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문제 정의
- 본 연구에서는 Janus 방식의 DVL을 위한 광대역의 주파수 특성을 갖는 원판형 수중 음향 트랜스듀서를 개발하였다. 개발된 DVL 음향 트랜스듀서의 음향빔 지향성, 주파수대역폭, 송수신 감도 특성의 개선을 위한 음향 임피던스 매칭, 백킹층 특성 및 개발된 음향 트랜스듀서를 DVL에 적용하기 위한 적합성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 Janus 방식의 DVL의 국산화를 위한 광대역의 주파수 특성을 갖는 원판형 수중 음향 트랜스듀서를 개발하였다. 음향 트랜스듀서의 주파수 대역폭, 송수신 감도 특성의 개선을 위해 λ/4 음향정합층, 및 백킹층을 설계, 적용하였다.
제안 방법
- DVL용 수중 음향 트랜스듀서의 송수신 특성을 평가하기 위하여 세가지 형태의 음향 트랜스듀서를 설계, 제작하였다(그림 2). 첫 번째 트랜스듀서는 (그림 2(a)) 원판형 PZT 전체를 우레탄으로 몰딩한 구조로, 임피던스 정합층 및 백킹층은 고려하지 않았다.
- 시제품의 특성 평가를 위해 RESON 사의 TC3027 트랜스듀서를 표준 트랜스듀서로 사용하였다. TC3027의 중심주파수는 1 MHz 이고, RESON사에서 제공하는 송신전압감도 (TVR), 수신전압감도 (RVS)를 바탕으로 시제품의 특성평가를 진행하였다. 그러나 TC3027의 data sheet에 제공된 송수신 감도는 900 kHz ~ 1200 kHz로 본 연구에서 제작된 트랜스듀서의 대역폭 보다 작아, 제공된 범위를 벋어난 주파수에 대해서는 외삽에 의하여 추정된 data를 사용하였다.
- 본 연구에서는 Janus 방식의 DVL을 위한 광대역의 주파수 특성을 갖는 원판형 수중 음향 트랜스듀서를 개발하였다. 개발된 DVL 음향 트랜스듀서의 음향빔 지향성, 주파수대역폭, 송수신 감도 특성의 개선을 위한 음향 임피던스 매칭, 백킹층 특성 및 개발된 음향 트랜스듀서를 DVL에 적용하기 위한 적합성을 검토하였다.
- 음향 정합층은 1층의 경우 음향 임피던스가 약 5 MRayl의 재료를 사용하였으며, 3층 구조의 경우 각각 2, 5, 14 MRayl과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 선택하여 사용하였다. 백킹층은 금속분말과 폴리머를 배합한 복합체를 사용하였으며, 음향 임피던스가 약 20 MRayl이 되도록 설계하였다. 그림 3은 설계, 제작된 DVL용 음향 트랜스듀서를 나타낸다.
- 음향 트랜스듀서의 주파수 대역폭, 송수신 감도 특성의 개선을 위해 λ/4 음향정합층, 및 백킹층을 설계, 적용하였다.
- 제작된 시제품의 수중 음향 특성은 자체 제작한 수조에서 평가하였다. 테스트 수조는 길이 1.
- 음향 트랜스듀서의 주파수 대역폭, 송수신 감도 특성의 개선을 위해 λ/4 음향정합층, 및 백킹층을 설계, 적용하였다. 측정결과 음향정합층과 백킹층의 도입에 의해 주파수 대역폭 및 잔류진동 특성이 개선된 수중 음향 트랜스듀서를 구현하였다. 3층의 음향정합층과 백킹층이 적용된 음향 트랜스듀서의 주파수 대역폭은 중심주파수 대비 55%, 송신전압감도는 최대 200dB re 1uPa/V@1m, 수신전압감도는 187.
- 모든 전압은 Vrms 값으로 계산하였다. 측정시에 트랜스듀서 사이의 정상파의 발생과 측정수조로 부터의 반사파(멀티패스)의 영향을 줄이기 위해 송신 트랜스듀서는 버스트 펄스 구동을 하였다.
- 현재 상용화 되어있는 1.2 MHz의 중심주파수를 갖는 DVL 트랜스듀서와 유사한 음향빔폭(약 1.5°)을 달성하기 위하여 PZT는 외경 60 mm의 원판형으로 설계하여 적용하였다.
