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고지향 수중 통신을 위한 파라메트릭 어레이 트랜스듀서의 설계 및 개발 연구
Design and Development Research of a Parametric Array Transducer for High Directional Underwater Communication 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.2, 2015년, pp.117 - 129  

황용환 (포항공과대학교 기계공학과) ,  제엽 (국방과학연구소) ,  문원규 (포항공과대학교 기계공학과)

초록
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파라메트릭 어레이(parametric array)는 매질의 비선형성을 이용하여 고지향성 저주파를 발생시키는 현상이다. 발생된 저주파는 직접 발생된 1차 음파에 비해 음압이 상대적으로 매우 작다. 따라서 강력한 1차 음파를 지향성 있게 발생시킬 수 있는 트랜스듀서가 필수적으로 요구된다. 본 논문에서는 파라메트릭 어레이를 위한 음원으로써 다공진 트랜스듀서의 설계, 제작, 시험평가에 대해 연구하였다. 유닛 트랜스듀서 및 배열 트랜스듀서의 설계를 해석 모델에 근거하여 수행하였으며, 이 과정을 반복하여 최적의 트랜스듀서를 제작하였다. 제작된 배열 트랜스듀서는 6.3 m 거리에서 각각 189 dB, 190 dB의 1차 음파를 확인하였으며, 파라메트릭 어레이 현상을 이용하여 136 dB의 차주파수음 발생을 확인하였다. 차주파수음은 $12{\times}18{\times}10m$크기의 수조에서 15 kHz, $8^{\circ}$ half power beamwidth의 고지향성 저주파 특성을 가지고 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A parametric array is a nonlinear phenomenon that generates a narrow beam of low-frequency sound using the nonlinearity of the medium. The low-frequency sound so generated has a low sound pressure compared with that of sound generated directly. Consequently, a transducer that can generate a primary ...

주제어

#파라메트릭 어레이   #다공진 배열 트랜스듀서   #고지향 수중 통신  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수중통신 및 탐지용으로 사용되는 음파의 가장 중요한 성능요소는? 수중통신 및 탐지용으로 사용되는 음파는 데이터의 높은 신뢰도와 전송속도를 가장 중요한 성능요소로 가진다. 하지만 수중통신 시 송신부에서 발생된 음파는, 직접적으로 전달되는 음파 외에도 해수/해저면에 의한 반사, 음파전달속도 구배로 인한 경로의 휘어짐 등 다양한 경로로 수신부에 전달된다.
다중경로문제를 해결하기 위해 수신부의 위치를 정확히 아는 경우 사용할 수 있는 것은? 이러한 다중경로문제는 수신신호를 왜곡하여 수중통신에서 신뢰도 있는 데이터를 전달하는데 큰 어려움을 유발한다.[1] 이러한 문제를 해결하기 위해 수신부의 위치를 정확히 아는 경우 고지향성 음파 발생이 가능한 파라메트릭 어레이를 사용하면 큰 이점이 있다. 파라메트릭 어레이는 매질의 비선형성을 이용해 작은 면적으로 고지향성 빔이 발생되는 현상으로, Westervelt[2]에 의해 현상에 대한 이론적 해석이 처음 발표되었다.
수중통신 시 송신부에서 발생된 음파는 어떤 경로로 수신부에 전달되는가? 수중통신 및 탐지용으로 사용되는 음파는 데이터의 높은 신뢰도와 전송속도를 가장 중요한 성능요소로 가진다. 하지만 수중통신 시 송신부에서 발생된 음파는, 직접적으로 전달되는 음파 외에도 해수/해저면에 의한 반사, 음파전달속도 구배로 인한 경로의 휘어짐 등 다양한 경로로 수신부에 전달된다. 이러한 다중경로문제는 수신신호를 왜곡하여 수중통신에서 신뢰도 있는 데이터를 전달하는데 큰 어려움을 유발한다.
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참고문헌 (14)

  1. K. Mizutani, N. Wakatsuki, and K. Mizutani, "Acoustic communication in air using differential biphase shift keying with influence of impulse response and background noise," Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4541-4544 (2007). 

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  2. P. J. Westervelt, "Parametric acoustic array," J. Acoust. Soc. Am. 35, 535-537 (1963). 

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  3. H. Lee, D. Kang, and W. Moon, "A micro-machined source transducer for a parametric array in air," J. Acoust. Soc. Am. 125, 1879-1893 (2009). 

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  4. B. K. Novikov, O. V. Rudenko, and V. I. Timoshenko, Nonlinear Underwater Acoustics (The American Institute of Physics, New York, 1987), pp. 77-83. 

  5. I. O. Wygant, M. Kupnik, J. C. Windsor, W. M. Wright, M. S. Wochner, G. G. Yaralioglu, M. F. Hamilton, and B. T. Khuri-Yakub, "50 kHz capacitive micromachined ultrasonic transducers for generation of highly directional sound with parametric arrays," IEEE. Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 56, 193-203 (2009). 

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  6. K. C. Benjamin and S. Petrie, "The design, fabrication, and measured acoustic performance of a 1-3 piezoelectric composite Navy calibration standard transducer," J. Acoust. Soc. Am. 109, 1973-1978 (2001). 

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  7. L. Kinsler, A. Frey, A. Coppens, and J. Sanders, Fundamentals of Acoustics, 4th Ed. (Wiley, New York, 1982), pp. 179-181 and 224-228. 

  8. C. H. Sherman and J. L. Butler, Transducers and Arrays for Underwater Sound, (Springer, New York, 2007), pp. 338-359. 

  9. H. A. Kunkel, S. Locke, and B. Pikeroen, "Finite-element analysis of vibrational modes in piezoelectric ceramic disks," IEEE. Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 37, 316-328 (1990). 

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  10. E. A. G. Shaw "On the resonant vibrations of thick barium titanate disks," J. Acoust. Soc. Am. 28, 38-50 (1956). 

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  11. K. K. Shung and M. Zipparo, "Ultrasonic transducers and arrays," IEEE. Eng. Med. Biol. Mag. 15, 20-30 (1996). 

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  12. V. F. Humphrey, "The measurement of acoustic properties of limited size panels by use of a parametric source," J. Sound. Vib. 98, 67-81 (1985). 

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  13. M. B. Moffett and J. E. Blue, "Hydrophone nonlinearity measurements," J. Acoust. Soc. Am. 72, 1-6 (1982). 

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  14. Y. Lee, Numerical solution of the KZK equation for pulsed finite amplitude sound beams in thermoviscous fluids, (Ph. D. Thesis, The University of Texas at Austin, 1993). 

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