[논문]음원의 방향 추정을 위한 수중 음향 Tonpilz 벡터 센서의 제작 및 특성 평가

임영섭; 노용래

doi:10.7776/ask.2015.34.5.351

음원의 방향 추정을 위한 수중 음향 Tonpilz 벡터 센서의 제작 및 특성 평가
Fabrication and Characterization of an Underwater Acoustic Tonpilz Vector Sensor for the Estimation of Sound Source Direction 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.5, 2015년, pp.351 - 359

임영섭 (경북대학교 센서 및 디스플레이공학과) , 노용래 (경북대학교 기계공학과)

초록
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통상의 수중 음향 트랜스듀서는 음압의 크기만 측정할 뿐, 외부에서 들어오는 음향 신호의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다. 이에 본 논문의 저자들은 Tonpilz 트랜스듀서를 바탕으로 단일체로서 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지해 낼 수 있는 새로운 벡터 센서구조를 제안하였다. 제안된 구조에는 압전세라믹 링이 4등분되어 있으며, 외부 음압에 대한 각 세라믹 조각의 출력전압을 적절히 조합하면 음원의 방향을 파악할 수 있는 특징을 가진다. 본 논문에서는 이러한 구조를 가지는 Tonpilz 벡터센서를 제작하고 그 특성을 실험적으로 측정하여, 제안된 구조의 타당성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Typical underwater acoustic transducers detect only the magnitude of an acoustic pressure and they have the limitation of not being able to recognize the direction of the sound signal. Hence, the authors of this paper proposed a new vector sensor structure based on Tonpilz transducers that could detect both the magnitude and the direction of a sound pressure. In the proposed structure, the piezoceramic ring was divided into four segments, and proper combination of the output voltages of the segments in response to the external sound pressure could provide the information on the orientation of the sound source. In this paper, a Tonpilz transducer has been fabricated to have the proposed structure and its characteristics has been measured to confirm the validity of the proposed structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안된 구조에서 모든 세라믹 조각들의 출력 전압을 합하면 통상의 Tonpilz 트랜스듀서처럼 음압의 크기를 측정 할 수 있고, 임의의 방향에서 음압이 인가되었을 때 4등분 된 세라믹조각들 출력 전압의 첫 번째 피크의 부호와 정규화된 크기 그리고 세라믹 조각들 출력 전압의 적절한 조합으로 음원의 방향을 찾을 수 있음을 선행연구를 통해 확인하였다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 Tonpilz 벡터 센서의 음원의 방향 추정 성능을 검증하기 위하여 시제품을 제작하였다. 제작과정은 먼저 Tonpilz 벡터 센서 내부에 장착될 압전세라믹 링의 전극 부분만 dicing하여 링 세라믹이 4등분된 구조와 같은 형태를 가지도록 하였다.
측정 결과 본 연구에서 제안한 Tonpilz 트랜스듀서 구조는 음원의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 벡터 센서로 사용될 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 개발한 Tonpilz 벡터 센서는 기존의 벡터 센서에서 볼 수 없었던 새로운 형태의 벡터 센서이다.
본 논문의 저자들은 Tonpilz 트랜스듀서를 바탕으로 단일체로서 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지해낼 수 있는 새로운 벡터 센서구조를 제안한 바 있는데, 본 연구에서는 그 구조의 타당성을 Tonpilz 벡터 센서 시제품의 제작과 측정을 통하여 검증하고자 하였다. 측정 결과 본 연구에서 제안한 Tonpilz 트랜스듀서 구조는 음원의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 벡터 센서로 사용될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 시제작된 Tonpilz 벡터 센서를 이용하여 음원의 고각을 추정하기 위한 실험을 하였다. 외부에서 들어오는 음원의 고각에 따른 세라믹 출력 전압을 얻기 위하여 Fig.
기 발표된 본 저자들의 연구 결과에서는 새로운 Tonpilz 벡터센서의 개념을 제시하고, 센서의 특성을 수치해석을 통해 분석하였다. 본 연구에서는 이렇게 제안된 구조를 가지는 Tonpilz 벡터 센서의 시편을 제작하고 그 특성을 측정하여, 제안된 구조의 타당성을 실험적으로 검증하였다.

