[논문]FE-BEM 및 SEA 해석 기법을 활용한 샌드위치 복합재 구조물의 전 주파수 대역 음향 해석

이대은; 이윤규; 김홍일; 김재영

doi:10.9766/kimst.2018.21.4.422

[국내논문] FE-BEM 및 SEA 해석 기법을 활용한 샌드위치 복합재 구조물의 전 주파수 대역 음향 해석
Full-Frequency Band Acoustic Analysis of Sandwich Composite Structure Using FE-BEM and SEA Method 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.4, 2018년, pp.422 - 428

이대은 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 이윤규 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 김홍일 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 김재영 (국방과학연구소 제1기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Increase in use of lightweight structures, coupled with the increased acoustic loads resulting from larger and longer range guided missiles, has made missile more susceptible to failures caused by acoustic loads. Thus, accurate prediction of acoustic environment and the response is becoming ever more important for mission success. In this paper, the acoustic response of a sandwich composite skin structure to diffuse acoustic excitation is predicted over a broad frequency range. For the low frequency acoustic analysis, coupled FE-BEM method is used where the structure is modeled using FEM and the interior and exterior fluid is modeled using BEM. For the high frequency region, statistical energy analysis is applied. The predicted acoustic level inside the structure is compared with the result from acoustic test conducted in reverberation chamber, which shows very good agreement.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 높은 비강성을 가지는 샌드위치 복합재 외피로 구성된 음향 연구용 구조물에 대해 50~10,000 Hz 주파수 대역에서 FE-BEM과 SEA 해석기법을 적용해 음향 해석을 수행하였다. FE-BEM 해석 기법의 고주파수 한계는 해석 모델 크기를 고려해 800 Hz로 선정하였으며 SEA 해석 기법 저주파수 한계는 각 SEA 하부시스템의 모드밀도를 고려해 500Hz로 선정하였다.

가설 설정

구조 하부시스템에서 외부음장으로 손실되는 에너지는 VA One의 Semi-Infinite Fluid로 모사하였다. 구조 하부시스템의 DLF는 5 %, 음향 하부시스템의 흡음률은 1%를 가정하였으며 연결된 하부시스템 간의 CLF는 VAOne에서 제공하는 이론치를 사용하였다. 음향가진은 Diffuse Acoustic Field로 밑판을 제외한 모든 구조 하부시스템에 인가하였다.
FE-BEM 모델에서 구조물의 구조요소는 FEM으로, 구조물의 외부 및 내부 음장은 BEM을 사용하여 모델링을 하였다. 구조요소의 감쇠는 5 %, 공기감쇠는 없다고 가정하였다. 시험 시 밑판이 바닥에 놓였기 때문에 밑판으로는 음압이 투과되지 않는다고 가정했으며 바닥은 모든 음파를 반사시키는 무한판으로 모사하였다.
구조요소의 감쇠는 5 %, 공기감쇠는 없다고 가정하였다. 시험 시 밑판이 바닥에 놓였기 때문에 밑판으로는 음압이 투과되지 않는다고 가정했으며 바닥은 모든 음파를 반사시키는 무한판으로 모사하였다. 구조물 외부 확산음장은 다양한 각도에서 들어오는 평면파 50개로 모사하였다.

