I. 서 론
최근 해양 방위 및 수중 감시 기술은 장거리 탐지 능력과 신호 정밀도 향상을 위한 요구가 증가하고 있으며, 특히 정밀한 저주파 음향 신호의 송수신을 안정적으로 수행할 수 있는 능동형 수중 음향 센서에 대한 관심이 높아지고 있다.[1] 이러한 기술은 해상 환경에서의 실시간 표적 탐지, 추적, 식별 등의 핵심 기능을 담당하며, 센서 자체의 고출력 송신 성능과 반복 하중에 대한 구조적 안정성 확보가 중요한 설계 요건으로 강조되고 있다. 이러한 기술적 요구에 대응하기 위해, 고출력 송신이 가능하고 저주파 영역에서 효율적인 방사를 구현할 수 있는 구조 설계 방식이 지속적으로 관심받고 있다.[2,3,4]
특히 예인형 배열 소나(Towed Line Array SONAR)는 다양한 해양 감시 플랫폼 중에서도 넓은 탐지 거리와 정밀한 음향 신호 획득이 가능하여 저주파 수중 표적 탐지에 적합한 핵심 시스템으로 주목받고 있다. 이러한 운용방식의 확산에 따라, 예인형 소나 시스템은 기존 송신 중심의 배열 센서에서 능동 송신 및 수신 기능을 통합한 구조로 전환되고 있으며, 이를 통해 고출력 송신과 동시에 정밀한 수신 감도 확보가 가능하다는 점에서 운용 효율성과 성능 측면에서 유리한 이점을 가진다.[5,6,7,8,9,10,11,12] 이를 위해 Active Towed Array Sonar(ATAS) 시스템은 예인 배치 내 Flextensional 트랜스듀서를 활용하여 저주파 송수신 능력 확보와 더불어 소형화, 고출력 송신, 제어성 유연성을 제공한다. 고주파 센서에 비해 Flextensional 트랜스듀서는 우수한 송신전력 효율과 장거리 수중 통신 성능을 동시에 확보할 수 있는 장점을 지니고 있다.[13,14,15] 이러한 성능을 구현하기 위해서는 고출력 송신 능력, 광대역 특성, 그리고 내압 환경에서의 구조 안정성을 고려한 소재 선정과 설계 최적화가 필수적이다. 본 연구에서는 이러한 요구 조건을 충족할 수 있는 저주파 송신 구조 설계를 중점적으로 검토하였다.
한편, 기존 수중음향 트랜스듀서는 압전 세라믹 기반의 공진형 구조가 주류를 이루며, 주로 실린더 또는 피스톤형 설계를 통해 높은 전기-기계 변환 효율과 고출력 송신 특성을 달성해왔다.[16]
그러나 이러한 구조는 공간의 한계과 설계 제약으로 인해 저주파 송신 및 복잡한 구조 적용에는 한계가 있으며, 특히 장거리 운용 시 구조 손상 위험이 높다. 이를 보완하기 위해 PVDF와 같은 고분자 압전 소재나 광학 기반 음향 센서 기술 등 다양한 대안이 연구되고 있으나,[17] 여전히 PZT 기반 기술이 출력 성능과 내구성 측면에서 주류를 이루고 있다. 이러한 배경 속에서, 구조적 유연성과 기계적 증폭 효과를 동시에 확보할 수 있는 Flextensional 트랜스듀서 구조는 기존 기술의 한계를 극복하고 PZT 기반 성능을 극대화할 수 있는 구조적 해법으로 주목받고 있으며, 음향 방사 효율과 기계적 유연성을 동시에 만족할 수 있는 유력한 대안으로 평가되고 있다.
본 연구에서는 Barrel-stave 형상 및 구조 설계를 위해 기존 연구를[18,19,20] 참고하여 압전세라믹, 장력볼트, 쉘, 고정판, 유밀부트로 구성된 Flextensional 트랜스듀서를 모델링했다. 설계된 Flextensional 트랜스듀서의 음향 특성은 쉘의 방사면 진동에 의해 영향을 받는 구조이다. 따라서 쉘의 두께, 슬롯 형상, 유밀 부트에 대한 설계를 수행하여 성능과 구조 안정성 측면에서 효과적인 설계 기준을 제공하였다. 해당 설계는 COMSOL Multiphysics 기반 유한요소해석(Finite Element Method, FEM)을 통해 수중환경을 모사한 수치 해석으로 성능을 평가하였으며, Transmitting Voltage Response(TVR)을 주요 성능 지표로 활용하여 설계안의 정량적 타당성을 입증하였다. 나아가 본 연구는 이러한 단일 트랜스듀서 기반 설계를 바탕으로 능동배열센서 시스템으로의 확장성을 고려하였고 배열 구조 및 외피 적용 시 발생할 수 있는 음향 특성 변화를 검토하였다. 또한, 설계된 단일 트랜스듀서와 배열 센서를 실제로 제작하고, 수조 환경에서의 TVR 측정을 통해 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 시험 결과는 해석 데이터와 비교·검토되어 설계 적합성을 검증하였으며, 주요 설계 변수의 영향성에 대한 검증기반을 마련하고자 하였다.
