[논문]FEM을 이용한 Push-Pull형 고출력 초음파 트랜스듀서의 설계

윤양기; 노용래

문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고 고출력의 초음파를 발생시킬 수 있는 새로운 형태의 트랜스듀서로서, 중앙의 진동소자를 랑즈뱅 형태와 같이 볼트로 고정하고 진동소자의 압축 신장력이 양 끝 금속 질량체에 전달되도록 Bar로 연결하여 결국 이들을 둘러싼 쉘의 직경 변화를 일으키는 구조의 PushPull 트랜스듀서를 설계하였다. 본 논문에서는 구동부의 설계변수와 발진부의 설계변수에 대해서 구분을 하고 이들 각 변수들에 따른 음압의 변화 경향을 관찰하고, 그 결과로서 원하는 주파수 20 -25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여, 본 연구에서 최적 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 봄으로써, 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 우수성을 입증하였다.
본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한층 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 -25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한층 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 -25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
본 연구의 목적은 세정용 고출력 초음파 트랜스듀서를 설계하는 것이다. 따라서 Push-Pull 트랜스듀서 설계에 있어서 최대 음압을 낼 수 있는 구조를 찾아내기 위해서 크게 다음의 3 부류에 대해서 세부적인 설계 변수를 설정하였다.
이상에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 비교, 평가하기 위하여 기존 Push-Pull 트랜스듀서를 역시 유한요소 해석법에 의해 분석하여 그 결과를 본 연구에서 최적 설계한 것과 비교하려 하였다. 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 사용하여 앞 절에서와 동일한 요령으로 모델을 구성하였다.

