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문제 정의
- 이 연구에서 기여도 분석기법을 적용한 선박은 해상 시험선으로서, 해상 연구 및 수중 시험/평가를 위하여 정박 상태에서 선박 추진계통 작동을 위한 주발전기는 정지시키고 연구 활동에 필요한 최소한의 전력을 공급하는 보조 발전기(sub-generator)만 구동시키는 조건에 대해서 진동 계측을 실시하고, 이에 대한 기여도 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 이중, 비접수 선체로부터 유발되는 공기 전달음은 공기와 물과의 임피던스(impedance) 차이에 의해 수중으로 전달되는 수준이 매우 작다. 따라서, 이 연구에서는 접수 외판부의 진동으로 인해 수중으로 방사되는 경로가 본선 수중방사소음 성능에 영향을 미친다고 판단하였으며, target 영역을 기관실 좌현부로 선정하고 하이드로폰을 설치하였다.
- 실험은 정박된 선박에서 보조 발전기가 정상상태로 작동 중 가속도를 계측하였고, 보조 발전기의 작동 조건을 달리 하기 위하여 작동 주파수를 변경하면서 가속도를 계측하였다. 마지막으로 주파수 응답함수(frequency response function)를 측정하기 위해 임팩트 실험(impact testing)을 수행하였다.
- 이때, 측정 대상 신호의 개수는 총 39개이다. 실험은 정박된 선박에서 보조 발전기가 정상상태로 작동 중 가속도를 계측하였고, 보조 발전기의 작동 조건을 달리 하기 위하여 작동 주파수를 변경하면서 가속도를 계측하였다. 마지막으로 주파수 응답함수(frequency response function)를 측정하기 위해 임팩트 실험(impact testing)을 수행하였다.
- 이 논문에서는 선박의 보조 발전기만 가동 중인 정박 시험 조건에서 기관실 좌현부에서 측정된 수중방사소음에 영향을 미치는 전달경로를 파악하기 위하여 TPA 및 OTPA 기법을 이용한 기여도 분석 연구를 수행하였다. 위 TPA 및 OTPA 기법을 수행하기 위하여 발전기 정상 가동 조건에서 발전기 회전 속도를 변경하면서 주요 선체 지점에서의 진동 가속도 값을 측정하였으며, 발전기로부터 좌현 부 압력선체 외판 부까지의 진동 전달함수를 평가하기 위하여 임팩트 시험을 실시하였다. 이로부터 TPA 및 OTPA 기법을 이용한 기여도 분석 결과를 도출하였다.
- 유효 가진원으로 가정된 탄성마운트와 및 배관계와 선체에는 진동 측정을 위한 단축 및 3축 가속도계를 설치하였으며, 1개의 하이드로폰을 현측에 설치하여 overside noise를 측정하였다. 이때, 측정 대상 신호의 개수는 총 39개이다.
- 이 논문에서는 선박의 보조 발전기만 가동 중인 정박 시험 조건에서 기관실 좌현부에서 측정된 수중방사소음에 영향을 미치는 전달경로를 파악하기 위하여 TPA 및 OTPA 기법을 이용한 기여도 분석 연구를 수행하였다. 위 TPA 및 OTPA 기법을 수행하기 위하여 발전기 정상 가동 조건에서 발전기 회전 속도를 변경하면서 주요 선체 지점에서의 진동 가속도 값을 측정하였으며, 발전기로부터 좌현 부 압력선체 외판 부까지의 진동 전달함수를 평가하기 위하여 임팩트 시험을 실시하였다.
- 위 TPA 및 OTPA 기법을 수행하기 위하여 발전기 정상 가동 조건에서 발전기 회전 속도를 변경하면서 주요 선체 지점에서의 진동 가속도 값을 측정하였으며, 발전기로부터 좌현 부 압력선체 외판 부까지의 진동 전달함수를 평가하기 위하여 임팩트 시험을 실시하였다. 이로부터 TPA 및 OTPA 기법을 이용한 기여도 분석 결과를 도출하였다.
- 한편, 기기류로 인한 수중방사소음 수준을 저감시키기 위해서는 해당 기기류 진동 수준 자체를 저감시키는 것이 가장 효율적이나, 일반적으로 선박 건조 완료 이후에는 탑재 장비의 수정이 어렵기 때문에 선체로의 전달경로를 수정하는 것이 가장 효율적인 방법 중 하나로 간주된다. 이에 이 연구에서는 대상선 보조 발전기에서부터 접수 외판까지의 진동 전달경로를 파악하고, TPA 및 OTPA 기법을 이용하여 각 전달경로별 기여도를 분석하였다.