II. 본 론
2.1 Flextensional 트랜스듀서의 설계
본 절에서는 Flextensional 트랜스듀서 단일 소자의 설계를 위하여 상용 해석프로그램인 COMSOL Multiphysics를 활용한 음향 해석 결과를 기술하고자 한다. 트랜스듀서의 성능 최적화를 위해서는 구조적 안정성과 방사 성능 간의 균형이 필수적이며, 이를 위해 다양한 물리적 변수들의 상호작용을 분석하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 Flextensional 트랜스듀서 구조 중 쉘의 두께, 유밀 부트 재질, Slot의 개수와 같은 주요 설계 변수들을 종합적으로 고려하여 Flextensional 트랜스듀서를 설계하였다.
2.1.1 Modeling & Simulation
Fig. 1은 Flextensional 트랜스듀서의 모식도를 나타내고 있으며, Table 1(a)는 각 구성품의 재질을 요약한 것이며, Table 1(b)는 해석에 적용한 압전세라믹 PZT 5A의 물성을 요약하였다. Flextensional 트랜스듀서 모델은 크게 압전세라믹, 장력볼트, 쉘, 고정판, 유밀부트로 구성하였다. 압전세라믹의 경우 능동센서로 자주 사용되는 PZT 5A 계열을 사용하였으며 주요 원통형 실린더 형상으로 설계하여 중앙에 장력볼트를 적용할 수 있는 공간을 확보하였다. 장력 볼트는 구성 요소 간 긴밀한 접합 및 외부 하중에 대한 구조적 강도를 제공하기 위한 목적으로 적용하였다. 쉘은 압전 세라믹 스택의 외부를 감싸면서, 고수압 환경에서의 구조적 안정성을 확보하고 방사면의 진동 진폭을 증가시켜 송신 성능을 향상시키는 효과가 있는 오목한 형상을 적용하였다.[21] 쉘은 슬롯을 적용하여 쉘의 유연성을 확보하였고 중심 주파수 이동 및 음향 방사 성능 향상을 위해 적용하였다. 추가로 쉘의 방수성능 확보를 위해 유밀부트를 추가로 적용하여 진동 감쇠 및 매질과의 임피던스 매칭 또한 고려하였다. 트랜스듀서의 음향성능 분석은 상용 수치 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 활용하였다. 해석에 적용한 경계 조건, 모델은 Fig. 2와 같고 해석에 적용한 트랜스듀서의 반경 a와 높이 b는 비율로써 각각 Figs. 1, 2에 제시하였다. 해석 도메인은 Perfectly Matched Layer(PML)를 적용하여 음압 반사 없이 자유음장 조건을 구현하였다. 해석에 활용한 TVR 계산식은 Reference [22]의 Eq. (1)과 같다. P는 측정위치에서의 복소음압의 크기를 나타내며, Pref는 기준음압 1 μPa을 나타낸다. 해석 격자의 크기는 파장 대비 최소 요소 크기를 적용하여 정확도를 확보하였다.
Table 1(a).
Material properties of component of the flextensional transducer.
| Material property | ||||
|
Component (Type) |
ρ [kg/m3] |
Y’s Modulus [GPa] | Loss factor |
Manufac- turer |
|
Concave Shell (STD 11) | 7700 | 200 | 0.01 | STX engine |
|
Insulator (Alumina) | 3900 | 300 | 0.01 | |
|
Prestressed - bolt (SCM445) | 7800 | 210 | 0.01 | |
|
Piezoel vectric - Stack (PZT-5A) | 7850 | Table 1(a) | Table 1(b) |
Kyoung- won |
|
Rubber boot (Urethane) | 1120 | 0.029 | 0.21 |
YS polytec |
|
Rubber boot (EPDM) | 1320 | 0.025 | 0.22 | |
|
Rubber boot (NBR) | 935 | 0.020 | 0.1 | |
Table 1(b).
COMSOL multiphysics of PZT 5A material property.
