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프로펠러 캐비테이션의 초기발생과 소음특성에 대한 실험연구
An Experimental Study on Noise Characteristics of Propeller Cavitation Inception 원문보기

大韓造船學會 論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.48 no.1, 2011년, pp.1 - 7  

이필호 (국방과학연구소) ,  안병권 (충남대학교 선박해양공학과) ,  이창섭 (충남대학교 선박해양공학과) ,  이정훈 ((주) 삼성중공업 조선해양연구소)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Cavitation is the formation of vapour bubbles of a flowing liquid in a region where the pressure of the liquid falls below its vapor pressure. Various types of cavitations are generated on the propeller blades. As cavity bubbles passing the blade are forced to oscillate in size or shape and come to ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 프로펠러 캐비테이션의 초기발생에 따른 수중 방사 소음 특성과의 연관성 해석 및 음향학적 분류에 목적을 두고 있다. 실험적 방법에 의한 접근은 여러 가지 종류의 프로펠러를 제작하여 다양한 캐비테이션 현상에 따라 소음 특성을 파악하는 것이 필요하며 미세 변화를 고찰하기 위해서는 많은 경우에 대한 상세한 실험이 요구되기 때문에 현실적인 어려움이 있다.
  • 본 연구에서 음향분석법으로 DEMON(Detection of Envelope Modulation on Noise)을 사용하므로 여기에서는 연구내용의 이해를 위해 간단히 그 개념만을 소개하기로 한다(Kummert, 1993). 우선 임의의 정해진 위치에서의 수중음향의 압력장(p(t))은 주파수와 시간의 함수로 표현할 수 있다.
  • 본 연구에서는 대형 캐비테이션 터널에서 실험조건을 체계적으로 변화시켜 가면서 여러 종류의 캐비테이션이 순차적으로 발생하도록 하고, 새로운 캐비테이션이 추가됨에 따라 나타나는 소음수준의 특성을 파악하였다. 모형 프로펠러에서 캐비테이션이 발생하는 경우 전 주파수 대역에서 소음이 증가하지만, 특히 40~100 kHz 부근의 고주파수 영역에서 우세하게 나타나나고 있으며, 따라서 DEMON 분석에 있어서 본 실험과 같이 이 주파수 대역의 신호를 이용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
  • 실험적 방법에 의한 접근은 여러 가지 종류의 프로펠러를 제작하여 다양한 캐비테이션 현상에 따라 소음 특성을 파악하는 것이 필요하며 미세 변화를 고찰하기 위해서는 많은 경우에 대한 상세한 실험이 요구되기 때문에 현실적인 어려움이 있다. 본 연구에서는 대형 캐비테이션 터널에서 프로펠러의 작동상태와 터널 환경을 조절하면서 발생되는 캐비테이션에 따른 음향신호의 변화를 측정하여 캐비테이션의 초기발생과 수중 방사소음의 특성 사이의 상관관계를 규명하고자 하였다. 실험은 일반적인 함정용 모형 프로펠러를 대상으로 하였으며, 각 조건별 캐비테이션 현상을 시각적으로 관찰하고 영상기록과 음향신호를 동시에 획득하고 복조신호 분석을 통해 시청각적으로 상호 연관성을 고찰하였다.
  • DEMON 해석은 캐비테이션에 의해 진폭이 증폭되는 현상을 감지하여 프로펠러 날개 수 및 축 회전수를 찾아내는 기능을 한다. 본 연구에서는 캐비테이션의 초생속도(CIS)에 관심이 있으므로, CIS 전후에 대한 DEMON 해석 결과의 차이를 관찰하여 그 특성을 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
캐비테이션이 발생함에 따라 어떤 문제 또한 발생하는가? 선박의 속도가 증가함에 따라 프로펠러에는 캐비테이션이 발생하게 되며, 날개 표면을 따라 생성과 소멸을 반복하는 과정에서 필연적으로 수중에 방사되는 소음을 증가시킨다. 특히 캐비테이션이 발생하기 전후의 음압수준(Sound Pressure Level, SPL)을 비교해 보면 캐비테이션이 최초 발생(cavitation inception)되는 시점부터 SPL이 크게 증가한다.
프로펠러에서 캐비테이션이 발생하는 배경은 무엇인가? 선박의 속도가 증가함에 따라 프로펠러에는 캐비테이션이 발생하게 되며, 날개 표면을 따라 생성과 소멸을 반복하는 과정에서 필연적으로 수중에 방사되는 소음을 증가시킨다. 특히 캐비테이션이 발생하기 전후의 음압수준(Sound Pressure Level, SPL)을 비교해 보면 캐비테이션이 최초 발생(cavitation inception)되는 시점부터 SPL이 크게 증가한다.
캐비테이션 발생 전후의 음압수준을 비교를 통해 저소음 프로펠러 설계의 가장 중요한 기준이 무엇임을 도출할 수 있는가? 특히 캐비테이션이 발생하기 전후의 음압수준(Sound Pressure Level, SPL)을 비교해 보면 캐비테이션이 최초 발생(cavitation inception)되는 시점부터 SPL이 크게 증가한다. 따라서 추진기의 캐비테이션 최초 발생속도(Cavitation Inception Speed, CIS)를 높이는 것은 저소음 프로펠러 설계를 위한 중요한 기준이 되고 있으며, 해군 함정의 경우 생존성과 직결되는 문제이다. 일반적으로 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션은 그 발생 위치에 따라 Table 1과 같이 분류할 수 있다(Lee, et al.
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참고문헌 (8)

  1. Ahn, B.K. Lee, J.H. Choi, J.S. & Lee, C.S., 2008. Noise Source Identification Technology using TDOA and Beamforming Methods. Proceeding of the SNAK Conference, May 29-30, 2008, pp.1704-1713. 

  2. Ahn, J.W. Park, Y.H. Kim, K.S. & Lee, J.T., 2002. The Flow Noise Characteristics on Hydrophone Installation Method in the Cavitation Tunnel. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 39(1), pp.1-7. 

  3. Ahn, J.W. Park, Y.H. Moon, I.S. & Kim, K.S., 2001. Cavitation and Noise Characteristics of High-Speed Propellers with Geometric Variations. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 38(3), pp.23-30. 

  4. Blake, W.K., 1986. Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration. Academic Press, INC. 

  5. Kummert, A., 1993. Fuzzy Technology Implemented in Sonar Systems. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 18(4), pp.483-490. 

  6. Lee, S.J. Shu, J.S. & Han, J.M., 2007. Experimental Study on the Cavitation Noise of a Hydrofoil. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(2), pp.111-118. 

  7. Lee, C.S. et al., 2008. Ship Propulsion and Propeller Design. Munundang. 

  8. Song, I.H., Ahn, J.W., Kim, K.S. & Moon, I.S., 2000. Characteristics of Cavitation Noise on High-Speed Propellers. Journal of the Society of Naval Architects of 

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