[논문]FRP 음향창의 음향성능 설계기법 연구

서영수; 강명환; 신구균; 전재진

doi:10.5050/ksnve.2011.21.10.890

[국내논문] FRP 음향창의 음향성능 설계기법 연구
Acoustic Performance Study of FRP Acoustic Window 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.10, 2011년, pp.890 - 896

서영수 (국방과학연구소) , 강명환 (국방과학연구소) , 신구균 (국방과학연구소) , 전재진 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

For developing acoustic window, transmission loss in accordance with incident angle was calculated and compared with measurement results. In design stage, the material choice of acoustic window is very important because the material is one of main parameters of transmission loss and structural strength. In order to analyze the effect of material properties on transmission loss, the parametric studies were carried out and the results were discussed in this paper. And, to verify the design specification of acoustic window, measurement was carried out and the results were compared and analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 음향창의 음향성능 설계를 위하여 음파의 입사 각도별 투과손실 예측을 위한 해석 기법을 정립하고 음향창 재질 요소가 투과손실에 미치는 영향을 해석하였다. 그리고 음향창 설계요구 사양을 검증하기 위해 평판 시편을 제작하고 투과손실 시험 후 해석 및 시험 결과를 비교 분석하였다.
이 논문에서는 음향창의 투과손실에 대해 살펴보았다. 먼저, 음향창의 투과손실을 계산하기 위하여 음향창을 무한평판이라고 가정하고 유체층과 탄성 층으로 구성된 동강성 행렬을 구성하였다.

가설 설정

이 논문에서는 음향창의 투과손실에 대해 살펴보았다. 먼저, 음향창의 투과손실을 계산하기 위하여 음향창을 무한평판이라고 가정하고 유체층과 탄성 층으로 구성된 동강성 행렬을 구성하였다. 음향창의 설계 사양인 음향 투과손실 1 dB를 만족하는 음향 창을 제작하기 위하여 음향창의 요구 물성치를 기준으로 해석을 수행하였다.

제안 방법

초기에 트랜스듀서의 방사방향과 시편의 평면이 수직이 되도록 위치시키고 음압 수준을 측정한다. Rotator를 이용하여 음향시편이 0˚ ~ 50˚가 되도록 5˚ 간격으로 회전시키며 각 각도로 시험하였다.
이 논문에서는 음향창의 음향성능 설계를 위하여 음파의 입사 각도별 투과손실 예측을 위한 해석 기법을 정립하고 음향창 재질 요소가 투과손실에 미치는 영향을 해석하였다. 그리고 음향창 설계요구 사양을 검증하기 위해 평판 시편을 제작하고 투과손실 시험 후 해석 및 시험 결과를 비교 분석하였다.
6과 7은 탄성계수 및 푸아송비의 변화에 따른 투과손실 값은 나타내었다. 두 경우 모두 투과손실 값이 앞의 두 경우와 같이 5 %씩 변화할 경우는 투과손실에서 크게 차이가 없어 0.1배에서 10배에 해당하는 값을 이용하여 해석을 수행하였다. 탄성계수의 경우 값이 작아지면 투과손실이 작아져 음향 성능이 좋아지지만 강성이 떨어져서 구조적인 문제점이 발생할 가능성이 있다.
음향창의 설계 사양은 소나의 운용주파수 및 탐지각 범위에서 1 dB 이하의 음향 투과손실 값과 음탐기의 운용환경에서 구조 안전성이다. 따라서 음향성능과 구조성능에 영향을 미치는 요소로 두께, 밀도, 탄성계수, 푸아송비를 선정하였다. 요소의 변동량은 각 요소의 변화 특징에 따라 해석을 수행하여 Figs.
음향창의 설계 사양인 음향 투과손실 1 dB를 만족하는 음향 창을 제작하기 위하여 음향창의 요구 물성치를 기준으로 해석을 수행하였다. 먼저 음향 투과손실에 영향을 미치는 요소로 두께, 밀도, 탄성계수 그리고 프와송비로 선정하고 각 요소의 변화에 따른 투과손실의 변화를 해석하였다. 해석 결과, 음향창의 요구 물성치로 제시된 값의 10% 변화에 대해서는 음향창 설계사양을 만족할 만한 수준의 음향 투과손실 값을 얻을 수 있었다.
수치해석 결과 및 음향창 설계요구 사양을 검증하기 위하여 음향창 평판 시편을 제작하여 투과손실 시험을 수행하였다. 시험 및 이론 해석 결과와 비교하여 해석모델의 타당성을 검증할 수 있었으며 시험에서 나타난 일정한 각도에서의 음향 투과손실 증가가 임계각에 의한 영향임을 알 수 있었고 이는 재료의 푸아송비에 따라 임계각 및 투과손실이 변화는 것을 확인하였다.
음향 시편이 설치되지 않은 상태에서 측정 주파수의 1파장 및 3파장 신호를 표준 트랜스듀서를 통하여 각각 방사하고 하이드로폰으로 기준 음압 수준을 측정하였다.
먼저, 음향창의 투과손실을 계산하기 위하여 음향창을 무한평판이라고 가정하고 유체층과 탄성 층으로 구성된 동강성 행렬을 구성하였다. 음향창의 설계 사양인 음향 투과손실 1 dB를 만족하는 음향 창을 제작하기 위하여 음향창의 요구 물성치를 기준으로 해석을 수행하였다. 먼저 음향 투과손실에 영향을 미치는 요소로 두께, 밀도, 탄성계수 그리고 프와송비로 선정하고 각 요소의 변화에 따른 투과손실의 변화를 해석하였다.
음향창의 음향성능을 설계하기 위한 해석 방법을 검증하기 위하여 평판 시편에 대하여 시험을 수행하였다. 이 시험의 대상이 되는 평판 시편의 적용 소재는 Table 1과 같다.
그리고 푸아송비가 증가할 경우 임계각에 의한 투과손실값이 커짐을 알 수 있었다. 이 논문에서는 음향창의 구조성능과 음향성능을 고려하여 음향창의 두께를 20 mm로 선정하고 음향창의 투과손실을 시험하고 해석 결과와 비교하였다.
재질 요소가 투과손실에 미치는 영향을 분석하기 위하여 Table 1에 나타낸 음향창 평판시편에 대한 파라메트릭 해석을 수행하였다. 음향창의 설계 사양은 소나의 운용주파수 및 탐지각 범위에서 1 dB 이하의 음향 투과손실 값과 음탐기의 운용환경에서 구조 안전성이다.
트랜스듀서와 하이드로폰 사이의 거리 및 벽면에서의 거리 그리고 출력신호의 펄스 길이, 파장을 조절하여 수면이나 벽면의 반사파로 인한 영향이 없도록 위치를 결정하였다. 시험장치의 구성은 Fig.
획득된 시험 데이터의 분석은 참고문헌⁽³⁾을 참조 하여 3파장 신호에 대하여 계측하여 분석을 실시하였다. 평판 시편에 대하여 계측된 결과와 다층 무한 평판의 투과손실 해석기법을 적용하여 수치 해석한 결과와 비교하여 Fig.

