[논문]수중 표적 신호 방해를 위한 저주파 능동 반향음 감소 기술 연구

김재필; 지유나; 박영철; 노응휘; 엄원석; 최용규; 김대업; 서영수

doi:10.5050/ksnve.2017.27.1.043

Abstract ▼ AI-Helper

Acoustic tiles are typically installed on the surface of pressure vessels in submarines to minimize echoes based on the ship's own noise and active sonar. In this study, we studied low frequency active echo reduction techniques to reduce underwater target echo signals. Active control algorithms usin...

Acoustic tiles are typically installed on the surface of pressure vessels in submarines to minimize echoes based on the ship's own noise and active sonar. In this study, we studied low frequency active echo reduction techniques to reduce underwater target echo signals. Active control algorithms using tile type projectors and FxLMS logic have been developed and the projectors have been installed in the assumed hull structure. The effectiveness of projectors and control algorithms has been evaluated in time and frequency domain analysis through experiments in the tank.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 대면적 적용에 적합한 능동 반향음 감소용 액추에이터로 타일형 프로젝터를 고려하였다. 이와 유사한 형상 및 구조를 갖는 능동 타일이 제안 된 바 있으나⁽⁶⁾, 제작되어 성능 시험까지 수행된 예는 보고된 바 없다.
이 논문에서는 수중 표적 신호 감소를 위한 저주파 능동 반향음 감소 기술을 구현하기 위하여 임피던스 정합 이론을 기본으로 하여 FxLMS 알고리듬을 구현하고 타일형 프로젝터를 설계 및 제작하였다. 또한, 수중 표적 신호인 반사파를 제어하기 위하여 대형 구조물을 제작하고 타일형 프로젝터를 설치 후 제어실험을 수행하였다.
이 논문에서는 수중함 선체 외부 광범위한 범위에의 음향타일 적용을 고려한 저주파 능동 반향음감소용 타일형 프로젝터 및 제어 알고리듬을 개발하고 제작하였다. 개발된 타일형 프로젝터 및 제어 알고리듬의 성능은 저주파수 대역 실험이 가능하도록 대형 구조물을 설계 및 제작하여 저주파수 능동 반향음 감소 실험을 실시하여 검증하였다.

가설 설정

5에는 반향음 감소 성능 시험 설비를 나타내었는데, 성능 시험을 위하여 먼저 대형 구조물 표면에 제어신호 인가용 프로젝터를 설치한다. 프로젝터에서 발생하는 음압은 평면파로 가정 한다. 그리고 구조물에서 약 4.

제안 방법

이 논문에서는 수중함 선체 외부 광범위한 범위에의 음향타일 적용을 고려한 저주파 능동 반향음감소용 타일형 프로젝터 및 제어 알고리듬을 개발하고 제작하였다. 개발된 타일형 프로젝터 및 제어 알고리듬의 성능은 저주파수 대역 실험이 가능하도록 대형 구조물을 설계 및 제작하여 저주파수 능동 반향음 감소 실험을 실시하여 검증하였다. 실험 주파수는 대형 구조물과 수조 크기를 고려하여 f₁ Hz에서 f₃ Hz까지 수행하였으며, 반향음 제어성능은 제어 전과 후의 반향음의 크기를 비교하여 확인하였다.
6에서 볼 수 있듯이 수백 탭에 달할 정도로 길어서 전체 알고리듬을 실시간으로 구현하는 것이 불가능하였다. 따라서 실시간 실험에서는 사전에 측정된 음향특성을 사용하여 최적의 제어신호를 미리 계산한 다음, 이를 하이드로폰 입력 신호에 맞추어 출력하도록 하였다.
이러한 타일형 구조는 기존의 수동 음향 타일의 두께를 유지하면서도 저주파를 포함한 광대역의 반향음을 제어할수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 다수의 타일형 프로젝터를 선체 표면에 2차원적으로 부착함으로써 대면적 반향음 감소 효과를 거둘 수 있는데, 그 효과는 이 연구를 통하여 검증하였다.
이 논문에서는 수중 표적 신호 감소를 위한 저주파 능동 반향음 감소 기술을 구현하기 위하여 임피던스 정합 이론을 기본으로 하여 FxLMS 알고리듬을 구현하고 타일형 프로젝터를 설계 및 제작하였다. 또한, 수중 표적 신호인 반사파를 제어하기 위하여 대형 구조물을 제작하고 타일형 프로젝터를 설치 후 제어실험을 수행하였다. 실험 대상 주파수는f₁ , f₂ 및 f₃ 3가지 주파수를 이용하였으며, 5주기의 정현파를 이용하였다.
개발된 타일형 프로젝터 및 제어 알고리듬의 성능은 저주파수 대역 실험이 가능하도록 대형 구조물을 설계 및 제작하여 저주파수 능동 반향음 감소 실험을 실시하여 검증하였다. 실험 주파수는 대형 구조물과 수조 크기를 고려하여 f₁ Hz에서 f₃ Hz까지 수행하였으며, 반향음 제어성능은 제어 전과 후의 반향음의 크기를 비교하여 확인하였다.
500k를 daughter board로 함께 이용하였다. 하지만 현재 장비로는 높은 샘플링 주파수에서의 실시간 연산을 감당하기 어려워 실제 실험에서는 사전에 측정된 음향경로들을 이용하여 제어 알고리듬을 실행한 후 생성된 제어 신호를 하이드로폰입력 신호에 맞추어 출력 하도록 하였다. 실험에 사용된 샘플링 주파수는 96 kHz이며 제어 알고리듬의 필터 차수 N과 M은 모두 1024로 설정하였다.
그러므로 타일에서 생성한 제어 음압으로 반사파의 크기가 제어되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 대면적 반향음제어 성능을 확인하기 위하여 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 하이드로폰의 위치를 0.2 m 간격으로 1 m까지 측면으로 이동시키면서, 제어 전후의 반사파의 크기를 측정하였다. 이로부터 측면 위치 0.

