[논문]MOERI 캐비테이션 터널의 음향특성 분석 및 추진기 BPF 소음 계측에 관한 연구

설한신; 박철수; 김기섭; 조용진

doi:10.3744/snak.2007.44.4.408

문제 정의

미국의 LCC(Large Cavitation 아lannel) 등과같은 대형 캐비테이션 터널은 Acoustic Trough와 같은 소음 계측을 위한 장비를 갖추고 있지만 MOERI 중형 캐비테이션 터널은 소음 계측을 위해 설계 되었다기 보다는 추진기 캐비테이션 발생 거동을 용이하게 관찰할 수 있도록 설계되었다. 그러므로 본 연구에서는 추진기 소음계측에 앞서 MOERI 캐비테이션 터널의 배경 소음을 계측하여 추진기 소음 계측 가능성을 검토하고 추진기의 형상 및 운용 정보를 담고 있는 추진기 BPF 소음의 측정법과 측정 결과를 분석하였다. 이러한 추진기 소음 계측은 소음 해석 기법 개발의 기초 자료로서 활용 할 수 있을 것이며 향후 MOERI에서 보유하게 될 저소음 대형 캐비테이션 터널의 추진기 소음 계측법의 기초로서도 활용 될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 MOERI 캐비테이션 터널의 배경 소음을 계측하여 소음 실험의 가능성을 검토하였다. 추진기 소음을 정확히 계측하기 위해서는 배경 소음을 최소화하여야 하며 이를 위해서는 수중청음기의 배치가 중요함을 볼 수 있었다.
1 결과에서 보듯 반류 스크린을 사용하여반류를 생성하는 경우 캐비테이션 수가 낮아지면반류 스크린에서 발생하는 캐비테이션과 유동에 의한 소음으로 고주파 대역에서 추진기 소음 계측이 어려웠다. 본 절에서는 추진기 회전면에서 반류를 만들어 줄 수 있는 더미 바디를 제작하여 반류를 생성, 추진기 소음을 계측하였다. 더미 바디는 바디 자체에서 캐비테이션이 발생하지 않도록 유선형 형태로 모델링 하여 배경 소음을 최소화하려 하였다.

