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가설 설정
- 이 때, 음파 전달 속도는 1,430m/s, 밀도는 1,000kg/m3, 매질감쇠는 없는 것으로 가정하였다(η = 0).
- 이 때, 음파 전달 속도는 1,430m/s, 밀도는 1,000kg/m3, 매질감쇠는 없는 것으로 가정하였다(η = 0). 참고로, 수면은 완전반사면으로, 잔향수조 벽면은 불완전 반사면으로 가정하였으며, Table 3의 파워반사계수를 반영하였다.
제안 방법
- 또한 수치해석결과는 음향실험의 수음점별 음압레벨과의 비교를 통해 검증한다. 검증된 수치해석모델을 활용해 대상수조의 음장해석을 수행하고 그 음장 특성을 고찰한다.
- 검증용 수음점 배열은 음향실험 시 수중청음기 위치와 동일하며, 잔향수조 음장해석용 배열은 길이-폭 평면 상에 벽면을 제외하고 길이방향(range)으로 19개씩, 폭방향(cross range)으로 13개씩 공히 0.25m 간격으로 음원 깊이와 동일하게 균등 배치하였다(Fig. 8).
- 이 때, 대상수조의 주파수별 음원레벨과 잔향시간 데이터는 음향실험 결과를 이용해 잔향수조도법을 기반으로 산출한다. 또한 수치해석결과는 음향실험의 수음점별 음압레벨과의 비교를 통해 검증한다. 검증된 수치해석모델을 활용해 대상수조의 음장해석을 수행하고 그 음장 특성을 고찰한다.
- 본 연구에서는 고주파수 수치해석기법인 음향라디오시티법을 이용해 잔향수조의 음장해석을 수행한다. 이 때, 대상수조의 주파수별 음원레벨과 잔향시간 데이터는 음향실험 결과를 이용해 잔향수조도법을 기반으로 산출한다.
- 상기 구성에 따라 음향실험을 실시하였으며 그 결과는 1/3 옥타브 밴드 필터를 사용하여 주파수 별 음압레벨(sound pressure level)로 분석하였다. 이 때, 주파수범위는 중심주파수 기준으로 2.
- 5, 5, 10, 20 kHz에 대해 대표 도시한 것이다. 선형회귀식을 이용해 기울기에 해당하는 음원출력 S와 절편값에 해당하는 잔향음장 음압 pr을 산정하였다.
- 이때, 송신 신호로 백색신호(white signal)를 사용하였다. 수중청음기는 음원과 동일한 깊이와 폭방향 위치를 유지한 상태에서 길이방향으로 총 10개 지점으로 이동하면서 음향실험을 실시하였다. Table 1은 음원과 수중청음기의 길이방향 이격 거리를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 고주파수 음향 해석기법 중 하나인 음향라디오시티법을 이용해 잔향수조의 음장해석을 수행하였다. 수치해석모델에 반영할 음원레벨, 잔향시간 등의 음향파라미터는 대상수조에 대한 음향실험을 수행하고 잔향수조도법을 기반으로 산정하였다. 음향파라미터 산출을 위해 실시한 음향실험에서와 동일한 음원과 수음점 조건에서 수치해석을 수행하고 그 결과를 거리별 음압레벨 실험결과와 비교하여 수치해석방법을 검증하였으며, 평균 0.
- 수치해석모델은 잔향수조의 내부음장을 기준으로 그 제원과 음향학적 특성을 고려하여 768개의 평면삼각형으로 작성하고 (Fig. 7), 음향라디오시티법을 적용해 음장해석을 수행하였다.
- 수치해석에 필요한 음향파라미터인 음원의 음향파워와 대상 수조의 파워반사계수 산정하고 수치해석기법의 정확도를 검증하기 위해 음향실험을 수행하였다. 대상수조 및 실험장비의 구성은 하기와 같다.
- 수치해석은 2,500Hz ~ 20,000Hz 1/3 옥타브 밴드 중심주파수 구간에 대해 수행하였으며, 그 결과는 수중청음기 위치와 주파수에 따른 음압레벨로 Fig. 9에 도시하였으며, 수치해석결과와 음향실험결과와의 차이를 Fig. 10에 도시하였다.