2.1.2 Shell 영향성 분석
Fig. 3은 쉘의 두께가 TVR에 미치는 영향을 나타낸다. 쉘 두께는 Flextensional 트랜스듀서의 구조 강성 및 방사 성능에 큰 영향을 미치는 변수이다. 아래 Eq. (2)는 Reference [23]에서 발췌한 이론식으로서 쉘 두께 h, 영률 E, 쉘에 가해지는 수직응력 σ에 따른 굽힘강성 D를 나타낸다. 쉘 두께를 0.5 mm에서 2.0 mm까지 변화시키며 분석한 결과, 쉘 두께가 증가할수록 이론식과 같이 공진주파수가 증가하는 경향을 보였으며, TVR은 향상되다가 약 1.3 mm 지점에서 최대값을 나타냈다. 이에따라 본 연구에서는 공진주파수 설계 목표에 따라 쉘 두께 1.3 mm를 최적 조건으로 선정하였다.
2.1.3 유밀부트 영향성 분석
Fig. 4는 유밀부트 재질을 Ethylene Propylene Diene Monomer(EPDM), Nitrille-Butadiene rubber(NBR) 그리고 우레탄으로 적용하여 TVR을 비교한 결과를 보여준다. 해석의 적용한 유밀부트 재질의 물성치는 앞서 Table 1(a)를 참고하였다. Flextensional 트랜스듀서는 우레탄 및 EPDM 적용 시 NBR 대비 가장 우수한 성능을 나타냈다. 이는 우레탄 및 EPDM의 낮은 내부 손실 계수와 높은 탄성 복원력으로 인해 진동 에너지 전달 효율이 향상된 결과로 해석된다. 또한 고무 재질의 영률과 손실 계수에 따라 공진 주파수 위치 및 TVR 크기의 변화를 확인할 수 있었다. EPDM과 우레탄은 음향적으로 유사한 성능을 보였으나, 오일과의 반응성, 탄성 복원력, 음향 성능을 종합적으로 고려하여 유밀부트 재질로 우레탄을 선정하였다.
2.1.4 Slot 영향성 분석
Slot은 쉘의 기계적 유연성을 증가시켜 효과적인 진동을 유발하는 중요한 변수로서 센서의 전반적인 성능 향상에 크게 기여한다. Fig. 5(a)는 Slot의 개수 변화가 TVR에 미치는 영향을 나타낸다. Slot이 8개 이하일 경우 기계적 변형이 제한되어 방사 성능이 저하되었으며, 12개 ~ 16개는 TVR 특성 차이 및 공진 주파수가 크게 변하지 않았으나, 수압에 의한 내구성 및 제작 난이도를 고려하여 Slot의 개수는 12개로 적용하였다. Fig. 5(b)는 Slot의 폭 변화에 따른 TVR 결과를 나타낸다. Slot 폭은 쉘 구조의 강도 및 음향 방사 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 적절한 범위 설정이 필수적이다. 폭이 너무 클 경우 구조강도 약화로 인한 고압 수중 환경에서의 안정성에 문제가 발생할 수 있고, 반대로 너무 좁을 경우 원하는 진동 변형이 충분히 발생하지 않아 음향 방사 효율이 저하된다. 본 연구에서는 shell 제원을 고려하여 적절한 slot 폭의 범위를 1 mm ~ 2 mm(쉘 두께 기준)로 설정하고, 구조적 안정성과 음향 성능의 균형을 가장 잘 만족하는 조건 폭 1.4 mm를 제원으로 최종 선정하였다. Fig. 5(c)는 Slot 길이에 따른 TVR 분석 결과이다. Slot 길이를 50 mm부터 70 mm까지 변화시키면서 성능을 분석한 결과, Slot 길이가 길어질수록 공진 주파수가 낮아지고 송신 성능이 증가하였다. 다만 Slot 길이 67 mm를 초과하면 공진 주파수의 변화 폭이 감소하고 성능 증가 효과가 미미하여 67 mm를 최적 조건으로 선정하였다.
Flextensional 트랜스듀서 설계 변수인 Slot 개수, Slot 폭, Slot 길이, Shell 두께의 재질, 수량, 제원은 해석을 통해 TVR 변화를 분석하고 실제 운용 환경, 제작성을 고려한 결과 각 설계 변수 별 최적 조건은 Table 2와 같고 이때의 TVR 성능은 Fig. 6(a)와 같으며 이에따른 RVS 계산식 및 해석결과는 Eq. (3) 및 Fig. 6(b)와 같다. 이러한 결과는 능동선형배열센서의 물리적 구조가 고려된 트랜스듀서 자체 성능에 대한 효과적인 설계 기준을 제공한다.
