KR20210078490A - 음향 송신 안테나 - Google Patents
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Abstract
음향 송신 안테나
소나를 구비하도록 의도된 음향 안테나(ANT)로서, 상기 안테나는 제 1 종축(A1) 주위에 센터링되고, 그 종축을 따라 적층된 2 개의 트랜스듀서들(T1)의 제 1 어셈블리 및 적어도 2개의 트랜스듀서들(T2)의 제 2 어셈블리를 적어도 포함하고, 각각의 트랜스듀서는 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 레이디얼 모드, 및 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 공동 모드를 적어도 가지고, 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들은 적어도 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들의 공동 및 레이디얼 주파수들 사이에서 연장되는 제 1 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되고, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들은 적어도 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들의 공동 및 레이디얼 주파수들 사이에서 연장되는 제 2 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되며, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서의 공동 주파수는 제 1 어셈블리의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 와 동일하고, fr1 은 제 1 어셈블리의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수이고, fc1 은 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들의 공동 주파수이며, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들은 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들 사이에 배치되고, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들 사이에는 제 1 어셈블리의 아무런 트랜스듀서도 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 음향 안테나.
소나를 구비하도록 의도된 음향 안테나(ANT)로서, 상기 안테나는 제 1 종축(A1) 주위에 센터링되고, 그 종축을 따라 적층된 2 개의 트랜스듀서들(T1)의 제 1 어셈블리 및 적어도 2개의 트랜스듀서들(T2)의 제 2 어셈블리를 적어도 포함하고, 각각의 트랜스듀서는 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 레이디얼 모드, 및 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 공동 모드를 적어도 가지고, 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들은 적어도 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들의 공동 및 레이디얼 주파수들 사이에서 연장되는 제 1 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되고, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들은 적어도 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들의 공동 및 레이디얼 주파수들 사이에서 연장되는 제 2 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되며, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서의 공동 주파수는 제 1 어셈블리의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 와 동일하고, fr1 은 제 1 어셈블리의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수이고, fc1 은 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들의 공동 주파수이며, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들은 제 1 어셈블리의 트랜스듀서들 사이에 배치되고, 제 2 어셈블리의 트랜스듀서들 사이에는 제 1 어셈블리의 아무런 트랜스듀서도 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 음향 안테나.
Description
본 발명은 음향 송신 안테나들에, 특히 저- 및 중간-주파수 시스템 분야에서의 음향 송신 안테나에 그리고 이러한 안테나를 교정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 가변-깊이 소나(variable-depth sonar)들에 적용되지만, 이에 제한되지 않는다. 그것은 또한 예를 들어 고정 안테나 소나, 보호 소나 또는 포트 소나와 같은 다른 유형들의 소나에도 또한 적용될 수도 있다.
해양 플랫폼들은 일반적으로 수중 물체들을 검출 및/또는 로케이팅시키기 위해 수중 소나 안테나들이 구비된다. 소나 안테나는 지지부 상에 장착된, 음향 신호들을 송신하기 위한 적층된 트랜스듀서들의 세트를 포함한다. 신호들은 송신 트랜스듀서들의 세트의 구성에 대해 선택된 구성에 따라 배열된, 하이드로폰들과 같은, 수신기들의 세트에 의해 수신된다.
현재 가변-깊이 소나(sound navigation and ranging; sonar) 송신을 위한 안테나들은 다양한 아키텍처들에 따라 제조된다.
기본 트랜스듀서들의 어레이로 이루어진 평면 안테나들이 사용될 수도 있다. 이들 안테나들은 소나 신호들의 송신을 수행한다. 그것들의 트랜스듀서들은 종종 Tonpilz 유형의 것인데, 그것은 그것들을 부피가 크고 무겁게 만든다. 구체적으로, 톤필즈 트랜스듀서들은 능동 소자 (즉, 안테나의 압전, 자기변형 또는 전기변형 재료) 가 후방, 지붕 및 밀봉된 하우징에서의 엄청난 질량과 같은 부피가 큰 기계적 부품들이 구비될 것을 요구한다. 또한, 이들 트랜스듀서들의 수중 동작은 정수압 보상 장치를 제공하는 것을 수반하고, 그 정수압 보상 장치 없이는 그것들의 수중 성능이 심각하게 저하된다. 이러한 안테나 아키텍처는 저-질량 견인된 객체 설계에 적합하지 않고 시스템의 다른 요소들을 오버사이징하는 것을 수반한다.
콤팩트함 및 중량의 관점에서, 콤팩트한 플렉스텐셔널 트랜스듀서들의 수직 어레이로 이루어진 안테나들과 같은 다른 아키텍처들이 바람직하다. 그러나, 이러한 유형의 안테나는, 그것들의 트랜스듀서들이 단일 공진이고, 성질상 고도로 과변형된 기계적 굽힘 모드에서 동작하기 때문에, 최근의 광대역 소나에 필요한 주파수 대역폭이 얻어지는 것을 허용하지 않는다. 따라서, 낮은 주파수들은 기계적 굽힘(mechanical flexion)의 사용을 통해 달성된다. 이 안테나는 시스템의 벌크(bulk) 및 질량을 감소시키기에 충분히 콤팩트하지만, 그것은 전달가능한 음향 파워 및 그에 따른 음향 레벨에 해로울 수도 있는 능동 재료의 부피를 최소화하는 단점을 갖는다. 이들 안테나들의 대역폭은 옥타브보다 훨씬 작게 유지되며, 옥타브는 폼 [f; 2f] 의 주파수 범위이다.
"슬롯형 실린더" 유형의 트랜스듀서들의 수직 어레이로 이루어진 안테나들은 또한 콤팩트하고 작은 질량의 안테나를 달성하기 위해 사용된다. 이러한 유형의 트랜스듀서는 또한 기계적 굽힘 시스템에 기초하며, 따라서 본질적으로 플렉스텐셔널 트랜스듀서들의 주파수 대역폭과 동등한 주파수 대역폭을 갖는다. 특허 US 9001623 에서는 견인체(towed body)로의 이들의 통합을 제안하고, 특허 US 8717849 에서는 이들의 변형을 제안하고 있다. 이러한 아키텍쳐는 콤팩트하고 경량인 안테나가 제조되도록 허용하지만, 능동 재료의 체적 및 주파수 대역의 면에서 제한되어 있다. 이를 극복하기 위해, 안테나는 길이방향으로 연장되지만, 음향 에너지는 그 후 감소된 체적의 유체에 포커싱되며, 이는 소나의 검출 성능을 감소시킬 수도 있다. 안테나의 길이 방향 연장은 또한, 특히 고속에서의 견인체의 항해 측면에서도 불리하다. 또한, 견인체에의 그것의 통합은 복잡하고 견인체의 질량을 증가시키며, 결과적으로, 작동 사용의 복잡성을 증가시킨다.
