초록
어종식별을 위한 수중음향학적 정보를 수집하는 데 이용하기 위한 초음파 변환기를 설계하기 위한 시도의 하나로서, 본 연구에서는 우선 수중에서의 전기적인 자유 임피던스가 서로 같고, 이주파간의 주파수 차이를 최소화 시켜 이주파 겸용 및 광대역 송.수파기로서 활용이 가능한 복합구조 초음파 변환기를 설계, 제작하였는 데, 이 변환기의 이중공진 진동특성에 대하여 분석, 고찰한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 기본공진진동을 발생시키기 위해 설계한 Tonpilz형 초음파 변환기의 송파전압감도는 기본공진주파수 36.2 kHz에서 141.4 dB re $1\;\muPa/V$이었고, - 3 dB점에 대한 주파수 대역폭은 1.1 kHz이었으며, 이 변환기의 수중에 대한 전압음향변환효율은 85.2%였다. 2. 복합구조 초음파 변환기의 수중에서의 제1공진점에 대한 공진 및 반공진 주파수는 각각 39.7 kHz, 41.2 kHz이었다. 또한, 제1 및 제2 공진 주파수에 대한 임피던스는 각각 $3.7\;{K\Omega}\;과\;3.3\;{K\Omega}$으로서 거의 유사한 값을 나타내었고, 자유 임피던스 진폭과 위상의 측정치를 양 공진점 부근에서 계산치와 약간의 차이를 나타내었다. 3. 복합구조 초음파 변환기의 송파전압감도는 제1 공진주파수인 34.3 kHz에서 136.5 dB re $1\;\muPa/V$이었고, 제2 공진주파수인 40.4 kHz에서 136.8 dB re $1\;\muPa/V$이었다. 또한, 제1 및 제2 공진 주파수에 대한 - 3 dB 점에서의 주파수 대역폭은 각각 1.2 kHz, 1.1 kHz이었다. 이상의 결과로 부터 본 연구에서 설계, 개발한 복합구조 초음파 변환기는 단순 구조의 Tonpilz형 변환기와 비교하여 비록 송파전압감도에 있어서는 4.9 dB의 손실이 불가피하지만, 그 대신 송파감도가 같은 두 개의 공진주파수를 동시에 이용할 수 있고, 또한 이들 제1일 제2의 공진점에 대한 주파수 간격이 좁으면서도 송파감도의 변동폭이 비교적 작어 어종의 식별정보를 수집하는 데 효과적으로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
A doubly resonant ultrasonic transducer has been designed as an attempt to increase the bandwidth of underwater transducers. The dual resonance conditions were accomplished by attaching a single acoustic matching layer on the front face of a Tonpilz transducer consisted of an aluminum head, a piezoelectric ring, a brass tail and a prestress bolt. A modified Mason's model was used for the performance analysis and the design of transducers, and the constructed transducers were tested experimentally and numerically by changing the impedances and thicknesses of the head, tail and matching layers in the water tank. Two distinct resonance peaks in the transmitting voltage response(TVR) of a developed transducer were observed at 34.3 and 40.4 kHz, respectively, with the difference frequency of 6.1kHz and the center frequency of 37.2kHz. The values of TVR at these frequencies were 136.5 dB re $1\;\muPa/V$ at 34.3 kHz and 136.8 dB re $1\;\muPa/V$ at 40.4 kHz, respectively. Reasonable agreement between the experimental results and the numerical results was achieved. From this result, it is expected that the generation of the distinct resonances at any two desired frequencies can be achieved through the proper choice of the matching layer to provide the impedance transformation between the transducer and the medium.