도플러 로그용 센서를 이용하여 선박의 속도를 측정하면, 선박의 수평방향 이외의 움직임, 즉 피칭이나 롤링 등에 의한 측정 속도의 부정확성이 문제가 된다. 본 연구에서는 이러한 피칭과 수중이라는 환경요인에 기인하여 다른 속도 측정용 센서들이 가지는 문제점을 극복할 수 있는 야누스형 초음파 트랜스듀서를 개발하였다. 트랜스듀서 개발을 위하여 그 작동 구조를 해석하고 그에 따라 시제품을 제작한 후, 실험적인 성능 평가를 이루었다.
도플러 로그용 센서를 이용하여 선박의 속도를 측정하면, 선박의 수평방향 이외의 움직임, 즉 피칭이나 롤링 등에 의한 측정 속도의 부정확성이 문제가 된다. 본 연구에서는 이러한 피칭과 수중이라는 환경요인에 기인하여 다른 속도 측정용 센서들이 가지는 문제점을 극복할 수 있는 야누스형 초음파 트랜스듀서를 개발하였다. 트랜스듀서 개발을 위하여 그 작동 구조를 해석하고 그에 따라 시제품을 제작한 후, 실험적인 성능 평가를 이루었다.
In measurement of ship speed with a Doppler log sensor, we encounter the nonhorizontal movement of a ship, i.e. pitching and rolling, and that causes inaccuracy of the measurement. In this study, we develop a Janus type ultrasonic transducer that can resolve the problems in accuracy due to the pitch...
In measurement of ship speed with a Doppler log sensor, we encounter the nonhorizontal movement of a ship, i.e. pitching and rolling, and that causes inaccuracy of the measurement. In this study, we develop a Janus type ultrasonic transducer that can resolve the problems in accuracy due to the pitching and other environmental factors of common ultrasonic sensors attributed to the underwater usage. For the development, we analyze the operation mechanism of the transducer, fabricate a prototype of the sensor, and evaluate its performance through experiments.
In measurement of ship speed with a Doppler log sensor, we encounter the nonhorizontal movement of a ship, i.e. pitching and rolling, and that causes inaccuracy of the measurement. In this study, we develop a Janus type ultrasonic transducer that can resolve the problems in accuracy due to the pitching and other environmental factors of common ultrasonic sensors attributed to the underwater usage. For the development, we analyze the operation mechanism of the transducer, fabricate a prototype of the sensor, and evaluate its performance through experiments.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러므로 본 연구에서는 위와 같은 통상의 선속 측정용 센서들이 가지는 문제를 해결하기 위해 야누스형 초음파도플러 로그용 트랜스듀서를 개발하고 작동 원리를 해석하였다. 야누스형 센서란 초음파를 발생시키는 2개 또는 4개의 진동자를 수평으로부터 일정한 각을 가지도록 원주상에 등간격으로 배열한 구조를 가져, 피칭에 의한 선속 측정의 오차를 개선할 수 있으며, 기계적, 화학적 충격에 강한 외장(case)을 도입하여 수중의 가혹한 환경 하에서 유지보수가 용이하며, 크기가 작고, 설치가 쉽다는 장점들을 가지는 센서 형태이다[4].
본 논문에서는 바닷물 속의 부유물들에 의해 산란된초음파 신호를 이용하는 야누스형 초음파 트랜스듀서에 대해 설명한다. 바닷물 속의 부유물(기포, 플랑크톤 등등) 들은 수면으로부터 불과 몇 미터 내외에 집중적으로 분포하고 있으므로 초음파는 이 곳에서 가장 산란이 많이 된다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 도플러 로그용 야누스 형 초음파 트랜스듀서의 작동 미케니즘을 해석하고, 그에 따라 시작품을 설계하고 제작하였으며, 그 성능을 평가하였다. 개발된 센서를 이용해 선속을 측정하면 피칭에 의한 영향을 최소화 할 수 있으며, 또한 수중에서 음속의 온도 염도, 압력의 변화에 의한 복잡한 영향을 보상할 수 있을 것으로 사료된다.