제안 방법

고각(altitudinal angle)이 40°일 때의 방위각을 찾기 위하여, 구형 프로젝터와 센서간의 거리를 0.77 m, 높이 차가 0.65 m가 되도록 설치하였다.
65 m가 되도록 설치하였다. 그리고 Tonpilz 벡터 센서의 전면추를 아래로 향하게 한 다음, 센서가 제자리에서 회전하도록 하였다. 외부 음원은 신호 발생기에서 발생된 신호를 파워 앰프를 사용해 증폭시켜 구형 프로젝터에 인가하여 발생시켰다.
제작과정은 먼저 Tonpilz 벡터 센서 내부에 장착될 압전세라믹 링의 전극 부분만 dicing하여 링 세라믹이 4등분된 구조와 같은 형태를 가지도록 하였다. 그리고 dicing된 링 세라믹 6개를 분극 방향이 동일하게 쌓은 다음 전면추와 후면추 사이에 삽입하여 볼트로 체결하였다. 외부 신호에 대한 출력 전압을 얻기 위하여 4 조각낸 압전세라믹에 4쌍의 전선을 연결하였다.
먼저 임의의 방향에서 Tonpilz 벡터 센서를 향하여 음압을 가한 후 각 세라믹 조각에서 나타나는 출력전압 V_a, V_b, V_c, V_d를 측정하였다. 그리고 측정된 전압을 V_a+V_d, V_a+V_b, V_b+V_c 그리고 V_c+V_d의 조합으로 나타낸 다음 각 조합의 첫 번째 피크 값 부호를 관찰함으로써 음원의 방위각이 어느 사분면에 속하는지를 추정 하였다. 그 다음 결정된 사분면 내에서 구체적인 방위각을 선행연구 ^[16]에서 제안한 수식을 이용하여 찾을 수 있었다.
4에 나타낸 실험과정을 반복하였다. 단, 고각 측정은 방위각을 찾는 방법과 다르게 구형 프로젝터와 Tonpilz 벡터 센서를 같은 높이로 물속에 담근 다음 Tonpilz 벡터 센서의 전면추를 구형 프로젝터로 향하게 하였다. 그리고 둘 사이의 거리를 0.
아울러 세라믹에서 출력된 전압 값을 이용하여 Tonpilz 벡터 센서에 도달한 음압의 크기를 같이 찾도록 하였다. 먼저 임의의 방향에서 Tonpilz 벡터 센서를 향하여 음압을 가한 후 각 세라믹 조각에서 나타나는 출력전압 V_a, V_b, V_c, V_d를 측정하였다. 그리고 측정된 전압을 V_a+V_d, V_a+V_b, V_b+V_c 그리고 V_c+V_d의 조합으로 나타낸 다음 각 조합의 첫 번째 피크 값 부호를 관찰함으로써 음원의 방위각이 어느 사분면에 속하는지를 추정 하였다.
외부 음원은 신호 발생기에서 발생된 신호를 파워 앰프를 사용해 증폭시켜 구형 프로젝터에 인가하여 발생시켰다. 발생된 음향 신호는 맞은편 Tonpilz 벡터 센서에 도달하고, 이 때 센서에 발생된 출력전압은 전하 증폭기와 오실로스코프를 거친 후 PC에 저장되도록 하였다.
제안한 Tonpilz 벡터 센서를 이용하여 음원의 방향 추정 성능을 검증하기 위하여 임의의 방향에서 입사되는 음원의 방위각을 추정하고, 나아가 추정된 방위각에서의 고각을 찾도록 하였다. 아울러 세라믹에서 출력된 전압 값을 이용하여 Tonpilz 벡터 센서에 도달한 음압의 크기를 같이 찾도록 하였다. 먼저 임의의 방향에서 Tonpilz 벡터 센서를 향하여 음압을 가한 후 각 세라믹 조각에서 나타나는 출력전압 V_a, V_b, V_c, V_d를 측정하였다.
그리고 dicing된 링 세라믹 6개를 분극 방향이 동일하게 쌓은 다음 전면추와 후면추 사이에 삽입하여 볼트로 체결하였다. 외부 신호에 대한 출력 전압을 얻기 위하여 4 조각낸 압전세라믹에 4쌍의 전선을 연결하였다. 제작에 사용된 물성은 Table 1과 같다.
전면추가 구형 프로젝터를 바라보는 각도를 90°로 정하고 Tonpilz 벡터 센서를 30°에서 90°까지 20° 간격으로 회전시키면서 측정하였고, 그 결과를 Fig. 8에 나타냈다.
제안한 Tonpilz 벡터 센서를 이용하여 음원의 방향 추정 성능을 검증하기 위하여 임의의 방향에서 입사되는 음원의 방위각을 추정하고, 나아가 추정된 방위각에서의 고각을 찾도록 하였다. 아울러 세라믹에서 출력된 전압 값을 이용하여 Tonpilz 벡터 센서에 도달한 음압의 크기를 같이 찾도록 하였다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 Tonpilz 벡터 센서의 음원의 방향 추정 성능을 검증하기 위하여 시제품을 제작하였다. 제작과정은 먼저 Tonpilz 벡터 센서 내부에 장착될 압전세라믹 링의 전극 부분만 dicing하여 링 세라믹이 4등분된 구조와 같은 형태를 가지도록 하였다. 그리고 dicing된 링 세라믹 6개를 분극 방향이 동일하게 쌓은 다음 전면추와 후면추 사이에 삽입하여 볼트로 체결하였다.

