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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한충 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 ~ 25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음 압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증 되었다.
- 본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한충 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 ~ 25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음 압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증 되었다.
- Push-Pull 트랜스듀서의 장점으로는 주파수, 출력, 크기를 자유롭게 선택할 수 있고 유지, 보수에 있어서 다른 세정 트랜스듀서보다 쉽다는 것 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 이런 장점을 그대로 유지하면서 기존 트랜스듀서보다 더 단순한 구조를 가지는 독자적인 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였다. 진동자가 실린더 양쪽에 있는 대신 Cymbal-type 트랜스듀서, Flextensional 트랜스듀서와 같이 트랜스듀서 중앙에 위치하여 압축, 신장 '운동이 그대로 쉘로 전달되는 구조이다.
- 본 연구의 목적은 세정용 고출력 초음파 트랜스듀서를 설계하는 것이다. 따라서 Push-Pull 트랜스듀서 설계에 있어서 최대 음압을 낼 수 있는 변수를 찾아내기 위해서 크게 다음의 3 부류에 대해서 세부적인 설계 변수를 설정하였다.
제안 방법
- 그림 3은 쉘과 Endcapo] 만나는 부분이 수직인 형태를 보이고 있다. Edge의 형상에 따라 구동부에서 발생된 진동에너지가 쉘로 전달하는 효율에 차이가 있을 것으로 예상되며, 따라서 Endcap Edge의 형상으로서 대표적인 세가지 경우, 즉 직각인 경우, 삼각형인 경우, 만곡인 경우에 대한 해석을 하였다.
- Endcap Edge형상이 삼각형인 경우, 전체 길이가 100 mm, Endcap 길이가 20 mm인 경우를 대표적으로 들어서 앞 절에서와 같은 내부 구조에 변화를 가했을 때 나타나는 음압 변화를 관찰함으로써 Endcap Edge 형상의 영향을 분석하였다. 분석 시 경우의 수는 Edge 형상이 수직일 때와 동일하게 설정하였으며, 대표적인 결과를 그림 10 〜 11에 나타내었다.
- 본 연구의 Push-Pull 트랜스듀서는 수중에서 사용하기 때문에 구조체 외곽에 물을 설치하였는데, 물은 압력성분 하나만을 자유도로 가지는 Fluid 30으로 설계하였고, 구조체와 물의 접합충충 (FSI)은 압력, X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Fluid 30의 확장된 형태로 설계하였다. Push-Pull 트랜스듀서의 대칭성을 고려하여 8분의1에 해당하는 모델은 X, Y및 Z축 방향으로 대칭 처리하였다. 경계 조건으로는 구조체의 모든 부분을 자유상태로 두었고, 물의 최외곽 층은 무반사 경계 조건을 적용하였다.
- Push-Pull 트랜스듀서의 대칭성을 고려하여 8분의1에 해당하는 모델은 X, Y및 Z축 방향으로 대칭 처리하였다. 경계 조건으로는 구조체의 모든 부분을 자유상태로 두었고, 물의 최외곽 층은 무반사 경계 조건을 적용하였다.
- 이러한 구조를 가지는 Push-Pull 트랜스듀서가 최적의 성능을 가지게 하기 위해서 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 이용하여 모델을 구현하고, 구동부와 발진부에서 고려될 수 있는 각 세부 변수들의 변화에 따른 음압의 변화 경향을 파악하였다. 그 결과로서 원하는 주파수 20-25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여, 본 연구에서 최적 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 봄으로써, 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 우咛성을 입증하였다.
- 이러한 구조를 가지는 Push-Pull 트랜스듀서가 최적의 성능을 가지게 하기 위해서 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 이용하여 모델을 구현하고, 구동부와 발진부에서 고려될 수 있는 각 세부 변수들의 변화에 따른 음압의 변화 경향을 파악하였다. 그 결과로서 원하는 주파수 20-25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여, 본 연구에서 최적 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 봄으로써, 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 우咛성을 입증하였다.