대상 데이터

T사의 Dmodule2.C6747로 신호 입출력을 위해 Dmodule2.500k를 daughter board로 함께 이용하였다. 하지만 현재 장비로는 높은 샘플링 주파수에서의 실시간 연산을 감당하기 어려워 실제 실험에서는 사전에 측정된 음향경로들을 이용하여 제어 알고리듬을 실행한 후 생성된 제어 신호를 하이드로폰입력 신호에 맞추어 출력 하도록 하였다.
대표적으로 Howarth⁽¹⁾는 톤필츠 트랜스듀서와 압전복합체 트랜스듀서를 이용해 반사면에서 능동 임피던스 정합을 통해 반사파를 감소시키는 실험을 수행하였다. 그리고 Lafleur⁽²⁾는 탄성중합체에 압전물질을 혼합한 piezorubber를 사용하였고, Chang⁽³⁾은 두 층의 압전복합체를 각각 압력센서와 액추에이터로 사용였다. 그러나 위 연구들은 상대적으로 작은 방사면을 갖는 액추에이터를 사용하여 도파관 내 1차원 평면파 반향음의 제어만을 시도하여, 3차원적 반향음 제어 혹은 선체표면과 같은 대면적에의 적용이 어렵다는 한계를가 지고 있다.
실험 대상 주파수는f1 , f2 및 f3 3가지 주파수를 이용하였으며, 5주기의 정현파를 이용하였다.
하지만 현재 장비로는 높은 샘플링 주파수에서의 실시간 연산을 감당하기 어려워 실제 실험에서는 사전에 측정된 음향경로들을 이용하여 제어 알고리듬을 실행한 후 생성된 제어 신호를 하이드로폰입력 신호에 맞추어 출력 하도록 하였다. 실험에 사용된 샘플링 주파수는 96 kHz이며 제어 알고리듬의 필터 차수 N과 M은 모두 1024로 설정하였다.
이 실험에서의 시험 대상 주파수는 10 kHz 이하의 f1 , f2 및 f3로 하고 5파장의 송신음을 대상으로 시험을 실시하였다.

성능/효과

4 dB로서 능동 제어로 인해 반향음이 크게 줄어들었음을 확인할 수 있다. 따라서, 타일형 프로젝터 및 FxLMS 알고리듬을 적용한 제어기법이 정상적으로 작동하는 것을 알 수 있다. Fig.
실험 대상 주파수는f₁ , f₂ 및 f₃ 3가지 주파수를 이용하였으며, 5주기의 정현파를 이용하였다. 실험결과, 시험 대상 모든 주파수에서 정상적인 제어가 수행됨을 확인하였으며, 축상이 아닌 수평방향에 대해서도 제어가 되는 것을 확인하였다. 다만, 빔폭의 크기를 벗어나는 구간에서는 정상 제어가 되질 않았는데, 이는 타일형 프로젝터의 특성으로 기인한 것으로 사료되며, 추후 타일형 프로젝터의 부착영역을 보다 넓히거나 빔 조향을 통하면 충분히 해결될 수 있을 것으로 판단된다.
이때, 음향 타일의 반향음 감소 성능은 음향 타일 내부 재료 특성, 기동 또는 첨가재의 기하학적 형상과 함께 음향 타일의 두께에 따라 달라지게 된다. 즉, 주로 수십kHz 성분을 갖는 중고주파수 대역의 음향 신호를 방사했던 기존의 능동 소나에 의한 반향음을 효과적으로 저감하기 위해서는 수 cm 이내의 두께를 갖는 음향 타일을 사용하는 것으로도 적절한 수준의 반향음 저감 성능을 확보할 수 있었다. 하지만, 저주파수 능동 소나의 경우, 파장 길이가 수 m에 이르는 음파를 발생시키기 때문에 이를 저감하기 위해서는음향 타일의 두께가 중고주파수 능동 소나 대비 매우 크게 증가해야 한다.

