원통형 진동자 내부의 이중관 중심에서의 음압해석

김정순,김무준,Kim, Jungsoon,Kim, Moojoon 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.3

유체로 채워진 원통형 압전진동자 내부에서 중심축으로 집속되는 음파에 대해 진동자 내부에 삽입된 동심원의 고체튜브가 음장분포에 미치는 영향을 해석하였다. 원통형 압전진동자의 내부로부터 방사된 음파는 유체매질을 지나 고체튜브의 벽면에서 반사 및 투과를 하여 중심축에 집속된다. 이때 고체튜브의 음향임피던스 및 두께 등에 의해 중심에 집속되는 음장 분포가 변한다. 이를 이론적으로 해석하기 위하여 각 매질에 대한 전달행렬을 도출하였고 이를 적용하여 중심축에서의 음압수준을 이론적으로 해석하였다. 여러 가지 두께를 갖는 아크릴 튜브에 대해서 중심축 상에서 측정한 음압수준의 변화는 이론해석의 결과와 잘 일치하였으며 중심에 형성되는 음압은 고체튜브의 두께에 따라 매우 민감하게 변화함을 확인하였다. The effect of the concentric solid tube inserted inside the vibrator on the sound field distribution was analyzed for the sound waves focused on the center axis in the fluid - filled cylindrical piezoelectric transducer. The sound waves radiated from the inside of the cylindrical piezoelectric vibrator are transmitted through the fluid medium and are reflected or transmitted on the wall surface of the solid tube, and are focused on the central axis. At this time, the sound field distribution centered on the acoustic tube varies depending on the acoustic impedance and the thickness of the solid tube. In order to theoretically analyze this, the transfer matrix for each medium is derived, and the sound pressure level at the center axis is theoretically analyzed. For the acrylic tube with various thicknesses, the changing trend in the sound pressure level measured on the central axis agrees well with the result of the theoretical analysis, and it confirmed that the sound pressure formed at the center changes very sensitively with the thickness of the solid tube.

범용 임피던스 변환회로를 이용한 압전 단결정 진동자의 제동용량 제어

김정순,김무준,Kim, Jungsoon,Kim, Moojoon 한국음향학회 2018 韓國音響學會誌 Vol.37 No.1

압전변압기에 사용되는 압전 단결정은 높은 입력 임피던스로 인하여 파워전송용량이 높지 않다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 연산증폭기를 사용한 범용 임피던스 변환(General Impedance Convert, GIC) 회로로 구현된 정전용량 증가회로를 압전 단결정 진동자의 전기단자에 연결함으로써 입력임피던스를 저하시켜 파워전송용량을 향상시킬 수 있는 방법을 제안하였다. $128^{\circ}$회전 Y판 $LiNbO_3$ 단결정 진동자에 설계 제작된 정전용량 증가회로를 적용하여 구동 특성을 측정한 결과, 입력임피턴스는 25 % 감소, 전기-기계결합계수는 30 % 증가, 전압변환 특성에 있어서는 약 17~30배의 출력파워용량이 증가됨을 확인하였다. The piezoelectric single crystals used in piezoelectric transformers have a problem that power transfer capacity is comparatively low due to their high input impedance. In this study, we suggest a method to improve the power transfer capacity by reducing the high input impedance of the piezoelectric single crystal vibrator by connecting a capacitance increasing circuit to the electrical terminals of the piezoelectric single crystal vibrator where the circuit is a GIC (Generalized Impedance Converter) circuit using operational amplifiers. The result of measuring driving characteristics after applying the designed capacitance increasing circuit to the $128^{\circ}$ rotated Y-cut $LiNbO_3$ crystal vibrator confirmed that the input impedance decreased by 25 %, electromechanical coupling factor increased by 30 %, and the power transfer capacity increased by about 17 to 30 times in voltage conversion characteristics.

CNT/PDMS 복합체로부터 방사된 초음파의 파형 특성

김기석,김무준,하강렬,이주호,팽동국,최민주,Kim, Gisuk,Kim, Moojoon,Ha, Kanglyeol,Lee, Jooho,Paeng, Dong-Guk,Choi, Min Joo 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.4