- Edge의 형상이 더 곡면화 한다면, 이는 쉘의 구조적 면에서 Class II Flextensional 트랜스듀서에 유사한 구조로 볼 수가 있다. 그림 12는 Endcap의 끝 부분에서 시작되어진 만곡이 가운데 부분까지 타원형을 이루는 형태로서, 전체 길이가 80 mm일때 Endcap 길이 20 mm를 제외한 나머지 길이 60 mm를 Y축으로 쉘이 가질 수 있는 최대 반경으로 하고 이를 4구간으로 세분하여 쉘의 Y축 방향 반경이 15 mm, 30 mm, 45 mm, 60 mm일 때의 음압 변화를 관찰하였다. 트랜스듀서의 나머지 세부적인 규격은 앞에서 구한 최적 규격을 선택하였다.
- Edge의 형상이 더 곡면화 한다면, 이는 쉘의 구조적 면에서 Class II Flextensional 트랜스듀서에 유사한 구조로 볼 수가 있다. 그림 12는 Endcap의 끝 부분에서 시작되어진 만곡이 가운데 부분까지 타원형을 이루는 형태로서, 전체 길이가 80 mm일때 Endcap 길이 20 mm를 제외한 나머지 길이 60 mm를 Y축으로 쉘이 가질 수 있는 최대 반경으로 하고 이를 4구간으로 세분하여 쉘의 Y축 방향 반경이 15 mm, 30 mm, 45 mm, 60 mm일 때의 음압 변화를 관찰하였다. 트랜스듀서의 나머지 세부적인 규격은 앞에서 구한 최적 규격을 선택하였다.
- 길이 변수에 따른 해석에서 전체 길이당 음압이 가장 크게 나온 경우를 각 한 경우씩 설정하고 이에 대한 반경 변수를 설정하였다. 전체 반경을 13, 20, 30, 40, 50 tnm로 선정하고, 각 전체 반경을 유지하는 범위 내에서 연결 봉 반경 3 ~ 33 mm, PZT 반경 8 ~ 44 mm로 하였다.
- 본 연구의 목적은 세정용 고출력 초음파 트랜스듀서를 설계하는 것이다. 따라서 Push-Pull 트랜스듀서 설계에 있어서 최대 음압을 낼 수 있는 변수를 찾아내기 위해서 크게 다음의 3 부류에 대해서 세부적인 설계 변수를 설정하였다.
- 압전 물질은 온£, 전압, 자장 , X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Solid 5로 설계하였고 구동부의 나머지 부분인 쉘, Endcap, 연결 봉은 X, Y, Z축 변위등 5개의 자유도를 가지는 S이id 45로 하였다. 본 연구의 Push-Pull 트랜스듀서는 수중에서 사용하기 때문에 구조체 외곽에 물을 설치하였는데, 물은 압력성분 하나만을 자유도로 가지는 Fluid 30으로 설계하였고, 구조체와 물의 접합충충 (FSI)은 압력, X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Fluid 30의 확장된 형태로 설계하였다. Push-Pull 트랜스듀서의 대칭성을 고려하여 8분의1에 해당하는 모델은 X, Y및 Z축 방향으로 대칭 처리하였다.
- 이상에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 비교, 평가하기 위하여 기존 Push-Pull 트랜스듀서를 역시 유한요소 해석법에 의해 분석하여 그 결과를 앞 절의 결과들과 비교해 보았다. 상용 유한요소 패키지인 ANSYS 를 사용하여 앞 절에서와 동일한 요령으로 모델을 구성하였으며, 그림 14는 구성한 모델의 개략도를 나타낸다. 해석 대상으로 삼은 기존 트랜스듀서는 중심주파수가 25 kHz 이고 작동시 길이 방향으로 3개의 파장을 발생시키는 형태인데, 그림 15에서 구한 모드 형상은 1.
- 그림 2는 ANSYS를 이용하여 구성한 유한요소 모델을 나타내고 있다. 압전 물질은 온£, 전압, 자장 , X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Solid 5로 설계하였고 구동부의 나머지 부분인 쉘, Endcap, 연결 봉은 X, Y, Z축 변위등 5개의 자유도를 가지는 S이id 45로 하였다. 본 연구의 Push-Pull 트랜스듀서는 수중에서 사용하기 때문에 구조체 외곽에 물을 설치하였는데, 물은 압력성분 하나만을 자유도로 가지는 Fluid 30으로 설계하였고, 구조체와 물의 접합충충 (FSI)은 압력, X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Fluid 30의 확장된 형태로 설계하였다.
