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유한요소법을 이용한 Tonpilz 트랜스듀서의 최적구조 설계
Optimal Structural Design of a Tonpilz Transducer by Means of the Finite Element Method 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.22 no.8, 2003년, pp.637 - 644  

강국진 (경북대학교 센서공학과) ,  노용래 (경북대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 대표적인 수중 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서에 대하여 설계변수들이 트랜스듀서 성능에 미치는 영향을 유한요소 해석을 통하여 파악하였다. 나아가 그 결과들의 통계적 다중 회귀분석을 통하여 응력 강화 (Stress stiffening) 효과를 고려한 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압을 이들 설계변수들의 함수로 도출한 후, 제한 최적화법인 SQP-PD 방법을 이용해 공진 주파수 30,000 Hz 와 -3dB 대역폭 10% 이상을 가지며 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적구조를 결정하였다. 또한 SQP-PD 방법에 의한 최적값을 유한요소 해석에 의한 값과 비교함으로써 최적값의 타당성을 검증하였고, 본 연구에서 제시한 설계법이 계산시간의 단축과 높은 정확성을 가짐을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, with the FEM we analyzed the variation of the resonance frequency, bandwidth, and sound pressure of the Tonpilz transducer in relation to its design variables. Through statistical multiple regression analysis of the results, we derived functional forms of the resonance frequency, band...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 표 4의 결과만을 이용하여 주어진 사양을 만족하면서 최대 음압을 발생시키는 트랜스듀서의 최적구조를 결정하는데는 한계가 따른다. 따라서 본 연구에서는 설계변수들의 개별 영향 및 상호효과를 고려할 수 있는 통계적 기법인 반응표면계획법에 따른 다중 회귀분석을 수행하였다.
  • 그간 주어진 공진 주파수에서 높은 음압을 발생시킬 수 있는 Tonpilz 트랜스듀서 개발에 대해 그동안 많은 연구가 진행되어 왔으나[4-10] 대부분의 경우 구동자 재료를 바꿈으로써 높은 음압을 구현하고자 하였고[8T0], 정해진 공진 주파수와재료에 대해서 일정 대 역폭을 만족시키면서 높은 음압을 발생시킬 수 있는 음향 트랜스듀서 구조 설계에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 연구에서는 대표적 수중 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서에 대하여 유한요소 해석을 통하여 설계변수들이 주요 성능인 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압에 미치는 영향을 파악하였다. 해석시 설계 변수들에 따른 성능의 변화를 효율적으로 분석하기 위하여 반응표면계획법 (Response Surface Design Method)에 따른 해석을 수행하였으며 이 결과의 다중 회귀분석을통하여 트랜스듀서의 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압을 설계변수들의 함수로도출하였다[12].
  • 따라서 음향 트랜스듀서의 최적 성능을 구현하기 위해서는 설계변수들의 개별 변화에 따른 성능 변화와 변수들의 상호작용에 의한 성능 변화를 함께 고려하여야 한다. 본 연구에서는 대표적 수중 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서에 대하여 각설계변수들의 개별 영향및 이들의 상호작용에 의한 영향을 반영하여 주어진 공진 주파수에서 작동하고 -3 dB 대역폭 10% 이상을 만족하며 최대 음압을 구현할 수 있는 Tonpilz 트랜스듀서 설계변수들의 최적값을 찾고자 한다.
  • 따라서 음향 트랜스듀서의 최적 성능을 구현하기 위해서는 설계변수들의 개별 변화에 따른 성능 변화와 변수들의 상호작용에 의한 성능 변화를 함께 고려하여야 한다. 본 연구에서는 대표적 수중 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서에 대하여 각설계변수들의 개별 영향및 이들의 상호작용에 의한 영향을 반영하여 주어진 공진 주파수에서 작동하고 -3 dB 대역폭 10% 이상을 만족하며 최대 음압을 구현할 수 있는 Tonpilz 트랜스듀서 설계변수들의 최적값을 찾고자 한다.
