[논문]능동흡음재를 이용한 음파반사 제어기법 연구

장우석; 권대용

doi:10.7776/ask.2009.28.8.806

능동흡음재를 이용한 음파반사 제어기법 연구
Study on Sound Reflection Control using an Active Sound Absorber 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.28 no.8, 2009년, pp.806 - 814

장우석 (LIG넥스원 Maritime 연구센터) , 권대용 (LIG넥스원 Maritime 연구센터)

초록
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이 논문은 능동흡음재를 이용한 수중음향반사파 상쇄에 관한 연구이다. 능동흡음재는 평판형 구동센서와 수신센서로 몰딩되고 외부 제어기와 연결된 구조로 되어있다. 이 두 층의 센서와 피드백제어기는 하나의 피드백 루프를 이루며, 이 루프의 특징은 외부로부터 인가되는 입사파에 대해 음향 임피던스가 자동적으로 정합되어, 자동적으로 반사파를 상쇄하는 특성을 가진다. 능동흡음재의 전기 구조 음향의 다중물리특성은 1차원 전달함수로 모델링 되고, 운용주파수 대역에서 입사파에 대한 반사파가 최소화 되도록 제어기의 전달함수가 설정된다. 능동형 흡음재는 수동형 흡음재의 두께에 비하여 현저히 얇은 두께를 가지며, 간단한 아날로그 회로 제어기만으로도 넓은 주파수 대역에서 우수한 흡음특성을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reviews a study about sound reflection control using an active sound absorber. An active sound absorber includes sound transmitting and receiving piezocomposite sensor layers molded by water tight epoxy, and connected with a feedback controller. The multi-layer sensors and the controller consists a closed feedback loop, whose intrinsic characteristics shows excellent impedance matching performance within specified frequency band, and consequently, minimizes reflection waves. Multilayer sound transmission model is derived based on one dimensional model, and its performance is verified with experiment using a pulse tube setup.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

적층된 능동흡음재는 방수 몰딩 되어있으며, 후면은 주로 구조물이나 벽면에 접착되어 설치된다. 구조물 벽면의 후면은 공기에, 전면은 물에 노출되어 있고, 이 매질 들의 두께는 무한대라고 가정한다. 이러한 적층 구조는 그림 1에 상세히 나타나 있다.
적층된 능동흡음재는 방수 몰딩 되어있으며, 후면은 주로 구조물이나 벽면에 접착되어 설치된다. 구조물 벽면의 후면은 공기에, 전면은 물에 노출되어 있고, 이 매질 들의 두께는 무한대라고 가정한다. 이러한 적층 구조는 그림 1에 상세히 나타나 있다.
반사계수 R(jω) 및 수신감도는 구동전압 (Va)을 0으로 가정하여 식 (8)에서 구하고, 송신감도 TTVR(jω) 및 TAS(jω)는 입사파를 0으로 가정하여 구한다.

