되고;

r_cavity 및 h_cavity는 부등식을 충족시키고:

r_cavity는 h_cavity보다 더 크고;

동작 시, 캐비티 단부 벽들 중 하나에 작용하는 변환 요소는 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 발생시키고;

그것에 의해, 사용 시, 캐비티 내의 유체에서의 음향 진동들은 압력 파들이 주위 음향 매체 내로 전파되게 하는, 음향 매칭 구조체.

2. 조항 1에 있어서,

동작 시, 캐비티는 유체에서 음향 진동의 공진 주파수를 지원하며, 공진 주파수는

에 의해 정의되는 파장을 결정하고, 여기서 c는 유체에서의 음속이고; h_cavity는 상기 파장의 절반보다 실질적으로 더 작고;

r_cavity는 상기 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 절반보다 더 크고;

적어도 하나의 애퍼처는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되고;

적어도 하나의 음향 변환 요소는 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 상에 위치되어;

결과적인 음향 캐비티는 변환 요소로부터 애퍼처 외부의 매체로 음향 에너지의 전달을 실질적으로 개선하는 공진 모드를 유도하기 위해 캐비티 내의 음향 매체를 제약하는, 음향 매칭 구조체.

3. 조항 1 또는 조항 2에 있어서, 트랜스듀서는 단부 벽들의 평면들에 실질적으로 수직인 방향으로 단부 벽들 중 적어도 하나의 진동 운동을 야기하는 액추에이터를 포함하는, 음향 매칭 구조체.

4. 조항 1 내지 조항 3 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 애퍼처는 측벽으로부터 r_cavity/2보다 더 작은 거리 내에서 단부 벽 내에 위치되는, 음향 매칭 구조체.

5. 조항 1 내지 조항 4 중 어느 하나에 있어서, 형상은 2 미만의 양상비를 갖는, 원형, 타원형, 정사각형, 다각형 형상 중 하나인, 음향 매칭 구조체.

6. 조항 1 내지 조항 5 중 어느 하나에 있어서, 애퍼처(들)의 면적들(A_aperture)의 합, 및 A_cavity는 부등식을 충족시키고:

A_cavity/A_aperture는 2보다 더 크고, 바람직하게는 A_cavity/A_aperture는 5보다 더 큰, 음향 매칭 구조체.

7. 조항 1 내지 조항 6 중 어느 하나에 있어서, r_cavity/h_cavity는 5보다 더 큰, 음향 매칭 구조체.

8. 조항 1 내지 조항 7 중 어느 하나에 있어서, 캐비티에 포함되는 유체는 공기이고 상기 음속은 300m/s 내지 400m/s인, 음향 매칭 구조체.

9. 조항 1 내지 조항 8 중 어느 하나에 있어서, h_cavity ²/r_cavity는 10^-8 미터보다 더 큰, 음향 매칭 구조체.

10. 조항 1 내지 조항 9 중 어느 하나에 있어서, 사용 시, 캐비티 내의 방사상 압력 진동들의 가장 낮은 공진 주파수는 200Hz 내지 2MHz의 범위, 바람직하게는 20kHz 내지 200kHz의 범위에 있는, 음향 매칭 구조체.

11. 조항 1 내지 조항 10 중 어느 하나에 따른 음향 매칭 구조체, 및 액추에이터를 포함하는 음향 트랜스듀서로서, 사용 시, 액추에이터의 진동 운동의 주파수는 캐비티 내의 방사상 음향 진동들의 가장 낮은 공진 주파수의 30% 내인, 음향 트랜스듀서.

12. 조항 11에 있어서, 액추에이터의 단부 벽 운동은 캐비티 내의 압력 진동에 모드 형상 매칭되는, 음향 트랜스듀서.

13. 조항 11 또는 조항 12에 있어서, 액추에이터는 베셀 함수에 근사하는 변위 프로파일을 갖는 단부 벽의 운동을 야기하는, 음향 트랜스듀서.

14. 조항 11 내지 조항 13 중 어느 하나에 있어서, 사용 시, 캐비티 내의 음향 압력 진동들은 캐비티의 중심의 r_cavity/4의 거리 내에 위치되는 압력 파복을 갖는, 음향 트랜스듀서.

15. 조항 11 내지 조항 14 중 어느 하나에 있어서, 캐비티 벽 내의 애퍼처(들)는 사용 시, 내부 캐비티 체적을 주위 음향 매체에 연결하는, 음향 트랜스듀서.

16. 조항 11 내지 조항 15 중 어느 하나에 있어서, 애퍼처(들)는 그의 에지에서 지지되고 측벽에 의해 변환 요소로부터 이격되는 차단 플레이트에 의해 형성되는 단부 벽 내에 위치되고 캐비티와 주위 음향 매체 사이에 위치되는, 음향 트랜스듀서.

