Earticle

본 논문에서는 파라메트릭 어레이를 이용한 음향신호에 대한 수치 모델링 기법 및 분석 결과를 제시한다. 사용된 음성 파라메트릭 배열의 분석 수치모델은 KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)로서 KZK수치모델은 시간영역의 차분방정식 알고리즘을 사용하며 파라메트릭배열의 정확한 응답특성이 분석이 가능하다. 시간영역기반의 KZK모델은 음원의 크기와 전송주파수의 영향을 받으며, 가청신호응답은 출력레벨과 빔폭의 크기를 포함한다. 음성신호에 대하여 파라메트릭 배열을 효율적으로 적용시키기 위해서는 고려해야할 요소는 표본화 주파수, 트랜스듀서의 반경 및 변조방식 파라미터 등이 있다. 본 논문에서는 다양한 요소 중 표본화 주파수에 따른 응답신호의 왜곡 분석 및 실험 결과를 시뮬레이션을 통해 제시하였다.

Parametric array for audio applications is analyzed by numerical modeling and analytical approximation. The nonlinear wave equations are used to provide design guidelines for the audio parametric array. A time domain finite difference code that accurately solves the KZK (Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov) nonlinear parabolic wave equation is used to predict the response of the parametric array. The time domain code relates the source size and the carrier frequency to the audible signal response including the output level and beamwidth to considering the implementation issues for audio applications of the parametric array, the emphasis is given to the frequency response and distortion. We use the time domain code to find out the optimal parameters that will help produce the parametric array with highest achievable output in terms of the average power within the demodulated signal. Parameters such as primary input frequency, audio source radius and the modulation method are given utmost importance. The output effect of those parameters are demonstrated through the numerical simulation.

본 논문에서는 수중통신용 Parametric Array Transducer를 구동하기 위한 고효율 전력증폭기를 제안한다. 수중전력증폭기는 증폭부와 전원부로 나뉘며 증폭부는 Class B push-pull type의 전력증폭기를 사용하며 전력증폭기 구동을 위한 전원부는 기존의 일정전압이 아닌 가변전압을 얻는 Phase-shifted PWM AC/DC 컨버터를 사용하여 고효율로 동작한다. 증폭부는 Class B push-pull type 증폭기를 사용함으로써 뛰어난 선형성이 보장되며 전원 또한 ET(Envelope Tracking)기술을 적용한 가변전압 AC/DC컨버터를 사용하여 고효율로 동작한다. 본 논문에서는 고 효율 수중전력증폭기와 가변전압 AC/DC컨버터의 전력회로를 제시하고 시뮬레이션과 실험을 통하여 특성을 확인하였으며, 수중음향센서를 위한 전력증폭기로 유용하게 사용 될 것을 예상한다.

소나 시스템은 항해와 해양 탐사, 수중 통신 등에 사용되며 정확성과 신뢰성을 향상시키기 위해 다양한 통계적 신호처리 기법들이 사용되고 있다. 수중에서의 다중 경로 특성은 검파 및 통신을 수행하는데 있어 열악한 환경을 제공한다. 파라메트릭 어레이 트랜스듀서의 고 지향성을 이용하면 다중 경로의 영향이 최소화될 뿐만 아니라, 파라메트릭 배열에 적합한 최적 검파기법을 사용하면 통산 성능이 향상된다. 본 논문에서는 on-off keying 통신 산호 검파를 위해 최대우도법(Maximum likelihood method)을 사용하였으며, LabVIEW 기반으로 파라메트릭 배열 트랜스듀서를 사용한 소나 시스템을 구현하여 시스템의 성능을 검증하였다. 또한, 다양한 트랜스듀서의 특성을 반영할 수 있는 GUI 소프트웨어도 설계 및 구현되어 다양한 소나 시스템의 성능 평가의 용이성을 증가시켰다. 본 논문에서 제안된 시스템은 실험실내에서의 다양한 모의실험이 가능하여 실제 해양 장비의 개발에 소요되는 비용과 시간을 감소시키는데 기여할 것으로 기대된다.

