KR20220096677A - Meta-surface for energy absorbtion - Google Patents

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KR20220096677A KR1020200189332A KR20200189332A KR20220096677A KR 20220096677 A KR20220096677 A KR 20220096677A KR 1020200189332 A KR1020200189332 A KR 1020200189332A KR 20200189332 A KR20200189332 A KR 20200189332A KR 20220096677 A KR20220096677 A KR 20220096677A
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승홍민
하종문
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한국표준과학연구원
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Abstract

A meta-surface for acoustic energy dissipation according to the present invention is a meta-surface including a first dissipation layer including a plurality of identical unit cells arranged in one direction, wherein n (n is a natural number equal to or greater than 4) concave portions having different depths are formed with the same width at equal intervals in the one direction on one surface in each of the plurality of unit cells, and acoustic waves entering the one surface in the direction perpendicular to the one direction propagate within the first dissipation layer.

Description

음향에너지 소산을 위한 메타표면{META-SURFACE FOR ENERGY ABSORBTION}META-SURFACE FOR ENERGY ABSORBTION

본 발명은 음향에너지 소산을 위한 메타표면에 관한 것으로 보다 상세하게는 입사한 음향파가 표면에서 다중 반사됨으로써 음향에너지를 소산시키는 메타표면에 관한 것이다.The present invention relates to a metasurface for dissipating acoustic energy, and more particularly, to a metasurface that dissipates acoustic energy by multiple reflections of incident acoustic waves from a surface.

메타물질은 주기적인 인공구조물을 이용하여 영(0) 굴절률 및 음의 굴절률과 같은 자연 물질이 가지기 어려운 파동 특성을 구현하는 것이다. 과거에는 전자기 분야에서 활발했던 메타물질의 연구가 최근 음향 분야로 빠르게 이동하면서 음향파(acoustic wave)의 파동 특성을 이용한 음향 메타 물질에 대한 연구가 활발해지고 있다. 예를 들어 소리를 파장보다 작은 영역에 극소적으로 집중시키거나, 진행경로를 자유자재로 바꾸거나, 음파 및 초음파 이미징 화질을 개선하는데 음향 메타 물질이 이용될 수 있다. 이를 위해서는 파장보다 작은 구조체를 주기적인 배열을 통해 탄성률, 밀도, 굴절률을 자유자재로 조절하는 인공 구조체 설계 기술이 필수적이다.Metamaterials use periodic artificial structures to implement wave characteristics that are difficult to have in natural materials, such as zero (0) refractive index and negative refractive index. As the study of metamaterials, which was active in the electromagnetic field in the past, is rapidly moving to the acoustic field, research on acoustic metamaterials using the wave characteristics of acoustic waves is becoming active. For example, acoustic metamaterials can be used to microscopically focus sound in a region smaller than a wavelength, freely change the path of travel, or improve sound wave and ultrasound imaging quality. For this, artificial structure design technology that freely adjusts the elastic modulus, density, and refractive index through periodic arrangement of structures smaller than the wavelength is essential.

최근에는 2차원 박막 위에 물리적인 원리를 통해 설계된 단위 구조들을 배열하여 만들어지는 메타표면(meta surface) 구조들에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 음향파의 탐지 신호에 대항하는 은폐 기술, 즉 스텔스(stealth) 기능을 갖는 메타표면의 개발이 요구된다.Recently, research on meta-surface structures made by arranging unit structures designed based on physical principles on a two-dimensional thin film has been conducted, and a concealment technology against the detection signal of acoustic waves, that is, stealth ), the development of metasurfaces with functionalities is required.

본 발명은 입사된 음향파가 입사 표면 내에서 다중 반사되는 물리적 구조를 가지는 메타표면으로서 입사된 매질로 반사되는 음향에너지의 양을 줄이는 음향에너지 소산을 위한 메타표면을 제공한다.The present invention provides a metasurface for dissipating acoustic energy that reduces the amount of acoustic energy reflected to an incident medium as a metasurface having a physical structure in which an incident acoustic wave is multi-reflected within an incident surface.

본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면은, 일 방향으로 배열되는 동일한 단위 셀을 복수 개 포함하는 제1 소산층을 포함하는 메타표면에 있어서, 상기 복수의 단위 셀 각각은 일면에 상기 일 방향으로 서로 다른 깊이를 갖는 n(n은 4 이상인 자연수)개의 오목부가 동일한 폭 및 동일한 이격 간격으로 형성되고, 상기 일 방향과 수직한 방향으로 상기 일면에 입사되는 음향파가 상기 제1 소산층 내에서 진행한다. The metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention is the metasurface including a first dissipation layer including a plurality of identical unit cells arranged in one direction, wherein each of the plurality of unit cells has one surface n (n is a natural number equal to or greater than 4) concave portions having different depths in the one direction are formed with the same width and the same spacing, and the acoustic wave incident on the one surface in a direction perpendicular to the first direction is applied to the first It proceeds within the dissipation layer.

