[논문]선체진동을 이용한 함정의 수중방사소음 예측

한형석; 이경현

doi:10.5050/ksnve.2013.23.5.394

선체진동을 이용한 함정의 수중방사소음 예측
Estimation of the Underwater Radiated Noise of a Naval Vessel Using Hull Vibration 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.5, 2013년, pp.394 - 400

한형석 (DTaQ) , 이경현 (DTaQ)

Abstract ▼ AI-Helper

Underwater radiated noise is one of the important performances related to stealth of the naval vessel. However, the evaluation can't be performed frequently due to the cost. Therefore, the estimation method of the underwater radiated noise with average hull vibration is suggested in this paper assuming that the hull of the ship is infinite plate which consists of various unit plates. Through the experiment, the estimated noise is verified from the comparison to the measured data. In addition the difference of underwater radiated noise according to the operating equipments is estimated with measured vibration velocity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 캐비테이션 발생 속도 이전에서 함정의 수중방사소음을 수면하 선체의 굽힘 진동에 의한 전달소음만으로 구성된다고 가정하고 선체의 진동 속도를 이용하여 수중방사소음을 예측하고자 한다.
이 연구에서는 이러한 이론적 배경 및 단순화 가정을 바탕으로 수면하 선체를 여러 개의 단순지지 강판으로 구성되어 있다고 가정하고 수중방사소음은 이들 강판의 진동에 의한 굽힘파로만 구성된다고 가정하여 수중방사소음을 예측하고자 한다.

가설 설정

선체 구성 기본 강판은 4개의 에지가 모두 보강재로 둘러싸인 강판(0.6 m×2.4 m×15 mm)으로 가정한다.
선체는 “다” 에서 언급한 여러 개의 기본강판의 배열로 구성되어 있다고 가정하며 선체 진동에 의한 수중방사소음은 선체를 구성하는 각각의 강판의 진동에 의한 소음의 합으로 가정한다.
나. 수중방사소음은 선체의 구조전달소음으로만 구성되어 있다고 가정한다(공기 투과소음 무시, 캐비테이션 발생속도 이전에서만 유효).
여기서 방사 면적은 함의 수면 하 면적을 사용하였으며 음향방사효율은 전절의 Hattori식(식 (13)~(16))을 사용하였다. 음압의 계산은 전절에서 선체를 무한강판 및 유한강판 조합으로 구성되었다고 가정하여 각각 계산하였다.
이 연구의 목적은 선체진동을 이용하여 수중방사 소음을 예측하는 것으로 다음과 같은 단순화 가정을 설정하였다.
이와 같이 측정 및 계산 결과로부터 선체진동 측정을 통해 수중방사소음을 근사적으로 예측할 수 있음을 파악할 수 있었으며 음향방사효율은 Hattori식을 사용하고 선체를 여러 개의 무한강판의 조합으로 가정하였다. 하지만 이러한 진동 신호를 통한 소음 예측은 f₀Hz 이하의 저주파에서는 실제 측정 소음 레벨과의 오차가 큼을 알 수 있었다.
하지만 시험 사정 상 원거리 계측이 어려워 선체로부터 1 m 떨어진 좌, 우현 각각 2개의 다른 지점에서 소음을 계측하고 평균값을 구한 다음, 이를 점음원에 의한 방사 소음값으로 가정하였다.

제안 방법

선체진동은 함정에 장착되는 개별 장비의 소음진동 평가로부터 최소소음을 가지는 장비조합과 최대소음을 가지는 장비조합으로 장비운용조합을 선정하고 각각의 조합으로 운용한 상태에서 평가하였다. Fig.
선체진동을 이용하여 수중방사소음을 예측하기 위해서 Fig. 1과 같이 실제 운용중인 함정에 대해 정박 중 주요장비 운전 상태에서 선체진동 및 수중 방사소음을 측정하였다. 진동 측정은 B&K Type 4513 가속도계를 이용하였으며 좌, 우현 각각 총 12점에 대해 B&K 3560B를 이용하여 계측을 수행하였다.
수중소음의 경우 선수와 후미 쪽에 하이드로폰(B&K Type 8103)을 이용하여 선체에서 1 m 떨어진 지점에서 수면 하로 4 m 떨어진 지점에서 좌현 및 우현에 대해 계측하였다.
이 연구에서는 선체를 무한강판으로 가정한 단위 강의 조합으로 가정하고 음향방사효율을 Hattori가 제안한 식을 사용하여 선체진동 측정을 통해 수중방사소음을 예측하였다. 선체진동 레벨은 장비 운용 중 수면 하 선체에 대해 여러 지점에서 측정하였으며 수중방사소음 계산 시 선체진동은 측정된 진동레벨의 평균값을 사용하였다.
이 연구에서는 현재 해군에서 운항중인 특정 함정에 대해 선체에 총 8개의 가속도계를 설치하여 운항장비 및 속도별 진동레벨을 측정하였으며 이를 바탕으로 선체진동에 의한 수중방사소음을 앞서 언급한 방법을 통해 예측해보았다.
진동 측정은 B&K Type 4513 가속도계를 이용하였으며 좌, 우현 각각 총 12점에 대해 B&K 3560B를 이용하여 계측을 수행하였다.