또한 송신 주파수 대역의 폭을 증가시키기 위해 FFR(free-flooded ring) 유형의 콤팩트한 광대역 트랜스듀서들의 수직 어레이로 구성된 안테나들을 사용하는 것이 또한 가능하다. 이러한 유형의 안테나는 표면 선박들에 의해 견인되는 소나 상에 존재할도 수 있다. 특허 FR 2776161 은 그것의 하나의 예를 제공한다. 이들 트랜스듀서들의 동작은 옥타브 차수의 대역폭들이 얻어질 수 있게 하는 2 개의 공진 모드들의 결합에 기초한다. 또한, 전체 질량에 대한 능동 재료의 비율이 매우 높고, 따라서, 사운드 레벨에 대해 유리한 고출력 송신을 달성하는 것이 가능하다. 그러나, 이들 안테나들은 복수의 옥타브들이 커버되는 것을 허용하지 않는다.
송신 대역폭과 사운드 레벨을 최적화하기 위해 적어도 두 개의 트랜스듀서들의 그룹들로 분할된 트랜스듀서들의 수직 어레이로 구성된 안테나들을 사용하는 것도 가능하다 (FR 3026569). 그러나, 이전과 같이, 복수의 옥타브들을 커버하는 것은 가능하지 않다.
유용한 대역폭을 증가시키기 위해, 상이한 사이즈들의 복수의 FFR 트랜스듀서들 조합하는 것이 가능하지만 (WO 2015/019116), 이는 질량의 증가를 초래하고, 따라서 파워 요건의 증가를 초래하며, 이는 시스템을 복잡하게 만든다. 특허 FR 2776161 의 안테나와 비교할 때, 질량 및 파워 요건은 2.5 내지 3 배 더 높다. 또한, 이 해결책은 상이한 트랜스듀서들 사이에 음향 상호작용들이 있고 더 큰 트랜스듀서들에 의해 음향적으로 마스킹되는 작은 트랜스듀서들의 효과가 관찰되기 때문에 음향 레벨에서 제한된다.
본 발명은 종래 기술의 전술된 결점들 및 제한들을 극복하는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 질량, 부피 및 파워 측면에서 종래와 유사한 치수를 유지하면서, 사운드 레벨에 악영향을 미치지 않으면서 넓은 주파수 대역을 갖는 음향 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명의 하나의 주제는 소나를 구비하도록 의도된 음향 안테나(acoustic antenna)로서, 그 안테나는 제 1 종축 주위에 센터링되고, 종축을 따라 적층된 적어도 하나의 트랜스듀서의 제 1 세트 및 적어도 2개의 트랜스듀서들의 제 2 세트를 적어도 포함하고, 각각의 트랜스듀서는 레이디얼(radial) 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 하나의 레이디얼 모드, 및 공동(cavity) 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 하나의 공동 모드를 적어도 가지고, 제 1 세트의 트랜스듀서들은 적어도 제 1 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수들과 공동 주파수들 사이에서 연장되는 제 1 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되고, 제 2 세트의 트랜스듀서들은 적어도 제 2 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수들과 공동 주파수들 사이에서 연장되는 제 2 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되며, 제 2 세트의 트랜스듀서의 공동 주파수는 제 1 세트의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 와 실질적으로 동일하고, fr1 은 제 1 세트의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수이고, fc1 은 제 1 세트의 트랜스듀서의 공동 주파수인 것을 특징으로 하는 음향 안테나이다.
본 발명의 몇몇 실시형태들에 따르면:
- 트랜스듀서들의 제 1 세트는 적어도 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 제 2 세트의 트랜스듀서들은 제 1 세트의 트랜스듀서들 사이에 배치된다;
- 제 2 세트의 트랜스듀서들은 서브-그룹들로 분할되고, 각각의 서브-그룹은 제 2 세트의 적어도 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 각각의 서브-그룹 사이의 간격은 하나의 동일한 서브-그룹의 2 개의 트랜스듀서들 사이의 간격 보다 더 크거나 같고, 각각의 서브-그룹은 그룹 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는다;
- 제 2 세트는 3 개의 서브-그룹들로 분할된 7 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 제 1 서브-그룹은 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 제 2 서브-그룹은 3 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 제 3 서브-그룹은 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 제 2 서브-그룹은 제 1 서브-그룹과 제 3 서브-그룹 사이에 배치된다;
- 적어도 하나의 서브 그룹의 그룹 공동 주파수는 제 1 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 과 동일하고, 적어도 하나의 다른 서브 그룹의 그룹 공동 주파수는 제 1 세트의 트랜스듀서들의 공동 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 과 동일하며, fr1 은 제 1 세트의 트랜스듀서의 레이디얼 주파수이고, fc1 은 제 1 세트의 트랜스듀서의 공동 주파수이다;
- 상기 음향 안테나는, 제 1 종축을 따라 적층되고, 제 2 세트의 트랜스듀서들을 둘러싸고, 제 2 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 0.1 x fr2 와 동일한, 유리하게는 제 2 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 0.05 x fr2 와 동일한, 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 레이디얼 모드를 가지고 또한 제 1 주파수 대역 내에서 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 가지는 수동 소자들(passive elements)을 포함하고, 여기서, fr2 는 제 2 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수이다;
- 상기 수동 소자들은, 제 2 세트의 트랜스듀서들을 형성하는 재료보다 수동 소자들의 재료의 E/ρ 비율이 더 높도록 하는 재료로 만들어지며, E 는 재료의 영률(Young's modulus)이고 ρ 는 재료의 밀도이다;
- 상기 수동 소자들은 제 2 세트의 트랜스듀서들의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 실린더들이다;
- 트랜스듀서들은 압전 세라믹으로 또는 자기변형 세라믹으로 또는 전기변형 세라믹으로 이루어진 FFR (free-flooded ring) 트랜스듀서들이다;
- 제 1 세트 및 제 2 세트의 트랜스듀서들은 원형, 사다리꼴 또는 다각형 단면을 갖는다;
- 상기 안테나는, 제 1 종축에 평행한 K 개의 종축들을 따라 적층된 적어도 2 개의 트랜스듀서들의 제 3 세트를 적어도 포함하고, K 는 1 보다 크고, 제 3 세트의 트랜스듀서들은, 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 하나의 레이디얼 모드, 및 제 2 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr2-fc2)/10 와 동일한, 공동 주파수로서 지칭되는, 공진 주파수를 갖는 하나의 공동 모드를 적어도 가지며, fr2 는 제 2 세트의 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수이고, fc2 는 제 2 세트의 트랜스듀서들의 공동 주파수이며, 제 3 세트의 트랜스듀서들은 적어도 그것들의 공동 주파수와 그것들의 레이디얼 주파수 사이에서 연장되는 제 3 연속 주파수 대역에서 음파를 송신하도록 구성되고, 제 3 주파수 대역은 제 1 및 제 2 주파수 대역들의 주파수들보다 더 높은 적어도 하나의 주파수를 가지고, 제 1, 제 2 및 제 3 주파수 대역들의 만남은 연속 주파수 대역을 형성한다;
- K 개의 종축은 제 1 종축과 일치한다;
- 상기 안테나는, 제 1 세트의 트랜스듀서들의 여기 신호와 제 2 세트의 트랜스듀서들의 적어도 서브-그룹의 여기 신호 사이에 제 1 위상 시프트를 도입하도록 배열된 제 1 위상 시프터를 적어도 포함한다;
- 상기 안테나는 추가로, 제 2 세트의 트랜스듀서들의 상이한 서브-그룹들의 여기 신호들 사이에 제 2 위상 시프트를 도입하도록 배열된 제 2 위상 시프터를 적어도 포함한다; 그리고
- 상기 안테나는, 동일한 유형의 트랜스듀서들의 N+1 그룹들, 및, 제 1 그룹의 트랜스듀서들의 여기 신호와 다른 그룹의 여기 신호 사이에 위상 시프트를 도입하도록 배열된 N 개의 위상-시프터들을 포함하고, N 은 1 보다 더 큰 정수이다.