또한, 상기 단위 셀의 배열 주기는, 상기 일 방향과 수직한 방향으로 상기 일면에 입사되는 음향파가 상기 일 방향과 수직한 방향에 따른 직선에 대해 85° 내지 95°사이에서 어느 하나의 각도를 가지고 상기 제1 소산층 내에서 진행하도록 설정된다. In addition, the arrangement period of the unit cells is, the acoustic wave incident on the one surface in a direction perpendicular to the one direction is any one angle between 85 ° to 95 ° with respect to a straight line in a direction perpendicular to the one direction. and set to proceed within the first dissipation layer.

또한, 상기 n(n은 4 이상인 자연수)은, 상기 음향파가 상기 제1 소산층 내에서 진행하는 소정의 시간에 따라 설정된다. In addition, the n (n is a natural number equal to or greater than 4) is set according to a predetermined time during which the acoustic wave travels in the first dissipation layer.

또한, 상기 n개의 오목부의 서로 다른 깊이 각각은, 상기 제1 소산층의 일면으로 입사되고 상기 제1 소산층 내에서 진행하는 음향파가 등간격의 위상 구배를 갖도록 설정된다. In addition, different depths of the n concave portions are set so that acoustic waves incident on one surface of the first dissipation layer and propagating in the first dissipation layer have a phase gradient at equal intervals.

또한, 상기 제1 소산층에 적층되는 제2 소산층을 더 포함하고, 상기 제2 소산층은 상기 일 방향으로 반복 배열되는 상기 n개의 오목부의 형상과 대응되는 볼록부가 연속적으로 형성된 일면과 상기 메타표면의 외면이 되는 이면을 포함한다. In addition, it further comprises a second dissipation layer laminated on the first dissipation layer, wherein the second dissipation layer is a surface and the meta It includes a back surface that becomes the outer surface of the surface.

또한, 상기 메타표면은 상기 음향파가 상기 메타표면으로 입사되기 전에 진행되는 유체 매질에서 운행되는 이동 수단의 표면과 결합하고, 상기 단위 셀의 이면으로 형성되는 상기 제1 소산층의 이면이 상기 이동 수단의 표면과 결합된다. In addition, the meta surface is coupled to the surface of the moving means running in the fluid medium that proceeds before the acoustic wave is incident on the meta surface, and the rear surface of the first dissipation layer formed as the rear surface of the unit cell moves combined with the surface of the means.

또한, 상기 제2 소산층은 상기 유체 매질의 음향 임피던스와 유사한 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 가공된다. Further, the second dissipation layer is fabricated from one material selected from among materials similar to the acoustic impedance of the fluid medium.

또한, 상기 유체 매질이 물인 경우, 상기 하나의 재료는 PDMS이다. Also, when the fluid medium is water, the one material is PDMS.

또한, 상기 제1 소산층은, 상기 유체 매질의 음향 임피던스와 차이가 나는 재료 또는 상기 이동 수단의 음향 임피던스와 유사한 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 가공된다. In addition, the first dissipation layer is made of one material selected from a material different from the acoustic impedance of the fluid medium or a material similar to the acoustic impedance of the moving means.

본 발명에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면은, 입사된 음향파가 입사 표면 내에서 다중 반사되는 물리적 구조를 가짐으로써 입사된 매질로 반사되는 음향파의 에너지를 양을 확연히 줄임으로써 상기 메타표면이 형성된 이동 수단을 음향파 탐지 신호에 대해 은폐시킬 수 있다.The metasurface for dissipation of acoustic energy according to the present invention has a physical structure in which the incident acoustic wave is multi-reflected within the incident surface, thereby significantly reducing the amount of energy of the acoustic wave reflected to the incident medium, so that the metasurface is The formed moving means may be concealed from the acoustic wave detection signal.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제1 소산층의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제1 소산층의 단면도이다.
도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제1 소산층의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제1 소산층의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 7은 오목부의 깊이에 따른 반사파의 위상 차를 도시한 그래프에서 오목부의 깊이를 도출하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제2 소산층의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제2 소산층의 단면도이다.
도 10은 도 9의 B부분의 확대도이다. 1 is a cross-sectional view of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a first dissipation layer of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a first dissipation layer of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention.
4 is an enlarged view of part A of FIG. 3 .
5 is a view for explaining the principle of designing a unit cell of the first dissipation layer of the metasurface for acoustic energy dissipation according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining the principle of designing a unit cell of the first dissipation layer of the metasurface for acoustic energy dissipation according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a process of deriving a depth of a concave portion from a graph illustrating a phase difference of a reflected wave according to a depth of the concave portion.
8 is a perspective view of a second dissipation layer of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view of a second dissipation layer of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an enlarged view of part B of FIG. 9 .

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서 사용되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.The terms used in this specification are terms defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

아울러, 아래에 개시된 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시 예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.In addition, the embodiments disclosed below do not limit the scope of the present invention, but are merely exemplary matters of the components presented in the claims of the present invention, and are included in the technical spirit throughout the specification of the present invention and the scope of the claims. Embodiments including substitutable components as equivalents in components may be included in the scope of the present invention.

