[논문]실사격에 의한 소음기 특성 평가

강국정; 고성호; 곽영균; 이덕주; 이인철

문제 정의

그러나 중량이 수백 kg 수준인 소음기를 제작하여 시험을 하는 것은 대단히 소모적이며 많은 비용과 기간을 필요로 한다. 따라서 대구경화포와 마하수가 비슷한 초음속 유동장이 형성되며 유체역학적 상사 법칙을 만족하는 소화기를 대상으로 하여 실사격에 의한 소음기 효과를 평가하고자 한다.
일반적으로 우리가 들을 수 있는 소리는 20～20,000Hz 범위이며, 이것을 가청주파수(audible frequency)라 한다. 따라서 사격시험 결과도 가청주파수 범위내에서의 특성을 중심으로 고찰하였다.
소음 전파 모델을 수립하고 사격소음에 대한 객관적 평가 기준을 설정하기 위하여 소음 수준을 측정하였다. 또한 복잡한 지형에서의 사격 소음을 예측하고 평가하기 위해 필요한 추가 자료에 대하여 연구하였다. 이러한 과정을 통하여 사격 폭풍 전파 모델을 수립하고 사격 소음을 관리할 수 있는 기법을 구축하였다.
본 연구에서는 4개의 소음기에 대한 실사격을 수행하여 소음 저감 특성을 고찰하였다. 대구경화포와 마하수가 비슷한 초음속 유동장이 형성되며 유체역학적 상사 법칙을 만족하는 소화기를 대상으로 실사격에 의한 소음기 효과를 평가하였다.
본 연구에서는 소음기의 소음 저감 특성 평가에 대한 연구 내용을 기술하고자 한다. 대구경화포 사격시 발생하는 고압수준에 대한 소음 저감 수준을 고찰하기 위해서는 대용량의 소음기를 설계, 제작하여 시험을 수행하여야 한다.

