[논문]금속 및 샌드위치 복합재 유도탄 구조체의 흡음 및 차음 특성에 관한 실험적 연구

이윤규; 이대은; 진병대; 이동민

doi:10.9766/kimst.2018.21.3.288

금속 및 샌드위치 복합재 유도탄 구조체의 흡음 및 차음 특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Acoustic Absorption and Transmission Characteristics of Aluminium and Sandwich Composite Structure 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.3, 2018년, pp.288 - 294

이윤규 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 이대은 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 진병대 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 이동민 (국방과학연구소 제1기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the speed and performance of the launcher and the missile have been improved, it is necessary to consider the acoustic load of launching and flight in initial design step. In this paper, an experimental study on acoustic absorption and transmission characteristics of aluminium vs. sandwich composite structures were conducted. The overall noise reduction was evaluated by performing an acoustic test in the reverberation room, and the acoustic absorption and transmission loss of the structures were analyzed by conducting the sound absorption test inside the structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 장에서는 두 재질의 구조체에 대한 음향 시험 결과를 주파수 대역별로 분석하였다. 또한 일반잔향실시험(ARC)과 고에너지 잔향실(HIARC)시험결과를 비교함으로써 유도탄 구조체의 초기 음향 설계 시 고려해야 할 사항에 대해서도 논하도록 한다. 음향 저감 성능과 관련된 매개변수는 2장에서 언급한 음압감소와 투과 손실을 주로 다루도록 한다.
그러나 유도탄의 경우에는 개발 기간 및 환경 특성에 의해 모든 유도탄에 대한 고에너지 음향환경시험이 불가하다. 본 논문에서는 음향저감 설계를 위한 기초데이터 확보뿐만 아니라, 일반 스피커 가진을 이용한 일반 잔향실(Acoustic Reverberation Chamber, 이하 ARC) 내에서의 시험 결과와 동일 구조체에 대한 고에너지 잔향실(High Intensity Acoustic Reverberation Chamber, 이하 HIARC) 시험결과를 비교함으로서 유도탄 설계 시 일반 잔향실 시험을 통해 음향저감 성능을 추출해 내는 가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 유도탄 구조재료로 주로 쓰이는 알루미늄 금속재와 허니콤 복합재 시험구조체에 대한 음향 시험을 수행하여 유도탄 구조 초기 설계 시 음향관련 설계에 대한 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 유도탄 기체 재질로 주로 사용되는 알루미늄 금속 및 허니콤 샌드위치 복합재의 음향특성을 분석하고자 시험 구조체를 제작하였다. 우선, 일반 잔향실내에서 음향 시험을 수행하여 전체적인 음향저감 성능을 평가 하였고, 시험 수행 시 구조체 내부에서의 흠음률을 별도 시험을 통해 추출하여 구조체의 흡음 및 차음성능을 분석하였다.

제안 방법

1. B와 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 구조체 외부에서 음향 가진 후 구조체 내외부의 음압계측시험을 수행하였다. 음향측정 은 구조체 내부 6ch.
즉, IL 값은 음향차폐 시스템의 유무에 따른 음압의 절대적 차이값을 보여주어 직관적이기는 하다. 그러나 시험 시 시험 환경 및 입력값에 따라 바뀌는 값으로 음향저감시스템 또는 구조체를 설계하는데 적용하기에 는 부적합한 개념으로 본 연구에서는 잔향실의 균질성 확인에만 활용 하도록 한다.
1장에서 언급하였듯이 투과 손실을 잔향실 시험을 통해 계산하기 위해서는 내부 흡음효과를 제하여야 한다. 본 연구에서는 Fig. 4에서 보이는 바와 같이 구조체 내부에 스피커를 위치시키고 정상상태의 음향 가진 후 스피커 가진을 정지하여 -60 dB까지 음압레벨 (Sound Presure Level, 이하 SPL)이 감소하는 시간(T60)을 측정하였다. T60을 식 (3)의 A(등가흡음면적, sabine reverberation formula^[3])에 적용하여 구조체 내부의 흡음 성능을 계산할 수 있다.
본 장에서는 구조체의 음향 성능과 관련된 매개변수 및 이론에 대하여 간략히 소개하고 잔향실을 이용하여 수행된 음향 시험 방법에 대하여 기술하도록 한다.
본 장에서는 두 재질의 구조체에 대한 음향 시험 결과를 주파수 대역별로 분석하였다. 또한 일반잔향실시험(ARC)과 고에너지 잔향실(HIARC)시험결과를 비교함으로써 유도탄 구조체의 초기 음향 설계 시 고려해야 할 사항에 대해서도 논하도록 한다.
우선, Fig. 2에서 보이는 구성으로 잔향실 내부 측정지점에서의 음향측정을 수행한 후 삽입손실 값을 분석하여 음향 균질성을 확인하는 예비시험을 수행하였다.
본 연구에서는 유도탄 기체 재질로 주로 사용되는 알루미늄 금속 및 허니콤 샌드위치 복합재의 음향특성을 분석하고자 시험 구조체를 제작하였다. 우선, 일반 잔향실내에서 음향 시험을 수행하여 전체적인 음향저감 성능을 평가 하였고, 시험 수행 시 구조체 내부에서의 흠음률을 별도 시험을 통해 추출하여 구조체의 흡음 및 차음성능을 분석하였다. 이는 추후 유도 탄 구조 음향 설계 시 필요한 기초데이터로 활용될 수 있을 것이다.