17. 조항 11 내지 조항 16 중 어느 하나에 있어서, 액추에이터는 캐비티와 주위 음향 매체 사이에 위치되고 애퍼처(들)는 액추에이터의 하나의 면에 의해 형성되는 단부 벽 내에 위치되는, 음향 트랜스듀서.

18. 조항 11 내지 조항 17 중 어느 하나에 있어서, 액추에이터의 변위는 작동될 때 굽힘 형상을 따르는, 음향 트랜스듀서.

19. 조항 11 내지 조항 18 중 어느 하나에 있어서, 액추에이터의 에지의 운동은 액추에이터 지지체에 의해 제약되는, 음향 트랜스듀서.

20. 조항 11 내지 조항 19 중 어느 하나에 있어서, 액추에이터의 중심의 운동은 제약되지 않는, 음향 트랜스듀서.

21. 조항 11 내지 조항 20 중 어느 하나에 있어서, 변환 요소는 압전 액추에이터, 전자기 액추에이터, 정전기 액추에이터, 자기변형 액추에이터, 열음향 변환 요소 중 하나인, 음향 트랜스듀서.

22. 조항 11 내지 조항 21 중 어느 하나에 있어서, 액추에이터 지지체의 운동은 차단 플레이트에 의해 제약되는, 음향 트랜스듀서.

23. 조항 22에 있어서, 변환 요소와 차단 플레이트 사이에 위치되는 박막 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향 트랜스듀서.

24. 조항 22 또는 조항 23에 있어서, 차단 플레이트와 외부 음향 매체 사이에 위치되는 박막 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향 트랜스듀서.

25. 조항 22에 있어서, 변환 요소와 차단 플레이트 사이에 위치되는 거의 λ/4 높이의 애퍼처들을 포함하는 다공 플레이트 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향 트랜스듀서.

26. 조항 22에 있어서, 차단 플레이트와 외부 음향 매체 사이에 위치되는 거의 λ/4 높이의 애퍼처들을 포함하는 다공 플레이트 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향.

27. 상기 조항들 중 어느 하나에 따른 음향 매칭 구조체들 또는 트랜스듀서들의 어레이.

V. 결론

상술한 설명들이 특정 값들을 개시하지만, 임의의 다른 특정 값들은 유사한 결과들을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 상술한 실시예들의 다양한 특징들은 개선된 햅틴 시스템들의 다수의 변형을 제조하기 위해 선택되고 조합될 수 있다.

상술한 명세서에서, 특정 실시예들이 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자는 다양한 수정들 및 변경들이 아래에 제시된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 점을 이해한다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적 의미보다는 오히려 예시적인 의미로 간주되어야 하고, 모든 그러한 수정들은 본 교시들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

더욱이, 이 문서에서, 제1 및 제2, 상단 및 하단 등과 같은 관계 용어들은 엔티티들 또는 액션들 사이의 임의의 실제 그러한 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 암시하는 것 없이 하나의 엔티티 또는 액션을 다른 엔티티 또는 액션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 용어들 "구성하다(comprises)," "구성하는(comprising)," "갖는다", "갖는," "포함하다", "포함하는," "포함하다(contains)", "포함하는(containing)" 또는 그것의 임의의 다른 변형은 비배타적 포함을 망라하도록 의도되어, 요소들의 리스트를 구성하고, 갖고, 포함하고, 포함하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치는 그러한 요소들만을 포함하는 것이 아니라 명시적으로 리스트되지 않거나 그러한 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에 고유한 다른 요소들을 포함할 수 있다. "...을 구성한다(comprises...a)", "...을 갖는다", "...을 포함한다", "...을 포함한다(contains...a)"에 의해 진행되는 요소는, 더 많은 제약들 없이, 요소를 구성하고, 갖고, 포함하고, 포함하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에서 추가적인 동일한 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 용어들 "하나의(a 및 an)"는 본원에서 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 하나 이상으로서 정의된다. 용어들 "실질적으로", "본질적으로", "거의", "약" 또는 그것의 임의의 다른 버전은 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 유사한 것으로 정의된다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "결합된"은 반드시 직접적인 것은 아니고 반드시 기계적인 것은 아니지만, 연결된 것으로서 정의된다. 특정 방식으로 "구성되는" 디바이스 또는 구조체는 적어도 그러한 방식으로 구성되지만 또한 리스트되지 않은 방식들로 구성될 수 있다.