후속연구

실험결과, 시험 대상 모든 주파수에서 정상적인 제어가 수행됨을 확인하였으며, 축상이 아닌 수평방향에 대해서도 제어가 되는 것을 확인하였다. 다만, 빔폭의 크기를 벗어나는 구간에서는 정상 제어가 되질 않았는데, 이는 타일형 프로젝터의 특성으로 기인한 것으로 사료되며, 추후 타일형 프로젝터의 부착영역을 보다 넓히거나 빔 조향을 통하면 충분히 해결될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중고주파수 능동 소나 대비 타일 두께가 증가할 경우 생기는 문제점은?	하지만, 저주파수 능동 소나의 경우, 파장 길이가 수 m에 이르는 음파를 발생시키기 때문에 이를 저감하기 위해서는음향 타일의 두께가 중고주파수 능동 소나 대비 매우 크게 증가해야 한다. 음향 타일의 두께 증가는 선체 자체 중량을 증가시킬 뿐만 아니라, 이로 인한추력 상승이 요구되므로 고중량 및 고출력 추진체계탑재로 이어지게 된다. 이에 최근에는 음향 타일의 두께를 증가시키지 않으면서도 저주파수 대역에서의 반향음 저감 성능을 확보할 수 있는 다양한 연구들이 활발하게 시도되고 있다.
	수중 전투 세력을 탐지하기 위한 방법은?	수중에서 은밀한 작전 수행을 전담하는 잠수함은현대전에서 비대칭전의 핵심 전력으로 간주되고 있으며, 이러한 수중 전투 세력을 탐지하기 위한 방법 중 가장 일반적인 것은 음향 신호를 이용하는 것이기 때문에, 잠수함의 음향 스텔스 성능은 생존성과 직결되는 중요한 성능 중 하나이다. 수중 음향 신호를 이용한 잠수함의 탐지 방법은 잠수함 자체에서 발생하는 음향 신호를 감지하는 수동 소나 방식 그리고 음파를 송신하여 해당 음파를 수신한 잠수함에서 반향되는 음파를 탐지하는 능동 소나 방식이 있다.
	잠수함의 주요 성능 중 하나는?	수중에서 은밀한 작전 수행을 전담하는 잠수함은현대전에서 비대칭전의 핵심 전력으로 간주되고 있으며, 이러한 수중 전투 세력을 탐지하기 위한 방법 중 가장 일반적인 것은 음향 신호를 이용하는 것이기 때문에, 잠수함의 음향 스텔스 성능은 생존성과 직결되는 중요한 성능 중 하나이다. 수중 음향 신호를 이용한 잠수함의 탐지 방법은 잠수함 자체에서 발생하는 음향 신호를 감지하는 수동 소나 방식 그리고 음파를 송신하여 해당 음파를 수신한 잠수함에서 반향되는 음파를 탐지하는 능동 소나 방식이 있다.

참고문헌 (8)

Howarth, T. R., Varadan, V. K., Bao, X. Q. and Varadan, V. V., 1992, Piezocomposite Coating for Active Underwater Sound Reduction, Journal of Acoustical Society of America, Vol. 91, No. 2, pp. 823-831.

상세보기
Lafleur, L. D., Shields, F. D. and Hendrix, J. E., 1991, Acoustically Active Surfaces Using Piezorubber, Journal of Acoustical Society of America, Vol. 90, No. 3, pp. 1230-1237.

상세보기
Chang, W., Kwon, D., Park, J. and Jeon, B., 2008, An Active Underwater Acoustic Reflection Control System, Proceeding IEEE MFI, pp. 583-587.
Braga, M. B., Honein, B., Barbone, P. E. and Herrmann, G., 1992, Suppression of Sound Reflected from a Piezoelectric Plate, J. Intell. Mater. Syst. Struct., Vol. 3, No. 2, pp. 209-223.

상세보기
Scandrett, C. L., Shin, Y. S., Hung, K. C., Khan, M. S. and Lilian, C. C., 2004, Cancellation Techniques in Underwater Scattering of Acoustic Signals, Journal of Sound and Vibration, Vol. 272, No. 3, pp. 513-537.

상세보기
Shields, F. D., 1993, Piezoelectric Panel Speaker, US005196755.
Jang, H., Lee, K., Park, Y. and Seo, Y., 2014, A Single Sensor based Active Control of Acoustic Reflections, The 21st International Congress on Sound and Vibration, Beijing CH.
Kuo, S. M. and Morgan, D. R., 1996, Active Noise Control Systems Algorithms and DSP Implementations, Wiley New York.

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