In the underwater communications, transmitted acoustic signal is corrupted by interference from multipath. A parametric array transducer is capable of radiating a narrow beam with very low sidelobe levels. In certain cases, the parametric array transducer can help the multipath problem. To improve the performance of the underwater communications, the statistical signal processing methods will be required. In the paper, the communication system using a parametric array transducer was demonstrated. To detect the received signal of the communication system based on the on-off keying, the maximum likelihood method using averaged signal for a particular window size is used. The communication system has GUI using LebVIEW which allows the user to change the parameter. The GUI can also be easily modified based on the characteristics of a parametric array transducer. The implemented system can effectively evaluate the performance of the parametric array transducer.

선박/잠수함에 설치하는 소나(sonar)는 외부 해양 환경 및 유체 흐름을 위해 소나 돔을 설치하여 운용한다. 하지만 소나 돔 설치로 인해 핵심 기능인 음향신호 송/수신 기능 저하를 야기 시킨다. 따라서 소나돔을 설계시, 구조적으로는 수중 폭팔 등의 각종 하중으로부터 센서를 보호할 수 있도록 설계하고 음향적으로는 음파의 송수신 신호를 저하시키지 않는 재질을 고려하여 설계 및 제작을 하여야 한다. 소나돔에 의한 음향 손실을 최소화하기 위하여 설계 시, 소나돔음향창 시편을 통하여 음향신호가 이를 투과하면서 생기는 신호 왜곡 혹은 투과 손실 측정을 수행한다. 제한된 크기의 수조 시험장에서 투과 손실이 측정이 되는데, 음원 반사, 회절(diffraction) 등의 문제로 인하여 다양한 주파수 대역에서의 측정이 불가피 하다. 이때, 좁은 빔폭 (Beamwidth)을 갖는 Parametric array를 이용하여 음원 회절이 생기지 않는 범위 내에서 음향창 시편의 크기를 최소화 시킬 수 있으며 제한된 공간에서도 효율적으로 음향창 시편의 투과 손실을 측정 할 수 있다. 본 논문에서는 parametric array를 이용하여 음향창 시편의 크기를 최소화 하고 이를 이용하여 음향창 투과 손실을 측정하는 연구를 수행하였다.

음파의 비선형 현상을 통해 수행되는 파라메트릭 송파 방식을 공기 중에서의 음향 변환기에 적용시키기 위해 비교적 공진 주파수가 낮은 기중 초음파 발생 소자들을 배열시켜 기중 지향성 음원을 제작하였다. 이 송파기를 이용하여 비선형 왜곡이 발생함을 알아보기 위하여 2kHz의 차주파수를 갖도록 37.12kHz와 39.12kHz의 메인 주파수 음파를 신호발생기로부터 인가하고 이를 방사한 후 마이크로폰을 통해 수신하였다. 공기 중에서의 파라메트릭 효과의 확인을 통하여 파라메트릭 송파기에서 방사되는 메인 주파수 음파와 전파 경로 중에서 생성되는 차주파수 음파의 거동을 고찰하고, 실험 결과로부터 기중 파라메트릭 송파기 개발의 가능성을 검토하여 보았다.

Magnetic couplings are widely used in various industrial applications because they can transmit magnetic force without any mechanical contact. In addition, linear couplings have many advantages. For example, they do not need to convert rotary motion to linear motion. This paper shows an analytical analysis of tubular type linear magnetic couplings (TLMCs) with a Halbach array magnetized permanent magnet (PM). An analytical method for magnetic fields owing to PMs is performed by using magnetic vector potential as well as Poisson and Laplace equations. Then, the magnetic force is calculated by using the Maxwell stress tensor. The analytical analysis results were compared with finite element method (FEM) results. In addition, we predicted the magnetic force characteristic according to design parameters such as the iron core thickness, inner PM thickness to -outer PM thickness ratio, PM segment ratio of the axial magnetized PM segment and radial magnetized PM segment, and various pole numbers.