  • 그간 주어진 공진 주파수에서 높은 음압을 발생시킬 수 있는 Tonpilz 트랜스듀서 개발에 대해 그동안 많은 연구가 진행되어 왔으나[4-10] 대부분의 경우 구동자 재료를 바꿈으로써 높은 음압을 구현하고자 하였고[8T0], 정해진 공진 주파수와재료에 대해서 일정 대 역폭을 만족시키면서 높은 음압을 발생시킬 수 있는 음향 트랜스듀서 구조 설계에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 연구에서는 대표적 수중 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서에 대하여 유한요소 해석을 통하여 설계변수들이 주요 성능인 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압에 미치는 영향을 파악하였다. 해석시 설계 변수들에 따른 성능의 변화를 효율적으로 분석하기 위하여 반응표면계획법 (Response Surface Design Method)에 따른 해석을 수행하였으며 이 결과의 다중 회귀분석을통하여 트랜스듀서의 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압을 설계변수들의 함수로도출하였다[12].
  • Tonpilz 트랜스듀서 제작시 볼트를 일정 압력으로 조임으로써 트랜스듀서 구성품들을 결합시키고 전체적인 성능을 향상시킨다[14]. 본 연구에서는 볼트의 조임에 의한 영향을 고려한 공진 주파수, 대역폭 및 음압을 해석하기 위해서 그림 5와 같이 볼트 양단에 일정한 압력을 인가하고 각 구조체의 항복응력값을 대입한 상태에서 정적 해석을 하여 소성변형이 처음으로 일어나기 직전의 압력 값을 먼저 계산하였다. 계산된 값을 다시 볼트에 인가한 상태에서 압전 세라믹 단위 길이당 일정한 전압 (10 V/mm)의 사인파를 인가하고 과도 (transient) 해석을 행하여 응력 강화 효과를 고려한 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압을 계산하였다.
  • Tonpilz 트랜스듀서 제작시 볼트를 일정 압력으로 조임으로써 트랜스듀서 구성품들을 결합시키고 전체적인 성능을 향상시킨다[14]. 본 연구에서는 볼트의 조임에 의한 영향을 고려한 공진 주파수, 대역폭 및 음압을 해석하기 위해서 그림 5와 같이 볼트 양단에 일정한 압력을 인가하고 각 구조체의 항복응력값을 대입한 상태에서 정적 해석을 하여 소성변형이 처음으로 일어나기 직전의 압력 값을 먼저 계산하였다. 계산된 값을 다시 볼트에 인가한 상태에서 압전 세라믹 단위 길이당 일정한 전압 (10 V/mm)의 사인파를 인가하고 과도 (transient) 해석을 행하여 응력 강화 효과를 고려한 공진 주파수, 대역폭 및 발생 음압을 계산하였다.
  • 또한 성능의 함수화를 이루기 위한 기초자료를 획득하기 위해서 반응표면계획법에 의한 유한요소 해석을 행하였다. 본 연구에서는 설계변수들의 상호효과를 고려하기 위하여 설계변수들의 값이 각각 ±1과 土0.5로 구성되는 2X2n 요인계획 (n=설계변수 수) 반응표면계획법에 의한 해석을 하였다. 그리고 개별 설계변수들의 영향은 3절에서 행한 17가지 결과를 이용하였다.
  • 본 연구에서는 음향 트랜스듀서의 최적 설계법을 제시하였다. 제시된 설계법은 트랜스듀서의 대표적 성능에 미치는 설계변수들의 영향을 유한요소 해석을통해 구한 다음, 통계적 기법인 반응표면계획법과 다중 회귀분석을 수행하여 공진 주파수, 대역폭 및 음압을 설계변수들의 함수로서 구하였고, 제한 최적화 방법인 SQP-PD법을 이용하여 주어진 사양을 만족하면서 최대 음압을 구현하는 Tonpilz 트랜스듀서 최적구조를 도출하였다.
  • 본 연구에서는 음향 트랜스듀서의 최적 설계법을 제시하였다. 제시된 설계법은 트랜스듀서의 대표적 성능에 미치는 설계변수들의 영향을 유한요소 해석을통해 구한 다음, 통계적 기법인 반응표면계획법과 다중 회귀분석을 수행하여 공진 주파수, 대역폭 및 음압을 설계변수들의 함수로서 구하였고, 제한 최적화 방법인 SQP-PD법을 이용하여 주어진 사양을 만족하면서 최대 음압을 구현하는 Tonpilz 트랜스듀서 최적구조를 도출하였다.
  • 본 연구의 목적은 수중 공진 주파수 30,000 Hz를 가지며 -3 dB 대역폭 10% 이상을 만족하면서 최대 음압을 구현할수 있는Tonpilz 트랜스듀서의 설계변수들을 최적화하는 것이다. 따라서 목적함수는 음압을 최대화하는 것이므로 식 (5)와 같이 표현할수 있고, 제한 조건은 공진 주파수와 대역폭이므로 식 (6)과 같이 표현할 수 있다.
  • 본 연구의 목적은 수중 공진 주파수 30,000 Hz를 가지며 -3 dB 대역폭 10% 이상을 만족하면서 최대 음압을 구현할수 있는Tonpilz 트랜스듀서의 설계변수들을 최적화하는 것이다. 따라서 목적함수는 음압을 최대화하는 것이므로 식 (5)와 같이 표현할수 있고, 제한 조건은 공진 주파수와 대역폭이므로 식 (6)과 같이 표현할 수 있다.

