[논문]벡터 하이드로폰을 위한 두께 전단형 진동자의 빔 패턴 해석

김정석; 김회용; 노용래

doi:10.7776/ask.2017.36.3.158

벡터 하이드로폰을 위한 두께 전단형 진동자의 빔 패턴 해석
Analysis of the beam pattern of a thickness shear mode vibrator for vector hydrophones 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.3, 2017년, pp.158 - 164

김정석 ((주)한화) , 김회용 ((주)한화) , 노용래 (경북대학교 기계공학부)

초록
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수중에서 은밀하게 움직이는 표적을 조기에 탐지하기 위한 선배열센서에 적용되는 통상의 하이드로폰은 표적신호의 크기만 측정할 뿐, 외부에서 들어오는 음향신호의 방향은 파악할 수 없는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 표적으로부터의 음향신호의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 관성형 벡터 하이드로폰의 기본 구성품으로 두께 전단형 진동자를 제안하였다. 외력에 대한 진동자의 출력 전압을 해석할 수 있는 수식을 유도하였으며, PMN-PT 단결정 진동자에 대한 유한요소해석을 통해 수식의 타당성을 검증하였다. 본 연구에서 얻어진 해석 결과는 향후 두께 전단형 진동자로 구성된 관성형 벡터 하이드로폰 설계에 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Typical hydrophones in line array sensors for early detection of covert underwater targets can measure only sound-pressure-magnitude with the limitation of being unable to identify the direction of an incoming wave. In this study, a thickness shear mode vibrator was proposed as the main component of an inertia type vector hydrophone to measure both magnitude and direction of acoustic signals from targets. The equation to analyze the output voltage of the vibrator to an external force was derived, and the validity of the equation was verified through finite element analysis of a PMN-PT single crystal vibrator. The analysis results from this study will be utilized in the future for the design of inertia type vector hydrophones made of thickness shear vibrators.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 벡터 하이드로폰에 적용되는 이러한 전단형 가속도 센서의 장점을 극대화하기 위해서는 기본 구성품인 전단형 진동자에 대한 엄밀한 해석과 설계가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 정방정계 4 mm 결정구조를 가지는 PMN-PT 단결정 재료의 두께 전단형 진동자에 대한 파동 방정식의 해를 유도하고, 외력에 대한 빔 패턴 특성을 도출하였으며, 유한요소해석을 통해 그 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 표적신호의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 관성형 벡터 하이드로폰에 적용 가능한 두께 전단형 진동자의 빔 패턴 특성을 해석하였다. 운동 방정식, 변형률-변위 관계식, 압전 구조방정식 및 경계조건을 활용하여 정방정계 4 mm 결정 구조의 두께 전단형 진동자의 파동방정식의 해를 도출하고, 외력에 대한 출력 전압 식을 유도하였다.
은 2조각을 낸 원통형 압전 세라믹에 대한 등가 회로를 구성하였고,^[6] Butler et al.이 구형 및 원통형 압전 세라믹을 분할한 다중 모드형 벡터 하이드로폰에 대한 연구를 활발하게 진행하였다.^[5-7]나아가 Butler et al.

가설 설정

1. Concept of the accelerometer and thickness shear mode vibrator.

제안 방법

(26)을 이용하여 가로(L), 세로(W), 두께(τ)가 각각 8 mm, 6 mm, 0.5 mm인 PMN-28 % PT 단결정[26] 진동자에 대한 빔패턴 특성을 해석하였다.
앞 절에서 유도한 수식으로 두께 전단형 진동자의빔 패턴을 해석한 결과의 타당성을 검증하기 위해, 해석에 사용된 진동자와 동일한 크기의 PMN-28 % PT 단결정 진동자에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 물성은 Eq.
본 연구에서는 표적신호의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 관성형 벡터 하이드로폰에 적용 가능한 두께 전단형 진동자의 빔 패턴 특성을 해석하였다. 운동 방정식, 변형률-변위 관계식, 압전 구조방정식 및 경계조건을 활용하여 정방정계 4 mm 결정 구조의 두께 전단형 진동자의 파동방정식의 해를 도출하고, 외력에 대한 출력 전압 식을 유도하였다. 유도된 수식과 해석결과의 타당성은 PMN-28 % PT 단결정 진동자의 외력 방향에 따른 출력 전압 특성의 유한요소 해석을 통해 검증하였다.
운동 방정식, 변형률-변위 관계식, 압전 구조방정식 및 경계조건을 활용하여 정방정계 4 mm 결정 구조의 두께 전단형 진동자의 파동방정식의 해를 도출하고, 외력에 대한 출력 전압 식을 유도하였다. 유도된 수식과 해석결과의 타당성은 PMN-28 % PT 단결정 진동자의 외력 방향에 따른 출력 전압 특성의 유한요소 해석을 통해 검증하였다.
은 압전 세라믹 가속도 센서 기반의 벡터 하이드로폰으로 미국의 Seneca 호수에서 50 ~ 2,000 Hz 대역의 음향 수신특성을 측정하였고,^[18] Shipps et al.은 선배열 센서에 적용하기 위한 관성형 벡터 하이드로폰의 사양을 제시하고 PMN-PT 단결정 가속도 센서를 적용한 벡터 하이드로폰의 성능을 평가하였다.^[19] McConnel은 구형의 하이드로폰 내에 가속도 센서를 장착한 관성형 벡터 하이드로폰을 수학적으로 모델링하고, 외부 유체의 밀도 및 점도 변화에 대한 영향을 고찰했고,^[20] Kim et al.
^[19] McConnel은 구형의 하이드로폰 내에 가속도 센서를 장착한 관성형 벡터 하이드로폰을 수학적으로 모델링하고, 외부 유체의 밀도 및 점도 변화에 대한 영향을 고찰했고,^[20] Kim et al.은 직경 38.1 mm의 원통형 하이드르폰 내에 가속도 센서를 장착한 관성형 벡터 하이드르폰의 중성부력 상태에서의 음향수신 특성을 평가하였다.^[21]

