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KR20180042764A - 초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법 - Google Patents

초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법 Download PDF

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KR20180042764A
KR20180042764A KR1020160135338A KR20160135338A KR20180042764A KR 20180042764 A KR20180042764 A KR 20180042764A KR 1020160135338 A KR1020160135338 A KR 1020160135338A KR 20160135338 A KR20160135338 A KR 20160135338A KR 20180042764 A KR20180042764 A KR 20180042764A
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Abstract

본 발명은 초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법에 관한 것으로서, 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서에 송신 펄스를 제공하는 구동부와, 상기 반향에 대한 전기적 신호를 증폭하는 증폭기와, 증폭된 상기 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기와, 상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성하는 신호처리부 및 상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 트랜스듀서에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 발생부 및 상기 트랜스듀서에서 발생되는 여진 주파수를 측정하는 여진 주파수 측정부를 포함할 수 있다.

Description

초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DRIVING ULTRASONIC SENSOR}
본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법에 관한 것이다.
최근 자동차 업체들은 차량 안전 관련 기술 개발을 통해 보다 진보한 안전 기술들을 시장에 출시하고 있다. 이 중 대표적인 것은, 운전자지원시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System)으로 주로 주차와 연관되어 사용되고 있다. 특히, 주차 시에 차량과 물체의 거리를 소리로 알려주는 주차 보조 시스템(Parking Assistance System), 자동주차지원시스템(Automatic Parking Assistance System) 등이 많이 사용되고 있는데, 이러한 시스템에서 핵심적인 기술은 초음파 센서를 통하여 차량 주변 물체들의 위치나 차량과의 거리를 측정하는 기술이다.
초음파 센서는 외부 물체와의 거리를 측정하기 위하여 비가청 대역인 20Khz대 이상의 주파수를 가지는 초음파를 송신한 후, 외부 물체로부터 반사되어 나오는 초음파 반향(echo)을 센싱하는 센서이다. 자동차에서는 이러한 초음파 센서에서 센싱된 초음파 반향을 활용하여, 자동차 주변의 물체와의 거리를 측정하고, 경고음, 차량 디스플레이에 표시하는 등 다양한 방식으로 운전자에게 알려주게 된다.
그러나, 종래의 초음파 센서를 활용한 거리 측정 장치는 센싱하는 거리 범위나 정확성에 한계가 있었다. 특히, 종래의 초음파 센서의 센싱 범위나 정확성의 한계를 뛰어넘는 다양한 응용 분야에 대한 수요들이 점차 높아짐에 따라 초음파 센서를 활용한 거리를 측정하는 기존 시스템들의 개선이 절실하게 되었다. 예컨대, 좁은 주차 공간에서 보다 효율적인 주차를 위해 현재보다 더 짧은 거리를 센싱할 수 있어야 하는 등 다양한 이유에서 기존 초음파 센서의 센싱 범위의 확장과 정확성의 향상이 필요하게 되었다.
특허 등록 번호 US7,046,015[등록일: 2006년 5월 16일]
이러한 종래의 초음파 센서 장치는 초음파 센서의 설치 장소 및 초음파 센서 장치가 설치된 주위 환경의 변화에 상관없이 일정한 송수신 주파수로 동작하여, 초음파 센서 장치의 물체 감지 능력에 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 초음파 센서의 공진 주파수 대역에서 주파수를 인가하여, 상기 초음파 센서의 잔향 신호의 주파수를 찾아낸 후, 각 주파수에서 진폭을 함께 비교하여 초음파 센서의 최적의 송수신 주파수를 찾아냄으로써, 다양한 환경(온도, 습도, 노후 등)에서도 초음파 센서의 최적의 송수신 주파수를 찾아내어 물체의 감지 능력을 향상시킬 수 있는 초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 초음파 센서 장치가 제공된다. 상기 초음파 센서 장치는, 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서에 송신 펄스를 제공하는 구동부; 상기 반향에 대한 전기적 신호를 증폭하는 증폭기; 증폭된 상기 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성하는 신호처리부; 및 상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 트랜스듀서에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 발생부; 및 상기 트랜스듀서에서 발생되는 여진 주파수를 측정하는 여진 주파수 측정부;를 포함할 수 있다.
상기 초음파 센서 장치에서, 상기 트랜스듀서에서 발생되는 상기 여진 주파수는 상기 트랜스듀서의 공진 주파수일 수 있다.
