[논문]파라메트릭 송파 방식을 이용한 기중 지향성 음원의 개발

문병천; 김무준; 하강열; 김천덕

문제 정의

본 연구에서는 기중 파라메트릭 송파기 개발을 위해 초음파 트랜스듀서를 이용한 기중 파라메트릭 어레이를 제작하고 그 특성을 실험적으로 검토하였다.
본 연구에서는 기중 파라메트릭 송파기를 제작하기 위한 연구로써 파라메트릭 어레이를 위한 송파기를 제작하고 제작된 송파기로부터 음파를 발생시켜 차주파수 음파가 나타남을 확인하였다.
본 연구에서는 기중 파라메트릭 송파기 개발을 위해 초음파 트랜스듀서를 이용한 기중 파라메트릭 어레이를 제작하고 그 특성을 실험적으로 검토하였다.
본 연구에서는 기중 파라메트릭 송파기를 제작하기 위한 연구로써 파라메트릭 어레이를 위한 송파기를 제작하고 제작된 송파기로부터 음파를 발생시켜 차주파수 음파가 나타남을 확인하였다.

제안 방법

Function Generator (HP8904A )로부터 음원의 공진 주파수인 38.35 kHz 부근에서 차주파수 2 kHz가 되도록 각각 37.12 kHz와 39.12 kHz의 정현파 신호를 20 Vpp로 인가하여 트랜스듀서를 구동시키고 수신용으로 Condenser Microphone ( B&K Type 4135 )를 사용하여 차주파수 및 메인 주파수 신호를 수신하였으며 수신된 음파의 주파수 성분을 FFT Analyzer로 분석하였다.
Function Generator (HP8904A )로부터 음원의 공진 주파수인 38.35 kHz 부근에서 차주파수 2 kHz가 되도록 각각 37.12 kHz와 39.12 kHz의 정현파 신호를 20 Vpp로 인가하여 트랜스듀서를 구동시키고 수신용으로 Condenser Microphone ( B&K Type 4135 )를 사용하여 차주파수 및 메인 주파수 신호를 수신하였으며 수신된 음파의 주파수 성분을 FFT Analyzer로 분석하였다.
실험을 위해 제작된 트랜스듀서는 공진 주파수가 38.4 kHz인 소자 21개를 이용하여 이들을 PE판에 평면 어레이시켜 제작하였다. 그림 2에는 개별 트랜스듀서 소자의 외관을 나타내었다.
그림 6과 같은 실험 환경에서 파라메트릭 어레이에 의해 발생되는 차주파수 음파를 수신하여 분석하였다.
그림 6과 같은 실험 환경에서 파라메트릭 어레이에 의해 발생되는 차주파수 음파를 수신하여 분석하였다.
본 연구에서는 파라메트릭 송파기로서 21개의 트랜스듀서를 평면 어레이시켜 제작한 후 이에 2kHz의 차주파수가 생성되도록 메인주파수 37.12kHz와 39.12kHz의 신호를 인가하였는데, 그 형태는 그림 1과 같다.
본 연구에서는 파라메트릭 송파기로서 21개의 트랜스듀서를 평면 어레이시켜 제작한 후 이에 2kHz의 차주파수가 생성되도록 메인주파수 37.12kHz와 39.12kHz의 신호를 인가하였는데, 그 형태는 그림 1과 같다.
소자의 결선에 있어서는 그림 1의 배열 형태처럼 대칭이 되도록 하여 21개의 소자 가운데 10개와 11개로 구분한 후 이에 메인 주파수를 각각 인가하였다.
실험은 무향실에서 행하여 졌으며 제작된 트랜스듀서와 마이크로폰 그리고 마이크로폰용 프리엠프를 제외한 모든 장치는 무향실 밖에 위치시켜 외부의 영향을 제거하였다.
실험은 무향실에서 행하여 졌으며 제작된 트랜스듀서와 마이크로폰 그리고 마이크로폰용 프리엠프를 제외한 모든 장치는 무향실 밖에 위치시켜 외부의 영향을 제거하였다.
제작된 트랜스듀서 어레이를 음원으로 하여 공기 중에서 그 특성을 조사하였다
제작된 트랜스듀서 어레이를 음원으로 하여 공기 중에서 그 특성을 조사하였다
파라메트릭 어레이의 지향 특성을 측정하기 위하여 그림 7에 나타낸 것과 같이 음원으로부터 음축상 1.2m 떨어진 지점에서 측정을 행하였는데, 여기서 1.2m는 메인 주파수에 대한 레일리 거리가 0.46m 이므로 충분한 원거리 지점으로 선택하였다. 측정 각도는 음축을 중심으로 수평방향의 80° 영역( -40° - +40° )을 대상으로 측정하였다.

대상 데이터

실험을 위해 제작된 트랜스듀서는 공진 주파수가 38.4 kHz인 소자 21개를 이용하여 이들을 PE판에 평면 어레이시켜 제작하였다. 그림 2에는 개별 트랜스듀서 소자의 외관을 나타내었다.
46m 이므로 충분한 원거리 지점으로 선택하였다. 측정 각도는 음축을 중심으로 수평방향의 80° 영역( -40° - +40° )을 대상으로 측정하였다. 측정된 결과를 그림 8과 그림 9에 나타내었다.
46m 이므로 충분한 원거리 지점으로 선택하였다. 측정 각도는 음축을 중심으로 수평방향의 80° 영역( -40° - +40° )을 대상으로 측정하였다. 측정된 결과를 그림 8과 그림 9에 나타내었다.

