[논문]심장형 빔 패턴을 위한 다중모드 압전 구형 벡터센서 설계

임영섭; 이재영; 조치영; 서희선; 노용래

doi:10.7776/ask.2013.32.1.032

심장형 빔 패턴을 위한 다중모드 압전 구형 벡터센서 설계
Design of a Multimode Piezoelectric Spherical Vector Sensor for a Cardioid Beam Pattern 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.32 no.1, 2013년, pp.32 - 42

임영섭 (경북대학교 센서 및 디스플레이공학과) , 이재영 (경북대학교 센서 및 디스플레이공학과) , 조치영 (국방과학연구소) , 서희선 (국방과학연구소) , 노용래 (경북대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

일반적인 수중 탐지용 압전 구형 센서는 무지향성이어서 스칼라 양인 수신 음압의 크기만 측정할 뿐 전파 방향은 측정 할 수 없는 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 구형 센서를 이용해 음파의 크기와 방향을 동시에 찾을 수 있는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 구형 센서의 압전 세라믹을 8등분하여 배열한 다음, 각 압전 세라믹 출력전압을 특정한 방법으로 조합하여 음압의 크기와 방향을 파악할 수 있도록 하였다. 또한 압전세라믹 구의 반경과 두께와 같은 구조 변수들의 변화에 따른 감도 변화를 분석하여, 벡터 센서의 감도를 향상 시킬 수 있는 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Typical underwater piezoelectric spherical sensors are omni-directional, thus can measure the scalar quantity sound-pressure-magnitude only with the limitation not being able to measure the direction of the incoming wave. This paper proposes a method to simultaneously measure both the magnitude and direction of the sound wave with the spherical sensor. The method divides the piezoceramic sphere of the sensor into eight elements, and distinguishes the magnitude and direction of the sound pressure by combining the output voltage of the elements in a particular manner. Further, through the analysis of the sensitivity variation in relation to the structural parameters like radius and thickness of the piezoceramic sphere, we have suggested the way to improve the sensitivity of the vector sensor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 구형 벡터 센서의 특성 해석을 위하여, 구형 센서가 총 8개의 수신점으로 구성되어 있다고 가정한 다음, 3차원 배열 센서의 수신 빔 특성을 나타낼 수 있는 이론식을 유도하였다.
본 연구에서는 압전 구형 센서를 이용해 외부에서 들어오는 음원의 방향을 분석할 수 있는 수중 음향 벡터 센서를 제안했다. 음원의 방향을 파악하기 위한 방법으로 구형 센서의 다중 수신 모드를 이용하였으며, 무지향 모드를 정규화한 결과와 쌍극자 모드를 정규화한 결과를 더하면 심장형 빔 패턴을 구현할 수 있고, 이 심장형 빔 패턴을 이용하면 특정 방향으로 입사되는 음파만을 수신할 수 있음을 수식과 유한요소 해석을 통해 확인하였다.
이상에서 설명한 심장형 빔 패턴은 정규화된 무지향 + 쌍극자 모드의 조합으로 만들 수 있었다. 본 연구에서는 여기에서 더 나아가 현 상태의 심장형 빔패턴 보다 -3dB 빔 폭이 더 좁고 수신 방향과 그 반대쪽 간의 감도 차가 큰 빔 패턴을 구현하고자 하였다. 첫 번째로 심장형 빔 패턴을 나타내기 위한 정규화된 무지향 + 쌍극자 모드의 조합 방법에서 쌍극자 모드에 가중치(α)값을 인가하여 무지향 +α×쌍극자 모드의 빔 패턴을 계산했다.
본 절에서는 구형 센서를 이루는 구조 변수에 따른 센서의 수신 감도 RVS의 변화를 분석하여, 구형 벡터 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 방안을 도출하고자 하였다. 구형 센서의 구조는 Fig.
이에 본 논문에서는 구형 센서의 다중 수신 모드를 이용해 앞서 설명한 심장형 빔패턴을 구현하고, 이에 의해 외부 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지 하는 방법에 대해 연구하였다. 즉, 구형 센서는 본래 형태로는 완벽에 가까운 무지향성의 빔 패턴을 가지고 있는데, 본 연구에서는 구형 센서의 출력 전압 신호를 분석해서 특정 방향에 대해 높은 감도를 가지는 심장형 수신 빔 패턴을 구현하는 방안을 도출하 였다.
이에 본 논문에서는 구형 센서의 다중 수신 모드를 이용해 앞서 설명한 심장형 빔패턴을 구현하고, 이에 의해 외부 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지 하는 방법에 대해 연구하였다. 즉, 구형 센서는 본래 형태로는 완벽에 가까운 무지향성의 빔 패턴을 가지고 있는데, 본 연구에서는 구형 센서의 출력 전압 신호를 분석해서 특정 방향에 대해 높은 감도를 가지는 심장형 수신 빔 패턴을 구현하는 방안을 도출하 였다. 이를 위해, 우선 구형 센서를 이루는 압전 세라믹을 8조각으로 나눈 후, 외부 음압에 대한 각 세라믹 조각의 출력 전압을 계산했다.