제안 방법

관측부에서의 배경 소음을 계측하기 위하여 수중 청음기를 터널 윗 벽면 관측부에서 475mm 뒤쪽, 추진기가 장착되었다고 가정하였을 해 추진기 회전면의 125mm 상류지점에 부착하고 터널 유속을 정지 상태에서 7.0m/s까지 변화시키며 소음을 계측하였다. 이전 연구 결과(안종우 등 2000) 에의하면 터널 내부 압력에 따른 배경소음의 변화는 없었기에 터널 내부 압력은 100kPa로 일정하게 유지하였다.
더미 바디(dummy body)가 설치된 추진기의 소음을 계측하기에 앞서 더미 바디를 설치한 상태에서의 배경소음을 계측하였다. 더미 바디를 장착하고 동력계 축을 2olps, 유속을 3m/s로 고정한 후터널 내부 압력을 160kPa에서 30kPa까지 낮추어가며 배경소음을 계측하여 Fig.
따라서 수중청음기의 위치 및 배치 방법은 캐비테이션 터널에서 소음 계측에 있어 중요한 연구대상이라 할 수 있다. 미국의 LCC(Large Cavitation 아lannel) 등과같은 대형 캐비테이션 터널은 Acoustic Trough와 같은 소음 계측을 위한 장비를 갖추고 있지만 MOERI 중형 캐비테이션 터널은 소음 계측을 위해 설계 되었다기 보다는 추진기 캐비테이션 발생 거동을 용이하게 관찰할 수 있도록 설계되었다. 그러므로 본 연구에서는 추진기 소음계측에 앞서 MOERI 캐비테이션 터널의 배경 소음을 계측하여 추진기 소음 계측 가능성을 검토하고 추진기의 형상 및 운용 정보를 담고 있는 추진기 BPF 소음의 측정법과 측정 결과를 분석하였다.
반류 스크린과 더미 바디를 사용하여 반류를 생성, 여러 계측 형태를 사용하여 추진기 비공동, 공동 소음을 계측하여 실험법에 따른 측정 한계를 파악하였으며 다양한 조건에서 추진기 소음 값을 계측하여 그 특성을 실험적으로 분석하였다. 비공동 소음의 경우 저주파 대역의 BPF 소음이 지배적이었으며 고주파 대역의 소음은 유동 소음과 비슷한 수준의 결과를 얻었다.
반류 스크린과 동력계에 의한 배경소음 측정시, 비공동 조건의 경우 터널 내부 압력을 160kPa로 고정한 상태에서 관측부 유속을 3.0m/s, 동력계를 10「ps에서 17「ps까지 변화시키며 계측하였고 공동 조건의 경우 동력계 회전축을 20「ps로 고정하고 터널 압력을 150kPa에서 30kPa까지 낮추어가며 배경소음을 계측하였으며 그 결과를 Fig. 4 와 Fig. 5에 나타내었다.
반류 스크린을 사용하는 경우, 하류 방향의 하이드로 포일 형태의 계측 시스템은 하이드로 포일 주변에서 붕괴되는 버블과 난류에 의한 소음이 계측되어 추진기 소응을 계측할 수 없었기에 터널관측부 윗 벽면의 청음기를 통해 소음을 계측 하였다. 수중 청음기의 위치는 추진기 회전면에서 125mm 앞쪽에 위치하게 하였다.
유속을 3.0m/s 인 상태에서 비공동 조건, 즉관측부 내부 압력을 i60kPa로 고정한 상태에서 추진기 회전 속도詈 1아ps에서 1가ps까지 상승시키며 소음 특성의 변화를 고찰하였으며 공동 조건의 경우 추진기 회전수를 고정하고 터널 내부 압력을 조절하여 캐비테이션 수를 낮추어가면서 소음을 측정하였다. 각각의 경우 실험조건을 Table 2와 Table 3에 계측된 소음의 주파수 대역에서의 결과를 Fig.
획득하였다. 전기적인 노이즈를 제거하기 위하여 NEXUS를 포함한 모든 장비들은 접지 상태로 계측하였다.
세 가지 방법을 적용하였다. 첫 번째는 일반적 추진기 실험에 사용되는 반류 스크린(wake sc「een)을 장착하였을 경우에 터널 벽면에 유동에수직하게 수중 청음기를 부착하는 방법, 두 번째는 선체와 같은 바디(body)를 부착하고 추진기 시험을 하는 경우는 바디 뒷 부분에 유동에 평행하게 수중 청음기를 장착하였으며 세 번째는 소음원위치 파악을 위하여 추진기 하류 방향에 수중익 형태의 계측 시스템을 제작하여 소음을 계측하였다.
수중 청음기의 위치는 추진기 회전면에서 125mm 앞쪽에 위치하게 하였다. 추진기 소음 계측 결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 반류 스크린 동력계에 의하여 발생하는 소음을 추진기 소음 계측 조건에서 계측하였다.
추진기 소음 계측법은 터널 운용 상태에 따라서 크게 세 가지 방법을 적용하였다. 첫 번째는 일반적 추진기 실험에 사용되는 반류 스크린(wake sc「een)을 장착하였을 경우에 터널 벽면에 유동에수직하게 수중 청음기를 부착하는 방법, 두 번째는 선체와 같은 바디(body)를 부착하고 추진기 시험을 하는 경우는 바디 뒷 부분에 유동에 평행하게 수중 청음기를 장착하였으며 세 번째는 소음원위치 파악을 위하여 추진기 하류 방향에 수중익 형태의 계측 시스템을 제작하여 소음을 계측하였다.
계측 하였다. 추진기 소음은 반류 스크린과 더미 바디를 이용하여 반류를 생성하여 비 균일 유입류하에서 추진기 소음 계측 가능성 여부와 캐비테이션 생성과 그에 따른 소음 특성을 고찰 하였다.
13에 나타내었다. 추진기 회전수와 수와 유속을 20「ps, 3.3m/s인 상태에서 터널 압력을 조절하여 캐비테이션 수를 바꾸어가며 소음을 계측하였다. 터널 압력이 80kPa인 경우는 캐비테이션이 거의 발생하지 않아 비공동 소음과 유사한 패턴을 보였으나 압력이 낮아짐에 따라 100Hz 의 저주파 대역부터 고주파 대역까지 모두 소음이 상승함을 볼 수 있다.
터널의 음향학적 특성을 파악한 후, 각 경우 계측된 추진기 소음 값의 신뢰성을 확보하기 위하여 배경 소음을 계측 하였다. 추진기 소음은 반류 스크린과 더미 바디를 이용하여 반류를 생성하여 비 균일 유입류하에서 추진기 소음 계측 가능성 여부와 캐비테이션 생성과 그에 따른 소음 특성을 고찰 하였다.

데이터처리

소음 측정은 수중 청음기(B&K 8103)를 사용하였으며 측정된 신호는 B&K NEXUS2692모델을 이용하여 증폭되어 LABVIEW 프로그램을 통해 소음 신호를 획득하였다. 전기적인 노이즈를 제거하기 위하여 NEXUS를 포함한 모든 장비들은 접지 상태로 계측하였다.

