[논문]선체진동신호를 이용한 3차원 수중방사소음 패턴 산출에 대한 수치해석 연구

이종주; 강명환; 한승진; 배수룡; 김재호; 정우진

doi:10.5050/ksnve.2014.24.10.770

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In this study, a numerical estimation method for 3D underwater radiated noise pattern using hull vibration and total acoustic power of the vibrating structure in the far-field is proposed. The underwater radiated noise pattern is known to be predicted using the vibration signals and radiation effici...

In this study, a numerical estimation method for 3D underwater radiated noise pattern using hull vibration and total acoustic power of the vibrating structure in the far-field is proposed. The underwater radiated noise pattern is known to be predicted using the vibration signals and radiation efficiency of each surface patch. But it is very difficult to know radiation efficiency of each surface patch which is one of important factors to calculate the 3D underwater radiated noise pattern. Instead of using radiation efficiency of each patch, the underwater radiated noise level is modified with the total acoustic power of the vibrating structure. The suggested estimation method for underwater radiated noise pattern is discussed with numerical model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

앞서 언급한 바와 같이 신뢰성 높은 각 표면패치별 방사효율을 적용하는 것은 매우 어렵기 때문에 방사패턴의 크기를 보정할 다른 방법이 필요하다. 이를 위하여 이 논문에서는 일반적으로 수중방사소음분야에서 많이 사용하고 있는 원거리 음향 파워를 적용하는 방법을 제안하였다. 이는 전체 원거리 음향 파워는 각 원음장 패치 파워의 총합과 같다는 원리를 이용한 것이다.

제안 방법

표면진동장 해석은 FEM기반인 ABAQUS를 이용하였다. ABAQUS에서 유체접수효과(fluid loading effect)가 고려된 표면진동장 해석결과를 BEM기반인 SYSNOISE의 속도경계조건으로 입력하여 BEM을 이용한 원음장 해석을 진행하였다. BEM해석시 입력한 진동장 정보는 수중구조물의 외부 표면에서 해석한 결과이다.
3(b)에 표시하였다. 가진포인트 위치에 따라 수직방향으로 1N의 힘을 수중구조물 내부에 있는 내부구조물에 인하여 해석을 진행하였고, 각 해석결과는 Table 1과 같이 deck1~8로 명하였다.
원음장 패치는 Fig. 2와 같이 일정 영역내에 있는 원음장 포인트에 대한 음향에너지를 파워평균하고 이를 대표값으로 나타내었다. 구조물의 표면패치 설정과 마찬가지로 원음장에서도 일정구역 내에 있는 원음장 포인트에서의 음압들을 파워평균하여 원음장 패치의 대표음압으로 나타내었다.
따라서 원음장을 산출하는 위치가 반경 100 m인 구표면인 경우, 200 Hz 파장에 비해 약 13배 이상 떨어져있기 때문에 수치해석을 진행한 모든 주파수영역에서 원음장영역이라 간주할 수 있다⁽⁸⁾. 원음장을 예측하는 영역은 5도 간격 원음장 포인트로 나누었다.
이 논문에서는 선체진동신호와 방사효율이외에 원거리 음향 파워를 이용한 3차원 수중방사소음 패턴 산출방법을 제안하였으며, 제안된 방법에 대한 타당성은 수치모델을 이용하여 확인하였다.
이 논문에서는 표면진동장의 수치해석결과와 식 (6)을 이용하여 방사패턴을 예측하고, 원거리 음향파워를 이용하여 원음장 음압크기 보정방법을 제시하였고 수치해석을 통하여 이 논문에서 제시하는 방사패턴 예측기법의 적용 가능성을 확인하였다.
이 연구에서 사용된 알고지름을 검증하기 위하여 BEM해석결과를 62개 원음장패치별 음압으로 파워평균한 결과와 식 (6)과 BEM의 해석결과중 원거리 음향 파워를 이용한 원음장 예측결과를 상호비교하여 이 연구의 알고리즘에 대한 타당성을 검토하였다.

대상 데이터

FEM해석과 BEM해석에서 표면노드의 위치정보는 동일하다. FEM해석시 가진 형태는 Sine파이며, 가진주파수는 10개로 200, 300, 450, 550, 650, 700, 850, 950, 1250, 1350 Hz이다.
BEM 해석시 direct method를 사용하였다. 수치해석 모델의 표면에 위치한 노드는 총 6600개이다. FEM해석과 BEM해석에서 표면노드의 위치정보는 동일하다.
3은 이 연구에 사용된 수치해석 모델 및 가진지점이다. 수치해석모델은 길이 4 m, 지름 1.35 m, 원주방향 두께는 8 mm, 양 막음판 두께는 100 mm로 설정되어 있다. 수치해석용 모델 내부에는 내부 구조물과 강체마운트, 강체마운트용 블록 및 보강재가 설치되어있다.
식 (6)을 이용한 원음장 예측시, 원음장 위치는 구조물 중심점을 기준으로 반경 100 m인 구로 설정하였다. 이 논문에서 해석하고자 하는 최저 주파수는 200 Hz로써 파장이 7.5 m이다. 따라서 원음장을 산출하는 위치가 반경 100 m인 구표면인 경우, 200 Hz 파장에 비해 약 13배 이상 떨어져있기 때문에 수치해석을 진행한 모든 주파수영역에서 원음장영역이라 간주할 수 있다⁽⁸⁾.

