정방형 격자를 갖는 수중 2차원 포노닉 크리스탈에서 나타나는 초음파의 자체조준

강휘석,이강일 한국물리학회 2019 새물리 Vol.69 No.6

In the present study, the self-collimation of ultrasound was theoretically and experimentally investigated in a two-dimensional phononic crystal with a square lattice immersed in water. The acoustic band structure of the phononic crystal was calculated by using the finite element method, and the acoustic pressure fields at the frequencies of each band were calculated with and without the phononic crystal in the acoustic path. Ultrasonic waves were theoretically found not to be allowed at the frequencies of the bandgaps and were self-collimated at the frequencies of the second transmission band due to the negative refraction. The self-collimation of ultrasound was experimentally observed in the same two-dimensional phononic crystal as with the theoretical modeling. In conclusion, we theoretically and experimentally verified the self-collimation and the directivity enhancement of ultrasound in a two-dimensional phononic crystal immersed in water. 본 연구에서는 정방형 격자를 갖는 수중 2차원 포노닉 크리스탈에서 나타나는 초음파의 자체조준을 이론및 실험적으로 고찰하였다. 먼저 유한요소법을 이용하여 포노닉 크리스탈의 밴드 구조를 계산하였으며, 각각의 밴드에 해당하는 주파수에 대하여 음파 전파 경로 사이에 포노닉 크리스탈의 유무에 따른 음장을계산하였다. 이로부터 밴드갭 주파수에서 초음파의 차단이 나타나며, 음 굴절이 발생하는 투과밴드의 주파수에서는 자체조준이 나타나는 것을 이론적으로 발견하였다. 또한 이론에서 이용된 포노닉 크리스탈과동일하게 제작된 2차원 포노닉 크리스탈에서 초음파의 자체조준을 실험적으로 관찰하였다. 결론적으로수중 2차원 포노닉 크리스탈을 초음파가 투과할 때 자체조준이 발생 및 지향성이 향상되는 것을 이론 및실험적으로 증명하였다.

Anomalous Negative Reflection of Acoustic Waves from a Two-Dimensional Phononic Crystal Immersed in Water

강휘석,윤석왕,이강일 한국물리학회 2017 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.70 No.3

In the present study, we experimentally and theoretically demonstrated anomalous negative reflection of acoustic waves obliquely incident upon the boundary of a two-dimensional phononic crystal (PC) consisting of periodic square arrays of stainless-steel cylinders immersed in water. The angular spectrogram showing the frequency as a function of the angle was measured for the reflection from the PC when the incidence angle of the sound beam was fixed to be 20. To understand the negative reflection from the PC, we considered the boundary of the PC to behave as an acoustic diffraction grating, and we calculated the acoustic pressure fields at specific frequencies of interest by using the finite element method. We found that the grating law could be successfully applied to the boundary of the PC in order to determine the direction of the acoustic waves diffracted in water.

