[논문]Quadrupole 구조를 가진 Tonpilz형 수중 음향 벡터 센서를 이용한 입사각 추정

임영섭; 노용래

doi:10.7776/ask.2012.31.8.569

Quadrupole 구조를 가진 Tonpilz형 수중 음향 벡터 센서를 이용한 입사각 추정
Incidence Angle Estimation by the Tonpilz Type Underwater Acoustic Vector Sensor with a Quadrupole Structure 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.31 no.8, 2012년, pp.569 - 579

임영섭 (경북대학교 센서 및 디스플레이공학과) , 노용래 (경북대학교 기계공학과)

초록
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압전 세라믹을 이용한 전형적인 Tonpilz형 수중 음향센서는 외부에서 들어오는 음향 신호를 이에 상응하는 전압으로 변환해 스칼라 양인 음압의 크기만 측정할 뿐 외부에서 들어오는 신호의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 Tonpilz형 트랜스듀서를 이용해 단일 센서만으로도 음압의 크기와 방위각 방향을 동시에 분석해 낼 수 있는 새로운 벡터 센서 구조를 제안하고, 제안된 구조의 타당성을 수식 및 유한요소해석을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Typical Tonpilz type underwater acoustic transducers making use of piezoelectric ceramics detect the magnitude of an acoustic pressure, a scalar quantity, and convert this pressure into a proportional output voltage. The scalar sensor has no directional sensitivity. In this paper, we have proposed a new vector sensor based on the Tonpilz transducer structure, which is sensitive to both the magnitude and the azimuthal direction of an acoustic wave. Validity of this new design has been confirmed with analytic equations and finite element analyses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수중 음향 트랜스듀서의 일반적 모델인 Tonpilz 트랜스듀서를 이용해 외부에서 들어오는 음압의 크기 뿐 아니라 음원의 방위각도 동시에 분석해 낼 수 있는 벡터 센서 구조를 제안하고, 그 타당성을 검증하였다.
일반적인 Tonpilz 트랜스듀서는 외부에서 인가되는 음압을 이에 상응하는 전압으로 변환하여 음압의 크기만 측정할 뿐 입사되는 음압의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 Tonpilz 트랜스듀서를 이용해 음압의 크기와 입사되는 방위각을 동시에 분석해 낼 수 있는 벡터 센서 구조를 그림 3과 같이 제안하였다. 통상의 Tonpilz 트랜스듀서 내부에 장착된 압전 세라믹 링은 단면상의 분극방향이 동일한 형태를 가지고 있다.

가설 설정

구조체를 향해 평면파 입사 조건을 주기위해 구조체 표면으로부터 충분히 먼 거리의 원 거리장까지 물을 묘사했으며, 물의 최 외각지점에서 구조체를 향해 음압을 발생시켰다. 경계조건은 후면추 밑면을 고정시키고 나머지 부분은 자유 상태로 가정하였으며, 물의 최외곽층에는 무반사 조건을 적용하였다. 먼저 그림 1에 보인 모델의 임피던스와 TVR(Transmitting Voltage Response) 값을 하모닉 해석을 통해 계산했고, 결과는 그림 2에 나타냈다.
해석 시 음압 입사점의 고각은 45° 로 고정되었다고 가정하고, 우선 그림 1(b)의 유한요소 모델을 이용하여 임의의 방위각을 가지는 지점에 음압을 가한 후 각 세라믹 조각에 나타나는 출력전압을 구하였다.