독자가 기술적 개시의 본질을 빠르게 확인하는 것을 허용하는 개시의 요약서가 제공된다. 요약서는 청구항들의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하기 위해 사용되지 않을 것이라는 조건으로 제출된다. 추가적으로, 이전의 상세한 설명에서, 다양한 특징들은 본 개시를 간소화할 목적으로 다양한 실시예들에서 함께 그룹화된다는 점이 인식될 수 있다. 이러한 개시의 방법은 청구된 실시예들이 각각의 청구항에 명시적으로 열거되는 것보다 더 많은 특징들을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이하의 청구항들이 반영하는 바와 같이, 발명 대상은 단일 개시된 실시예의 모든 특징들보다 더 적게 있다. 따라서, 이하의 청구항들은 이로써 상세한 설명에 포함되며, 각각의 청구항은 개별적으로 청구된 발명 대상으로서 그 자체에 기초한다.

Claims (26)

1. 트랜스듀서용 음향 매칭 구조체로서,
   사용 시, 유체를 포함하는 캐비티 - 상기 캐비티는 실질적으로 평면 형상을 가짐 -;
   상기 캐비티의 실질적으로 평면 형상을 한정하는(bounding) 2개의 단부 벽
   상기 캐비티를 한정하고 상기 단부 벽들에 실질적으로 수직인 측벽;
   - 상기 구조체는 상기 단부 벽들 사이의 상기 캐비티 내의 평면 치수의 평균 단면적에 의해 주어지는 면적(A_cavity)을 정의하고,
   상기 캐비티는 r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의되는 유효 측벽 반경(r_cavity)을 가짐 -; 및
   상기 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되는 적어도 하나의 애퍼처
   를 포함하고,
   캐비티 높이(h_cavity)는 상기 단부 벽들의 평균 분리로서 정의되고;
   r_cavity 및 h_cavity는 부등식을 충족시키고:
   r_cavity는 h_cavity보다 더 크고;
   동작 시, 상기 캐비티 단부 벽들 중 하나에 작용하는 변환 요소(transducing element)는 상기 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 발생시키고;
   그것에 의해, 사용 시, 상기 캐비티 내의 유체에서의 음향 진동들은 압력 파들이 주위 음향 매체 내로 전파되게 하는, 음향 매칭 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   동작 시, 상기 캐비티는 상기 유체에서 음향 진동의 공진 주파수를 지원하며, 상기 공진 주파수는

   

