Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. 31 May 2022. 278-286
https://doi.org/10.7776/ASK.2022.41.3.278

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. FFR 트랜스듀서의 유한요소해석

  •   2.1 비능동소자 삽입형 33-mode 링 트랜스듀서

  •   2.2 FFR 트랜스듀서

  • III. FFR 트랜스듀서 제작 및 성능 검증

  •   3.1 제작 및 시험

  • IV. 결 론

I. 서 론

저주파 능동소나는 원거리에 있는 수중 표적의 방위 및 거리를 탐지하고 식별하기 위해 인위적으로 음파를 발생시킨다. 일반적으로 무지향성을 가지는 링 트랜스듀서가 저주파용 능동음원으로 널리 사용되고 있다. 링 트랜스듀서는 압전재료를 이용한 능동소자의 분극 방향에 따라 반경방향으로 분극한 31-모드와, 원주방향으로 분극한 33-모드로 나누어진다. 31-모드 링 트랜스듀서는 간단한 구성으로 제작할 수 있으며, 33-모드 링 트랜스듀서는 상대적으로 높은 전기-기계 결합계수를 가지면서 고출력 구동을 할 수 있다. 하지만 능동소자만으로 이루어진 링은 기계적 품질 계수(Qm)가 높아 광대역 구현에 어려움이 있으므로, 능동소자 사이에 알루미늄과 같은 금속성 물질의 비능동소자를 삽입하여 제작하기도 한다.[1,2,3] 한편, 일반적인 트랜스듀서는 운용 수심이 깊어질수록 수압의 영향으로 음향성능이 변하는 문제점을 가진다. 이를 해소하고자 깊은 수심에서 운용되는 플랫폼에서는 링 트랜스듀서의 한 형태인 Free-Flooded Ring(FFR) 트랜스듀서를 활용할 수 있다. FFR 트랜스듀서는 링 내부에 유체를 포함하고 있어 수압에 의한 특성 변화가 적으며, 링 반경 방향의 진동모드인 경방향모드와 링 안의 유체로 인한 공동모드를 활용할 수 있어 다중 대역 음파를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.[4,5] 고출력 FFR 트랜스듀서는 높은 전기-기계 결합계수를 가지고자 33-모드 링 트랜스듀서를 주로 사용하며, 33-모드의 링 트랜스듀서는 Fig. 1과 같이 두께 방향으로 분극된 능동소자를 원주방향으로 배열하여 구성된다.

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Fig. 1.

(Color available online) Schematic structure of the segmented 33-mode ring transducer.

최근 무인잠수정과 같은 무인/원격제어 소형 플랫폼을 이용한 수중 표적 탐지가 많은 관심을 받고 있으며, 소형 플랫폼에 탑재된 소나의 탐지 성능 향상 및 센서 소형화에 대한 중요성이 부각되고 있다. 하지만 음원 출력은 능동소자의 크기 및 소재와 밀접한 관련이 있으며, Lead Zirconate Titanate(PZT)와 같은 압전세라믹 소재를 이용한 기존의 센서들은 음원 출력을 높이면서 소형화하기에 한계가 있다. 또한 다수의 음원을 적층하거나[6] 배열하는 방법도 크기 증가로 인해 소형 플랫폼에 적용하기는 적합하지 않다. 이러한 이유로 우수한 압전특성을 가진 압전단결정 소재와 압전단결정을 적용한 센서에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 대표적인 압전단결정 소재로는 PZN-PT [Pb(Zn2/3Nb1/3)O3-PbTiO3]와 PMN-PT [Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3] 등이 있으며, 특히 PMN- PT는 압전세라믹에 비해 높은 압전상수(d33 > 2000 pC/N)와 전기-기계 결합계수(k33 > 0.9)를 가진다. 이런 장점을 기반으로 의료용 광대역 초음파 트랜스듀서[8,9] 뿐만 아니라, 수중 저주파 트랜스듀서에 압전단결정 소재를 적용하는 연구가 진행되고 있다.[10] 하지만 소재의 고성능에도 불구하고 낮은 상전이 온도로 인해 고출력 구동 시 발열에 취약하다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 PIN-PMN-PT와 같은 새로운 조성의 압전단결정이 개발되었다.[11] Table 1에는 대표적인 압전소재들의 물성을 비교하여 나타내었다.

Table 1.