제안 방법

본 연구에서는 4개의 소음기에 대한 실사격을 수행하여 소음 저감 특성을 고찰하였다. 대구경화포와 마하수가 비슷한 초음속 유동장이 형성되며 유체역학적 상사 법칙을 만족하는 소화기를 대상으로 실사격에 의한 소음기 효과를 평가하였다. 소음기 효과에 의해 상당한 양의 에너지가 소산이 되며, 음압은 소음기가 없는 경우에 비하여 최대 40dB 감소하는 것을 확인하였다.
5m 높이에서 각도 변화에 따른 위치별 음압 측정이 가능하도록 설치하였다. 대기 조건에 대한 기본 자료 획득을 위하여 기온과 습도를 측정하였으며 시험장의 온도와 습도는 각각 27℃와 55%로 측정되었다. B&K사의 portable pulse(type3560C) 장비를 사용하였다.
시험은 소음기 유무 조건에 대하여 총구를 기준으로 거리 및 각도 변화에 따라 소음 특성을 평가하였다. 마이크로폰은 총구에서 2m와 6m 지점사이에 설치하였으며, 총구 방향으로 60도 및 90도에서 음압을 측정하였다. 음압 측정은 진동이나 전자기장의 영향을 받지 않는 평탄한 지점에서 수행하였으며, 소음계의 청감 보정 회로는 A 특성으로 설정하였다.
Helwolt는 소음 분포 지도 작성을 위한 소음 예측 모델을 연구하였다. 사격 지점, 사격 모드와 빈도 및 무기체계별 소음 전파 특성에 대한 자료를 종합적으로 분석하여 사거리 배치와 소음원에 소음저감장치를 직접 부착하는 방안 및 거주지역에 소음 차폐장치를 설치하는 방안 등을 결정하였다. 저주파 충격 소음을 감소하기 위한 소음감소장치를 설계하여 약 10dB의 소음 저감을 확인하였다.
1980년대 중반부터 독일 국방부는 군 훈련지에서의 사격소음을 체계적으로 관리하기 위한 연구를 시작하였다. 소음 전파 모델을 수립하고 사격소음에 대한 객관적 평가 기준을 설정하기 위하여 소음 수준을 측정하였다. 또한 복잡한 지형에서의 사격 소음을 예측하고 평가하기 위해 필요한 추가 자료에 대하여 연구하였다.
소음기 C는 배플을 4개 배열하여 추진제 가스가 순차적으로 팽창되도록 설계하였다. 최대압력은 134Pa 수준으로 소음기 B와 유사한 특성을 가짐을 알 수 있다.
소음기 특성 평가를 위한 실험 연구는 소구경 화기를 대상으로 수행하였다. 수치 해석을 통해 소음기 벽면에 작용하는 최고 압력값을 계산하여 내부의 배플 구조물이 고압에 견딜 수 있도록 설계하였다. 소음기는 그림 3과 같이 배플 구조물을 적층식 구조로 만들었으며, 경량 설계를 위해 알루미늄을 사용하여 제작하였다.
시험은 소음기 유무 조건에 대하여 총구를 기준으로 거리 및 각도 변화에 따라 소음 특성을 평가하였다. 마이크로폰은 총구에서 2m와 6m 지점사이에 설치하였으며, 총구 방향으로 60도 및 90도에서 음압을 측정하였다.
5 m 높이에서 이루어질 수 있도록 사격자의 위치를 설정하였다. 압력 신호 측정은 마이크로폰(type4938)을 사용하였으며, 지상 1.5m 높이에서 각도 변화에 따른 위치별 음압 측정이 가능하도록 설치하였다. 대기 조건에 대한 기본 자료 획득을 위하여 기온과 습도를 측정하였으며 시험장의 온도와 습도는 각각 27℃와 55%로 측정되었다.
마이크로폰은 총구에서 2m와 6m 지점사이에 설치하였으며, 총구 방향으로 60도 및 90도에서 음압을 측정하였다. 음압 측정은 진동이나 전자기장의 영향을 받지 않는 평탄한 지점에서 수행하였으며, 소음계의 청감 보정 회로는 A 특성으로 설정하였다. 각 소음기별 5발씩 사격을 하여 자료를 획득하였다.
또한 복잡한 지형에서의 사격 소음을 예측하고 평가하기 위해 필요한 추가 자료에 대하여 연구하였다. 이러한 과정을 통하여 사격 폭풍 전파 모델을 수립하고 사격 소음을 관리할 수 있는 기법을 구축하였다. 그러나 사격시의 충격소음을 저감시킬 수 있는 구체적 기술 방안에 대한 연구는 발표되지 않았다^[1].
그림 6에는 포구 끝 지점에서의 거리에 따른 음압 분포를 나타내었다. 포구로부터의 각도가 90도인 경우 소음기 유무 조건별 거리에 따른 최대압력값을 비교하였다. 측정 거리 2m 지점을 기준으로 할 때, 소음기가 없는 경우는 최대압력이 2,170Pa으로 나타났다.

대상 데이터

음압 측정은 진동이나 전자기장의 영향을 받지 않는 평탄한 지점에서 수행하였으며, 소음계의 청감 보정 회로는 A 특성으로 설정하였다. 각 소음기별 5발씩 사격을 하여 자료를 획득하였다.
실험장치의 구성은 그림 4와 같다. 사격은 지상 1.5 m 높이에서 이루어질 수 있도록 사격자의 위치를 설정하였다. 압력 신호 측정은 마이크로폰(type4938)을 사용하였으며, 지상 1.
소음기 특성 평가를 위한 실험 연구는 소구경 화기를 대상으로 수행하였다. 수치 해석을 통해 소음기 벽면에 작용하는 최고 압력값을 계산하여 내부의 배플 구조물이 고압에 견딜 수 있도록 설계하였다.
수치 해석을 통해 소음기 벽면에 작용하는 최고 압력값을 계산하여 내부의 배플 구조물이 고압에 견딜 수 있도록 설계하였다. 소음기는 그림 3과 같이 배플 구조물을 적층식 구조로 만들었으며, 경량 설계를 위해 알루미늄을 사용하여 제작하였다.

