압전-복합구조 수중음향 트랜스듀서의 방사해석을 위한 전용 프로그램 개발

초록

수중음향 트랜스듀서(Transducer)는 작동기(Actuator)와 감지기(Sensor)로서의 기능이 모두 요구되는 수중음향 장비로서, 복잡한 수중환경에 적합한 트랜스듀서의 개발을 위해 트랜스듀서의 음향학적 성능을 정확히 예측할 수 있는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 수중음향 트랜스듀서의 성능 예측을 위해 유한요소법(Finite Element Method)을 바탕으로 하는 전용 프로그램의 개발과정에서 특별히, 압전 복합구조 음향 트랜스듀서의 방사해석을 위한 기능을 개발하였다. 압전-기계 연성계를 유한요소법을 사용하여 모델링하였으며, 유체-탄성 연성해석을 위하여 압력장과 속도 포텐설(Velocity Potential)장에 근거한 모델을 사용하였고, 유체 탄성체의 경계면에서는 접속요소(Interface Element)를 도입하였다. 무한 영역의 효과적인 처리를 위하여 무한영역을 인위적인 경계면을 사용하여 유한영역으로 만들고, 인위적 경계면에서 비반사조건(Non-Reflecting Boundary Condition)을 만족시키기 위해 IWEE(Infinite Wave Envelop Element)를 사용하였다. 개발된 요소들의 검증을 위해 2차원 및 3차원 요소를 이용하여 평면파를 해석하였고, 주파수에 따른 방사 특성을 해석하였다. 상용 소프트웨어인 ANSYS와의 비교를 통하여 결과를 검토하였고 수중음향 트랜스듀서의 음향학적 특성인 TVR과 전기적Admittance를 해석 하였다.