제안 방법

FE-BEM 모델에서 구조물의 구조요소는 FEM으로, 구조물의 외부 및 내부 음장은 BEM을 사용하여 모델링을 하였다. 구조요소의 감쇠는 5 %, 공기감쇠는 없다고 가정하였다.
본 논문에서는 높은 비강성을 가지는 샌드위치 복합재 외피로 구성된 음향 연구용 구조물에 대해 50~10,000 Hz 주파수 대역에서 FE-BEM과 SEA 해석기법을 적용해 음향 해석을 수행하였다. FE-BEM 해석 기법의 고주파수 한계는 해석 모델 크기를 고려해 800 Hz로 선정하였으며 SEA 해석 기법 저주파수 한계는 각 SEA 하부시스템의 모드밀도를 고려해 500Hz로 선정하였다. 잔향실 음향 시험 시 계측된 구조물 내부 음압레벨의 표준편차는 1/3 옥타브밴드 기준으로 400 Hz에서부터 1.
구조물을 모든 방향에서 유사한 레벨로 가진하기 위해 한국기계연구원 잔향실에서 옴니스피커를 사용했으며 가진 레벨은 OASPL 약 110 dB이다. 구조물의 내부 및 외부 음압레벨은 각각 6개, 12개의 마이크로폰을 사용하여 계측하였으며 음향 가진에 의한 구조 진동 레벨은 가속도계 29개를 사용해 계측하였다(Fig. 2).
본 논문에서는 경량 구조물에 널리 사용되는 샌드위치 복합재로 구성된 음향 연구용 구조물(이하 구조물)을 대상으로 MIL-810G 규격에 정의된 50~10,000 Hz 전 주파수 대역에서의 음향 응답을 FE-BEM과 SEA 기법을 적용하여 예측하였고 이를 잔향실에서 수행한 음향 시험 결과와 비교 분석하였다.
음향 시험은 구조물에 의한 음향저감 특성을 파악하기 위해 구조물 외부를 음향으로 가진하면서 구조물의 외부/내부 음압을 계측하였다. 구조물을 모든 방향에서 유사한 레벨로 가진하기 위해 한국기계연구원 잔향실에서 옴니스피커를 사용했으며 가진 레벨은 OASPL 약 110 dB이다.
음향-진동 해석은 FE-BEM와 SEA 해석을 모두 지원하는 ESI사의 VA One을 사용해 수행하였다. FE-BEM의 경우 모드 해석을 기반으로 응답을 계산하는데 본 연구에서는 FE 모드 해석은 Abaqus로 수행한 후 그 결과를 VA One에서 불러들여 사용하였다.

대상 데이터

FE-BEM 해석은 50~800 Hz 대역에서 10 Hz 간격으로 수행하였으며 이때 1~1200 Hz 대역에서 계산된 총 390개의 구조모드를 사용하였다. 해석 결과는 Fig.
SEA 해석 모델은 Fig. 7과 같이 구조물을 7개의 구조, 1개의 음향, 총 8개의 하부시스템으로 구성하였다. 구조 하부시스템에서 외부음장으로 손실되는 에너지는 VA One의 Semi-Infinite Fluid로 모사하였다.
7과 같이 구조물을 7개의 구조, 1개의 음향, 총 8개의 하부시스템으로 구성하였다. 구조 하부시스템에서 외부음장으로 손실되는 에너지는 VA One의 Semi-Infinite Fluid로 모사하였다. 구조 하부시스템의 DLF는 5 %, 음향 하부시스템의 흡음률은 1%를 가정하였으며 연결된 하부시스템 간의 CLF는 VAOne에서 제공하는 이론치를 사용하였다.
시험 시 밑판이 바닥에 놓였기 때문에 밑판으로는 음압이 투과되지 않는다고 가정했으며 바닥은 모든 음파를 반사시키는 무한판으로 모사하였다. 구조물 외부 확산음장은 다양한 각도에서 들어오는 평면파 50개로 모사하였다.
음향 시험은 구조물에 의한 음향저감 특성을 파악하기 위해 구조물 외부를 음향으로 가진하면서 구조물의 외부/내부 음압을 계측하였다. 구조물을 모든 방향에서 유사한 레벨로 가진하기 위해 한국기계연구원 잔향실에서 옴니스피커를 사용했으며 가진 레벨은 OASPL 약 110 dB이다. 구조물의 내부 및 외부 음압레벨은 각각 6개, 12개의 마이크로폰을 사용하여 계측하였으며 음향 가진에 의한 구조 진동 레벨은 가속도계 29개를 사용해 계측하였다(Fig.
1과 같다. 구조물의 외피는 비강성이 높은 샌드위치 복합재로 Hexel사의 CR3-5052-F40 코어 소재와 한국화이바사의 HPW193/RS3232 CFRP 면재를 사용하였다. 그 외 프레임, 노즈콘부, 밑판은 알루미늄으로 제작되었다.
본 연구에 사용된 구조물은 음향 연구용 구조물로 형상은 Fig. 1과 같다. 구조물의 외피는 비강성이 높은 샌드위치 복합재로 Hexel사의 CR3-5052-F40 코어 소재와 한국화이바사의 HPW193/RS3232 CFRP 면재를 사용하였다.
구조 하부시스템의 DLF는 5 %, 음향 하부시스템의 흡음률은 1%를 가정하였으며 연결된 하부시스템 간의 CLF는 VAOne에서 제공하는 이론치를 사용하였다. 음향가진은 Diffuse Acoustic Field로 밑판을 제외한 모든 구조 하부시스템에 인가하였다. 해석은 1/3 옥타브 밴드로 수행하였으며 하부시스템의 밴드 당 모드수가 3개 이상인 500 Hz부터 10,000 Hz로 해석 주파수 밴드를 선정하였다.
음향가진은 Diffuse Acoustic Field로 밑판을 제외한 모든 구조 하부시스템에 인가하였다. 해석은 1/3 옥타브 밴드로 수행하였으며 하부시스템의 밴드 당 모드수가 3개 이상인 500 Hz부터 10,000 Hz로 해석 주파수 밴드를 선정하였다.

