[논문]심벌 트랜스듀서의 종류별 음향 특성 비교 분석

최유지; 심하영; 노용래

doi:10.7776/ask.2019.38.3.256

심벌 트랜스듀서의 종류별 음향 특성 비교 분석
Comparative analysis of the acoustic characteristics of different types of cymbal transducers 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.3, 2019년, pp.256 - 265

최유지 (경북대학교 기계공학부) , 심하영 (경북대학교 기계공학부) , 노용래 (경북대학교 기계공학부)

초록
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수중 탐지용으로 사용되는 심벌 트랜스듀서에는 여러 가지 종류가 연구되어져 왔는데, 대표적인 종류로 Moonie 트랜스듀서, 컨벡스 심벌 트랜스듀서, 그리고 컨케이브 심벌 트랜스듀서 등이 있다. 본 연구에서는 수중 광대역 프로젝터용으로 이들 세 종류의 트랜스듀서의 특성을 분석하고 비교하였다. 트랜스듀서의 구조 변수들이 각 트랜스듀서의 음향 특성에 미치는 영향을 분석하고 이를 바탕으로 각 트랜스듀서 종류가 특정 중심주파수를 가지면서 대역폭이 최대가 되는 구조를 도출하였다. 최적화된 구조를 가지는 트랜스듀서들의 성능을 비교한 결과, 컨벡스 심벌 트랜스듀서가 광대역과 고출력, 두 측면에서 모두 가장 우수하다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Several types of cymbal transducers used for underwater detection have been studied. Representative types are Moonie, convex cymbal, and concave cymbal transducers. In this study, we analyzed the characteristics of these three types of transducers for underwater broadband projectors and compared them together. First, the influence of structural variables on the acoustic characteristics of the transducers was analyzed. Based on this, we derived the structure of each transducer type to have a specific center frequency and the maximum bandwidth. As a result of comparing the performance of the optimized transducers, the convex cymbal transducer turned out to be best in terms of both broad bandwidth and high power.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic structure of the Moonie transducer.
그림 Fig. 2. Schematic structure of the convex cymbal tran-sducer.
그림 Fig. 3. Schematic structure of the concave cymbal transducer.
그림 Fig. 4. TVR spectra of the three types of cymbal transducers.
표 Table 1. Basic dimensions of the three cymbal transducers.
표 Table 2. Acoustic characteristics of the three basic cymbal transducers.
그림 Fig. 5. Analysis of the effect of the structural variables on the center frequency of the cymbal transducers : (a) base diameter (db), (b) apex diameter (d_a), (c) total diameter (dt), (d) cavity height (h_c), (e) cap thickness (t_m), (f) PZT thickness (t_c).
그림 Fig. 6. Analysis of the effect of the structural variables on the peak TVR of the cymbal transducers : (a) base diameter (d_b), (b) apex diameter (d_a), (c) total diameter (dt), (d) cavity height (h_c), (e) cap thickness (t_m) (f) PZT thickness (t_c).
그림 Fig. 7. Analysis of the effect of the structural variables on the bandwidth of the cymbal transducers : (a) base diameter (d_b), (b) apex diameter (d_a), (c) total diameter (d_t), (d) cavity height (hc), (e) cap thickness (t_m) (f) PZT thickness (t_c).
표 Table 3. Variation range of the design variables.
표 Table 4. Optimized dimensions of the three cymbal transducers.
그림 Fig. 8. TVR spectra of the three optimized cymbal transducers.
표 Table 5. Acoustic characteristics of the three optimized cymbal transducers.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 각 종류에 대한 개별적인 연구만 수행되었을 뿐 세 트랜스듀서를 동시에 비교 분석하는 연구는 수행된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 최초로 이 세 종류의 심벌 트랜스듀서 특성을 종합적으로 분석하고 비교하여 수중 광대역 프로젝터용으로 가장 적합한 트랜스듀서를 찾고자 하였다. 우선 세 종류의 심벌 트랜스듀서의 기본 구조를 설정한 다음, 각 트랜스듀서별로 구조 변수들이 중심주파수, TVR과 대역폭에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 분석하였다.

제안 방법

우선 세 종류의 심벌 트랜스듀서의 기본 구조를 설정한 다음, 각 트랜스듀서별로 구조 변수들이 중심주파수, TVR과 대역폭에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 분석하였다. 그리고 그 결과에 따라 트랜스듀서 성능에 큰 영향을 미치는 중요 설계 변수들을 도출하였다. 도출된 설계변수들을 사용하여 세 트랜스듀서의 정확한 음향특성 비교를 위해 세 트랜스듀서가 동일한 공진주파수를 가지며 최대의 대역폭을 가지도록 세 트랜스듀서의 구조를 설계하고, 최적설계된 구조를 가지는 세 종류의 트랜스듀서의 음향특성을 비교하였다.
그리고 그 결과에 따라 트랜스듀서 성능에 큰 영향을 미치는 중요 설계 변수들을 도출하였다. 도출된 설계변수들을 사용하여 세 트랜스듀서의 정확한 음향특성 비교를 위해 세 트랜스듀서가 동일한 공진주파수를 가지며 최대의 대역폭을 가지도록 세 트랜스듀서의 구조를 설계하고, 최적설계된 구조를 가지는 세 종류의 트랜스듀서의 음향특성을 비교하였다.
따라서 본 연구에서는 최초로 이 세 종류의 심벌 트랜스듀서 특성을 종합적으로 분석하고 비교하여 수중 광대역 프로젝터용으로 가장 적합한 트랜스듀서를 찾고자 하였다. 우선 세 종류의 심벌 트랜스듀서의 기본 구조를 설정한 다음, 각 트랜스듀서별로 구조 변수들이 중심주파수, TVR과 대역폭에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 분석하였다. 그리고 그 결과에 따라 트랜스듀서 성능에 큰 영향을 미치는 중요 설계 변수들을 도출하였다.