본 발명의 다른 주제는 본 발명에 따른 음향 안테나를 교정하기 위한 방법이고, 그것이 다음과 같은 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다:
a. 동일한 유형의 트랜스듀서들의 제 1 그룹을 여기시키고 다른 트랜스듀서들을 단락시키는 단계;
b. 제 1 그룹의 트랜스듀서들에 의해 발생되는 압력파의 위상을 원역장 (far-field) 측정하는 단계;
c. 동일한 유형의 트랜스듀서들의 제 2 그룹을 여기시키고 다른 트랜스듀서들을 단락(shorting)시키는 단계;
d. 제 2 그룹의 트랜스듀서들에 의해 발생되는 압력파들의 위상을 원역장 측정하는 단계;
e. 단계 b 에서 얻은 위상과 단계 d 에서 얻은 위상 사이의 위상 차이를 계산하는 단계;
f. 제 2 그룹의 트랜스듀서들에 전송된 여기 신호에 단계 e 에서 계산된 차이와 동일한 위상 시프트를 도입하도록 위상 시프터를 조정하는 단계.
본 발명의 다른 특징들, 세부 사항들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 주어진 설명을 읽음으로써 명확해질 것이며, 첨부된 도면들은 예시적으로 주어진다.
- 도 1 은 제 1 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 2 는 제 2 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 3a, 3b 및 3c 는 각각 제 3, 제 4 및 제 5 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 4 는 제 6 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 5 는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 교정 방법을 나타낸다.
- 도 6a 는 도 6b 에 제시된 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 음향 안테나를 사용한 시뮬레이션들의 결과들을 나타낸다.
- 도 1 은 제 1 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 2 는 제 2 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 3a, 3b 및 3c 는 각각 제 3, 제 4 및 제 5 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 4 는 제 6 실시형태에 따른 음향 안테나를 나타낸다.
- 도 5 는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 교정 방법을 나타낸다.
- 도 6a 는 도 6b 에 제시된 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 음향 안테나를 사용한 시뮬레이션들의 결과들을 나타낸다.
설명 전체에서 "실린더(cylinder)" 라는 용어는 일반적인 의미에서 사용되며 발생기들이 평행인 규칙적인 표면, 즉, 평행선들로 이루어진 공간 내의 표면을 지칭한다. 도면들에 의해 예시된 실시형태들에서, 트랜스듀서들 및 수동 소자들은 환형, 즉, 회전 원통의 형상이다.
도 1 은 제 1 실시형태에 따른 음향 안테나(ANT)를 나타낸다. 안테나(ANT)는 제 1 종축(A1) 주위에 센터링되고, 적어도 2 개의 중공 원통형 트랜스듀서들(T1)의 제 1 세트 및 적어도 2 개의 중공 원통형 트랜스듀서들(T2)의 제 2 세트를 포함한다. 이 제 1 실시형태에서, 제 1 세트는 2 개의 트랜스듀서들(T1)을 포함하고, 제 2 세트는 7개의 트랜스듀서들(T2)을 포함한다. 원통형 트랜스듀서들(T1 및 T2)은 동일한 종축(A1) 주위에 형성된다. 트랜스듀서들(T2)은 트랜스듀서들(T1 및 T2) 사이에 어떠한 물리적 중첩도 없이 트랜스듀서들(T1) 사이에 배치된다. 이는 트랜스듀서들(T1)에 의한 트랜스듀서들(T2)의 마스킹과 같은 유해한 음향 상호작용들을 회피하는 것을 가능하게 한다. 각각의 트랜스듀서(T1, T2)는 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 레이디얼 모드, 및 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는다. 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)은 적어도 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수들과 레이디얼 주파수들 사이에서 연장되는 제 1 주파수 대역의 음파들을 송신하도록 구성되고, 제 2 세트의 트랜스듀서들(T2)은 적어도 트랜스듀서들(T2)의 공동 주파수들과 레이디얼 주파수들 사이에서 연장되는 제 2 주파수 대역의 음파들을 송신하도록 구성된다. 트랜스듀서들(T1 및 T2)은 상이한 물리적 치수들을 가지며, 특히 트랜스듀서들(T2)은 트랜스듀서들(T1)의 물리적 치수들보다 더 작은 물리적 치수들을 가져서, 제 2 세트의 트랜스듀서(T2)의 공동 주파수(fc2)는 제 1 세트의 트랜스듀서(T1)의 레이디얼 주파수(fr1)와 실질적으로 동일하며, 공차는 (fr1-fc1)/10 보다 더 크지 않고, 즉, fc2 = fr1 ± (fr1-fc1)/10 이며, 여기서, fc2 는 트랜스듀서(T1)의 공동 주파수이다. 이로 인해, 제 1 및 제 2 주파수 대역들의 주파수들을 포함하는 연속적인 송신 주파수 대역을 얻을 수 있다.
