[논문]무향수조를 위한 흡음재질에 관한 연구

김성부; 이종규

doi:10.3796/ksft.2012.48.2.174

[국내논문] 무향수조를 위한 흡음재질에 관한 연구
A study on the new absorption material for anechoic water tank 원문보기

한국어업기술학회지 = Journal of the Korean Society of Fisheries Technology, v.48 no.2, 2012년, pp.174 - 179

Abstract ▼ AI-Helper

A new absorption material, cellulose sponge soaked in cement, was made for anechoic water tank and its acoustical properties were investigated by pulse methods. The sound absorption coefficient a (dB/cm) of the material was obtained in the frequency range of 40~120kHz from the echo reduction ER (dB) and insertion loss IL (dB) data. The result was averagely 1.8dB/cm higher than the sound absorption coefficient a (dB/cm) of cork-filled rubber which is one of the most effective absorption materials. The wedge (1.2~5.0cm long) type absorption tiles were made with this new material. The echo reduction ER (dB) of the absorption tile with 5.0cm wedge measured in water tank was higher than 20dB in the experimental frequency range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 현재 어군탐지기에서 주로 사용하는 주파수 대역에서 경제적이면서 반향음감쇠량이 20dB이상인 새로운 흡음재질을 제시하고자 한다. 이 흡음재질을 사용하여 쐐기형 흡음타일를 만들어 수조벽면에 부착했을 때, 무향수조의 크기는 1m에서 1.

가설 설정

여기에서 흡음판 내부에서의 음파는 큰 흡음손실로 인해 다중왕복진행은 무시할 수 있는 것으로 가정하며, p_a(0)는 물에서 흡음재질로 막 투과한 지점의 음압이고, p_a(d)는 두께 d의 흡음판을 통과한 뒤 물로 재 투과하기 직전의 음압이다.

제안 방법

다공질의 셀룰로오즈 스펀지에 시멘트로 굳힌 것을 새로운 흡음재질로 사용하여 어군탐지기에서 주로 사용하는 40〜120kHz 의 주파수대역에서 흡음에 관련된 음향학적 특성을 관측해 보았다. 우선 이 흡음재질의 흡음계수 a (dB/m)는 40kHz에서 약 8.
다음으로 쐐기의 크기에 따른 반향음감쇠량을 관측하였다. 실험에서의 흡음쐐기는 가로 2cm, 세로 1.
다음으로 이 흡음재질로 무향수조를 제작했을 때 수조의 크기에 대하여 검토하였다. 앞서 서론에서도 잠시 언급한 바와 같이 수조의 여섯면 전체가 20dB 이상의 흡음벽으로 붙어있을 때 직접파에 대한 반사파의 영향은 무시할 수 있으므로 트랜스듀서의 크기와 음파의 진동수에 따른 원거리음장의 조건만 만족하면 된다.
본 논문에서는 흡음계수 a (dB/cm)를 특성 임피던스의 측정 없이 (5)식을 이용하여 구하였다.
, 1972). 본 실험에서는 수조벽면에 부착하는 것과 같은 조건으로 하기 위해 쐐기판의 뒤편에 강체인 동판을 붙이고 관측하였다. 쐐기 크기에 따른 반향음감쇠량 (ER)을 Fig.
그리고 음원 역시 B&K사의 8103을 사용하였으며 흡음판으로부터 200cm 떨어진 지점에 두었다. 실험당시의 수온이 19.5℃이었고, 음속은 1,482m/s 이었으며, 수조벽면에서의 반사파와 직접파를 구분하기 위하여 펄스폭을 0.1ms 로 두고 측정하였다.
다음으로 쐐기의 크기에 따른 반향음감쇠량을 관측하였다. 실험에서의 흡음쐐기는 가로 2cm, 세로 1.7cm로 고정시키고, 길이를 1.2cm, 2.5cm, 3.7cm, 5.0cm로 가변시키는 쐐기형태로 만들었으며 이를 두께 1.7cm 의 흡음판 위에 붙여 흡음타일을 제작하였다. 이 경우 쐐기에 의한 흡음효과가 기대되는 쐐기의 크기는 λ_c/4 이상이어야 한다.
우선 다공질의 셀룰로오즈 스펀지에 시멘트로 굳힌 것인 새로운 흡음재질에 대한 흡음계수를 구하기 위해 가로 4m, 세로 5m, 높이 4m인 수조 내에서 Fig. 3과 같은 장치로 펄스기법을 사용하여 ER과 IL을 측정하였다.
이들 자료를 측정할 때 회절에 의한 영향을 최소화하기 위해 흡음판을 비대칭인 직사각형 (가로 35cm, 세로 27cm)으로 제작하였으며, 수중청음기는 B&K사의 8103 소형수신기로 흡음판으로부터 10cm 떨어진 지점에, 그리고 회절효과를 줄이기 위하여 흡음판의 중앙 위치에서 약간 벗어난 지점의 앞과 뒤에 두었다.