상기 초음파 센서 장치에서, 상기 여진 주파수는, 상기 트랜스듀서의 발신 모드와 수신 모드 사이의 여진 모드 구간에서 자유 진동하는 여진동의 주파수일 수 있다.
상기 초음파 센서 장치에서, 상기 제어부는, 상기 여진 주파수를 이용하여 최적 주파수를 산출하는 최적 주파수 산출부; 및 상기 최적 주파수를 고려하여 상기 송신 펄스 주파수를 보정하는 송신 펄스 보정부;를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 센서 장치에서, 상기 최적 주파수는, 상기 여진 주파수와 반공진 주파수의 중간 값일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 초음파 센서 장치의 센싱 방법이 제공된다. 상기 초음파 센서 장치의 센싱 방법은, 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서에 송신 펄스를 제공하는 구동부, 상기 반향에 대한 전기적 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭된 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기, 상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성하는 신호처리부 및 상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 초음파 센서 장치의 구동 방법에 있어서, 트랜스듀서에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 인가 단계; 상기 주파수 신호에 따라 상기 트랜스듀서에서 발생되는 여진 주파수를 측정하는 여진 주파수 측정 단계; 상기 여진 주파수를 이용하여 최적 주파수를 산출하는 최적 주파수 산출 단계; 및 상기 최적 주파수를 고려하여 송신 펄스 주파수를 보정하는 송신 펄스 주파수 보정 단계;를 포함할 수 있다.
상기 초음파 센서 장치의 센싱 방법에서, 상기 여진 주파수 측정 단계에서, 상기 트랜스듀서에서 발생되는 상기 여진 주파수는 상기 트랜스듀서의 공진 주파수일 수 있다.
상기 초음파 센서 장치의 센싱 방법에서, 상기 여진 주파수 측정 단계에서, 상기 여진 주파수는 상기 트랜스듀서의 발신 모드와 수신 모드 사이의 여진 모드 구간에서 자유 진동하는 여진동의 주파수일 수 있다.
상기 초음파 센서 장치의 센싱 방법에서, 상기 최적 주파수 산출 단계는, 상기 여진 주파수와 반공진 주파수의 중간 값을 산출하는 것 일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 센서의 공진 주파수 대역에서 주파수를 인가하여, 상기 초음파 센서의 잔향 신호의 주파수를 찾아낸 후, 각 주파수에서 진폭을 함께 비교하여 초음파 센서의 최적의 송수신 주파수를 찾아냄으로써, 다양한 환경(온도, 습도, 노후 등)에서도 초음파 센서의 최적의 송수신 주파수를 찾아내어 물제의 감지 능력을 향상시킬 수 있는 초음파 센서 장치 및 초음파 센서 장치의 센싱 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 초음파 센서 장치의 트랜스듀서에서 발생하는 송수신 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 초음파 센서 장치의 트랜스듀서에서 발생하는 여진 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치의 센싱 방법을 타나내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 초음파 센서 장치의 트랜스듀서에서 발생하는 송수신 주파수를 나타내는 그래프이고, 도 3은 도 1의 초음파 센서 장치의 트랜스듀서에서 발생하는 여진 주파수를 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치는, 구동부(10)와, 증폭기(20)와, 아날로그-디지털 변환기(30)와, 신호처리부(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 구동부(10)는, 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서(T)에 송신 펄스를 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로, 구동부(10)는, 상기 송신 펄스를 트랜스듀서(T)에 제공하여 트랜스듀서(T)를 진동시켜 초음파을 송신할 수 있다. 트랜스듀서(T)는 송신한 상기 초음파에 대한 반향을 수신하여 전기적 신호로 변환할 수 있다.
또한, 증폭기(20)는, 상기 반향에 대한 상기 전기적 신호를 증폭할 수 있다. 더욱 구체적으로, 증폭기(20)는, 트랜스듀서(T)로부터 수신된 초음파 반향에 대한 상기 전기적 신호를 증폭하며, 외부 물체와의 거리에 따라 증폭기 이득(Gain)을 다이나믹하게 변동시켜서 구동할 수 있다.
또한, 아날로그-디지털 변환기(30)는, 증폭된 상기 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환할 수 있다. 더욱 구체적으로, 아날로그-디지털 변환기(30)는, 증폭기(20)에서 증폭된 상기 전기적 신호를 디지털로 변환하여 신호처리부(40)에 전달할 수 있다.
또한, 신호처리부(40)는, 상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성할 수 있다. 더욱 구체적으로, 신호처리부(40)는, 초음파 반향에 대한 상기 디지털 원신호의 잡음을 제거하고 포락선을 추출하는 등 제어부(50)에서 분석 가능한 신호로 변환/처리하기 위한 모듈일 수 있다. 예컨대, 각종 디지털 필터 등을 통하여 송신 주파수를 중심으로 일정 범위의 주파수만을 걸러내는 대역 통과 필터, 대역 통과 필터를 거친 신호에서 포락선을 추출하는 포락선 추출기, 추출된 포락선 신호의 노이즈를 추출하는 저대역 통과 필터 등을 포함할 수 있다.