- 그림 2는 ANSYS를 이용하여 구성한 유한요소 모델을 나타내고 있다. 압전 물질은 온£, 전압, 자장 , X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Solid 5로 설계하였고 구동부의 나머지 부분인 쉘, Endcap, 연결 봉은 X, Y, Z축 변위등 5개의 자유도를 가지는 S이id 45로 하였다. 본 연구의 Push-Pull 트랜스듀서는 수중에서 사용하기 때문에 구조체 외곽에 물을 설치하였는데, 물은 압력성분 하나만을 자유도로 가지는 Fluid 30으로 설계하였고, 구조체와 물의 접합충충 (FSI)은 압력, X, Y, Z축 변위를 자유도로 가지는 Fluid 30의 확장된 형태로 설계하였다.
- 위에서 ①의 조건은 트랜스듀서의 작동 중 연결 봉의 굽힘을 방지하기 위해서는 연결 봉의 반경이 어느 크기 이상이어야 한다는 점에서 쉘 내반경의 1/3이상으로 설정하였고, ②의 조건은 PZT가 두께 모드로 안정적으로 작동하기 위해서는 그 두께에 비해 평면 규격이 더 커야한다는 점에서 설정하였고, ③의 조건은 쉘이 지나치게 얇으면 작동 중 역시 굽힘이 일어날 수 있고, 너무 두꺼우면 경직(stiffening)효과에 의해 발생 진폭이 지나치게 작을 수 있다는 면을 고려해 적절한 값으로 설정한 것이다.
- 진동자가 실린더 양쪽에 있는 대신 Cymbal-type 트랜스듀서, Flextensional 트랜스듀서와 같이 트랜스듀서 중앙에 위치하여 압축, 신장 '운동이 그대로 쉘로 전달되는 구조이다. 이러한 구조를 가지는 Push-Pull 트랜스듀서가 최적의 성능을 가지게 하기 위해서 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 이용하여 모델을 구현하고, 구동부와 발진부에서 고려될 수 있는 각 세부 변수들의 변화에 따른 음압의 변화 경향을 파악하였다. 그 결과로서 원하는 주파수 20-25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다.
- 진동자가 실린더 양쪽에 있는 대신 Cymbal-type 트랜스듀서, Flextensional 트랜스듀서와 같이 트랜스듀서 중앙에 위치하여 압축, 신장 '운동이 그대로 쉘로 전달되는 구조이다. 이러한 구조를 가지는 Push-Pull 트랜스듀서가 최적의 성능을 가지게 하기 위해서 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 이용하여 모델을 구현하고, 구동부와 발진부에서 고려될 수 있는 각 세부 변수들의 변화에 따른 음압의 변화 경향을 파악하였다. 그 결과로서 원하는 주파수 20-25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다.
- 이상에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 비교, 평가하기 위하여 기존 Push-Pull 트랜스듀서를 역시 유한요소 해석법에 의해 분석하여 그 결과를 앞 절의 결과들과 비교해 보았다. 상용 유한요소 패키지인 ANSYS 를 사용하여 앞 절에서와 동일한 요령으로 모델을 구성하였으며, 그림 14는 구성한 모델의 개략도를 나타낸다.
- 이상의 트랜스듀서 길이의 경우에 대해 쉘의 반경을 최대 50 mm 이내에서 아래 표와 같이 변화시키며, 각 변화의 영향을 평가하였다. 표의 변화범위를 설정함에 있어서 PZT 반경과 연결 봉의 반경은 아래의 조건을 만족하도록 설정하였다.
- 길이 변수에 따른 해석에서 전체 길이당 음압이 가장 크게 나온 경우를 각 한 경우씩 설정하고 이에 대한 반경 변수를 설정하였다. 전체 반경을 13, 20, 30, 40, 50 tnm로 선정하고, 각 전체 반경을 유지하는 범위 내에서 연결 봉 반경 3 ~ 33 mm, PZT 반경 8 ~ 44 mm로 하였다. 모드 해석결과 반경에서의 변수는 PZT 반경, 연결 봉 반경, 전체반경 등이 있다.
- 길이 변수에 따른 해석에서 전체 길이당 음압이 가장 크게 나온 경우를 각 한 경우씩 설정하고 이에 대한 반경 변수를 설정하였다. 전체 반경을 13, 20, 30, 40, 50 tnm로 선정하고, 각 전체 반경을 유지하는 범위 내에서 연결 봉 반경 3 ~ 33 mm, PZT 반경 8 ~ 44 mm로 하였다. 모드 해석결과 반경에서의 변수는 PZT 반경, 연결 봉 반경, 전체반경 등이 있다.