투명한 PMMA (Poly methyl methacrylate) 기판 위에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)와 PDMS (Poly dimethylsiloxane)를 코팅한 복합체에 레이저 펄스를 조사하면 열탄성효과에 의해 수중에 강한 초음파가 발생한다. 본 논문에서는 그 초음파 발생과 관련한 열음향 이론을 정립하고, 가우시안 파형을 갖는 레이저 펄스를 두께가 $20{\mu}m$인 CNT/PDMS 복합체에 조사했을 때 어떤 파형의 초음파가 발생하는지를 시뮬레이션을 통해 파악하였다. 그 결과로부터 CNT/PDMS 복합체에서는 충격 초음파가 발생하며, 그 파의 형상은 복합체의 각종 물성 값이 ${\pm}20%$ 변하여도 크게 변하지 않는 것을 확인하였다. 그러나 정(+), 부(-)의 피크 값은 열팽창계수가 증가하거나 밀도, 열용량, 음속이 감소하면 증가하며, 열전도도에 대해서는 민감하게 변하지 않음을 알았다. 나아가, 직접 제작한 CNT/PDMS 복합체에서 방사되는 초음파의 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 비교로부터 그 물성 값을 추정할 수 있었다. When a laser pulse is irradiated on a CNT (Carbon Nanotube) and PDMS (Poly dimethylsiloxane) composite coated on a transparent PMMA (Poly methyl methacrylate) substrate, a strong ultrasonic wave is generated due to the thermoelastic effect. In this paper, the thermoacoustic theory related to the wave generation by the CNT/PDMS composite was established. The waveforms of ultrasonic waves when a laser pulse having a Gaussian waveform is irradiated on the composite with a thickness of $20{\mu}m$ were numerically simulated. From the results, it was confirmed that ultrasonic shock waves can be generated from the CNT/PDMS composite and the waveforms are changed little even if the physical properties of the composite are changed by ${\pm}20%$. It was found that the peak positive and negative pressures increase as the thermal expansion coefficient increases, or as density, heat capacity and sound speed decreased. However, those changes were not so sensitive with thermal conductivity. In addition, the physical properties of the CNT/PDMS composite fabricated in this study were estimated from the comparison of the measurement and simulation results.

광음향 영상화를 위한 PMN-PZT 바늘형 수중청음기 제작

하강렬,김무준,강현욱,오정환,Ha, Kanglyeol,Kim, Moojoon,Kang, Hyun Wook,Oh, Junghwan 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.3

수 MHz의 초음파를 이용하는 저주파 광음향 영상장치에 적용하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용한 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 수중청음기와 비교하여 평가하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, $50{\Omega}$의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 제작한 수중청음기의 수신감도를 순음 펄스를 사용하여 측정한 결과, 측정 가능한 2 ~ 8 MHz 대역에서 상용의 수중청음기에 비해 평균 10.9 dB 높게 나타났으며, 그 값은 $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$이었다. 나아가, 제작한 수중청음기를 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였는바, 수신된 광음향 신호가 상용의 것보다 크고, 영상 또한 우수함을 알았다. For application to several MHz photoacoustic imaging systems, a needle hydrophone was designed and fabricated by using PMN-PZT piezoelectric single crystal, and its characteristics were evaluated through comparison with a commercial PVDF(Polybinylidene Fluoride) hydrophone of which receiving sensitivity is known. The simulation using the KLM model results show that the peak receiving impulse response for $50{\Omega}$ terminating impedance of the fabricated hydrophone is -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$ and the frequency response is relatively flat over 2 ~ 12 MHz with fluctuation less than 5 dB. The measurement results using tone burst signals also show that it has higher (ave. 10.9 dB) sensitivity than the commercial hydrophone in 2 ~ 8 MHz, and the receiving sensitivity of $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$ was measured for the fabricated hydrophone. In addition, it is known that the photoacoustic signals and the image of a hair obtained by a mechanical scanned photoacoustic imaging system with the fabricated hydrophone were bigger and better than those obtained with the commercial hydrophone.

정방형 방사면을 갖는 초음파 진동자의 자기방사임피던스 측정

김정순,김무준,Kim, Jungsoon,Kim, Moojoon 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.2

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. We have experimentally analyzed the self-radiation impedance of an ultrasonic transducer with a square radiation surface that is used as a vibrator in underwater ultrasonic detection systems. The radiation reactance and the radiation resistance were measured in the range from 1 to 3 of ka that is the product of a wave number and a length of the edge of the square vibrator. By comparing the measured results with those of theoretical calculation of the radiation impedance using a series, we confirmed the validity of the experimental method and experimentally confirmed the variation trend in the radiation impedance of the square radiation surface.