대상 데이터

그리고 음원 역시 B&K사의 8103을 사용하였으며 흡음판으로부터 200cm 떨어진 지점에 두었다.
본 논문에서는 시중에서 손쉽게 구입할 수 있는 다공질의 셀룰로오즈 스펀지에 시멘트로 굳힌 것을 새로운 흡음재질로 사용하였다. 일반적으로 다공성 재질 내에서는 입사음파가 가진 운동에너지를 상당부분 마찰에 의한 열에너지로 변환시키는 과정에서 흡음이 발생하게 된다.

성능/효과

40kHz 에서 120kHz 까지 측정된 ER은 약 6dB 전후로 거의 일정하게 나타난 반면, IL은 약 17dB 에서 39dB 까지 일정하게 증가하는 것으로 관측되었다. 이러한 관측 자료를 (5)식에 대입하면 Fig.
다음으로 새로운 흡음재질로 다양한 쐐기의 길이를 갖는 쐐기형 흡음타일을 만들어 벽에 부착했을 때의 반향음감쇠량 ER (dB)을 측정해 보았는데, λc이상인 5.0cm의 쐐기길이를 갖는 흡음타일을 부착했을 경우, 전 실험주파수 대역에서 20〜30dB의 반향음감쇠량을 보여 이 흡음타일을 무향수조의 제작에 사용했을 때 그 기능을 충분히 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
마지막으로 이 흡음타일로 무향수조를 제작했을 때 그 크기에 관해서 검토해 보았는데150kHz를 공진진동수로 갖는 진동자의 직경이12cm 이내 이거나 또는 공진진동수가 40kHz 일때의 직경이 24cm 이내일 경우, 원거리음장의 기준인 r_c값이 1m 보다 약간 더 크므로 무향수조의 크기는 가로, 세로 각 1m, 그리고 길이가 1.5m 정도이면 어군탐지용 트랜스듀서의 음향학적 특성을 측정하기 위해 충분할 것으로 판단된다.
먼저 ER을 측정하기 위하여 흡음판 앞에 있는 수신기를 통해 직접파인 p_i와 반사파인 p_r을 측정하여야 하는데 직접파와 반사파의 음원으로부터의 거리가 동일하지 못하므로 입사파의 음압은 측정값보다 0.87dB 감소된 값으로 보정되었다. 다음으로 IL을 측정하기 위하여 직접파인 p_i와 투과파인 p_t를 측정하여야 하는데, 직접파는 흡음판 뒤에 있는 수신기를 통해 흡음판이 제거된 상태에서 관측한 값이고, 투과파는 흡음판을 넣었을 때의 관측 값이다.
새로운 흡음재질에 대한 흡음계수는 40kHz에서 약 8.6dB/cm, 그리고 120kHz에서 약 21.7dB/cm로 주파수에 따라 일정하게 증가하는 것으로 나타났다.
쐐기의 길이가 거의 λc/2 부근인 1.2cm과 2.5cm 까지는 주파수가 fcutoff인 40kHz에서의 값이 5dB 부근으로 쐐기가 없을 때의 값과 별다른 차이가 없었으며, 주파수의 증가에 따라 ER 값이 다소 증가함을 보이고 있다.
트랜스듀서의 모양을 가장 흔한 원형 피스톤형이라 가정할 때, 150kHz를 공진진동수로 갖는 진동자의 직경이 12cm 이내 이거나 또는 공진진동수가 40kHz 일 때의 직경이 24cm 이내일 경우, 원거리음장의 기준인 r_c값이 1m 보다 약간 더 크므로 무향수조의 크기는 가로, 세로 각 1m,그리고 길이가 1.5m 정도이면 충분할 것으로 판단된다.