- 전체길이는 작동. 주파수가 20 kHz 이상이라는 조건에 의해 80, 100, 120, 140 mm의 4구간을 선정하였고, 각 전체 길이 경우에 대해 다시 Endcap, PZT, 연결봉의 길이를 세분해서 변화시켜 개별 부분 및 전체 길이 변화에 따른 트랜스듀서의 특성 변화를 관찰하였다. 세부적인 길이 변수들은 각 전체 길이를 유지하는 범위 내에서 Endcap 길이 20 ~70 mm, PZT 길이 20 ~ 110 mm, 연결 봉 길이 5 ~ 95 mm로 하였다.
- 전체길이는 작동. 주파수가 20 kHz 이상이라는 조건에 의해 80, 100, 120, 140 mm의 4구간을 선정하였고, 각 전체 길이 경우에 대해 다시 Endcap, PZT, 연결봉의 길이를 세분해서 변화시켜 개별 부분 및 전체 길이 변화에 따른 트랜스듀서의 특성 변화를 관찰하였다. 세부적인 길이 변수들은 각 전체 길이를 유지하는 범위 내에서 Endcap 길이 20 ~70 mm, PZT 길이 20 ~ 110 mm, 연결 봉 길이 5 ~ 95 mm로 하였다.
대상 데이터
- 이 중 티타늄은 가격이 비싸다는 단점은 있지만 표 1에서 보듯이 물리적으로 좋은 특성을 가지고 있으며, 기능 면에서도 견고성, 경량성, 내부식성 등의 우수한 특성을 보유하고 있다. 따라서 본 연구에서는 발진부의 쉘 재질로 티타늄을 선택하였다.
- 이 중 티타늄은 가격이 비싸다는 단점은 있지만 표 1에서 보듯이 물리적으로 좋은 특성을 가지고 있으며, 기능 면에서도 견고성, 경량성, 내부식성 등의 우수한 특성을 보유하고 있다. 따라서 본 연구에서는 발진부의 쉘 재질로 티타늄을 선택하였다.
- 본 연구의 대상인 Push-Pull 트랜스듀서의 수치 모델은 유한 요소 상용 패키지인 ANSYS를 사용하여 구성하였고, 구동부와 발진부 그리고 물을 포함한 전체 구조의 대칭성을 이용해 8분의 1인 모델로 약 3,500개의 요소와 4,400개의 절점으로 구성하였다.
- 본 연구의 대상인 Push-Pull 트랜스듀서의 수치 모델은 유한 요소 상용 패키지인 ANSYS를 사용하여 구성하였고, 구동부와 발진부 그리고 물을 포함한 전체 구조의 대칭성을 이용해 8분의 1인 모델로 약 3,500개의 요소와 4,400개의 절점으로 구성하였다.
- 압전 세라믹 진동소자를 금속 안에 샌드위치형으로 끼워 볼트로 강하게 고정을 시킨 랑즈뱅 진동자 형태를 가지고 있으며, 구조적으로 견고하며 기계적 Q가 높다는 특성을 가진다. 압전 진동소자로는 PZT-8을, 그리고 이들을 Endcap에 연결하는 연결봉의 재질로는 강철을 사용하였다. 발진부를 이루는 쉘은 트랜스듀서의 주파수 특성에 큰 영향을 미치며, 그 중에서도 특히 밀도와 영율이 중요한 역할을 한다.
- 해석 대상으로 삼은 기존 트랜스듀서는 중심주파수가 25 kHz 이고 작동시 길이 방향으로 3개의 파장을 발생시키는 형태인더】, 그림 15에서 구한 모드 형상은 1.5파장을 보이고 있고, 이 모델이 길이 방향으로 트랜스듀서의 1/2 만을 묘사하고 있다는 점을 고려하면 이 결과는 기존 트랜스듀서의 작동 상태를 적절히 묘사하고 있다고 할 수 있다.