대상 데이터
- TC3027의 중심주파수는 1 MHz 이고, RESON사에서 제공하는 송신전압감도 (TVR), 수신전압감도 (RVS)를 바탕으로 시제품의 특성평가를 진행하였다. 그러나 TC3027의 data sheet에 제공된 송수신 감도는 900 kHz ~ 1200 kHz로 본 연구에서 제작된 트랜스듀서의 대역폭 보다 작아, 제공된 범위를 벋어난 주파수에 대해서는 외삽에 의하여 추정된 data를 사용하였다.
- 본 연구에서는 중심주파수 1MHz의 DVL용 음향 트랜스듀서를 설계, 제작하였다. 음향 트랜스듀서의 액티브 소자는 PZT4를 사용하였다.
- 8 m, 폭 1 m, 깊이 1m의 크기로 제작되었다. 시제품의 특성 평가를 위해 RESON 사의 TC3027 트랜스듀서를 표준 트랜스듀서로 사용하였다. TC3027의 중심주파수는 1 MHz 이고, RESON사에서 제공하는 송신전압감도 (TVR), 수신전압감도 (RVS)를 바탕으로 시제품의 특성평가를 진행하였다.
- 음향 임피던스 매칭을 위한 음향 정합층의 음향 임피던스는 KLM 모델을 기초로 계산하였다[2]. 실제 적용된 음향정합층 재료는 이론적인 계산값과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 사용하였다. 음향 정합층은 1층의 경우 음향 임피던스가 약 5 MRayl의 재료를 사용하였으며, 3층 구조의 경우 각각 2, 5, 14 MRayl과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 선택하여 사용하였다.
- 실제 적용된 음향정합층 재료는 이론적인 계산값과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 사용하였다. 음향 정합층은 1층의 경우 음향 임피던스가 약 5 MRayl의 재료를 사용하였으며, 3층 구조의 경우 각각 2, 5, 14 MRayl과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 선택하여 사용하였다. 백킹층은 금속분말과 폴리머를 배합한 복합체를 사용하였으며, 음향 임피던스가 약 20 MRayl이 되도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 중심주파수 1MHz의 DVL용 음향 트랜스듀서를 설계, 제작하였다. 음향 트랜스듀서의 액티브 소자는 PZT4를 사용하였다. 현재 상용화 되어있는 1.
- 압전세라믹에 음향정합층과 백킹층을 부착한 후 우레탄으로 음향창을 형성한 구조이다. 제작된 음향 트랜스듀서는 외경 75 mm, 두께 15 mm 이다.
- 제작된 시제품의 수중 음향 특성은 자체 제작한 수조에서 평가하였다. 테스트 수조는 길이 1.8 m, 폭 1 m, 깊이 1m의 크기로 제작되었다. 시제품의 특성 평가를 위해 RESON 사의 TC3027 트랜스듀서를 표준 트랜스듀서로 사용하였다.
- 테스트 수조에는 수돗물을 사용하였으며, 수조의 한쪽에 TC3027을 설치하고, 1.7 m 반대쪽에 시제작 된 트랜스듀서를 설치하였다. 시제작 된 트랜스듀서의 TVR, RVS는 식 (4)를 이용하였다.
데이터처리
- 제작된 수중 음향 트랜스듀서는 Impedance analyzer (Agilent 4294A)를 이용하여 임피던스를 측정하였다. 그림 4는 제작된 음향 트랜스듀서의 수중에서 측정한 임피던스 특성을 나타내고 있다.
이론/모형
- 5°)을 달성하기 위하여 PZT는 외경 60 mm의 원판형으로 설계하여 적용하였다. 음향 임피던스 매칭을 위한 음향 정합층의 음향 임피던스는 KLM 모델을 기초로 계산하였다[2]. 실제 적용된 음향정합층 재료는 이론적인 계산값과 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료를 사용하였다.
성능/효과
- (c)의 각각 1층, 3층의 음향정합층이 적용된 트랜스듀서는 최대수신감도 189.2 – dB, -187.3 dB의 특성을 나타냈다.
- 두 트랜스듀서 모두 주파수 대역폭이 우레탄만을 몰딩한 트랜스듀서에 비해 증가됨을 알 수 있으며, 3층의 음향정합층을 적용한 트랜스듀서의 대역폭이 넓게 나타남을 확인하였다. 1층의 정합층을 적용한 경우 주파수 대역폭이 40%, 3층의 정합층의 경우 주파수 대역폭이 55% 정도로 나타났다. 두 트랜스듀서 모두 최대 200 dB의 송신감도 특성을 확인하였다.
