광대역주파수 특성을 위한 중공형 Tonpilz 트랜스듀서 연구 = Study on the Tonpilz transducer with a Voided Head mass for Wideband Characteristics
수중 탐지 및 통신용으로 사용되는 대표적인 음향 트랜스듀서인 Tonpilz 트랜스듀서는 음향파를 방사하기 위한 방사체 역할의 전면추, 구동소자, 전면추의 변위를 증폭시키는 후면추 그리고 구성요소를 고정하는 볼트로 구성된다.1,2) 일반적인 Tonpilz 트랜스듀서는 비교적 단순한 구조로 고출력 송신이 가능한 장점 때문에 많이 사용되고 있지만, 종방향 공진 모드만 이용하기 때문에 주파수 대역폭이 넓지 않다.3) 하지만 수중 트랜스듀서의 주응용 분야가 단일 목표 탐지에서 다중 목표의 식별로 옮겨감에 따라 향상된 거리 분해능을 가지기 위해서 광대역 트랜스듀서가 필요하게 되었고,4) 주파수 대역폭을 넓히기 위해서 하나의 모드만을 이용하는 것이 아니라 2개 이상의 다른 모드들을 결합하는 다중모드 트랜스듀서에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 공진주파수가 다른 두 가지의 구동소자를 하나의 트랜스듀서에 적용하여 두 개의 종방향 모드를 결합함으로써 대역폭을 넓히는 방안과 구동소자에 2개 이상의 다른 구동 신호를 인가하여 대역폭을 넓히는 방안이 연구되었고,5-9) 압전효과와 Terfenol-D 복합체의 자기변형을 동시에 이용하는 다중모드 트랜스듀서에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.10-12) 또한 하나의 Tonpilz 트랜스듀서에 2개 이상의 전면추를 장착하여 부가적인 공진모드를 발생시켜 대역폭을 넓히는 방안도 제안되었으며,13,14) 비슷한 방법으로 전면추에 bending disk를 이용하여 대역폭을 넓히는 방안도 연구되었다.15-18) 그 외에도 구동자의 종방향 모드와 전면추의 가장자리 부분이 휘는 flapping 모드를 결합하는 방안 등 대역폭을 넓히기 위한 다양한 방법들이 연구되었다.5,19-23)
이상에서 제시된 다양한 연구 중에서 Tonpilz 트랜스듀서의 장점인 단순한 구조를 유지하면서 주파수 대역폭을 넓히는 방법으로 종방향 모드와 flapping 모드의 결합을 이용하는 방법이 가장 효과적이라 할 수 있다. 종방향 모드와 flapping 모드를 결합할 때에는, 두 모드의 구동주파수 차이가 크고 트랜스듀서의 품질계수 Q가 작을수록 유리하다. 종방향 모드의 주파수는 구동소자에 의해서 정해지므로 대역폭을 조절하기 위해서는 flapping 모드 주파수를 변화시켜야하는데, flapping 모드는 전면추의 두께에 의해 많은 영향을 받는다.19,21) 하지만 두 모드의 주파수 차이를 증가시키기 위해 전면추를 두껍게 하면 전면추의 질량이 증가되어 품질계수가 증가하게 된다. 종방향 모드와 flapping모드의 주파수 차이가 크더라도 높은 품질계수를 가지면 두 모드의 결합이 적절히 이루어질 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 Tonpilz 트랜스듀서의 전면추에 빈 공간을 만들어서 품질계수를 감소시키는 방법이 연구되었다.21) 이는 flapping 모드의 구동주파수를 높이기 위해서 전면추의 두께를 크게 증가시켜도 전면추 내에 빈 공간이 있으므로 질량이 크게 증가하지 않아 낮은 품질계수를 유지할 수 있으므로 광대역 특성의 구현이 용이해진다는 장점이 있다. 하지만 기 발표된 연구에서 중공형 Tonpilz 트랜스듀서의 개념을 소개하였고 그 성능은 수치해석 결과만으로 평가하여, 해석 결과의 타당성을 실험적으로 검증할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 전면추에 빈 공간을 적용한 중공형 Tonpilz 트랜스듀서의 최적구조를 설계하고, 설계결과에 따라 시험편을 제작한 후 그 성능을 측정하여 설계 결과의 타당성을 검증하고자 하였다.
In this work, we present an underwater acoustic transducer with a voided head mass to achieve a wide frequency bandwidth. We analyzed the effects of design variables on the transducer characteristics, and optimized the structure of the Tonpilz transducer based on the analysis results. Further, validity of the design was verified by manufacturing a prototype of the transducer and measuring its properties. The designed transducer had a far wider –6dB fractional bandwidth which is 131 % than that of a single mode transducer, and the measured results were confirmed to be in good agreement with the analysis results.
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