제안 방법

트랜스듀서의 수중 음향 특성을 해석할 모델은 트랜스듀서 구조체, 물, 물과 구조체간의 경계층(FSI)으로 구성하였다. 구조체를 향해 평면파 입사 조건을 주기위해 구조체 표면으로부터 충분히 먼 거리의 원 거리장까지 물을 묘사했으며, 물의 최 외각지점에서 구조체를 향해 음압을 발생시켰다. 경계조건은 후면추 밑면을 고정시키고 나머지 부분은 자유 상태로 가정하였으며, 물의 최외곽층에는 무반사 조건을 적용하였다.
^[18] 이때 전면추 직경은 수신 음파의 파장의 절반 이하로서, Tonpilz 트랜스듀서는 무지향성의 빔 특성을 가지도록 하였다. 그림 1에 보인 Tonpilz 트랜스듀서에 사용된 물성은 표 1에 나타내었고, 상용 유한요소 해석도구인 ANSYS를 이용해 Tonpilz 트랜스듀서를 3차원 구조로 모델링했다. 트랜스듀서의 수중 음향 특성을 해석할 모델은 트랜스듀서 구조체, 물, 물과 구조체간의 경계층(FSI)으로 구성하였다.
따라서 이상의 원리들을 정리하면, 임의의 방향에서 외부 음압이 인가되었을 때, 우선 관찰된 전압 V_a+V_b, V_a+V_d, V_b+V_c, 그리고 V_c+V_d들의 첫 번째 피크 부호를 관찰함으로써 음원의 방위각이 어느 사분면에 속하는지를 표 2에 의해 먼저 결정한다. 다음으로는 결정된 사분면 내에서의 구체적인 방위각 Φ는 식(1)-(4) 중 어느 한 식에 정규화된 전압 값을 대입함으로써 구할 수 있다.
본 연구에서 개발하고자 하는 벡터 센서는 기존의 대표적인 수중 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서를 기본 모델로 삼았다. Tonpilz 트랜스듀서의 일반적인 형태는 그림 1에 보는 바와 같이 음향방사체 역할을 하는 전면추, 압전 세라믹에서 발생한 변위를 반사시켜 전면추의 변위를 증폭시켜주는 후면추, 구동자 역할을 하는 압전 세라믹 링으로 구성되어 있다.
본 연구에서 제안한 Tonpilz형 벡터센서의 방위각 탐지 성능을 검증하기 위하여, 임의의 방향에서 음압이 입사된다고 할 때 3절에서 설명한 원리에 의해 음원의 방위각을 추정하고, 그 결과를 원래 유한요소 모델에서 인가한 음원의 방향과 비교하였다.
본 연구에서는 이상의 기존 연구 사례들과는 달리 Tonpilz 트랜스듀서를 이용하여 음압의 크기와 음원의 입사 방위각(azimuth)을 동시에 측정 할 수 있는 새로운 구조의 벡터 센서를 제안하고, 제안한 구조의 타당성을 유한요소 모델링 및 해석을 통해 검증하였다. 하나의 패키지가 아니라 하나의 소자로서 벡터 센서의 기능을 가질 수 있다면 종래에 비해 획기적으로 센서 구조를 간단하게 할 수 있을 뿐만 아니라 크기 또한 줄일 수 있다.
여기서 더 나아가 좀 더 쉽게 음원의 Φ방향을 추정하기 위해 세라믹 조각들의 출력 전압들을 Va+Vd, Va+Vb, Vb+Vc 그리고 Vc+Vd와 같이 조합한 결과들을 비교했다.
음원의 방위각을 파악하기 위한 방법으로 압전 세라믹 링을 4개의 조각 a, b, c, d로 나누고, 분극 방향을 서로 다르게 하여 quadrupole 구조로 배열한 구조를 제안하였다. 제안된 구조에서 모든 세라믹 조각들의 출력 전압을 V_b+V_d-(V_a+V_c)의 형태로 조합하면 통상의 Tonpilz 트랜스듀서처럼 음압의 크기를 측정할 수 있다.
이때 음압이 입사되는 각도는 고각 θ가 45º 인 지점에서 방위각 Φ가 0º에서 360º 까지 45º 간격이 되도록 하여 해석하였다.
그림 1에 보인 Tonpilz 트랜스듀서에 사용된 물성은 표 1에 나타내었고, 상용 유한요소 해석도구인 ANSYS를 이용해 Tonpilz 트랜스듀서를 3차원 구조로 모델링했다. 트랜스듀서의 수중 음향 특성을 해석할 모델은 트랜스듀서 구조체, 물, 물과 구조체간의 경계층(FSI)으로 구성하였다. 구조체를 향해 평면파 입사 조건을 주기위해 구조체 표면으로부터 충분히 먼 거리의 원 거리장까지 물을 묘사했으며, 물의 최 외각지점에서 구조체를 향해 음압을 발생시켰다.
통상의 Tonpilz 트랜스듀서 내부에 장착된 압전 세라믹 링은 단면상의 분극방향이 동일한 형태를 가지고 있다. 하지만 본 연구에서 제안한 벡터 센서는 그림 3에 나타낸 것처럼 세라믹 링을 4등분하여 quadrupole구조와 같이 각 세라믹 조각들의 분극 방향이 서로 교차되도록 나열한 형태를 가진다. 이 구조를 이용해 그림 1(b)에 나타낸 유한요소 모델을 이용해 물속 각 방향에서 센서를 향해 음압을 가한 후 각 세라믹 조각에서 출력되는 전압을 분석하여, 그 결과를 그림 4와 5에 나타내었다.