이론/모형

BEM해석시 입력한 진동장 정보는 수중구조물의 외부 표면에서 해석한 결과이다. BEM 해석시 direct method를 사용하였다. 수치해석 모델의 표면에 위치한 노드는 총 6600개이다.
표면진동장 해석은 FEM기반인 ABAQUS를 이용하였다. ABAQUS에서 유체접수효과(fluid loading effect)가 고려된 표면진동장 해석결과를 BEM기반인 SYSNOISE의 속도경계조건으로 입력하여 BEM을 이용한 원음장 해석을 진행하였다.

성능/효과

이 결과 최대 약 4.5 dB 수준의 평균 오차를 보이고 있으며, 일부 가진위치를 제외한 평균 오차는 고주파수로 갈수록 오차의 폭은 커지는 경향을 나타내고 있다. 이는 표면패치별 진동장을 나타내는 위치는 고정되어 있으나, 고주파수로 갈수록 주파수의 파장이 작아지므로 파장당 거리가 짧아져서 발생된 것으로 추정된다.
이 결과 파장당 2개 이상의 속도정보가 들어가는 200~700 Hz 해석결과를 보면 SYSNOISE 해석결과와 차이가 평균값 기준 최대 약 4.5 dB로 나타나 원음장 전체 음압 파워를 이용한 원음장 음압 크기 보정방법을 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 850 Hz 이상에서는 파장당 속도정보 추출 위치간 거리가 요구되는 거리보다 커짐에 따라 원음장 패턴 산출이 일부 차이가 나고 있는 것으로 판단된다.
에 의하면 표면진동장 크로스스펙트럼을 이용한 원음장 음압산출시 표면진동장 정보를 축출하는 위치간 거리가 파장당 최소 2개 이상되는 것을 추천하고 있다. 이 논문에서 표면진동장 정보 추출 위치 간격이 가장 큰 경우는 0.8 m로써, 850 Hz의 파장이 1.8 m임을 고려할 때 850 Hz 이상부터는 원음장 패턴 예측에 차이가 발생할 수 있음을 예상할 수 있다.

후속연구

향후 이 수치해석 연구 결과들에 대하여 수중구조물의 표면진동장의 실험적 계측결과와 근접음장 측정결과들을 이용하여 이 방법의 타당성을 확인할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중방사소음에 대한 수치해석 기법의 한계는 무엇인가?	수중방사소음에 대한 수치해석 기법으로는 경계요소법(boundary element method), 유한요소법(finite element method) 및 통계적 에너지 기법(statistical energy analysis)이 있으나, 이 기법들을 실 함정에서 측정되는 진동신호와 연결하여 적용하는 것은 한계가 있다.
	수중방사소음 중 함정에 탑재된 장비 진동 및 소음에 의하여 함정 선체를 진동시켜 발생되는 소음은 무엇인가?	수중방사소음은 함정의 선체 진동에 의한 구조 소음, 선체 외부표면과 주변유체간의 상호작용으로 인한 유체소음, 추진기 회전함에 따라 주변유체에 영향을 주면서 작용하는 추진기 소음 등으로 나눌 수 있다. 이중 구조소음은 함정에 탑재된 장비 진동 및 소음에 의하여 함정 선체를 진동시켜 발생되는 소음이다. 따라서 기계류의 작동상태에 따라 서로 다른 선체 표면진동장이 발생하며, 이로 인하여 수중방사소음이 발생 되므로 이에 대한 해석이 필요하다.
	수중방사소음은 무엇인가?	수중방사소음은 함정의 선체 진동에 의한 구조 소음, 선체 외부표면과 주변유체간의 상호작용으로 인한 유체소음, 추진기 회전함에 따라 주변유체에 영향을 주면서 작용하는 추진기 소음 등으로 나눌 수 있다. 이중 구조소음은 함정에 탑재된 장비 진동 및 소음에 의하여 함정 선체를 진동시켜 발생되는 소음이다.

참고문헌 (9)

Maidanik, G., 1962, Response of Ribbed Panels to Reverberant Acoustic Fields, The Journal of the Acoustic Society of America, Vol. 34, No, 6m, pp. 802-826.
Uchida, S., Yamanaka, Y., Ikeuchi, K, Hattori, K. and Nakamachi, K., 1986, Prediction of Underwater Noise Radiated form Ship's Hull, Bulletin of the Society of Naval Architectures of Japan, No. 686, pp. 36-45.
Han, H. S., Lee, K. H. and Park, S. H., 2013, Estimation of the Sound Radiation Efficiency of the Hull Considering the Type and Natural Frequency of Plates of It, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 12, pp 1073-1081.

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Jung, W. J., Yi, J. J., Kang, M. H. and Jeon, J. J., 2014, A New Extraction Method for the Radiation Efficiency and Radiation Directional Coefficient, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 93-101.

원문보기 상세보기
Takaaki, M., 1993, Evaluation of Ship Radiated Noise Level from Near-Field Measurements, Appled Acoustics, Vol. 40, pp. 69-78.

상세보기
Takaaki, M., 1995, Far-field Radiated Noise Prediction Using the Cross-spectrum of Surface Vibration Velocity, The Journal of the Acoustic Society of Japan(E), No16, pp. 381-383.
Takaaki, M., 1999, Numerical Calculation for Determining Sonar Self Noise Source Due to the Structural Vibration, Appled Acoustics, Vol. 69, pp. 19-32.
Junger, M. C. and Feit, D., 1993, Sound, Structures, and Their Interaction, Acoustical Society of America, Chap. 3.
Yi, J. J., Kim, J. H., Jung, W. J. and Jeon, J. J., 2013, A Study of the Prediction of Far field of the Stiffened Cylinder Using Surface Vibration Field and Radiation Efficiency in Air, Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, 2013 The Conference, pp. 2272-2275.

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