Material properties of piezoelectric ceramic and single crystal.[7]

PZT 5 3195STD PMN-28 %-PT PIN33 %-PMN-PT
ρ[kg/m3] 7,700 8,100 8,141
k33[%] 70 90 89
S33E[10-12m2/N] 18.6 36.15 56.15
d33[pC/N] 600 1,190 1,338
ϵ33T[-] 1,800 5,500 4,532
Phase Transition [°C] - 90-100 115-135
Coercive Field [kV/cm] 14.9 2.5 5.5-7

Yao와 Liang[12]은 PMN-PT를 적용한 FFR 트랜스듀서의 성능을 수학적 이론식 및 유한요소해석을 통해 예측하였으나, 압전단결정을 적용하여 FFR 트랜스듀서를 제작하고 성능을 평가한 사례는 거의 보고되지 않았다.

본 연구에서는 소형 고출력 FFR 트랜스듀서를 개발하기 위하여 PIN-PMN-PT 압전단결정을 적용한 비능동소자 삽입형 33-모드 FFR 트랜스듀서를 설계하였다. 송신주파수 대역을 고려하여 링 트랜스듀서의 기본 제원을 선정하고, 비능동소자 종류 별 링 트랜스듀서의 성능 해석 및 결과 비교를 통해 최적의 구조를 도출하였다. 도출된 링 트랜스듀서 구조를 기반으로 제작성을 고려한 FFR 트랜스듀서 형상을 설계하였고, 유한요소해석으로 송신감도(Transmitting Voltage Response, TVR), 수중 임피던스 및 수평/수직 빔패턴 특성을 예측하였다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 비능동소자 삽입형 33-모드 FFR 트랜스듀서를 제작하고, 음향시험 결과를 유한요소해석 결과와 비교하여 모델링 및 성능 예측의 유효성을 검증하였다.

II. FFR 트랜스듀서의 유한요소해석

2.1 비능동소자 삽입형 33-mode 링 트랜스듀서

비능동소자 삽입형 33-모드 링 트랜스듀서의 구조는 Fig. 1과 같으며, 소형 플랫폼 탑재와 송신주파수 대역을 고려하여 상용 FFR 트랜스듀서(Model T170, Neptune Sonar, UK)[13]을 기반으로 링 트랜스듀서의 제원을 Table 2와 같이 결정하였다. 링 트랜스듀서의 능동소자는 기존 PMN-PT 대비 사용 온도 범위 및 압전성능이 개선된 PIN-PMN-PT로 선정하고, 비능동소자는 알루미늄, 베릴륨동, 스테인리스 강을 검토하였다. 3종의 비능동소자 삽입형 33-모드 링에 대해 유한요소해석을 수행하여 송신감도와 수중 임피던스를 예측하였다. 유한요소해석은 상용 다중물리영역 유한요소해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하였다.

Table 2.

Design parameters of inactive segmented 33-mode ring transducer.

a[mm]
(Radius)
h[mm]
(Height)
t[mm]
(Wall thickness)
Dimension 5.33t0 5t0 t0

유한요소해석을 위해 Fig. 1과 같이 능동소자와 비능동소자를 교차하여 배치하였으며 두 소자의 접촉면에는 전극을 지정하였다. 그리고 Fig. 2와 같이 원형의 물 영역을 추가하고, 외곽에 5층으로 구성된 Perfectly Matched Layer(PML)를 적용하여 무반사 경계조건이 구현되도록 설정하였다. 원거리 장의 음향 특성을 계산하기 위해 Helmholtz-Kirchhoff 적분 기반의 경계조건을 물 영역에 적용하였다. 해석 시간을 단축하기 위해 상/하 대칭 경계조건을 적용하였으며, 해석의 적절성을 위해 최대 해석 주파수의 1/8 파장 이하로 요소 크기를 설정하였다. 모델 입력 재료 물성은 Tables 3, 4와 같다.

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Fig. 2.

(Color available online) Finite element model of the segmented 33-mode ring transducer and its boundary condition.

Table 3.

Piezoelectric material properties used for the finite element analysis of the ring transducer (measured).

PIN-PMN-PT [001]
ρ[kg/m3] 8,160
k33[%] 90.2
S33E[10-12m2/N] 57.09
d33[pC/N] 1,317
ϵ33T[-] 4,224
Table 4.

Inactive material properties used for the finite element analysis of the ring transducer.