야누스형 센서란 초음파를 발생시키는 2개 또는 4개의 진동자를 수평으로부터 일정한 각을 가지도록 원주상에 등간격으로 배열한 구조를 가져, 피칭에 의한 선속 측정의 오차를 개선할 수 있으며, 기계적, 화학적 충격에 강한 외장(case)을 도입하여 수중의 가혹한 환경 하에서 유지보수가 용이하며, 크기가 작고, 설치가 쉽다는 장점들을 가지는 센서 형태이다[4]. 본 연구에서는 이러한 특성을 가지는 야누스형 초음파 도플러 센서의 작동 미케니즘을 해석하고 그 시작품을 제작함으로써 향후 실재 환경에서의 활용을 위한 기반을 마련하고자 한다.
초음파 트랜스듀서가 도플러 편이를 획득할 수 있는지를 확인하기 위해, 수조에 반사체가 일정한 속도를 가지고 움직일 수 있도록 장치하여, 반사체가 움직이는 동안 수신주파수를 측정하여 도플러효과를 검증하기 위한 실험을 하였다. 실제 사용환경에서는 반사체는 거의 고정되어있고 트랜스듀서가 선박속도와 일치하게 이동하며 피칭에 의해 수면과 빔 사이의 각이 수시로 변하지만, 실험실 환경에서 센서를 움직이게 하는 것에 어려움이 있어서, 대신에 반사체만을 이동하게 하여 도플러 편이를 측정할 수 있도록 하였다.
제안 방법
3장에서 설계되어진 재료들과 치수를 토대로 그림 4의 형태로 야누스형 초음파 트랜스듀서를 제작하였다. 그림 4의 형태는 외력에 의하여 초음파 트랜스듀서가 변형, 또는 파괴되지 않을 정도의 범위에서 최대한 크기가 작고, 선박에 설치가 용이하고, 방수 처리가 되도록 결정하였다.
그러나 본 연구에서는 이와 더불어 진동자 두 개를 수평에 대하여 일정한 각을 가지도록 지지하는 역할도 수행하도록 후면층을 설계하였다. 이런 용도로 쓰이는 경우 음파의 감쇠성과 더불어 후면충은 외부의 충격, 온도 등에 의해 변형률이 적어야 하며, 가공성이 좋아야 한다.
따라서 외장으로 하여금 다른 선속측정용 센서들이 가지는 수중에서의 부식 문제를 해결하고 또한 선박의 진행시 물 또는 표류물질에 의한 기계적인 충격으로부터 트랜스듀서를 보호하는 기능을 수행하도록 하였다. 그리고 본 트랜스듀서에서는 진동자가 수면으로부터 일정한 각을 가져야 하므로 별도의 정합층을 두기가 어렵고 따라서 외장이 정합층의 역할도 동시에 수행하도록 하였다. 이상의 기계적, 음향적 특성을 만족하는 대상재료로서 일반적으로 초음파 트랜스듀서용으로 널리 사용되는 고분자 재질들 중 표 1에 나타낸 것들을 선정하였으며, 이들 중 어느 것이 가장 우수한 것인가는 이들을 이용한 트랜스듀서의 성능을 모의실험한 결과로써 결정하였다.
식 (12)에서와 같이 지향성은 반지름의 자승에 비례하여 증가하므로 좋은 지향성을 가지기 위해반지름을 크게 하면 좋으나, 너무 커지면 초음파 트랜스듀서 전체의 크기가 커지는 문제가 있다. 따라서 높은 지향성을 얻고, 나아가 순수한 두께 모우드 공진만을 구현하기 위해 원판의 반지름은 두께의 10배가 되도록 설정하였다.
