[논문]2층 구조 압전 트랜스듀서를 이용한 초음파 트랜스듀서 어레이의 지향 특성 가변

김정호; 송인진; 하강렬; 김천덕; 김무준

문제 정의

이것의 구현은 전기적인 용량을 이용하여 공진 모드의 음향 파워를 제어할 수 있는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 가능하몌5], 진동자의 특성을 제어하 기 위해 사용하는 전기적인 용량은 트랜스듀서 어레이의 제작 후에도 조절이 가능하여 사용 목적에 따른 지향성 변화를 얻기에 용이하리라 기대된다. 따라서 본 연구에 서는 제안한 트랜스듀서 어레이의 특성의 이론적 해석을 위하여 우선 Mason 등가회로를 이용한 해석법을 검토하였고, 제작한 트랜스듀서 및 어레이의 동작 특성을 이론 및 실험적으로 해석하였다.
본 연구에서는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 지향 특성을 가변할수 있는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다. 2층 구조 트랜스듀서는 동일한 특성을 갖는 압전체를 적층하고 그 한 장의 압전체에 전기 적 인 용량 C_x를 부가하고 변화시킴으로써 기본 공진 모드의 2배에 해당하는제 2차 모드를 발생시키고 그 음향 파워를 제어할 수 있다.
본 연구에서는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 지향 특성을 가변할수 있는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다. 2층 구조 트랜스듀서는 동일한 특성을 갖는 압전체를 적층하고 그 한 장의 압전체에 전기 적 인 용량 C_x를 부가하고 변화시킴으로써 기본 공진 모드의 2배에 해당하는제 2차 모드를 발생시키고 그 음향 파워를 제어할 수 있다.
트랜스듀서 어레이의 지향 특성은 일반적으로 진동자의 진폭 가중치와 방사 면적 그리고 진동자간의 거리에 의해 결정된다. 본 연구에서는 2층 구조 트랜스듀서를 진동자로 사용하여, 각 진동자의 진폭 가중치를 제어함으로써 지향 특성을 제어할 수 있는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다.
트랜스듀서 어레이의 지향 특성은 일반적으로 진동자의 진폭 가중치와 방사 면적 그리고 진동자간의 거리에 의해 결정된다. 본 연구에서는 2층 구조 트랜스듀서를 진동자로 사용하여, 각 진동자의 진폭 가중치를 제어함으로써 지향 특성을 제어할 수 있는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다.
이러한 진폭 가중치를 구현하는 방법으로는 전기단에 접속한 변압기의 권선비를 조절하는 방법, 혹은 digital 구동장치를 사용하여 각 소자에 인가하는 진폭비를 직 접 제어하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 진동자의 전기 단에 있어서 입력 조건을 변화시키는 기존의 방법과는 달리 진동자 자체의 특성 변화로 인한 음향단의 출력 변 화를 이용하여 가중치를 구현하는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다. 이것의 구현은 전기적인 용량을 이용하여 공진 모드의 음향 파워를 제어할 수 있는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 가능하몌5], 진동자의 특성을 제어하 기 위해 사용하는 전기적인 용량은 트랜스듀서 어레이의 제작 후에도 조절이 가능하여 사용 목적에 따른 지향성 변화를 얻기에 용이하리라 기대된다.