데이터처리

50~10,000 Hz 주파수 대역에서의 해석 및 시험 결과(표준편차 포함)를 1/3 옥타브 밴드로 Fig 9에 비교하였다. 저주파수 대역에서는 위치에 따라 표준편차가 큰데, 125 Hz 이상의 주파수 대역에서 FE-BEM 해석과 시험 결과의 표준편차가 서로 겹치는 것을 볼 수 있다.
음향-진동 해석은 FE-BEM와 SEA 해석을 모두 지원하는 ESI사의 VA One을 사용해 수행하였다. FE-BEM의 경우 모드 해석을 기반으로 응답을 계산하는데 본 연구에서는 FE 모드 해석은 Abaqus로 수행한 후 그 결과를 VA One에서 불러들여 사용하였다. 해석에 사용한 샌드위치 복합재의 물성은 Table 1과 같다.

성능/효과

5 dB와 거의 동일하다. FE-BEM과 SEA 해석 결과가 모두 존재하는 500 Hz와 630 Hz 주파수 대역에서는 FE-BEM 예측 값(시험 값과 차이: 0.6 dB 이내)이 SEA 예측 값(시험 값과 차이: 0.9 dB 이내)보다시험 값에 더 근접하지만 두 해석 값의 차이는 약 0.3dB로 계측 값의 표준편차 보다 작은 값으로 계산비용 등을 고려할 시 SEA로 해석하는 것이 더 유리할 수 있다.
2 dB 이내의 오차를 보인다. OASPL로 비교 시 해석과 시험 결과는 각각 98.0 dB와 98.3 dB로 해석이 시험 값을 잘 예측하고 있다.
6) 해석이 시험 결과의 추세를 잘 따르는 것을 볼 수 있다. 관심 주파수 구간에서 계측 및 예측 된 OASPL의 차이는 각 계측 위치에서 0.6, 0.6, 1.8, 0.7, 1.2, 1.0 dB로 전반적으로 해석이 시험과 유사한 결과를 보인다.
3은 음향시험 시 계측된 구조물 내부와 외부의 음압레벨을 보여주고 있다(1/3 옥타브 밴드). 구조물 외부에서 계측된 음압레벨의 평균편차가 160 Hz 이상 주파수 대역에서 1 dB 이하로 나타나는 것을 확인 하였으며 따라서 160 Hz 이상의 주파수 대역에서 확산 음장이 형성되었다고 볼 수 있다. 구조물의 내부 마이크로폰의 평균 편차는 400 Hz 보다 높은 주파수 대역에서 1.
5에 나타내었다. 시험과 해석 결과에 90 Hz, 120 Hz, 160 Hz를 포함한 여러 주파수 대역에서 피크를 보이는데 이는 내부공간의 음향모드와 일치하는 주파수 이며(Fig. 6) 해석이 시험 결과의 추세를 잘 따르는 것을 볼 수 있다. 관심 주파수 구간에서 계측 및 예측 된 OASPL의 차이는 각 계측 위치에서 0.
FE-BEM 해석 기법의 고주파수 한계는 해석 모델 크기를 고려해 800 Hz로 선정하였으며 SEA 해석 기법 저주파수 한계는 각 SEA 하부시스템의 모드밀도를 고려해 500Hz로 선정하였다. 잔향실 음향 시험 시 계측된 구조물 내부 음압레벨의 표준편차는 1/3 옥타브밴드 기준으로 400 Hz에서부터 1.5 dB 이내로 들어오며 따라서 SEA로 해석한 평균값이 내부 음압레벨을 잘 대표해주고 있음을 알 수 있다. 그 이하의 저주파수 대역에서는 계측 값의 표준편차가 크기 때문에 FE-BEM 같이 계측 위치별로 예측할 필요가 있다.
