어군탐지기용 다중공진 초음파 변환기의 설계 및 성능특성

Abstract

수산자원의 효율적 평가를 위하여 초음파 변환기를 이용한 어군탐지기가 널리 사용되고 있다. 어군탐지기는 초음파 변환기를 통하여 전기적 에너지를 음향에너지로 변환하여, 이를 수중으로 전달되어 target에서 반사되어 돌아오는 음향에너지를 초음파 변환기를 통하여 다시 전기적 에너지로 수신하게 된다. 이 전기적 에너지를 해석하여 수중의 자원, 혹은 생태를 파악하는 것이다. 이러한 어군탐지기에서 초음파 변환기는 가장 주요한 분야중 하나이며, 이에 대한 연구는 여러 가지 형태로 진행되고 있다. 우리나라를 비롯한 세계 여러 나라에서는, 28, 50, 75, 200 kHz의 어군탐지기가 널리 보급되어 어업현장 등에서 이들 주파수에 대한 어군탐색, 어군의 분포 및 어군습성 등에 관한 많은 어업생산학적 정보가 축적되어 있다. 하지만 이는 단일한 주파수 대역만을 사용하는 협대역 시스템으로 수중자원의 효과적인 파악을 위해서는 다소 제한적인 부분이 있다. 이를 보완하기 위하여, 과거의 좁은 주파수 대역만을 사용하던 협대역 시스템으로부터 넓은 주파수 대역을 선택적으로, 또는 동시에 사용하는 광대역 시스템으로 그 사용 목적과 활용 범위가 급속하게 변화하고 있는 추세이다. 이와 같이 어업생산분야에서 광대역 어군탐지기의 사용이 점차 일반화되고 있는 배경에는 2010년대에 들어 미국의 Airmar technology사가 chirp (compressed high-intensity radar pulse) 어군탐지기용 광대역 초음파 변환기를 개발하여 상용화하면서부터이다(Airmar, 2013). 이를 계기로 세계 여러 나라에서는 다양한 종류의 chirp 어군탐기기용 초음파 변환기를 개발하여 어업생물학적 및 해양학적 정보를 정량적으로 수집하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Yao et al., 1997; Rajapan, 2002; Kim et al., 2013). 일반적으로 chirp 어군탐지기에서 사용하는 핵심적인 기술은 크게 두 가지로 요약되는데, 첫 번째는 광대역 전기 펄스신호를 수중음향 펄스신호로 변환하거나, 또는 그 반대의 기능을 수행하는 광대역 초음파 변환기의 개발이고(Hawkins et al., 1996; Kachanov et al., 2007; Chen, 2010; Kachanov et al., 2010; Saijyou et al., 2010; Saijyou et al., 2011), 두 번째는 수중의 다양한 어족생물로부터 산란되는 광대역의 초음파 echo 스펙트럼으로부터 목적하는 대상생물의 생물학적 정보를 추출하기 위한 신호처리기술(Lee et al., 2001; Lee et al., 2010; Lee et al., 2011; Lee 2011), 즉 펄스압축 및 신호해석기술이다. 본 연구에서는 어종식별과 관련된 어족생물의 음향학적 산란정보를 넓은 주파수 대역에 걸쳐 동시에 수집한 후, 펄스압축, 시간-주파수 분석 등의 신호처리기법을 통해 각 어종별 고유의 음향학적 식별인자를 추출하기 위한 광대역 초음파 변환기를 실험적으로 설계, 개발하였다. 본 연구에서는 12 종류의 다른 공진주파수에서 구동되는 대칭 구조의 tonpilz형 진동소자를 3×4 패턴으로 평면 배열한 다중공진 광대역 초음파 변환기의 설계하고, 송수파 감도, 지향특성 및 펄스응답특성 등의 초음파 변환기의 고유 특성에 대하여 보고한다(Lee et al., 2014).

The objective of this study was to design and develop the broadband ultrasonic transducer that have both the wide bandwidth and the high sensitivity for use in the measurement of broadband echoes related to the fish species identification. The design parameters of single tonpilz transducer element were obtained using the apparent elasticity method and a one-dimensional electro-mechanical model of ultrasonic sandwich type transducer. A broadband ultrasonic transducer providing a nearly flat transmitting response band from 40.2 kHz to 75.5 kHz with a -12 dB bandwidth of 35.3 kHz was achieved by integrating 12 tonpilz transducer elements operating at different resonance frequencies. The averaged TVR (transmitting voltage response), SRT (receiving sensitivity) and FOM (figure of merit) values in this frequency band were 168.4 dB (re 1 Pa/V at 1m), -196.8 dB (re 1 V/Pa) and -28.4 dB, respectively. The results obtained also suggest that the bandwidth and the sensitivity can be widened and improved by adjusting the array pattern and the structure of tonpilz transducer elements.