그리고 아래에 개시된 실시 예에서의 “제1”, “제2”, “일면”, “타면” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.And in the embodiments disclosed below, terms such as “first”, “second”, “one side”, and “other side” are used to distinguish one component from other components, and the component is the term are not limited by Hereinafter, in describing the present invention, detailed description of known techniques that may obscure the gist of the present invention will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면(1000)은 제1 소산층(100) 및 제2 소산층(200)을 포함하고, 제1 소산층(100)은 음향파에 대한 입사 측에 해당하는 면에 서로 다른 깊이의 오목부가 형성된 단위 셀의 일면을 반복 배열하여 입사된 음향파가 제1 소산층 내에서 진행되어 상기 면에서 다중 반사되면서 음향 에너지를 소산시키고, 제1 소산층의 음향파에 대한 입사 측에 해당하는 면에 적층되는 제2 소산층(200)은 입사하는 음향파 및 되돌아가는 음향파의 에너지를 소산시킨다. 이로써 메타표면(1000)은, 제1 소산층에 의한 음향 에너지 소산량에 제2 소산층에 의한 음향 에너지 소산량을 더하여, 메타표면(1000)으로 입사되기 전의 유체 매질로 되돌아가는 음향파의 많은 양의 에너지를 메타표면 내에서 소산되게 함으로써 메타표면(1000)이 형성된 이동 수단을 음향파 탐지 신호에 대해 은폐시킬 수 있다.Referring to FIG. 1 , a metasurface 1000 for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention includes a first dissipation layer 100 and a second dissipation layer 200 , and a first dissipation layer 100 . ) is by repeatedly arranging one surface of the unit cell in which concave portions of different depths are formed on the surface corresponding to the incident side to the acoustic wave. The second dissipation layer 200 which is dissipated and laminated on the surface corresponding to the incident side of the acoustic wave of the first dissipation layer dissipates the energy of the incident acoustic wave and the returning acoustic wave. As a result, the metasurface 1000 adds the amount of acoustic energy dissipated by the first dissipation layer to the amount of acoustic energy dissipated by the second dissipation layer, and the amount of acoustic waves returning to the fluid medium before being incident on the metasurface 1000 is By allowing positive energy to be dissipated within the metasurface, the moving means on which the metasurface 1000 is formed can be concealed from the acoustic wave detection signal.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제1 소산층의 사시도 및 단면도이다. 도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다. 2 and 3 are perspective and cross-sectional views of a first dissipation layer of a metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention. 4 is an enlarged view of part A of FIG. 3 .

도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 소산층(100)은 복수 개의 동일한 단위 셀(110)을 포함한다. 제1 소산층(100)에서, 복수의 단위 셀(110)은 일 방향(도시된 X축 방향)으로 배열된다. 단위 셀(110)은 일면에 x축 방향으로 서로 다른 깊이를 갖는 적어도 4개 이상인 개수의 오목부가 동일한 폭 및 동일한 이격 간격으로 형성된다. 이 때, 적어도 4개 이상인 개수를 n이라 하고, n은 4 이상인 자연수 중에서 하나이다. 제1 소산층(100)의 일면(101)은 오목부가 형성된 단위 셀의 일면이 연속적으로 배열되는 면이고, 제1 소산층(100)의 이면(102)은 단위 셀의 이면으로 형성되는 매끈한 면으로서 음향파 탐지 신호에 대해 은폐를 요하는 이동 수단의 외면과 결합한다.2 to 4 , the first dissipation layer 100 includes a plurality of identical unit cells 110 . In the first dissipation layer 100 , the plurality of unit cells 110 are arranged in one direction (the illustrated X-axis direction). The unit cell 110 is formed with at least four or more concave portions having different depths in the x-axis direction on one surface with the same width and the same spacing. In this case, the number of at least 4 or more is called n, and n is one of 4 or more natural numbers. One surface 101 of the first dissipation layer 100 is a surface in which one surface of the unit cell on which the concave portion is formed is continuously arranged, and the rear surface 102 of the first dissipation layer 100 is a smooth surface formed as the rear surface of the unit cell. As a result, it is combined with the exterior surface of the vehicle which requires concealment from the acoustic wave detection signal.

제1 소산층(100)은 복수의 단위 셀(110)이 배열되는 방향으로의 최외곽에 제1 에지부(103)를 더 포함할 수 있다.The first dissipation layer 100 may further include a first edge portion 103 at an outermost portion in a direction in which the plurality of unit cells 110 are arranged.

제1 소산층(100)은 상기 이동 수단의 음향 임피던스 유사한 재료 또는 상기 이동 수단이 이동하는 유체 매질의 음향 임피던스와 차이가 나는 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 가공될 수 있다. 일 예로, 상기 유체 매질이 물이고, 상기 이동 수단이 금속으로 이루어진 경우 제1 소산층(100)은 금속을 재료로 가공된다. The first dissipation layer 100 may be made of one material selected from a material similar to the acoustic impedance of the moving means or a material different from the acoustic impedance of a fluid medium through which the moving means moves. For example, when the fluid medium is water and the moving means is made of metal, the first dissipation layer 100 is made of metal.