제 2 세트의 트랜스듀서들(T2)은 적어도 두 개의 트랜스듀서들을 포함하는 서브 그룹들로 분할될 수도 있다. 제 1 실시형태에서, 트랜스듀서들(T2)은 3개의 서브 그룹들(SG1, SG2, SG3)로 분할된다. 제 1 서브 그룹(SG1)은 2개의 트랜스듀서들(T2)을 포함하고, 제 2 서브 그룹(SG2)은 3개의 트랜스듀서들(T2)을 포함하고, 제 3 서브 그룹(SG3)은 2개의 트랜스듀서들(T2)을 포함한다. 서브 그룹(SG2)은 서브 그룹들(SG1 및 SG3) 사이에 배치된다. 각각의 서브-그룹 사이의 간격, 즉, 이 제 1 실시형태에 대한 서브-그룹들(SG1 및 SG2)과 서브-그룹들(SG2 및 SG3) 사이의 간격은 하나의 동일한 서브-그룹의 트랜스듀서들(T2) 사이의 간격보다 크거나 같다. 이것은 트랜스듀서들(T2)로 다수의 기능들을 수행할 수 있도록 한다.
각 서브 그룹(SG1, SG2, SG3)은 그룹 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는다. 구체적으로, 2개의 동일한 환형 트랜스듀서들이 그것들의 공동 모드들의 음향 파장에 대해 짧은 거리로 서로의 위에 배열될 때, 이들 모드들은 상호작용하고 그것들의 주파수는 감소한다(레이디얼 모드의 주파수는 영향을 받지 않음). 따라서, 트랜스듀서들(T2)은 동일한 물리적 치수들을 갖기 때문에, 서브-그룹의 그룹 공동 주파수를 변경하는 것을 가능하게 하는 것은 하나의 동일한 서브-그룹의 트랜스듀서들(T2) 사이의 간격들이다.
서브-그룹들 중 적어도 하나는 (fr1-fc1)/10 보다 크지 않은 공차를 갖는 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일한 그룹 공동 주파수를 가지며, 즉, fcg = fr1 ± (fr1-fc1)/10 이고, 여기서, fcg는 그룹 공동 주파수이고, fr1은 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수이며, fc1 은 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수이다. 서브-그룹들 중 적어도 하나의 다른 서브-그룹은 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수와 실질적으로 동일한 그룹 공동 주파수를 가지며, 즉, 그룹 공동 주파수는 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수 플러스 또는 마이너스(fr1-fc1)/10과 동일하다. 예를 들어, 이 제 1 실시형태에서, 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일한 그룹 공동 주파수를 갖는 것은 제 1 서브 그룹(SG1)의 그리고 제 3 서브 그룹(SG3)의 트랜스듀서들(T2)이고; 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수와 실질적으로 동일한 그룹 공동 주파수를 갖는 것은 제 2 서브 그룹(SG2)의 트랜스듀서들(T2)이다. 이 실시형태에서, 제 2 서브-그룹(SG2) 내의 트랜스듀서들(T2) 사이의 간격은 따라서 서브-그룹들(SG1 및 SG3) 내의 트랜스듀서들(T2) 사이의 간격보다 작다. 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수는 서브-그룹 내의 트랜스듀서들(T2)의 간격에 의해 영향을 받지 않는다. 트랜스듀서들의 볼륨 모드의 주파수를 조정하기 위해 트랜스듀서들 사이의 가변 축방향 간격의 사용은 상기 인용된 문헌 FR 3026569 로부터 알려져 있다.
서브-그룹(SG2)은 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수 부근에서 트랜스듀서들(T1)의 사운드 레벨을 증가시키는 것, 즉, 제 1 주파수 대역의 가장 낮은 주파수들에서의 송신을 부스팅하는 것을 가능하게 하는 한편, 서브-그룹들(SG1 및 SG3)의 트랜스듀서들(T2)은 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일한 하나의 동일한 공동 주파수를 가짐으로써 제 2 주파수 대역에서의 송신을 부스팅하는 것을 가능하게 한다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 음향 안테나(ANT)를 나타낸다. 음향 안테나(ANT)는 종축(A1) 주위로 센터링되고, 종축(A1)을 따라 적층된 2개의 세트의 트랜스듀서들(T1, T2)을 포함한다. 트랜스듀서들(T2)은 트랜스듀서들(T1, T2) 사이에 어떤 물리적인 중첩 없이 배치되고, 도 1 에 도시된 바와 같이 3 개의 서브 그룹들(SG1, SG2 및 SG3)로 분할된다. 서브 그룹들(SG1 및 SG3)의 그룹 공동 주파수는 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하고, 서브 그룹(SG2)의 그룹 공동 주파수는 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수와 실질적으로 동일하다. 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수 대역에서, 즉, 제 1 주파수 대역의 하위 경계에서 사운드 레벨을 부스팅하기 위해, 수동 소자들(P1)이 안테나(ANT)에 추가된다. 이들 수동 소자들(P1)은 종축(A1)을 따라 적층되고, 그것들은 제 2 세트의 트랜스듀서들(T2)을 둘러싸고, 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1) 사이에 배치된다. 그것들은 레이디얼 주파수로 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 레이디얼 모드와, 공동 주파수로 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는다. 수동 소자들(P1)은 실린더들, 보다 상세하게는 링들이다.
트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 모드와 간섭하지 않도록, 수동 소자들(P1)은 이 재료의 E/ρ 비가 제 2 세트의 트랜스듀서들(T2)을 형성하는 재료의 것보다 더 높도록 하는 재료로 만들어지며, 여기서, E 는 재료들의 영률(Young's modulus) 이고 ρ 는그것들의 밀도이다. 이는 또한 동일한 주파수에서 공진하는 레이디얼 모드를 가지면서 트랜스듀서들(T2)의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 수동 소자(P1)를 얻는 것을 가능하게 하는데, 즉, 수동 소자들(P1)의 레이디얼 주파수는 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하다. 소자들(P1)의 레이디얼 주파수는 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수의 플러스 또는 마이너스 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수의 10% 와 동일하며, 즉, frp1 = fr2 ± 0.1 x fr2이며, frp1은 수동 소자들(P1)의 레이디얼 주파수이고, fr2는 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수이다. 바람직하게는, frp1 = fr2 ± 0.05 x fr2 이다.
또한, 수동 소자들(P1)의 송신이 트랜스듀서들(T2)의 송신을 마스킹하는 것을 방지하기 위해, 수동 소자들(P1)의 레이디얼 주파수는 제 2 세트(SG2)의 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하고 수동 소자들(P1)의 공동 주파수는 제 1 주파수 대역 내에 있다.
수동 소자들(P1)의 여기는 트랜스듀서들(T1) 및 중앙 트랜스듀서들(T2), 즉, 이 실시형태에서 서브-그룹(SG2)의 트랜스듀서들(T2)에 의해 생성된 음장으로부터 온다.