대상 데이터

본 연구에서 구조체의 음향 저감 성능 평가를 위해 수행된 잔향실 시험은 Fig. 2에서 보이는 바와 같이 일반 스피커 가진에 의해 약 OASPL 110 dB까지 음향 가진이 가능한 한국기계연구원(이하 KIMM)내의 잔향실을 사용하여 시험을 수행하였다. 시험대상체는 유도탄 구조재로 주로 사용되는 알루 미늄(aluminium) 재질과 허니콤 복합재(Honey-comb composite) 구조체에 대해 실험을 수행하였다.
2에서 보이는 바와 같이 일반 스피커 가진에 의해 약 OASPL 110 dB까지 음향 가진이 가능한 한국기계연구원(이하 KIMM)내의 잔향실을 사용하여 시험을 수행하였다. 시험대상체는 유도탄 구조재로 주로 사용되는 알루 미늄(aluminium) 재질과 허니콤 복합재(Honey-comb composite) 구조체에 대해 실험을 수행하였다.

성능/효과

(1) 음향저감 시스템이 적용하지 않은 구조체만으로는 현 시험체 기준 외부 음향환경에 대해 OASPL 9~ 10 dB의 음향을 저감 할 수 있다. 즉, 유도탄 초기 설계 시 질량법칙에 의해 계산되는 구조의 두께 또는 비중량이 높은 재료의 선택을 통해 음향 저감 효과를 예상하여 설계 가능하다.
(2) 금속재와 샌드위치 복합재 구조체에 대한 음향 시험을 비교분석한 결과, 비중량이 작은 복합재가 음향투과손실 및 음압감소는 다소 낮게 계측되었다. 그러나, 전체적인 음압감소 지표인 OASPL은 약 1 dB의 작은 차이의 결과를 보임으로, 경량설계(복 합재 구조체가 동일한 기체형상기준으로 중량 1/3 수준으로 경량화 가능) 및 음향 하중설계 관점에서 금속재보다 복합재 구조를 사용함이 더 효과적인 것으로 판단된다.
(3) 일반잔향실 시험 결과와 고에너지 잔향실 시험 결 과를 비교한 결과 Coincidence 현상이 발생하는 주파수 구간을 제외하고 음향저감 성능이 동일하게 계측되었다. 즉, 유도탄 초기 설계 시에는 일반 잔향실 시험 결과를 구조체의 음향 저감성능을 파악에 활용 가능할 것으로 판단된다.
Fig. 10과 11에서 보이는 바와 같이 Coincidence 현상과 실린더의 Ring mode가 발생되는 주파수 대역에서 음향저감성능이 감소하는 경향을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 알루미늄 구조체의 투과손실과 음압 감소 모두 복합재구조체에 비해 다소 높게 계측되었 으나, 전체 음압감소(OASPL)로는 큰 차이를 보이지 않았다.
12~15(Y축의 1구간값은 5 dB를 나타냄)에 도시하였다. 그 결과 Coincidence 현상에 의해 복합재 기체는 300 Hz 대역, 그리고 금속재 기체는 링모드가 나타나는 900 Hz 대역부터 Coincidence 현상에 의한 5000 Hz의 고주파 구간에서 고에너지 시험의 값이 낮게 관찰되었다.
그 결과 시험이 수행된 잔향실은 Fig. 3에서 보이는 바와 같이 균질성이 ±1 dB 이하의 값을 갖는 200 Hz 이상의 음향 데이터를 신뢰할 수 있는 값임을 파악하였다.
(2) 금속재와 샌드위치 복합재 구조체에 대한 음향 시험을 비교분석한 결과, 비중량이 작은 복합재가 음향투과손실 및 음압감소는 다소 낮게 계측되었다. 그러나, 전체적인 음압감소 지표인 OASPL은 약 1 dB의 작은 차이의 결과를 보임으로, 경량설계(복 합재 구조체가 동일한 기체형상기준으로 중량 1/3 수준으로 경량화 가능) 및 음향 하중설계 관점에서 금속재보다 복합재 구조를 사용함이 더 효과적인 것으로 판단된다.
10과 11에서 보이는 바와 같이 Coincidence 현상과 실린더의 Ring mode가 발생되는 주파수 대역에서 음향저감성능이 감소하는 경향을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 알루미늄 구조체의 투과손실과 음압 감소 모두 복합재구조체에 비해 다소 높게 계측되었 으나, 전체 음압감소(OASPL)로는 큰 차이를 보이지 않았다.
9를 종합하여 보면 유도탄의 외피 구조에 의해 외부 음향하중에 대해 OASPL 기준 9 dB 이상 음향 저감효과가 있음을 알 수 있다. 잔향실특성에 의한 차단 주파수 200 Hz 이상의 값을 분석하여 보면, 전반적으로 비중량이 높은 알루미늄 구조체의 음향 저감 효과가 복합재 구조체에 비해 다소 우수하였다.
(1) 음향저감 시스템이 적용하지 않은 구조체만으로는 현 시험체 기준 외부 음향환경에 대해 OASPL 9~ 10 dB의 음향을 저감 할 수 있다. 즉, 유도탄 초기 설계 시 질량법칙에 의해 계산되는 구조의 두께 또는 비중량이 높은 재료의 선택을 통해 음향 저감 효과를 예상하여 설계 가능하다.
투과 손실(차폐성능)은 Fig. 10에서 보이는 바와 같 이 단위 면적당 중량이 큰 알루미늄 구조체가 좋은 성능을 보였다. 다만, Fig.