제안 방법

Endcap Edge 형상아 삼각형인 경우, 전체 길이가 100 mm, Endcap 길이가 20 mm인 경우를 대표적으로 들어서 내부 구조에 변화를 가했을 때 나타나는 음압 변화를 관찰함으로써 Endcap Edge 형상의 영향을 분석하였다. 그림 1은 만곡(Round)형 Endcap의 형상으로 Endcap의끝 부분에서 시작되어진 만곡이 가운데 부분까지 타원형을 이루는 형태로서, 전체 길이가 80 mm일 때 Endcap 길이 20mm를 제외한 나머지 길이 60 mm를 Y축으로 쉘이 가질 수 있는 최대 반경으로 하고, 이를 4구간으로 세분하여 쉘의 Y축 방향 반경이 15 mm, 30 mm, 45 mm.
Endcap Edge 형상아 삼각형인 경우, 전체 길이가 100 mm, Endcap 길이가 20 mm인 경우를 대표적으로 들어서 내부 구조에 변화를 가했을 때 나타나는 음압 변화를 관찰함으로써 Endcap Edge 형상의 영향을 분석하였다. 그림 1은 만곡(Round)형 Endcap의 형상으로 Endcap의끝 부분에서 시작되어진 만곡이 가운데 부분까지 타원형을 이루는 형태로서, 전체 길이가 80 mm일 때 Endcap 길이 20mm를 제외한 나머지 길이 60 mm를 Y축으로 쉘이 가질 수 있는 최대 반경으로 하고, 이를 4구간으로 세분하여 쉘의 Y축 방향 반경이 15 mm, 30 mm, 45 mm.
Endcap Edge 형상아 삼각형인 경우, 전체 길이가 100 mm, Endcap 길이가 20 mm인 경우를 대표적으로 들어서 내부 구조에 변화를 가했을 때 나타나는 음압 변화를 관찰함으로써 Endcap Edge 형상의 영향을 분석하였다. 그림 1은 만곡(Round)형 Endcap의 형상으로 Endcap의끝 부분에서 시작되어진 만곡이 가운데 부분까지 타원형을 이루는 형태로서, 전체 길이가 80 mm일 때 Endcap 길이 20mm를 제외한 나머지 길이 60 mm를 Y축으로 쉘이 가질 수 있는 최대 반경으로 하고, 이를 4구간으로 세분하여 쉘의 Y축 방향 반경이 15 mm, 30 mm, 45 mm. 60 mm일 때의 음압 변화를 관찰하였다.
Endcap Edge 형상아 삼각형인 경우, 전체 길이가 100 mm, Endcap 길이가 20 mm인 경우를 대표적으로 들어서 내부 구조에 변화를 가했을 때 나타나는 음압 변화를 관찰함으로써 Endcap Edge 형상의 영향을 분석하였다. 그림 1은 만곡(Round)형 Endcap의 형상으로 Endcap의끝 부분에서 시작되어진 만곡이 가운데 부분까지 타원형을 이루는 형태로서, 전체 길이가 80 mm일 때 Endcap 길이 20mm를 제외한 나머지 길이 60 mm를 Y축으로 쉘이 가질 수 있는 최대 반경으로 하고, 이를 4구간으로 세분하여 쉘의 Y축 방향 반경이 15 mm, 30 mm, 45 mm. 60 mm일 때의 음압 변화를 관찰하였다.
본 연구의 목적은 세정용 고출력 초음파 트랜스듀서를 설계하는 것이다. 따라서 Push-Pull 트랜스듀서 설계에 있어서 최대 음압을 낼 수 있는 구조를 찾아내기 위해서 크게 다음의 3 부류에 대해서 세부적인 설계 변수를 설정하였다.
본 연구의 목적은 세정용 고출력 초음파 트랜스듀서를 설계하는 것이다. 따라서 Push-Pull 트랜스듀서 설계에 있어서 최대 음압을 낼 수 있는 구조를 찾아내기 위해서 크게 다음의 3 부류에 대해서 세부적인 설계 변수를 설정하였다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고 고출력의 초음파를 발생시킬 수 있는 새로운 형태의 트랜스듀서로서, 중앙의 진동소자를 랑즈뱅 형태와 같이 볼트로 고정하고 진동소자의 압축 신장력이 양 끝 금속 질량체에 전달되도록 Bar로 연결하여 결국 이들을 둘러싼 쉘의 직경 변화를 일으키는 구조의 PushPull 트랜스듀서를 설계하였다. 본 논문에서는 구동부의 설계변수와 발진부의 설계변수에 대해서 구분을 하고 이들 각 변수들에 따른 음압의 변화 경향을 관찰하고, 그 결과로서 원하는 주파수 20 -25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여, 본 연구에서 최적 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 봄으로써, 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 우수성을 입증하였다.
기존의 Push-Pull 트랜스듀서는 실린더의 양끝에 두개의 진동자를 배치하는 구조로서 각 진동자가 같은 특성을 가지도록 정확한 조정을 하는 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고 고출력의 초음파를 발생시킬 수 있는 새로운 형태의 트랜스듀서로서, 중앙의 진동소자를 랑즈뱅 형태와 같이 볼트로 고정하고 진동소자의 압축 신장력이 양 끝 금속 질량체에 전달되도록 Bar로 연결하여 결국 이들을 둘러싼 쉘의 직경 변화를 일으키는 구조의 PushPull 트랜스듀서를 설계하였다. 본 논문에서는 구동부의 설계변수와 발진부의 설계변수에 대해서 구분을 하고 이들 각 변수들에 따른 음압의 변화 경향을 관찰하고, 그 결과로서 원하는 주파수 20 -25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다.
기존의 Push-Pull 트랜스듀서는 실린더의 양끝에 두개의 진동자를 배치하는 구조로서 각 진동자가 같은 특성을 가지도록 정확한 조정을 하는 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고 고출력의 초음파를 발생시킬 수 있는 새로운 형태의 트랜스듀서로서, 중앙의 진동소자를 랑즈뱅 형태와 같이 볼트로 고정하고 진동소자의 압축 신장력이 양 끝 금속 질량체에 전달되도록 Bar로 연결하여 결국 이들을 둘러싼 쉘의 직경 변화를 일으키는 구조의 PushPull 트랜스듀서를 설계하였다. 본 논문에서는 구동부의 설계변수와 발진부의 설계변수에 대해서 구분을 하고 이들 각 변수들에 따른 음압의 변화 경향을 관찰하고, 그 결과로서 원하는 주파수 20 -25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다.
이상에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 비교, 평가하기 위하여 기존 Push-Pull 트랜스듀서를 역시 유한요소 해석법에 의해 분석하여 그 결과를 본 연구에서 최적 설계한 것과 비교하려 하였다. 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 사용하여 앞 절에서와 동일한 요령으로 모델을 구성하였다. 그림 7은 전체적인 모델의 1/2 에 대한 개략도이다.
이상에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 비교, 평가하기 위하여 기존 Push-Pull 트랜스듀서를 역시 유한요소 해석법에 의해 분석하여 그 결과를 본 연구에서 최적 설계한 것과 비교하려 하였다. 상용 유한요소 패키지인 ANSYS를 사용하여 앞 절에서와 동일한 요령으로 모델을 구성하였다. 그림 7은 전체적인 모델의 1/2 에 대한 개략도이다.
①의 조건은 트랜스듀서의. 작동 중 연결 봉의 굽힘을 방지하기 위해서는 연결 봉의 반경이 어느 크기 이상이어야 한다는 점에서 쉘 내 반경의 1/3이상으로 설정하였고, ②의 설정 조건은 PZT가 두께 모드로 안정적으로 작동하기 위해서는 그 두께에 비해 평면 규격이 더 커야 한다는 점에서 설정하였으며, ③의 조건은 쉘이 지나치게 얇으면 작동 중 역시 굽힘이 일어날 수 있고, 너무 두꺼우면 경직(stiffening)효과에 의해 발생 진폭이 매우 작을 수 있다는 면을 고려해 적절한 값으로 설정한 것이다.
전체 길이에 대한 변수에서 각각 한 경우를 설정하고 이에 대한 전체반경의 변수를 설정하였다. PZT 반경과 Bar의 반경은 아래의 조건을 만족을 하는 경우에 대해서 변수로 설정을 하였다.
전체 길이에 대한 변수에서 각각 한 경우를 설정하고 이에 대한 전체반경의 변수를 설정하였다. PZT 반경과 Bar의 반경은 아래의 조건을 만족을 하는 경우에 대해서 변수로 설정을 하였다.