다른 실시형태에 따르면, 수동 소자들(P1)의 공동 주파수는 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수와 실질적으로 동일하다. 이는 수동 소자들(P1)의 공동 주파수가 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수 플러스 또는 마이너스 (lcp1 + lc1)/2 와 동일하다는 것을 의미하며, 여기서, lcp1은 수동 소자들(P1)의 공동 모드의 최대치의 절반에서의 전체 폭이고 lc1 은 트랜스듀서들(T1)의 공동 모드의 최대치의 절방에서의 전체 폭이다. 이는 제 1 주파수 대역에서의 사운드 레벨이 보다 효과적으로 부스팅되도록 허용한다.
도 3a, 3b 및 3c 는 각각 제 3, 제 4 및 제 5 실시형태에 따른 음향 안테나(ANT)를 나타낸다. 이들 3 개의 실시형태들에서, 음향 안테나(ANT)는 제 1 종축(A1) 주위에 센터링되고, 3 세트의 트랜스듀서들(T1, T2 및 T3)을 포함한다. 트랜스듀서들(T1, T2)은 제 1 종축(A1)을 따라 적층되고, 트랜스듀서들(T3)은 축(A1)에 평행한 제 2 종축(A2)을 따라 적층된다. 수동 소자들(P1), 트랜스듀서들(T2 및 T1)은 도 2 에서와 동일한 방식으로 배열 및 치수화된다. 보다 구체적으로, 트랜스듀서(T2)의 공동 주파수는 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하며, 트랜스듀서들(T2)은 3개의 서브 그룹들(SG1, SG2 및 SG3)로 분할된다. 서브 그룹들(SG1 및 SG3)의 그룹 공동 주파수는 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하고, 서브 그룹(SG2)의 그룹 공동 주파수는 트랜스듀서들(T1)의 공동 주파수와 실질적으로 동일하다. 또한, 수동 소자들(P1)의 레이디얼 주파수는 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 0.1 x fr2, 바람직하게는 플러스 또는 마이너스 0.05 x fr2 와 동일하고, 여기서, fr2는 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수이고, 수동 소자들(P1)의 공동 주파수는 제 1 주파수 대역 내에 있다.
제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)은 제 1 및 제 2 주파수 대역들과는 상이한 제 3 연속 주파수 대역의 음파를 송신하도록 치수화된다. 트랜스듀서들(T3)은 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 레이디얼 모드, 및 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는다. 제 3 주파수 대역은 적어도 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)의 공동 주파수들과 레이디얼 주파수들 사이에서 연장된다. 또한, 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)의 공동 주파수는 제 2 세트의 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하다. 따라서, 트랜스듀서들(T3)의 공동 주파수는 트랜스듀서들(T2)의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr2 - fc2)/10 과 동일하며, 여기서, fr2는 트랜스듀서들(T2 및 fc2)의 레이디얼 주파수이고 fc2는 트랜스듀서들(T2)의 공동 주파수이다. 따라서, 제 1, 제 2 및 제 3 주파수 대역들의 조합은 3 옥타브를 커버하는 연속적인 주파수 대역을 얻는 것을 가능하게 한다. 이 제 3 주파수 대역은 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)의 치수화 덕분에 획득되며, 이는 트랜스듀서들(T1 및 T2)의 치수들보다 더 작은 물리적 치수들을 갖는다.
도 3a에 도시된 실시형태에서, 종축(A2)은 축(A1)과 상이하고, 따라서 트랜스듀서들(T3)은 트랜스듀서들(T1 및 T2)을 포함하는 구조물 옆에 배치된다. 이 실시형태는 트랜스듀서들(T1 및 T2)보다 작은 트랜스듀서들(T3)이 다른 트랜스듀서들을 심각하게 마스킹하지 않을 것이기 때문에 가능하다.
도 3b에 도시된 실시형태에서, 안테나(ANT)는 축(A1)에 평행하고 축(A1)과 별개인 2개의 종축들(A2 및 A3)을 따라 적층된 복수의 트랜스듀서들(T3)을 포함한다. 이는, 축들(A2 및 A3)을 따라 적층된 트랜스듀서들(T3)이 다른 트랜스듀서들과 교대로 동작하는 경우, 전방향성 음향 송신들을 생성할 수 있도록 하기 위해, 또는 모든 트랜스듀서들이 동시에 송신하는 경우, 지향성 지향성 음향 송신들을 생성할 수 있도록, 종축(A1)을 따라 보다 콤팩트한 안테나를 획득하고, 또한 트랜스듀서들(T1 및 T2)에 의한 트랜스듀서들(T3)의 마스킹 효과들을 극복할 수 있게 한다.
보다 일반적으로, 안테나(ANT)는 축(A1)에 평행한 K 개의 종축들을 따라 적층된 복수의 트랜스듀서들(T3)을 포함할 수도 있고, 여기서, K는 1보다 큰 정수이다. 다시 보다 일반적으로, 안테나(ANT)는 각각이 적어도 하나의 트랜스듀서를 포함하는 복수의 세트들의 트랜스듀서들(T2, T3, ..., TN)을 포함할 수도 있고, 각각의 세트의 트랜스듀서들은 트랜스듀서들(T1)이 적층되는 축(A1)에 평행한 K 개의 종축들을 따라 적층되고, N은 2보다 큰 정수이다.
도 3c에 도시된 실시형태에서, 종축(A2)은 축(A1)과 일치한다. 트랜스듀서들(T3)은 트랜스듀서들(T2) 사이, 특히 서브 그룹들(SG1 및 SG3) 사이에 배치되고, 서브 그룹(SG2)은 트랜스듀서들(T3)로 대체된다. 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3) 사이의 간격은 위에서 나타낸 바와 같이 트랜스듀서들(T1)에 대한 트랜스듀서들(T2)의 간격과 유사한 방식으로 정의된다. 예를 들어, 도면에서, 서브-그룹들(SG1 또는 SG3)의 트랜스듀서들과 트랜스듀서들(T3) 사이의 간격은 트랜스듀서들(T3) 사이의 간격보다 크고, 또한 하나의 동일한 서브-그룹의 트랜스듀서들(T2) 사이의 간격보다 크다.
보다 일반적으로, 트랜스듀서들(T3)의 세트의 방사상 벌크가 트랜스듀서들(T1)의 외경 플러스 또는 마이너스 10% 정도이도록 이들 K 축들이 포지셔닝될 때, 견인체 상에 설치하기에 적합한 콘팩트한 안테나가 얻어진다. 이것은 동시에 활성인 트랜스듀서들(T1, T2 및 T3)을 갖는 전방향성 및 지향성 방향성 음향 송신들 양자 두를 달성하는 것을 가능하게 한다. 다른 실시형태에서, K개의 종축들이 축(A1)과 일치하도록 하 것이 가능하다. 이러한 구성은, 예를 들어, 고정 설치에 사용될 수도 있다.