따라서 외장으로 하여금 다른 선속측정용 센서들이 가지는 수중에서의 부식 문제를 해결하고 또한 선박의 진행시 물 또는 표류물질에 의한 기계적인 충격으로부터 트랜스듀서를 보호하는 기능을 수행하도록 하였다. 그리고 본 트랜스듀서에서는 진동자가 수면으로부터 일정한 각을 가져야 하므로 별도의 정합층을 두기가 어렵고 따라서 외장이 정합층의 역할도 동시에 수행하도록 하였다.
그러나 식 (6)에서 수중에서의 음속 c는 온도 염E, 그리고 압력의 함수이므로 그 값이 항상 일정하다고 할 수 없다. 따라서 정확한 속도 측정을 위해 음속의 변화에 의한 영향을 보상하여야만 하고, 그 방법으로 외장에 서미스터를 내장하여온 도를 측정하고 각 온도에 따른 폴리우레탄의 음속을 이용하여 수중에서의 음속 변화를 보상한다. 그림 6에서 O는 폴리우레탄의 음속이며, Cw는 수중에서의 음속이고, 이들은 물과 폴리우레탄의 경계에서 Snell의 법칙을 만족한다.
그리고 진동자의 기울여진 각이 크면 도플러 편이는 크겠지만, 수심 3m에서 다른 두 반사체가 위치가 많이 떨어지게 되므로 두 반사체의 속도가 같다고 가정하기 어렵다. 또한 각이 크면 트랜스듀서 내의 초음파가 중첩되는 부분에서 간섭현상이 커질 수 있고, 외장의 edge를 초음파가 통과하는 경우가 생기고, 제작상에 진동자의 설치각을 정확히 맞추기가 힘들어지는 어려움이 있으므로이러한 상황을 고려하여 그 각을 15° 로 선정하였다.
본 연구에서 개발하고자 하는 초음파 트랜스듀서는 수중용이다. 따라서 외장으로 하여금 다른 선속측정용 센서들이 가지는 수중에서의 부식 문제를 해결하고 또한 선박의 진행시 물 또는 표류물질에 의한 기계적인 충격으로부터 트랜스듀서를 보호하는 기능을 수행하도록 하였다.
하였다. 실제 사용환경에서는 반사체는 거의 고정되어있고 트랜스듀서가 선박속도와 일치하게 이동하며 피칭에 의해 수면과 빔 사이의 각이 수시로 변하지만, 실험실 환경에서 센서를 움직이게 하는 것에 어려움이 있어서, 대신에 반사체만을 이동하게 하여 도플러 편이를 측정할 수 있도록 하였다. 그림 10은 도플러 편이 측정을 위한 실험 장치도이며, 그림 10에서 수조의 우측 상단 도르레에 양방향 모터를 연결하여 반사체가 좌우로 움직일 때 같은 속도를 가지도록 하였다.
그리고 본 트랜스듀서에서는 진동자가 수면으로부터 일정한 각을 가져야 하므로 별도의 정합층을 두기가 어렵고 따라서 외장이 정합층의 역할도 동시에 수행하도록 하였다. 이상의 기계적, 음향적 특성을 만족하는 대상재료로서 일반적으로 초음파 트랜스듀서용으로 널리 사용되는 고분자 재질들 중 표 1에 나타낸 것들을 선정하였으며, 이들 중 어느 것이 가장 우수한 것인가는 이들을 이용한 트랜스듀서의 성능을 모의실험한 결과로써 결정하였다. 시뮬레이션 방법으로는 각 층에서 음향파의 반복적인 전파와 반사를 근거로 한 임피던스 반복 해석법을 이용하였다 [10-11], 그 결과를 보인 표 1에서 음향임피던스가 1.