제안 방법

5장에서 언급한 능동흡음재를 이용한 음파반사제어 개념을 실험을 통하여 검증하였다. 그림 6은 펄스튜브를 이용한 능동흡음재 시험장비 구성을 보여준다 [10], 펄스튜브는 내경이 7.
5장에서 언급한 능동흡음재를 이용한 음파반사제어 개념을 실험을 통하여 검증하였다. 그림 6은 펄스튜브를 이용한 능동흡음재 시험장비 구성을 보여준다 [10], 펄스튜브는 내경이 7.
그러나, 구동효율 관점에서 보면, 공진주파수 보다 낮은 대역에서는 음파 송신 감도가 현저히 낮다. 그러므로, 안정성과 효율 두 가지 요소를 동시에 만족하기 위해서는 구조공진 주파수를 운용 주파수대역보다 약간 높게 설정하여 성능의 안정성과 음파발신효율을 적정하게 절충하여 설계한다.
그러나, 구동효율 관점에서 보면, 공진주파수 보다 낮은 대역에서는 음파 송신 감도가 현저히 낮다. 그러므로, 안정성과 효율 두 가지 요소를 동시에 만족하기 위해서는 구조공진 주파수를 운용 주파수대역보다 약간 높게 설정하여 성능의 안정성과 음파발신효율을 적정하게 절충하여 설계한다.
이러한 반사파 상쇄 특성은 입사파를 입력신호로 하고 반사파를 출력신호로 하며, 특정주파수에서 입력신호를 필터링하는 밴드스톱필터 (Band Stop Filter)와 같다. 또한 구동센서-수신센서 적층구조물 해석과 제어기 전달함수 설계를 이론적으로 전개하고, 실험적인 기법을 이용하여 제어기를 설계하는 방법도 제시한다. 펄스튜브를 이용한 실험결과도 제시하여 능동흡음재 설계의 유효성을 증명 한다.
이러한 반사파 상쇄 특성은 입사파를 입력신호로 하고 반사파를 출력신호로 하며, 특정주파수에서 입력신호를 필터링하는 밴드스톱필터 (Band Stop Filter)와 같다. 또한 구동센서-수신센서 적층구조물 해석과 제어기 전달함수 설계를 이론적으로 전개하고, 실험적인 기법을 이용하여 제어기를 설계하는 방법도 제시한다. 펄스튜브를 이용한 실험결과도 제시하여 능동흡음재 설계의 유효성을 증명 한다.
이 논문에서는 하나의 음향 수신센서와 구동센서를 적층하여 몰딩된 적층구조물과 제어회로, 그리고 이들을 피드백 루프로 결합한 능동흡음재의 흡음특성이 연구되었다. 특히, 압전재료층과 제어회로의 피드백 루프의 특성을 최적화하여 운용주파수대역 내의 어떠한 주파수 및 파형의 음향신호가 인가되더라도 반사를 최소화하는 능동흡음재 설계에 초점이 맞추어져 있다.
Shields 등 [4]은 피드포워드 방식의 음파 반사 및 투과제어기법을 개발하여 펄스튜브 시험시설을 이용하여 검증하였다. 이는 특별한 수신센서는 장착되지 않고 펄스튜브 송신센서에 장착된 송신신호를 시간지 연하여 능동흡음재의 음파발신기를 구동하는 방식으로 개발되었다. Lafleur 등 [5]은 음파발신기 전면에 압전고무를 장착하여 입사파, 반사파 그리고 상쇄파를 감지, 이 신호를 디지털 신호지연회로를 이용하여 음파발신기를 구동하는 능동흡음재를 개발하였다.
지금까지 능동흡음재를 이용한 음파 반사 제어기법에 관한 이론적 접근법을 검토하고 시험결과와 비교하였다. 이론과 실험 모두 1차원적인 모델을 다루었고 이들의 결과는 모두 운용주파수 대역에서 수동흡음재로서는 도달할 수 없는 우수한 흡음특성을 보인다.
또한 구동센서-수신센서 적층구조물 해석과 제어기 전달함수 설계를 이론적으로 전개하고, 실험적인 기법을 이용하여 제어기를 설계하는 방법도 제시한다. 펄스튜브를 이용한 실험결과도 제시하여 능동흡음재 설계의 유효성을 증명 한다.
또한 구동센서-수신센서 적층구조물 해석과 제어기 전달함수 설계를 이론적으로 전개하고, 실험적인 기법을 이용하여 제어기를 설계하는 방법도 제시한다. 펄스튜브를 이용한 실험결과도 제시하여 능동흡음재 설계의 유효성을 증명 한다.
피드백제어기는 가변위상천이기 , 가변 로우패스필터, 전력증폭기 등을 직렬연결하고 각각의 파라미터를 조정하여 구현 되었다. 능동흡음재의 흡음특성은 하이드로폰에 의해 감지된 입사파와 반사파 신호를 비교하여 알 수 있다 (그림 9참조).

대상 데이터

이러한 적층 구조는 그림 1에 상세히 나타나 있다. 능동흡음재는 총 10층의 레이어, 11면의 경계 면을 가지며, 그 중 1층의 구동센서 층과 1층의 수신센서 층이 있다. 각 층의 물성 값은 표 1에 나타나 있다.
이러한 적층 구조는 그림 1에 상세히 나타나 있다. 능동흡음재는 총 10층의 레이어, 11면의 경계 면을 가지며, 그 중 1층의 구동센서 층과 1층의 수신센서 층이 있다. 각 층의 물성 값은 표 1에 나타나 있다.

이론/모형

두께 및 주파수 대역 문제를 보완한 모델이 Mazzola[2]에 의해 이론적으로 검증되었고 Corsaro 등 [3]에 의해 시험되었다. 이 모델은 하나의 음향수신센서와 하나의 가속도센서가 평면형 구동센서 앞에 배치된 구조를 가진다.
두께 및 주파수 대역 문제를 보완한 모델이 Mazzola[2]에 의해 이론적으로 검증되었고 Corsaro 등 [3]에 의해 시험되었다. 이 모델은 하나의 음향수신센서와 하나의 가속도센서가 평면형 구동센서 앞에 배치된 구조를 가진다.