단위 셀(110)은 일면에 x축 방향으로 서로 다른 깊이를 갖는 n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)가 동일한 폭 및 동일한 이격 간격으로 형성된다. 여기서, n은 4 이상인 자연수 중에서 하나이다. 도시된 실시 예에서, n은 4이다. n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)는 평평한 바닥면을 가지는 단면이 직사각형인 홈으로 각각의 깊이는 서로 다르게 형성된다. n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)는 서로 다른 깊이로 형성되어 입사된 음향파의 위상 구배를 형성한다. n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)의 단면 형태는 도면에 도시된 실시 예에 한정하지 않고, 음향파의 효율적인 반사각 조절을 위해 코일 모양 등 다양한 형태로 변형될 수 있다. In the unit cell 110, n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n having different depths in the x-axis direction are formed on one surface with the same width and the same spacing. Here, n is one of 4 or more natural numbers. In the illustrated embodiment, n is 4. The n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n are grooves having a flat bottom surface and a rectangular cross-section, and are formed to have different depths. The n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n are formed to have different depths to form a phase gradient of the incident acoustic wave. The cross-sectional shape of the n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n is not limited to the embodiment shown in the drawings, and may be transformed into various shapes such as a coil shape for efficient reflection angle control of acoustic waves. can

n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n) 각각의 서로 다른 깊이는 제2 소산층(200)을 통과하고 n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)들의 바닥 면에서 반사되는 음향파가 등간격의 위상 구배를 갖게 한다. 도 4에 도시된 실시 예에서, 5개의 오목부의 바닥면 각각에서 반사되는 음향파는 72도의 등간격의 위상 구배를 갖는다. Each of the n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n has different depths passing through the second dissipation layer 200 and passing through the n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n), the acoustic wave reflected from the bottom surface has an equally spaced phase gradient. In the embodiment shown in FIG. 4 , the acoustic wave reflected from each of the bottom surfaces of the five concave portions has a phase gradient at equal intervals of 72 degrees.

n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)가 일면에 형성된 단위 셀의 배열 방향으로의 크기에 해당하는 단위 셀의 배열 주기는, 배열 방향(도시된 X축)과 수직한 방향(도시된 Z축)으로 일면에 입사되는 음향파가 제1 소산층(100)내에서 진행, 보다 상세하게는 배열 방향과 수직한 방향에 따른 직선에 대해 85° 내지 95°사이(배열 방향에 따른 직선에 대해 +5° 내지 -5°사이)에서 어느 하나의 각도를 가지고 제1 소산층(100)내에서 진행하도록 설정된다. 이로써, 제1 소산층(100)은, 입사한 음향파를 제1 소산층으로 진행하게 하고 제1 소산층 내에서의 음향파의 다중 반사를 통해 음향파의 에너지를 열에너지로 소산시킴으로써 특정 주파수의 음향파의 탐지를 회피하기 위한 물리적 구조를 가지게 된다. The arrangement period of the unit cells corresponding to the size in the arrangement direction of the unit cells formed on one surface of the n recesses 111-1, 111-2, ..., 111-n is in the arrangement direction (the X-axis shown) and Acoustic waves incident on one surface in a vertical direction (the Z-axis shown) travel in the first dissipation layer 100, more specifically between 85° and 95° ( It is set to proceed in the first dissipation layer 100 with any one angle (between +5° and -5° with respect to the straight line along the arrangement direction). Accordingly, the first dissipation layer 100 causes the incident acoustic wave to travel to the first dissipation layer and dissipates the energy of the acoustic wave as thermal energy through multiple reflections of the acoustic wave in the first dissipation layer, thereby generating a specific frequency It has a physical structure to avoid detection of acoustic waves.

n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)의 서로 다른 깊이를 포함하여 제1 소산층(100)의 물리적 구조를 설계하는 원리는 다음과 같다. The principle of designing the physical structure of the first dissipation layer 100 including the different depths of the n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n is as follows.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제1 소산층의 단위 셀을 설계하는 원리를 설명하는 도면이다. 5 and 6 are views for explaining the principle of designing a unit cell of the first dissipation layer of the metasurface for acoustic energy dissipation according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 단위 셀(110)은 제1 소산층(100)의 일 단위이고, 단위 셀의 일면에 일 방향으로 서로 다른 깊이를 갖는 n 개의 오목부가 동일한 폭 및 동일한 이격 간격으로 형성된다. 여기서, n은 4 이상인 자연수이다. Referring to FIG. 5 , the unit cell 110 is one unit of the first dissipation layer 100 , and n recesses having different depths in one direction are formed on one surface of the unit cell with the same width and the same spacing. . Here, n is a natural number equal to or greater than 4.

