[논문]중구경 화포용 소음기 개발을 위한 실험적 연구

이해석; 박성호

doi:10.9766/kimst.2014.17.6.725

[국내논문] 중구경 화포용 소음기 개발을 위한 실험적 연구
An Experimental Study on the Development of Silencer for the Medium Caliber Gun 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.17 no.6, 2014년, pp.725 - 732

이해석 (국방과학연구소 종합시험본부) , 박성호 (국방과학연구소 종합시험본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The silencer for the medium caliber gun was studied to reduce the propagation of gun-generated noise from the firing test range to the community. Three types of silencer were made to compare the reduction of sound pressure level and the effect of chamber volume and the exit angle to the reduction of sound pressure was considered. The structural analysis and measurement of pressure in the silencer showed that the structure is safe in terms of strength. The increase of recoil force to buffer must be considered in the development of silencer. The hypothesis test on the muzzle velocity for the existence of silencer showed that there are no difference at the significance level of 0.05.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 중구경 화포용 소음기의 설계특성을 도출하기 위한 해석, 설계 및 실험결과이다. 논문의 전반부에 충격소음 및 소음기의 설계와 관련한 이론을 고찰하였다.
9와 같이 소음기의 중앙에 챔버 용량을 조절할 수 있도록 가변형으로 설계하였다. 챔버 용량을 조절하지 않은 형태가 기본형이며 본 연구에서는 소음기의 종방향으로 100 mm 및 200 mm의 길이로 가변된 두 가지 형태에 대하여 소음저감 특성을 연구하였다. 소음기의 내부에는 압력센서를 설치하여 내압을 측정하였다.

가설 설정

통계적 가설이란 대상 모집단에서 정의되는 하나 이상의 확률변수의 분포에 대한 주장이나 추측을 말하며 귀무가설과 대립가설을 설정하여 검정한다. 귀무가설(H₀)은 검정의 대상이 되는 가설이며 대립가설(H₁)은 귀무가설에 대립되는 가설이다. 귀무가설이 기각(혹은 채택)되면 대립가설이 채택(혹은 기각)됨을 의미한다[13].

제안 방법

본 논문은 중구경 화포용 소음기의 설계특성을 도출하기 위한 해석, 설계 및 실험결과이다. 논문의 전반부에 충격소음 및 소음기의 설계와 관련한 이론을 고찰하였다. 중반부에서는 소음기의 구조 안전성과 계측 방법 등에 대하여 기술하였다.
소음기 내부에서 탄두가 이동하는 구간에 Fig. 12와 같이 직경과 출구각이 조절되도록 하여 출구특성에 따른 소음저감도를 확인하였다.
소음기 장착이 화포의 주퇴력에 미치는 영향을 확인하였다. 사격시 고각의 영향을 무시할 때 주퇴구간에서 운동방정식은 식 (11)과 같으며, 복좌구간에서 외력(B(t))이 없으므로 식 (12)와 같다.
소음기를 구성하는 각 챔버가 지지대에 고정되어 있기 때문에 정적구조해석을 실시하였으며, 해석시간은 I7 CPU, Memory 24GB, Hex Core를 사용하여 약 1시간 정도가 소요되었다.
14를 사용하여 중구경 화포용 소음기에 대한 구조해석을 실시하였다. 소음기의 구조해석에 앞서 소음기 내부에 대한 유동해석을 실시하여 각 시간대별 소음기 내부의 각 지점에서 발생한 최대 압력값을 구조해석에서 압력 경계조건으로 사용하였다.
소음기의 내부에 작용하는 최대 압력을 확인하여 소재 안전성을 검토하였다. 소음기 내부에 8개의 압력센서를 전, 후방에 각 1개, 측면에 6개를 균등한 간격으로 부착하였다.
하부면은 바닥에 고정된 조건을 부여하였으며 중심단면은 대칭방향으로 변형이 발생하지 않도록 조건을 부과하였다. 유동해석은 2차원으로 수행되었기 때문에 3차원 구조해석의 경계조건으로 Surface Mapping이 어려워, 유동해석 결과에서 도출된 챔부내부의 압력을 각 챔버의 해당 지점에 부과하여 구조해석을 수행하였다. 게다가 유동해석 결과는 시간에 따라 변화하므로 소음기의 각 위치별 최대압력을 압력 경계조건으로 부과하였다.
음압 계측 센서는 B&K사의 4954B, 106B등을 사용하였으며 포구를 중심으로 반경 4m, 8m, 12m 그리고 20m 간격으로 사격방향에 대하여 시계방향으로 45°, 90°, 135° 지점에 포구 높이와 동일하게 설치하였다.
중구경 화포용 소음기의 개발을 위하여 제작된 몇가지 형태의 소음기에 대한 실험 결과로 부터 아래와 같은 설계 특성을 도출하였다.
중반부에서는 소음기의 구조 안전성과 계측 방법 등에 대하여 기술하였다. 후반부에서는 주파수 분석, 소음기 유무에 따른 소음저감도 비교, 그리고 소음기가 포구속도와 주퇴력에 미치는 영향 등을 분석하였으며 결론으로 중구경 화포용 소음기의 개발을 위한 설계방안을 제시하였다.

