[논문]방사효율과 방사방향 계수에 대한 새로운 산출기법 연구

정우진; 이종주; 강명환; 전재진

doi:10.5050/ksnve.2013.24.2.093

방사효율과 방사방향 계수에 대한 새로운 산출기법 연구
A New Extraction Method for the Radiation Efficiency and Radiation Directional Coefficient 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.2, 2014년, pp.93 - 101

정우진 (Agency for Defense Development) , 이종주 (Agency for Defense Development) , 강명환 (Agency for Defense Development) , 전재진 (Agency for Defense Development)

Abstract ▼ AI-Helper

Underwater radiated noise is the key in acoustic stealth performance of modern naval ships. The underwater radiated noise predicted by the hull vibration with radiation efficiency cannot always give the information of radiation pattern which is essential to analyze of detection probability by enemy and to improve the operational performance of the naval ship. The radiation pattern of underwater radiated noise is able to be obtained with radiation efficiency and radiation directional coefficient. In this paper, a new method to extract the radiation efficiency and radiation directional coefficient is suggested and proved with the simulation and experiment by using cylindrical shell of 70 cm diameter in air.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 진동신호를 이용한 원음장 방사패턴 산출 시 방사체 표면을 여러 개의 표면패치(surface patch)들로 나누더라도 표면 패치수만큼의 실험 혹은 해석자료를 필요로 하는 기존방법 대신 수치모델을 이용하여 최소한의 실험 혹은 해석자료만 필요로 하는 방사효율 산출기법을 제시하였다. 또한 3차원 방사패턴 산출을 위하여 Helmholtz 방정식을 이용해야 하는 방법대신 최소한의 실험 혹은 해석자료만 이용하는 새로운 변수로 방사방향 계수(radiation directional coefficient)도 제시하였다.

제안 방법

그리고 원음장 패치가 62개(=5×12+2)가 되도록 30˚ 간격으로 구성한 후 2,522 지점에서 구한 음압 들을 62개 원음장 패치별로 파워 평균하여 원음장 패치별 음압으로 산출하였다.
이 논문에서는 진동신호를 이용한 원음장 방사패턴 산출 시 방사체 표면을 여러 개의 표면패치(surface patch)들로 나누더라도 표면 패치수만큼의 실험 혹은 해석자료를 필요로 하는 기존방법 대신 수치모델을 이용하여 최소한의 실험 혹은 해석자료만 필요로 하는 방사효율 산출기법을 제시하였다. 또한 3차원 방사패턴 산출을 위하여 Helmholtz 방정식을 이용해야 하는 방법대신 최소한의 실험 혹은 해석자료만 이용하는 새로운 변수로 방사방향 계수(radiation directional coefficient)도 제시하였다. 제시된 산출기법으로 구한 방사효율과 방사방향 계수들과 방사체의 진동신호들을 이용하여 원음장 방사 패턴에 대한 재 산출을 통하여 이 방법의 유효성을 검증하였다.
또한 3차원 방사패턴 산출을 위하여 Helmholtz 방정식을 이용해야 하는 방법대신 최소한의 실험 혹은 해석자료만 이용하는 새로운 변수로 방사방향 계수(radiation directional coefficient)도 제시하였다. 제시된 산출기법으로 구한 방사효율과 방사방향 계수들과 방사체의 진동신호들을 이용하여 원음장 방사 패턴에 대한 재 산출을 통하여 이 방법의 유효성을 검증하였다.

대상 데이터

보강실린더 표면은 실험시 사용할 센서 수 등을 고려하여 Fig. 4와 같이 총 14개 패치로 나누었으며, 원음장은 반경 100 m인 구(sphere)로 정하고 ABAQUS로부터 구한 진동응답을 입력으로 사용하여 상용 경계요소 S/W인 SYSNOISE를 이용하여 5˚ 간격인 총 2,522개(=35×72+2)의 원음장 음압을 구하였다.
이때 사용된 보강실린더 직경은 300 mm, 길이는 700mm, 두께는 2 mm이며, 재질은 알루미늄이다. 보강재는 100 mm 간격으로 총 5개가 설치되어 있으며, 보강재 단면은 사각형으로 보강재 너비와 두께는 5mm이다.
2와 같이 공기중에서 보강실린더를 이용하여 수치 해석과 실험을 수행하였다. 이때 사용된 보강실린더 직경은 300 mm, 길이는 700mm, 두께는 2 mm이며, 재질은 알루미늄이다. 보강재는 100 mm 간격으로 총 5개가 설치되어 있으며, 보강재 단면은 사각형으로 보강재 너비와 두께는 5mm이다.

데이터처리

공기중 보강실린더에서 3지점을 가진점으로 선정하고, 단위하중(1 N)을 가진하는 조건(가진위치 1, 2,3에 각각 가진하는 경우를 T1, T2, T3로 명명)에서 원음장 음압파워와 원음장 패치별 음압파워들을 산출한 후, 식 (12)와 식 (17)을 이용하여 방사효율과 방사방향 계수들을 산출하였으며, 산출된 방사효율과 방사방향 계수를 진동신호와 결합하여 원음장을 재산출하여 이 방법을 유용성을 살펴보았다. 이 때 가진 주파수는 400 Hz, 500 Hz, 650 Hz, 800 Hz, 1000 Hz, 1150 Hz, 1300 Hz, 1550 Hz, 1700 Hz, 1850 Hz 등 10개이다.
한편 실험을 통하여 이 논문에서 제시한 방사효율과 방사방향 계수 산출기법에 대한 유용성도 검토하였다.