고등학교 교과교실제 운영 과정에 대한 사례 분석 연구

강휘석 ( Hwi Seok Kang ),김병찬 ( Byeong Chan Kim ) 안암교육학회 2013 한국교육학연구 Vol.19 No.3

본 연구는 한 고등학교를 대상으로 선진형 교과교실제를 운영하는 과정에서 나타나는 특징들을 밝혀내고자 하는 질적 사례 연구이다. 이를 위해 교과교실제 학교의 교사들과 학생들을 대상으로 2011년 2월부터 2012년 3월까지의 연구기간 동안 참여관찰, 심층면담, 문헌자료 분석의 방법을 통해 자료를 수집하고 그 내용을 분석하였다. 본 연구에서 드러난 교과교실제 운영 과정에서의 특징 중 수업 영역에서의 특징은 ‘움직이는 수업’, ‘길어지는 수업’, ‘형식적으로 끌려가기’, ‘친해지며 갈등하는 교사’, ‘생각지 못한 수확’ 등이며, 학생 생활 영역의 특징들로는 ‘숨바꼭질하기’, ‘두려운 홀로서기’, ‘짐 들고 다니기’, ‘기계로 통제 당하기’, ‘시장통’, 학급 운영 영역에서의 특징들은 ‘전달이 안돼요’, ‘우리학급에 집착하기’, ‘담임의 가슴앓이’, ‘우리 공간 지키기’ 등으로 나타났다. 본 연구 결과를 토대로 교과교실제 학교에서는 수업의 질이 개선되고 있고, 블록타임제 및 연강제에 대한 뚜렷한 찬반의견, 학교 공간 활용의 제약, 학생들의 심리적·육체적 불안, 변함 없는 학년제 중심의 교육과정 운영이 주요 특징임을 논의하였다. The purpose of this study is to uncover the characteristics emerged from the implementation of the new Subject Classroom System (SCS) at a high school based on qualitative research methods. The study analyzed the data collected from participant observations and high-impact interviews of students and teachers at a high school from February to March of 2012 supplemented by extensive literature review. Among the outstanding characteristics revealed from the study, the domain of classroom teaching includes ‘moving classroom,’ ‘extended class time,’ ‘conforming formally,’ ‘becoming intimate accompanying conflict (for teachers),’ and ‘unexpected fruits.’ Pertaining to students` life are ‘hide and seek,’ ‘fearful standing alone,’ ‘carrying personal belongings,’ ‘controlled by machine,’ and ‘atmosphere of traditional market.’ Lastly, the domain of the classroom management is represented by ‘difficult message delivery’, ‘sticking to one`s own classroom,’ ‘teacher`s heartbreak,’ and ‘guarding one`s spaces.’ The results of this study show the improvement of the quality of classroom teaching at the SCS schools followed by the discussions on the endorsement of and opposition to the block-time system and continual lecture, limits of space usage, physical and psychological uneasiness of students, and hard-to-change implementation of curriculum focused on school grade.

이차원 푸리에 필터링을 이용한 수중음향 펄스 튜브에서의 평면파 반사계수 결정

김완구,강휘석,윤석왕,Kim, Wan-Gu,Kang, Hwi Suk,Yoon, Suk Wang 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

물로 채워진 음향 펄스 튜브 내에는 가진 조건들에 따라 복잡한 형태의 음향 신호들이 형성될 수 있다. 이는 펄스 튜브를 이용해 저주파수 대역에서 평면파 반사계수를 측정하는 것을 어렵게 한다. 본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 이용하여 튜브 벽이 가진되는 경우 펄스 튜브 내에 평면파 뿐 아니라 비평면파 모우드의 복잡한 음장이 발생됨을 보였다. 모우드 분리 방법인 이차원 푸리에 필터링으로 입사 또는 반사하는 평면파 모우드만을 각각 분리할 수 있었다. 이에 시간 게이팅을 적용하므로 음향 시편의 평면파 반사계수를 보다 정확하게 결정할 수 있게 하였다. Complex acoustic signals can be formed in a water-filled acoustic pulse tube under some exciting conditions. It makes difficult to measure plane-wave reflection coefficient with the pulse tube for low frequency bands. In this study, using COMSOL Multiphysics we show that the tube wall excitation generates complex acoustic field of nonplanar mode as well as planar one. From such field incident or reflected planar mode can be decomposed respectively with a modal decomposition method, two-dimensional Fourier filtering. It makes possible to more accurately determine the plane-wave reflection coefficient of acoustic specimen with time gating.