이런 용도로 쓰이는 경우 음파의 감쇠성과 더불어 후면충은 외부의 충격, 온도 등에 의해 변형률이 적어야 하며, 가공성이 좋아야 한다. 후면층을 이용하면 트랜스듀서의 대역폭이 넓어지는 대신에 후면충의 감쇠성에 의해 에너지를 흡수하여 감도를 떨어뜨린다는 단점이 있으므로 본 연구에서는 감도를 높이는데 중점을 두어 후면층을 설계하였다. 감도를 나타내는 지수로는, 트랜스듀서의 시간영역 특성에서 n 번째 cycle의 진폭을 A„ , n-1 번째 cycle의 진폭을 A„.
대상 데이터
4 Mrayl이다. 이 값에 가장 근접하는 음향 임피던스를 가지며 요구되는 기계적 특성을 만족하는 상용재료로 세포 베크라이트를 선정하였으며, 이 재료의 밀도는 1327 kg/m3, 음속은 2592 m/s 이다.
제작된 야누스형초음파 트랜스듀서의 성능은 펄스-에코법으로 측정하였으며, 그림 7에 성능측정의 결과를 시간영역과 주파수 영역으로 나타내었다 . 제작되어진 트랜스듀서는 구현하고자 하였던 중심주파수 2MHz를 가지고, 대역폭은 341.5kHz, 그리고 지속시간은 2.62侬이다. 그림 7의 결과를 그림 5의 모의실험 결과와 비교해보면 거의 일치하여, 제작된 트랜스듀서 시편은 설계 결과가 적절히 반영된 것임을 알 수 있다.
이론/모형
또한 초음파 빔을 집중시키기 위해 빔폭이 작은 것이 좋다. 제작된 야누스형초음파 트랜스듀서의 성능은 펄스-에코법으로 측정하였으며, 그림 7에 성능측정의 결과를 시간영역과 주파수 영역으로 나타내었다 . 제작되어진 트랜스듀서는 구현하고자 하였던 중심주파수 2MHz를 가지고, 대역폭은 341.
성능/효과
그림 3에서 보는 바와 같이 피칭각이 ±1 0" 가 되더라도 식 (6)에 의해 계산되는 선속은 3% 내의 미소한 오차를 가지는데 반해 식 (2)에 의해 계산되는 선속은 60~70%의 높은 오차를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서 단일 트랜스듀서에 의해 선속을 측정할 경우 정확한 선속 *“, 에 비해 매우 많은 오차를 가지므로 실재 적용이 어렵다고 결론을 내릴 수 있다. 반면에 야누스 형 초음파 트랜스듀서와 식 (6)을 이용할 경우, 단일트랜스듀서에 의한 선속 측정 오차를 월등히 개선할 수 있고, 피칭의 영향은 고려할 수 없지만 정확한 피칭 각을 고려하는 것에 비해 상대적으로 매우 작은 오차 범위내에서 정확한 선속값을 산출해낼 수 있음을 알 수 있다.
위해 두께 공진 모드를 이용한다. 본 연구에서 개발하려는 초음파 트랜스듀서는 수중의 작은 부유물에 의한 산란파를 수신하여야 하므로 산란파의 에너지를 높이기 위해서는 좁은 빔폭을 가질수록 유리하다. 원판형 음원의 지향성은 식 ((2)와 같다[8].
본 연구에서 제작하고자 하는 수중 도플러 로그용 야누스 형 초음파 트랜스듀서는 중심주파수 2MHz를 가지고, 최대 감도와 대역폭이 클수록 좋다. 또한 초음파 빔을 집중시키기 위해 빔폭이 작은 것이 좋다.
이상의 기계적, 음향적 특성을 만족하는 대상재료로서 일반적으로 초음파 트랜스듀서용으로 널리 사용되는 고분자 재질들 중 표 1에 나타낸 것들을 선정하였으며, 이들 중 어느 것이 가장 우수한 것인가는 이들을 이용한 트랜스듀서의 성능을 모의실험한 결과로써 결정하였다. 시뮬레이션 방법으로는 각 층에서 음향파의 반복적인 전파와 반사를 근거로 한 임피던스 반복 해석법을 이용하였다 [10-11], 그 결과를 보인 표 1에서 음향임피던스가 1.6~ 1.7 Mrayl 정도의 값을 가지는 폴리우레탄 계열을 외장으로 사용하면 감도가 가장 높고 지속시간 또한 가장 짧은 것으로 나타났다. 그 중 가장 우수한 것으로 판명된 폴리우레탄을 사용한 경우와, 이와의 비교를 위해 RTV- 60/0.