Aluminum Beryllium Copper Steel
ρ[kg/m3] 2,700 8,250 7,860
Y33[GPa]
(Tensile modulus)
69.0 128.0 198.2
ν
(Poisson’s ratio)
0.33 0.30 0.29

유한요소해석을 통해 계산된 송신감도와 수중 임피던스 결과는 Fig. 3에 나타내었으며, 상세 결과는 Table 5에 정리하였다. Fig. 3(a)는 송신감도를 나타내며, 비능동소자가 경질 재료일수록 공동모드 주파수에서의 송신감도는 저하되고 공동모드와 경방향모드 주파수 차이가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 사용 가능한 송신주파수 대역은 주로 공동모드와 경방향모드 주파수 차이로 결정된다. Fig. 3(b)는 수중 임피던스를 나타내며, 공동모드 주파수에서의 수중 임피던스 크기는 압전단결정만 적용한 33-모드 링 트랜스듀서가 약 –35 Ω(정규화)이고 비능동소자 삽입형 33-모드 링 트랜스듀서가 각각 –21 Ω(Al), –11 Ω(BeCu), 11 Ω(STS)이다. 압전단결정만 적용한 링 트랜스듀서는 압전단결정의 우수한 기계적 품질 계수와 전기-기계 결합계수로 가장 뛰어난 송신감도와 넓은 송신주파수 대역(모드별 주파수 차이 0.88)을 가진다. 하지만 공동모드 주파수에서 수중 임피던스 크기가 적어지는 문제가 발생하게 된다. 따라서 적절한 임피던스 크기 및 넓은 송신주파수 대역(모드간 주파수 차이 0.72)을 가지며 상대적으로 높은 송신감도 결과를 나타낸 알루미늄을 비능동소자로 선정하였다.

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Fig. 3.

(Color available online) Simulated results of the segmented 33-mode ring transducer according to change of the inactive materials: (a) relative transmitting voltage response at reference distance of 1 m and (b) normalized acoustic impedance curve, in which the solid line represents the impedance magnitude and the dashed line is the phase angle.

Table 5.

Mode frequencies (normalized) from the finite element analysis of the ring transducer composed of active material of PIN-PMN-PT alone and inactive materials of Aluminum, Beryllium copper and Steel with active materials.

Air Water
Ring mode Cavity mode Ring mode
PIN-PMN-PT 0.78 0.58 1.46
Aluminum 1.18 0.80 1.52
BeCu 1.24 0.86 1.48
Steel 1.42 0.96 1.54

2.2 FFR 트랜스듀서

2.1절에서 설계된 링 트랜스듀서 구조를 기반으로 제작성을 고려하여 Fig. 4와 같이 FFR 트랜스듀서를 설계하였다. FFR 트랜스듀서는 수압에 의한 손상을 방지하고 압력에 따른 특성 변화를 최소화할 수 있도록 오일 충진형[6,14] 구조를 선정하였다. FFR 트랜스듀서의 하우징 형상은 오일이 충진된 고무 하우징 내부에 링 트랜스듀서가 부유하도록 함으로써, 링 트랜스듀서가 최대한 기계적 간섭없이 고유 진동 특성을 가질 수 있도록 설계하였다. 충진 오일은 절연성이 있는 실리콘 오일을 선정하였다. 하우징은 내유성, 내수성이 우수하고 음향적 간섭이 최소화되도록 물과 유사한 음향 임피던스를 가지는 클로로프렌 계열 고무를 선정하였다.

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Fig. 4.

(Color available online) Conceptual design of the segmented 33-mode FFR transducer with the insulated oil-filled housing.

설계된 FFR 트랜스듀서 성능을 예측하기 위해 2-1절에 기술한 내용과 동일하게 경계조건을 설정하여 유한요소해석을 수행하였으며, 모델 입력 재료 물성은 Table 6과 같다.

Table 6.

Material properties of the silicone oil[14] and chloroprene rubber used for the finite element analysis of the FFR transducer.

CR Rubber
(Neoprene)
Silicone oil
ρ[kg/m3] 1,634 960
Y33[GPa] 0.171 -
ν 0.48 -
c[m/s]
(Sound Speed)
- 981.6

