Abstract
The broadband ultrasonic transducers have been designed to use in obtaining the broadband echo signals from fish schools in relation to the identification of fish species. The broadening of bandwidth was achieved by attaching double acoustic matching layers on the front face of a Tonpilz transducer consisted of an aluminum head, a piezoelectric ring, a brass tail and to evaluate the performance characteristics, such as the transmitting voltage response(TVR) of transducers. The constructed transducers were tested experimentally and numerically by changing the parameters such as impedances and thicknesses of the head, tail and matching layers, in the water tank. Also, the developed transducer was excited by a chirp signal and the received chirp waveforms were analyzed. According to the measured TVR results, the available 3 dB bandwidth of the transducer with double matching layers of an $Al_O_3/epoxy$ composite of 7 mm thick and a polyurethane window of 18 mm thick was 7.3 kHz with a center frequency of 38.8 kHz, and the maximum and the minimum values of the TVR in this frequency region were 135.7 dB and 132.7 dB re $1\;{\mu}Pa/V$ at 1 m, respectively. Also, the available 3 dB bandwidth of the transducer with double matching layers of an $Al_O_3/epoxy$ composite of 11 mm thick and a polyurethane window of 15 mm thick was 6.2 kHz with a center frequency of 38.6 kHz, and the maximum TVR value in the frequency region was 136.3 dB re $1\;{\mu}Pa/V$ at 1 m. Reasonable agreement between the experimental results and the numerical results for the TVR of the developed transducers was achieved. The frequency dependant characteristics of experimentally observed chirp signals closely matched to the measured TVR results. These results suggest that there is potential for increasing the bandwidth by varying other parameters in the transducer design and the material of the acoustic matching layers.
어종의 식별을 위한 수중음향학적 정보를 수집하는 데 사용하기 위한 광대역 초음파 변환기를 개발할 목적으로 저주파용 Tonpilz형 초음파 변환기를 설계, 제작하고, 이 변환기의 음향 방사면에 $Al_2O_3$와 epoxy 수지를 서로 혼합하여 생성한 복합재료층과 폴리우레탄 수지로서 제작한 음향 정합층을 각각 직렬 접착시킨 복합구조 초음파 변환기의 광대역 주파수 특성에 대하여 분석, 고찰한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) Tonpilz형 transducer (head mass : 알류미늄 / 두께 22.0 mm, tail mass : 황동 / 두께 15.0 mm )의 음향 방사면에 두께 7.0 mm의 $Al_2O_3$와 epoxy 수지로서 생성한 복합재료층의 두께 18.0 mm의 폴리우레탄 수지로서 제작한 정합층을 직열접착한 복합 구조 초음파 변환기의 - 3 dB점에 대한 하한 및 상한 주파수 범위는 35.0~42.3 kHz (${\Delta}f=7.3 kHz)$이었고, 이 주파수 구간에 있어서의 송파전압감도의 최대치는 135.7 dB re $1\;{\mu}Pa/V$ 이었다. 2) Tonpilz형 transducer (head mass : 알류미늄 / 두께 23.0 mm, tail mass : 황동 / 두께 15.0 mm )의 음향 방사면에 두께 11.0 mm의 $Al_2O_3$와 epoxy 수지로서 제작한 복합재료층과 두께 15.8.0 mm의 폴리우레탄 수지로서 제작한 정합층을 직열접착한 복합 구조 초음파 변환기의 - 3 dB점에 대한 하한 및 상한 주파수 범위는 35.5~41.73 kHz (${\Delta}f=6.2 kHz)$이었고, 이 주파수 구간에 있어서의 송파전압감도의 최대치는 136.3 dB re $1\;{\mu}Pa/V$ 이었다. 3) 본 연구에서 시작한 복합구조 초음파 변환기에 chirp 신호(펄스 폭 4 ms, 중심주파수 40 kHz, 대역폭 40 kHz)를 인가하고, 수중방사음역에 있어서의 시간응답특성을 조사한 결과, 그 응답특성은 송신전압감도의 주파수특성과 매우 잘 일치하는 경향을 나타내었다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 설계, 제작한 이중정합층을 갖는 복합구조 초음파 변환기는 단순구조의 Tonpilz형 초음파 변환기와 비교하여 비록 송파전압감도에 있어서는 약 5 dB 정도의 음향출력의 손실이 불가피하지만, 그 대신 주파수 대역폭을 약 5 재 정도 확대시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 이 넓은 주파수 대역을 효과적으로 활용하면 어종식별을 위한 음향산란신호를 정량적으로 수집 및 평가하는 것이 가능하다고 판단된다.