제1 소산층(100)의 일 단위인 단위 셀(110)의 배열 방향으로의 크기에 해당하는 주기(M)이 선정된다. 단위 셀(110)의 주기(M)는, 배열 방향과 수직한 방향으로 제1 소산층(100)에 입사하는 음향파(입사파)가 배열 방향과 수직한 방향에 따른 직선에 대해 θ 각도를 가지고 반사되도록 탐지 신호에 해당하는 입사파의 파장(λ)을 sinθ로 나눈 값으로 선정된다. 본 발명의 일 실시 예에서, θ는 85° 내지 95°사이에서 어느 하나의 각도이다. 보다 바람직한 실시 예에서 θ는 90°일 수 있다. 이 경우, 단위 셀(110)의 주기(M)는 탐지 신호에 해당하는 입사파의 파장(λ)으로 설정된다. A period M corresponding to the size in the arrangement direction of the unit cells 110 which is one unit of the first dissipation layer 100 is selected. The period M of the unit cells 110 is an acoustic wave (incident wave) incident on the first dissipation layer 100 in a direction perpendicular to the arrangement direction is a θ angle with respect to a straight line in a direction perpendicular to the arrangement direction. It is selected as a value obtained by dividing the wavelength (λ) of the incident wave corresponding to the detection signal by sinθ so that it is reflected. In an embodiment of the present invention, θ is any angle between 85° and 95°. In a more preferred embodiment, θ may be 90°. In this case, the period M of the unit cell 110 is set to the wavelength λ of the incident wave corresponding to the detection signal.

단위 셀의 주기(M)가 선정되면, 단위 셀의 주기(M) 내에 형성되는 오목부의 개수(n), 오목부의 이격 간격(a) 및 오목부의 폭(b)이 설정된다. 오목부의 이격 간격(a)은 단위 셀의 주기(M)를 4로 나눈 것보다 크거나 같아야 한다. 즉, 오목부의 개수가 4개 이상이다. 오목부의 개수(n)가 4개 이상인 자연수로 설정되고 주기(M)을 n으로 나누어 오목부의 이격 간격(a)이 정해진다. 도시된 실시 예에서, n은 5이다. 오목부의 폭(b)은 오목부의 이격 간격 보다는 작지만 음향파에 대해 저항으로 작용할 수 있는 적정한 폭으로 설정된다.When the period M of the unit cell is selected, the number n of the concave portions formed within the period M of the unit cell, the spacing between the concave portions a, and the width b of the concave portions are set. The spacing (a) of the recesses should be greater than or equal to the period (M) of the unit cell divided by 4. That is, the number of concave portions is four or more. The number (n) of the recesses is set to a natural number of 4 or more, and the interval (a) of the recesses is determined by dividing the period (M) by n. In the illustrated embodiment, n is 5. The width b of the concave portion is smaller than the spacing between the concave portions, but is set to an appropriate width that can act as a resistance to the acoustic wave.

단위 셀(110)에 형성되는 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)의 개수, 즉 n은, 제1 소산층에 입사되는 음향파가 제1 소산층 내에서 다중 반사하며 에너지가 소산되면서 머무르다가 결국 제1 소산층에 입사되기 전에 진행한 매질로 다시 전파되는데 걸리는 시간과 양의 상관 관계를 가진다. 여기서, n(n은 4 이상인 자연수)은, 음향파가 상기 반사층 내에서 진행하는 소정의 시간에 따라 설정된다. 제1 소산층(100)을 포함하는 메타표면(1000)이 음향파 탐지 신호에 대한 은폐 특성을 최대한 가지기 위해 제1 소산층(100)에 음향파가 머무는 시간이 큰 것이 유리할 수 있으며, 상기 시간의 증가를 위해 n은 설계 가능한 수준에서 가장 큰 값으로 정해진다. The number of concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n formed in the unit cell 110, that is, n is that the acoustic wave incident on the first dissipation layer is multiple reflections in the first dissipation layer. It has a positive correlation with the time it takes for the energy to stay while dissipating and eventually propagate back to the medium that has progressed before it is incident on the first dissipation layer. Here, n (n is a natural number equal to or greater than 4) is set according to a predetermined time for which the acoustic wave travels in the reflective layer. In order for the metasurface 1000 including the first dissipation layer 100 to have the maximum concealment characteristics for the acoustic wave detection signal, it may be advantageous that the acoustic wave stays in the first dissipation layer 100 is large, and the time In order to increase n, n is set to the largest value at the designable level.

n 개의 오목부 각각의 서로 다른 깊이를 도출하기 위해, 이동 수단(10)의 표면에 제1 소산층의 매끈한 이면(102)이 결합되고 오목부가 형성된 제1 소산층의 일면(101)으로 음향파가 입사되는 것을 단면도로 도시한 도 6을 참조하면, 깊이(L)인 오목부에 입사되는 음향 입사파(I)에 대한 오목부의 바닥면에서 반사되는 반사파(R)의 반사 효율(R/I)은 아래 수학식 1과 같이 나타낸다.In order to derive different depths of each of the n concave portions, the smooth back surface 102 of the first dissipating layer is coupled to the surface of the moving means 10 and the acoustic wave is directed to the first surface 101 of the first dissipating layer in which the concave portion is formed. 6, the reflection efficiency (R/I) of the reflected wave R reflected from the bottom surface of the recess with respect to the acoustic incident wave I incident on the recess of the depth L ) is expressed as in Equation 1 below.

수학식 1 Equation 1

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, m은 (a-b)/a 이고, k는 입사파의 파수(wave number)이다.Here, m is (a-b)/a, and k is the wave number of the incident wave.

