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문제 정의
- 또한 ‘12년부터 ’13년까지 측정한 신조 함정의 함내소음 결과를 제시된 측정불확도 추정 방법을 적용하여 함정별 불확 도의 분포를 확인하고, 현재 적용되는 계측 허용오차의 적합성을 검토하고자 한다.
제안 방법
- Type B 표준 불확도 평가는 측정에 따른 요인의 불확실성을 기기의 성질, 측정기의 규격, 교정보고서에 따른 자료를 통하여 산출하게 된다. Type B 표준 불확도는 교정부, 센서부, 신호분석부, 측정값 표시부로 구분지어 분석하였다.
- 교정부는 측정기의 교정 성적서의 결과로부터 표준 불확도를 계산하여 반영하였고, 센서부는 측정기 교정 성적서의 결과와 함께 실제 시험 해역에서 가능한 대기압과 온도 및 습도에 따른 불확 도를 제조사에서 제시한 계수를 이용하여 고려하였다. 이에 대한 확률 분포 모델식은 사각형 (rectangular)분포를 사용하였다.
- A형 불확도에 해당하는 각 인자별 분석을 위해 인수 시운전 단계에서 함내소음을 여러 차례 출항 하여 각 예상되는 불확도 요인별로 반복 측정하는 것은 함정 건조사 일정 및 비용 등을 고려하면 현실적으로 불가능에 가깝다. 그러므로 본 논문에서는 반복 시험의 정의를 매번 출항하여 측정하는 것이 아니라, 한번 출항하여 계측 할 때에 동일한 조건에서 긴 시간(약 5분 이상)을 측정하고, 계측된 결과를 시간별로 균등 분할하여 반복시험의 표본으로 사용하였다. 반복 측정 결과는 함내소음측정을 위해 선박이 이동하는 동안 풍향, 풍속, 조류, 파도 방향 등의 다양한 외부 불확도 요건이 포함되어 있다고 판단하였다.
- 해상 상태나 풍속등과 같은 외부적 요인과 탑재 장비의 작동 상태의 주기적 변동 등의 내부적 요인이 변동의 원인으로 판단된다. 그러므로 측정 결과에서 순간적인 소음을 배재하고, 안정적인 신호 측정을 위해 5분 이상의 신호를 녹음하고 이를 분석하였다.
- 그러나 설계 및 건조가 진행되는 함정은 개정된 함내소음 기준을 적용하기는 무리가 있을 것으로 판단되어 현재 인수되는 함정에 대해서는 변경 전의 함내소음 기준을 적용하고 있다. 본 논문에 적용된 기준은 변경 전 함내소음을 기준으로 평가하였다.
- 본 논문에서는 인수 시운전 시 함내소음 측정 결과로부터 기준 만족 여부를 판단하고자 측정 불확도 추정 방법을 적용하였다. 또한 ‘12년부터 ’13년까지 측정한 신조 함정의 함내소음 결과를 제시된 측정불확도 추정 방법을 적용하여 함정별 불확 도의 분포를 확인하고, 현재 적용되는 계측 허용오차의 적합성을 검토하고자 한다.
- 본 논문에서는 함정 인수 시운전시의 함내소음 평가 방법을 소개하고, 함내소음을 평가하기 위한불확도 추정 방법을 적용하였다.
- 소음 측정 기기에서 교정 불확도는 대부분 dB형태로 표현되므로 합성 표준 불확도를 구하기 위해서는 각 인자들이 선형 특성을 갖도록 변환되어야 한다. 이를 위해 각 항목별 불확도를 상대 불확도로 변환하여 선형적 특성을 갖도록 하였으며, 상대 불확도를 이용하여 합성 표준 불확도를 계산하였다.
대상 데이터
- 일반적으로 유효자유도가 30이상을 넘어가면 분포는 정규분포와 유사해지고, 신뢰 수준이 약 95%인 포함인자 2를 적용한다. 본 논문은 전체 유효 자유도가 30이상으로 계산되어 포함 인자를 2로 적용하였다.