대상 데이터

음향 투과손실 측정에 사용된 시편은 2,000 mm×2,000 mm×20 mm(가로×세로× 두께) 크기의 평판으로 제작되었다.

성능/효과

두께가 증가할수록 일정한 값을 가지고 투과손실값이 증가함을 확인할 수 있다. 그리고 입사각이 증가할수록 투과손실 증가값이 작아지는 것을 알 수 있었으며 약 25˚ 근처에서 아주 작지만 임계각에 의한 투과손실 증가가 생기는 것을 알 수 있다. Table 1에서 제시된 값을 이용하여 음향창으로 입사하는 음파의 임계각을 계산하면 다음과 같다.
탄성계수의 경우, 10배 줄어들면 아주 우수한 투과손실값을 가지는 음향창을 만들 수 있으나 구조 안전성 측면에서 검토한 후 제작을 고려해야 할 것이다. 그리고 푸아송비가 증가할 경우 임계각에 의한 투과손실값이 커짐을 알 수 있었다. 이 논문에서는 음향창의 구조성능과 음향성능을 고려하여 음향창의 두께를 20 mm로 선정하고 음향창의 투과손실을 시험하고 해석 결과와 비교하였다.
4는 F1 주파수에서 음향창의 두께 변화에 대한 투과손실 변화값을 나타낸다. 두께가 증가할수록 일정한 값을 가지고 투과손실값이 증가함을 확인할 수 있다. 그리고 입사각이 증가할수록 투과손실 증가값이 작아지는 것을 알 수 있었으며 약 25˚ 근처에서 아주 작지만 임계각에 의한 투과손실 증가가 생기는 것을 알 수 있다.
수치해석 결과 및 음향창 설계요구 사양을 검증하기 위하여 음향창 평판 시편을 제작하여 투과손실 시험을 수행하였다. 시험 및 이론 해석 결과와 비교하여 해석모델의 타당성을 검증할 수 있었으며 시험에서 나타난 일정한 각도에서의 음향 투과손실 증가가 임계각에 의한 영향임을 알 수 있었고 이는 재료의 푸아송비에 따라 임계각 및 투과손실이 변화는 것을 확인하였다.
F1 주파수와 F2 주파수에서는 입사각에 따라 1 dB 이내의 투과손실값을 가지는 것을 시험과 해석 결과를 통해서 확인할 수 있다. 시험과 해석 모두 주파수가 증가함에 따라 투과손실이 증가함을 알 수 있고 각 주파수에 대한 입사각의 증가에 대해서는 투과손실이 감소함을 확인할 수 있다. 시험의 경우 25˚를 전후로 하여 투과손실이 증가하는데 이는 앞서 언급한 임계각에 의한 영향으로 생각된다.
푸아송비의 경우 현재의 값보다 작을 경우는 투과손실에 큰 차이가 없었으며 증가할 경우 그림과 같이 큰 변화를 보였다. 특히 5배와 10배에 해당하는 값을 적용하였을 경우, 임계각에 의한 영향이 크게 나타났으며 푸아송비가 증가함에 따라 임계각의 크기가 감소하고 동시에 투과손실이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과, Table 1에 제시된 음향창의 요구사양에서 10% 증가해도 투과손실이 1 dB 이내로써 음향적인 측면에서는 허용이 가능할 것으로 생각된다.
특히 5배와 10배에 해당하는 값을 적용하였을 경우, 임계각에 의한 영향이 크게 나타났으며 푸아송비가 증가함에 따라 임계각의 크기가 감소하고 동시에 투과손실이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과, Table 1에 제시된 음향창의 요구사양에서 10% 증가해도 투과손실이 1 dB 이내로써 음향적인 측면에서는 허용이 가능할 것으로 생각된다. 탄성계수의 경우, 10배 줄어들면 아주 우수한 투과손실값을 가지는 음향창을 만들 수 있으나 구조 안전성 측면에서 검토한 후 제작을 고려해야 할 것이다.
먼저 음향 투과손실에 영향을 미치는 요소로 두께, 밀도, 탄성계수 그리고 프와송비로 선정하고 각 요소의 변화에 따른 투과손실의 변화를 해석하였다. 해석 결과, 음향창의 요구 물성치로 제시된 값의 10% 변화에 대해서는 음향창 설계사양을 만족할 만한 수준의 음향 투과손실 값을 얻을 수 있었다. 이는 복합재 재질로 만들어지는 음향창의 제작공장 상 발생할 수 있는 오차 범위 내로 판단되며 10% 정도의 물성 변화에 대해 서는 설계 사양을 만족할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음향 투과손실에 영향을 미치는 요소로 선정한 것은?	음향창의 설계 사양인 음향 투과손실 1 dB를 만족하는 음향 창을 제작하기 위하여 음향창의 요구 물성치를 기준으로 해석을 수행하였다. 먼저 음향 투과손실에 영향을 미치는 요소로 두께, 밀도, 탄성계수 그리고 프와송 비로 선정하고 각 요소의 변화에 따른 투과 손실의 변화를 해석하였다. 해석 결과, 음향창의 요구 물성치로 제시된 값의 10% 변화에 대해서는 음향창 설계사양을 만족할 만한 수준의 음향 투과손실 값을 얻을 수 있었다.