대상 데이터

4는 구조해석을 위한 모델이며 축대칭 문제로 중심단면을 기준으로 절반의 영역을 해석범위로 선정하였다. 구조해석에 사용된 격자의 특성은 Table 1과 같으며 Tetra 및 Hexa 격자를 사용하였다.

데이터처리

구조해석 프로그램인 ANSYS Ver.14를 사용하여 중구경 화포용 소음기에 대한 구조해석을 실시하였다. 소음기의 구조해석에 앞서 소음기 내부에 대한 유동해석을 실시하여 각 시간대별 소음기 내부의 각 지점에서 발생한 최대 압력값을 구조해석에서 압력 경계조건으로 사용하였다.
소음기의 장착이 포구속도의 변화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 통계적 가설검정을 실시하였다. 통계적 가설이란 대상 모집단에서 정의되는 하나 이상의 확률변수의 분포에 대한 주장이나 추측을 말하며 귀무가설과 대립가설을 설정하여 검정한다.

성능/효과

네 번째 챔버의 오른쪽 격판에서 150 MPa로 최대 응력이 발생하였지만 소재의 항복강도인 325 MPa보다 작다. 구조해석시 변형량은 소음기 출구부분의 격판에서 0.53 mm으로 변형량이 최대이며 다른 부분은 0.2 mm 이하의 변형이 발생하는 것으로 예측되었다. 안전율은 2 이상으로 소음기의 구조적 안전성을 확인하였다.
다섯째, 소음기는 포구속도에 통계적으로 유의한 영향을 주지 않는다.
6은 구조해석 결과에 따른 응력분포이다. 두번째 챔버의 오른쪽 격판에서 76 MPa의 응력이 발생하였고, 세 번째 챔버의 오른쪽 격판에서 146 MPa의 응력이 발생하였다. 네 번째 챔버의 오른쪽 격판에서 150 MPa로 최대 응력이 발생하였지만 소재의 항복강도인 325 MPa보다 작다.
셋째, 소음기의 탄두 출구각은 -4° 보다 0°에서 소음저감도가 양호하다.
첫째, 중구경 화포용 소음기에 대한 사격시험 결과 10 dB의 음압이 저감되었으며 소음기의 체적이 증가할수록 소음저감도가 증가한다.
11은 소음기 미장착, 기본형, 그리고 가변형(100 mm, 200 mm)에 따른 소음저감도이다. 포구전방 4 m에서 소음기를 장착하지 않았을 때 180 dB, 소음기를 장착했을 때 167 dB로 13 dB의 소음이 저감되었음을 확인할 수 있다.
포구좌측 200 m 지점에서 기본형과 가변형(100 mm)의 경우 약 7 dB의 소음저감도를 보였으며, 가변형 (200 mm)에서 약 10 dB의 소음의 저감되었다. 화포용 소음기의 챔버 체적이 증가할수록 소음저감도가 커짐을 확인할 수 있다.