가설 설정

이 출력 전압들의 조합을 통해 특정한 방향으로 높은 수신 감도를 가지는 빔 패턴을 만들고, 나아가 조합을 통해 심장형 빔패턴을 구현하였다. 이러한 지향성 구형 센서의 특성 해석을 위하여, 구형 센서가 총 8개의 수신점으로 구성되었다고 가정한 다음, 이 수신점들이 3차원으 로 배열되었을 때의 수신 빔 특성을 나타낼 수 있는 이론식을 유도하였다. 유도된 식을 이용하여, 확실한 방향성을 나타내기 위해 빔 폭이 좁고 수신 방향과 그 반대 쪽 간의 감도 차가 가장 큰 심장형 빔 패턴을 구현하기 위한 다중 수신 모드의 결합 방안을 도출하였다.

제안 방법

6의 센서, 물, 물과 구조체간의 경계층(FSI)으로 구성하였다. 구조체 표면에서 원거리장까지 충분한 거리의 물을 그렸으며, 물의 최외곽지점에서 구형 센서를 향해 음압을 방사 하였다. 센서의 경계조건은 자유 상태로 설정하였으며, 물의 최 외 각층에는 무반사 조건을 적용하였다.
본 절에서는 구형 센서를 이루는 구조 변수에 따른 센서의 수신 감도 RVS의 변화를 분석하여, 구형 벡터 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 방안을 도출하고자 하였다. 구형 센서의 구조는 Fig. 6과 같이 구의 반경과 압전 세라믹 두께에 의해 결정되므로, 이들 두 변수에 대해서 무지향 모드와 쌍극자 모드 조합의 800 Hz, 1600 Hz에서의 RVS 값을 계산하였다. Fig.
이론식으로 계산된 결과의 타당성은 동일한 경우들에 대한 유한요소 해석 결과와 비교함으로써 검증하였다. 나아가 구형 센서의 반경과 압전 세라믹의 두께와 같은 구조 변수들의 변화에 따른 감도변화를 분석함으로써, 벡터 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.
본 절에서는 2절에서 이론식을 이용해 구한 구형센서 빔 패턴의 타당성을 검증하고 나아가 구형 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 방안을 도출하기 위해, Fig. 1에 보인 구형 센서의 수신 특성을 유한요소법을 이용해 해석하고 그 결과를 2절의 결과와 비교하였다. 해석에는 상용 유한요소 해석 도구인 ANSYS를 이용하였다.
구조체 표면에서 원거리장까지 충분한 거리의 물을 그렸으며, 물의 최외곽지점에서 구형 센서를 향해 음압을 방사 하였다. 센서의 경계조건은 자유 상태로 설정하였으며, 물의 최 외 각층에는 무반사 조건을 적용하였다.
이러한 지향성 구형 센서의 특성 해석을 위하여, 구형 센서가 총 8개의 수신점으로 구성되었다고 가정한 다음, 이 수신점들이 3차원으 로 배열되었을 때의 수신 빔 특성을 나타낼 수 있는 이론식을 유도하였다. 유도된 식을 이용하여, 확실한 방향성을 나타내기 위해 빔 폭이 좁고 수신 방향과 그 반대 쪽 간의 감도 차가 가장 큰 심장형 빔 패턴을 구현하기 위한 다중 수신 모드의 결합 방안을 도출하였다. 이론식으로 계산된 결과의 타당성은 동일한 경우들에 대한 유한요소 해석 결과와 비교함으로써 검증하였다.
본 연구에서는 압전 구형 센서를 이용해 외부에서 들어오는 음원의 방향을 분석할 수 있는 수중 음향 벡터 센서를 제안했다. 음원의 방향을 파악하기 위한 방법으로 구형 센서의 다중 수신 모드를 이용하였으며, 무지향 모드를 정규화한 결과와 쌍극자 모드를 정규화한 결과를 더하면 심장형 빔 패턴을 구현할 수 있고, 이 심장형 빔 패턴을 이용하면 특정 방향으로 입사되는 음파만을 수신할 수 있음을 수식과 유한요소 해석을 통해 확인하였다. 이때 외부 음압의 크기는 무지향 모드의 조합으로 알 수 있다.
이를 위해, 우선 구형 센서를 이루는 압전 세라믹을 8조각으로 나눈 후, 외부 음압에 대한 각 세라믹 조각의 출력 전압을 계산했다. 이 출력 전압들의 조합을 통해 특정한 방향으로 높은 수신 감도를 가지는 빔 패턴을 만들고, 나아가 조합을 통해 심장형 빔패턴을 구현하였다. 이러한 지향성 구형 센서의 특성 해석을 위하여, 구형 센서가 총 8개의 수신점으로 구성되었다고 가정한 다음, 이 수신점들이 3차원으 로 배열되었을 때의 수신 빔 특성을 나타낼 수 있는 이론식을 유도하였다.
즉, 구형 센서는 본래 형태로는 완벽에 가까운 무지향성의 빔 패턴을 가지고 있는데, 본 연구에서는 구형 센서의 출력 전압 신호를 분석해서 특정 방향에 대해 높은 감도를 가지는 심장형 수신 빔 패턴을 구현하는 방안을 도출하 였다. 이를 위해, 우선 구형 센서를 이루는 압전 세라믹을 8조각으로 나눈 후, 외부 음압에 대한 각 세라믹 조각의 출력 전압을 계산했다. 이 출력 전압들의 조합을 통해 특정한 방향으로 높은 수신 감도를 가지는 빔 패턴을 만들고, 나아가 조합을 통해 심장형 빔패턴을 구현하였다.
첫 번째로 심장형 빔 패턴을 나타내기 위한 정규화된 무지향 + 쌍극자 모드의 조합 방법에서 쌍극자 모드에 가중치(α)값을 인가하여 무지향 +α×쌍극자 모드의 빔 패턴을 계산했다.

