초음파 센서의 혼 가이드에 의한 음향 수신 특성

1. 서 론

초음파 센서는 이동 로봇과 드론 또는 자동차에서 장애물 탐지에 사용되고 있다^(1,2). 또한 산업 및 농업에서 초음파를 송신하고 반사되어 돌아오는 초음파를 수신하는 센서는 장애물 탐지나 수위 측정 등에 사용된다⁽²⁾.

초음파 센서에 측정거리를 증대하는 방안은 진동을 크게 하거나 음향 지향성을 좋게 하는 것이다. 지향성은 초음파를 원하는 방향으로 집중시키는 정도를 의미한다⁽³⁾. 송신 초음파의 경우에 지향성 향상을 위해 혼 가이드 각도에 따른 음향 지향 특성을 연구한 사례가 있다⁽⁴⁾. Fig. 1에 보인 바와 같이 초음파 센서에서 초음파가 방사되어 장애물에 반사된 후 되돌아온다. 장애물이 초음파 센서로부터 충분히 멀리 떨어져 있으면 초음파는 평면파로 가정될 수 있다. 수신되는 초음파가 혼 가이드 벽면에 반사되어 초음파 센서의 하우징 원판을 진동시킨다. 음향지향성 향상을 위해 송·수신 겸용 초음파 센서에 적용되는 혼 가이드를 설계하려면, 송신 초음파의 지향성뿐 아니라 초음파 수신 성능도 파악할 필요가 있다.

Fig. 1

Wave reception of a horn guide ultrasonic sensor

초음파 센서의 측정 거리를 증대시키고자 초음파 센서 하우징의 진동분포와 지향성의 관계를 파악한 연구가 있다⁽⁵⁾. 혼 가이드 각도 및 길이에 따른 송신 감도를 측정하기 위해 초음파 센서에 콘 형상 혼 가이드를 결합하여 혼의 길이와 각도에 따라 방향별 상대 음압을 측정한 연구가 있다⁽⁶⁾. 여기서는 3가지의 혼 길이와 혼 각도에 따라서 방향별 음압을 측정하였다. 초음파 센서에 결합한 혼 가이드를 설계하여 초음파의 에너지 분산을 감소시키고자 하는 연구도 있다⁽⁷⁾. 제시된 기존 연구들에서는 혼의 음향 송신 특성이 주로 다루어졌고, 혼의 각도에 따른 초음파 수신 특성이 파악되지 않았다. 한편 Shinji 등은 초음파 센서 하우징의 진동 크기를 증대시키기 위해 구조를 개선하는 방안을 제시하고, 물체로부터 반사된 초음파의 검출 범위를 제한하기 위해 초음파 센서에 콘 형상 혼을 부착하는 방법을 특허로서 발명하였다⁽⁸⁾.

이 논문은 초음파 센서의 혼 가이드에 의한 음향 수신 특성을 다룬다. 혼 가이드의 형상은 콘, 포물선, 지수함수, 쌍곡선, 파이프 등 여러 가지가 있다⁽⁹⁾. 이들 중 콘 형상 혼 가이드의 지향성이 가장 좋으므로⁽¹⁰⁾ 이 연구는 콘 형상 혼 가이드를 대상으로 하였다. 거리측정용 초음파 센서에 결합되는 콘 형상 혼 가이드의 각도에 따른 초음파 수신 성능을 비교하여 최대 수신 성능을 갖는 혼 가이드 각도를 찾는 것을 목적으로 한다.

2. 음향 유한요소 해석

초음파 센서에 콘 형상 혼 가이드를 부착한 경우를 대상으로 음향 유한요소 해석을 하였다. 혼 가이드 초음파 센서의 입체도는 Fig. 2(a)에 보인 바와 같다. Fig. 2(b)에는 혼 가이드 초음파 센서의 단면도를 보였다. 초음파 센서의 원판 지름이 14 mm이고, 혼 가이드의 길이는 30 mm이다. 혼 가이드의 벽면 각도 α는 초음파 센서 원판의 수직 방향과 벽면이 이루는 각도이다. 각도에 따라 수신 힘을 산출하고자 하였다. 혼 가이드에 의한 수신 힘 F를 산출하는 식은 다음과 같다.