후속연구

우선, 일반 잔향실내에서 음향 시험을 수행하여 전체적인 음향저감 성능을 평가 하였고, 시험 수행 시 구조체 내부에서의 흠음률을 별도 시험을 통해 추출하여 구조체의 흡음 및 차음성능을 분석하였다. 이는 추후 유도 탄 구조 음향 설계 시 필요한 기초데이터로 활용될 수 있을 것이다.
(3) 일반잔향실 시험 결과와 고에너지 잔향실 시험 결 과를 비교한 결과 Coincidence 현상이 발생하는 주파수 구간을 제외하고 음향저감 성능이 동일하게 계측되었다. 즉, 유도탄 초기 설계 시에는 일반 잔향실 시험 결과를 구조체의 음향 저감성능을 파악에 활용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도탄 초기 설계 시, 음향 저감 효과를 예상하며 설계 가능하기 위해 필요한 것은?	(1) 음향저감 시스템이 적용하지 않은 구조체만으로는 현 시험체 기준 외부 음향환경에 대해 OASPL 9~ 10 dB의 음향을 저감 할 수 있다. 즉, 유도탄 초기 설계 시 질량법칙에 의해 계산되는 구조의 두께 또는 비중량이 높은 재료의 선택을 통해 음향 저감 효과를 예상하여 설계 가능하다.
	금속재와 샌드위치 복합재 구조체에 대한 음향 시험 결과로 판단할 수 있는 것은?	(2) 금속재와 샌드위치 복합재 구조체에 대한 음향 시험을 비교분석한 결과, 비중량이 작은 복합재가 음향투과손실 및 음압감소는 다소 낮게 계측되었다. 그러나, 전체적인 음압감소 지표인 OASPL은 약 1 dB의 작은 차이의 결과를 보임으로, 경량설계(복 합재 구조체가 동일한 기체형상기준으로 중량 1/3 수준으로 경량화 가능) 및 음향 하중설계 관점에서 금속재보다 복합재 구조를 사용함이 더 효과적인 것으로 판단된다.
	랜덤 진동 및 직접 전달되는 음향하중이 유발하는 것은?	최근 유도탄이 장사정화 고속화됨에 따라, 이륙 시 추진기관에서 발생하는 음향 하중 및 비행 중 공력에 의해 발생되는 음향 하중은 내부 장비 및 비행체 구조에 가해지는 랜덤진동의 주요 원인이 된다. 이러한 랜덤 진동 및 직접 전달되는 음향하중은 기체 자체의 구조적 파손 및 내부 장비의 오작동, 회로 단락등을 일으킬 수 있다. 따라서, 고속 유도탄의 설계 시 구조 내부로 전달되는 음향하중 설계 목표에 부합되도록 차음 구조 및 음향저감 시스템 성능에 대한 설계치를 규정하고, 이를 만족시키기 위한 흡/차음 설계가 필수 적이다.

참고문헌 (6)

Armel, T. L., "Titan IV Payload Fairing S/N 000036 Acoustics Flat Panel Tests," McDonnell Douglas Aerospace-Space Systems Report MDC 94H0067, July 1994.
Hughes, W. O. and McNelis, A. M., July 1996, "Cassini/Titan IV Acoustic Blanket Development and Testing," NASA TM-107266, prepared for the 42nd Annual Technical Meeting and Exposition sponsored by the Institute of Environmental Sciences, Orlando, Florida, May 12-16, 1996.
Lawrence. E. Kinsler and Austin R. Frey, etc, "Fundamentals of Acoustics," John Wiley & Sons, Inc. USA, pp. 333-358, 2000.
Chongxin Yuan, Otto Bergsma and Adriaan Beukers, "Sound Transmission Loss Predicidtion of the Composite Fuselage with Different Methods," Application Composite Material, 19:865-883, 2012.

상세보기
S. E. Dym and D. C. Lang and J. M. Smith, "Transmission Loss Optimization in Acoustic Sandwich Panels with Orthotropic Cores," Journal of Sound and Vibration. 88, 299-319, 1983.

상세보기
Yang-han, Kim, "Lecture Notes on Acoustics," Cmgbooks, Inc. Korea, 2005.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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