	음향창이란?	소나돔 구조물 중에서 음향 에너지가 출입할 수 있는 부분을 음향창(acoustic window)이라 하며 이음향창은 구조적 측면에서 충분한 강도 및 강성을 보유하여야 할 뿐 아니라 음향적 측면에서는 최소한의 음향 에너지 투과손실을 갖는 형상 및 재질로 설계 및 제작되어야 한다. 즉, 음향 투과손실을 최소화하기 위해서는 음향창의 두께를 가능한 줄여야 하나 이는 구조적 안전성을 저해하는 요인으로 작용한다.
	투과 손실의 변화를 해석한 결과는?	먼저 음향 투과손실에 영향을 미치는 요소로 두께, 밀도, 탄성계수 그리고 프와송 비로 선정하고 각 요소의 변화에 따른 투과 손실의 변화를 해석하였다. 해석 결과, 음향창의 요구 물성치로 제시된 값의 10% 변화에 대해서는 음향창 설계사양을 만족할 만한 수준의 음향 투과손실 값을 얻을 수 있었다. 이는 복합재 재질로 만들어지는 음향창의 제작공장 상 발생할 수 있는 오차 범위 내로 판단되며 10% 정도의 물성 변화에 대해 서는 설계 사양을 만족할 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌 (6)

Brekhovskikh, L. M., 1980, Waves in Layered Media, Academic Press, London.
Skelton, E. A. and James, J. H., 1997, Theoretical Acoustics of Underwater Structures, Imperial College Press.
Jung, W. J., Han, S. J., Kim, W. H., Shin, K. K. and Jeon, J. J., 2006, A Study on the Measurement and Analysis Method for the Acoustic Transmission Loss of the Material for the Acoustic Window of Sonar Dome, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 16, No. 7, pp. 729-738.

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Lee, J. H., Kim, B. N., Shin, K. K. and Yoon, S. W., 2010, Insertion Loss of Sound Waves Through Composite Acoustic Window Materials, Current Applied Physics, Vol. 10, No. 1, pp. 138-144.

상세보기
Lee, S. J. and Yoon, S. W., 2010, Acoustic Characteristics of Composite Materials as Acoustic Window at Oblique Incident of Sound Waves, Current Applied Physics, Vol. 10, No. 2, pp. 381-385.

상세보기
Humphrey, V. F. and Berktay, H. O., 1985, The Transmission Coefficient of a Panel Measured with a Parametric Source, Journal of Sound and Vibration, Vol. 101, No. 1, pp. 85-106.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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