성능/효과

4 가지 전달함수의 주파수 응답특성 그래프 결과를 종합해 보면 1차 공진 주파수보다 낮은 주파수 대역에서는 송수신감도, 반사계수 등이 모두 안정적이고 일정한 특성을 가진다. 이러한 주파수 대역에서는 피드백 제어기를 설계하기도 쉽고 제어성능도 설계오차에 대해 민감하게 저하되지 않는다.
4 가지 전달함수의 주파수 응답특성 그래프 결과를 종합해 보면 1차 공진 주파수보다 낮은 주파수 대역에서는 송수신감도, 반사계수 등이 모두 안정적이고 일정한 특성을 가진다. 이러한 주파수 대역에서는 피드백 제어기를 설계하기도 쉽고 제어성능도 설계오차에 대해 민감하게 저하되지 않는다.
이 호일은 센서 모서리 및 측면 부분도 감싸며, 동축케이블의 접지선과 연결된다. 결과적으로 센서는 전기적으로 차폐되어있어 구동센서와 수신센서가 전기적으로 완전히 분리되어있다. 적층된 재료는 방수처리를 위해 에폭시로 몰딩되어 있다.
이 호일은 센서 모서리 및 측면 부분도 감싸며, 동축케이블의 접지선과 연결된다. 결과적으로 센서는 전기적으로 차폐되어있어 구동센서와 수신센서가 전기적으로 완전히 분리되어있다. 적층된 재료는 방수처리를 위해 에폭시로 몰딩되어 있다.
3333px;">o라 하자. 마지막으로 음파 발신기와 흡음재를 동시에 구동하면 반사파와 상쇄파는 크기가 같고 위상은 다르다. 이때 구동신호의 위상을 위상천이기를 이용하여 적절히 조절하면 상쇄파가 반사파를 완전히 상쇄한다.
Zhang [9], Chang 등 [10]은 평판형 구동센서 전면에 압력센서를 설치하고 이 센서들 사이를 위상지 연회로를 이용한 피드백 제어기로 연결하여 반사파를 상쇄하는 기법을 고안하고 펄스튜브 시설을 이용하여 검증하였다. 이는 압력신호 피드백을 이용한 능동음향반사제어의 가능성을 제시하였고, 특히 제어회로를 간단한 아날로그회로로 구현가능하며, 제어기의 전달함수를 특정한 함수로 설계할 경우 광대역 주파수에서 입사파에 대한 사전정보 없이 반사제어가 가능하다는 사실을 밝혔다.
지금까지 능동흡음재를 이용한 음파 반사 제어기법에 관한 이론적 접근법을 검토하고 시험결과와 비교하였다. 이론과 실험 모두 1차원적인 모델을 다루었고 이들의 결과는 모두 운용주파수 대역에서 수동흡음재로서는 도달할 수 없는 우수한 흡음특성을 보인다. 특히 피드백 제어기는 복잡하고 고비용의 디지털회로 대신 간단한 아날로그 회로의 조합으로 구현될 수 있어 비용적인 측면에서 아주 유리하다.

후속연구

이 연구는 1차원 능동흡음에만 초점이 맞추어져 있어 실제 적용하기에는 추가적인 검증이 필요하다. 그 첫 째 항목이 3차원에서의 유효성, 특히 입사파가수직이 아닌 경우의 흡음특성이다.

참고문헌 (15)

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상세보기
C. J. Mazzola, C J Active Sound Absorption, Namlak Publication, New York, 1993
R. D. Corsaro, B. Houston, J. Bucaro, "Sensor-actuator tile for underwater surface impedance control studies," J. Acoust. Soc. Am. vol. 102, no. 3 , pp. 1573-1581, 1997

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F D Shields, L. D. Lafleur, "Smart acoustically active surfaces," J. Acoust. Soc. Am. vol. 102, no. 3, pp. 1559-1566, 1997

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L. D. Lafleur, F. D. Shields and J. E. Hendrix ‘"Acoustically active surfaces using piezorubber," J. Acoust. Soc. Am. vol. 90, pp. 1230-1237, 1991

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Z. Wu, X.-Q. Bao, V.K. Varadan, V.V. Varadan, “Broadband active acoustic absorbing coating with an adaptive digital controller,” Smart Matr. Struct. vol. 2, no. 1, pp. 40-44, 1993

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J. M. Zhang, W. Chang, V. K. Varadan and V. V. Varadan, “Passive underwater acoustic damping using shunted piezoelectric coating,” Smart Matr. Struct. vol. 10, no. 2, pp. 414-420, 2001

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J. M. Zhang, W. Chang, V. K. Varadan and V. V. Varadan, “Active underwater acoustic cancellation with pressure sensor and piezo-composite transducer,” J. Acoust. Soc. Am. vol. 108, no. 5, pp. 2638
W. Chang, "Model Reduction and Robust Controller Design for Structural Acoustics," Ph.D. Thesis, Pennsylvania State University, 2001
W. Chang, "Modeling of acoustic reflection and radiation fields generated from elastic boundary using MHSV model reduction," SPIE proceedings series, Modeling, signal processing, and control. Conference, San Diego CA, vol. 5757, pp. 398-407, 2005

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B.A. Auld, “Acoustic Fields and Waves in Solids,” vol. 1, pp. 324-333, Wiley, New York, 1973
W. P. Mason, Electromechanical Transducers and Wave Filters, Van Nostrand, New York. 1948
IEEE Standard on Piezoelectricity, IEEE Trans. Son. Ultrason. vol. 31, no. 2, pp. 1-55, 1984

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V. Easwaran, M. L. Munjal, “Analysis of reflection characteristics of a nomal incidence plane wave on resonant sound absorbers: A finite element approach,” J. Acoust. Soc. Am. vol. 93, no. 3, pp. 1308-1318, 1993

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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