프리즘 형태의 2차원 포노닉 크리스탈에서 초음파의 음의 굴절

김윤미,이강일,강휘석,윤석왕 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.7

The present study aims to investigate theoretically and experimentally the negative refraction of ultrasound in a two-dimensional prism-shaped phononic crystal with a square lattice in water. Using the finite element method, we calculated the acoustic band structure along the $\Gamma$X direction of the first Brillouin zone of a two-dimensional phononic crystal consisting of periodic square arrays of stainless-steel solid cylinders with radii of 0.5 mm and with a lattice constant of 1.5 mm in water. Based on the calculated band structure, the pressure fields of ultrasound transmitted through the phononic crystal in water were calculated over a wide frequency range from 0.5 to 1.0 MHz by using the finite element method, and they were measured experimentally to validate the predicted results. The positive and the negative angles of refraction obtained by using both the finite element method and the refraction experiment were in good agreement with those calculated by using Snell’s law. 본 연구에서는 수중에서 정방형 격자를 갖는 프리즘 형태의 2차원 포노닉 크리스탈을 투과한 초음파의 음의 굴절을 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 먼저 유한요소법을 이용하여 수중에서 0.5 mm의 반경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.5 mm의 격자상수를 갖도록 정방형으로 배열된 2차원 포노닉 크리스탈의 첫째 브릴루앙 영역의 $\Gamma$X 방향에 대하여 음향 밴드구조를 계산하였다. 계산된 밴드구조에 의거하여 0.5부터 1.0 MHz까지의 주파수 대역에 대하여 유한요소법을 이용하여 수중에서 초음파가 포노닉 크리스탈을 투과한 음장을 계산하였으며, 예측된 결과의 타당성을 검증하기 위하여 초음파가 동일한 형태로 제작된 포노닉 크리스탈을 투과한 음장을 측정하였다. 또한 유한요소법 및 실험에 의하여 확인된 양 및 음의 굴절각을 스넬의 법칙을 이용하여 계산된 결과와 비교하였으며, 유한요소법, 실험, 및 스넬의 법칙에 의하여 얻어진 각각의 결과가 서로 잘 일치하는 것으로 나타났다.

수중에서 정방형 격자를 갖는 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조

김윤미,이강일,강휘석,윤석왕,Kim, Yoon Mi,Lee, Kang Il,Kang, Hwi Suk,Yoon, Suk Wang 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.5

포노닉 크리스탈이란 기저물질 내에 주기적으로 배열된 산란체로 구성된 복합물질로서 포노닉 크리스탈에 입사된 음파가 특정 주파수 대역에서 차단되는 현상인 밴드 갭이라는 중요한 특성을 갖는다. 본 연구에서는 수중에서 산란체로서 1 mm의 직경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.5 mm의 격자상수를 가지며 정방형으로 배열된 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조를 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 2차원 포노닉 크리스탈의 밴드 구조를 예측하기 위해 유한요소법을 이용하여 첫째 브릴루앙 영역의 ${\Gamma}X$ 방향에 대해 주파수와 파동벡터에 대한 분산관계를 계산하였다. 초음파가 입사되는 방향과 수직한 스테인리스 스틸 막대 층의 개수를 1, 3, 5, 7, 9개로 변화시켜가며 투과계수 및 반사계수를 측정하였다. 계산된 분산관계로부터 2 MHz 이하의 주파수 대역에서 5개의 밴드 갭이 존재하는 것으로 예측되었으며, 첫째 밴드 갭은 0.5 MHz를 중심으로 나타났다. 투과계수 및 반사계수로부터 실험적으로 확인된 밴드 갭은 분산관계로부터 예측된 밴드 갭과 잘 일치하는 것으로 나타났다. Phononic crystals are composite materials consisting of a periodic arrangement of scattering inclusions in a host material. One of the most important properties of phononic crystals is the existence of band gaps, i.e., ranges of frequencies at which acoustic waves cannot propagate through the structure. The present study aims to investigate theoretically and experimentally the acoustic band structures in two-dimensional (2D) phononic crystals consisting of periodic square arrays of stainless steel solid cylinders with a diameter of 1 mm and a lattice constant of 1.5 mm in water. The theoretical dispersion relation that depicts the relationship between the frequency and the wave vector was calculated along the ${\Gamma}X$ direction of the first Brillouin zone using the finite element method to predict the band structures in the 2D phononic crystals. The transmission and the reflection coefficients were measured in the 2D phononic crystals with 1, 3, 5, 7, and 9 layers of stainless steel cylinders stacked in the perpendicular direction to propagation at normal incidence. The theoretical dispersion relation exhibited five band gaps at frequencies below 2 MHz, the first gap appearing around a frequency of 0.5 MHz. The location and the width of the band gaps experimentally observed in the transmission and the reflection coefficients appeared to coincide well with those determined from the theoretical dispersion relation.

