본 논문에서는 수중에서의 초음파를 이용하여 개발되고 있는 시스템 및 핵심기술들의 시험을 위해 반드시 필요한 무향수조 설계에 대하여 기술하고 있다. 무향수조에 사용되는 흡음판의 재질로서는 일반적으로 다공성 플라스틱, 재생용 고무, 알루미늄 폼, 우레탄 폼 등을 사용하는데, 본 논문에서는 흡음성능이 우수하고 경제적인 다공생 재생고무를 선정하였다. 따라서, 이 재질에 대한 흡음성능 및 특성을 살펴보았다. 또한, 흡음판의 형상설계를 통해 최적의 흡음성능을 갖는 무향수조를 설립할 수 있도록 쐐기형 흡음판을 설계하였으며, 쐐기각도에 따른 반사경로를 수학적으로 해석하여 최적의 흡음성능을 가질 수 있는 흡음판을 설계하였다. 또한, 확보된 무향수조 공간에 효율적인 흡음판 배치를 위한 치구설계 및 배치선계를 수행하였다.
본 논문에서는 수중에서의 초음파를 이용하여 개발되고 있는 시스템 및 핵심기술들의 시험을 위해 반드시 필요한 무향수조 설계에 대하여 기술하고 있다. 무향수조에 사용되는 흡음판의 재질로서는 일반적으로 다공성 플라스틱, 재생용 고무, 알루미늄 폼, 우레탄 폼 등을 사용하는데, 본 논문에서는 흡음성능이 우수하고 경제적인 다공생 재생고무를 선정하였다. 따라서, 이 재질에 대한 흡음성능 및 특성을 살펴보았다. 또한, 흡음판의 형상설계를 통해 최적의 흡음성능을 갖는 무향수조를 설립할 수 있도록 쐐기형 흡음판을 설계하였으며, 쐐기각도에 따른 반사경로를 수학적으로 해석하여 최적의 흡음성능을 가질 수 있는 흡음판을 설계하였다. 또한, 확보된 무향수조 공간에 효율적인 흡음판 배치를 위한 치구설계 및 배치선계를 수행하였다.
This paper deals with the design techniques for underwater acoustic basin. An underwater acoustic basin is needed for test and calibration of acoustic sensors, acoustic digital communication system, acoustic measurement system, and underwater image data telemetry system. KRISO(Korea Research Institu...
This paper deals with the design techniques for underwater acoustic basin. An underwater acoustic basin is needed for test and calibration of acoustic sensors, acoustic digital communication system, acoustic measurement system, and underwater image data telemetry system. KRISO(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering) have planned the construction of an underwater acoustic tank from 1999 to 2001 through internal project. We studied about absorbtion characteristics of a porous re-cycled rubber which is selected as a absorption materials and designed absorption plate with wedge shape. The simulation of reflection analysis along the wedge angle for wedged type plate was presented.
This paper deals with the design techniques for underwater acoustic basin. An underwater acoustic basin is needed for test and calibration of acoustic sensors, acoustic digital communication system, acoustic measurement system, and underwater image data telemetry system. KRISO(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering) have planned the construction of an underwater acoustic tank from 1999 to 2001 through internal project. We studied about absorbtion characteristics of a porous re-cycled rubber which is selected as a absorption materials and designed absorption plate with wedge shape. The simulation of reflection analysis along the wedge angle for wedged type plate was presented.
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문제 정의
또한 쐐기면은 반사면이 두 개가 존재하므로 각각의 반사면에서의 입사파와 반사파의 관계는 달라질 것이다. 먼저 좌표계의 1사분면에 존재하는 반사면 즉 위 쪽의 반사면에서 입사파와 반사파의 관계를 알아보기로 하자. 그림 8에 위쪽 반사 면에서의 입사파와 반사파를 도식화하였다.
한국해양연구소 선박해양공학분소에는 '99년부터 '01년까지 수중 음향 시험기법 및 시험이 가능한 무향 수조를 설립할 계획이며, 현재 무향수조의 흡음재질 선정과 흡음판의 기본적인 설계가 완료되어 있다. 본 논문에서는 수중 음향시험기법에 필요한 무향수조 설계에 필요한 흡음재질에 대하여 검토하였고, 쇄기형 흡음판 설계를 통한 최대 흡음 성능을 가질 수 있는 무향수조 설계기법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 한국해양연구원에서 설립하려고 하고 있는 무향수조에 대한 기본적인 설계 결과를 나타내고 있다.