8은 SEA해석과 시험 결과를 보여준다. 전반적으로 해석과 시험 결과가 잘 일치하는 것을 볼 수 있으며 해석 주파수 대역에서 1.2 dB 이내의 오차를 보인다. OASPL로 비교 시 해석과 시험 결과는 각각 98.
구조의 첫 번째 모드(87 Hz) 이하의 주파수 대역에서는 NR이 큰 값을 가지는데 이는 강성에 의해 지배되는 구간으로 진동이 잘 발생하지 않아 내부로 방사되는 음향이 작기 때문이다. 첫 번째 구조모드가 위치한 주파수 대역에서는 구조 진동으로 인한 방사로 NR 값이 작아진 후 질량 법칙에 따라 잠시 증가하는 추세를 보인다. 그 후 주파수 대역에서는 다시 NR 값이 감소하는데 이는 구조와 음향의 음속이 같아지는 일치 주파수(coincidence frequency)로 공기의 파장이 구조물 굽힘 파의 파장보다 짧아짐으로 인해 구조에 의한 방사가 잘 일어나기 때문이다.
그 이하의 저주파수 대역에서는 계측 값의 표준편차가 크기 때문에 FE-BEM 같이 계측 위치별로 예측할 필요가 있다. 해석 결과 전주파수 대역에서 예측된 평균 OASPL은 약 100.0 dB로 계측된 평균 OASPL 100.5 dB와 유사하며 일치주파수 현상을 포함해 전반적으로 주파수별 구조에 의한 음향 저감 특성을 잘 예측하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도무기의 음향-진동 해석이 더욱 중요해진 이유는?	유도무기 발사 시 형성되는 음향 환경은 유도무기구조 및 탑재장비의 손상 혹은 오작동을 야기할 수 있다. 특히 유도무기의 대형화에 따른 구조 경량화 및 음향하중 증가로 인해 유도무기의 음향-진동 해석이 더욱 중요해 지고 있다.
	저주파수대역에서 응답 특성은 무엇인가?	주파수 대역은 파수(wave number; k)와 시스템의 특유 치수(characteristic dimension; a)의 곱으로 표현되는 헬름홀쯔 수(Helmholtz number; H=ka)를 사용해 저주파수대역(H⟪π, H≈π)과 고주파수 대역(H⟫π)으로 분류하기도 한다[1]. 저주파수 대역에서의 응답 특성은 소수의 공진 모드에 지배적인 영향을 받으며 미세한 시스템의 변화(경계조건, 물성치, 치수, 등등)에 강건하기 때문에 유한요소법(Finite Element Method; 이하 FEM) 혹은 경계요소법(Boundary Element Method; 이하 BEM)과 같은 결정론적 방법을 적용하는 것이 적합하다. 반면에 해석대상의 크기가 파장에 비해 큰 고주파수 대역에서는 응답 특성이 다수의 공진모드에 영향을 받으며 미세한 시스템의 변화에도 민감하게 반응하기 때문에 결정론적 방법보다는 통계적 에너지 해석법(Statistical Energy Analysis; SEA)과 같은 통계적인 방법이 더 적합하다[2].
	유도무기 발사 시 형성되는 음향 환경은 어떤 문제를 일으킬 수 있는가?	유도무기 발사 시 형성되는 음향 환경은 유도무기구조 및 탑재장비의 손상 혹은 오작동을 야기할 수 있다. 특히 유도무기의 대형화에 따른 구조 경량화 및 음향하중 증가로 인해 유도무기의 음향-진동 해석이 더욱 중요해 지고 있다.

참고문헌 (10)

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