대상 데이터

특히 PZT 계열 중에서 PZT-4와 PZT-8은 낮은 유전손실과 탄성손실을 가지고 있어서 고출력 트랜스듀서에 적합하다[3]. 본 연구에서는 진동소자로 PZT-8을 사용하였다.
저주파 공진을 위해서 이상적인 물질로는 낮은 영율과 높은 밀도를 가져야 하는데 반해, 높은 대역폭과 효율을 가지기 위해서는 낮은 밀도를 가지는 쉘이 요구되어진다[4]. 본 연구에서는 표 1에서와 같은 여러 물질 중 가장 적합한 것으로 생각되는 티타늄을 발진부로 사용하기로 한다. 발진부의 전체적인 모델 구조는 기존의 실린더 형태이다.
전체 길이에 대한 변수에서 세부적인 변수는 Endcap 길이, PZT 길이, Bar의 길이이다. 전체길이는 작동 주파수가 20 kHz 이상이라는 조건에 의해 80, 100, 120, 140 mm의 4구간을 선정하였다.
전체 길이에 대한 변수에서 세부적인 변수는 Endcap 길이, PZT 길이, Bar의 길이이다. 전체길이는 작동 주파수가 20 kHz 이상이라는 조건에 의해 80, 100, 120, 140 mm의 4구간을 선정하였다.
그림 7은 전체적인 모델의 1/2 에 대한 개략도이다. 해석 대상으로 삼은 기존 트랜스듀서는 중심주파수가 25 kHz 이고 작동 시 길이 방향으로 3개의 파장을 발생시키는 형태인데, 그림 8에서와 같은 modal 해석 결과, 모드 형상은 1.5파장을 보이고 있으며, 이 모델이 길이 방향으로 트랜스듀서의 1/2만을 묘사하고 있다는 점을 고려하면 이 결과는 기존 트랜스듀서의 작동 상태를 적절히 묘사하고 있다고 할 수 있다. 그림 9는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서의 음압 크기를 조화 분석을 통하여 해석한 결과이며, 예상대로 25kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났으며, 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다.
그림 7은 전체적인 모델의 1/2 에 대한 개략도이다. 해석 대상으로 삼은 기존 트랜스듀서는 중심주파수가 25 kHz 이고 작동 시 길이 방향으로 3개의 파장을 발생시키는 형태인데, 그림 8에서와 같은 modal 해석 결과, 모드 형상은 1.5파장을 보이고 있으며, 이 모델이 길이 방향으로 트랜스듀서의 1/2만을 묘사하고 있다는 점을 고려하면 이 결과는 기존 트랜스듀서의 작동 상태를 적절히 묘사하고 있다고 할 수 있다. 그림 9는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서의 음압 크기를 조화 분석을 통하여 해석한 결과이며, 예상대로 25kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났으며, 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다.