   에 의해 정의되는 파장을 결정하고, c는 상기 유체에서의 음속이고; h_cavity는 상기 파장의 절반보다 실질적으로 더 작고;
   r_cavity는 상기 파장의 절반과 실질적으로 동일하거나 절반보다 더 크고;
   적어도 하나의 애퍼처는 상기 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되고;
   적어도 하나의 음향 변환 요소는 상기 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 상에 위치되어;
   결과적인 음향 캐비티는 상기 변환 요소로부터 상기 애퍼처 외부의 매체로 음향 에너지의 전달을 실질적으로 개선하는 공진 모드를 유도하기 위해 상기 캐비티 내의 음향 매체를 제약하는, 음향 매칭 구조체.
3. 제1항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 상기 단부 벽들의 평면들에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 단부 벽들 중 적어도 하나의 진동 운동을 야기하는 액추에이터를 포함하는, 음향 매칭 구조체.
4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 애퍼처는 상기 측벽으로부터 r_cavity/2보다 더 작은 거리 내에서 단부 벽 내에 위치되는, 음향 매칭 구조체.
5. 제1항에 있어서, 상기 형상은 2 미만의 양상비(aspect ratio)를 갖는, 원형, 타원형, 정사각형, 다각형 형상 중 하나인, 음향 매칭 구조체.
6. 제1항에 있어서, 애퍼처(들)의 면적들(A_aperture)의 합, 및 A_cavity는 상기 부등식을 충족시키고;
   A_cavity/A_aperture는 2보다 더 큰, 음향 매칭 구조체.
7. 제1항에 있어서, r_cavity/h_cavity는 5보다 더 큰, 음향 매칭 구조체.
8. 제1항에 있어서, 상기 캐비티에 포함되는 유체는 공기이고, 상기 음속은 300m/s 내지 400m/s인, 음향 매칭 구조체.
9. 제1항에 있어서, h_cavity ²/r_cavity는 10^-8 미터보다 더 큰, 음향 매칭 구조체.
10. 제1항에 있어서, 사용 시, 상기 캐비티 내의 방사상 압력 진동들의 가장 낮은 공진 주파수는 200Hz 내지 2MHz 범위에 있는, 음향 매칭 구조체.
11. 음향 트랜스듀서로서,
    1) 트랜스듀서용 음향 매칭 구조체; 및
    2) 액추에이터
    를 포함하며, 상기 구조체는,
    사용 시, 유체를 포함하는 캐비티 - 상기 캐비티는 실질적으로 평면 형상을 가짐 -;
    상기 캐비티의 실질적으로 평면 형상을 한정하는 2개의 단부 벽
    상기 캐비티를 한정하고 상기 단부 벽들에 실질적으로 수직인 측벽;
    - 상기 구조체는 상기 단부 벽들 사이의 상기 캐비티 내의 평면 치수의 평균 단면적에 의해 주어지는 면적(A_cavity)을 정의하고;
    상기 캐비티는 r_cavity =(A_cavity/π)^½로서 정의되는 유효 측벽 반경(r_cavity)을 가짐 -; 및
    상기 단부 벽들 및 측벽들 중 적어도 하나 내에 배치되는 적어도 하나의 애퍼처
    를 포함하고;
    캐비티 높이(h_cavity)는 상기 단부 벽들의 평균 분리로서 정의되고;
    r_cavity 및 h_cavity는 부등식을 충족시키고:
    r_cavity는 h_cavity보다 더 크고;
    동작 시, 상기 캐비티 단부 벽들 중 하나에 작용하는 변환 요소는 상기 캐비티 내의 유체에서 음향 진동들을 발생시키고;
    그것에 의해, 사용 시, 상기 캐비티 내의 유체에서의 음향 진동들은 압력 파들이 주위 음향 매체 내로 전파되게 하며;
    사용 시, 상기 액추에이터의 진동 운동의 주파수는 상기 캐비티 내의 방사상 음향 진동들의 가장 낮은 공진 주파수의 30% 내에 있는, 음향 트랜스듀서.
12. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터의 단부 벽 운동은 상기 캐비티 내의 압력 진동에 모드 형상 매칭되는(mode-shape matched), 음향 트랜스듀서.
13. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터는 베셀 함수에 근사하는 변위 프로파일을 갖는 단부 벽의 운동을 야기하는, 음향 트랜스듀서.
14. 제11항에 있어서, 사용 시, 상기 캐비티 내의 음향 압력 진동들은 상기 캐비티의 중심의 r_cavity/4의 거리 내에 위치되는 압력 파복을 갖는, 음향 트랜스듀서.
15. 제11항에 있어서, 상기 캐비티 벽 내의 애퍼처(들)는 사용 시, 내부 캐비티 체적을 주위 음향 매체에 연결하는, 음향 트랜스듀서.
16. 제11항에 있어서, 상기 애퍼처(들)는 그의 에지에서 지지되고 상기 측벽에 의해 상기 변환 요소로부터 이격되는 차단 플레이트에 의해 형성되는 단부 벽 내에 위치되고 상기 캐비티와 주위 음향 매체 사이에 위치되는, 음향 트랜스듀서.
17. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 캐비티와 주위 음향 매체 사이에 위치되고, 상기 애퍼처(들)는 상기 액추에이터의 하나의 면에 의해 형성되는 단부 벽 내에 위치되는, 음향 트랜스듀서.
18. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터의 변위는 작동될 때 굽힘 형상을 따르는, 음향 트랜스듀서.
19. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터의 에지의 운동은 액추에이터 지지체에 의해 제약되는, 음향 트랜스듀서.
20. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터의 중심의 운동은 제약되지 않는, 음향 트랜스듀서.
21. 제11항에 있어서, 상기 변환 요소는 압전 액추에이터, 전자기 액추에이터, 정전기 액추에이터, 자기변형 액추에이터, 열음향 변환 요소 중 하나인, 음향 트랜스듀서.
22. 제11항에 있어서, 상기 액추에이터 지지체의 운동은 차단 플레이트에 의해 제약되는, 음향 트랜스듀서.
23. 제22항에 있어서, 상기 변환 요소와 상기 차단 플레이트 사이에 위치되는 박막 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향 트랜스듀서.
24. 제22항에 있어서, 상기 차단 플레이트와 외부 음향 매체 사이에 위치되는 박막 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향 트랜스듀서.
25. 제22항에 있어서, 상기 변환 요소와 상기 차단 플레이트 사이에 위치되는 거의 λ/4 높이의 애퍼처들을 포함하는 다공 플레이트 매칭 구조체(perforated plate matching structure)를 추가로 포함하는, 음향 트랜스듀서.
26. 제22항에 있어서, 상기 차단 플레이트와 외부 음향 매체 사이에 위치되는 거의 λ/4 높이의 애퍼처들을 포함하는 다공 플레이트 매칭 구조체를 추가로 포함하는, 음향.

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