λ/4 모드 PVDF 초음파 트랜스듀서에 있어서 전극 사이의 접합층이 성능에 미치는 영향

하강렬,김무준,김정순,Ha, Kanglyeol,Kim, Moojoon,Kim, Jungsoon 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.2

양 전극 사이에 압전층 외에 비압전성의 접합층이 존재하는 ${\lambda}/4$ 모드 PVDF 초음파 트랜스듀서에 있어서 그 접합층이 트랜스듀서의 성능에 미치는 영향을 등가회로에 의해 해석하였다. 등가회로로서는 Kikuchi 등이 제안한 전송선로 모델[Sound of IEICE, 55-A, 331-338 (1981)]을 도입하였는데, 먼저 그 모델에 의한 해석의 타당성을 $80{\mu}m$ 두께의 PVDF 압전막이 동(Cu) 후면체에 부착되는 세 가지 경우를 가정한 KLM 모델과의 비교를 통해 검증하였다. 다음으로, 그 압전막과 더불어 $5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$ 두께의 에폭시 접합층을 갖는 다섯 개의 트랜스듀서를 제작하여 펄스 에코 응답을 측정한 후 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 두 결과는 서로 잘 일치하였는바, 도입한 Kikuchi 모델에 의해 접합층이 트랜스듀서의 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있음을 알았는데, 접합층이 $20{\mu}m$일 때는 그 접합층이 없을 때에 비해 중심주파수와 대역폭은 각각 약 19.7 %, 25.0 % 감소하고, 삽입손실은 57.2 % 증가하는 것으로 나타났다. The effect of a bonding layer on the performance of a quarter-wave (${\lambda}/4$) mode PVDF ultrasound transducer having not only a piezoelectric layer but also a non-piezoelectric layer between two electrodes was analyzed. The equivalent circuit of a transmission line model by Kikuchi et al.[Sound of IEICE, 55-A, 331-338 (1981)] was introduced for the analysis. The validity of the model was confirmed by comparison with a KLM model for three postulated adhesion cases of a $80{\mu}m$ thick piezoelectric PVDF film to a copper (Cu) backer. The pulse-echo responses of five PVDF transducers, each fabricated with a different thickness ($5{\mu}m{\sim}20{\mu}m$) of the bonding layer, were measured and the results were compared with those by simulation. The two results were in good agreement with each other and it was noted that the effect of the bonding layer on the performance of the transducer could be analyzed by the Kikuchi model. In detail, the $20{\mu}m$ bonding layer decreased the center frequency and the bandwidth by about 19.7 % and 25.0 %, respectively, and increased the insertion loss by 57.2 %.

주위가 고정된 원형 평판을 가진 란주반 트랜스듀서의 방사 특성 해석

김정순,윤지원,김무준,Jungsoon Kim,Jiwon Yoon,Moojoon Kim 한국음향학회 2024 韓國音響學會誌 Vol.43 No.4

란주반 트랜스듀서에 의해 강제 진동되는 원형 진동판으로부터 방사되는 음장의 분포를 해석하기 위하여 L. Rayleigh에 의해 도출된 진동 원판의 운동방정식을 기초로 구동 영역 및 고정 경계영역의 경계 조건을 적절히 적용하여 이론적 해석모델을 도출하였다. 도출된 해석모델을 이용하여 진동 원판의 표면에 분포하는 진동 변위를 계산하고 이로부터 방사되는 초음파에 의해 형성되는 음장을 계산한 결과, 진동 원판의 넓이에 따라 방사 특성이 크게 변함을 확인할 수 있었다. 비교를 위하여 유한요소법인 COMSOL 프로그램을 사용하여 동일한 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과 이론 계산 결과와 좋은 일치를 보여 본 연구에서 도출한 이론적 해석모델의 유효성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 도출한 이론적 해석모델은 초음파 화학분야 등 관련 디바이스의 설계 및 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. In order to analyze the distribution of sound fields radiating from a circular plate vibrated by a Langevin transducer, a theoretical analysis model was derived. The boundary conditions of the driving area and fixed boundary area were appropriately applied to the equation of motion of the vibrating plate, which was derived by L. Rayleigh. By calculating the vibration displacement distributed on the surface of the vibrating plate using the derived analysis model and then calculating the sound field formed by the ultrasonic waves radiating from it, it was confirmed that the radiation characteristics vary significantly depending on the area of the vibrating plate. For comparison, a simulation of the same system was performed using the COMSOL program, a finite element method, and showed good agreement with the theoretical calculation results, confirming the effectiveness of the theoretical analysis model derived in thisstudy. It is expected that the theoretical analysis model derived from this study can be used in the design and development of related devices, such as in the ultrasonic chemistry field.

