[논문]탄성이론을 이용한 소나 다층구조물의 음향 수신 성능해석

권현웅; 홍석윤; 송지훈; 김성희; 전재진; 서영수

doi:10.7776/ask.2013.32.4.301

초록
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수중무기체계에 있어 소나 탐지 성능은 생존성 향상을 위한 중요한 인자이다. 소나의 음향수신 성능을 파악하기 위해서 탄성이론을 이용하여 소나 다층구조의 음향 성능을 해석하였다. 단순구조물에 대하여 탄성이론을 적용하여 얻은 본 해석 결과를 상용해석프로그램인 ANSYS와 비교하였고, 만족할만한 결과를 얻었다. 검증된 탄성이론을 이용하여 소나 다층구조의 층별 두께 변화에 따른 음압 및 반향음 감소 해석을 수행하였다. 무반향(anechoic)층의 두께가 증가할수록 주파수에 따른 음압이 고르게 분포하고 반향음 감소량이 약간 증가하는 것을 확인하였다. 비결합(decoupling)층과 스틸(steel)층의 경우 두께에 따른 음압의 변화는 거의 없으나 두꺼워질수록 반향음이 약간 감소하는 결과를 나타내었다. 탄소강화플라스틱(Carbon Reinforced Platic, CRP)층의 두께 변화는 음압과 반향음 감소량에 영향이 없는 것을 확인하였다. 따라서 소나 다층구조의 음향성능을 높이기 위해서는 무반향층을 두껍게 하고, 비결합층, 스틸층과 탄소강화플라스틱층은 최소화하는 것이 바람직할 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

SONAR detection performance is one of the key survivability factors in underwater weapon systems. In order to catch the acoustic ability of SONAR, multilayer SONAR structures are analyzed using the elastic theory. The applied results for the simple models are compared with those from commercial prog...

SONAR detection performance is one of the key survivability factors in underwater weapon systems. In order to catch the acoustic ability of SONAR, multilayer SONAR structures are analyzed using the elastic theory. The applied results for the simple models are compared with those from commercial program, ANSYS, and the reliable results are obtained. The analysis of sound pressure level (SPL) and echo reduction (ER) by the thickness change of multilayer SONAR structures are performed using the verified elastic theory. As the thickness of anechoic layer is increased, SPL is distributed evenly and ER is increased slightly with the frequency. In decoupling layers and steel layers, SPL are hardly changed and ER is slightly decreased with the thickness increase of those layers. SPL and ER are not affected by the thickness change of the carbon reinforced plastic (CRP) layer. Therefore, to improve the acoustic ability of multilayer SONAR structures, the thickness increase of the anechoic layer and minimization of the decoupling layer, steel layer and CRP layer are desirable.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ANSYS와의 비교를 통해 본 이론의 신뢰성을 확보하였기 때문에 평면파 가진시 다양한 조건에 대해 해석해 보았다. Fig.

제안 방법

탄성이론을 통한 해석의 신뢰도를 확보하기 위하여 상용 해석프로그램과 비교하여 일치되는 결과를 얻었다. 신뢰성이 확보된 이론을 바탕으로 다층구조모델에 대하여 다양한 두께를 갖는 모델에 대해 해석을 수행하였다.
적층판의 음향 성능은 TL로 평가하였으며, 소나돔 내부의 유체층의 임의 위치에서의 음압을 계산하였다. Fig.
탄성 이론의 신뢰성을 확보하기 위하여 센서 스테이브를 형성하는 배플에 대해 Fig. 2와 같은 단면을 가지는 무한 평판으로 구성된 기초모델을 고려하였다. 해당 모델은 공기와 접하고 있는 강판 위에 2층의 탄성체층이 적층되어 있고, 적층판의 위는 소나돔 내부의 유체층 그리고 소나돔의 외곽층을 형성하는 탄성체층과 바깥쪽 유체층으로 형성되어 있다.
평면파 가진시 외부 평면파에 의해 센서가 받는 영향을 알기 위해 센서위치에서의 음압을 해석하였고, 동시에 평면파 형태로 입사되는 외부파의 반사정도를 알기 위해 반향음감쇠값을 해석하였다.
해당 모델은 공기와 접하고 있는 강판 위에 2층의 탄성체층이 적층되어 있고, 적층판의 위는 소나돔 내부의 유체층 그리고 소나돔의 외곽층을 형성하는 탄성체층과 바깥쪽 유체층으로 형성되어 있다. 평면파가 해석모델 유체층에서 수직 방향으로 입사되는 상황을 설정하여 각 층에서의 TL(Transmission Loss)과 SPL(Sound Pressure Level)을 해석하였고, ANSYS의 해석 결과와 비교하였다. TL은 입사파의 크기와 투과파의 크기의 비로 나타나는 투과계수의 역수에 로그(log)를 취하고 10을 곱한 값으로 투과손실로 정의된다.