Table 2.
Variation range of the structural variables of optical transducer model.
| Parameters |
Range [mm] |
Design model [mm] |
| Slot width | 1 ~ 2 | 1.4 |
| Slot length | 50 ~ 70 | 67 |
| Slot numbers | 8 ~ 16 | 12 |
| Slot thickness | 0.5 ~ 2 | 1.3 |
2.1.5 배열 구조 영향성 분석
능동선형배열센서의 물리적 구조는 내부에 절연유를 충진하며, 외피 재질은 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 적용하는 것이 일반적이다. 본 절에서는 M&S 해석을 활용하여 분석된 결과를 바탕으로 능동선형배열센서 설계(안)을 제시하였다.
해석에 적용한 능동선형배열센서의 모델은 Fig. 7과 같다. 해석 도메인 크기는 방사음장 분포의 공간적 확정성을 고려하여 약 5λ로 설정하고 해석시간을 고려하여 Symmetry 경계조건을 추가하였다. 또한 PML의 두께를 파장의 2배 수준으로 설정하여, 경계 반사 오차를 0.5 % 이하로 억제하였다.
배열 구조에 삽입된 고무호스에 대한 영향은 Fig. 8(a)와 같다. 고무호스 두께는 공진주파수에 영향이 없는 것을 확인할 수 있으며 TVR 레벨은 두께가 증가함에 따라 일정 수준의 감쇠가 발생하였다. 이는 3 kHz 부근에서 더욱 크게 발생하기 때문에 고무호스가 음압 투과를 방해하는 저항 요소로 작용되어 손실이 발생한 것으로 분석된다. 절연유에 대한 Fig. 8(b) 해석 결과는 내부 음향 임피던스 변화에 의한 공진 주파수의 변동을 보여준다. 따라서 배열 설계 전 트랜스듀서의 공진 주파수를 최대 200 Hz 이상 낮게 설계해야 배열 상태에서의 목표 공진 주파수를 맞출 수 있음을 확인하였다.
2.2 트랜스듀서 제작 공정
설계된 트랜스듀서 본체의 조립은 Fig. 9와 같이 세라믹 제작 공정을 시작으로 세라믹 조립체를 중심에 두고 쉘(진동판), 상·하부 지지 플레이트 등의 부품을 순차적으로 결합하는 방식으로 진행된다. 세라믹 외경 A와 내경 B의 비 A/B는 약 1.76이며 이는 트랜스듀서의 음향특성뿐만 아니라 내부 쉘의 반경 및 내부 하네스 작업공간을 고려하여 설계되었다.
한편 각 접합부는 음향 손실을 최소화하기 위해 LOCKTITE 계열의 에폭시 접착을 사용하며, 외피 튜브는 우레탄 재질로 선택되어 마지막 단계에서 쉘에 강하게 접착된다. 특히 상·하부 지지 플레이트와 쉘, 세라믹 조립체 간 에폭시 접착의 경우 각 구성품 간 높이를 맞추지 못하게 될 시 Fig. 10(a)과 같이 중심주파수에서 TVR 특성이 저하되며, Fig. 10(b)와 같이 임피던스 특성 또한 공진특성이 완벽히 구현되지 않은것을 확인할 수 있다. 따라서 Flextensional 트랜스듀서 제작은 주요 구동부 간 간격을 긴밀하게 고려해야한다.
2.3 트랜스듀서의 시험 구성
2.3.1 음향시험 구성
본 절에서는 제작된 트랜스듀서를 Fig. 11과 같이 실제 수중 환경을 모사한 음향시험시스템(ATF)을 통한 수조시험을 통해 설계 성능 검증 절차 및 결과를 제시한다. 본 연구에서는 가로 24 m × 세로 16 m × 깊이 15 m의 대형 수조에서 3 kHz 이하 저주파 대역에서의 반사 최소화와 파형 안정성을 확보하였다. 시험 구성은 Fig. 11과 같으며, 수신 하이드로폰은 송신기와 R : 3 m 거리에서 정면으로 배치하여 원거리 음장 조건을 고려하였다. 시험에 사용된 장비는 트랜스듀서에 고전압을 인가해주는 고전압 증폭기, 증폭된 전압 및 전류를 감쇠하는 차동프로브, 신호파형을 생성하고 모니터링하는 중주파 DAQ 시스템 및 수신전압을 증폭해주는 수신전압증폭기 및 선형 주파수 범위 : 1[Hz] ~ 80[kHz] ± 2[dB]의 표준 하이드로폰(Reson, TC4040)으로 구성된다.