대상 데이터

먼저 그림 1에 보인 모델의 임피던스와 TVR(Transmitting Voltage Response) 값을 하모닉 해석을 통해 계산했고, 결과는 그림 2에 나타냈다. 모델에서 묘사한 Tonpilz 트랜스듀서의 수중 공진주파수는 56 kHz이고, TVR의 중심 주파수는 58.8 kHz이다.

성능/효과

이상의 결과를 통해 본 연구에서 제안한 quadrupole 구조의 Tonpilz 센서는 하나의 센서로 음압의 크기뿐만 아니라 음원의 방향도 동시에 측정할 수 있는 벡터 센서로 사용할 수 있음을 확인하였다. Tonpilz 트랜스듀서는 수중 음향 트랜스듀서로 가장 널리 사용되는 종류이므로, 본 연구 결과는 링형 혹은 구형 트랜스듀서를 이용한 여타 벡터 센서에 비해서 기존의 Tonpilz 트랜스듀서 재료 및 제작 기법을 그대로 이용할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 연구 결과는 수중에서 수동 음향 방향 탐지 시스템의 음향센서 개발에 충분히 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
제안된 구조에서 모든 세라믹 조각들의 출력 전압을 V_b+V_d-(V_a+V_c)의 형태로 조합하면 통상의 Tonpilz 트랜스듀서처럼 음압의 크기를 측정할 수 있다. 다음으로 외부 음원의 고각이 일정하다고 하면, 임의의 방향에서 음압이 인가되었을 때 센서에 탐지되는 전압 V_a+V_b, V_a+V_d, V_b+V_c 그리고 V_c+V_d 들의 첫 번째 피크의 부호와 정규화된 크기를 이용하면 음원의 방위각을 정확히 구할 수 있음을 확인하였다. 이상의 결과를 통해 본 연구에서 제안한 quadrupole 구조의 Tonpilz 센서는 하나의 센서로 음압의 크기뿐만 아니라 음원의 방향도 동시에 측정할 수 있는 벡터 센서로 사용할 수 있음을 확인하였다.
따라서 이러한 특성을 이용하면 Φ가 어느 사분면에 속하는지를 구체화시킬 수 있는데, Va+Vb와 Vb+Vc의 첫 번째 피크 값이 모두 (+)이면 Φ가 90° ~180°에 속하고, 모두 (-)이면 Φ가 270°~360°에 속하는 식이다.
이 결과를 통해 Va+Vb와 Vc+Vd의 부호만을 이용해 음원의 방위각 Φ는 0°이라는 것을 알 수 있다.
2° 정도의 각 오차를 유발할 만큼의 크기를 가지도록 요소 분할을 하였기 때문으로 판단된다. 이로써 본 연구에서 제안한 Tonpilz형 벡터 센서는 외부 음원의 고각이 일정하다고 할 때 임의의 방향에서 입사되는 음압의 방위각을 정확히 탐지할 수 있음을 확인하였다.
다음으로 외부 음원의 고각이 일정하다고 하면, 임의의 방향에서 음압이 인가되었을 때 센서에 탐지되는 전압 V_a+V_b, V_a+V_d, V_b+V_c 그리고 V_c+V_d 들의 첫 번째 피크의 부호와 정규화된 크기를 이용하면 음원의 방위각을 정확히 구할 수 있음을 확인하였다. 이상의 결과를 통해 본 연구에서 제안한 quadrupole 구조의 Tonpilz 센서는 하나의 센서로 음압의 크기뿐만 아니라 음원의 방향도 동시에 측정할 수 있는 벡터 센서로 사용할 수 있음을 확인하였다. Tonpilz 트랜스듀서는 수중 음향 트랜스듀서로 가장 널리 사용되는 종류이므로, 본 연구 결과는 링형 혹은 구형 트랜스듀서를 이용한 여타 벡터 센서에 비해서 기존의 Tonpilz 트랜스듀서 재료 및 제작 기법을 그대로 이용할 수 있다.
음원의 방위각을 파악하기 위한 방법으로 압전 세라믹 링을 4개의 조각 a, b, c, d로 나누고, 분극 방향을 서로 다르게 하여 quadrupole 구조로 배열한 구조를 제안하였다. 제안된 구조에서 모든 세라믹 조각들의 출력 전압을 V_b+V_d-(V_a+V_c)의 형태로 조합하면 통상의 Tonpilz 트랜스듀서처럼 음압의 크기를 측정할 수 있다. 다음으로 외부 음원의 고각이 일정하다고 하면, 임의의 방향에서 음압이 인가되었을 때 센서에 탐지되는 전압 V_a+V_b, V_a+V_d, V_b+V_c 그리고 V_c+V_d 들의 첫 번째 피크의 부호와 정규화된 크기를 이용하면 음원의 방위각을 정확히 구할 수 있음을 확인하였다.
추정된 방위각들이 유한요소 모델에서의 인가한 음압 방위각과 최대 2.2° 의 오차를 가지며 전체적으로 잘 일치함을 알 수 있다.

