초록 ▼

최근의 과학기술 발달에 의해 초음파 트란스듀서의 응용면은 점점 증가되고 있다. 예를 들어 초음파 현미경과 같은 의료용 장비에서 중요한 부분을 점유하고 있다. 초음파 트란스듀서 중에서 집속형 트란스듀서의 음장특성은 압전진동자의 전기-기계적 특성, 음향렌즈의 기계적 특성 및 매질의 음향특성이 복합되어 나타나고 있다. 본 연구의 목적은 초음파 집속 트란스듀서의 진동에 따른 변위분포와 매질내 음압분포를 유한요소법에 의해 주파수 영역에서 해석을 하고, 이 결과를 고속 역퓨리에 변환하여 시간 영역에서 해석을 행하여 초음파 집속 트란스듀서

최근의 과학기술 발달에 의해 초음파 트란스듀서의 응용면은 점점 증가되고 있다. 예를 들어 초음파 현미경과 같은 의료용 장비에서 중요한 부분을 점유하고 있다. 초음파 트란스듀서 중에서 집속형 트란스듀서의 음장특성은 압전진동자의 전기-기계적 특성, 음향렌즈의 기계적 특성 및 매질의 음향특성이 복합되어 나타나고 있다. 본 연구의 목적은 초음파 집속 트란스듀서의 진동에 따른 변위분포와 매질내 음압분포를 유한요소법에 의해 주파수 영역에서 해석을 하고, 이 결과를 고속 역퓨리에 변환하여 시간 영역에서 해석을 행하여 초음파 집속 트란스듀서의 전체적인 음장특성을 얻고자 하는 것이다. 초음파 집속 트란스듀서는 3차원 축대칭 구조이기 때문에 주파수 응답 해석에는 축대칭 유한요소법과 축대칭 하이브리드형 무한요소법을 결합한 알고리즘을 사용하였다. 또한, 시간 응답해석에는 주파수 응답으로부터 구해진 전달함수를 고속 퓨리에 변환한 짧은 펄스의 입력신호의 스펙트럼과 곱한 결과를 역퓨리에 변환하여 사용하는 방법을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 유한요소법과 하이브리드형 무한요소법의 적용에 있어서 압전진동자, 음향렌즈는 탄성체로서 유한요소법을 적용하고, 탄성체로부터 방사된 음파가 집속되는 촛점위치까지는 유한요소법을 적용하였다. 또한, 반무한음장에 대한 영향을 고려하여 음향계의 경계에 하이브리드형 무한요소법을 적용하여 수치계산하였다. 트란스듀서의 수치 실험에 있어서는 위의 유한요소법과 하이브리드형 무한요소법 알고리즘에 댐핑재를 장착하지 않은 경우, 원판형 댐핑재를 장착한 경우, 원추형 댐핑재를 장착한 경우의 세가지 경계조건을 설정하여 촛점거리와 분해능을 구하였다. 트란스듀서의 수치실험 결과 주파수 응답에서는 촛점거리와 축방향 및 경방향 분해능을 구하였고, 댐핑재를 장착하므로써 분해능이 향상된다는 것이 확인되었다. 그리고, 시간응답에서는 방사된 음파가 시간지연을 가지며 집속되는 형태를 알 수 있었으며 촛점거리가 주파수 응답에서의 촛점거리와 일치한다는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼

The application fields of ultarsonic transducers have increased gradually with the recent scientific technology development. For instance, an ultrasonic transducer is an important part in medical instruments such as an ultrasonic microscope. In ultrasonic transducers, acoustic field characteristic

The application fields of ultarsonic transducers have increased gradually with the recent scientific technology development. For instance, an ultrasonic transducer is an important part in medical instruments such as an ultrasonic microscope. In ultrasonic transducers, acoustic field characteristics of focusing transducer are composed of electric-mechanic characteristics of piezoelectric disk, mechanic characteristics of acoustic lens, acoustic characteristics of water. The purpose of this paper is to obtain the acoustic field characteristics of the ultarsonic focusing transducer such as the frequency response(displacement distribution, sound pressure distribution) and the time domain response by FEM(Finite Element Method) and FFT(Fast Fourier Transform) algorithm, respectively. Since the focusing transducer is a 3-dimensional axisymmetric structure, the coupled axisymmetric FEM and the axisymmetric hybrid type infinite element method is proposed for its numerical frequency response analysis. Time domain response is the result that multiplied input signal's spectrum by the transfer function and performed IFFT. The method is examined for the focal point and the resolution of the three different boundary conditions of the transducer such as without damper, with plane circular type damper and with cone type damper. We obtained the focal point and the resolution(axial, radial direction) by freauency response, the focal point and time delay at sound propagation by time domain response. And then we found that the resolution increases in the transducer with damper and the focal points obtained both by the frequency response and by the time domain response are consistent each other.

목차 Contents

• 1. 서 론...6
• 2. 전기계$\cdot$기계계$\cdot$음향계의 유한요소법...7
• 2-1. 장의 지배방정식...7
• 2-2. 이산화 유한요소식...8
• 3. 수치시뮬레이션과 계산결과...15
• 3-1. 주파수응답 해석...15
• 3-2. 시간응답 해석...22
• 4. 결론...24
• 5. 참고문헌...25
• 6. 논문발표 실적 또는 계획...26
• 7. 학위배출...26
• 8. 부록...27
• 8-1. 프로그램 리스트...27