성능/효과

본 연구결과는 한국해양연구원에서 수행한 “비공동/공동 추진기 소음 해석 기법 개선을 위한 기초 연구 (PE이 15J), ” "지능형 함정 스텔스 성능평가 기술개발 (PE이 16Cy의 연구 성과 중 일부임을 밝혀둔다.
100Hz 이후 대역에서 더미 바디 주위의 유동으로 인해 약간의 소음 증가를 보였으나 주위 압력변화에 따른 소음 변화가 없는 것으로 보아 더미바디에서 캐비테이션이 생성되지 않음을 유추할 수 있다.
2.2.1 결과에서 보듯 반류 스크린을 사용하여반류를 생성하는 경우 캐비테이션 수가 낮아지면반류 스크린에서 발생하는 캐비테이션과 유동에 의한 소음으로 고주파 대역에서 추진기 소음 계측이 어려웠다. 본 절에서는 추진기 회전면에서 반류를 만들어 줄 수 있는 더미 바디를 제작하여 반류를 생성, 추진기 소음을 계측하였다.
결과 그림에서 보듯 비공동, 공동 조건 모두 100Hz 이하대역에서는 반류 스크린이 없을 때 보다 소음이 감소했음을 알 수 있다. 이는 반류 스크린이 캐비테이션 터널의 배경소음을 줄이기 위해 설치되는 벌집 모양 유동 정류 장치 (honeycomb)과 같은 역할을 하여 유동의 교란 주기를 작게 만들어 저주파 대역에서 소음을 낮춘 것으로 판단된다.
11에 나타내었다. 결과에서 보듯 100Hz 이하 대역에서 BPF 소음 피크가 보이지만 이후 배경 소음과 유사한 소음도를 보임을 볼 수 있다. 공동 상태의 경우 계측 결과와 캐비테이션 형태를 Fig.
추진기 소음을 정확히 계측하기 위해서는 배경 소음을 최소화하여야 하며 이를 위해서는 수중청음기의 배치가 중요함을 볼 수 있었다. 소음원위치 파악을 위해 공간적 제약으로 추진기 하류 방향에 장착한 수중익 형태의 계측 시스템은 추진기 소음 보다 계측 시스템 주위에서의 유동 교란과 캐비테이션에 의한 배경소음이 크게 계측되어 추진기 소음 계측이 불가능 하였으나 시험 조건에 맞게 수중 청음기가 잘 배치된 경우에는 중형 캐비테이션 터널에서 추진기 소음을 측정 할 수 있음을 보았다.
내부벽면의 난류 소음과 굴곡부에서의 박리등의 유동 소음이 지배적인 소음원이 되어 감을 알 수 있다. 유속이 빨라 질 수록 전 주파수 대역에서 소음 수준이 증가하며 관측부 유속이 높은 경우는 배경 소음이 추진기 소음 수준에 근접할 정도로 커져 추진기 소음 계측이 어려울 것으로 여겨지나 유속이 낮은 경우에는 계측이 가능 할 것으로 판단된다.
이러한 반류 스크린을 이용한 실험에서 추진기 고주파 대역의 소음을 계측하여 분석하기는 어려울 것으로 판단되어 진다. 하지만 추진기 와 추진기 운용상태 정보를 담고 있으며 가장 큰 소음수준을 나타내는 추진기 BPF 소음은 1kHz 이하의 저주파 대역에서 잘 나타나기에 이는 계측이 가능 할 것으로 판단되었다.
비공동 소음의 경우 저주파 대역의 BPF 소음이 지배적이었으며 고주파 대역의 소음은 유동 소음과 비슷한 수준의 결과를 얻었다. 하지만 캐비테이션이 발생하여 완전히 성장 하였을 경우는 BPF 소음이고 차의 BPF 까지 큰 소음 수준을 방사함을 볼 수 있고 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 및 얇은 층 캐비티가 작은 버블의 형태로 붕괴되어 고주파 대역에서도 전체적인 소음 수준의 증가를 보임을 실험 결과에서 볼 수 있었다.

후속연구

또한 본 연구는 향후 MOERI에서 보유하게 될 저소음 대형 캐비테이션 터널의 운용 및 소음실험법의 기초 연구로서도 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
이러한 연구 결과는 향후 추진기 소음 예측 기법 개발을 위한 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 본 연구는 향후 MOERI에서 보유하게 될 저소음 대형 캐비테이션 터널의 운용 및 소음실험법의 기초 연구로서도 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
그러므로 본 연구에서는 추진기 소음계측에 앞서 MOERI 캐비테이션 터널의 배경 소음을 계측하여 추진기 소음 계측 가능성을 검토하고 추진기의 형상 및 운용 정보를 담고 있는 추진기 BPF 소음의 측정법과 측정 결과를 분석하였다. 이러한 추진기 소음 계측은 소음 해석 기법 개발의 기초 자료로서 활용 할 수 있을 것이며 향후 MOERI에서 보유하게 될 저소음 대형 캐비테이션 터널의 추진기 소음 계측법의 기초로서도 활용 될 수 있을 것이다.
하지만 추진기 소음 자체가 매우 지배적이므로 추진기와 가까운 위치에서 측정이 이루어진다면 반사, 회절되어 들어오는 소음보다 추진기에 의해 생성되어 계측되는 소음이 지배적이게 되기 때문이다. 하지만 추진기 근처에서는 근접장 효과가 지배적으로 존재하기 때문에 이를 원지장에서의 값으로 예측하기 위한 해석 수단이 필요할 것으로 보인다.

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