[논문]수중 음향재료의 음향성능 설계기법 연구

서영수; 함일배; 전재진

doi:10.5050/ksnve.2013.23.10.920

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The requirement of acoustic performance about underwater acoustic material which is used in underwater environment more increases. Underwater acoustic material was made by viscoelastic material such as a rubber and a polyurethane etc. In order to increase an acoustic performance, several kinds of in...

The requirement of acoustic performance about underwater acoustic material which is used in underwater environment more increases. Underwater acoustic material was made by viscoelastic material such as a rubber and a polyurethane etc. In order to increase an acoustic performance, several kinds of inclusions were added to viscoelastic material. In this paper, acoustic modelling and analysis techniques were introduced and the acoustic characteristics of underwater acoustic material were studied. Echo reduction and transmission loss were calculated with volume fraction of inclusion in the material. Also the characteristic impedance and the input impedance of underwater acoustic material were obtained and effects on the echo reduction and transmission loss of material were discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 점탄성 재료에 구 형태의 산란체가 포함된 수중 음향재료의 음향성능 해석을 위한 음향성능 해석 모델 및 기법을 소개하고 산란체의 체적률에 따라 반향음 감소량(echo reduction) 및 음향투과손실(transmission loss)을 계산하였다. 수중 음향재료의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 입력 임피던스(input impedance)를 계산하고 두 가지 임피던스가 반향음 감소량 및 음향투과손실에 미치는 영향에 대해서 연구하였다.
이 논문에서는 수중 음향재료의 해석 모델 및 해석기법을 소개하고 산란체의 체적률에 따른 음향 특성 변화에 대해 해석하였다. 수중 음향재료의 특성은 적절한 유효계수를 가지는 유효매질이론을 적용하여 산란효과를 고려한 음향 전파를 모델링하였으며 동강성행렬을 이용하여 음향성능을 해석하였다.
이 논문에서는 점탄성 재료에 구 형태의 산란체가 포함된 수중 음향재료의 음향성능 해석을 위한 음향성능 해석 모델 및 기법을 소개하고 산란체의 체적률에 따라 반향음 감소량(echo reduction) 및 음향투과손실(transmission loss)을 계산하였다. 수중 음향재료의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 입력 임피던스(input impedance)를 계산하고 두 가지 임피던스가 반향음 감소량 및 음향투과손실에 미치는 영향에 대해서 연구하였다.

가설 설정

(1) 체적 V₀내의 산란체는 불규칙적으로 분포한다.
(2) 원거리 산란장 조건을 만족해야하므로 각 산란체의 중심은 유효구의 중심과 같다.
(3) 산란체간의 산란효과는 무시한다.
1은 구형 산란체의 개념도이다. 내부에 유체를 갖는 구형의 탄성체가 무한영역의 점탄성 매질에 놓여 있고 외부에서 구형 탄성체로 평면파가 입사하는 것으로 가정한다.
모재(substrate) 및 탄성체(shell)의 재질은 등방성으로 가정한다. 모재의 특성을 첨자 1, 산란체의 특성을 첨자 x 그리고 탄성체 내부 유체의 특성을 첨자 2로 나타낸다.
2는 재료 내부에 동일 크기의 산란체가 포함된 음향재료의 개념도를 나타낸다. 반경 b를 갖는 구형 산란체가 반경이 R인 모재의 체적 V₀내에 불규칙적으로 N개가 분포한다고 가정한다. 이러한 산란체를 일정한 크기와 매질의 특성을 가지는 구(sphere)로 가정할 수 있다.