- 상용 유한요소 패키지인 ANSYS 를 사용하여 앞 절에서와 동일한 요령으로 모델을 구성하였으며, 그림 14는 구성한 모델의 개략도를 나타낸다. 해석 대상으로 삼은 기존 트랜스듀서는 중심주파수가 25 kHz 이고 작동시 길이 방향으로 3개의 파장을 발생시키는 형태인데, 그림 15에서 구한 모드 형상은 1.5파장을 보이고 있고, 이 모델이 길이 방향으로 트랜스듀서의 1/2만을 묘사하고 있다는 점을 고려하면 이 결과는 기존 트랜스듀서의 작동 상태를 적절히 묘사하고 있다고 할 수 있다. 다음으로 이렇게 검증된 모델을 이용하여, 4절에서 수행하였던 것과 동일한 방법으로 트랜스듀서의 반경 방향으로 방사되는 음압의 크기를 조화 분석을 통하여 구하였고, 그 결과를 그림 16에 보였다.
데이터처리
- 5파장을 보이고 있고, 이 모델이 길이 방향으로 트랜스듀서의 1/2만을 묘사하고 있다는 점을 고려하면 이 결과는 기존 트랜스듀서의 작동 상태를 적절히 묘사하고 있다고 할 수 있다. 다음으로 이렇게 검증된 모델을 이용하여, 4절에서 수행하였던 것과 동일한 방법으로 트랜스듀서의 반경 방향으로 방사되는 음압의 크기를 조화 분석을 통하여 구하였고, 그 결과를 그림 16에 보였다. 예상대로 25 kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났고, 이 극대치를 전후해서 또 다른 극대치들이 몇 개 더 관찰되었다.
성능/효과
- Endcap의 형상이 수직, 삼각형 형태의 트랜스듀서에서 나타난 결과에서 Edge형상이 곡면일수록 힘의 전달이 용이하고 따라서 발생 음압의 크기도 향상시킬 수가 있다는 것을 알 수 있었다. Edge의 형상이 더 곡면화 한다면, 이는 쉘의 구조적 면에서 Class II Flextensional 트랜스듀서에 유사한 구조로 볼 수가 있다.
- 이때의 최대 음압은 약 870 Pa에 이르는 것으로 나타났으며, 따라서 앞 절에서 구한 수직 및 삼각형 Edge를 가진 트랜스듀서의 출력보다 훨씬 더 큰 값을 보였다. 결론적으로 Endcap의 Edge 형상이 수직이나 삼각형 일때 보다는 만곡을 가지는 구조가 보다 원활한 반경 방향과 길이 방향간의 진동 모드 결합을 이룬다는 것을 알 수가 있다. 그리고 쉘의 곡률 반경은 쉘의 길이의 반과 동일하게 두는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
- 그리고 발생 음압의 크기에 있어서는 앞 절의 수직 Edge에 대한 결과와 비교해 향상된 결과를 보였다. 결론적으로 트랜스듀서 내부 Endcap의 Edge 형상은 수직형보다는 삼각형이 더 높은 음압을 발생시키는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이 Edge의 형상으로 삼각형만을 고려하였으나, 반경 방향과 길이 방향간의 진동 모드 결합율을 증대시키기 위해서 다양한 곡률 반경을 가지는 만곡형 Edge를 고려할 필요가 있다.