이론/모형

여기서 E, T, S는 각각 전기장, 응력 및 변형률을 나타내며 응력 및 변형률의 아래첨자는 편의상 행렬 표시법^[24] 을 따랐다. Fig.

성능/효과

1 kHz에서의 x축을 기준으로 한 빔 패턴 특성은 Fig. 3과 같이 쌍극자 빔패턴 특성을 나타내고 있으며, 최대 출력 각도가 0°, 180°로서 Deng이 압전 상수의 비로 최대 출력 각도를 도출한 것과 일치하는 결과를 보이고 있다.

후속연구

한편, 가속도 센서는 센서 자체의 출력특성이 쌍극자 형태를 이루고 저주파 측정이 가능하여 선배열 센서에 적용하기에 적합한 센서이다. 그러나 수중 표적을 조기에 탐지하기에는 수중음향신호에 대한 감도가 매우 낮아 결과적으로 시스템의 전기적 자체잡음 특성의 개선이 필요하다. 이를 위해 Wlodkowski et al.
본 연구에서 유도된 수식은 두께 전단형 가속도 센서의 설계에 활용되어 궁극적으로 표적의 크기와 방향을 동시에 탐지할 수 있는 벡터 하이드로폰 개발에 기여할 것이다.
이와 같이 본 연구에서 도출한 수식을 활용하여 결정의 최대 출력 방향을 확인한 후 결정의 절단 각도를 결정한다면, 결과적으로 가속도 센서의 성능을 향상시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	예인 선배열 음탐기의 장점과 한계는 무엇인가?	이중에서 수중표적의 장거리 탐지를 위해서는 저주파 탐지 능력이 상대적으로 뛰어난 예인 선배열 음탐기가 주로 사용된다. 예인 선배열 음탐기의 핵심 구성품인 선배열 센서는 일반적 으로 구형 또는 원통형의 하이드로폰을 다채널로 구성하여 표적탐지 능력이 뛰어난 장점이 있으나, 표적의 좌우 구분을 위해 별도의 함정기동분석을 위한 시간이 필요한 한계가 상존한다. 이는 선배열 센서를 구성하는 하이드로폰이 음파의 크기만 감지하는 스칼라 센서이기 때문이며, 음파의 크기와 방향을 동시에 감지하는 센서인 벡터 하이드로폰 [1] 의 필요성이 점차 높아지고 있다.
	해군에서 일반적으로 사용하는 수중음향탐지 장비는 무엇인가?	잠수함이나 어뢰와 같이 수중에서 은밀하게 움직이는 표적을 조기에 탐지하기 위해 해군에서 일반적 으로 사용하는 수중음향탐지 장비는 함정 하부에 부착된 능동음탐기와 함정 후미에서 예인 운용하는 예인 선배열 음탐기이다. 이중에서 수중표적의 장거리 탐지를 위해서는 저주파 탐지 능력이 상대적으로 뛰어난 예인 선배열 음탐기가 주로 사용된다.
	예인 선배열 음탐기의 선배열 센서에 표적의 좌우 구분을 위해 별도의 함정기동분석을 위한 시간이 필요한 이유는 무엇인가?	예인 선배열 음탐기의 핵심 구성품인 선배열 센서는 일반적 으로 구형 또는 원통형의 하이드로폰을 다채널로 구성하여 표적탐지 능력이 뛰어난 장점이 있으나, 표적의 좌우 구분을 위해 별도의 함정기동분석을 위한 시간이 필요한 한계가 상존한다. 이는 선배열 센서를 구성하는 하이드로폰이 음파의 크기만 감지하는 스칼라 센서이기 때문이며, 음파의 크기와 방향을 동시에 감지하는 센서인 벡터 하이드로폰 [1] 의 필요성이 점차 높아지고 있다.

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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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