대상 데이터

6은 구형 센서의 유한요소 모델이다. 사용된 압전세라믹은 PZT-4이다. [15] 수중에서의 특성을 해석할 수중 모델은 Fig.

데이터처리

유도된 식을 이용하여, 확실한 방향성을 나타내기 위해 빔 폭이 좁고 수신 방향과 그 반대 쪽 간의 감도 차가 가장 큰 심장형 빔 패턴을 구현하기 위한 다중 수신 모드의 결합 방안을 도출하였다. 이론식으로 계산된 결과의 타당성은 동일한 경우들에 대한 유한요소 해석 결과와 비교함으로써 검증하였다. 나아가 구형 센서의 반경과 압전 세라믹의 두께와 같은 구조 변수들의 변화에 따른 감도변화를 분석함으로써, 벡터 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.

이론/모형

해석에는 상용 유한요소 해석 도구인 ANSYS를 이용하였다.

성능/효과

10은 센서의 반경에 따른 RVS의 변화 경향을 나타낸다. 800 Hz, 1600 Hz 모두 구형의 반경이 커짐에 따라 무지향 모드와 쌍극자 모드의 RVS가 증가하는 경향을 보였다. 이는 구형 센서의 전체 크기가 커지 면서 수신 면적의 증가로 감도가 상승한 것으로 판단된다.
그리고 무지향 모드와 쌍극자 모드를 단순히 더하기만한 심장형 빔 패턴보다 빔 폭도 더 좁고 수신 방향 감도도 더 높은 패턴을 구현하기위해, 쌍극자 모드에 인가되는 가중치(α)의 영향을 분석해서 -3 dB 빔 폭을 124.8o, 감도차를 1.02까지 구현할 수 있었다.
나아가 구형 센서의 수신 감도를 높이기 위한 방법으로는 설계변수인 구의 반경과 세라믹 두께의 영향을 분석한 결과, 구의 반경을 크게, 세라믹 두께를 얇게 만들수록 유리한 것으로 나타났다.
5의빔 패턴 결과와 동일한 것을 확인할 수 있다. 따라서 2절에서 구한 이론식을 이용한 빔 패턴이 타당함을 검증하였고, 동시에 Fig. 6의 유한요소 모델은 구형 벡터 센서의 특성을 적절히 나타낼 수 있음을 확인 하였다.
8에 나타내었다. 무지향 수신 모드는 주파수에 따라 감도에 큰 변화가 없으나, 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 쌍극자 모드는 주파수에 따라 상대적 으로 큰 폭으로 증가하는 경향을 나타내었다.
빔 패턴의 형태가 사람의 심장과 유사하다고하여 심장형 패턴이라고 부른다. 이 결과 0^o와 180^o간의 감도차가 큰 빔 패턴을 얻을 수 있었다. Fig.
이상으로 본 연구에서 제안한 다중 수신 모드 구형 센서는 하나의 센서로 외부에서 인가되는 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 벡터 센서로 사용할 수 있음을 확인하였다.
이상의 결과로부터 구형 벡터 센서의 감도를 높이기 위해서는 구형의 반경을 크게, 세라믹 두께를 얇게 만들수록 유리한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 음향 트랜스듀서 중 구의 형태를 가진 것은?	수중에서 표적의 탐지 또는 추적을 위해서는 수중 음향 트랜스듀서를 많이 이용하는데, 압전 소자를 사용한 센서 또는 프로젝터가 널리 이용되고 있다. 수중 음향 트랜스듀서는 생긴 형태에 따라 여러 가지 종류가 있는데, 그 중 구의 형태를 가진 것을 구형 트랜스듀서라고 한다. 거의 완벽에 가까운 무지향성의 방사특성을 가지는 트랜스듀서로서 두 개의 반구 형태의 압전 세라믹을 결합시켜 만든다.
	구형 음향 트랜스듀서의 가장 큰 특징은?	구형 음향 트랜스듀서의 가장 큰 특징은 형태상전 방향에 걸쳐 완벽에 가까운 무지향성의 방사 특성을 가지고 있고 정확하게 수식으로 해를 구할 수있다는 것이다.[5] 하지만 단일 센서로는 스칼라 양인 외부에서 들어오는 음압의 크기만 측정할 뿐 음원의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다.
	구형 트랜스듀서를 만드는 방법은?	수중 음향 트랜스듀서는 생긴 형태에 따라 여러 가지 종류가 있는데, 그 중 구의 형태를 가진 것을 구형 트랜스듀서라고 한다. 거의 완벽에 가까운 무지향성의 방사특성을 가지는 트랜스듀서로서 두 개의 반구 형태의 압전 세라믹을 결합시켜 만든다. 동작원리는 구의 안쪽 면과 바깥쪽 면에 전극을 바르고 세라믹 두께 방향으로 전압을 인가하면 원주 방향으로 진동 하면서 무지향성의 방사특성을 나타낸다.

참고문헌 (15)