제안 방법

수치해석에 사용된 모재 및 산란체의 특성은 Table 1에 나타내었으며 해석에 수행된 재료의 두께는 10 mm, 주변 유체는 물(ρ₀=1000 kg/m³, c₀=1500 m/s)이다. 각각의 재료에 대해서 반향음 감소량 및 음향투과손실을 계산하고 그 특성을 분석하였다. 먼저 모재의 물성은 동적열기계분석법(dynamic mechanical thermal analysis)이 가능한 장비를 이용하여 다양한 온도 영역에서 재료의 특성을 계측하고 이를 시간 온도 중첩 원리(time temperature superposition)를 이용하여 주파수로 변환한다.
각각의 재료에 대해서 반향음 감소량 및 음향투과손실을 계산하고 그 특성을 분석하였다. 먼저 모재의 물성은 동적열기계분석법(dynamic mechanical thermal analysis)이 가능한 장비를 이용하여 다양한 온도 영역에서 재료의 특성을 계측하고 이를 시간 온도 중첩 원리(time temperature superposition)를 이용하여 주파수로 변환한다. 모재의 특성상 전단탄성계수 및 손실계수는 주파수에 따라 3차 다항식으로 표현될 수 있으며 아래와 같다.
산란체가 포함된 수중음향재료의 음향특성을 분석하기 위해서 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 모재 및 산란체의 특성은 Table 1에 나타내었으며 해석에 수행된 재료의 두께는 10 mm, 주변 유체는 물(ρ₀=1000 kg/m³, c₀=1500 m/s)이다.
이 논문에서는 수중 음향재료의 해석 모델 및 해석기법을 소개하고 산란체의 체적률에 따른 음향 특성 변화에 대해 해석하였다. 수중 음향재료의 특성은 적절한 유효계수를 가지는 유효매질이론을 적용하여 산란효과를 고려한 음향 전파를 모델링하였으며 동강성행렬을 이용하여 음향성능을 해석하였다. 수중음향재료 내부의 산란체의 체적률이 특성 임피던스, 입력 임피던스, 반향음 감소량 및 음향투과손실에 미치는 영향을 고찰하였다.
수중 음향재료의 특성은 적절한 유효계수를 가지는 유효매질이론을 적용하여 산란효과를 고려한 음향 전파를 모델링하였으며 동강성행렬을 이용하여 음향성능을 해석하였다. 수중음향재료 내부의 산란체의 체적률이 특성 임피던스, 입력 임피던스, 반향음 감소량 및 음향투과손실에 미치는 영향을 고찰하였다. 산란체의 체적률이 증가함에 따라 특성 임피던스 및 입력 임피던스는 감소하였다.
따라서 이러한 복잡한 문제를 해결하기 위하여 적절한 유효계수(effective parameter)로 대체하면 음향 전파 모델 및 해석이 용이하게 된다. 여기서는 산란효과를 고려한 유효매질이론을 이용하여 재료 내부에 다양한 크기의 산란체가 포함된 다층구조의 음향 전파모델링을 수행하고 산란체의 체적률에 따른 음향성능 해석을 수행하였다.

대상 데이터

수치해석에 사용된 모재 및 산란체의 특성은 Table 1에 나타내었으며 해석에 수행된 재료의 두께는 10 mm, 주변 유체는 물(ρ0=1000 kg/m3, c0=1500 m/s)이다.

이론/모형

다중 산란체에 의한 음파 산란 해석은 Gaunaurd와 Überall에 의해서 개발된 GU 모델을 적용하여 수행할 수 있다.

성능/효과

반향음 감소량의 경우 산란체의 체적률이 증가할수록 반향음 감소량이 감소하였다. 그러나 음향투과손실의 경우 산란체의 체적률이 증가할수록 음향투과손실이 증가한다는 것을 알 수 있었다. Fig.
그리고 특성 임피던스는 주파수에 따라 거의 일정한 값을 가지나 입력 임피던스는 주파수에 따라 변화가 있었으며 이는 반향음 감소량 및 음향투과손실에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그리고 산란체를 포함하는 수중 음향재료는 재료의 특성 임피던스뿐만 아니라 입력 임피던스도 음향투과손실에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 산란체를 포함하는 수중 음향재료 설계 시 재료의 특성 임피던스뿐만 아니라 입력 임피던스를 동시 검토하여 설계를 수행해야 설계 요구조건에 맞는 설계 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
그리고 반향음 감소량은 감소하였고 음향투과손실은 증가하였다. 그리고 특성 임피던스는 주파수에 따라 거의 일정한 값을 가지나 입력 임피던스는 주파수에 따라 변화가 있었으며 이는 반향음 감소량 및 음향투과손실에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그리고 산란체를 포함하는 수중 음향재료는 재료의 특성 임피던스뿐만 아니라 입력 임피던스도 음향투과손실에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
수중음향재료 내부의 산란체의 체적률이 특성 임피던스, 입력 임피던스, 반향음 감소량 및 음향투과손실에 미치는 영향을 고찰하였다. 산란체의 체적률이 증가함에 따라 특성 임피던스 및 입력 임피던스는 감소하였다. 그리고 반향음 감소량은 감소하였고 음향투과손실은 증가하였다.