도 7은 오목부의 깊이에 따른 반사파의 위상 차를 도시한 그래프에서 오목부의 깊이를 도출하는 과정을 설명하는 도면이다. 7 is a view for explaining a process of deriving a depth of a concave portion from a graph illustrating a phase difference of a reflected wave according to a depth of the concave portion.

상기 수학식 1을 통해 깊이(L)인 오목부에 입사되는 음향 입사파(I)가 오목부의 바닥면에서 반사됨으로써 위상 차가 생기고 그때의 위상 차(Δφ)는 다음 수학식 2와 같다. Through Equation 1 above, the acoustic incident wave I incident on the concave portion having a depth L is reflected by the bottom surface of the concave portion, thereby generating a phase difference, and the phase difference Δφ at that time is as shown in Equation 2 below.

수학식 2 Equation 2

Figure pat00002
Figure pat00002

도 7을 참조하면, n 개의 오목부 각각의 서로 다른 깊이를 도출하기 위해 오목부의 깊이(L)에 따른 음향 반사파의 위상 차(Δφ)를 수학식 1 및 2를 통해 그래프로 도시한다. Referring to FIG. 7 , in order to derive different depths of each of the n concave portions, the phase difference Δφ of the acoustic reflected wave according to the depth L of the concave portion is graphed through Equations 1 and 2 .

오목부의 깊이(L)에 따른 음향 반사파의 위상 차(Δφ)를 도시한 그래프에서 n 개의 오목부 각각의 서로 다른 깊이를 도출한다. n 개의 오목부 각각의 서로 다른 깊이는, 상기 그래프 곡선에서 360도의 위상 차의 범위에서 동일한 위상 차를 갖는 n 개의 등간격선을 그린 후 상기 등간격선과 만나는 그래프 곡선 내의 좌표값 중 깊이(L)에 해당하는 값을 통해 도출된다. 즉, n 개의 오목부 각각의 서로 다른 깊이는, n개의 오목부 각각의 바닥면에서 반사되어 제1 소산층 내에서 진행하는 음향파가 등간격의 위상 구배를 가지도록 도출된다. In a graph showing the phase difference (Δφ) of the acoustic reflected wave according to the depth (L) of the recess, different depths of each of the n recesses are derived. The different depths of each of the n concave portions are the depth (L) of the coordinate values in the graph curve that meet the equally spaced lines after drawing n equally spaced lines having the same phase difference in the phase difference range of 360 degrees on the graph curve. It is derived from the value corresponding to That is, different depths of each of the n recesses are derived so that acoustic waves that are reflected from the bottom surface of each of the n recesses and travel in the first dissipation layer have a phase gradient at equal intervals.

일 실시 예에서, n이 5로 설정되고, 5 개의 오목부 각각의 서로 다른 깊이로 형성된 바닥면에서 반사된 음향파는 각각 72도의 위상 차가 발생한다. n개의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)가 서로 다른 깊이를 가짐으로 인해 입사각이 0도로 제1 소산층에 입사한 입사파는 오목부들의 바닥면에서 반사되어 0도가 아닌 제1 소산층 내에서 소정의 시간 진행할 수 있는 소정의 각도에 해당하는 반사각으로 반사하게 된다. 일 실시 예에서, 소정의 각도는 85° 내지 95°사이에서 어느 하나의 각도이고, 보다 바람직하게 θ는 90°일 수 있다. 이로써, 제1 소산층은 음향파가 제1 소산층 내에서 진행될 수 있는 각도로 음향파를 반사시켜 특정 주파수의 음향파의 탐지를 회피하기 위한 물리적 구조를 가지게 된다. In one embodiment, n is set to 5, and the acoustic waves reflected from the bottom surface formed at different depths in each of the five recesses generate a phase difference of 72 degrees, respectively. Since the n concave portions 111-1, 111-2, ..., 111-n have different depths, the incident wave incident on the first dissipation layer at an incident angle of 0 degrees is reflected from the bottom surface of the concave portions and becomes 0 degrees. It is reflected at a reflection angle corresponding to a predetermined angle that can travel for a predetermined time in the first dissipation layer. In an embodiment, the predetermined angle is any one angle between 85° and 95°, and more preferably θ may be 90°. Accordingly, the first dissipation layer has a physical structure for avoiding detection of the acoustic wave of a specific frequency by reflecting the acoustic wave at an angle at which the acoustic wave can propagate in the first dissipating layer.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음향에너지 소산을 위한 메타표면의 제2 소산층의 사시도 및 단면도이다. 도 10은 도 9의 B부분의 확대도이다. 8 and 9 are perspective and cross-sectional views of a second dissipation layer of the metasurface for dissipating acoustic energy according to an embodiment of the present invention. FIG. 10 is an enlarged view of part B of FIG. 9 .