후속연구

0cm의 쐐기길이를 갖는 흡음타일을 부착했을 경우, 전 실험주파수 대역에서 20〜30dB의 반향음감쇠량을 보여 이 흡음타일을 무향수조의 제작에 사용했을 때 그 기능을 충분히 발휘할 수 있을 것으로 판단된다. 한편 다공질의 셀룰로오즈 스펀지는 시중에서 손쉽게 구입할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 흡음재질에 비해서 가격도 훨씬 저렴한 편이어서 흡음타일의 제작 또한 용이할 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무향수조의 장점은 무엇입니까?	이러한 규모의 수조제작은 공간의 확보 문제뿐만 아니라 경제적으로 꽤 큰 비용이 들어야 만 가능하게 된다. 그러나 무향수조 일 경우는 펄스폭의 제한 없이 원거리 음장 조건만 만족시키면 되므로 수조의 규모를 줄일 수 있는 이점이 있다. 이러한 무향수조의 제작을 위해서 수조벽면에 주로 무향코팅물질을 바르거나 흡음재질로 만든 쐐기를 부착한다.
	수조의 실제 설계에 있어서 우선적으로 고려해야 하는 사항은 무엇입니까?	수조의 실제 설계에 있어서 우선적으로 고려하여야 할 사항은 첫째, 트랜스듀서에서 나오는 음파가 원거리음장 (far field) 조건을 만족시킬 수 있는 거리를 확보하여야 한다는 것이고, 둘째는 어군탐지기의 펄스폭에 따라 수조 벽면에서 되돌아오는 반사파 (reflected wave)와 직접파(direct path wave)를 구분할 수 있는 거리를 확보하여 자유음장 (free field) 조건을 만족 하여야 하는 것이다 (Bobber, 1970). 보통 50kHz에서150kHz 사이의 주파수와 1ms까지의 펄스폭을 사용하는 어군탐지기일 경우에는 수조의 크기가 가로, 세로, 높이가 각각 3m에서 4m 이상이어야만 이러한 조건들을 만족시켜 음향학적 특성의 측정이 가능하게 된다.
	어군탐지용 트랜스듀서의 음향학적 특성을 측정하기 위해서 수조를 많이 이용하는데 그 이유는 무엇입니까?	어군탐지용 트랜스듀서의 음향학적 특성을 측정하기 위해 주로 수조를 많이 이용하고 있다. 이것은 편리한 위치 선정과 조정 가능한 해양환경 때문에 실제 해양에서의 측정에 비해 여러 이점을 지니고 있기 때문이다.

참고문헌 (7)

Bobber, R.J., 1970. Underwater electroacoustics measurements. Naval Research Laboratory, Washington. pp. 18－314
Clay, C.S. and H. Medwin, 1977. Acoustical oceanography. John Wiley & Sons, Inc., New York, pp. 153－155
Corsaro, R.D., J. D. Klunder and J. Jarzynski, 1980. Filled rubber materials system: application to echo absorption in waterfilled tanks. J. Acoust. Soc. Am. 68 (2), 655－664

상세보기
Darmer, C.L., 1954. An anechoic tank for underwater sound measurements under high hydrostatic pressures. J. Acoust. Soc. Am. 26 (2), 221－222

상세보기
Hagelberg, M.P. and R. D. Corsaro, 1985. A small pressurized vessel for measuring the acoustic properties of materials. J. Acoust. Soc. Am. 77 (3), 1222－1228

상세보기
Koidan, W.,G. Hruska and M. Pickett, 1972. Wedge design for national bureau of standards anechoic chamber. J. Acoust. Soc. Am. 52 (4), 1071－1076

상세보기
Zwicker, C. and C.W. Kosten, 1949. Sound absorbing materials. Elsevier Publishing Co., Inc., New York. pp. 85－106

저자의 다른 논문 :

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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