또한, 트랜스듀서들(T2)의 사운드 레벨을 부스팅하기 위해, 수동 소자들(P2)이 또한 존재할 수도 있다. 이들 수동 소자들(P2)은 종축(A1)을 따라 적층되고 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)을 둘러싼다. 수동 소자들(P1)은 도 3c에 도시된 바와 같이 수동 소자들(P2)을 둘러쌀 수도 있다. 수동 소자들(P2)은 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 레이디얼 모드, 및 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는다. 수동 소자들(P2)의 레이디얼 주파수는 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)의 레이디얼 주파수와 실질적으로 동일하고, 수동 소자들(P2)의 공동 주파수는 제 2 주파수 대역 내에 있다. 상기와 동일한 방식으로, 이것은 수동 소자들(P2)의 레이디얼 주파수가 트랜스듀서들(T3)의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 0.1 x fr3 그리고 바람직하게는 플러스 또는 마이너스 0.05 x fr3 와 동일하고, 여기서, fr3는 트랜스듀서들(T3)의 레이디얼 주파수이다. 또한, 수동 소자들(P1)과 동일한 방식으로, 그 주위에 포지셔닝되는 트랜스듀서들(T3)의 레이디얼 모드와 간섭하지 않도록, 수동 소자들(P2)은 그 재료의 E/ρ 비가 트랜스듀서들(T3)을 형성하는 재료의 것보다 더 높도록 하는 재료로 만들어지며, 여기서, E 는 재료의 영률(Young's modulus)이고, ρ 는 재료들의 밀도이다.
다른 실시형태에 따르면, 트랜스듀서들(T1, T2)과 마찬가지로, 제 3 주파수 대역의 하위 부분에서 사운드 레벨을 부스팅하기 위해 트랜스듀서들(T3)을 서브-그룹들로 분할하는 것도 가능하다.
보다 일반적으로, 재귀적 구조(recursive structure)를 갖는 음향 안테나를 제조하는 것이 가능하다. 트랜스듀서들은 세트 i + 1의 트랜스듀서의 저주파수 모드, 즉, 공동 모드가 세트 i의 트랜스듀서의 고주파수 모드, 즉 레이디얼 모드 상에 중첩되도록 치수화된다.
트랜스듀서들이 싱글 모드인 경우에, 세트 i + 1의 트랜스듀서의 송신 주파수 대역의 하단을 세트 i의 트랜스듀서의 송신 주파수 대역의 상단과 일치시킴으로써 동일한 원리가 이용될 수도 있다.
트랜스듀서들이 멀티모드인 경우에, 듀얼 모드 트랜스듀서들, 즉, 공동 모드 및 레디얼 모드를 갖는 트랜스듀서와 동일한 원리를 이용하여, 세트 i의 트랜스듀서들 중 가장 높은 공진 주파수를 세트 i + 1의 트랜스듀서들 중 가장 낮은 공진 주파수와 일치시키는 것이 가능하다.
또한, 트랜스듀서들은 하위 주파수에서 동작하는 적어도 두 개의 트랜스듀서들 사이에 상위 주파수에서 동작하는 트랜스듀서들이 삽입되도록 배치된다.
보다 일반적으로, 수동 소자들(P1 및 P2)의 수는 N과 동일하고, N은 1보다 큰 자연수이다. 각각의 세트 또는 서브-그룹은 1보다 큰 정수인 수 M의 트랜스듀서들을 포함할 수도 있다. 따라서, 음향 안테나는 예를 들어, 각각, 예를 들어, 트랜스듀서들(T2 및/또는 T3)의 세트를 둘러싸는 3개의 트랜스듀서들(T1)을 포함할 수도 있다. 또한, 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)은 트랜스듀서들(T1)의 것보다 낮은 송신 주파수 대역을 갖는 트랜스듀서들의 다른 세트의 2개의 트랜스듀서들 사이에 배치될 수 있을 것이다. 또한, 안테나는 적어도 2 개의 트랜스듀서들의 서브-그룹들로 분할된 복수의 트랜스듀서들(T1)을 포함할 수도 있다.
도 4 는 제 6 실시형태에 따른 음향 안테나(ANT)를 나타낸다. 안테나(ANT)의 물리적 치수들 및 안테나(ANT)에 포함된 모든 트랜스듀서들 (T1, T2) 또는 (T1, T2, T3) 에 의해 커버되는 주파수 대역의 범위는 파괴적인 간섭이 주파수 대역의 특정 주파수들에 대해 나타나게 하여, 안테나의 주파수 대역에서 "갭들(gaps)"을 초래할 수도 있다. 이것은 이들 상이한 "서브-안테나들"을 형성하는 트랜스듀서들의 여기 신호들을 적절하게 위상-시프팅함으로써 회피될 수 있으며, 이 신호들은 유리하게는 단일의 발생기(G)로부터 나온다. 도 4의 실시형태에서, 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)은 기준으로서 기능하고, 발생기(G)에 직접 연결되고; 서브-그룹들(SG1 및 SG3)의 트랜스듀서들(T2)은 이들 트랜스듀서들에 의해 수신된 여기 신호들에 위상 차이(Δφ1)를 적용하도록 구성된 제 1 위상-시프터(D1)를 통해 발생기(G)에 연결되고; 서브-그룹(SG2)의 트랜스듀서들(T2)은 이들 트랜스듀서들에 의해 수신된 여기 신호들에 위상 차이(Δφ2)를 적용하도록 구성된 제 2 위상-시프터(D2)를 통해 발생기(G)에 연결된다.
다른 실시형태에 따르면, 안테나(ANT)는 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)에 전송된 여기 신호들에 대해 제 2 세트의 트랜스듀서들(T2) 모두에 전송된 여기 신호들에 위상 차이를 적용하도록 구성된 오직 하나의 위상-시프터를 포함한다.
마찬가지로, 안테나(ANT)는 제 2 세트의 트랜스듀서들(T2)에 전송된 여기 신호들에 대해 제 3 세트의 트랜스듀서들(T3)에 전송된 여기 신호들에 위상 차이를 적용하도록 구성된 제 3 위상 시프터를 포함할 수도 있다.
보다 일반적으로, 임의의 세트 또는 서브-그룹의 트랜스듀서들을 기준으로서 취하고 그 다음에 위상 시프터를 추가하여 기준 세트 또는 서브-그룹에 대해 다른 트랜스듀서들을 위상 시프팅하는 것이 가능하다.
다른 실시형태에 따르면, 위상-시프터들은 조정가능하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 트랜스듀서들(T1, T2, T3)은 "프리-플러디드 링 (free-flooded ring)" (FFR) 트랜스듀서들이다. 보다 구체적으로, 압전 세라믹(piezoelectric ceramic)으로 또는 자기변형 세라믹(magnetostrictive ceramic)으로 또는 전기변형 세라믹(electrostrictive ceramic)으로 만들어진다. 트랜스듀서들은 또한 단결정 또는 텍스쳐드 세라믹과 같은 압전 세라믹을 위한 혼합물로부터 유도된 재료들, 또는 전기역동성과 같은 상이한 원리들에 기초한 재료들로 만들어질 수도 있다.