- 1dB 수준으로 매우 우수한 정확도를 보였다. 추가로 잔향수조 내 음장 해석을 수행하고 주파수별 음장 분포를 검토하였다. 음원과 수음점의 거리에 따라 직접음장과 잔향음장의 지배영역이 구분되어 나타남을 확인하였다.
대상 데이터
- 실험장비는 Fig. 3와 같이 송신기(transmitter)와 수중청음기(Hydrophone), 앰프(power & conditioning amplifier), 주파수 분석기 등으로 구성하였다.
- 음원으로는 음향실험과 동일하게 단극음원을 사용하였으며, 주파수 밴드별 음원레벨은 음향실험으로 도출한 Table 2의 값을 적용하였다. 음원의 위치는 음향실험에서와 동일하게 설정하였다.
- 잔향수조는 강화유리 관측창, 탄성지지 다리구조 등을 포함한 보강판(stiffened steel plate) 구조로 제작되었으며, 그 형상은 Fig. 2의 사진과 같다. 잔향수조의 크기는 내부 공간 기준으로 길이 5m, 폭 3.
이론/모형
- 본 연구에서는 고주파수 음향 해석기법 중 하나인 음향라디오시티법을 이용해 잔향수조의 음장해석을 수행하였다. 수치해석모델에 반영할 음원레벨, 잔향시간 등의 음향파라미터는 대상수조에 대한 음향실험을 수행하고 잔향수조도법을 기반으로 산정하였다.
- 본 연구에서는 잔향수조의 음향장 해석을 위해 고주파수 해석기법인 음향라디오시티법(Kim, 2018)을 적용하고 잔향수조의 음향특성 산정을 위해 잔향수조도법(Hazelwood and Robinson, 2007)을 적용한다. 본 장에서는 독자의 이해를 돕기 위해 해당 기법에 대한 기본 이론을 요약․기술하였다.
성능/효과
- 수중청음기 위치와 주파수에 따라 경향은 잘 일치하고 있으며, 음향레벨의 차이도 평균 –0.1dB, 최대 1.7dB, 표준편자 0.56dB로 매우 우수한 정확도를 보이고 있다.
- 추가로 잔향수조 내 음장 해석을 수행하고 주파수별 음장 분포를 검토하였다. 음원과 수음점의 거리에 따라 직접음장과 잔향음장의 지배영역이 구분되어 나타남을 확인하였다.
- 수치해석모델에 반영할 음원레벨, 잔향시간 등의 음향파라미터는 대상수조에 대한 음향실험을 수행하고 잔향수조도법을 기반으로 산정하였다. 음향파라미터 산출을 위해 실시한 음향실험에서와 동일한 음원과 수음점 조건에서 수치해석을 수행하고 그 결과를 거리별 음압레벨 실험결과와 비교하여 수치해석방법을 검증하였으며, 평균 0.1dB 수준으로 매우 우수한 정확도를 보였다. 추가로 잔향수조 내 음장 해석을 수행하고 주파수별 음장 분포를 검토하였다.
후속연구
- 상기결과로부터 본 연구에서 적용한 음향라디오시티법 기반 수치해석기법이 잔향수조와 같은 잔향공간에서의 음장해석에 실무적으로 활용될 수 있음을 알 수 있다. 본 연구는 기하학적, 음향학적으로 단순한 음장에 대한 내용이므로 향후 보다 복잡한 음장공간에 대한 추가연구와 그에 따른 지속적인 개선 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 상기결과로부터 본 연구에서 적용한 음향라디오시티법 기반 수치해석기법이 잔향수조와 같은 잔향공간에서의 음장해석에 실무적으로 활용될 수 있음을 알 수 있다. 본 연구는 기하학적, 음향학적으로 단순한 음장에 대한 내용이므로 향후 보다 복잡한 음장공간에 대한 추가연구와 그에 따른 지속적인 개선 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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