Fig. 5는 FFR 트랜스듀서의 송신감도와 수중 임피던스 계산 결과를 나타내며, 동시에 링 트랜스듀서의 송신감도, 수중 임피던스 결과를 비교하여 나타내었다. Fig. 5(a)와 같이 FFR 트랜스듀서 공동모드 주파수에서의 송신감도가 링 트랜스듀서 공동모드 주파수에서의 송신감도 대비 약 10 dB 정도 낮으며, 경방향모드 주파수에서의 송신감도는 약 1.5 dB 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 음향임피던스가 낮은 절연유 충진으로 발생하는 현상으로 생각된다. Fig. 5(b)와 같이 FFR 트랜스듀서의 공동모드 주파수에서의 수중 임피던스 크기는 링 트랜스듀서 공동모드 주파수에서의 수중 임피던스 크기보다 약 20 Ω 낮으며, 위상은 23° 낮은 것으로 나타났다. FFR 트랜스듀서 공동모드 및 경방향모드 주파수에서의 수평/수직 빔패턴 해석 결과는 Fig. 6에 나타내었다. 공동모드 주파수에서의 수평 빔패턴은 무지향성을 보이며, 수직 빔패턴은 원환체 형태를 나타낸다. 수직 빔패턴의 –3 dB 빔폭은 약 64°이다. 경방향모드 주파수에서의 수평 빔패턴은 공동모드 주파수에서의 결과와 마찬가지로 무지향성을 보이며, 수직 빔패턴은 –3 dB 빔폭이 약 72°인 원환체 형태를 나타낸다. 또한 설계된 FFR 트랜스듀서는 상용 FFR 트랜스듀서(Model T170, Neptune Sonar, UK)[13] 대비 공동모드 및 경방향모드 주파수에서 약 10 dB 이상 높은 송신감도를 가지면서도 링 직경이 약 17 % 축소되었다.

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Fig. 5.

(Color available online) Simulated characteristics of the segmented 33-mode FFR transducer: (a) relative transmitting voltage response at reference distance of 1 m (FFR transducer - Black, Ring transducer - Brown)and (b) normalized acoustic impedance curve (magnitude - solid line, phase angle - dashed line).

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Fig. 6.

(Color available online) Simulated results of azimuth and elevation radiation pattern of FFR transducer and Ring transducer. (a) is result of FFR transducer at cavity mode and (b) is result of FFR transducer at radial mode. (c) is result of ring transducer at cavity mode, and (d) is result of ring transducer at radial mode. All of the half-power (-3 dB) beamwidth of azimuth radiation beam patterns are 360(i.e., Omni-directional beam pattern). The half-power beamwidth of elevation radiation beam patterns are 64 degrees at cavity mode as well as radial mode of FFR transducer, and 80, 70 degrees respectively at radial mode of ring transducer.

III. FFR 트랜스듀서 제작 및 성능 검증

3.1 제작 및 시험

Fig. 7과 같이 비능동소자 삽입형 링 트랜스듀서 및 고무 하우징으로 FFR 트랜스듀서 시제품을 제작하였다. FFR 트랜스듀서에 대한 수중환경에서의 전기적 특성을 평가하기 위해 FFR 트랜스듀서를 수중에 위치시키고 임피던스분석기(HP4294A, Agilent Technologies Inc., Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 수중 임피던스 크기와 위상을 측정하였다. 그리고 FFR 트랜스듀서의 음향 특성을 평가하기 위해 Fig. 8과 같이 상용 계측장비들을 이용하여 음향성능 시험을 구성하였다. 저주파 시험이 가능한 대형 음향수조(24 m × 16 m × 15 m)에 음향신호를 수신하기 위한 표준 하이드로폰(TC4032, Teledyne RESON Pte. Ltd., Slangerup, Denmark)을 FFR 트랜스듀서와 동일 수심에 위치시켰다. 충분한 원거리장을 확보하고 반사파 및 반향음의 간섭이 최소화된 긴 수신 파형을 수집하기 위해 FFR 트랜스듀서와 표준 하이드로폰 간 거리를 7 m로 유지하였다. 신호생성기(PXI-5451, National Instrument Corporation, Austin, TX, USA)를 이용하여 1 Vpp, 10 ms 길이의 사인파 송신 신호를 생성하고, 고출력 증폭기(L20, Instrument Inc., San Diego, CA, USA)로 인가하였다. 50 Vrms로 증폭된 송신 신호는 FFR 트랜스듀서에 인가되어 음파를 발생시킨다. 음파는 표준 하이드로폰을 통해 수신되고 DAQ(PXI- 5122, National Instrument Corporation, Austin, TX, USA)를 이용하여 데이터를 획득한 후 송신감도 및 빔패턴을 계산하였다.

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Fig. 7.

(Color available online) A prototype of the segmented 33-mode FFR transducer.

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Fig. 8.

(Color available online) An illustration of the experimental setup for evaluating acoustic characteristics of FFR transducer.