데이터처리

^[16]Tonpilz 트랜스듀서는 가장 널리 사용되는 수중 음향 트랜스듀서 종류이므로, 이를 이용하여 벡터 센서로 구현할 수 있다면 기존의 Tonpilz 트랜스듀서 재료 및 제작 기법을 그대로 이용할 수 있기 때문에 높은 활용도를 가질 수 있을 것이다. 기 발표된 본 저자들의 연구 결과에서는 새로운 Tonpilz 벡터센서의 개념을 제시하고, 센서의 특성을 수치해석을 통해 분석하였다. 본 연구에서는 이렇게 제안된 구조를 가지는 Tonpilz 벡터 센서의 시편을 제작하고 그 특성을 측정하여, 제안된 구조의 타당성을 실험적으로 검증하였다.

이론/모형

그리고 측정된 전압을 V_a+V_d, V_a+V_b, V_b+V_c 그리고 V_c+V_d의 조합으로 나타낸 다음 각 조합의 첫 번째 피크 값 부호를 관찰함으로써 음원의 방위각이 어느 사분면에 속하는지를 추정 하였다. 그 다음 결정된 사분면 내에서 구체적인 방위각을 선행연구 ^[16]에서 제안한 수식을 이용하여 찾을 수 있었다. 수식 중 어느 것을 사용하더라도 결과에는 차이가 없으므로 사용하기 편리한 식을 선택하면 된다.