성능/효과

5파장을 보이고 있으며, 이 모델이 길이 방향으로 트랜스듀서의 1/2만을 묘사하고 있다는 점을 고려하면 이 결과는 기존 트랜스듀서의 작동 상태를 적절히 묘사하고 있다고 할 수 있다. 그림 9는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서의 음압 크기를 조화 분석을 통하여 해석한 결과이며, 예상대로 25kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났으며, 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 PushPull 트랜스듀서는 그림 6에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한층 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 -25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
본 연구에서는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서보다 간단한 구조를 가지며 출력을 한층 더 높이기 위해 실린더 중앙에 구동부를 둔 새로운 구조의 Push-Pull 트랜스듀서를 설계하고자 하였고, 유한 요소 해석을 통해 20 -25 kHz 대역에서 최대 음압을 구현할 수 있는 트랜스듀서의 최적 규격을 설정하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여 본 연구에서 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 본 결과, 본 연구에서 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 구조적으로 더 단순함에도 불구하고 더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
본 논문에서는 구동부의 설계변수와 발진부의 설계변수에 대해서 구분을 하고 이들 각 변수들에 따른 음압의 변화 경향을 관찰하고, 그 결과로서 원하는 주파수 20 -25 kHz 부근에서 최대 음압을 가지는 Push-Pull 트랜스듀서의 최적 구조를 설계하였다. 나아가 기존 Push-Pull 트랜스듀서의 성능을 평가하여, 본 연구에서 최적 설계한 트랜스듀서의 성능과 비교해 봄으로써, 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 우수성을 입증하였다.
반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 PushPull 트랜스듀서는 그림 6에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 PushPull 트랜스듀서는 그림 6에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
그림 9는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서의 음압 크기를 조화 분석을 통하여 해석한 결과이며, 예상대로 25kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났으며, 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 PushPull 트랜스듀서는 그림 6에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
그림 9는 기존의 Push-Pull 트랜스듀서의 음압 크기를 조화 분석을 통하여 해석한 결과이며, 예상대로 25kHz 주위에서 큰 음압을 보이는 극대치가 나타났으며, 최대 260 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 반면에 본 연구에서 설계한 새로운 구조의 PushPull 트랜스듀서는 그림 6에서 약 870 Pa 정도의 음압을 구현하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 최적 설계한 Push-Pull 트랜스듀서는 기존 트랜스듀서에 비해더 큰 음압을 구현할 수 있는 고출력 트랜스듀서라는 것이 입증되었다.
①의 조건은 트랜스듀서의. 작동 중 연결 봉의 굽힘을 방지하기 위해서는 연결 봉의 반경이 어느 크기 이상이어야 한다는 점에서 쉘 내 반경의 1/3이상으로 설정하였고, ②의 설정 조건은 PZT가 두께 모드로 안정적으로 작동하기 위해서는 그 두께에 비해 평면 규격이 더 커야 한다는 점에서 설정하였으며, ③의 조건은 쉘이 지나치게 얇으면 작동 중 역시 굽힘이 일어날 수 있고, 너무 두꺼우면 경직(stiffening)효과에 의해 발생 진폭이 매우 작을 수 있다는 면을 고려해 적절한 값으로 설정한 것이다.

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FEM을 이용한 Push-Pull형 고출력 초음파 트랜스듀서의 설계
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