도 8 및 도 9를 참조하면, 제2 소산층(200)은 제1 소산층(100)의 일 방향으로 반복 배열되는 n개의 오목부(110)의 형상과 대응되는 볼록부(210)가 연속적으로 형성된 일면(201)과 음향파의 메타표면(1000)으로의 입사면이 되는 이면(202)을 포함한다. 상기 일면(201) 중 상기 n개의 오목부의 최상면과 맞닿는 부분에서 상기 이면(202)까지는 일정한 두께를 가지며, 이면(202)는 매끈하다. 도 1과 같이 제2 소산층(200)은 볼록부(210)와 제1 소산층(100)의 오목부(111-1, 111-2,…, 111-n)가 서로 맞닿도록 제1 소산층(100)에 적층된다. 제2 소산층(200)은 최외곽에 제1 에지부(103) 상에 적층되는 제2 에지부(203)를 더 포함할 수 있다.8 and 9 , in the second dissipation layer 200 , the convex portions 210 corresponding to the shapes of the n concave portions 110 that are repeatedly arranged in one direction of the first dissipation layer 100 are continuous. It includes a surface 201 formed of , and a rear surface 202 that is an incident surface to the metasurface 1000 of the acoustic wave. A portion of the one surface 201 that is in contact with the uppermost surface of the n concave portions has a constant thickness to the rear surface 202, and the rear surface 202 is smooth. As shown in FIG. 1 , the second dissipation layer 200 has the first dissipation so that the convex portion 210 and the concave portions 111-1, 111-2, …, 111-n of the first dissipation layer 100 come into contact with each other. laminated to the layer 100 . The second dissipation layer 200 may further include a second edge portion 203 stacked on the first edge portion 103 at an outermost portion.

제2 소산층(200)은 음향파가 메타표면(1000)으로 입사하기 전에 진행하는 유체 매질의 음향 임피던스와 유사한 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 가공된다. 예를 들어, 유체 매질이 물인 경우, 제2 소산층(200)의 가공 재료는 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있다. The second dissipation layer 200 is made of one material selected from among materials similar to the acoustic impedance of the fluid medium traveling before the acoustic wave is incident on the metasurface 1000 . For example, when the fluid medium is water, the processing material of the second dissipation layer 200 may be polydimethylsiloxane (PDMS).

물water PDMSPDMS 철steel 음향파 속도(m/s)Acoustic wave velocity (m/s) 14841484 10761076 58935893 음향 임피던스(MPa·s·m-1)Acoustic impedance (MPa·s·m -1 ) 1.51.5 0.990.99 47.447.4 파장(m)Wavelength (m) 0.030.03 0.0220.022 0.1180.118

표 1은 물, PDMS 및 철 각각이 음향파에 대한 매질일 때 음향파의 속도, 음향 임피던스, 음향파의 파장을 각각 나타낸다.Table 1 shows the velocity of the acoustic wave, the acoustic impedance, and the wavelength of the acoustic wave when each of water, PDMS, and iron are media for acoustic waves.

제2 소산층(200)의 재료가 음향파가 메타표면(1000)으로 입사하기 전에 진행하는 유체 매질의 음향 임피던스와 유사한 재료 중에서 선택되는 경우 메타표면(1000)으로 입사하는, 즉, 제2 소산층의 이면(202)으로 입사하는 음향파의 반사율을 낮추고 제2 소산층(200) 내에서 진행하는 음향파의 양을 늘이는 효과가 있다. When the material of the second dissipation layer 200 is selected from materials similar to the acoustic impedance of the fluid medium traveling before the acoustic wave is incident on the metasurface 1000 , the second dissipation is incident on the metasurface 1000 . There is an effect of lowering the reflectance of the acoustic wave incident on the back surface 202 of the layer and increasing the amount of the acoustic wave propagating in the second dissipation layer 200 .

또한, 메타표면(1000)은, 입사하는 음향파가 제1 소산층 내에 진행되어, 특히 제1 소산층에서 다중 반사되어, 음향에너지가 소산됨에 의해 음향파의 탐지를 회피하는 스텔스 기능을 가지며, 제1 소산층(100) 상에 적층되는 제2 소산층(200)의 재료를 음향파의 에너지를 열에너지 등으로 소산시키는 소산 성능이 우수한 재료로 선택함으로써 메타표면(1000)으로 입사하는 또는 제1 소산층(100)으로부터 메타표면(1000)에 입사되기 전 진행한 유체 매질로 다시 나가는 음향파의 세기를 제2 소산층(200)이 없이 제1 소산층(100)으로 이루어진 메타표면에 비하여 확연히 줄일 수 있고, 더 강력한 스텔스 기능을 가지게 된다.In addition, the metasurface 1000 has a stealth function in which an incident acoustic wave propagates in the first dissipation layer, and in particular is multi-reflected in the first dissipation layer, so that acoustic energy is dissipated, thereby avoiding detection of the acoustic wave, By selecting the material of the second dissipation layer 200 laminated on the first dissipation layer 100 as a material having excellent dissipation performance for dissipating the energy of acoustic waves into thermal energy, etc., incident to the metasurface 1000 or the first The intensity of the acoustic wave going out from the dissipation layer 100 back to the fluid medium that has progressed before being incident on the metasurface 1000 is significantly higher than that of the metasurface composed of the first dissipation layer 100 without the second dissipation layer 200 . It can be reduced, and it has a stronger stealth function.