데이터처리

이 연구에서는 선체를 무한강판으로 가정한 단위 강의 조합으로 가정하고 음향방사효율을 Hattori가 제안한 식을 사용하여 선체진동 측정을 통해 수중방사소음을 예측하였다. 선체진동 레벨은 장비 운용 중 수면 하 선체에 대해 여러 지점에서 측정하였으며 수중방사소음 계산 시 선체진동은 측정된 진동레벨의 평균값을 사용하였다.

이론/모형

여기서 방사 면적은 함의 수면 하 면적을 사용하였으며 음향방사효율은 전절의 Hattori식(식 (13)~(16))을 사용하였다. 음압의 계산은 전절에서 선체를 무한강판 및 유한강판 조합으로 구성되었다고 가정하여 각각 계산하였다.

성능/효과

Table 1은 Figs. 2~3의 결과값에 대해 100 Hz~6400 Hz까지의 음압레벨값의 비교결과이며, 무한강판 및 Hattori의 음향방사효율을 적용했을 때 계산된 음압레벨이 실험결과와 가장 유사함을 알 수 있다.
5와 같이 최소소음 장비 조합 및 최대소음 장비조합 시 수중방사소음을 예측할 수 있었다. Fig. 5에서 최대소음장비조합 대비 최소소음장비 조합의 각 주파수에서 방사소음 스펙트럼 레벨 비교 결과, 소음차이가 최대 8.25 dB까지 저감됨을 알 수 있었다. 이러한 수중방사소음의 저감량에 따라 함정의 탐지 가능 거리가 얼마만큼 줄어드는지는 식 (17)의 소나방정식으로부터 식 (18)~(19)와 같이 근사적으로 예측할 수 있다.
선체진동 측정 결과로부터 수중방사소음을 예측 해본 결과 Fig. 5와 같이 최소소음 장비 조합 및 최대소음 장비조합 시 수중방사소음을 예측할 수 있었다. Fig.
이 연구 결과로 부터 선체진동 측정을 통해 수중방사소음 레벨의 근사적 예측이 가능하며 운용중인 특정 함정에 대해 장비 조합운전에 따른 수중방사소음의 차이를 계산을 통해 예측할 수 있었다. 예측결과로부터 최소소음 장비 조합 운전 시 수중방사소음이 최대소음 장비 조합 운전 시 대비 f₁Hz에서 최대 8.25 dB까지 차이날 것으로 예측되었으며 이러한 소음 저감을 통해 피탐거리는 “1/2.59”배까지 감소할 수 있음을 예측할 수 있었다.
이 연구 결과로 부터 선체진동 측정을 통해 수중방사소음 레벨의 근사적 예측이 가능하며 운용중인 특정 함정에 대해 장비 조합운전에 따른 수중방사소음의 차이를 계산을 통해 예측할 수 있었다. 예측결과로부터 최소소음 장비 조합 운전 시 수중방사소음이 최대소음 장비 조합 운전 시 대비 f₁Hz에서 최대 8.
정박 중 실제 함정의 수중방사소음 측정 결과와 계산을 통한 예측 결과로부터 f₀Hz 이상의 고주파 영역에서는 이 연구에서의 가정을 통해 예측한 결과가 실제 측정 결과와 유사함을 알 수 있었다. 하지만 f₀Hz 이하의 저주파에서는 오차가 큼을 알 수 있었다.
최근 건조된 구축함의 경우 프로펠러에서 발생하는 공동 현상(Cavitation)에 의한 소음이 수중방사소음의 주 원인으로 분류되어 있으나 공동 현상이 발생하기 이전에는 주추진기, 보조기기 및 배관계통 소음이 주 소음원으로 분류된다. 최근 건조된 함정의 수중방사소음 측정 결과로부터 공동현상 발생이 전 속도에서는 속도별로 소음레벨 차이가 거의 나지 않으며 유체동력학적 소음 소스의 전체 소음에 대한 기여도가 크지 않음을 알 수 있었다.