또한, 제어부(50)는, 상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력할 수 있다. 또한, 제어부(50)는, 트랜스듀서(T)에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 발생부(51)와, 트랜스듀서(T)에서 발생되는 여진 주파수(rf)를 측정하는 여진 주파수 측정부(52)와, 여진 주파수(rf)를 이용하여 최적 주파수(of)를 산출하는 최적 주파수 산출부(53) 및 최적 주파수(of)를 고려하여 상기 송신 펄스 주파수를 보정하는 송신 펄스 보정부(54)를 포함할 수 있다. 이때, 트랜스듀서(T)에서 발생되는 여진 주파수(rf)는 트랜스듀서(T)의 공진 주파수 일 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 여진 주파수(rf)는, 트랜스듀서(T)의 발신 모드와 수신 모드 사이의 여진 모드 구간에서 자유 진동하는 여진동의 주파수일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 최적 주파수(of)는, 여진 주파수(rf)와 반공진 주파수(af)의 중간 값일 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치의 구동부(50)는 송신된 테스트 주파수와 수신된 상기 테스트 주파수의 반향에 따른 여진 주파수(rf)의 수신 감도를 고려하여, 트랜스듀서(T)의 여진 주파수(rf)와 반공진 주파수(af)의 사이의 값으로 트랜스듀서(T)가 진동할 수 있도록 구동부(10)를 제어하여 송신 펄스를 출력할 수 있다.
예컨대, 차량에 장착된 초음파 센서 장치가 동작을 실시할 때 마다 상기 초음파 센서 장치의 제어부(50)가 송신된 테스트 주파수와 수신된 상기 테스트 주파수의 반향에 따른 여진 주파수(rf)의 수신 감도를 고려하여, 트랜스듀서(T)의 여진 주파수(rf)와 반공진 주파수(af)의 사이의 값으로 트랜스듀서(T)가 진동할 수 있도록 구동부(10)를 제어하여 송신 펄스를 출력하여, 상기 차량이 처한 다양한 환경에 대응하여, 상기 초음파 센서 장치가 최적의 주파수를 송수신하도록 할 수 있다.
그러므로, 트랜스듀서(T)의 공진 주파수 대역에서 주파수를 인가하여, 트랜스듀서(T)의 잔향 신호의 주파수를 찾아낸 후, 각 주파수에서 진폭을 함께 비교하여 트랜스듀서(T)의 최적의 송수신 주파수를 찾아냄으로써, 트랜스듀서(T)의 물리적인 형태나 크기에 따라 최적의 송수신 주파수를 찾아내고, 또한, 다양한 환경(온도, 습도, 노후 등)에서도 트랜스듀서(T)의 최적의 송수신 주파수를 찾아내어 물체의 감지 능력을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치의 센싱 방법을 타나내는 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서(T)에 송신 펄스를 제공하는 구동부(10), 상기 반향에 대한 전기적 신호를 증폭하는 증폭기(20), 증폭된 상기 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(30), 상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성하는 신호처리부(40) 및 상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력하는 제어부(50)를 포함하는 초음파 센서 장치의 구동 방법에 있어서, 트랜스듀서(T)에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 인가 단계(S10)와, 상기 주파수 신호에 따라 트랜스듀서(T)에서 발생되는 여진 주파수(rf)를 측정하는 여진 주파수 측정 단계(S20)와, 여진 주파수(rf)를 이용하여 최적 주파수(of)를 산출하는 최적 주파수 산출 단계(S30) 및 최적 주파수(of)를 고려하여 송신 펄스 주파수를 보정하는 송신 펄스 주파수 보정 단계(S40)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 여진 주파수 측정 단계(S20)에서, 트랜스듀서(T)에서 발생되는 여진 주파수(rf)는 트랜스듀서(T)의 공진 주파수일 수 있다. 예컨대, 여진 주파수 측정 단계(S20)에서, 여진 주파수(rf)는 트랜스듀서(T)의 발신 모드와 수신 모드 사이의 여진 모드 구간에서 자유 진동하는 여진동의 주파수일 수 있다. 또한, 최적 주파수 산출 단계(S30)는, 여진 주파수(rf)와 반공진 주파수(af)의 중간 값을 산출하는 것일 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서 장치의 센싱 방법은, 제어부(50)가 송신된 테스트 주파수와 수신된 상기 테스트 주파수의 반향에 따른 여진 주파수(rf)의 수신 감도를 고려하여, 트랜스듀서(T)의 여진 주파수(rf)와 반공진 주파수(af)의 사이의 값으로 트랜스듀서(T)가 진동할 수 있도록 구동부(10)를 제어하여 송신 펄스를 출력하여, 상기 차량이 처한 다양한 환경에 대응하여, 상기 초음파 센서 장치가 최적의 주파수를 송수신하도록 할 수 있다.
그러므로, 트랜스듀서(T)의 공진 주파수 대역에서 주파수를 인가하여, 트랜스듀서(T)의 잔향 신호의 주파수를 찾아낸 후, 각 주파수에서 진폭을 함께 비교하여 트랜스듀서(T)의 최적의 송수신 주파수를 찾아냄으로써, 트랜스듀서(T)의 물리적인 형태나 크기에 따라 최적의 송수신 주파수를 찾아내고, 또한, 다양한 환경(온도, 습도, 노후 등)에서도 트랜스듀서(T)의 최적의 송수신 주파수를 찾아내어 물체의 감지 능력을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 구동부
20: 증폭기
30: 아날로그-디지털 변환기
40: 신호처리부
50: 제어부
51: 테스트 주파수 발생부
52: 여진 주파수 측정부
53: 최적 주파수 발생부
54: 송신 펄스 보정부
T: 트랜스듀서
rf: 여진 주파수
of: 최적 주파수
af: 반공진 주파수