C. H. Sherman and J. L. Butler, Transducers and Arrays for Underwater Sound (Springer, New York, 2007).
J. H. Battocletti and T. A. Knox, "Spherical finite element analysis," IEEE Trans. Mag. 30, 5008-5014 (1994).

상세보기
J. T. Fielding, Jr., D. Smith, R. Meyer, Jr., S. Trolier-McKinstry, and R. E. Newnham, "Characterization of PZT hollow-sphere transducers," in Proc. Ninth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, 202-205 (1995).
S. Alkoy, A, Dogan, A. C. Hladky, P. Langlet, J. K. Cochran, and R. E. Newnham, "Miniature piezoelectric hollow sphere transducers (BBs)," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 44, 1067-1076 (1997).

상세보기
J. O. Kim, J. G. Lee, and H. Y. Chun, "Radial vibration characteristics of spherical piezoelectric transducers," Ultrasonics, 43, 531-537 (2005).

상세보기
H. C. Schau and A. Z. Robinson, "Passive source localization employing intersecting spherical surfaces from time-of-arrival differences," IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process. 35, 1223-1225 (1987).

상세보기
M. J. D. Rendas and J. M. F. Moura, "Cramer-rao bound for location system in multipath environments," IEEE Trans. Signal Process. 39, 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. 83, 571-587 (1988).

상세보기
S. L. Ehrlich, U. S. Patent No. 3, 732, 535 Spherical Acoustic Transducer, 1973.
S. H. Ko, G. A. Brigham, and J. L. Butler, "Multimode spherical hydrophone," J. Acoust. Soc. Am. 56, 1890- 1898 (1974).

상세보기
J. L. Butler and S. L. Ehrlich "Superdirective spherical radiator," J. Acoust. Soc. Am. 61, 1427-1431 (1977).

상세보기
S. H. Ko and H. L. Pond, "Improved design of spherical multimode hydrophone," J. Acoust. Soc. Am. 64, 1270-1277 (1978).

상세보기
A. L. Butler and J. L. Butler, "Multimode directional telesonar transducer," in Proc. IEEE OCEANS 2000 MTS Conference and Exhibition, 2, 1289-1292 (2000).
A. L. Butler, J. L. Butler, and J. A. Rice, "A tri-modal directional transducer," J. Acoust. Soc. Am. 115, 658- 665 (2004).

상세보기
O. B. Wilson, Introduction to Theory and design of sonar transducers (Peninsula Publishing, Los Altos, CA, 1988).

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증