- 앞에서와 마찬가지로 PZT의 반경이 증가 할 수록 음압도 증가하는 것을 볼 수가 있고, PZT의 반경이 작을 때는 연결 봉의 반경이 증가함에 따라서 음압이 감소하나, 어느 크기 이상의 PZT 반경에서는 연결 봉의 반경이 커질수록 음압도 커진다. 그리고 PZT 반경과 연결봉의 반경은 어느 특정한 비율을 유지하되, 트랜스듀서 전체의 최대 반경 50 mm이내에서는 둘 다 커질수록 발생 음압을 높이는데 유리한 것으로 나타났다. 그러나 Edge 형상이 수직일 때에 비해서 전체적인 경향성이 명확하지 않은 것으로 나타났는데, 이는 Edge가 기울어짐으로 인해서 반경 방향의 진동 모드와 길이 방향의 진동 모드간의 결합이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 앞에서와 마찬가지로 PZT의 반경이 증가 할 수록 음압도 증가하는 것을 볼 수가 있고, PZT의 반경이 작을 때는 연결 봉의 반경이 증가함에 따라서 음압이 감소하나, 어느 크기 이상의 PZT 반경에서는 연결 봉의 반경이 커질수록 음압도 커진다. 그리고 PZT 반경과 연결봉의 반경은 어느 특정한 비율을 유지하되, 트랜스듀서 전체의 최대 반경 50 mm이내에서는 둘 다 커질수록 발생 음압을 높이는데 유리한 것으로 나타났다. 그러나 Edge 형상이 수직일 때에 비해서 전체적인 경향성이 명확하지 않은 것으로 나타났는데, 이는 Edge가 기울어짐으로 인해서 반경 방향의 진동 모드와 길이 방향의 진동 모드간의 결합이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 따라서 PZT 반경과 연결봉의 반경은 어느 특정한 비율을 유지하되, 트랜스듀서 전체의 최대 반경 5 mm이내에서는 둘 다 커질수록 발생 음압을 높이는데 유리하다고 할 수 있다. 그리고 본 Push-Pull 트랜스듀서의 작동 모드가 기본적으로 길이 방향의 신축 작용에 의한 쉘의 팽창-수축이므로, 반경 요소들의 변화가 길이 요소들만큼 트랜스듀서의 중심주파수를 크게 변화시키지는 않는 것으로 나타났고, 따라서 그림 7 ~ 9의 결과들은 앞 절의 길이 요소들에 비해 보다 명확한 경향성을 보여주었다. 이상의 결과에 의해 각 최적 길이당 가장 적절한 반경 요소들은 다음과 같이 결정되었다.
- 결론적으로 Endcap의 Edge 형상이 수직이나 삼각형 일때 보다는 만곡을 가지는 구조가 보다 원활한 반경 방향과 길이 방향간의 진동 모드 결합을 이룬다는 것을 알 수가 있다. 그리고 쉘의 곡률 반경은 쉘의 길이의 반과 동일하게 두는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
- 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다. 그리고 이 비교는 단지 출력 음압만을 비교한 것이고, 트랜스듀서의 구조를 비교해 볼 때, 본 연구의 트랜스듀서는 진동자를 단지 한 개만을 이용하는 것이고, 기존 트랜스듀서는 양단에 두개를 사용하는 것이므로, 구조면에서도 본 트랜스듀서가 더 간단하다는 장점을 가지고 있다.
- 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다. 그리고 이 비교는 단지 출력 음압만을 비교한 것이고, 트랜스듀서의 구조를 비교해 볼 때, 본 연구의 트랜스듀서는 진동자를 단지 한 개만을 이용하는 것이고, 기존 트랜스듀서는 양단에 두개를 사용하는 것이므로, 구조면에서도 본 트랜스듀서가 더 간단하다는 장점을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한충 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 ~ 25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음 압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증 되었다.
- 본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한충 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 ~ 25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음 압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증 되었다.
- 그 결과로서 원하는 주파수 20-25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여, 본 연구에서 최적 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 봄으로써, 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 우咛성을 입증하였다.
- 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구 조의 Push-Pull 트랜스듀서는 그림 7에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다. 그리고 이 비교는 단지 출력 음압만을 비교한 것이고, 트랜스듀서의 구조를 비교해 볼 때, 본 연구의 트랜스듀서는 진동자를 단지 한 개만을 이용하는 것이고, 기존 트랜스듀서는 양단에 두개를 사용하는 것이므로, 구조면에서도 본 트랜스듀서가 더 간단하다는 장점을 가지고 있다.
- 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구 조의 Push-Pull 트랜스듀서는 그림 7에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다. 그리고 이 비교는 단지 출력 음압만을 비교한 것이고, 트랜스듀서의 구조를 비교해 볼 때, 본 연구의 트랜스듀서는 진동자를 단지 한 개만을 이용하는 것이고, 기존 트랜스듀서는 양단에 두개를 사용하는 것이므로, 구조면에서도 본 트랜스듀서가 더 간단하다는 장점을 가지고 있다.