이론/모형

원시 자료(original data)는 초당 100,000개의 자료가 획득되어 있어 소음기별 특성값이 잘 구분되지 않는다. 따라서 원시자료의 최대값과 대역폭을 잘 보존하는 것으로 알려진 Savitzky-Golay filter scheme을 사용하여 시험 자료를 평탄화하였다. 소음기 장착 시의 소음 저감을 보다 명확히 알 수 있으며, 소음기 D를 장착한 경우 음압은 전 주파수 영역에서 가장 낮아지는 것을 알 수 있다.
일반 소음과 달리 충격소음은 최대 140dB 이상인 소음이 1초 이상의 간격으로 발생하는 것을 말한다. 화포 사격시의 충격소음에 대한 기준은 미국이 제정하여 운용중인 MIL-STD-1474D(1997. 2)^[5]을 참고할 수 있다. 이 기준에 따르면 140dB를 초과하는 충격 소음에 사람이 노출되는 경우, 청각 보호 장구를 의무적으로 착용하도록 하며, 최대 압력과 소음의 에너지 개념이 포함된 B-지속시간에 따라 하루에 노출이 가능한 횟수를 규정하고 있다.

성능/효과

대구경화포와 마하수가 비슷한 초음속 유동장이 형성되며 유체역학적 상사 법칙을 만족하는 소화기를 대상으로 실사격에 의한 소음기 효과를 평가하였다. 소음기 효과에 의해 상당한 양의 에너지가 소산이 되며, 음압은 소음기가 없는 경우에 비하여 최대 40dB 감소하는 것을 확인하였다. 또한 소음기 설계시 배플의 배열 및 첫 번째 배플의 위차를 중요한 변수로 고려해야 함을 알 수 있었다.
소음기 A는 2개의 격실이 비슷한 체적을 갖도록 설계하였다. 소음기가 없는 경우 최대 2,170Pa의 압력이 작용하나, 소음기 A를 적용시 최대 압력은 232Pa 수준으로 약 89%감소하는 것으로 나타났다.
소음기를 적용함에 따라 최대 압력 발생 시점이 약 0.7ms 지연되는 것을 알 수 있으며, 소음기의 에너지 소산 효과에 의해 전체적인 에너지량도 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은 소음기 내부에서 추진제 연소에 의해 발생하는 에너지의 상당 부분이 소산되어 외부로 빠져나오기 때문에 나타나는 결과로 판단된다.
시험 결과 소음감소 수준은 모두 높은 것으로 나타났으나, 소음기 D가 가장 소음 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. 이것은 소음기 D가 배플이 4개로 가장 많아 추진제 연소에너지를 충분히 소산시킬 수 있어 소음 저감이 크게 나타난 것으로 판단된다.
사격 지점, 사격 모드와 빈도 및 무기체계별 소음 전파 특성에 대한 자료를 종합적으로 분석하여 사거리 배치와 소음원에 소음저감장치를 직접 부착하는 방안 및 거주지역에 소음 차폐장치를 설치하는 방안 등을 결정하였다. 저주파 충격 소음을 감소하기 위한 소음감소장치를 설계하여 약 10dB의 소음 저감을 확인하였다. 그러나 이 장치는 부피가 너무 커서 대구경 화포 사격시에만 제한적으로 사용되었으며 이에 대한 세부 설계 내용은 발표되지 않았다^[2].
최대압력은 76Pa 수준으로 4개의 소음기 가운데 음압 저감 효과가 가장 큰 것으로 나타났다. 추진제 가스가 포구에서 나와 순차적으로 확산할 수 있는 격실을 만들어 준 것이 큰 효과를 나타낸 것으로 판단된다.
측정 거리 4m 지점을 기준으로 할 때, 음압은 소음기 장착시 더욱 감소되어 4개의 소음기 모두 50Pa 이하 수준인 것으로 나타났다.
소음기 장착시 음압은 모두 300Pa 이하로 나타났다. 특히 소음기 D를 장착시에는 최대 압력이 80Pa 수준으로 계측되어 약 97%의 압력 감소 효과가 있는 것으로 나타났다.
전체적으로 비슷한 수준의 압력 저감이 나타나고 있음을 알 수 있다. 폭발유동장 수치해석 결과에서 예측된 압력 저감 수준과 실험연구에서 계측된 값은 5% 범위내에서 동등한 수준의 결과를 제시하고 있는 것을 알 수 있으며, 수치해석 및 실험 결과는 상당한 연관성을 나타내고 있음을 고찰하였다.