무향수조의 흡음판에 사용될 흡음물질 선정을 하기 위하여 흡음성능이 우수한 재질로 알려진 다공성 재생 고무, 우레탄 폼, 알루미늄 폼에 대하여 문헌조사를 통하여 검토하였다. 이 장에서는 최종적으로 가장 우수한 흡음성능을 가지고 있어 흡음판의 흡음재로 선정된 다공성 재생고무의 흡음성능과 특성에 대하여 알아보도록 하겠다.
가설 설정
그림 1(a) 은 굳어지犬 않은 물질에 대한 알갱이 크기에 대한 흡음 스펙트럼을 그림 1(b)는 굳은 물질에 대한 알갱이 크기에 대한 흡음 스펙트럼을 보여준다. 0.71mm 보다 작은 알갱이의 크기를 갖는 굳은 물질은 제작된 샘플의 매우 낮은 다공성 때문에 포함하지 않으므로, 이 크기보다 작은 알갱이로부터 굳어진 물질은 음향학적 영향을 받지 않는다고 가정한다.
먼저 쐐기의 끝단을 지난 음파는 쐐기 면에서 흡수와 반사만 이루어진다고 가정한다. 음파의 입사각도와 쐐기의 각도가 변할 때 쐐기 면에서 반사가 몇 차례 발생하는가를 관찰하여 적합한 쐐기의 각도를 결정하기로 한다.
표 1은 다공성 재생고무를 이용하여 제작된 샘플의 물리적 특성을 보여주며, binder의 농도는 천연고무의 약 15% 질량을 갖는다고 가정한다. 그림 1은 표 1에 주어진 다공성 재생고무에 대한 느슨한 물질과 굳어진 물질에 대한 Briiel & Kjaer의 4206 분석 소프트웨어 결과로서 얻어진 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
제안 방법
무향수조의 흡음판에 사용될 흡음물질 선정을 하기 위하여 흡음성능이 우수한 재질로 알려진 다공성 재생 고무, 우레탄 폼, 알루미늄 폼에 대하여 문헌조사를 통하여 검토하였다. 이 장에서는 최종적으로 가장 우수한 흡음성능을 가지고 있어 흡음판의 흡음재로 선정된 다공성 재생고무의 흡음성능과 특성에 대하여 알아보도록 하겠다.
쐐기형 흡음판의 흡음성능을 3D로 확장하여 보다 나은 흡음성능을 얻기위해 최종적으로는 원뿔형 쐐기 타입을 설계하여 제작하였으며, 이 흡음판은 길쭉한 쐐기판에서 쐐기형 흡음판 속에서도 다시 3차원적인 흡읍이 가능하도록 설계되었다. 이에 대한 수정 · 보완 된 흡음판 형상은 그림 13과 같으며 그림 14와 같은 제작과정을 거쳐 제작한다.
따라서 흡음판의 세부적인 형태 설계의 요소들을 고려하기 위해서는 쐐기의 각도와 크기에 중점을 둔 접근이 필요하다. 여기서는 이러한 관점에서 문제를 취급하기 위해 쐐기 재질의 음파 흡수율 등은 추후에 다시 언급하기로 하고 음파를 하나의 음파 경로로만 보고 쐐기의 각도와 음파의 입사각도를 변수로 취급하여 흡음판의 기하학적 설계에 필요한 사항들을 도출하는 방법으로 접근하기로 한다.
위의 결과 식을 이용하여 입사각 및 입사 위치를 변화시키면서 쐐기면에서의 입사파 경로를 추적하여 보았다. 이 때 쐐기의 각도(θ)또한 몇 가지로 변화 시켜 보았다.
먼저 쐐기의 끝단을 지난 음파는 쐐기 면에서 흡수와 반사만 이루어진다고 가정한다. 음파의 입사각도와 쐐기의 각도가 변할 때 쐐기 면에서 반사가 몇 차례 발생하는가를 관찰하여 적합한 쐐기의 각도를 결정하기로 한다. 음파는 쐐기의 경사면에서 반사가 일어날 때마다 그 에너지의 일부를 상실하고 최종적으로 반사되는 음파가 대부분의 에너지를 소실하면 흡음판의 원하는 성능을 얻는 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 여러 가지 사항들을 고려하여 흡음판의 부착 프레임을 내식성을 갖도록 각형 스테인리스 파이프로 설계하였다.
