[논문]구형 하이드로폰의 가속도 감도 특성

구형 하이드로폰의 가속도 감도 특성
Acceleration sensitivity features of spherical hydrophone 원문보기

김경섭 (국방과학연구소) , 조치영 (국방과학연구소) , 서희선 (국방과학연구소) , 조요한 (국방과학연구소)

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주로 선체 바깥쪽에 부착되는 이들 소나 센서는 함으로부터 전달되는 진동 및 충격을 받게 되는데 소나의 탐지성능을 극대화하기 위해서는 센서 설계 시 이에 대한 고려가 필요하다. 기본적으로 소나 센서의 내진동/내충격 설계 요소로는 단위 센서 모듈에 대한 마운트 구조 설계 등을 생각할 수 있으나, 여기서는 센서를 구성하는 하이드로폰 배열의 진동 및 충격에 대한 응답 특성 측면에서 살펴보고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 수동소나 센서에 대표적으로 사용될 수 있는 구형 하이드로폰에 대해 유한요소 해석을 통하여 가속도 감도 특성을 살펴보고, 센서 단위 모듈을 구성하는 하이드로폰 배열 구성 시 필요한 설계 요소에 대해 고찰하였다.
기본적으로 소나 센서의 내진동/내충격 설계 요소로는 단위 센서 모듈에 대한 마운트 구조 설계 등을 생각할 수 있으나, 여기서는 센서를 구성하는 하이드로폰 배열의 진동 및 충격에 대한 응답 특성 측면에서 살펴보고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 수동소나 센서에 대표적으로 사용될 수 있는 구형 하이드로폰에 대해 유한요소 해석을 통하여 가속도 감도 특성을 살펴보고, 센서 단위 모듈을 구성하는 하이드로폰 배열 구성 시 필요한 설계 요소에 대해 고찰하였다.

이와 같은 결과를 통해 센서 단위 모듈을 구성하는 하이드로폰 배열 구성 시 개별 하이드로폰의 방향성이 전체 가속도 감도에 영향을 미칠 가능성이 있을 것으로 판단되어 그림 4와 같이 하이드로폰 배열 전체를 모델링하여 감도 특성을 살펴보았다. 배열을 구성하는 개별 하이드로폰은 전기적으로 병렬로 연결되어 있으며 바깥쪽의 우레탄 몰딩부는 하이드로폰을 감싸며 지지하는 역할을 한다.

본 연구에서 고려한 하이드로폰은 그림 1에서와 같이 두 개의 반구가 접합된 중공의 구형 세라믹이며, 분극 방향은 균일하게 반지름 방향이나 두 반구의 극성은 반대로 되어 있다. 하이드로폰의 감도를 높이기 위해 두 반구는 전기적으로 직렬로 연결되어 있다.
아래에는 유한요소법을 통한 하이드로폰의 정량적 가속도 감도 해석 결과를 수록하였다. 직경 1인치의 하이드로폰은 그림 1과 같은 구조로 모델링 하였으며 세라믹 물성치는 PZT5A를 사용하였다. 그림 2는 수직방향으로 1g의 가속도를 주었을 때 세라믹에 발생되는 전위 분포를 보여주고 있다.

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