후속연구

이 연구에서 함정 소음 계측 시 선체에서 1 m 떨어진 지점에서의 소음 평균값으로 가정하였으나 위치에 따른 소음 변화로 인해 소음 평균값이 달라질 수 있으므로 향후 실험에서는 원거리에서 하이드로폰 배열로 소음을 측정하여 재확인할 예정이다. 또한 수면하 선체에 대해 보다 많은 지점에서 진동을 계측하여 선체진동 평균값을 보다 정확히 산출할 예정이다.
이 연구에서 함정 소음 계측 시 선체에서 1 m 떨어진 지점에서의 소음 평균값으로 가정하였으나 위치에 따른 소음 변화로 인해 소음 평균값이 달라질 수 있으므로 향후 실험에서는 원거리에서 하이드로폰 배열로 소음을 측정하여 재확인할 예정이다. 또한 수면하 선체에 대해 보다 많은 지점에서 진동을 계측하여 선체진동 평균값을 보다 정확히 산출할 예정이다.
보다 정확한 예측을 위해서는 실내 공기소음 등 기타 소음 전달 경로의 고려가 필요하고 기계류 소음의 각각의 주요 주파수 성분에 대한 예측 정확도를 높여야 한다. 이는 추후 연구에 반영할 예정이다.
이러한 저주파에서의 오차는 앞서 2절에서 언급한 단순화 가정에 대한 한계로 판단된다. 저주파에서 소음 예측값과 실제 계측값의 오차가 존재하긴 하지만 수중방사소음 관리를 위해 선체진동을 지속적으로 관리하게 되면 함 내부 장비의 진동 변화 등으로 인한 선체진동 변화 및 이로 인한 수중방사소음의 변화를 충분히 모니터링할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함정의 수중방사소음을 통해 할 수 있는 것은?	함정의 수중방사소음은 함정의 스탤스 성능과 연관되어 매우 중요한 성능 지표 중 하나이며 이를 저감하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 함정의 수중방사소음은 적함의 음향 탐지 체계 및 어뢰가 탐지하는 주요 소음 원이며 함정 수중방사 소음의 전반적인 에너지 수준의 측정을 통해 아함의 피탐 위험도 평가가 가능하고 음향 징표 획득 및 데이터베이스 구축에 의한 피·아 식별이 가능하다. 따라서 수중방사소음을 저감하는 연구의 중요성은 크다고 할 수 있다.
	선체진동을 이용하여 수중방사 소음을 예측하기 위해 설정한 단순화 가정은?	가. 수중방사소음은 보통 선체를 점음원으로 간주할 수 있을 만큼 원거리에서 측정된다. 나. 수중방사소음은 선체의 구조전달소음으로만 구성되어 있다고 가정한다(공기 투과소음 무시, 캐비테이션 발생속도 이전에서만 유효). 다. 선체 구성 기본 강판은 4개의 에지가 모두 보강재로 둘러싸인 강판(0.6 m×2.4 m×15 mm)으로 가정한다. 라. 선체는 “다” 에서 언급한 여러 개의 기본강판의 배열로 구성되어 있다고 가정하며 선체 진동에 의한 수중방사소음은 선체를 구성하는 각각의 강판의 진동에 의한 소음의 합으로 가정한다.
	함정의 수중방사소음은 어떤 소음원입니까?	함정의 수중방사소음은 함정의 스탤스 성능과 연관되어 매우 중요한 성능 지표 중 하나이며 이를 저감하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 함정의 수중방사소음은 적함의 음향 탐지 체계 및 어뢰가 탐지하는 주요 소음 원이며 함정 수중방사 소음의 전반적인 에너지 수준의 측정을 통해 아함의 피탐 위험도 평가가 가능하고 음향 징표 획득 및 데이터베이스 구축에 의한 피·아 식별이 가능하다. 따라서 수중방사소음을 저감하는 연구의 중요성은 크다고 할 수 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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Hattori, K., Nakamachi, K. and Sanada, M., 1985, Prediction of Underwater Sound Radiated From Ship's Hull by Using Statistical Energy Analysis, Internoise-85, pp. 645-648.

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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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