후속연구

단, 본 연구에서는 음원의 고각이 45° 로 일정하다고 설정을 하고 방위각만 탐지하고자 하였는데, 향후 연구에서는 고각의 변화까지도 동시에 탐지할 수 있도록 벡터 센서 구조를 발전시키는 연구를 수행할 필요가 있다.
Tonpilz 트랜스듀서는 수중 음향 트랜스듀서로 가장 널리 사용되는 종류이므로, 본 연구 결과는 링형 혹은 구형 트랜스듀서를 이용한 여타 벡터 센서에 비해서 기존의 Tonpilz 트랜스듀서 재료 및 제작 기법을 그대로 이용할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 연구 결과는 수중에서 수동 음향 방향 탐지 시스템의 음향센서 개발에 충분히 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
단, 본 연구에서는 음원의 고각이 45° 로 일정하다고 설정을 하고 방위각만 탐지하고자 하였는데, 향후 연구에서는 고각의 변화까지도 동시에 탐지할 수 있도록 벡터 센서 구조를 발전시키는 연구를 수행할 필요가 있다. 또한 본 논문의 결과는 수치해석을 통한 결과이므로, 향후 quadrupole 구조를 가진 Tonpilz 벡터센서의 제작을 통해 해석된 결과의 검증을 수행할 예정이다.
나아가 Tonpilz 트랜스듀서는 현재 수중 음향 트랜스듀서로 가장 널리 사용되는 종류이므로, 이를 이용해 벡터 센서를 구현할 수 있다면 기존의 Tonpilz 트랜스듀서 재료 및 제작 기법 그리고 수중 탐지 시스템을 그대로 이용할 수 있는 장점을 가질 수 있다. 또한 지금까지 Tonpilz형 벡터 센서에 대한 연구 사례는 없는 상태이므로, 본 연구에서 제안한 Tonpilz형 벡터 센서는 선행 연구사례들이 가지는 구조 및 크기의 한계를 극복할 수 있는 방안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	벡터 센서란 무엇인가?	하지만 이들 방법은 많은 수의 센서를 필요로 하므로 센서 구조뿐만 아니라 이를 운용하는 시스템 또한 복잡해지고 계산량이 증가하는 어려움이 있다. 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 벡터 센서를 들 수 있는데, 벡터 센서란 하나의 패키지로 구성된 구조로 음압의 크기 뿐 아니라 음원의 방향도 동시에 측정할 수 있는 센서이다. 음압의 크기만 측정하는 스칼라 센서에 비해서 음원의 방향을 동시에 분석할 수 있는 장점이 있고, 종래의 배열형 센서에 비해서 센서 구조가 간단하고 크기가 작다는 등의 많은 장점을 제공할 수 있다.
	전형적인 Tonpilz 트랜스듀서의 한계점은?	수중에서 음파를 이용하여 표적을 탐지 및 위치 추정을 하기 위한 방법으로 압전 세라믹을 이용한 트랜스듀서를 많이 사용한다. 수중 음향 트랜스듀서로 가장 널리 사용되는 종류로 Tonpilz 트랜스듀서를 들 수 있는데, 전형적인 Tonpilz 트랜스듀서는 단일 센서로 사용될 때 외부에서 들어오는 음압의 크기만 측정할 뿐 음원의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다.[1] 일반적으로 음원의 방향을 파악하기 위해서는 다수의 스칼라 트랜스듀서를 사용한 배열형 센서를 이용하는데, Schau[2]와 Rendas[3]등이 제안한 두 개 이상의 하이드로폰을 이용하여 배열센서에 도달하는 음향 신호의 시간 지연차를 이용해 음원의 방위각(azimuth), 고각(altitude), 거리를 추정하는 방법 또는 Baggeroer[4]와 Zou[5] 등이 제안한 외부에서 들어오는 음향 신호의 입사각을 추정하는 빔 형성 기법에 대한 연구가 대표적이다.
	벡터 센서의 장점은?	이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 벡터 센서를 들 수 있는데, 벡터 센서란 하나의 패키지로 구성된 구조로 음압의 크기 뿐 아니라 음원의 방향도 동시에 측정할 수 있는 센서이다. 음압의 크기만 측정하는 스칼라 센서에 비해서 음원의 방향을 동시에 분석할 수 있는 장점이 있고, 종래의 배열형 센서에 비해서 센서 구조가 간단하고 크기가 작다는 등의 많은 장점을 제공할 수 있다.[6]