본 논문에서는 은폐 물체 탐지를 위해 인체에 무해한 음향신호 중 파라메트릭 배열을 이용한 음향 탐지 시스템을 제안한다. 제안된 탐지 시스템은 파라메트릭 배열 현상으로부터 생성되는 고 지향성 Chirp 신호를 송신신호로 사용하고, Dechirp 처리 과정을 통해 수신신호의 신호 대 잡음비를 개선하여 거리 분해능을 향상시키는 기법을 사용한다. 제안된 파라메트릭 배열 시스템의 송신센서는 $8{\times}2$ 배열로 구축하였으며, 센서 배열의 빔 폭은 수평방향 약 $7^{\circ}$와 수직방향 약 $26^{\circ}$를 형성한다. 제안된 시스템을 검증하기 위해 물체 탐지 및 가시화를 위한 2축 구동 제어 선형 스테이지를 구축하였으며, 이를 이용하여 은폐된 물체에 대한 A-scan, B-scan 및 C-scan 실험을 진행하였다. 실험 결과, 천에 은폐된 동판과 파이프를 탐지하고 형상을 확인하였으며, 가시화된 형상에서 동판은 $0.015m^2$, 파이프는 $0.046m^2$의 오차를 보여주었다.

In this paper, we propose hidden object detection system using parametric array based on acoustic signal that is harmless to human body. A transmit signal of the proposed detection system uses a high directive chirp signal generated from parametric array phenomenon, which uses technique to improve a signal to noise (SNR) of a received signal and a distance resolution trough the dechirp processing. The transmit sensor array is constructed as $8{\times}2$ and has a horizontal beam width of $7^{\circ}$ and vertical beam width of $26^{\circ}$. To verify the detection and visualization of the proposed system, a 2-axis driving control system based on linear stage was constructed, and A-scan, B-scan, and C-scan experiments was addressed for hidden object. From experimental results, we detected and visualized the hidden bronze plate and pipe by cloth and the visualized shapes was confirmed. Especially, the obtained errors was $0.015m^2$ for bronze plate, and $0.046m^2$ for pipe.

In this paper, we propose an threshold-based Schur algorithm for estimating the media characteristics of sub-bottom multi-layers by using the signal generated by a parametric array transducer. We use the KZK model to generate a parametric array signal, and use the proposed threshold-based Schur algorithm for estimating the reflection coefficients of multiple sea bottom layers. Using computer simulation, we verify that the difference frequency component generated by the KZK model prevails over the signals of primary frequencies at long range. For the simulation, we use the transmit signal generated by the KZK and the reflected signal obtained from a lattice filter model for the seawater and sub-bottom of multi-level non-homogeneous layers. Through the simulation, we verify that the proposed threshold-based Schur algorithm can give much more accurate and efficient estimates of the reflection coefficients than methods using received signal, matched filter output signal, and normal Schur algorithm output.

파라메트릭 어레이(parametric array)는 매질의 비선형성을 이용하여 고지향성 저주파를 발생시키는 현상이다. 발생된 저주파는 직접 발생된 1차 음파에 비해 음압이 상대적으로 매우 작다. 따라서 강력한 1차 음파를 지향성 있게 발생시킬 수 있는 트랜스듀서가 필수적으로 요구된다. 본 논문에서는 파라메트릭 어레이를 위한 음원으로써 다공진 트랜스듀서의 설계, 제작, 시험평가에 대해 연구하였다. 유닛 트랜스듀서 및 배열 트랜스듀서의 설계를 해석 모델에 근거하여 수행하였으며, 이 과정을 반복하여 최적의 트랜스듀서를 제작하였다. 제작된 배열 트랜스듀서는 6.3 m 거리에서 각각 189 dB, 190 dB의 1차 음파를 확인하였으며, 파라메트릭 어레이 현상을 이용하여 136 dB의 차주파수음 발생을 확인하였다. 차주파수음은 $12{\times}18{\times}10m$크기의 수조에서 15 kHz, $8^{\circ}$ half power beamwidth의 고지향성 저주파 특성을 가지고 있음을 확인하였다.

A parametric array is a nonlinear phenomenon that generates a narrow beam of low-frequency sound using the nonlinearity of the medium. The low-frequency sound so generated has a low sound pressure compared with that of sound generated directly. Consequently, a transducer that can generate a primary wave with high directivity and level is required. This study designed, fabricated, and evaluated a multi-resonance transducer as a parametric array source. The designs of the unit transducers and array transducer were based on an analysis model. The design process was repeated to fabricate the optimum transducer. The fabricated transducer array can generate a 189 dB, 190 dB primary wave level at 6.3 m and a 134 dB difference frequency wave using the parametric array phenomenon. The difference frequency wave has a frequency of 15 kHz and high directivity with an $8^{\circ}$ half power beam width in a $12{\times}18{\times}10m$ water tank.