후속연구

그리고 산란체를 포함하는 수중 음향재료는 재료의 특성 임피던스뿐만 아니라 입력 임피던스도 음향투과손실에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 산란체를 포함하는 수중 음향재료 설계 시 재료의 특성 임피던스뿐만 아니라 입력 임피던스를 동시 검토하여 설계를 수행해야 설계 요구조건에 맞는 설계 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 음향재료는 무엇으로 제작되는가?	수중환경에서 음파의 반사 및 투과를 위해서 사용되는 수중 음향재료는 다양한 종류 및 형태로 제작되어 사용된다. 수중 음향재료는 주위 유체인 물과 임피던스를 유사하게 맞추기 위해서 주로 고무 또는 폴리우레탄 등의 점탄성 재료를 사용하여 제작되며 최적의 음향 성능을 발휘하기 위하여 기공 및 다양한 형태의 첨가재가 사용된다.
	본 연구에서 산란체의체적률에 따라 계산한 항목은 무엇인가?	이 논문에서는 점탄성 재료에 구 형태의 산란체가 포함된 수중 음향재료의 음향성능 해석을 위한 음향성능 해석 모델 및 기법을 소개하고 산란체의체적률에 따라 반향음 감소량(echo reduction) 및 음향투과손실(transmission loss)을 계산하였다. 수중 음향재료의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 입력 임피던스(input impedance)를 계산하고 두가지 임피던스가 반향음 감소량 및 음향투과손실에 미치는 영향에 대해서 연구하였다.
	음향재료 내부의 음향 전파 모델링의 재료 내부 산란체의 위치를 정확히 알 수가 없고 모재와 산란체의 경계면에서의 경계조건을 만족해야 하는 문제점의 해결 방안은 무엇인가?	재료 내부에 산란체를 갖는 음향재료 내부의 음향 전파 모델링은 재료 내부 산란체의 위치를 정확히 알 수가 없고 모재(substrate)와 산란체(scatterer)의 경계면에서의 경계조건, 즉 응력과 변위의 연속 조건을 만족해야 하는 문제점이 있다. 따라서 이러한 복잡한 문제를 해결하기 위하여 적절한 유효계수(effective parameter)로 대체하면 음향 전파 모델 및 해석이 용이하게 된다. 여기서는 산란효과를 고려한 유효매질이론을 이용하여 재료 내부에 다양한 크기의 산란체가 포함된 다층구조의 음향 전파모델링을 수행하고 산란체의 체적률에 따른 음향성능 해석을 수행하였다.

참고문헌 (9)

Gaunaurd, G. C. and Uberall, H., 1978, Theory of Resonant Scattering from Spherical Cavities in Elastic and Viscoelastic Media, Journal of Acoustical Society of America, Vol. 63, No. 6, pp. 1699-1712.

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Gaunaurd, G. C. and Uberall, H., 1982, Resonance Theory of Effective Properties of Perforated Solid, Journal of Acoustical Society of America, Vol. 71, No. 2, pp. 282-295.

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Kerr, F. H., 1992, The Scattering of a Plane Wave by Spherical Elastic Inclusion, International Journal of Engineering Science, Vol. 30, No. 2, pp. 169-186.

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Kerr, F. H., 1992, An Effective Medium Approach to the Study of Plane Wave Propagation in an Elastic Matrix with Spherical Elastic Inclusions, International Journal of Engineering Science, Vol. 30, No. 2, pp. 187-198.

상세보기
Baird, A. B., Kerr, F. H. and Townend, D. J., 1999, Wave Propagation in a Viscoelastic Medium Containing Fluid-filled Microspheres, Journal of Acoustical Society of America, Vol. 105, No. 3, pp. 1527-1538.

상세보기
Skelton, E. A. and James, J. H., 1997, Theoretical Acoustics of Underwater Structures, Imperial College Press.
Meng, T., Wei, L. T. and Hong, X. H., 2010, Noise Reduction Analysis of an Underwater Decoupling Layer, Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 132, pp. 061006-1-7.

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Seo, Y. S., Kang, M. W., Shin, K. K. and Jeon, J. J., 2011, Acoustic Performance Study of FRP Acoustic Window, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 21, No. 10, pp. 890-896.

원문보기 상세보기
Shin, K. K., Seo, Y. S., Kang, M. W. and Jeon, J. J., 2013, The Influence of Design Factors of Sonar Acoustic Window on Transfer Function of Self Noise due to Turbulent Boundary Layer, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 1, pp. 56-64.

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