참고문헌 (18)

O. B. Wilson, Introduction to Theory and Design of Sonar Transducers, Peninsula Publishing, Los Altos, CA, 1988.
H. C. Schau and A. Z. Robinson, "Passive source localization employing intersecting spherical surfaces from time-of-arrival differences," IEEE Trans. Acoust. Speech Sig. Processing, vol. 35, no. 8, pp. 1223-1225, 1987.
M. J. D. Rendas and J. M. F. Moura, "Cramer-rao bound for location systems in multipath environments," IEEE Trans. Sig. Processing, vol. 39, no. 12, pp. 2593 -2610, 1991.
A. B. Baggeroer, W. A. Kuperman, and H. Schmidt, "Matched field processing: source localization in correlated noise as an optimum parameter estimation problem," J. Acoust. Soc. Am., vol. 83, no. 2, pp. 571- 587, 1988.

상세보기
N. Zou and A. Nehorai, "Circular acoustic vector-sensor array for mode beamforming," IEEE Trans. Sig. Processing, vol. 57, no. 8, pp. 3041-3052, 2009.

상세보기
C. H. Sherman and J. L. Butler, Transducers and Arrays for Underwater Sound, Springer, New York, 2007.
C. B. Leslie, J. M. Kendall, and J. L. Jones, "Hydrophone for measuring particle velocity", J. Acoust. Soc. Am., vol. 28, no. 4, pp. 711-715, 1956.

상세보기
D. J. Scheiber, "Directional pressure gradient hydrophone," in Proc. of 27th Navy Symposium on Underwater Acoustics, pp. 1113-1119, 1969.
M. P. Mongiovi, "Low frequency pressure gradient sensor," J. Acoust. Soc. Am., vol. 59, no. S1, pp. S62- S62, 1976.
J. L. Butler, "Directional transducer," U. S. Patent 4,326,275, 1982.
R. Hickling, W. Wei, and R. Raspet, "Finding the direction of a sound source using a vector soundintensity probe," J. Acoust. Soc. Am., vol. 94, no. 4, pp. 2408-2412, 1993.

상세보기
M. B. Moffett, D. H. Trivett, P. J. Klippel, and P. D. Baird, "A piezoelectric, flexural-disk, neutrally buoyant, underwater accelerometer," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control., vol. 45, no. 5, pp. 1341- 1346, 1998.

상세보기
P. A. Wlodkowski, K. Deng, and M. Kahn, "The development of high-sensitivity, low-noise accelerometers utilizing single crystal piezoelectric Materials," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 90, no. 1-2, pp. 125- 131, 2001.

상세보기
M. T. Silvia and R. T. Richards, "A theoretical and experimental investigation of low-frequency acoustic vector sensors," in Proc. IEEE OCEANS '02 MTS Conf., vol. 3, pp. 1886-1897, 2002.
S. H. Ko, G. A. Brigham, and J. L. Butler, "Multimode spherical hydrophone," J. Acoust. Soc. Am., vol. 56, no. 6, pp. 1890-1898, 1974.

상세보기
R. S. Gordon, L. Parad, and J. L. Butler, "Equivalent circuit of a ceramic ring transducer operated in the dipole mode," J. Acoust. Soc. Am., vol. 58, no. 6, pp. 1311-1314, 1975.

상세보기
J. L. Butler, A. L. Butler, and J. A. Rice, "A tri-modal directional transducer," J. Acoust. Soc. Am., vol. 115, no. 2, pp. 658-665, 2004.

상세보기
강국진, 노용래, "유한요소법을 이용한 Tonpilz 트랜스듀서의 최적구조 설계," 한국음향학회지, 22권, 8호, pp. 637-644, 2003.

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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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