음향감쇠매질 내에서 집속초음파에 의한 온도상승의 가시화

김명석,김정순,김무준,하강렬,Kim, Myoungseok,Kim, Jungsoon,Kim, Moojoon,Ha, Kanglyeol 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.1

음향감쇠매질 내에서 집속 초음파에 의한 온도 분포 변화를 파악하는 것은 다양한 분야에 매우 중요한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구는 음향감쇠매질 내에 임계온도 $30^{\circ}C$인 시온안료를 사용한 감온 필름을 삽입하여 비침습적으로 온도 상승 효과를 조사하였다. 음향감쇠매질은 한천과 설탕을 섞어 제작하였으며 매질내 음향특성을 제어하기위해 사용한 설탕 농도는 25 %에서 40 %까지 변화시켰다. 집속 초음파에 의한 온도상승 효과를 감온 필름의 변색영역의 변화로 관찰한 결과 초음파 방사 후 2~5 s 사이에 급격한 변색 영역의 증가를 보이다가 그 이 후 완만한 변화를 보였다. 시뮬레이션에서는 실험 결과와는 달리 초음파 방사후 10 s까지 선형적으로 변색영역이 증가하는 경향을 보였다. 이는 매질의 열전도도 및 열용량은 온도에 따라 변하는 값을 가지는데, 시뮬레이션에는 이를 고려하지 못했기 때문으로 사료된다. The temperature change due to focused ultrasound in dissipative acoustic medium is very important because it provides us much information. To measure the temperature change inside of the dissipative acoustic medium non-invasively, we adopt a temperature sensitive film which has thermochromic particles with critical temperature of $30^{\circ}C$. As a dissipative acoustic medium, agar layer is chosen in the study. The temperature change due to the ultrasound was measured depending on the concentration of the sugar in the agar layer. The color change on the film due to the ultrasound was investigated when the concentration of sugar was from 25% to 40%. As the result, there were rapid increases of discolored area on the film within 2~5 second after the ultrasound driving and the increasing rates decreased after the period. To compare the simulation results were also shown. However in the simulated result, the discolored areas linearly increased from start to 10 seconds. The reason of the differences between the experimental results and simulated ones is that the change of thermal conductivity and heat capacity of the medium were not considered in the simulation program.

볼트 체결형 란주반 초음파 트랜스듀서의 프렌지 포인트 최적화를 위한 실험적 방법 제안

김정순,김해운,김무준,Kim, Jungsoon,Kim, Haeun,Kim, Moojoon 한국음향학회 2021 韓國音響學會誌 Vol.40 No.4

강력초음파 분야에 있어서, 트랜스듀서의 고정을 위한 프렌지의 위치설정은 트랜스듀서의 변환효율에 큰 영향을 주는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 볼트 체결형 란주반 초음파 트랜스듀서의 공진모드에 따른 프렌지의 설치 위치를 결정하기 위한 실험적 방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 반원형 쐐기 형태의 지그를 제작하여 트랜스듀서의 측면을 따라 이동하며 지그에 일정한 압력을 가한 후 트랜스듀서의 진동특성을 분석하였다. 압력을 가하는 위치에 따른 트랜스듀서의 입력 어드미턴스의 변화를 분석하여 프렌지의 최적의 위치를 결정할 수 있었다. 이 위치들은 메이슨 등가회로를 적용하여 계산한 공진 주파수 및 전송선로 모델 해석으로부터 계산한 각 공진 모드에 대한 입자속도 분포로부터 예측한 진동 모드의 절의 위치와 좋은 대응을 보이고 있어 본 연구에서 제안된 방법의 유효성을 확인할 수 있었다.

소노루미네센스를 이용한 액체정합층의 고출력 초음파에너지 전달특성 평가

김정순,김해운,손진영,김무준,Kim, Jungsoon,Kim, Haeun,Son, Jinyoung,Kim, Moojoon 한국음향학회 2021 韓國音響學會誌 Vol.40 No.5

In the ultrasonic dispersion, in order to avoid direct contact of the radiation surface of ultrasonic transducers with a liquid sample, the liquid sample is separated by a glass container and it receives ultrasonic energy through an acoustic medium. The transmission efficiency of the ultrasonic energy in the multi-layered ultrasonic system is an important factor. In this study, we suggested a method that can improve the ultrasonic energy transfer efficiency by using a propylene glycol solution as a liquid matching layer in the multi-layered acoustic system. In this method, a propylene glycol solution was filled between the Langevin-type ultrasonic transducer and the luminol solution and the sonoluminescence phenomena in the luminol solution, which is caused by nonlinear effect of high power ultrasound radiated from the transducer, was examined by using a Photo Multiplier Tube (PMT). The transmission efficiency depending on the concentration of propylene glycol solution was observed, and we can see that as the concentration of the propylene glycol solution increased, the matching effect increased while the acoustic attenuation increased. It was confirmed that there is an optimal concentration compromised these two conflicting conditions, and the optimum concentration of the propylene glycol solution was determined experimentally.