대상 데이터
- 유효 가진원으로 간주된 탄성마운트 및 배관계에는 총 17개의 단축 및 3축 가속도계를 설치하였으며, 신호 분석기로 입력되는 채널 개수는 총 25개이다. 한편, 가속도계가 설치된 유효 가진원을 계통별로 총 6개로 구분하고, 각 계통별 대표 신호를 선정하였다.
- 이 연구에서의 대상선은 길이 65.4 m, 폭 12.4 m인 해상 시험선이다, Fig. 1에는 보조 발전기와 주요 구조들의 배치도이다.
- 유효 가진원으로 가정된 탄성마운트와 및 배관계와 선체에는 진동 측정을 위한 단축 및 3축 가속도계를 설치하였으며, 1개의 하이드로폰을 현측에 설치하여 overside noise를 측정하였다. 이때, 측정 대상 신호의 개수는 총 39개이다. 실험은 정박된 선박에서 보조 발전기가 정상상태로 작동 중 가속도를 계측하였고, 보조 발전기의 작동 조건을 달리 하기 위하여 작동 주파수를 변경하면서 가속도를 계측하였다.
- 발전기 가동 시 배경 소음 대비 수중방사소음 수준이 일부 주파수 대역에서 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 발전기 전격 회전속도의 3배수에 해당되는 89.5 Hz에 가장 큰 레벨 변화를 확인할 수 있어서, 이 연구에서는 89.5 Hz를 평가 대상 주파수로 선정하였다.
데이터처리
- 또한, 발전기 1 및 2 계통은 발전기 지지부에 설치된 탄성마운트를 대상선 좌현부와의 이격 거리를 고려하여 구분하였다. 이때 계통별 대표 신호는 임팩트 실험 시의 target 영역과 유효 가진원과의 평가 대상 주파수에서의 코히런스 값(coherence value)을 평가하여 높은 값을 가지는 채널을 선정하는 방법으로 판단하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 다양한 기여도 분석 기법 중, TPA(transfer path analysis) 및 OTPA(operational transfer analysis) 기법을 이용하여 선박에 대한 진동 기여도 분석을 수행하였다. TPA 기법은 가진력 규명을 통해 진동 기여도를 분석하는 방법(1)으로서, Kwak(2) 및 Jeong(3)은 각각 TPA를 통하여 건설장비 및 건물 바닥의 진동에 대한 기여도 분석법을 제시한 바 있으며, Jeong(4)은 가진력 규명과정에서 평균화 과정을 제시한 바 있다.
성능/효과
- 기여도 벡터 크기는 total에 대한 각 유효 가진원들의 비로 나타냈다. TPA 결과 폐기관 상단의 기여도가 가장 크게 나왔다. 이 결과를 수치로 나타내면 Table 2와 같다.
- TPA 기법으로 평가된 종합 기여도와 발전기 90 Hz 가진 조건에서의 세 번째 시간 블록에서 평가된 OTPA 기법 평가 결과에서 폐기관 상단은 각각 69.7 % 및 86.2 %의 기여도를 가짐으로써 좌현부 접수 외판부의 수중방사소음에 가장 큰 기여를 하는 유효 가진원으로 평가되었다. 또한, 배관계 밸브는 TPA 및 OTPA 기법으로 평가한 결과, 각각 −29.
- 두 가지 기여도 분석 기법에 의한 기여도들을 종합한 결과, 폐기관 상단 및 배관계가 좌현부 접수외판부 수중방사소음에 가장 높은 기여도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이 연구에서의 대상함인 시험선의 좌현부 접수외판 수중방사 소음 수준을 저감하기 위해서는 위 두 개의 유효 가진원에 대한 보강이 가장 효율적일 것으로 판단되었다.
- 2 %의 기여도를 가짐으로써 좌현부 접수 외판부의 수중방사소음에 가장 큰 기여를 하는 유효 가진원으로 평가되었다. 또한, 배관계 밸브는 TPA 및 OTPA 기법으로 평가한 결과, 각각 −29.6 % 및 64.3 %로서 두 번째로 높은 기여도를 가지는 것으로 평가되었다. 이때, 배관계 밸브에 대한 두 기법의 평가 결과가 값 및 방향 공히 상이함을 나타내는데, 이는 선체의 전달함수 평가를 위하여 실시한 임팩트 해머를 이용한 모달 시험 결과에 다수의 오차가 발생했기 때문으로 사료된다.
- 두 가지 기여도 분석 기법에 의한 기여도들을 종합한 결과, 폐기관 상단 및 배관계가 좌현부 접수외판부 수중방사소음에 가장 높은 기여도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이 연구에서의 대상함인 시험선의 좌현부 접수외판 수중방사 소음 수준을 저감하기 위해서는 위 두 개의 유효 가진원에 대한 보강이 가장 효율적일 것으로 판단되었다.
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