- 그림 16의 결과를 보면 기존 트랜스듀서는 중심 주파수 약 25 kHz에서 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구 조의 Push-Pull 트랜스듀서는 그림 7에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
- 그림 16의 결과를 보면 기존 트랜스듀서는 중심 주파수 약 25 kHz에서 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구 조의 Push-Pull 트랜스듀서는 그림 7에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
- 즉, Endcap의 길이가 길어질수록 PZT의 길이도 따라서 길어져야만 최대 음압을 구현 할 수 있음을 알 수 있다. 이상의 결과는 트랜스듀서의 전체 길이는 변하더라도 20 〜 25 kHz 대역에 발생하는 음압을 결정하는 것은 결국 내부 공간, 즉 연결 봉의 길이이며, 이 내부 공간의 길이를 일정하게 유지시켜주기 위해서는 트랜스듀서의 길이가 늘어남에 따라 Endcap과 PZT의 길이도 일정한 비율로 커져서, 내부 공간 길이를 일정 값 근처로 유지시켜야 이 주파수 대역에서 최대 음압을 발생할 수 있음을 보여준다. 따라서 그림 5과 6에 나타난 결과로부터, 최적 길이 규격을
- 즉, Endcap의 길이가 길어질수록 PZT의 길이도 따라서 길어져야만 최대 음압을 구현 할 수 있음을 알 수 있다. 이상의 결과는 트랜스듀서의 전체 길이는 변하더라도 20 〜 25 kHz 대역에 발생하는 음압을 결정하는 것은 결국 내부 공간, 즉 연결 봉의 길이이며, 이 내부 공간의 길이를 일정하게 유지시켜주기 위해서는 트랜스듀서의 길이가 늘어남에 따라 Endcap과 PZT의 길이도 일정한 비율로 커져서, 내부 공간 길이를 일정 값 근처로 유지시켜야 이 주파수 대역에서 최대 음압을 발생할 수 있음을 보여준다. 따라서 그림 5과 6에 나타난 결과로부터, 최적 길이 규격을
- 그러나 그렇게 하더라도 전체 길이가 140 mm의 경우에는 이 주파수 대역에 위치시키기가 어렵고 100, 120 mm의 경우에도 최대 음압의 크기가 80 mm일 때에 비해서 상대적으로 작음을 알 수 있다. 즉, 트랜스듀서 전체 길이의 변화에 따른 중심주파수의 변화를 전적으로 PZT의 길이만 조절함으로써 조정함은 비효율적임을 알 수 있고, 따라서 또 다른 길이 변수인 Endcap의 길이도 함께 조절해야만 원하는 주파수 대역에서 충분한 크기의 음압을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 다음으로 전체 길이가 일정 할 때 최대 음압을 내기 위한 Endcap 길이와 PZT 길이의 관계를 그림 5과 6에 나타내었다.
후속연구
- 결론적으로 트랜스듀서 내부 Endcap의 Edge 형상은 수직형보다는 삼각형이 더 높은 음압을 발생시키는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이 Edge의 형상으로 삼각형만을 고려하였으나, 반경 방향과 길이 방향간의 진동 모드 결합율을 증대시키기 위해서 다양한 곡률 반경을 가지는 만곡형 Edge를 고려할 필요가 있다.
- 결론적으로 트랜스듀서 내부 Endcap의 Edge 형상은 수직형보다는 삼각형이 더 높은 음압을 발생시키는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이 Edge의 형상으로 삼각형만을 고려하였으나, 반경 방향과 길이 방향간의 진동 모드 결합율을 증대시키기 위해서 다양한 곡률 반경을 가지는 만곡형 Edge를 고려할 필요가 있다.
- 예상대로 25 kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났고, 이 극대치를 전후해서 또 다른 극대치들이 몇 개 더 관찰되었다. 트랜스듀서의 기본 공진주파수가 5.1 kHz인 점을 고려하면 이들 극대치들은 기본 모드들의 고차 모드 혹은 길이 방향, 횡방향 모드들의 결합 모드들인 것으로 판단되며, 이들은 트랜스듀서 의 효율적인 사용면에서는 바람직하지 않은 것들로서, 향후 연구를 통해 제거해야 할 필요가 있 는 것들이다.
- 예상대로 25 kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났고, 이 극대치를 전후해서 또 다른 극대치들이 몇 개 더 관찰되었다. 트랜스듀서의 기본 공진주파수가 5.1 kHz인 점을 고려하면 이들 극대치들은 기본 모드들의 고차 모드 혹은 길이 방향, 횡방향 모드들의 결합 모드들인 것으로 판단되며, 이들은 트랜스듀서 의 효율적인 사용면에서는 바람직하지 않은 것들로서, 향후 연구를 통해 제거해야 할 필요가 있 는 것들이다.
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