이론/모형

수중함의 선측에 길이 방향으로 부착되는 소나의 경우 무한다층평판으로 모델링하는것이 효과적이고, 다층 구조의 경우 해석 대상이 얇은 평판 이론(thin plate theory)을 적용하기에는 두껍고, 흡음재의 거동을 표현하기에도 탄성 이론이 더 적합하기 때문이다. 난류 유동 소음 해석에는 Corcos 모델을 사용하였다.
다층구조해석을 위하여 탄성이론을 적용하였다. 탄성이론을 통한 해석의 신뢰도를 확보하기 위하여 상용 해석프로그램과 비교하여 일치되는 결과를 얻었다.
본 연구에서는 소나의 다층구조해석을 위하여 무한다층평판 모델에 탄성 이론을 적용하였다. 수중함의 선측에 길이 방향으로 부착되는 소나의 경우 무한다층평판으로 모델링하는것이 효과적이고, 다층 구조의 경우 해석 대상이 얇은 평판 이론(thin plate theory)을 적용하기에는 두껍고, 흡음재의 거동을 표현하기에도 탄성 이론이 더 적합하기 때문이다.

성능/효과

Anechoic의 두께가 증가할수록 센서위치에의 음압이 고른 현상이 나타났다. 그리고 1 k~2 kHz 대역의 반향음 감소량이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 decoupling 층과 steel 층에 대해서는 두께 변화에 따른 음압의 영향은 거의 없으나 저주파수 대역에서의 반향음 감소량이 낮아지는 것을 확인하였다.
그리고 1 k~2 kHz 대역의 반향음 감소량이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 decoupling 층과 steel 층에 대해서는 두께 변화에 따른 음압의 영향은 거의 없으나 저주파수 대역에서의 반향음 감소량이 낮아지는 것을 확인하였다. CRP 층의 경우 두께의 변화에 음압과 반향음감소량의 변화가 거의 없음을 확인하였다.
다층구조해석을 위하여 탄성이론을 적용하였다. 탄성이론을 통한 해석의 신뢰도를 확보하기 위하여 상용 해석프로그램과 비교하여 일치되는 결과를 얻었다. 신뢰성이 확보된 이론을 바탕으로 다층구조모델에 대하여 다양한 두께를 갖는 모델에 대해 해석을 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ER이란?	6과 7은 무반향층의 두께가 35T, 45T, 55T, 75T일 때의 SPL과 ER(Echo Reduction)의 해석 결과이다. ER은 입사파의 크기와 반사파의 크기의 비로 나타나는 반사계수의 역수에 로그(log)를 취하고 10을 곱한 값으로 반향음 감소로 정의된다. 무반향층의 경우 두꺼울수록 음압이 고르게 나타나고, 1 kHz~2 kHz 대역의 반향음 감소량이 높게 나타난다.
	ER에서 무반향층의 경우 어떤 특징을 가지는가?	ER은 입사파의 크기와 반사파의 크기의 비로 나타나는 반사계수의 역수에 로그(log)를 취하고 10을 곱한 값으로 반향음 감소로 정의된다. 무반향층의 경우 두꺼울수록 음압이 고르게 나타나고, 1 kHz~2 kHz 대역의 반향음 감소량이 높게 나타난다. Fig.
	대표적인 수치적 해석 방법은 어떤 것들이 있는가?	다층 구조가 일반적인 형상을 가지는 경우 이론적인 해석을 적용하기에는 한계가 있으므로 컴퓨터를 이용한 수치적 해석 방법들이 적용된다. 대표적인 수치적 해석 방법에는 경계요소법(Boundary Element Method, BEM),[7]경계적분방정식법(Boundary Integral Element Method, BIEM), 유한요소법(Finite Element Method, FEM)[8,9]등이 있다. 이들 방법들은 저주파수대역의 해석에 사용되는 기법들로써, 주파수가 증가할수록 더 작은 크기의 요소를 필요로 하고, 이에 따라 요소의 증가 및 해석 시간의 증가라는 문제점이 발생하게 된다.

참고문헌 (9)

S. H. Ko and C. H. Sherman, "Flexural wave baffling," J. Acoust. Soc. Am. 66, 566-570 (1979).

상세보기
M. A. Gonzalez, "Analysis of a composite compliant baffle," J. Acoust. Soc. Am. 64, 1509-1513 (1978).

상세보기
G. Maidanik, "Acoustic radiation from a driven coated infinite plate backed by a parallel infinite baffle," J. Acoust. Soc. Am. 42, 32-35 (1967).

상세보기
S. H. Ko, S. W. Pyo, and W. J. Seong, Structure-Borne and Flow Noise Reductions (Seoul National University Press, 2001).
E. A. Skelton and J. H. James, Theoretical Acoustics of Underwater Structures (Imperial College Press, London, 1997).
L. M. Brekhovskikh, Waves in Layered Media (Academic Press, New York, 1980).
C. A. Brebbia, J. F. C. Telles, and L. C. Wrobel, Boundary Element Techniques (Springer-Verlag, New York, 1984).
O. C, Zienkiewicz and R. L. Taylor, The Finite Element Method : Volume 1 The Basis (McGRAW-. Hill, London, 2000).
E. B. Becker, G. F. Carey, and J. T. Oden, Finite Elements (Prentice-hall, New Jersey, 1981).

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