다른 실시형태에 따르면, 트랜스듀서들(T1, T2, T3)은 원형, 사다리꼴 또는 다각형 단면을 갖는다. 트랜스듀서의 직경은 그것의 단면 내의 세그먼트의 가장 긴 길이에 의해 정의된다.
다른 실시형태에 따르면, 더 많은 송신 파워 및 지향성 송신을 획득하기 위해 본 발명에 따라 생성된 적어도 2개의 안테나들(ANT)을 서로 인접하게 배치하는 것이 가능하고, 이는 특히 지향성 또는 전방향성 송신에서 사운드 레벨을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 음향 안테나의 교정 방법을 나타낸다. 제 1 단계에서, 동일한 유형의 트랜스듀서들의 제 1 그룹이 여기되고, 다른 트랜스듀서들은 단락된다. 다음 단계 b 에서는, 원역장에서 제 1 그룹의 트랜스듀서들에 의해 발생된 압력파들의 위상이 측정된다. 다음 단계 c 에서, 동일한 유형의 트랜스듀서들의 제 2 그룹이 여기되고, 다른 트랜스듀서들은 단락된다. 단계 d 에서, 원역장에서 제 2 그룹의 트랜스듀서들에 의해 발생된 압력파들의 위상이 측정된다. 단계 e 는 단계들 b 및 d 로부터의 측정들 사이의 위상 차이를 계산하는 것으로 이루어진다. 마지막으로, 단계 f 에서, 위상-시프터는, 단계 e 에서 계산된 위상 차이와 동일한 위상 시프트를 제 2 그룹의 트랜스듀서들에 전송된 여기 신호에 도입하도록 조정된다.
예를 들어, 트랜스듀서들의 제 1 그룹은 트랜스듀서들(T1)의 제 1 세트이고, 제 2 그룹은 트랜스듀서들(T2)의 제 2 세트이다. 따라서, 도 4 에서 존재하는 위상 시프터(D1)를 사용하여, 이들 두 그룹들의 트랜스듀서들로 계산된 위상 차이와 동일한 위상 시프트(phase shift)를 도입하는 것이 가능할 것이다.
다른 예에서, 트랜스듀서들의 제 1 그룹은 제 1 세트의 트랜스듀서들(T1)을 포함하고, 트랜스듀서들의 제 2 그룹은 서브 그룹(SG2)의 트랜스듀서들(T2)을 포함한다. 따라서, 도 4 에서 존재하는 위상-시프터(D2)는 이들 두 그룹들의 트랜스듀서들로 계산된 위상 차이와 동일한 위상 시프트를 도입하기 위해 사용될 수 있을 것이다.
도 6a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 음향 안테나, 특히 주파수의 함수로서 송신 사운드 레벨을 이용한 시뮬레이션들의 결과들을 나타낸다. 도 6b 에서 제시된 이 실시형태에서, 음향 안테나(ANT)는 제 1 세트에 속하는 2개의 트랜스듀서들(T1) 및 제 2 세트에 속하는 4개의 트랜스듀서들(T2)을 포함한다. 트랜스듀서들(T2)은 서브 그룹들로 분할되지 않는다. 음향 안테나의 다수의 구성들이 연구된다. 제 1 구성(configuration)에서, 오직 트랜스듀서들(T1)만이 활성이고 음파들을 송신한다. 제 2 구성에서, 오직 트랜스듀서들(T2)만이 활성이고 음파들을 송신하며, 제 3 구성에서, 트랜스듀서들(T1 및 T2)은 모두 활성이고 음파들을 송신한다. 구성들 1 내지 3 은 위상-시프터들을 사용하지 않고 생성된다. 구성 4 에서, 트랜스듀서들(T1 및 T2)은 모두 활성이고, 위상-시프터들은 도 5 에서 설명된 교정 방법을 적용하기 위해 사용된다.
구성 1 은 회색 파선-점선 곡선으로, 구성 2 는 회색 파선 곡선으로, 구성 3 은 검은색 파선 곡선으로, 구성 4 는 검은색 실선 곡선으로 표시된다. 마지막으로, 실선 회색 곡선은 소망되는 최대 사운드 레벨을 나타낸다. 제 1 세트 및 제 2 세트의 트랜스듀서들이 동시에 활성이 아닌 경우에, 2 옥타브의 연속적인 주파수 대역에 걸쳐 충분한 사운드 레벨(즉, 소망되는 사운드 레벨에 대해 -3 dB)을 갖는 음향 송신을 획득하는 것이 가능하지 않다는 것을 명백히 알 수 있다.
트랜스듀서들의 양 세트들 모두가 동시에 활성화될 때(구성 3), 2 옥타브들에 걸친 송신 사운드 레벨이 증가되지만, 특정 주파수들에서 그것은 소망되는 사운드 레벨 아래로 3 dB 초과이기 때문에 여전히 불충분하다. 구성 4 에서의 교정 방법(calibration method)에 따라 위상-시프터들을 사용하면, 원하는 최대 레벨에 대하여 -3dB보다 더 크기 때문에, 충분한 사운드 레벨을 갖는 적어도 2옥타브의 연속 송신 주파수 대역을 얻을 수 있다.
본 명세서에서 그 사용이 가변-깊이 소나 견인체에 포함되도록 의도되지만, 그럼에도 불구하고 본 발명에 따른 음향 안테나는 돔에 의한 보호의 설치를 받는 임의의 캐리어 상에 설치될 수도 있다. 고정 스테이션 상에서의 사용이 또한 가능하고, 그러면 어떤 특별한 보호를 필요로 하지 않는다.