- 측정결과 음향정합층과 백킹층의 도입에 의해 주파수 대역폭 및 잔류진동 특성이 개선된 수중 음향 트랜스듀서를 구현하였다. 3층의 음향정합층과 백킹층이 적용된 음향 트랜스듀서의 주파수 대역폭은 중심주파수 대비 55%, 송신전압감도는 최대 200dB re 1uPa/V@1m, 수신전압감도는 187.3 dB re 1V/uPa의 특성을 확인하였다. 본 연구에서 개발하고자 하는 중심주파수 1MHz의 DVL의 경우 음향 트랜스듀서의 송수신 감도를 고려할 경우, 3~5 Vrms의 구동전압으로 해저면으로부터 최대 50m 거리에서 측정이 가능할 것으로 예상된다.
- 3 dB의 특성을 나타냈다. TVR 특성과 유사하게 음향정합층을 적용함으로서 광대역의 주파수 특성의 트랜스듀서 제작이 가능함을 확인하였다.
- 5 MRayl에 비해 22배 정도 높아 압전소자와 유체의 계면에서 음파의 반사율은 약 92%로 음파의 약 8% 만이 유체에 전달된다. 결과적으로 음향 임피던스의 미스매칭은 음향 트랜스듀서의 주파수 대역폭 및 송수신 감도를 감소시킨다. 광대역 음향 트랜스듀서 설계를 위해서는 PZT와 유체사이에 한층 이상의 4/λ 두께의 임피던스 정합층과 PZT 후면에 백킹층의 형성이 필요하다.
- 그림 5(b), (c)는 백킹층이 적용되었고, 각각 1층, 3층의 음향정합층이 적용된 트랜스듀서의 TVR 특성을 나타낸다. 두 트랜스듀서 모두 주파수 대역폭이 우레탄만을 몰딩한 트랜스듀서에 비해 증가됨을 알 수 있으며, 3층의 음향정합층을 적용한 트랜스듀서의 대역폭이 넓게 나타남을 확인하였다. 1층의 정합층을 적용한 경우 주파수 대역폭이 40%, 3층의 정합층의 경우 주파수 대역폭이 55% 정도로 나타났다.
- 1층의 정합층을 적용한 경우 주파수 대역폭이 40%, 3층의 정합층의 경우 주파수 대역폭이 55% 정도로 나타났다. 두 트랜스듀서 모두 최대 200 dB의 송신감도 특성을 확인하였다. 그러나 두 트랜스듀서 모두 1075 kHz 부근에서 최대값에 비해 6 dB 감소된 특성을 보이고 있으며, 이는 음향정합층의 두께 또는 음향임피던스가 최적화되지 못한 결과에서 기인된 것으로 판단된다[8].
- 3 dB re 1V/uPa의 특성을 확인하였다. 본 연구에서 개발하고자 하는 중심주파수 1MHz의 DVL의 경우 음향 트랜스듀서의 송수신 감도를 고려할 경우, 3~5 Vrms의 구동전압으로 해저면으로부터 최대 50m 거리에서 측정이 가능할 것으로 예상된다. 향후 트랜스듀서의 송수신 반응시간, 지연시간, 빔폭 측정 및 해상환경 실험을 진행할 예정이다.
- 그러나 두 트랜스듀서 모두 1075 kHz 부근에서 최대값에 비해 6 dB 감소된 특성을 보이고 있으며, 이는 음향정합층의 두께 또는 음향임피던스가 최적화되지 못한 결과에서 기인된 것으로 판단된다[8]. 본 연구에서 적용된 음향정합층의 경우 트랜스듀서의 중심주파수를 1 MHz로 계산한 결과를 적용하였고, 각 음향정합층의 음향임피던스는 문헌상의 값을 적용함에 따라 이론상의 계산과오차가 발생한 것으로 판단된다.
- 식 (2)에서 알 수 있듯이 속도분해능은 송신 음향 신호의 파장과 비례한다. 즉, 파장이 짧을수록 (주파수가 높을수록) 시간적, 공간적 측정정밀도가 향상됨을 알 수 있다. 그러나 주파수의 증가에 따라서 음파의 전송손실 및 감쇠계수가 급격히 증가함으로 측정거리를 늘리기 위해서는 긴 파장 (저주파)을 이용할 필요가 있다.
후속연구
- 본 연구에서 개발하고자 하는 중심주파수 1MHz의 DVL의 경우 음향 트랜스듀서의 송수신 감도를 고려할 경우, 3~5 Vrms의 구동전압으로 해저면으로부터 최대 50m 거리에서 측정이 가능할 것으로 예상된다. 향후 트랜스듀서의 송수신 반응시간, 지연시간, 빔폭 측정 및 해상환경 실험을 진행할 예정이다.
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