제안 방법

따라서 2층 트랜스듀서의 각 구동전압의 크기를 적절히 제어하면 압전체가 한 장일 때와 두 장일 때의 특성을 동시에 얻을 수 있고, 또한 그 때 생성되는 진동 모드의 효율를 제어할 수 있게 된다. 이를 구현하기 위하여 그림 3(a)에 나타낸 것과 같이 특성 이 동일한 두 압전체를 분극 방향이 일치하도록 적층시키고, 한 장의 압전체의 전기단에 전기 적 인 용량 C_x를 부 가하는 방법을 제안한다. 이 때 Mason 등가회로를 이용한 등가회로를 그림 3(b)에 나타내었다.
각 진동자에 접속된 C_x로 제어된 트랜스듀서 어레이 의 음압 진폭비는 1:1:1:1:1, 0.25:0.6:1:0.6:0.25, 0.15:0.3:1:0.3:0.15, 0:0.5:1:0.5:0으로 하였다. 이 때, -3 dB 빔 폭을 표 2에 나타내었다.
이것의 구현은 전기적인 용량을 이용하여 공진 모드의 음향 파워를 제어할 수 있는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 가능하몌5], 진동자의 특성을 제어하 기 위해 사용하는 전기적인 용량은 트랜스듀서 어레이의 제작 후에도 조절이 가능하여 사용 목적에 따른 지향성 변화를 얻기에 용이하리라 기대된다. 따라서 본 연구에 서는 제안한 트랜스듀서 어레이의 특성의 이론적 해석을 위하여 우선 Mason 등가회로를 이용한 해석법을 검토하였고, 제작한 트랜스듀서 및 어레이의 동작 특성을 이론 및 실험적으로 해석하였다.
따라서 신호발생기에서 157 kHz, 전압 10 V, burst 10개의 Tone burst파를 트랜스듀서 어레이의 각 진동자에 동시에 인가하고, 수중에 방 사한 후 Stepping Motor를 이용하여 트랜스듀서 어레이를 1.8°씩 회전시키면서 70 cm 떨어진 위치에서 Hydro-phone (B&K 8103)으로 지향특성을 측정하였다.
이러한 진폭 가중치를 구현하는 방법으로는 전기단에 접속한 변압기의 권선비를 조절하는 방법, 혹은 digital 구동장치를 사용하여 각 소자에 인가하는 진폭비를 직 접 제어하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 진동자의 전기 단에 있어서 입력 조건을 변화시키는 기존의 방법과는 달리 진동자 자체의 특성 변화로 인한 음향단의 출력 변 화를 이용하여 가중치를 구현하는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다. 이것의 구현은 전기적인 용량을 이용하여 공진 모드의 음향 파워를 제어할 수 있는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 가능하몌5], 진동자의 특성을 제어하 기 위해 사용하는 전기적인 용량은 트랜스듀서 어레이의 제작 후에도 조절이 가능하여 사용 목적에 따른 지향성 변화를 얻기에 용이하리라 기대된다.
따라서 신호발생기에서 157 kHz, 전압 10 V, burst 10개의 Tone burst파를 트랜스듀서 어레이의 각 진동자에 동시에 인가하고, 수중에 방 사한 후 Stepping Motor를 이용하여 트랜스듀서 어레이를 1.8°씩 회전시키면서 70 cm 떨어진 위치에서 Hydro-phone (B&K 8103)으로 지향특성을 측정하였다.
제안한 트랜스듀서 어레이는 2층 구조 트랜스듀서를 등 간격으로 선형 배열하였다. 이 경우, 트랜스듀서 어레이의 원거리 지향 함수는 진동자 한 개의 원거리 지향함 수E(f,f_x)와 선형 어레이 원거리 지향함수 S(f_x)의 곱으로 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다[4].
제작된 압전 트랜스듀서의 주파수 특성 측정은 신호발생기에서 펄스폭 10µs, 전압5V의 펄스신호를 압전 트랜스듀서에 인가한 후, 수중에서 그 응답을 디지털 오실로스코프에서 관측하여 퍼스널 컴퓨터로 주파수 특성을 분석하였다.
제작된 압전 트랜스듀서의 주파수 특성 측정은 신호발생기에서 펄스폭 10µs, 전압5V의 펄스신호를 압전 트랜스듀서에 인가한 후, 수중에서 그 응답을 디지털 오실로스코프에서 관측하여 퍼스널 컴퓨터로 주파수 특성을 분석하였다.