Fig. 12(a)는 단일 트랜스듀서에 대한 해석과 시험 결과이고 Fig. 12(b)는 5 ch 능동선형배열센서에 대한 해석과 시험 결과이다. 단일 트랜스듀서의 경우 중심 공진 주파수는 양측 모두에서 일치하였으며, 시험 결과에서 상대적으로 소폭 더 넓은 대역폭을 가졌다. 이러한 차이는 단일센서 외곽에 적용된 우레탄 재질 유밀부트의 주파수 의존적 물성에서 기인한 것으로 판단된다. 실제 우레탄 소재는 주파수 변화에 따라 영률(E) 및 손실계수(loss factor)가 달라지며, 해석에 적용한 정적 물성값과 실제 동적 거동 간 차이로 인해 음향 응답 차이가 발생했을 가능성이 있다. 특히 손실계수 오차는 감쇠 특성의 미세한 오차를 유발해 시험과 해석의 대역폭 차이를 설명할 수 있는 주요 원인으로 작용한다. 또한 세라믹과 쉘 간 접합부의 동적 응답, 조립 시 인가된 프리스트레스로 인한 구조적인 잔류 응력도 해석에 반영되지 못해 오차의 원인으로 작용했을 가능성이 크다.
5 ch 능동선형배열센서의 경우, TVR 개형과 중심주파수는 해석과 시험 결과가 유사하였으나, 시험 결과에서 측정된 TVRPeak값은 해석대비 0.7 dB 낮게 나타났다. 이는 TPU 외피 구조 및 절연유 충진으로 인해 발생한 에너지 감쇠, 배열 내 개별 센서 간 감도 편차, 센서 간 연결부의 미세한 접합불균형 등의 복합적 요인이 오차 주요 원인으로 추정된다. 한편, 절연유에 의한 내부 음향 임피던스 변화로부터 기인한 공진 주파수의 변동이 해석과 시험결과에서 동시에 확인되었다.
III. 결 론
본 연구에서는 저주파 음향 신호를 안정적으로 송신하는 Barrel-Stave 형태의 Flextensional 트랜스듀서 배열 구조에 대한 설계를 수행하였다. 상용 M&S 해석 프로그램 COMSOL Multiphysics를 활용하여 구조 특성 및 음향특성을 정량적으로 분석하였으며, 배열 구조 설계를 위해 쉘 두께, 슬롯 형상 및 개수, 외피 재질의 물성 등 주요 설계 변수를 선정하였다. 단일 트랜스듀서는 우레탄 경도 90A 유밀부트 적용, 슬롯 개수 12개, 폭 1.4 mm, 길이 67 mm, 쉘 두께 1.3 mm의 제원의 시제품을 제작하고 수조시험 수행 결과, 공진 주파수는 해석값과 동일한 1.8 kHz, TVR은 공진주파수에서 양쪽 모두 약 134 dB의 Peak 값을 보였고, 시험결과에서 더 넓은 대역폭을 보였다. 이러한 차이는 우레탄 소재의 주파수 의존 물성이 해석에 충분히 반영되지 못한데 기인한 것으로 판단된다. 더불어, 단일 트랜스듀서에 고무호스 및 절연유 충진 구조를 반영하여 5채널 능동선형배열센서를 설계/제작 및 음향시험을 수행하였다. 배열 센서의 TVR은 해석값 대비 약 0.7 dB 차이를 보였다. 또한 단일 트랜스듀서에 비해 대략 12 dB 가량 높은 음향성능을 보였는데, 이는 단일 트랜스듀서의 성능에서 20log(N)(N : 배열수)만큼의 배열이득을 더해준 수치로 분석된다. 다만 20log(5)(= 약 13.9 dB)는 실제 배열이득 과 약 1.9 dB의 편차가 존재하는데 이는 측정오차 및 단일 트랜스듀서의 미세한 제작편차 등으로 인해 이상적인 배열이득을 확보하지 못한 것으로 추정된다. 본 연구는 Flextensional 트랜스듀서를 기반으로 한 배열 구조의 설계, 해석, 제작, 검증까지의 전 과정을 통합적으로 수행한 사례로서, 트랜스듀서 배열 구조의 설계 방향을 제시하고 실해역 적용을 위한 기술적 기반을 마련하였다는 점에서 의의를 가진다. 향후 연구에서는 비선형 재료 모델링 및 수중 환경 하 실제 해역시험을 통해 성능을 검증함으로써 실용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