1000 메타표면
100 제1 소산층
200 제2 소산층1000 metasurface
100 first dissipation layer
200 second dissipation layer

Claims (9)

일 방향으로 배열되는 동일한 단위 셀을 복수 개 포함하는 제1 소산층을 포함하는 메타표면에 있어서,
상기 복수의 단위 셀 각각은 일면에 상기 일 방향으로 서로 다른 깊이를 갖는 n(n은 4 이상인 자연수)개의 오목부가 동일한 폭 및 동일한 이격 간격으로 형성되고,
상기 일 방향과 수직한 방향으로 상기 일면에 입사되는 음향파가 상기 제1 소산층 내에서 진행하는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
In the metasurface comprising a first dissipation layer comprising a plurality of identical unit cells arranged in one direction,
In each of the plurality of unit cells, n (n is a natural number equal to or greater than 4) concave portions having different depths in the one direction are formed on one surface with the same width and the same spacing,
A metasurface for acoustic energy dissipation, in which an acoustic wave incident on the one surface in a direction perpendicular to the one direction travels in the first dissipation layer.
 청구항 1에 있어서,
상기 단위 셀의 배열 주기는, 상기 일 방향과 수직한 방향으로 상기 일면에 입사되는 음향파가 상기 일 방향과 수직한 방향에 따른 직선에 대해 85° 내지 95°사이에서 어느 하나의 각도를 가지고 상기 제1 소산층 내에서 진행하도록 설정되는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
The method according to claim 1,
In the arrangement period of the unit cells, the acoustic wave incident on the one surface in a direction perpendicular to the one direction has an angle between 85° and 95° with respect to a straight line in a direction perpendicular to the one direction. A metasurface for dissipation of acoustic energy, configured to proceed within the first dissipation layer.
 청구항 2에 있어서,
상기 n(n은 4 이상인 자연수)은, 상기 음향파가 상기 제1 소산층 내에서 진행하는 소정의 시간에 따라 설정되는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
3. The method according to claim 2,
The metasurface for acoustic energy dissipation, wherein n (n is a natural number equal to or greater than 4) is set according to a predetermined time that the acoustic wave travels in the first dissipation layer.
 청구항 3에 있어서,
상기 n개의 오목부의 서로 다른 깊이 각각은, 상기 제1 소산층의 일면으로 입사되고 상기 제1 소산층 내에서 진행하는 음향파가 등간격의 위상 구배를 갖도록 설정되는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
4. The method according to claim 3,
Each of the different depths of the n recesses is set so that acoustic waves incident on one surface of the first dissipation layer and propagating in the first dissipation layer have an equally spaced phase gradient, a metasurface for acoustic energy dissipation .
 청구항 1에 있어서,
상기 제1 소산층에 적층되는 제2 소산층을 더 포함하고,
상기 제2 소산층은 상기 일 방향으로 반복 배열되는 상기 n개의 오목부의 형상과 대응되는 볼록부가 연속적으로 형성된 일면과 상기 메타표면의 외면이 되는 이면을 포함하는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
The method according to claim 1,
a second dissipation layer laminated on the first dissipation layer;
The second dissipation layer is a metasurface for acoustic energy dissipation, comprising a surface on which convex portions corresponding to the shapes of the n concave portions repeatedly arranged in the one direction are continuously formed and a rear surface serving as an outer surface of the metasurface.
 청구항 5에 있어서,
상기 메타표면은 상기 음향파가 상기 메타표면으로 입사되기 전에 진행되는 유체 매질에서 운행되는 이동 수단의 표면과 결합하고,
상기 단위 셀의 이면으로 형성되는 상기 제1 소산층의 이면이 상기 이동 수단의 표면과 결합되는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
6. The method of claim 5,
The metasurface is combined with the surface of the moving means traveling in a fluid medium that travels before the acoustic wave is incident on the metasurface,
A metasurface for dissipating acoustic energy, wherein a rear surface of the first dissipation layer formed as a rear surface of the unit cell is combined with a surface of the moving means.
 청구항 6에 있어서,
상기 제2 소산층은 상기 유체 매질의 음향 임피던스와 유사한 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 가공되는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
7. The method of claim 6,
and the second dissipation layer is fabricated from a material selected from among materials similar to the acoustic impedance of the fluid medium.
 청구항 7에 있어서,
상기 유체 매질이 물인 경우, 상기 하나의 재료는 PDMS인, 음향에너지 소산을 위한 메타표면.
8. The method of claim 7,
When the fluid medium is water, the one material is PDMS.
 청구항 6에 있어서,
상기 제1 소산층은, 상기 유체 매질의 음향 임피던스와 차이가 나는 재료 또는 상기 이동 수단의 음향 임피던스와 유사한 재료 중에서 선택된 하나의 재료로 가공되는, 음향에너지 소산을 위한 메타표면. 7. The method of claim 6,
wherein the first dissipation layer is processed from one material selected from a material different from the acoustic impedance of the fluid medium or a material similar to the acoustic impedance of the moving means.
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