대상 데이터

트랜스듀서들의 금속 캡 재료로는 황동, 압전세라믹 재료로는 PZT-5A를 사용하였다. PZT-5A는 소프트 계열의 압전세라믹의 대표적인 재료로서 물성은 References [19]를 참고하였다.

데이터처리

최적 설계를 위한 표본은 3^k 요인 배치법과 Box-Behnken법을 이용하여 선정하였고, 유한요소해석을 통해 각 표본 모델의 음향 특성을 분석하였다.^[20,21] Moonie 트랜스듀서는 9가지의 경우, 컨벡스 심벌 트랜스듀서와 컨케이브 심벌 트랜스듀서는 총 17가지 경우의 표본으로 다중 회귀분석을 이용하여 2차 회귀방정식을 도출하였다.^[22] 도출된 회귀방정식과 최적화 알고리즘인 OQ-NLP 알고리즘을 이용하여 Eq.
따라서 본 연구에서는 최초로 이 세 종류의 심벌 트랜스듀서 특성을 종합적으로 분석하고 비교하여 수중 광대역 프로젝터용으로 가장 적합한 트랜스듀서를 찾고자 하였다. 우선 세 종류의 심벌 트랜스듀서의 기본 구조를 설정한 다음, 각 트랜스듀서별로 구조 변수들이 중심주파수, TVR과 대역폭에 미치는 영향을 유한요소법을 이용하여 분석하였다. 그리고 그 결과에 따라 트랜스듀서 성능에 큰 영향을 미치는 중요 설계 변수들을 도출하였다.

이론/모형

그리고 최적화 설계 변수의 변화 범위는 Table 3과 같이 설정하였다. 최적 설계를 위한 표본은 3^k 요인 배치법과 Box-Behnken법을 이용하여 선정하였고, 유한요소해석을 통해 각 표본 모델의 음향 특성을 분석하였다.^[20,21] Moonie 트랜스듀서는 9가지의 경우, 컨벡스 심벌 트랜스듀서와 컨케이브 심벌 트랜스듀서는 총 17가지 경우의 표본으로 다중 회귀분석을 이용하여 2차 회귀방정식을 도출하였다.

성능/효과

마지막으로 수중 광대역 프로젝터로 가장 적합한 트랜스듀서를 찾기 위해 최적구조를 가지는 세 종류의 트랜스듀서의 음향특성을 비교하였다. 그 결과 컨벡스 심벌 트랜스듀서의 비대역폭이 가장 높았으며 최대 TVR 또한 가장 높아 광대역 송신 트랜스듀서로 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 초광대역 특성을 가지는 배열형 심벌 트랜스듀서 설계에 활용될 것이다.
는 클수록 대역폭을 넓히는 데에 긍정적으로 기여한다고 볼 수 있다. 이에 반해 d_a의 최적 치수는 기본 치수에 비해 감소하였고 최적화 전후 치수의 차이가 컨벡스 심벌 트랜스듀서는 1.3 mm, 컨케이브 심벌 트랜스듀서는 0.2 mm로, 컨케이브 심벌 트랜스듀서에는 d_a가 크게 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. h_c와 d_a는 앞서 구한 경향과 잘 일치하게 증가하고 감소했지만 d_b에 대해서는 앞선 경향에 따르면 세 트랜스듀서 모두 감소해야 하는데 증가하였다.
최적 설계된 세 트랜스듀서의 비대역폭은 기본 모델에 비해 모두 증가하였으며, 최대 TVR 또한 증가하였다. 따라서 OQ-NLP 알고리즘을 이용한 최적 설계가 잘 수행된 것을 확인할 수 있다.

후속연구

그 결과 컨벡스 심벌 트랜스듀서의 비대역폭이 가장 높았으며 최대 TVR 또한 가장 높아 광대역 송신 트랜스듀서로 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 초광대역 특성을 가지는 배열형 심벌 트랜스듀서 설계에 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플렉스텐셔널 트랜스듀서 셸의 역할은?	[1] 플렉스텐셔널 트랜스듀서는 압전 혹은 자기변형의 구동장치와 기계적인 일을 하 는 셸로 구성된다. 이 셸은 세라믹의 높은 임피던스,작은 인장 변형을 낮은 임피던스, 큰 굽힘 변형으로 변환시키는 역할을 한다. 플렉스텐셔널 트랜스듀서 는 모양에 따라서 7개의 클래스로 나누어지며, 크기 와 무게가 아주 다양하고 사용 가능한 주파수 범위 도 300 Hz – 3000 Hz로 아주 넓어서 저주파의 강한 신 호를 멀리 보내기 위한 용도로 많이 사용 된다.
	Moonie 트랜스듀서의 장점은 무엇인가?	[6]이것은 압전세라믹 원판과 금속 캡 사 이에 존재하는 빈 공간을 이용해 큰 힘과 변위를 발 생시킨다. Moonie 트랜스듀서는 기존의 플렉스텐셔 널 트랜스듀서보다 구조가 간단해서 제작하기 쉽고, 대량생산이 가능하다는 장점을 가진다. [7] Newnham et al.
	컨벡스 심벌 트랜스듀서는 개발 된 이유는 어떤 문제를 해결하기 위함인가?	[8] 하지만 Moonie 트랜스듀서는 빈 공간을 완벽하게 곡면으로 만들기 어렵고 셸의 특정 지점에 응력이 집중된다는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Fig.

참고문헌 (23)

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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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