Acoustic Band Gaps with Diffraction Gratings in a Two-dimensional Phononic Crystal with a Square Lattice in Water

Kang Il Lee,강휘석,Suk Wang Yoon 한국물리학회 2016 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.68 No.8

The present work reports a combined experimental and theoretical study on the acoustic band gaps in a two-dimensional (2D) phononic crystal (PC) consisting of periodic square arrays of stainless-steel cylinders with diameters of 1.0 mm and a lattice constant of 1.5 mm in water. The theoretical band structure of the 2D PC was calculated along the X direction of the first Brillouin zone. The transmission and the reflection coefficients were obtained both experimentally and theoretically along the X direction of the 2D PC. The 2D PC exhibited 5 band gaps at frequencies below 2.0 MHz, with the first Bragg gap being around a frequency of 0.5 MHz. To understand the band gaps in the 2D PC, we calculated the acoustic pressure fields at specific frequencies of interest for normal incidence, and we explained them from the perspective of acoustic diffraction gratings.

타일형 프로젝터를 이용한 저주파 능동 반향음 감소 기법

이재완,우상범,장하다,이근상,김완구,강휘석,엄원석,박영철,윤석왕,서영수,Lee, Jae-Wan,Woo, Sangbeom,Jang, Hada,Lee, Keunsang,Kim, Wan-Gu,Kang, Hwi-Suk,Ohm, Won-Suk,Park, Youngcheol,Yoon, Suk Wang,Seo, Youngsoo 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.6

저주파 능동 소나를 이용한 잠수함 탐지 기술이 개발됨에 따라, 기존의 수동 무반향 타일을 대치할 새로운 잠수함 스텔스 기술이 요구되는 추세이다. 본 연구에서는 선체 표면과 같은 대면적에 적용 가능한 타일형 프로젝터를 이용하여 능동 임피던스 정합을 구현함으로써 저주파 반향음 감소를 도모하는 기법을 제안한다. 먼저 능동 임피던스 정합 기법의 기술적 타당성을 확인하기 위하여 유한요소 모델을 이용한 저주파 반향음 감소 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 바탕으로 타일형 프로젝터를 설계 및 제작하여 음향수조에서 저주파 반향음 감소 실험을 수행하였다. With the advent of submarine detection technology using low-frequency active sonar there is a call for a new submarine stealth device that can replace the existing passive anechoic tiles. Proposed in this study is a low-frequency echo reduction technique based on active impedance matching, which employs a tile projector designed to cover a wide area such as the surface of a ship. To judge the feasibility of the active impedance matching technique finite-element simulations of low-frequency echo reduction are performed. Based on the analysis, a tile projector is designed, fabricated, and tested in an acoustic tank for its low-frequency echo reduction performance.

저주파 수중 반향음 제어를 위한 타일형 프로젝터의 개발 및 성능시험

우상범(Sangbeom Woo),이재완(Jae-Wan Lee),엄원석(Won-Suk Ohm),김완구(Wan-Gu Kim),강휘석(Hwi-Suk Kang),윤석왕(Suk Wang Yoon),서영수(Youngsoo Seo) 한국소음진동공학회 2014 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.10

In this paper, a tile projector was developed for the control of low-frequency underwater echoes. The projector was designed to cover a wide area such as the hull of a submarine, and to have a relatively thin thickness. As a preliminary work for active echo control, the performance of the projector was measured in an anechoic water tank. The transmitting voltage response as well as the passive echo reduction were measured to evaluate the performance as an underwater projector.