본 논문에서는 기 확립한 정방형 진동면의 수열을 사용한 자기 및 상호방사 임피던스 계산법을 확대 적용하여 임의정수의 종횡비를 갖는 장방형 트랜스듀서의 자기방사 임피던스 계산법을 제시하였다. 이 방법은 짧은 시간내에 비교적 정확한 계산 결과를 얻을 수 있는데, 분할한 음원요소의 수에 따른 계산정도 및 계산시간을 고찰한 후, 종횡비가 다른 몇몇 장방형 트랜스듀서의 자기방사 임피던스를 산출하여 기존의 문헌치와 비교하였다.
무한배플에 고정된 사각형 진동체에 대한 자기방사 임피던스를 극좌표를 이용한 적분식으로 표시하고 이를 방사저항과 방사 리액턴스로 분리하여 수치해석 하였다. 해석의 결과를 접근방법이 다른 이론식의 결과와 비교하였다. 수치해석의 결과 다른 방법들은 저주파 영역에서 근사식을 사용하여 보정을 해준 반면 본 논문에서 사용된 적분식은 전 주파수 영역에서 제한조건 없이 잘 맞음을 보였다.
구형 배플상의 피스톤 음원에 대하여 방사임피던스 특성을 2차원 축대칭 유한요소법과 하이브리드형 무한요소법을 사용하여 수치 해석하였다. 강체 배플에 있어서 피스톤 음원의 방사면 크기에 따른 자기방사임피던스 변화와 피스톤 음원간의 상호방사임피던스 변화를 계산한 결과는 알려진 해석해와 잘 일치하였다. 또한 비강체 배플의 적용에 따른 자기방사임피던스 및 상호방사임피던스의 변화를 규명함으로서 음향변환기의 설계 및 방사특성 해석에 응용되어질 것으로 기대된다.
수중 초음파 탐지 시스템에서 배열 진동소자로 사용되는 정방형의 방사면을 갖는 초음파 트랜스듀서의 자기 방사임피던스를 실험적으로 해석하였다. 7개의 진동수가 서로 다른 란주반형 진동자를 제작하여 파수와 진동자의 한변의 길이의 곱인 ka의 값이 1~3의 범위에 대해서 방사리액턴스 및 방사저항을 측정하였다. 이 결과를 수열을 이용한 방사임피던스의 이론계산 결과와 비교하여 본 연구에서 수행한 실험방법의 유효성을 확인 하였고 정방형의 방사면에 대한 방사임피던스의 변화경향을 실험적으로 확인할 수 있었다.
배플이 없는 폴리우레탄 유한 윈도우를 장착한 사각형 음향 센서의 수중 음향방사로 인한 자기방사 임피던스 (self-radiation impedance)의 컨덕턴스(conductance)와 서셉턴스(susceptance)를 실험으로 계측 하여 이를 전기적 등가회로를 이용하여 수중방사 임피던스 양을 계산하였다. 또한 무한배플(rigid infinite baffle)의 사각형 피스톤을 모델로 선정한 Levine식을 이용하여 음향방사로 인한 자기방사 임피던스를 적분식으로 표시하고 이것을 방사 저항과 방사 리액턴스로 분리하여 수치해석하였다. 실험의 경계조건과 비유적 유사한 이론해석 결과를 실험치와 비교하였다.
Although the radiation impedance of a transducer with a regular square surface has been studied by many researchers, the formulas are still very complicated, which results in long computation time and low accuracy. In this paper, we propose a new algorithm for the calculation of acoustic radiation impedance in which the regular square vibrating surface of a transducer is divided into small elements and duplicate calculations are eliminated in the process of calculating mutual effects of the elements. Using this algorithm, shorter computation time and higher accuracy of results can be obtained. As a demonstration, the self and the mutual radiation impedance of transducers with a regular square surface are calculated and the accuracy of the results is evaluated.
평면 배열형 소나 센서에서는 트랜스듀서 상호간의 간섭효과들이 음을 방사하는 각각의 트랜스듀서 및 평면 배열의 빔패턴에 영향을 주게된다. 따라서 음향 방사출력의 계산은 소나용 트랜스듀서의 성능및 효율을 평가하는데 필수적이다. 음향 방사출력을 예측하기 위하여 무한 강성 배플에 고정된 수개의 트랜스듀서를 이론해석의 대상으로 설정하였다. 각 트랜스듀서는 자기방사 임피던스 및 상호방사 임피던스로 구성되어 있으며 이것의 총 방사 임피던스 및 음향반사 출력의 추출은 등가 전기회로 모델을 이용하였다. 이론및 수치해석의 결과에 근거하여 음향방사 출력은 각 트랜스듀서 상호간의 간섭의 양에 의존함을 보였으며 상호간섭에 의한 음향출력 손실은 25.05%에서 최고 51.52%정도임을 확인하였다.
일반적으로 보고되어있는 방사임피던스는 무한강체 배플에 진동면을 두고있는 경우에 대하여 계산되어져 있어, 실제 유한한 크기의 배플을 갖는 트랜스듀서의 설계에는 적용하기 어려운 경우가 많다. 본 연구에서는 피스톤의 진동면을 작은 점음원의 모임으로 가정하고, 각 점음원의 음원강도와 배플의 크기를 관련지어 유한배플을 갖는 진동면에 대한 방사임피던스의 새로운 계산법을 제안하였다. 그에 대한 예로서 정방형의 피스톤 진동면에 대하여 배플의 크기에 따른 자기방사임피던스의 변화를 계산함으로써 제안한 방법의 유효성을 확인하였다.
이 논문에서는 최적의 빔패턴을 얻기 위한 비선형 최적 설계 기법을 제시하였다. 제시된 방법을 사용하여 진동체 사이의 자기 및 상호 방사 임피던스를 고려하여 최대 허용 부엽준위가 주어진 경우 빔폭이 최소화된 빔 패턴을 설계할 수 있다. 그리고 37개의 진동체가 X, Y 및 $45^{circ}$축에 대칭으로 배열된 평면 배열에 대해 제안된 기법을 적용한 결과 빔폭은 변화없이 상당히 낮은 부엽 준위를 얻었다.
본 논문에서는 처음으로, CPW(CoPlanar Waveguide) 급전을 이용한 자기 아파인(self-affine) 프랙탈 안테나를 제시한다. 제시된 새로운 구조는 비등방성 축척 대칭성으로 인해 자기 상사(self-similar) 구조를 이용한 프랙탈 안테나보다 더 작은 크기로 낮은 주파수 대역에서 공진을 일으키도록 설계할 수 있다. 반복 계수가 증가할수록 임피던스 정합 조건이 향상되고, 표면 전류가 흐를 수 있는 새로운 통로를 만들어 다중 대역 특성을 보이게 되며, 또한 첫 공진 주파수의 위치를 낮은 쪽으로 이동시킨다. 복사 패턴은 목표치인 단순 모노폴 안테나 특성과 유사하며 반복 계수가 3일 때의 이득은 940 MHz에서 측정치 2.27 dBi로 최대이다. FDTD 알고리즘에 기반을 두고 있는 CST Microwave Studio를 이용한 모의 실험 결과와 RT/Duroid 5880 기판을 이용하여 제작한 안테나의 측정 결과를 싣는다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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