이 때 쐐기의 각도(θ)또한 몇 가지로 변화 시켜 보았다. 입사파의 각도는 0도부터 89도까지 매 1도를 증가시키면서 계산 결과를 그림으로 확인하였으며 입사 위치는 양의 y 값을 갖는 적절한 점에서 시작하도록 하였다. 원점을 향해 입사되는 입사파는 기하학적으로 의미가 없기 때문이었다.
흡음판의 형상은 쐐기 형태로 하였으나 그 재질과 세부적인 형태는 몇 가지를 생각해 볼 수 있다. 첫 번째로 직립 타공판을 이용해 흡음판을 제작하는 방법인데, 그 세부적인 형태와 배치는 흡음성능을 극대화하기 위하여 벽면에 일정 간격을 두고 금속으로 제작한 타공판 3장을 같은 간격으로 배치한다.
흡음재로서 선정된 다공성 재생고무의 흡음성능을 살펴보았으며, 최적의 흡음성능을 갖는 쇄기형 흡음판 설계를 수행하였고, 이에 대한 수학적 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
성능/효과
또한, binder의 사용은 flow 저항성과 굴절의 증가로 인한 평균 구멍 크기가 감소 되었기 때문에 알갱이 혼합물의 음향 특성에 상당히 효과적이다. 그리고, 주어진 비음향 파라미터에 대해 다공성의 알갱이 구조를 갖는 물체의 두께를 크게 하는 것은 전체적인 흡수율을 향상시키진 않는다는 것을 알 수 있다.
원점을 향해 입사되는 입사파는 기하학적으로 의미가 없기 때문이었다. 쐐기의 각도는 10도, 15도, 30도를 추적해 보았는데 30도 이상의 각도에서는 반사 횟수가 너무 적어 그 이상의 각도에서는 의미가 없었으며 10도 미만인 경우는 쐐기가 지나치게 촘촘히 배치되어 제작상의 문제가 있을 것으로 예상되었다.
이러한 반사파의 경로추적 시뮬레이션을 통해 쐐기의 각도는 15도보다 작게 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었으며 6회의 반사를 통해 -20dB 이상의 감쇠를 얻기 위해서는 쐐기의 재질이 한번의 반사가 발생할 때마다 32% 이상의 에너지를 흡수할 수 있어야함을 의미하므로 주된 관심을 갖는 주파수인 3kHz의 음파가 이러한 비율 이상으로 흡수될 수 있는 특성을 가진 재질로 선정해야 할 것이다.
후속연구
또한, 그림 15, 그림 16은 제작된 흡음판을 실제 무향수조에 설치하여 장착한 모습을 보여주고 있으며, 현재는 바닥, 옆면 4개면에 흡음판이 설치되어 있고 올해(2001)에 뚜껑면에 대한 흡음판을 설치하여 부착 할 계획이다. 또한, 이 무향수조에서는 수조의 흡음특성 및 전달특성에 대한 연구 및 실험이 계속 진행되고 있으며, 이에 대한 결과를 추후 발표하도록 하겠다.
첫 번째의 경우 타공판을 3단으로 배치하여야하므로 수조내의 유효공간이 줄어들게 되는 단점이 있으며 2차원적인 효과만을 기대할 수 있고 수조 바닥과 윗면에 배치하기가 어렵다는 단점이 있다. 장점으로는 타공판을 가공하는 것이 비교적 어렵지 않다는 점이 있으며 현재 한국해양연구소가 보유하고 있는 해양공학 수조의 중력파 소파 장치로 채택되어 효과를 입증한바가 있으나 이 경우 중력파는 수면에만 존재하는 것으로 음파의 경우에 적용하기 위해서는 검증을 위한 시험을 해야할 것이다. 두 번째의 경우는 무향실에 사용되는 방법으로 일반적인 성능은 검증되었다고 보지만 수중에 적용하기 위해서는 부력에 의한 변형 등을 고려하여 재질의 선정에 신중해야 한다.
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