Fig. 9(a)는 송신감도 시험 결과를 나타내며, 공동모드/경방향모드 주파수는 각각 0.72, 1.38(정규화주파수)로 나타났다. 유한요소해석 결과와 시험 결과의 송신감도는 공동모드 주파수에서 약 1.3 dB, 경방향모드 주파수에서는 약 0.3 dB의 차이를 보였다. 수중 임피던스 시험 결과를 나타낸 Fig. 9(b)에서는 공동모드 주파수 부근에서 위상의 차이가 크게 나타났으며, 해석과 시험 결과의 최대 차이는 –25.7°이다. 이는 유한요소해석에 반영할 수 없는 압전단결정의 물성 편차와 상세 모델링이 어려운 구성품의 형상 및 구조 등에 의해 오차가 발생한 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

(Color available online) Measured and simulated results of FFR transducer, (a) relative transmitting voltage response at reference distance of 1m (simulated result - Black, measured result - red) (b) normalized acoustic impedance curve (magnitude - solid line, phase angle - dashed line).

수평 빔패턴 측정을 위해서 Fig. 8과 같이 구성하고 회전이 가능한 로테이터에 FFR 트랜스듀서를 설치하였다. 로테이터를 통해 5° 간격으로 회전하면서 FFR 트랜스듀서의 음파 발생 및 표준 하이드로폰의 신호 수신을 반복하였다. 수직 빔패턴 측정을 위해서는 FFR 트랜스듀서를 90° 회전하여 로테이터에 설치하고, 수평 빔패턴 측정 방법과 동일하게 측정하였다. Fig. 10(a)와 (b)는 각각 공동모드 주파수, 경방향모드 주파수에서 획득된 수평 빔패턴 및 수직 빔패턴을 나타낸다. 수평 빔패턴은 공동모드 및 경방향모드 주파수에서 무지향성을 보이며, 수직 빔패턴은 공동모드 및 경방향모드 주파수에서의 –3 dB 빔폭이 약 67°, 약 74°인 원환체 형태를 나타낸다. 수직 빔패턴 시험 결과를 유한요소해석 결과와 비교하였을 때 공동모드 및 경방향모드 주파수에서의 –3 dB 빔폭이 각각 약 5 %, 3 % 오차로 유사함을 확인하였다.

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Fig. 10.

(Color available online) Measured radiated beam pattern of the fabricated FFR transducer (dashed line) and simulated results of the FFR transducer(solid line) in azimuth and elevation directions; (a) cavity mode and (b) radial mode; the full width at half maximum (FWHM) in horizontal radiated patterns were 360 (i.e., Omni- directional beam pattern) for each mode and FWHM in vertical radiation pattern were about 67 degrees, 74 degrees for cavity and radial modes respectively.

IV. 결 론

본 연구에서는 소형 고출력 FFR 트랜스듀서를 위한 압전단결정 적용 비능동소자 삽입형 33-모드 FFR 트랜스듀서를 제안하였다. 이를 위해 비능동소자 종류에 따른 링 트랜스듀서의 음향 특성 및 전기적 특성을 분석하였고 알루미늄을 비능동소자를 적용한 링 트랜스듀서의 최적 구조를 선정하였다. 수압에 의한 트랜스듀서의 손상을 방지하고 압력 변화에 따른 특성 변화를 최소화할 수 있도록 오일 충진형 FFR 트랜스듀서 구조를 설계하였으며, 유한요소해석을 통해 음향 특성을 분석하였다. FFR 트랜스듀서는 공동모드 주파수에서 링 트랜스듀서에 비해 약 10 dB 감소한 송신감도 특성을 보였다. 이는 음향임피던스가 낮은 절연유 충진의 영향으로 추정된다.

설계된 형상으로 FFR 트랜스듀서 시작품을 제작하였으며, 대형 음향수조에서 FFR 트랜스듀서의 송신감도, 수중 임피던스 및 수평/수직 빔패턴을 측정하였다. 유한요소해석 결과와 비교하였을 때 송신감도의 경향은 거의 유사하였으나, 공동모드 주파수에서는 약 1.3 dB, 경방향모드 주파수에서는 약 0.3 dB 송신감도 차이를 보였다. 수평 빔패턴은 무지향성 특성을, 수직 빔패턴은 원환체 형태를 나타내며, 빔폭은 공동모드 주파수에서 약 5 %, 경방향모드 주파수에서 약 3 %의 오차를 보였다.

이를 통해 상용 FFR 트랜스듀서 대비 소형화되면서도 고출력/광대역 특성을 가지는 압전단결정 PIN- PMN-PT 적용 FFR 트랜스듀서의 구현 가능성을 확인하였다. 본 연구는 향후 무인잠수정과 같은 소형 플랫폼용 능동소나 개발에 활용 가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 국방과학연구소의 지원을 받아 수행된 연구임(계약번호 UC170001DD).

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