후속연구

소음기의 특성을 보다 면밀히 고찰하기 위하여 향후 소음기 설계 변수에 대하여 다양한 실험 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구결과는 향후 대구경화포의 소음기 연구 개발에 직접적으로 적용 가능한 자료가 될 것으로 기대된다.
향후 다양한 형상의 소음기에 대한 추가적 연구가 필요할 것으로 보인다. 본 연구 결과는 대구경화포의 소음기 연구 개발에 참고 자료가 될 것으로 기대된다.
이상과 같은 연구를 통하여 소음기 설계시 배플의 배열 및 첫 번째 배플의 위치를 중요한 변수로 고려해야 함을 알 수 있다. 소음기의 특성을 보다 면밀히 고찰하기 위하여 향후 소음기 설계 변수에 대하여 다양한 실험 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구결과는 향후 대구경화포의 소음기 연구 개발에 직접적으로 적용 가능한 자료가 될 것으로 기대된다.
향후 다양한 형상의 소음기에 대한 추가적 연구가 필요할 것으로 보인다. 본 연구 결과는 대구경화포의 소음기 연구 개발에 참고 자료가 될 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과도한 수준의 충격소음은 어떤 문제를 야기시키는가?	충격소음 수준은 무기 체계의 포구에너지 증대 추세에 따라 계속적으로 증가하고 있다. 과도한 수준의 충격소음은 운용자에게 치명적인 영향을 미칠 수 있으며, 인근 주거 지역에 청각 소음 등 여러 가지 환경 문제를 야기시킬 수 있다.
	소음이란 무엇을 의미하는가?	소음은 물리적 현상에 의해 발생하는 소리 가운데 사람이 불쾌하게 느끼는 소리를 의미한다. 대구경 화포 사격시 폭풍파(blast wave)의 형태로 전파되는 과도한 수준의 충격소음이 발생한다.
	소음기를 소리의 에너지를 소산시키는 방식에 따라 나눈 4가지는 무엇이 있나?	소음기는 일반적으로 소리의 에너지를 소산시키는 방식에 따라서 그림 2와 같이 팽창형, 공명형, 흡수형 및 격벽형의 4 가지로 나눌 수 있다. 팽창형 소음기는 내부의 체적 공간에서 추진 가스의 팽창에 의해 에너지를 소산시켜 음압을 감소시킨다. 공명형 소음기는 작은 구멍이 뚫린 관을 소음기 속에 추가하여 가스의 흐름을 바꾸어 음압을 감소시킨다. 흡수형 소음기는 가스 유로에 석면과 같은 흡음재를 장착하여 압력을 감소시킨 후 가스를 배출한다. 격벽형 소음기는 추진가스가 여러 개의 격벽 사이를 지나는 동안 순차적으로 에너지를 소산시켜 외부로 나오는 음압을 감소시킨다. 일반적으로 소음기는 팽창형을 기본으로 채택하며, 격벽형 및 다른 형태를 혼합 구성하여 소음 감소 효과를 극대화시키는 방법을 사용한다.

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