Claims (16)
- 소나를 구비하도록 의도된 음향 안테나(ANT)로서,
상기 안테나는 제 1 종축(A1) 주위에 센터링되고, 상기 종축을 따라 적층된 적어도 하나의 트랜스듀서(T1)의 제 1 세트 및 적어도 2개의 트랜스듀서들(T2)의 제 2 세트를 적어도 포함하고, 각각의 트랜스듀서는 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 하나의 레이디얼 모드, 및 공동 (cavity) 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 하나의 공동 모드를 적어도 가지고, 상기 제 1 세트의 트랜스듀서들은 적어도 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수들과 공동 주파수들 사이에서 연장되는 제 1 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되고, 상기 제 2 세트의 트랜스듀서들은 적어도 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수들과 공동 주파수들 사이에서 연장되는 제 2 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되며, 상기 제 2 세트의 트랜스듀서의 상기 공동 주파수는 상기 제 1 세트의 트랜스듀서의 상기 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 와 실질적으로 동일하고, fr1 은 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서의 상기 레이디얼 주파수이고, fc1 은 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서의 상기 공동 주파수이며, 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들은 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서들 사이에 배치되고, 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들 사이에는 상기 제 1 세트의 아무런 트랜스듀서도 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 음향 안테나. - 제 1 항에 있어서,
트랜스듀서들의 상기 제 1 세트는 적어도 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들은 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서들 사이에 배치되는, 음향 안테나. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들은 서브-그룹들로 분할되고, 각각의 서브-그룹은 상기 제 2 세트의 적어도 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 각각의 서브-그룹 사이의 간격은 하나의 동일한 서브-그룹의 2 개의 트랜스듀서들 사이의 간격 보다 더 크거나 같고, 각각의 서브-그룹은 그룹 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 갖는, 음향 안테나. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 세트는 3 개의 서브-그룹들로 분할된 7 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 상기 제 1 서브-그룹 (SG1) 은 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 상기 제 2 서브-그룹 (SG2) 은 3 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 제 3 서브-그룹 (SG3) 은 2 개의 트랜스듀서들을 포함하고, 상기 제 2 서브-그룹은 상기 제 1 서브-그룹과 상기 제 3 서브-그룹 사이에 배치되는, 음향 안테나. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
적어도 하나의 서브 그룹의 상기 그룹 공동 주파수는 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 과 동일하고, 적어도 하나의 다른 서브 그룹의 상기 그룹 공동 주파수는 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서들의 상기 공동 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr1-fc1)/10 과 동일하며, fr1 은 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서의 상기 레이디얼 주파수이고, fc1 은 상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서의 상기 공동 주파수인, 음향 안테나. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음향 안테나는, 상기 제 1 종축을 따라 적층되고, 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들을 둘러싸고, 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 0.1 x fr2 와 동일한, 유리하게는 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 0.05 x fr2 와 동일한, 상기 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 레이디얼 모드를 가지고 또한 상기 제 1 주파수 대역 내에서 상기 공동 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 적어도 하나의 공동 모드를 가지는 수동 소자들 (P1) 을 포함하고, fr2 는 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 상기 레이디얼 주파수인, 음향 안테나. - 제 6 항에 있어서,
상기 수동 소자들은, 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들을 형성하는 재료보다 상기 수동 소자들의 재료의 E/ρ 비율이 더 높도록 하는 재료로 만들어지며, E 는 재료의 영률 (Young's modulus) 이고 ρ 는 재료들의 밀도인, 음향 안테나. - 제 7 항에 있어서,
상기 수동 소자들은 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 실린더들인, 음향 안테나. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜스듀서들은 압전 세라믹으로 또는 자기변형 세라믹으로 또는 전기변형 세라믹으로 이루어진 FFR (free-flooded ring) 트랜스듀서들인, 음향 안테나. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 트랜스듀서들 및 상기 제 2 세트의 트랜스듀서들은 원형, 사다리꼴 또는 다각형 단면을 갖는, 음향 안테나. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음향 안테나는, 상기 제 1 종축(A1)에 평행한 K 개의 종축들(A2, A3)을 따라 적층된 적어도 2 개의 트랜스듀서들(T3)의 제 3 세트를 적어도 포함하고, 상기 K 는 1 보다 크고, 상기 제 3 세트의 상기 트랜스듀서들은, 상기 레이디얼 주파수로서 지칭되는 공진 주파수를 갖는 하나의 레이디얼 모드, 및 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 상기 레이디얼 주파수 플러스 또는 마이너스 (fr2-fc2)/10 와 동일한, 상기 공동 주파수로서 지칭되는, 공진 주파수를 갖는 하나의 공동 모드를 적어도 가지며, fr2 는 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 상기 레이디얼 주파수이고, fc2 는 상기 제 2 세트의 상기 트랜스듀서들의 상기 공동 주파수이며, 상기 제 3 세트의 상기 트랜스듀서들은 적어도 그것들의 공동 주파수와 그것들의 레이디얼 주파수 사이에서 연장되는 제 3 연속 주파수 대역에서 음파들을 송신하도록 구성되고, 상기 제 3 주파수 대역은 상기 제 1 및 제 2 주파수 대역들의 주파수들보다 더 높은 적어도 하나의 주파수를 가지고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 주파수 대역들의 만남은 연속 주파수 대역을 형성하는, 음향 안테나. - 제 11 항에 있어서,
상기 K 개의 종축들은 상기 제 1 종축과 일치하는, 음향 안테나. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 상기 트랜스듀서들의 여기 신호와 상기 제 2 세트의 트랜스듀서들의 적어도 서브-그룹의 여기 신호 사이에 제 1 위상 시프트 (Δφ1) 를 도입하도록 배열된 제 1 위상 시프터 (D1) 를 적어도 포함하는, 음향 안테나. - 제 13 항에 있어서,
추가로, 상기 제 2 세트의 트랜스듀서들의 상이한 서브-그룹들의 여기 신호들 사이에 제 2 위상 시프트(Δφ2)를 도입하도록 배열된 제 2 위상 시프터(D2)를 적어도 포함하는, 음향 안테나. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음향 안테나는, 동일한 유형의 트랜스듀서들의 N+1 그룹들, 및, 제 1 그룹의 트랜스듀서들의 여기 신호와 다른 그룹의 여기 신호 사이에 위상 시프트를 도입하도록 배열된 N 개의 위상-시프터들을 포함하고, N 은 1 보다 더 큰 정수인, 음향 안테나. - 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 음향 안테나를 교정하기 위한 방법으로서,
하기 단계들:
a. 동일한 유형의 트랜스듀서들의 제 1 그룹을 여기시키고 다른 트랜스듀서들을 단락시키는 단계;
b. 상기 제 1 그룹의 상기 트랜스듀서들에 의해 발생되는 압력파들의 위상을 원역장 (far-field) 측정하는 단계;
c. 동일한 유형의 트랜스듀서들의 제 2 그룹을 여기시키고 다른 트랜스듀서들을 단락시키는 단계;
d. 상기 제 2 그룹의 상기 트랜스듀서들에 의해 발생되는 압력파들의 위상을 원역장 측정하는 단계;
e. 단계 b 에서 얻은 위상과 단계 d 에서 얻은 위상 사이의 위상 차이를 계산하는 단계;
f. 상기 제 2 그룹의 상기 트랜스듀서들에 전송된 여기 신호에 단계 e 에서 계산된 상기 차이와 동일한 위상 시프트를 도입하도록 위상 시프터를 조정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 안테나를 교정하기 위한 방법.
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