후속연구

넷째, 포구전방에서 발생되는 압력파는 소음기 내부 격실과 충돌하여 주퇴력이 상승하므로 소음기 설계시 소음기의 체적을 증가시킬 필요가 있다.
둘째, 고주파 성분에 의한 소음기의 공진현상을 방지하기 위하여 소음기 내부에 흡음재의 설치가 필요하며 고온의 화염과 폭압에 견딜 수 있는 재질을 사용해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소리란 무엇인가?	소리는 물체의 진동에 의하여 생긴 음파가 공기의 압력 변화를 유발하면서 사람의 청각기관을 자극하여 청각을 일으키는 주파수 대역을 갖는 파동이다. 사람이 들을 수 있는 소리의 범위를 가청주파수라고 하며 16～20,000 Hz의 영역이다.
	음압 강도란?	음압 강도(sound peak level, SPL)는 소음원이 방출하는 에너지의 척도이며 식 (4)와 같이 정의되는 무차원수이다. 여기서, W0 = 10-12(단위 : Watt)이고 W는 소음원이 발생시키는 음의 일률이다.
	화포 사격 시 발생하는 충격소음은 어떤요인으로 발생하는가?	또한, 사격장 인근 주민은 소음으로 인한 심리적 피해를 느낄 수 있기 때문에 민원의 원인이 된다. 사격 시 발생하는 충격소음은 추진가스의 팽창에 의한 포구폭풍, 초음속 탄두에 의한 공기파열음, 그리고 탄두 폭발소음의 3가지 요인으로 발생한다[1-3]. 국내에서 다양하게 연구되는 소음민원 해소방안은 대부분 민수분야에서 이루어지고 있다.

참고문헌 (13)

J. W. Kim, "An Experimental Study of Design, Manufacture and Noise Reduction of Silencer for K-2 rifle," Graduate School of Military Science, pp. 3-4, 1999.
Jesse W. M. DuMond, E. Richard Cohen, W. K. H. Panofsky and Edward Deeds, "A Determination of the Wave Forms and Laws of Propagation and Dissipation of Ballistic Shock Waves," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 18, No. 1, pp. 97-118, 1946.

상세보기
K. J. Kang, S. H. Ko, Y. K. Kwak, D. J. Lee, and I. C. Lee, "An Evaluation of Silencer Characteristics by Live Firing Test," Journal of the KIMST, Vol. 10, No. 3, pp. 217-224, 2007.
G. K. Hokenson, "Evaluation of an Add-on Muzzle Exhaust Flow Manipulator for Noise Suppression on Large Caliber Guns," AD-A196-601, 1998.
Kevin S. Fansler, Muffler Design for Tank Cannon Acceptance Testing," pp. 6-10, 1991.
Alan C. Paulson, Silencer History and Performance, Vol. 1, Paladin Press, Colorado, pp. 151-161, 1996.
Y. H. Kim, "A Lecture of Acoustics," Chung Moon Gak, Korea, pp. 243-247, 2008.
I. W. Cha, "Noise and Vibration Engineering," Moon Woon Dang, Korea, pp. 301-302, 1994.
K. S. Sim, et. al., Mechanics of Materials, Dae Woong, Korea, pp. 33-35, 1993.
US DOD, "Noise for Army Material," MIL-STD-1474 B(MI), pp. 16-17, 1979.
US Army TECOM, "Sound Level Measurement," TOP 1-2-608, 1981.
Arnold P. G. Peterson, "Handbook of Noise Measurement," GenRad Inc., USA, pp. 3-18, 1984.
Y. S. Yu, Statistical Quality Control, Korea Standard Association, Korea, pp. 130-132, 2003.

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