Design of Matching Layers for high Efficiency-wide band Ultrasonic Transducers

고출력 광대역 초음파 탐촉자를 위한 정합층 설계

Application fields of ultrasonic transducers can be divided into two categories, a high ultrasonic resolution required field and a high ultrasonic power required field. This paper is aimed to determine the optimal properties of the matching layers of the transducer for each of the applications. Further, it is aimed to optimize the properties of the matching layers that show satisfactory performances for both of the application fields. Through the direct time domain analysis of the transmission and reflection behavior of the ultrasonic wave, apart from the conventional equivalent circuit analysis, and Fourier transformation of its results, we found the optimum acoustic impedances of the matching layers. The newly determined layers provide much better transducer performance-57% at most-than those obtained with conventional design methods. Based on the results, we also found the optimal acoustic impedances of the layers good for both of the application fields. For te optimization, we developed a new transducer performance evaluation parameter that can be applied to any type of ultrasonic transducers.

초음파 탐촉자의 응용분야를 크게 고해상도 분야와 고출력 분야로 나누어 각각의 경우에 대하여 가장 우수한 탐촉자 성능을 구현케 하는 정합층의 물성을 결정하고자 하였다. 나아가 동일한 탐촉자에 대해 이 두 가지 특성이 모두 우수한 것을 요구하는 경우가 일반적이므로 각각의 분야에 대해 동시에 최선일 수는 없으나 두 분야에 공히 만족스러운 특성을 나타낼 수 있도록 하는 정합층의 물성을 최적화 하고자 하였다. 통상적인 등가회로 해석법과는 달리 탐촉자 구성매질들간의 경계면에서의 투과, 반사계수들을 반복 계산하는 방법을 통해 시간영역에서의 파형을 직접 구하고 이를 Fourier Transform하여 주파수 특성을 관찰하여 전형적인 탐촉자의 구조에 대하여 해석한 결과, 각 응용분야별로 가장 우수한 성능을 나타내는 정합층의 조합을 찾아내었다. 본 연구에서 찾은 정합층의 조합은 고출력용, 광대역용으로 각각 특화된 것으로 J. H. Goll과 C. S. Desilets의 방법들과 같은 기존의 연구결과들에 비해서 최대 57%까지 탐촉자 성능의 개선효과를 보았다. 나아가 고해상도와 고출력이 동시에 요구되는 응용분야에 대한 탐촉자의 성능평가를 위하여 새로운 평가지수를 개발하였으며, 적용결과 기존의 정합층 설계법들에 의한 것 보다 양 특성 모두에 걸쳐 더 우수한 탐촉자 성능을 구현할 수 있었다. 본 연구에서 수행한 정합층 설계방법은 다양한 형태의 탐촉자 개발에 있어 유용한 정합층 및 후면층 설계기술로 적용될 수 있을 것이다.