대상 데이터

제작된 트랜스듀서 어레이의 진폭 가중치 비에 따른 지향 특성을 측정하기 위한 장치도를 그림 9에 나타내 었 다. 2층 구조 트랜스듀서의 사용 공진 모드는 C_x로 제어 가능한 제2차 공진 모드를 사용하였으며, 트랜스듀서 어 레이에 인가된 주파수는 그림 5의 결과에서 가장 큰 제2 차 공진모드의 진폭을 가지는 6.8 nF 일 때의 제 2차 공진 모드인 157 kHz를 인가하였다. 따라서 신호발생기에서 157 kHz, 전압 10 V, burst 10개의 Tone burst파를 트랜스듀서 어레이의 각 진동자에 동시에 인가하고, 수중에 방 사한 후 Stepping Motor를 이용하여 트랜스듀서 어레이를 1.
제작된 트랜스듀서 어레이의 진폭 가중치 비에 따른 지향 특성을 측정하기 위한 장치도를 그림 9에 나타내 었 다. 2층 구조 트랜스듀서의 사용 공진 모드는 C_x로 제어 가능한 제2차 공진 모드를 사용하였으며, 트랜스듀서 어 레이에 인가된 주파수는 그림 5의 결과에서 가장 큰 제2 차 공진모드의 진폭을 가지는 6.8 nF 일 때의 제 2차 공진 모드인 157 kHz를 인가하였다. 따라서 신호발생기에서 157 kHz, 전압 10 V, burst 10개의 Tone burst파를 트랜스듀서 어레이의 각 진동자에 동시에 인가하고, 수중에 방 사한 후 Stepping Motor를 이용하여 트랜스듀서 어레이를 1.
그림 5와 같은 특성을 갖는 2층 구조 트랜스듀서 5개를 사용하여 본 연구에서 제안한 트랜스듀서 어레이를 그림 7과 같이 제작하였다. 제작에 사용된 2층 구조 트랜스듀서에 제 2차 공진 모드인 157 kHz를 인가할 경우, 지향 특성은 그림 8과 같으며, -3 dB 빔 폭은 64°이었다.
그림 5와 같은 특성을 갖는 2층 구조 트랜스듀서 5개를 사용하여 본 연구에서 제안한 트랜스듀서 어레이를 그림 7과 같이 제작하였다. 제작에 사용된 2층 구조 트랜스듀서에 제 2차 공진 모드인 157 kHz를 인가할 경우, 지향 특성은 그림 8과 같으며, -3 dB 빔 폭은 64°이었다.
를 한 쪽의 압전체 전기단자에 부가하여 제작하였다. 배면체로는 에폭시를 사용하였으며 실험에 사용된 압전체의 물성은 표 1과 같다.
를 한 쪽의 압전체 전기단자에 부가하여 제작하였다. 배면체로는 에폭시를 사용하였으며 실험에 사용된 압전체의 물성은 표 1과 같다.
실험에서 사용한 2층 구조 트랜스듀서는 동일한 특성을 갖는 압전 세라믹 두 장을 접착하고 전기적인 용량 C_x를 한 쪽의 압전체 전기단자에 부가하여 제작하였다. 배면체로는 에폭시를 사용하였으며 실험에 사용된 압전체의 물성은 표 1과 같다.
실험에서 사용한 2층 구조 트랜스듀서는 동일한 특성을 갖는 압전 세라믹 두 장을 접착하고 전기적인 용량 C_x를 한 쪽의 압전체 전기단자에 부가하여 제작하였다. 배면체로는 에폭시를 사용하였으며 실험에 사용된 압전체의 물성은 표 1과 같다.

이론/모형

사용 목적에 맞는 지향특성을 갖기 위한 진폭 가중치는 주어진 허용 부엽 준위에 대하여 가장 작은 빔폭을 가지는 Dolph-Chevyshev 기법, 부엽을 임의의 임계치 이하로 하는 Taylor distribution 기법, Gaussian distribution 기법 등에 의해 얻어질 수 있다[4].
사용 목적에 맞는 지향특성을 갖기 위한 진폭 가중치는 주어진 허용 부엽 준위에 대하여 가장 작은 빔폭을 가지는 Dolph-Chevyshev 기법, 부엽을 임의의 임계치 이하로 하는 Taylor distribution 기법, Gaussian distribution 기법 등에 의해 얻어질 수 있다[4].

