[논문]공명 산란 이론을 이용한 단일층 원통형 껍질 내부 물질의 음향 식별

조영태; 김완구; 윤석왕

doi:10.7776/ask.2015.34.4.257

공명 산란 이론을 이용한 단일층 원통형 껍질 내부 물질의 음향 식별
Acoustic Identification of Inner Materials in a Single-layer Cylindrical Shell with Resonance Scattering Theory 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.4, 2015년, pp.257 - 263

조영태 (성균관대학교 물리학과 음향학연구실) , 김완구 (성균관대학교 물리학과 음향학연구실) , 윤석왕 (성균관대학교 물리학과 음향학연구실)

초록
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음향 공명 이론을 이용하여 단일층 원통형 껍질 속 내부 물질의 음향 식별을 연구하였다. 원통형 껍질의 이론적인 공명 피크 주파수들은 내부 물질의 밀도 변화에 의해서는 거의 영향을 받지 않으나, 음속 변화에 의해서는 두드러지게 변화를 보인다. 이와 같은 음향 의존성을 원통형 껍질 속 내부 물질을 식별하는 데 활용할 수 있다. 단일층 원통형 껍질에 대한 음향 공명 스펙트로그램을 정규화 주파수 및 내부 물질 음속의 함수로서 이론적으로 작성한다. 이 스펙트로그램에 측정한 후방 산란 음압장의 음향 공명 피크들을 중첩함으로써 내부 물질을 음향학적으로 식별할 수 있다. 이를 실험적으로 확인하기 위하여 물, 기름 또는 에틸렌글리콜을 넣은 원통형 껍질의 후방 산란 음압장을 수조 안에서 측정하였다. 단일 송수신 방식으로 중심주파수 1.05 MHz인 음파 변환기로 측정한 후방 산란 음압장의 음향 공명 피크로 내부 물질을 식별할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Acoustic identification of inner materials in a single-layer cylindrical shell is investigated with acoustic resonance theory. The theoretical resonance peak frequencies for a cylindrical shell are little affected by the density variation, but remarkably changed by the sound speed variation of inner materials. Such acoustic dependency can be utilized to identify inner materials in a cylindrical shell. Acoustic resonance spectrogram for a single-layer cylindrical shell is theoretically plotted as functions of normalized frequency and sound speed of inner materials. The inner materials can be acoustically identified by overlapping acoustic resonance peaks from measured backscattering sound field on the spectrogram. To experimentally confirm this method, backscattering sound field of cylindrical shell filled with water, oil or ethylene glycol was measured in water tank. The inner materials could be identified by acoustic resonance peaks of the backscattering sound field monostatically measured with a transduce of 1.05 MHz center frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

단일층 원통형 껍질에 평면음파가 입사될 때 발생되는 후방 산란 음압장에 대한 이론 모델을 간략히 살펴보고자 한다. Fig.
본 논문에서는 표적의 음향 탐지 및 식별 알고리즘을 제시하고자 한다. 단일층으로 구성된 원통형 껍질 표적의 음향 공명을 실험적으로 측정하여, 그 표적의 내부 물질을 음향학적으로 식별하는 데 활용한다.