- 측정 대상 함정은 각 함정급이 다른 4종류의 함정이다. A함정은 함 인수 순서대로 총 4척에 대해 측정을 하였으며, 나머지 함정은 1척씩 측정하였다.
이론/모형
- 본 시험에서 입력 변수들은 서로간의 독립성이 보장되어 있으므로 합성 표준 불확도를 구하기 위해 제곱근법(RSSM:Root Sum Square Method)을 사용하였고, 감도 계수는 모두 1로 설정하였다. 소음 측정 기기에서 교정 불확도는 대부분 dB형태로 표현되므로 합성 표준 불확도를 구하기 위해서는 각 인자들이 선형 특성을 갖도록 변환되어야 한다.
- 교정부는 측정기의 교정 성적서의 결과로부터 표준 불확도를 계산하여 반영하였고, 센서부는 측정기 교정 성적서의 결과와 함께 실제 시험 해역에서 가능한 대기압과 온도 및 습도에 따른 불확 도를 제조사에서 제시한 계수를 이용하여 고려하였다. 이에 대한 확률 분포 모델식은 사각형 (rectangular)분포를 사용하였다. 신호분석부는 선형 정밀도 및 양자화 정밀도등에 대해 반영을 하였고, 측정값 표시부는 1e-2자리에 해당하는 dB(데시벨) 값을 나타내기 위한 불확도이다.
- 포함인자를 산출하기 위해서는 합성 표준 불확 도의 유효자유도를 추정해야하며, 유효자유도(veff) 는 Welch-Satterthwate 식 (3)을 이용한다.
- 함정의 종류 및 격실에 따른 계측 불확도를 알아보고자 제시된 불확도 평가법을 ‘12년부터 ’13년까지 측정된 함정에 적용하였다.
성능/효과
- ‘12년도부터 ‘13년도까지 계측한 7척의 함정(4종) 계측 결과에 불확도 추정 방법을 적용한 결과, 평균적으로 1dB이하의 불확도를 보였다.
- Figure 3부터 Figure 6까지 각 함정별 확장 불확도 분포를 나타내었다. 각 격실마다 불확도 정도가 많은 함정은 약 2.32dB까지 차이가 발생하였으나, 대부분의 값은 1dB 안쪽으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
- Table 3은 4 종류의 함정에 대해 불확도 분석 결과를 정리하여 나타내었다. 각 격실별(채널별) 확장 불확도의 평균은 약 0.72dB정도를 보였다. 이는 현재 인수 시운전 함내소음 평가의 계측 허용 오 차인 2dB보다 작은 값으로, 현재 수준의 허용 오차를 적용하면 대부분의 계측 불확도를 포함할 것으로 판단된다.
후속연구
- 이는 시운전 평가서에 적용하고 있는 허용 오차를 대부분 만족한다. 그러므로 현재 함내소음 적용 기준은 충분한 오차를 적용하고 있는 것으로 생각되며, 시험 데이터의 축적과 적절한 시험조건 유지를 통한 측정 오차 감소를 통해 현재 적용되는 허용 오차를 줄일 필요성이 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 반복 측정에 의한 계측 값의 변동만을 분석하였고, 측정기로 인한 오차등의 측정 오차 기인도에 대한 고려는 하지 않았다. 위의 결과로 측정 결과의 오차 수준을 확인할 수 있었으나, 측정 결과에 대한 기준 초과 여부를 판단하는 자료로 활용하기에는 한계가 존재한다. 그러므로 이에 대한 판단을 위해서는 발생 가능한 오차 요소를 고려하여 통계 분석하는 측정불확도 평가가 필요하다.
- 위의 결과로부터, 함내소음 측정 시에 불확도 분석을 통해 시운전 평가서에서 제시한 2dB를 초과하지 않도록 유지하여야 하며, 이를 넘는 측정에 대해서는 재시험 등의 방법으로 시험 결과에 대한 신뢰성을 높이는 작업이 필요할 것으로 판단된다.
- 함내소음 시험 불확도 추정 데이터가 축적되고, 시험 동안 불확도 추정을 통한 오차 감소 노력을 지속하면, 현재 적용되는 허용 오차 수준을 감소할 수 있을 것으로 생각된다.
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