성능/효과

Fig. 11에 나타난 바와 같이 근접음장 계측을 통하여 구한 실험적 진동과 원음장 음압신호들을 이용하여 방사효율과 방사방향 계수들을 산출한 후 이들을 이용하여 원음장 음압신호를 재 산출한 결과 정확하게 일치하고 있어 실험적 진동과 음압신호들을 이용할 경우에도 이 논문에서 제시한 방사효율과 방사방향 계수 산출기법의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
방사체의 진동신호를 이용한 원음장 방사패턴을 산출하기 위하여 수치해석 결과를 활용할 수 있는 새로운 방사효율 산출기법을 제시하였고, 원음장 방사패턴 산출에 필요한 방사방향 계수 및 산출방법을 제시하였으며, 수치해석과 실험 등을 통하여 본 논문에서 제시한 방사효율과 방사방향 계수 산출기법의 유용성을 확인하였다. 향후에 이 방법들은 수중 방사체의 방사패턴을 예측하는 수준까지 확장할 예정이다.
이 결과 이 논문에서 제시한 산출법으로 구한 방사효율과 SYSNOISE S/W로 구한 방사효율이 경향과 수준이 비교적 잘 일치하고 있어 이 논문에서 제시한 방사효율 산출기법의 유용성을 확인할 수 있다.
7에 나타내었다. 이 결과 해석결과들이 정확히 일치하고 있어 제시된 방사방향 계수 산출기법의 유용성을 확인할 수 있다.

후속연구

방사체의 진동신호를 이용한 원음장 방사패턴을 산출하기 위하여 수치해석 결과를 활용할 수 있는 새로운 방사효율 산출기법을 제시하였고, 원음장 방사패턴 산출에 필요한 방사방향 계수 및 산출방법을 제시하였으며, 수치해석과 실험 등을 통하여 본 논문에서 제시한 방사효율과 방사방향 계수 산출기법의 유용성을 확인하였다. 향후에 이 방법들은 수중 방사체의 방사패턴을 예측하는 수준까지 확장할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자함의 작전성능을 대폭 향상시킬 수 있는 방법은 무엇이 있는가?	세계 각국은 함정 작전성능을 좌우하는 음향스텔스 성능 향상을 위하여 지속적으로 연구개발을 수행 하고 있다. 그러나 함정 음향스텔스 성능이외에 자함 음향 상태(acoustic state)에 대한 모니터링이 가능하다면 적의 탐지체계(detection system)에 의한 피탐 가능성 분석을 통하여 자함의 작전성능을 대폭 향상시킬 수 있다.
	적의 탐지체계 에 의한 자함의 피탐가능성 분석을 위해 필수적인 것은 무엇인가?	그러나 방사효율은 방향성(directivity) 정보가 없다. 적의 탐지체계 에 의한 자함의 피탐가능성 분석 및 효과적인 작전 운용을 위해서는 자함 외부로 전파되는 음압의 방향성을 포함한 방사패턴(radiation pattern) 산출은 필수적이다.
	방사효율산출법을 제시했을때 N개 방사효율과 M 개 방사방향 계수를 산출할 수 있는 새로운 방법이 필요한 이유는 무엇인가?	Le Brun은 방사체를 5개 구역으로 나누고 각 구역별 방사효율산출법을 제시하였다(1). 그런데 이 방법은 각기 다른 5번이상의 해석 또는 실험을 수행하여 5개 이상의 원음장 음압파워들을 확보해야 한다. 따라서 N개 표면패치의 방사체는 N번 이상의 각기 다른 해석 또는 실험을 수행해야 한다. 따라서 정밀한 방사패턴 산출을 위하여 방사체와 원음장을 각각N개 표면패치와 N 개 원음장 패치로 세분화한 후 N개 방사효율과 M 개 방사방향 계수를 산출할 수 있는 새로운 방법이 필요하다. 먼저 N개의 방사체 표면패치 진동에 의한 원음장 음압파워는 다음과 같이 구할 수 있다.

참고문헌 (6)

Le Brun, F., 1999, Self Noise Monitoring System, Proceedings of the UDT 99(29 June-2 July, Acropolis Convention Center, Nice, France), pp. 88-92.
Nelisse, H., Beslin, O. and Nicolas, J., 1998, A Generalized Approach for the Acoustic Radiation from a Baffled or Unbaffled Plate with Arbitrary Boundary Conditions, Immersed in a Light or Heavy Fluid, Journal of Sound and Vibration, Vol. 211, No. 2, pp. 207-225.

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Kim, H. S., Kim, J. S., Kim, B. K., Kim, S. R. and Lee, S. H., 2012, An Analysis of Radiation Efficiency of the Simply Supported Plate in Water with Consideration of Low Order Cross Modest, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 22, No. 8, pp. 800-807.

원문보기 상세보기
Lin, T. R., Mechefske, C. and O'Shea, P., 2011, Characteristics of Modal Sound Radiation of Finite Cylindrical Shells, Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 133, pp. 051011-1-051011-6.

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Wang, C. and S Lai, J. C., 2000, The Sound Radiation Efficiency of Finite Length Acoustically Thick Circular Cylindrical Shells under Mechanical Excitation I : Theoretical Analysis, Journal of Sound and Vibration, Vol. 232, No. 2, pp. 431-447.

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ACOEM, 2012, dBVision 5.51 User's Manual.

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