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의료용 초음파 트랜스듀서의 방사 빔 형상 개선
Improvement of the Radiation Beam Profile of a Medical Ultrasonic Transducer 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.4, 2015년, pp.264 - 273  

박연수 (경북대학교 기계공학과) ,  이원석 (알피니언메디칼시스템(주)) ,  노용래 (경북대학교 기계공학과)

초록
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본 논문에서는 의료용 초음파 트랜스듀서의 방사 빔 형상의 개선에 관하여 연구하였다. 빔 형상의 개선을 위하여 분할전극과 다초점 렌즈를 포함하는 새로운 트랜스듀서 구조를 고안하였다. 먼저 선형 음원에 대해 유한요소 해석을 통해 빔 형상을 분석한 후, 부엽의 크기, 집속구간 및 빔폭 등의 성능들을 동시에 고려하여 고안된 구조의 최적설계를 수행하였다. 이때 집속구간과 최소 빔폭의 비율을 성능지수로 사용하여 고안된 구조의 최적치수를 도출하였다. 그 결과 부엽의 크기가 -20.2 dB로 작고, 최소 빔폭이 2.04 mm이고 깊이 30 mm부터 160 mm까지 좁고 일정한 빔폭을 가지도록 빔 형상이 개선되었다. 나아가, 고안된 구조를 가지도록 트랜스듀서 시편을 제작하고 빔 패턴을 측정하여 해석 결과와 비교함으로써, 고안된 트랜스듀서 구조의 타당성을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Improvement of the radiation beam profile of a medical ultrasonic transducer has been researched in this paper. In order to improve the beam profile, a new transducer structure has been devised that includes both a shaded electrode and a multi-focus lens. For a linear sound source, the beam profile ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나, 통상의 단일 초점 렌즈의 경우 음파가 집속되는 부분만 빔폭이 좁으며 집속구간이 짧은 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 1차원 배열 트랜스듀서의 폭 방향에 대해 혹은 단일 소자 트랜스듀서에 대해 방사 빔 형상을 개선시키는 방안에 관하여 연구하였다.
  • 하지만 근거리 음장부터 좁고 일정한 빔폭을 가지지는 못하여, 음파의 방사면을 기하학적으로 조절하는 방법만으로는 복합적으로 성능을 높이기 어려운 것으로 확인되었다. 따라서 부엽의 크기도 줄이면서 빔폭을 균일하게 개선하기 위해서 새로운 구조를 적용하고자 하였다.
  • 단일소자 트랜스듀서의 경우 음원 형태를 변경하여 빔 형상을 조절할 수 있는데, 압전소자의 상부에 형성된 전극의 크기를 조절하는 방법과 음파의 방사면을 기하학적으로 조절하는 방법이 있다. 먼저 다각형의 전극들을 압전소자에 생성하여 빔 형상을 개선하는 것에 관하여 연구가 이루어졌다.[5,6] 하지만 부엽의 크기는 고려하지 않고 빔폭만을 개선하였으며, 정확한 치수로 다각형의 전극을 형성하기 어려운 단점이 있다.
  • 본 논문에서는 부엽의 크기가 작고, 빔폭이 깊이에 따라 좁고 일정한 빔 형상을 가지는 초음파 트랜스듀서의 구조에 관하여 연구하였다. 선행연구처럼 형상이 복잡하여 구현하기 어려운 구조 대신에, 간단한 구조의 분할전극(shaded electrode)과 다초점 렌즈를 트랜스듀서에 적용하였다.
  • 본 연구에서는 각 성능변수들을 복합적으로 개선하기 위하여 분할전극과 다초점 렌즈를 동시에 적용한 구조를 도출하였다. 이때 트랜스듀서의 구조를 단순화하기 위하여 분할전극 구조는 2-cut 형태로 한정하였다.
  • 본 연구에서는 초음파 트랜스듀서의 폭 방향의 빔 형상을 개선하기 위하여 분할전극과 다초점 렌즈가 동시에 적용된 구조를 고안하였다. 먼저 선형음원 형태를 트랜스듀서의 기본구조로 선정한 후 유한요소 해석을 통해 빔 형상을 확인하였다.
  • 하지만 간섭에 의해 전극이 제거된 부분에서도 음파가 발생되므로, 음원의 크기를 효과적으로 조절하기 위해서 정합층도 분할전극의 크기와 동일하게 제거하였다. 이것은 음향렌즈와 압전체 간의 음향 임피던스 차이를 이용 하여 분할전극 부분에서 음파가 음향렌즈로 전파되는 것을 저감하기 위해서이다.
  • 좁고 균일한 빔 형상을 만들기 위해, 성능지수인 집속구간 비를 최대화하는 것을 목적함수로 설정하 였다. 이때 제한조건으로는 Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
빔포밍 기법이란? 방사된 빔 형상에 따라 폭 방향의 해상도가 결정되는데, 깊이에 따라 일정하고 높은 해상도를 얻기 위해서는 방사 깊이에 따라 좁고 일정한 폭을 가지는 빔 형상이 요구된다. 트랜스듀서의 길이 방향으로는 다수의 소자를 배열한 후, 이들 간에 시간 차를 두어 음파를 발생시켜 빔 형상을 조절하는 빔포밍 기법이 널리 사용되고 있다.[3,4]그러나 통상의 1차원 배열 트랜스듀서의 경우 폭 방향으로는 한 개의 소자밖에 없기 때문에 이러한 기법을 사용하는 것이 불가능하고, 대신에 음향렌즈를 사용해 방사 패턴을 조절하고 있다.
빔포밍 기법 사용이 불가능한 경우는? 트랜스듀서의 길이 방향으로는 다수의 소자를 배열한 후, 이들 간에 시간 차를 두어 음파를 발생시켜 빔 형상을 조절하는 빔포밍 기법이 널리 사용되고 있다.[3,4]그러나 통상의 1차원 배열 트랜스듀서의 경우 폭 방향으로는 한 개의 소자밖에 없기 때문에 이러한 기법을 사용하는 것이 불가능하고, 대신에 음향렌즈를 사용해 방사 패턴을 조절하고 있다. 그러나, 통상의 단일 초점 렌즈의 경우 음파가 집속되는 부분만 빔폭이 좁으며 집속구간이 짧은 단점이 있다.
초음파 트랜스듀서란? 초음파 트랜스듀서는 의료용 진단장치 또는 산업용 비파괴 검사 장비분야에서 음향신호를 송수신하기 위한 중요한 구성요소이다.[1,2] 트랜스듀서는 용도에 맞게 적절한 형태의 음향 빔을 생성할 수 있어야 한다.
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참고문헌 (18)

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