Structural Design Improvement to Increase the Velocity Amplitude of the Stepped Plate Transducer

Abstract

높은 지향성을 가진 소리는 특정 공간에만 청각 정보를 전달할 수 있다. 하지만 음향 방사 이론에 따르면 일반적인 방법을 통해 소리의 지향성을 높이는 것은 공간적 제약 및 에너지 효율 면에서 매우 어려운 조건을 가지고 있다. 이에 고지향성 음향을 만들어내는 방법으로는 매질의 비선형성을 통해 고지향성 초음파로부터 고지향성 가청 주파수 음향을 만들어내는, 파라메트릭 어레이 현상을 이용한다. 서로 다른 두 주파수를 가진 음파가 매질을 통과할 때 매질의 비선형성으로 인해 음파가 겹치는 영역에 차주파수를 가진 음파가 생성되는 현상을 일컫는다. 이를 이용하여 가청 주파수의 고지향성 음파를 만들 수 있다. 이를 이용한 라우드스피커를 PA 라우드스피커라고 한다. 스텝 플레이트 트랜스듀서(Stepped Plate Transducer)는 방사판의 모든 면적에서 같은 위상의 음파를 생성하여 음향 방사기의 중심 방향으로 높은 지향성의 음파를 만들어낼 수 있는 초음파 트랜스듀서이다. 선행 연구를 통해 위상 보정 및 파라메트릭 어레이 현상을 통해 고지향성의 가청 주파수 음향을 발생할 수 있는 것을 확인하였고, 다공진 설계 및 광대역 출력에 대한 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 다공진 설계에서 방사판 표면 속도 개선을 목표로, 정상파 가정을 통해 최대 속도 조건을 가지는 설계 치수 및 계단형 혼의 속도 증폭비를 계산하는 연구를 수행하였다. 그 결과 방사판 표면 속도 향상을 이루었으며 기존의 집중매개변수 모델을 통한 공진 주파수 설계에 비해 보다 정확한 공진 설계의 방법을 제시하였다.

A highly directional sound can deliver separated acoustic information. However, according to the acoustic radiation theory, increasing the directivity of sound with conventional loudspeaker is almost impossible. As a method to produce highly directional sound, parametric array phenomenon that produces highly audible frequency sound from ultrasonic beam by the nonlinearity of medium is used. The phenomenon is, when sound beams with two different frequencies pass through the medium, in the overlapping areas, nonlinearity of the medium produces virtual wave sources, producing sound waves with differential frequencies. The phenomenon can be used to produce a highly directional sound wave of audible frequency. The loudspeaker using this phenomenon is called PA loudspeaker. Stepped plate transducer is an ultrasonic transducer capable of producing sound waves of the same phase in all areas of the radiation plate, producing highly directional sound waves in the direction of the transducer. Through the previous study, it was confirmed that the phase correction and parametric array phenomenon can produce highly directional audible frequency sound, and the study of conducting wideband frequency response by designing the transducer have multiple resonance frequency was carried out. Recently, a study on fabricating the step with polymer to reduce the thickness of the radiation plate was conducted, which makes the behaviour of the radiation plate fit with the classical plate theory. In this study, to improve the velocity amplitude of radiation plate, formation of standing wave on the transducer was assumed, the conditions to maximize the velocity amplitude of the radiation plate was found, design parameters are determined, and the velocity amplification ratio of the stepped horn was calculated. As a result, the improvement in the velocity amplitude of the radiation plate was achieved and a more accurate method of locating the resonance frequency was presented.