성능/효과

2층 구조 트랜스듀서를 진동자로 한 선형 어레이를 제작하고, 각 진동자에서 방사되는 음압의 진폭 비를 Cx의 변화로 제어한 결과 빔 폭이 7.6°〜 16.2°의 범위에서 간단하게 제어 가능함을 확인하였다.
그림 10은 지향 특성의 측정 결과를 시뮬레이션과 비교하여 나타내었다. 그 결과를 수치 해석과 비교하면 부엽에서는 다소 차이가 있지만 진폭 가중치의 변화에 따른 주엽의 변화 경향은 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
그림 10은 지향 특성의 측정 결과를 시뮬레이션과 비교하여 나타내었다. 그 결과를 수치 해석과 비교하면 부엽에서는 다소 차이가 있지만 진폭 가중치의 변화에 따른 주엽의 변화 경향은 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
를 부가하고 변화시킴에 의해 기본 공진 주파수의 2배에 해당하는 공진 모드의 진폭을 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 이 2층구조 트랜스듀서를 트랜스듀서 어레이에 적용함으로써 용이하게 지향 특성을 가변시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 제안한 트랜스듀서 어레이를 목적에 따라 지향 특성을 간단하게 가변시킴으로써 보다 정도 높은 계측이 가능할 것으로 판단된다.
를 부가하고 변화시킴에 의해 기본 공진 주파수의 2배에 해당하는 공진 모드의 진폭을 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 이 2층구조 트랜스듀서를 트랜스듀서 어레이에 적용함으로써 용이하게 지향 특성을 가변시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 제안한 트랜스듀서 어레이를 목적에 따라 지향 특성을 간단하게 가변시킴으로써 보다 정도 높은 계측이 가능할 것으로 판단된다.
실험 결과를 보면 C_x가 부가되지 않는 경우에는 전체에 의한 기본 공진 모드 주파수만이 약 80 kHz에서 나타남을 알 수 있다. 그러나 C_x를 부가하면 기본 공진 모드의 2배에 해당하는 제 2차 공진 주파수가 약 157 -170 kHz에서 나타나고, 그 크기가 C_x에 따라 변화하는 것을 알 수 있다.
실험결과를 보면 Cx가 부가되지 않는 경우에는 전체에 의한 기본 공진 모드 주파수만이 약 80 曲에서 나타남을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 2층 구조 트랜스듀서에 전기적인 용량 C_x를 부가하고 변화시킴에 의해 기본 공진 주파수의 2배에 해당하는 공진 모드의 진폭을 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 이 2층구조 트랜스듀서를 트랜스듀서 어레이에 적용함으로써 용이하게 지향 특성을 가변시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상의 결과로부터 2층 구조 트랜스듀서에 전기적인 용량 C_x를 부가하고 변화시킴에 의해 기본 공진 주파수의 2배에 해당하는 공진 모드의 진폭을 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 이 2층구조 트랜스듀서를 트랜스듀서 어레이에 적용함으로써 용이하게 지향 특성을 가변시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 이 2층구조 트랜스듀서를 트랜스듀서 어레이에 적용함으로써 용이하게 지향 특성을 가변시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 제안한 트랜스듀서 어레이를 목적에 따라 지향 특성을 간단하게 가변시킴으로써 보다 정도 높은 계측이 가능할 것으로 판단된다.
또한 이 2층구조 트랜스듀서를 트랜스듀서 어레이에 적용함으로써 용이하게 지향 특성을 가변시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 제안한 트랜스듀서 어레이를 목적에 따라 지향 특성을 간단하게 가변시킴으로써 보다 정도 높은 계측이 가능할 것으로 판단된다.
2°의 범위에서 간단하게 제어 가능함을 확인하였다. 이것은 제안된 트랜스듀서 어레이를 초음파 진단 장치나 표적을 탐지하는 소나 등에 이용할 경우, 트랜스듀서 어레이가 제작된 이후에도 사용 목적에 따른 지향특성의 변경이 용이하여 그 응용 분야가 많을 것으로 기대된다.
2°의 범위에서 간단하게 제어 가능함을 확인하였다. 이것은 제안된 트랜스듀서 어레이를 초음파 진단 장치나 표적을 탐지하는 소나 등에 이용할 경우, 트랜스듀서 어레이가 제작된 이후에도 사용 목적에 따른 지향특성의 변경이 용이하여 그 응용 분야가 많을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 진동자의 전기 단에 있어서 입력 조건을 변화시키는 기존의 방법과는 달리 진동자 자체의 특성 변화로 인한 음향단의 출력 변 화를 이용하여 가중치를 구현하는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다. 이것의 구현은 전기적인 용량을 이용하여 공진 모드의 음향 파워를 제어할 수 있는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 가능하몌5], 진동자의 특성을 제어하 기 위해 사용하는 전기적인 용량은 트랜스듀서 어레이의 제작 후에도 조절이 가능하여 사용 목적에 따른 지향성 변화를 얻기에 용이하리라 기대된다. 따라서 본 연구에 서는 제안한 트랜스듀서 어레이의 특성의 이론적 해석을 위하여 우선 Mason 등가회로를 이용한 해석법을 검토하였고, 제작한 트랜스듀서 및 어레이의 동작 특성을 이론 및 실험적으로 해석하였다.
본 연구에서는 진동자의 전기 단에 있어서 입력 조건을 변화시키는 기존의 방법과는 달리 진동자 자체의 특성 변화로 인한 음향단의 출력 변 화를 이용하여 가중치를 구현하는 트랜스듀서 어레이를 제안하였다. 이것의 구현은 전기적인 용량을 이용하여 공진 모드의 음향 파워를 제어할 수 있는 2층 구조 트랜스듀서를 이용하여 가능하몌5], 진동자의 특성을 제어하 기 위해 사용하는 전기적인 용량은 트랜스듀서 어레이의 제작 후에도 조절이 가능하여 사용 목적에 따른 지향성 변화를 얻기에 용이하리라 기대된다. 따라서 본 연구에 서는 제안한 트랜스듀서 어레이의 특성의 이론적 해석을 위하여 우선 Mason 등가회로를 이용한 해석법을 검토하였고, 제작한 트랜스듀서 및 어레이의 동작 특성을 이론 및 실험적으로 해석하였다.

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