성능/효과

또한 메인 주파수에 대하여 가장 큰 음압 레벨이 나타나는 각도는 37.12 kHz의 주파수에서는 -8° 였고, 39.12 kHz의 주파수에서는 -4° 였으며, 이들에 대하여 3dB 빔 폭은 각각 약 8° 와 6° 로 나타났다.
또한 앞의 원리에서 언급되었듯이 두 메인 주파수로 구동되는 음파의 빔이 겹쳐지는 영역에서 차주파수 음파의 빔이 나타날 것이라는 것을 알 수 있는데, 그림 9의 결과를 보면 두 개의 메인 주파수 음파가 겹쳐지는 부분을 따라서 차주파수 음파가 강하게 나타남을 알 수 있었다. 측정된 차주파수 음파의 가장 큰 음압 레벨은 -5° 에서 나타났고, 3dB 빔 폭은 약 5° 로 나타났다.
또한 앞의 원리에서 언급되었듯이 두 메인 주파수로 구동되는 음파의 빔이 겹쳐지는 영역에서 차주파수 음파의 빔이 나타날 것이라는 것을 알 수 있는데, 그림 9의 결과를 보면 두 개의 메인 주파수 음파가 겹쳐지는 부분을 따라서 차주파수 음파가 강하게 나타남을 알 수 있었다. 측정된 차주파수 음파의 가장 큰 음압 레벨은 -5° 에서 나타났고, 3dB 빔 폭은 약 5° 로 나타났다.
또한 측정된 결과 차주파수 음파의 3dB 빔 폭은 약 5º 로 매우 예리한 지향성을 나타냄을 알 수 있었고, 메인 주파수의 사이드로브 레벨에 비해 매우 낮은 사이드로브 레벨을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
또한 측정된 결과 차주파수 음파의 3dB 빔 폭은 약 5º 로 매우 예리한 지향성을 나타냄을 알 수 있었고, 메인 주파수의 사이드로브 레벨에 비해 매우 낮은 사이드로브 레벨을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
또한, 위의 결과로부터 메인' 주파수메인 로 브 빔의 교차 각을 조절함으로서 차주 파수 음파 빔의 지향성을 제어할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 위의 결과로부터 메인'주파수 음파의 메인 로브 빔의 교차 각을 조절함으로서 차주파수 음파 빔의 지향성을 제어할 수 있음을 알 수 있었다.
측정된 차주파수 음파의 가장 큰 음압 레벨은 -5° 에서 나타났고, 3dB 빔 폭은 약 5° 로 나타났다. 이로부터 차주파수 음파의 지향성이 메인 주파수의 지향 특성에 의존함을 알 수 있고, 또한, 그림 9로부터 차주파수 음파의 지향성은 메인 주파수 음파의 메인 로브가 서로 교차하는 영역에서 가장 크게 나타남을 알 수 있었으며, 사이드 로브에서는 메인 주파수 음파보다 그 음압 레벨이 큰 폭으로 감소함을 알 수 있었다.
측정된 차주파수 음파의 가장 큰 음압 레벨은 -5° 에서 나타났고, 3dB 빔 폭은 약 5° 로 나타났다. 이로부터 차주파수 음파의 지향성이 메인 주파수의 지향 특성에 의존함을 알 수 있고, 또한, 그림 9로부터 차주파수 음파의 지향성은 메인 주파수 음파의 메인 로브가 서로 교차하는 영역에서 가장 크게 나타남을 알 수 있었으며, 사이드 로브에서는 메인 주파수 음파보다 그 음압 레벨이 큰 폭으로 감소함을 알 수 있었다.
제작된 음원에 실험을 통해 차주파수가 2 kHz가 되도록 메인 주파수를 인가한 후 그 지향 특성을 조사한 결과, 전파 중에 생성된 차주파수 음파는 메인 주파수의 메인 로브가 겹쳐지는 영역에 의존함을 알 수 있었다.
제작된 음원에 실험을 통해 차주파수가 2 kHz가 되도록 메인 주파수를 인가한 후 그 지향 특성을 조사한 결과, 전파 중에 생성된 차주파수 음파는 메인 주파수의 메인 로브가 겹쳐지는 영역에 의존함을 알 수 있었다.
파라메트릭 어레이를 구현하기 위해 그림 4와 같이 평면 어레이 시켰으며, 그림 5는 그림 4에 나타낸 트랜스듀서 어레이의 주파수 특성을 측정한 결과로, 공진 주파수는 38.35 kHz임을 알 수 있었다.
파라메트릭 어레이를 구현하기 위해 그림 4와 같이 평면 어레이 시켰으며, 그림 5는 그림 4에 나타낸 트랜스듀서 어레이의 주파수 특성을 측정한 결과로, 공진 주파수는 38.35 kHz임을 알 수 있었다.

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