석사학위 청구논문 (2002년 12월 숭실대학교 대학원 기계공학과 황 교 광, 지도교수 김 진 오)
원통형 압전 변환기로 송수신되는 탄성파에 대한 관 내 유체의 영향
Effect of a Fluid in a Pipe on the Elastic Waves Transmitted and Received by Cylindrical Piezoelectric Transducers
[국문초록]
본 논문은 원통형 압전 변환기를 이용하여 관 벽에 초음파 즉 탄성파를 전파시키고 송신 및 수신되는 축 대칭 탄성파 신호를 관찰함으로써, 관 내 유체의 유동을 계측할 수 있는 장치 개발을 위한 연구의 결과이다. 반경방향으로 진동하는 원통형 압전 변환기에 대한 다양한 모드의 고유진동을 해석하여 특성방정식을 유도하고, 변환기가 최대효율을 내는 주파수를 예측할 수 있게 하였다. 여러 가지 치수의 압전 원통의 고유진동수를 계산하고 실험을 통해 얻은 측정값과 비교하여 해석 결과를 검증하였다.
관에서의 탄성파 전파 해석을 위해 관의 두께가 반경에 비해 상당히 작을 경우 사용될 수 있는 원통 막 쉘 이론을 적용하였다. 빈 관 및 유체가 채워진 관과 유체가 흐르는 관에서의 탄성파 전파 해석을 통해 파동수와 위상속도의 관계, 그리고 주파수와 위상속도의 관계를 나타내는 식을 유도하였다. 이 식에 변환기의 기본 고유진동수에 해당하는 가진 진동수를 대입하였다. 전파속도를 구하고 관이 비어있는 경우와 관에 유체가 채워져 있거나 유체가 흐르는 경우에 대한 전파속도를 서로 비교하여 관 내의 유체가 관 벽의 탄성파 전파에 주는 영향을 관찰하였다. 빈 관과 유체가 채워진 관에서 탄성파 전파 실험을 행하고 해석결과를 비교하여 검증하였다.
[목 차]
1. 서 론
2. 탄성파 송수신용 원통형 압전 변환기
2.1 변환기 모델링
2.2 반경방향 진동 특성방정식
2.3 수치계산 및 실험 결과 비교
2.4 고찰
3. 관 벽 내 탄성파 전파 해석
3.1 빈 관
3.2 유체가 채워진 관
3.3 유체가 흐르는 관
4. 관 벽 내 탄성파 전파 실험
4.1 실험장치 및 방법
4.2 실험 결과
5. 결 론