Fig. 2

Schematic diagram of a horn guide ultrasonic sensor

여기서 P_n은 원판의 n번째 구역에 작용하는 음압의 크기이고, A_n은 해당 구역의 면적이다. 즉, 음압과 면적의 곱의 합으로 수신 힘이 산출된다. Fig. 3에 보인 사례와 같이 원판의 반지름을 4등분하여 4개의 노드점의 음압을 추출하고 해당 면적을 곱한 후 다 합하여 수신 힘을 구할 수 있다.

Fig. 3

Reception concept of acoustic pressure in a circular plate of an ultrasonic sensor

혼 가이드의 음향 유한요소 모델은 Fig. 4에 보인 바와 같다. 혼 가이드 초음파 센서의 내부 음향공간을 표현한 것이다. 요소는 육면체(FLUID30) 형태로 크기는 1 mm이하이며, 개수는 약 3500개이다. 경계조건 및 가진조건을 설정하는 영역을 Fig. 5에 보였다. 경계조건은 혼의 입구에서 방사하고, 혼의 벽면에서 수직 변위가 0이다. 혼의 입구에 수직으로 입사하는 평면파가 진동수 40 kHz이고 읍압 크기 1 MPa로 가한다. 40 kHz 초음파의 파장의 1/6은 약 1.4 mm이므로 이보다 작은 1 mm이하로 요소 크기를 설정한 것이다.

Fig. 4

A finite element model of a horn guide ultrasonic sensor

Fig. 5

Boundary and excited condition of analysis model for a horn guide ultrasonic sensor

혼 가이드의 각도별로 혼 내부의 음압분포가 다르다. Fig. 6(a)에 보인 바와 같이, 혼의 각도 α가 0°인 파이프 형태 혼에서는 수직 입사하는 평면파에 의한 혼 내부의 음압분포가 균일하다. 하지만, Fig. 6(b)에 보인 바와 같이 혼의 각도가 0°보다 크고 45°보다 작은 경우에 음압분포가 균일하지 않고, 혼 가이드 목 부분에 결합되는 초음파 센서의 원판이 받는 힘을 이론적으로 예측하기 어렵다. 따라서 혼의 각도에 따른 원판의 음압분포를 음향 유한요소 해석으로 파악하고자 한다.

Fig. 6

Expected distribution of acoustic pressure inside horn by ultrasonic incidence

혼의 단면에서 본 음압 분포도를 Fig. 7에 보였다. Fig. 7(a)에서 표현된 바와 같이 혼의 각도 α가 0°인 경우에 해석결과가 Fig. 6(a)에서 예상한 바와 같이 유사하게 나타났다. 즉, Fig. 8(a)에 보인 바와 같이 혼 내부의 단면에서 음압분포가 균일했다. 반면 Fig. 8(b)와 Fig. 8(c)처럼 혼의 각도 α가 0°를 초과하거나 45° 이하인 경우는 음압분포가 불균일했다.

Fig. 7

Analysis result of acoustic pressure inside a horn guide

초음파 센서의 원판이 받는 힘을 산출하기 위해 혼의 가이드 초음파 센서의 원판 노드점에 대한 음압을 추출해야 한다. 혼의 각도에 따라 원판에서 수신된 초음파의 음압분포는 Fig. 8에 보인 바와 같다. 또한 반지름 위치에 따른 음압의 크기를 그래프로 표현하여 비교하면 Fig. 9와 같다. 3개의 혼의 각도 중 20°에서 원판 중심에서 음압이 가장 크다.

Fig. 8

Analysis result of acoustic pressure on a circular plate

Fig. 9

Acoustic pressure distribution on the circular plate of the ultrasonic sensor for various horn guide angle

음압에 해당 면적을 곱해 초음파 센서가 받는 힘을 산출한 값을 Table 1에 기재하였다. 혼의 각도 20° ~ 30° 구간에서 최대 수신이 나타났다. 유한요소 해석결과를 3절에서 실험결과와 비교하여 검증한다.