시제작된 야누스형 초음파 트랜스듀서는 사용환경을 고려하여 구현하고자 하였던 2MHz의 중심주파수를 가지며, 우수한 감도 넓은 대역폭, 그리고 높은 지향성을 나타내었다. 또한, 폴리우레탄 수지를 이용하여 부식이 잘되지 않고 선박에 설치가 용이하도록 설계되어졌으며, 우수한 탄성특성을 가지고 있어 수중에서의 어떤 외력에도 그 형태를 유지할 수 있는 특징을 가진다.
7m/s이다. 측정 결과 트랜스듀서로부터 반사체가 멀어지는 경우의 도플러 편이는 -1, 678Hz로 주파수가 감소하는 것을 알 수 있었고, 반사체가 가까워지는 경우의 도플러 편이는 1, 85아iz로 증가한 것을 알 수 있었다. 그림 11에 반사체가 멀어지는 경우의 수신신호의 주파수를 나타내었다.
그림 5의 주파수 도메인에서 , 第는 -3dB 대역폭이다. 폴리우레탄이 DBT에 비해 감도는 약 50% 크고, 지속시간은 28% 정도 짧은 특성을 보이고 있다.
후속연구
본 연구에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 도플러 로그용 야누스 형 초음파 트랜스듀서의 작동 미케니즘을 해석하고, 그에 따라 시작품을 설계하고 제작하였으며, 그 성능을 평가하였다. 개발된 센서를 이용해 선속을 측정하면 피칭에 의한 영향을 최소화 할 수 있으며, 또한 수중에서 음속의 온도 염도, 압력의 변화에 의한 복잡한 영향을 보상할 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 개발된 야누스 형 초음파 트랜스듀서와 유도된 선속 측정 알고리즘을 이용하면 선박의 피칭에 의한 측정속도의 오차를 개선하여 보다 정확한 선속을 측정 할 수 있는 도플러로 그 시스템을 개발할 수 있을 것이다. 개발된 트랜스듀서의 정량적인 도플러 편이량 측정과 피칭의 영향을 고려한 실험은 향후 실제 환경에서 더 수행이 되어야 할 부분이다.
또한, 폴리우레탄 수지를 이용하여 부식이 잘되지 않고 선박에 설치가 용이하도록 설계되어졌으며, 우수한 탄성특성을 가지고 있어 수중에서의 어떤 외력에도 그 형태를 유지할 수 있는 특징을 가진다. 따라서 개발된 야누스 형 초음파 트랜스듀서와 유도된 선속 측정 알고리즘을 이용하면 선박의 피칭에 의한 측정속도의 오차를 개선하여 보다 정확한 선속을 측정 할 수 있는 도플러로 그 시스템을 개발할 수 있을 것이다. 개발된 트랜스듀서의 정량적인 도플러 편이량 측정과 피칭의 영향을 고려한 실험은 향후 실제 환경에서 더 수행이 되어야 할 부분이다.
7m/s 보다는 훨씬 더 큰 값이기 때문에, 실제 환경에서는 일반적인 계측장비로도 충분한 정확성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 이 실험은 단지 야누스형 초음파 트랜스듀서를 이용하여 도플러효과를 검증할 수 있는지의 여부만을 확인하였고, 향후 실험실 환경이 아닌 실제 상황에 적용하여, 피칭에 의한 영향을 고려할 수 있도록 하여 속도 측정식 (6)과 피칭각산출식 (11)의 실험적 오차를 확인할 필요가 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.