Claims (9)

  1. 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서에 송신 펄스를 제공하는 구동부;
    상기 반향에 대한 전기적 신호를 증폭하는 증폭기;
    증폭된 상기 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성하는 신호처리부; 및
    상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 트랜스듀서에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 발생부; 및
    상기 트랜스듀서에서 발생되는 여진 주파수를 측정하는 여진 주파수 측정부;
    를 포함하는, 초음파 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서에서 발생되는 상기 여진 주파수는 상기 트랜스듀서의 공진 주파수인, 초음파 센서 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 여진 주파수는,
    상기 트랜스듀서의 발신 모드와 수신 모드 사이의 여진 모드 구간에서 자유 진동하는 여진동의 주파수인, 초음파 센서 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 여진 주파수를 이용하여 최적 주파수를 산출하는 최적 주파수 산출부; 및
    상기 최적 주파수를 고려하여 상기 송신 펄스 주파수를 보정하는 송신 펄스 보정부;
    를 더 포함하는, 초음파 센서 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최적 주파수는, 상기 여진 주파수와 반공진 주파수의 중간 값인, 초음파 센서 장치.
  6. 초음파를 송신하고, 상기 초음파에 대한 반향을 수신하는 트랜스듀서에 송신 펄스를 제공하는 구동부, 상기 반향에 대한 전기적 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭된 전기적 신호를 디지털 원신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기, 상기 디지털 원신호를 포락선 추출 처리하여 포락선 추출 처리된 신호를 생성하는 신호처리부 및 상기 디지털 원신호 및 상기 포락선 추출 처리된 신호에 기초하여 외부 물체와의 거리 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 초음파 센서 장치의 구동 방법에 있어서,
    트랜스듀서에 테스트 주파수 신호를 인가하는 테스트 주파수 인가 단계;
    상기 주파수 신호에 따라 상기 트랜스듀서에서 발생되는 여진 주파수를 측정하는 여진 주파수 측정 단계;
    상기 여진 주파수를 이용하여 최적 주파수를 산출하는 최적 주파수 산출 단계; 및
    상기 최적 주파수를 고려하여 송신 펄스 주파수를 보정하는 송신 펄스 주파수 보정 단계;
    를 포함하는, 초음파 센서 장치의 센싱 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 여진 주파수 측정 단계에서, 상기 트랜스듀서에서 발생되는 상기 여진 주파수는 상기 트랜스듀서의 공진 주파수인, 초음파 센서 장치의 센싱 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 여진 주파수 측정 단계에서, 상기 여진 주파수는 상기 트랜스듀서의 발신 모드와 수신 모드 사이의 여진 모드 구간에서 자유 진동하는 여진동의 주파수인, 초음파 센서 장치의 센싱 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 최적 주파수 산출 단계는,
    상기 여진 주파수와 반공진 주파수의 중간 값을 산출하는 것인, 초음파 센서 장치의 센싱 방법.
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