Parametric array transducers are used for long-range and highly directional communication in an underwater environments. The power amplifiers for parametric array transducers should have sufficient linear output characteristic and high efficiency to avoid communication errors, system heating, and fuel problems. But the conventional power amplifier with fixed source voltage is very low efficient due to large power loss by the big difference between the fixed source voltage and the amplifier output voltage. Thus to solve the problems this paper proposes the high efficiency power amplifier for parametric array transducers. The proposed power amplifier ensures high linearity of output characteristic by utilizing the push-pull class B type amplifier and furthermore gets high efficiency by applying the envelope tracking technique that variable source voltage tracks the envelope of the amplified signal. Also the paper suggests the detailed circuit topology and design guideline of class B push-pull type amplifier and variable output voltage AC/DC converter. Its characteristics are verified by the detailed simulation and experimental results.

파라메트릭 어레이란 매질의 비선형성을 이용하여 작은 크기의 방사판에서 고지향성 저주파음을 발생시키는 현상을 말한다. 이러한 파라메트릭 어레이의 유용성을 높이기 위해 저주파 음향 빔 조향 연구가 진행 되고 있으며, PD(Product Directivity) 모델을 이용하여 빔 조향 현상이 간편하게 예측되고 있다. 그러나 PD 모델은 준선형 조건에서 가우시안 음원만 적용이 가능하며, 저주파 음향 빔 폭의 예측 정확성이 떨어진다. 본 논문에서는 PD 모델의 한계를 극복할 수 있는 파라메트릭 어레이의 빔 조향 특성 예측 방법에 대해 연구하였다. 이를 위해 파라메트릭 어레이 현상 예측에 널리 사용되는 KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuzentsov) 방정식의 수치 해석 알고리즘을 개선하였다. 그리고 전기적 조향 조건을 적용하여 빔 조향 특성을 계산, 실험 결과와 비교 하였다. 그 결과 개선된 알고리즘을 이용하면 준선형 조건에 해당되지 않는 파라메트릭 어레이 음원에서도 저주파 빔 조향 특성 예측이 가능함을 확인하였다.

The parametric array phenomenon refers to the generation of a high directivity low frequency wave from a small size radiation plate using the nonlinearity of the medium. In order to improve the usability of parametric array, the beam steering method of low frequency wave is researched, and the beam steering phenomenon is predicted easily using the PD (product directivity) model. However, the PD model can only be applied to Gaussian sources under quasi-linear conditions. Also, the prediction accuracy of low frequency wave beam width is poor. In this paper, a method for predicting the beam steering characteristics of a parametric array that can overcome the limitation of the PD model is investigated. For this purpose, the numerical analysis algorithm of the KZK (Khokhlov-Zabolotskaya-Kuzentsov) equation widely used for parametric array phenomenon prediction is improved. Thus, the beam steering characteristics are calculated by applying the electrical beam steering condition and comparing experimental results. As a result, the numerical analysis using the modified KZK equation algorithm in this study confirms that the beam steering phenomenon can be predicted even in a parametric array source that does not correspond to the quasi-linear condition.

압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric micro-machined ultrasonic transducers)는 DC 바이어스 전압을 인가해야 구동되는 특성을 가지고 있다. 따라서 초음파 트랜스 듀서를 구동하기 위한 전력증폭기는 DC 바이어스 전압이 요구되므로 기존의 전력증폭기에 비해 효율이 매우 낮아지게 된다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서를 구동하기 위한 고효율 전력증폭기를 제안한다. 전력증폭기는 AMP부와 전원부로 나뉘며, AMP부는 Class B Amp를 사용하여 높은 증폭 선형성을 갖는다. 전원부는 Amp를 구동하기위한 DC-DC converter가 에너지 회수 동작을 하므로 전력증폭기의 효율을 높일 수 있다. 본 연구에서는 압전 마이크로머신 초음파 트랜스듀서를 구동하기 위한 전력증폭기 회로를 제시하고 시뮬레이션과 실험을 통해 동작 특성을 검증한다.