Table 1

Reception force according to horn angle

3. 실 험

앞절에서 유한요소 해석으로 구한 수신 음향 특성을 검증하기 위해 실험을 하였다. 수신 음압을 측정하는 실험장치 구성도를 Fig. 10에 보였다. 사용된 계측기는 신호발생기와 증폭기 및 오실로스코프이다. 초음파 센서를 송신과 수신으로 구분하여 사용하였다. 신호발생기에서 40 kHz 정현파 30 cycle의 신호를 생성하여 송신용 초음파 센서에 입력하고 가진한다. 송신용과 수신용 초음파 센서의 거리는 200 mm이다. 수신용 초음파 센서는 혼 가이드와 결합되어 송신용 초음파 센서에서 방사되는 초음파를 수신한다. 수신된 초음파의 음압을 오실로스코프로 측정하였다.

Fig. 10

Experimental device configuration

실험에 사용된 초음파 센서는 아이에스테크놀로지(주)에서 시제품으로 제작한 것이다. 초음파 센서에 결합되는 혼 가이드를 3D프린터를 사용하여 제작하였다. 사용한 3D프린터는 Ultimaker 社의 Ultimaker 2로서, FDM(fused deposition modeling) 방식이며 가열되는 노즐을 통해 플라스틱을 녹여 사출하는 방법으로서 FFF(fused filament fabrication) 방식으로도 불린다. 혼 가이드의 기능은 공기 중에서 전파하는 초음파를 반사시키는 것이어서 음향 임피던스가 공기와 차이가 큰 재질이면 무방하므로 플라스틱 재질로 제작하였다. 녹인 플라스틱이 적층되는 높이(layer height)는 0.2 mm이다. 혼 가이드의 각도는 0°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 40°이며 총 7종이다. 각도별로 제작된 혼 가이드의 실물을 Fig. 11(a)에 보였다. 이들의 치수를 측정해서 각도 오차를 파악하여 Table 2에 기재하였다. 혼 가이드와 초음파 센서가 결합된 모습은 Fig. 11(b)에 보인 바와 같다.

Fig. 11

Prototype of horn guides

Table 2

Measured angles of horn guide prototypes

초음파 센서에 혼 가이드를 바꾸어가며 수신된 음압을 측정한 결과를 Table 3에 기재하였다. 혼의 각도 0°인 경우 값을 기준으로 정규화한 데이터이다. 실험에서는 혼의 각도 15° ~ 25° 구간에서 최대 수신이 나타났다. 유한요소 결과와 비교한 정규화 그래프는 Fig. 12에 보인 바와 같으며 서로 유사한 경향을 보인다. 실험 및 유한요소 해석 결과에서 나타난 콘 형상 혼 가이드의 최대 수신 각도는 20° ~ 25°이다.

Table 3

Comparison of reception performance according to horn angle

Fig. 12

Comparison of reception performances obtained by FEA and experiment

4. 결 론

거리측정용 초음파 센서에 혼 가이드를 결합한 경우 최대 수신을 보이는 혼의 각도를 찾기 위해, 음향 유한요소 해석과 초음파 수신 실험을 하였다. 유한요소 해석에서는 혼의 각도에 따라 초음파 센서 원판에서 수신되는 힘을 산출하였다. 음향 실험에서는 각도별 혼 가이드를 3D프린터로 제작하고 초음파 센서에 결합하여 수신 음압을 측정하였다. 실험결과를 유한요소 해석결과와 비교하였다.

해석결과에서는 혼 각도 20° ~ 30°, 실험결과에서는 15° ~ 25° 구간의 수신 성능이 최대로 나타났다. 혼 각도 20° ~ 25°가 공통 구간이다. 이를 토대로 이동 로봇 및 드론 등의 혼 가이드 초음파 센서나 자동차 범퍼에 함몰되는 초음파 센서를 설계할 수 있다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented and selected as one of best papers at the KSNVE 2018 Annual Spring Conference

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