성능/효과

(1)에 의해 계산된 고각이 주어진 각도와 최대 3°의 오차를 가지면서 전체적으로 잘 일치함을 알 수 있다.
이것은 하나의 패키지로 구성된 단일구조의 센서로 음압의 크기뿐만 아니라 음원의 방향도 동시에 측정할 수 있는 센서이다.^[4]음압의 크기만 측정하는 스칼라 센서에 비해서 음원의 방향도 동시에 분석할 수 있고, 기존의 배열센서에 비해서 구조가 간단하고 크기가 작다는 등의 많은 장점을 제공 할 수 있다.^[5,6]
따라서 본 연구에서 제안한 Tonpilz 벡터 센서 구조는 시제품의 제작과 실험을 통하여 해석 결과와 실험 결과가 잘 일치함이 검증되었다. 더불어 음원의 방위각을 탐지할 수 있는 벡터 센서로 활용될 수 있음을 확인하였다.
전체적으로 상당히 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 Tonpilz 벡터 센서 구조는 시제품의 제작과 실험을 통하여 해석 결과와 실험 결과가 잘 일치함이 검증되었다. 더불어 음원의 방위각을 탐지할 수 있는 벡터 센서로 활용될 수 있음을 확인하였다.
(1)에 의해 계산된 고각이 주어진 각도와 최대 3°의 오차를 가지면서 전체적으로 잘 일치함을 알 수 있다. 이것으로 본 연구에서 제안한 Tonpilz 벡터 센서 구조는 음원의 고각을 탐지할 수 있는 벡터 센서로 활용될 수 있음을 확인하였다.
이상의 결과들을 종합해보면, 본 연구에서 제안한 Tonpilz 벡터 센서는 음원의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있음이 확인되었다고 할 수 있다.
1은 Tonpilz 벡터 센서의 압전세라믹 링 구조도이다. 제안된 구조에서 모든 세라믹 조각들의 출력 전압을 합하면 통상의 Tonpilz 트랜스듀서처럼 음압의 크기를 측정 할 수 있고, 임의의 방향에서 음압이 인가되었을 때 4등분 된 세라믹조각들 출력 전압의 첫 번째 피크의 부호와 정규화된 크기 그리고 세라믹 조각들 출력 전압의 적절한 조합으로 음원의 방향을 찾을 수 있음을 선행연구를 통해 확인하였다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 Tonpilz 벡터 센서의 음원의 방향 추정 성능을 검증하기 위하여 시제품을 제작하였다.
인가한 음원의 방향과 측정을 통하여 추정된 음원의 방향을 Table 4에 서로 비교하여 나타내었다. 추정된 음원의 방향이 인가한 음원의 방향과 전체적으로 잘 일치함을 알 수 있다.
본 논문의 저자들은 Tonpilz 트랜스듀서를 바탕으로 단일체로서 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지해낼 수 있는 새로운 벡터 센서구조를 제안한 바 있는데, 본 연구에서는 그 구조의 타당성을 Tonpilz 벡터 센서 시제품의 제작과 측정을 통하여 검증하고자 하였다. 측정 결과 본 연구에서 제안한 Tonpilz 트랜스듀서 구조는 음원의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 벡터 센서로 사용될 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 개발한 Tonpilz 벡터 센서는 기존의 벡터 센서에서 볼 수 없었던 새로운 형태의 벡터 센서이다.

후속연구

[16] Tonpilz 트랜스듀서는 가장 널리 사용되는 수중 음향 트랜스듀서 종류이므로, 이를 이용하여 벡터 센서로 구현할 수 있다면 기존의 Tonpilz 트랜스듀서 재료 및 제작 기법을 그대로 이용할 수 있기 때문에 높은 활용도를 가질 수 있을 것이다. 기 발표된 본 저자들의 연구 결과에서는 새로운 Tonpilz 벡터센서의 개념을 제시하고, 센서의 특성을 수치해석을 통해 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통상의 수중 음향 트랜스듀서의 한계는?	통상의 수중 음향 트랜스듀서는 음압의 크기만 측정할 뿐, 외부에서 들어오는 음향 신호의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다. 이에 본 논문의 저자들은 Tonpilz 트랜스듀서를 바탕으로 단일체로서 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지해 낼 수 있는 새로운 벡터 센서구조를 제안하였다.
	제안된 새로운 벡터 센서구조의 특징은?	이에 본 논문의 저자들은 Tonpilz 트랜스듀서를 바탕으로 단일체로서 음압의 크기와 방향을 동시에 탐지해 낼 수 있는 새로운 벡터 센서구조를 제안하였다. 제안된 구조에는 압전세라믹 링이 4등분되어 있으며, 외부 음압에 대한 각 세라믹 조각의 출력전압을 적절히 조합하면 음원의 방향을 파악할 수 있는 특징을 가진다. 본 논문에서는 이러한 구조를 가지는 Tonpilz 벡터센서를 제작하고 그 특성을 실험적으로 측정하여, 제안된 구조의 타당성을 확인하였다.
	널리 사용되는 수중 음향 트랜스듀서에는 어떤 것들이 있는가?	널리 사용되는 수중 음향 트랜스듀서에는 구형, 링형, Flextensional, 그리고 Tonpilz 트랜스듀서 등이 있다.[1] 이러한 통상의 수중 음향 트랜스듀서들은 단일 센서로 사용 시 스칼라 센서로서 외부에서 들어오는 음압의 크기만 측정 할 뿐 음원의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다.

참고문헌 (16)

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Y. Lim and Y. Roh, "Incidence angle estimation by the Tonpilz type underwater acoustic vector sensor with a quadrupole structure" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 31, 569-579 (2012).

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