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소나 시스템 설계를 위한 FFR 트랜스듀서 어레이의 등가회로 모델링
Equivalent Circuit Modelling of FFR Transducer Array for Sonar System Design 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.4, 2017년, pp.629 - 635  

김인동 (Dept. of Electrical Engineering, Pukyong Nat. University) ,  최승수 (Dept. of Electrical Eng., Pukyong Nat. University) ,  이학수 (The 6th R&D Institute-1, Agency for Defense Development) ,  이승우 (The 6th R&D Institute-1, Agency for Defense Development) ,  문원규 (Dept. of Mechanical Engineering, Pohang Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Free-Flooded Ring (FFR) transducer array for use in Sonar system can be driven with large amplitude in a wide frequency band due to its structural characteristics, in which two resonances of a ring mode (1st radial mode) and an inner cavity vibration mode occur in a low frequency band. Since its sou...

주제어

#FFR transducer array   #Equivalent electric circuit model   #Matching circuit   #Sonar system   #System design  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 매칭회로 설계와 같은 시스템 설계 관점에서 중요한 입출력 변수인 FFR 트랜스듀서 어레이의 입력 전압과 출력 음압, 즉 TVR(Transmitting Voltage Response) 관점에서 FFR 트랜스듀서 어레이를 모델링하였으며, 파라미터 추정 혹은 측정이 용이한 실용적인 모델을 제시한다. 이 모델을 사용하여 유전 알고리즘(Genetic algorithm)과 같은 최적화 기법을 통해 최적 매칭회로 설계가 실질적으로 가능하다.
  • 즉 시스템 설계에서 중요한 입출력 변수인 FFR 트랜스듀서 어레이의 입력 전압과 출력 음압(TVR) 관점에서 FFR 트랜스듀서 어레이를 모델링하였으며, 파라미터 추정 혹은 측정이 용이한 실용적인 등가회로 모델을 제안한다. 또한 파라미터의 측정오차를 줄이기 위한 개선된 추정방법을 제시하였다. 실험을 통해 제안한 FFR 트랜스듀서 어레이 회로모델과 파라미터 측정방법에 대한 유효성을 검증하였다.
  • 그림 4와 같이 정의에 의한 전달함수 측정은 측정되는 음압신호의 크기가 상대적으로 작아서 많은 측정오차를 가질 수 있으므로 정확한 측정이 어려울 수 있다. 본 과제에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 FFR 트랜스듀서 어레이가 선형시스템이라는 것을 이용하여 중첩의 원리를 사용하여 전달함수 값을 측정 및 계산하는 새로운 방법을 제안한다.
  • 이를 위해 그림 5와 같은 정의에 의한 결합계수 Knm을 측정할 경우 시스템의 결선 상태를 자주 변경하면서 측정하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라 측정값이 작아서 많은 측정오차를 가져올 수 있다. 본 과제에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 FFR 트랜스듀서 어레이가 선형시스템이라는 것을 이용하여 중첩의 원리를 사용하여 전달함수값을 측정 및 계산하는 방법을 제안한다.
  • 본 논문에서는 매칭회로 설계와 같은 소나 시스템의 시스템설계 관점에서 필요한 FFR 트랜스듀서 어레이의 등가회로 모델을 제시한다. 즉 시스템 설계에서 중요한 입출력 변수인 FFR 트랜스듀서 어레이의 입력 전압과 출력 음압(TVR) 관점에서 FFR 트랜스듀서 어레이를 모델링하였으며, 파라미터 추정 혹은 측정이 용이한 실용적인 등가회로 모델을 제안한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
FFR의 장점은? FFR은 크기가 작고 무게가 적으며 높은 힘을 가지고 있으며 또한 좋은 방사상 지향성을 가지며 바다 아주 깊은 곳에서 사용할 수 있다. FFR은 구조적 특성 상 링 구조의 진동모드(1st radial mode)와 내부 공동(cavity)의 진동모드(Cavity mode)의 두 가지 공진이 저주파 대역에서 나타나 넓은 주파수 대역에서 큰 진폭으로 구동이 가능하다.
FFR의 주목받는 특성은? FFR은 구조적 특성 상 링 구조의 진동모드(1st radial mode)와 내부 공동(cavity)의 진동모드(Cavity mode)의 두 가지 공진이 저주파 대역에서 나타나 넓은 주파수 대역에서 큰 진폭으로 구동이 가능하다. 또한 음파 발생 특성이 수압의 영향을 받지 않으므로 심해에서의 활용성이 높아 저주파 능동음원으로 그 중요성을 인정받아 지금까지 꾸준히 많은 관심을 받아왔다[1].
FR 트랜스듀서 유닛 및 트랜스듀서 어레이를 소나 시스템에 효과적으로 응용하기 위해서는 어떤과정이 필요한가? 실제 수중에서 장거리 송수신과 장거리 물체확인을 위해 고출력의 음파 발생이 가능한 그림 1(c)과 같은 적층형태의 FFR 트랜스듀서 어레이를 사용하게 되며, 전력증폭기에 의해 고압 대전력으로 구동된다. 하지만 FFR 트랜스듀서 유닛 및 트랜스듀서 어레이를 소나 시스템에 효과적으로 응용하기 위해서는 전체시스템 설계와 매칭회로 설계를 위해 FFR 트랜스듀서 어레이를 전기적 등가회로로 모델링 하는 것이 필요하다. 따라서 몇 가지 참고문헌을 통해 기존의 FFR 트랜스듀서 어레이 모델링의 발전 과정 및 경향을 확인할 수 있다.
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참고문헌 (8)

  1. T. F. Hueter, "Twenty Years in Underwater Acoustics: Generation and Reception," J. Acoust. Soc. Am. 51(3B), 1025-1040, 1972. 

  2. Charles H. Sherman, "Analysis of Acoustic Interaction in Transducer Array," IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics, Vol. 13, pp. 9-15, Mar 1966. 

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  3. David T. Porter, "Method for Computing the electrical and Acoustical Behavior of Free-Flooding Cylindrical Transducer Array," J. Acoust. Soc. Am, Vol. 44, No. 2, pp. 514-522, Feb 1968 

    상세보기 crossref

  4. I. V. Vovk and V. T. Grinchenko, "Interaction of Electroacoustic Transducers in an Array," Acoustical Physics, Vol. 42, No. 2, pp. 159-165, Mar 1996. 

  5. S. Morgan and D. J. W. Hardie and P. C. Macey, "Quantifying Mutual Interactions between Transducers within Active Sonar Array," OCEANS '98 Conference Proceedings, Vol. 1, pp. 399-402, Oct 1998. 

  6. Zhengyao He and Xiuchun Li, "Modeling and Calculation of Acoustic Radiation for a Free-flooded Ring Transducer Array," Image and Signal Processing (CISP), 2010 3rd International Congress on, Vol. 8, pp. 3865-3868, Oct 2010. 

  7. Xin-ran XU, "Theoretical And Experimental Study On A New Structure Free-Flooded Ring Transducer," Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications (SPAWDA), 2012 Symposium on, pp. 81-84, Nov 2012. 

  8. Rithul Mohan. T. R. and R. Ramesh, "Frequency Spectra of Free-flooded Ring Transducers," Underwater Technology (UT), 2015 IEEE, pp. 1-3, Feb 2015. 

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