제안 방법

1. 원통형 껍질의 알려진 물성 및 기하학적 크기를 이용하여, 내부 물질의 음속이 변화함에 따른 음향 공명 스펙트럼을 RST를 이용해 정규화 주파수 영역에서 계산한다.
단일층 원통형 껍질의 내부 물질에 따라 다양한 양상으로 나타나는 후방 산란 음향 공명 스펙트럼의 음속 의존성을 원통형 껍질의 내부 물질 식별에 활용하였다. 내부 물질 음속 변화에 따라 예측되는 이론적 음향 공명 피크 위치의 변화를 보여주는 음향 공명 스펙트로그램 위에 측정한 음향 공명 피크들을 중첩하여 예측한 음향 공명 피크 위치가 가장 많이 대응되는 내부 물질 음속을 찾았다. 이를 통해 표적의 내부 물질을 음향 식별할 수 있었다.
단일층 원통형 껍질의 내부 물질에 따라 다양한 양상으로 나타나는 후방 산란 음향 공명 스펙트럼의 음속 의존성을 원통형 껍질의 내부 물질 식별에 활용하였다. 내부 물질 음속 변화에 따라 예측되는 이론적 음향 공명 피크 위치의 변화를 보여주는 음향 공명 스펙트로그램 위에 측정한 음향 공명 피크들을 중첩하여 예측한 음향 공명 피크 위치가 가장 많이 대응되는 내부 물질 음속을 찾았다.
단일층 원통형 껍질의 내부 물질의 음향학적 식별을 위하여, 수조 환경의 원거리 영역에서 입사 평면파에 대한 후방 산란 음압을 실험 측정하였다. 원통형 껍질 표적으로는 입사 음파의 파장에 비해 무한한 길이로 가정할 수 있는 충분히 긴 알루미늄 파이프를 사용하였다.
본 논문에서는 탄성 반향의 후행 응답만을 이용하여 MIIR 방법으로 후방 산란 음압의 음향 공명 스펙트럼을 얻어 내부 물질을 식별하는 데 활용하였다. 비교적 단순한 구성의 공명 특성이 나타나는, 경면 반향이 시작되는 시점으로부터 65 μs 이후의 신호를후행 응답으로 정하였다.
본 연구에서는 주변 매질과 원통의 임피던스 차이 및 원통의 외경 대내경의 비율, b/a < 0.9를 고려하여 강체 배경 성분을 사용한다.
비교적 단순한 구성의 공명 특성이 나타나는, 경면 반향이 시작되는 시점으로부터 65 μs 이후의 신호를후행 응답으로 정하였다.
음파변환기와 표적 사이의 거리는 원거리 영역 조건을 만족시키는 200 mm로 설치하였다. 주파수 영역 상에서 음파변환기의 중심 주파수를 중심으로 넓고 시간 영역 상에서 짧은 펄스를 발생시키기 위하여 펄서 리시버(Panametrics 5072PR)를 신호 발생기로 사용하였으며, 수신한 신호는 25 dB 증폭시켜 디지털 오실로스코프(LeCroy LT322)로 측정 및 저장하였다. 실험의 개략적인 배치도를 Fig.
수조의 벽면에는 수조 공진의 영향을 최대한 배제하기 위하여 흡음판을 설치하였다. 중심주파수가 1.05 MHz이고 대역폭(bandwidth)이 0.65 MHz인 음파변환기(Panametrics V302)를 단일 송수신 방식으로 배치하고, 펄스 에코 방법으로 후방 산란 음압을 측정하였다. 음파변환기와 표적 사이의 거리는 원거리 영역 조건을 만족시키는 200 mm로 설치하였다.

대상 데이터

원통형 껍질 표적으로는 입사 음파의 파장에 비해 무한한 길이로 가정할 수 있는 충분히 긴 알루미늄 파이프를 사용하였다. 내부 물질로는 물, 기름, 에틸렌글리콜 세 가지 물질을 선정하였다. Table 1에 표적의 일반적 물성들을 측정한 결과를 기술하였다.
단일층 원통형 껍질의 내부 물질의 음향학적 식별을 위하여, 수조 환경의 원거리 영역에서 입사 평면파에 대한 후방 산란 음압을 실험 측정하였다. 원통형 껍질 표적으로는 입사 음파의 파장에 비해 무한한 길이로 가정할 수 있는 충분히 긴 알루미늄 파이프를 사용하였다. 내부 물질로는 물, 기름, 에틸렌글리콜 세 가지 물질을 선정하였다.

성능/효과

측정한 음향 공명 스펙트럼의 피크 위치들이 이론적인 음향 공명 스펙트로그램과 대응되는 점을 모두 조사한 후 내부 물질의 예상되는 시도 음속에 따른 이들 점의 개수를 세어 가장 많이 대응되는 경우의 음속을 알아낼 수 있었다. 그 결과 내부 물질로 물을 넣은 표적의 결과는 1453 m/s에서, 기름을 넣은 표적의 결과는 1487 m/s에서, 에틸렌글리콜을 넣은 표적의 결과는 1688 m/s에서 각각 이론적인 음향 공명 스펙트로그램과 가장 많이 대응하는 것을 확인하였다. 이들은 Table 1에 명시한 내부 물질의 음속과 매우 잘 일치하는 값이다.
6의 측정한 음향 공명 스펙트럼의 피크 위치를 나타낸 것이며, 흰 세로선은 피크가 가장 많이 대응되는 음속의 지점을 표시한 것이다. 측정한 음향 공명 스펙트럼의 피크 위치들이 이론적인 음향 공명 스펙트로그램과 대응되는 점을 모두 조사한 후 내부 물질의 예상되는 시도 음속에 따른 이들 점의 개수를 세어 가장 많이 대응되는 경우의 음속을 알아낼 수 있었다. 그 결과 내부 물질로 물을 넣은 표적의 결과는 1453 m/s에서, 기름을 넣은 표적의 결과는 1487 m/s에서, 에틸렌글리콜을 넣은 표적의 결과는 1688 m/s에서 각각 이론적인 음향 공명 스펙트로그램과 가장 많이 대응하는 것을 확인하였다.