가설 설정

  • 수중 모델은 트랜스듀서 구조체, 물 그리고물과구조체의 경계층 (FSI)으로구성하였고, 원거리장 음압 계산을 할 수 있도록 물을 트랜스듀서 표면에서 100 mni까지 설치하였으며, 약 18,400개의 절점과 18,000개의 요소로 형성되어 있다. 경계 조건으로는 트랜스듀서의 모든 부분을 자유상태로 가정하였고, 물의 최 외곽층에는 무반사 경계조건을 적용하였다. 유한요소 해석모델의 타당성을 검증하기 위하여 그림 1에서 보인 Tonpilz 트랜스듀서의 공진 및 반공진 특성을 임피던스 분석기 (HP-4194A)로 측정하였고, 그림 2의 유한요소 모델 해석결과와의 비교를 위해서 측정치의 공진 주파수에 대해 정규화하여 그림 3과 4에 나타내었다.
  • 다음으로 표 1의 치수를 가지는 모델을 기본 모델로 하여 공진 주파수와 대역폭 및 음압에 많은 영향을 미칠 것으로 판단되는 4개의 설계변수 및 각각의 변화 범위를 설정하여 표 3에 나타내었다. 변수들의 변화 범위는 기본 모델에서 土50%로 설정하였으며, 전면추 최소반경은 압전 세라믹의 반경과 동일하다고 가정하였다. 또한 트랜스듀서 내부 반경과 물성은 기본 모델의 값으로 고정시켰다.
  • 다음으로 표 1의 치수를 가지는 모델을 기본 모델로 하여 공진 주파수와 대역폭 및 음압에 많은 영향을 미칠 것으로 판단되는 4개의 설계변수 및 각각의 변화 범위를 설정하여 표 3에 나타내었다. 변수들의 변화 범위는 기본 모델에서 土50%로 설정하였으며, 전면추 최소반경은 압전 세라믹의 반경과 동일하다고 가정하였다. 또한 트랜스듀서 내부 반경과 물성은 기본 모델의 값으로 고정시켰다.
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참고문헌 (18)

  1. 강국진, 노용래, 'Class IV Flextensional 트랜스듀서의 주파수 특성 변화에 관한 연구,' 한국음향학회지, 18 (7), 67-73, 1999 

  2. 강국진, 노용래, 'Class IV Flextensional 트랜스듀서 최적설계 및 특성해석,' 한국음향학회지, 19 (4). 69-76, 2000 

  3. R. Hanel, A. Mues, and R. Sobotta. 'Description of ultrasound transducers through wave parameters,' Ultrasonics, 34, 159-162, 1996 

  4. K. R. Dhilsha, 'Performance of a low frequency. multiresonant broadband Tonpilz transducer,' J. Acoust. Soc. Am., 111 (4), 1692-1694, 2002 

  5. Q. Yao, and L. Bj $\o$ rn $\o$ , 'Broadband Tonpilz underwater acoustic transducers based on multimode optimization,' IEEE UFFC, 44 (5), 1060-1066, 1996 

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  7. S. Kaneko, S. Nomoto, H. Yamamori, and K. Ohya, 'Load characteristics of a bolted Langevin torsional transducer.' Ultrasonics, 34, 239-241, 1996 

  8. K. R. Dhilsha, G. Markandeyulu, B. V. P. Subrahmanyeswara Rao, and K. V. S. Rama Rao, 'Design and fabrication of a low frequency giant magnetostrictive transducer,' Journal of Alloys and Compounds, 258, 53-55, 1997 

  9. F. Claeyssen, N. Lhermet, R. Le Letty, and P. Bouchilloux, 'Actuators, transducers and motors based on giant magnetostrictive materials,' Journal of Alloys and Compounds, 258, 61-73, 1997 

  10. M. B. Moffett, A. E. Clark, M. Wun-Fogle, J. Linberg, J. P. Teter, and E. A. Mclaughlin, 'Characterization of Terfenol-D for magnetostrictive transducers,' J. Acoust. Soc. Am., 89 (3), 1448-1455, 1991 

  11. R. O. Kuehl, Design of Experiments: Statistical Principles of Research Design and Analysis, Duxbury Press, Pacific Grove, 2000 

  12. R. J. Freund, and W. J. Wilson, Regression Analysis: Statistical Modeling of a Response Variable, Academic Press, San Diego, 1998 

  13. A. D. Belegudu, and T. R. Chandrupatla, Optimization Concepts and Applications in Engineering, Prentice Hall, New Jersey, Chap. 5, 141-221, 1999 

  14. O. B. Wilson, Introduction to Theory and Design of Sonar Transducers, Peninsulr publishing, Los Altos, Chap. 6, 109-125, 1988 

  15. J. I. Im, and Y. R. Roh, 'Design and evaluation of noise suppressing Tonpilz hydrophone structures,' Japanese Journal of Applied Physics, 39 (2A), 517-525, 2000 

  16. L. L. Beramnek, Acoustics, American Institute of Physics, New York, Chap. 4, 91-115, 1988 

  17. J. R. Oswin, and J. Dunn, 'Frequency, power and depth performance of Class IV flextensional transducers,' in: B. Hamonic and J. N. Decarpigny (Eds.). Power Sonics and Ultrasonic Transducers Design, Springer-Verlag, Berlin, 121-133, 1988 

  18. SAS Institute lnc., Strategic Application Software, ver. 8.1, Cary, North Carolina, 2000 

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