후속연구

이를 통해 표적의 내부 물질을 음향 식별할 수 있었다. 보다 복잡한모양을 가진 표적의 음향 공명에 대해서도 선행 연구가 진행된 바 있으므로, 다른 모양의 표적에서도 산란 형태함수를 이용하여 구한 음향 공명의 음속 의존성을 활용하면 본 연구에서 제안한 방법론을 적용해 내부 물질의 음향 식별이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음향 공명 현상이 많은 연구자들의 관심의 대상이 된 이유는?	이를 음향 공명 현상이라고 한다. 음향 공명 현상은 물체 내부의 정보를 내포하 므로 비파괴적인 방법으로 물체 내부를 탐사할 수있는 응용 가능성을 가지고 있어 많은 연구자들의 관심의 대상이었다. [1-4] 이 같은 공명 현상은 어뢰 및파이프 등 원통 기하학적 구조를 갖는 대상에 응용 가능성이 높아 원통 형태의 물체에서 산란되어 나오는 음향 공명 스펙트럼의 이론적인 모델 및 측정에 대해서 많은 연구가 이루어졌다.
	음향 공명 현상이란?	표적에서 산란된 음압장에서는 표적의 기하학적 구조와 외형적 크기 그리고 내부의 고유한 물리적 특성에 따라 특정 주파수에서 전체적으로 강하게 산란되는 경향을 보인다. 이를 음향 공명 현상이라고 한다.
	공명 산란 이론이란?	[2] 은 원통형 껍질의 산란 형태함수가 공명 성분과 비공명 성분으로 나눠진다는 것을 이론적으로 밝혔다. 이와 같이 산란 음압장에서 수학적으로 공명 성분을 구별해 내는 이론을 공명 산란 이론(Resonance Scattering Theory, RST)이라고 한다. RST로 분리한 비공명 성분을 가리켜 배경 성분이라고 한다.

참고문헌 (8)

R. D. Doolittle and H. Uberall, "Sound scattering by elastic cylindrical shells," J. Acoust. Soc. Am. 39, 272-275 (1966).

상세보기
J. D. Murphy, E. D. Breitenbach, and H. Uberall, "Resonance scattering of acoustic waves from cylindrical shells," J. Acoust. Soc. Am. 64, 677-683 (1978).

상세보기
E. D. Breitenbach, H. Uberall, and K. B. Yoo, "Resonant acoustic scattering from elastic cylindrical shells," J. Acoust. Soc. Am. 74, 1267-1273 (1983).

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H. J. Yim, G. S. Hong, and J. T. Kim, "Analysis of Modulus and Phase of Resonance Scattered Elastic Waves from Cylindrical Fluid Scatterers" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kor. 20, 62-70 (2001).
J. Ripoche and G. Maze, "A new acoustic spectroscopy: the resonance scattering spectroscopy by the Method of Isolation and Identification of Resonances (MIIR)," in Acoustic Resonance Scattering, edited by H. Uberall (Gordon and Breach, Philadelphia, 1992), pp. 69-103.
A. Tesei, W. L. J. Fox, A. Maguer, and A. Lovik, "Target parameter estimation using resonance scattering analysis applied to air-filled, cylindrical shells in water," J. Acoust. Soc. Am. 108, 2891-2900 (2000).

상세보기
Y. Fan, F. Honavar, A. N. Sinclair, and M. R. Jafari, "Circumferential resonance modes of solid elastic cylinders excited by obliquely incident acoustic waves," J. Acoust. Soc. Am. 113, 102-113 (2003).

상세보기
M. Billy and G. Quentin, "Scattering by cylindrical targets using very short ultrasonic pulses and fourier analysis," in Acoustic Resonance Scattering, edited by H. Uberall (Gordon and Breach, Philadelphia, 1992), pp. 105-121.

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].

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