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문제 정의
- 본 논문에서는 수중소음원의 음향파워 측정을 위해 설계된 잔향수조의 구조-음향 연성 효과를 유한요소법 기반의 수치해석과 실험을 통해 검토하였다. 잔향수조의 구조-음향 연성 및 비연성 구조, 음향 수치해석을 통해 모달 파라미터 및 주파수응답함수를 산정하고 실험결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 음향파워 측정을 위해 설계된 잔향수조의 구조-음향 연성효과를 수치해석과 실험을 통해 고찰하였다. 유한요소해석을 통하여 잔향수조의 비연성 및 연성 모달 파라미터 분석과 주파수응답함수 평가를 수행하였으며, 충격망치 및 음향가진실험을 통하여 수치해석결과와 비교·분석하였다.
- 추가로 잔향수조 구조물의 강성 증가에 따른 구조-음향 연성효과를 고찰하였다. 구조물의 강성 증가를 모의하기 위해 Case 4에 대한 수치해석 모델의 판 두께를 기존 0.
제안 방법
- 추가로 잔향수조 구조물의 강성 증가에 따른 구조-음향 연성효과를 고찰하였다. 구조물의 강성 증가를 모의하기 위해 Case 4에 대한 수치해석 모델의 판 두께를 기존 0.01 m에서 0.05 m, 0.10 m, 1.00 m로 변화시키며 수치해석을 수행하였다. 이에 대한 음향장의 1~4차 고유진동수를 비교하여 Table 6에 나타내었으며, 음향장 주파수응답함수를 Fig.
- 이때, 수조의 벽면과 보강재 부분은 CQUAD4 및 CTRIA3 요소, 수조 지지구조 하부의 탄성 마운트는 CBUSH 요소, 음향장은 HEXA 요소를 사용하여 수치해석 모델을 구성하였다. 또한, 구조 및 음향요소의 최대 크기는 굽힘파의 파장과 음속을 고려하여 20 mm 및 50 mm로 각각 모델링하였다. 아울러, 수치해석 모델에 적용된 재료 물성치를 Table 2에 나타내었다.
- 한편, 구조-음향 연성효과를 검토하기 위해 구조-음향 접수면에는 임피던스 매칭 경계조건을 부여하여 연성 해석을 수행하였다. 또한, 동일한 접수면에 대해 법선 속도가 0인 경계조건(rigid wall boundary condition), 압력인 0인 경계조건(pressure release boundary condition) 등의 이상적 경계조건을 적용하여 비연성 음향 해석을 수행하였다. 이에 대하여 수치해석은 비연성 시 구조물의 모달 파라미터 산정(Case 1), 비연성 시 음향 모달 파라미터와 음향장의 주파수응답 산정(Case 2 & 3), 연성시 구조물의 모달 파라미터와 음향장의 주파수응답함수 산정(Case 4) 등으로 구분하여 수행하였으며, 상기 내용을 Table 3에 나타내었다.
- 잔향수조의 구조-음향 연성 및 비연성 구조, 음향 수치해석을 통해 모달 파라미터 및 주파수응답함수를 산정하고 실험결과와 비교하였다. 아울러, 구조-음향 연성 고유 진동수 및 주파수응답함수를 통해 구조물의 강성증가에 따른 잔향수조의 음향 특성을 분석하였다.
- 유한요소해석을 통하여 잔향수조의 비연성 및 연성 모달 파라미터 분석과 주파수응답함수 평가를 수행하였으며, 충격망치 및 음향가진실험을 통하여 수치해석결과와 비교·분석하였다.
- 음향장의 경계조건은 수면에 해당하는 음향 모델의 윗면에 압력이 0인 경계조건(pressure release condition)을 적용하였다. 한편, 구조-음향 연성효과를 검토하기 위해 구조-음향 접수면에는 임피던스 매칭 경계조건을 부여하여 연성 해석을 수행하였다.
- 2에 나타내었다. 이때, 수조의 벽면과 보강재 부분은 CQUAD4 및 CTRIA3 요소, 수조 지지구조 하부의 탄성 마운트는 CBUSH 요소, 음향장은 HEXA 요소를 사용하여 수치해석 모델을 구성하였다. 또한, 구조 및 음향요소의 최대 크기는 굽힘파의 파장과 음속을 고려하여 20 mm 및 50 mm로 각각 모델링하였다.
- 이에 대하여 수치해석은 비연성 시 구조물의 모달 파라미터 산정(Case 1), 비연성 시 음향 모달 파라미터와 음향장의 주파수응답 산정(Case 2 & 3), 연성시 구조물의 모달 파라미터와 음향장의 주파수응답함수 산정(Case 4) 등으로 구분하여 수행하였으며, 상기 내용을 Table 3에 나타내었다.
- 본 논문에서는 수중소음원의 음향파워 측정을 위해 설계된 잔향수조의 구조-음향 연성 효과를 유한요소법 기반의 수치해석과 실험을 통해 검토하였다. 잔향수조의 구조-음향 연성 및 비연성 구조, 음향 수치해석을 통해 모달 파라미터 및 주파수응답함수를 산정하고 실험결과와 비교하였다. 아울러, 구조-음향 연성 고유 진동수 및 주파수응답함수를 통해 구조물의 강성증가에 따른 잔향수조의 음향 특성을 분석하였다.
- 잔향수조의 구조-음향 연성 효과를 분석하기 위해 실험은 충격망치실험과 음향가진실험을 구분하여 수행하였다. 충격망치실험은 비연성 및 연성 구조의 모달 파라미터 도출을 위해 수행하였다.
- 잔향수조의 구조-음향 연성 효과를 분석하기 위해 실험은 충격망치실험과 음향가진실험을 구분하여 수행하였다. 충격망치실험은 비연성 및 연성 구조의 모달 파라미터 도출을 위해 수행하였다. 이때, 수신점은 잔향수조의 모드 확인을 위하여 보강재가 교차하는 10개 지점과 보강재의 영향이 적은 4개 지점, 가진점은 구조물 전체가 가진 될 수 있도록 보강재가 교차하는 55개 지점을 선정하여 가속도계를 부착하고 가진하였다.
- 음향장의 경계조건은 수면에 해당하는 음향 모델의 윗면에 압력이 0인 경계조건(pressure release condition)을 적용하였다. 한편, 구조-음향 연성효과를 검토하기 위해 구조-음향 접수면에는 임피던스 매칭 경계조건을 부여하여 연성 해석을 수행하였다. 또한, 동일한 접수면에 대해 법선 속도가 0인 경계조건(rigid wall boundary condition), 압력인 0인 경계조건(pressure release boundary condition) 등의 이상적 경계조건을 적용하여 비연성 음향 해석을 수행하였다.
- 4와 같다. 한편, 음향가진실험은 연성 음향 주파수응답함수 도출 및 음향특성 파악을 위해 수행하였다. 수음점은 잔향수조 내부의 27개 지점, 음원은 잔향수조의 관측창 측면 중앙부 1개 지점을 선정하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 동명대학교 내 구축된 잔향수조를 대상으로 하며, 그 형상과 제원은 Fig. 1과 Table 1에 각각 나타내었다. 잔향수조의 벽면과 바닥면은 연강재질의 보강판 구조로 되어있으며, 한쪽 측면은 강화유리(tempered glass)를 설치하여 음향파워 측정과 내부 관측에 용이하도록 제작되었다.
- 사용된 장비는 주파수 분석기(B&K pulse), 충격망치(Dytran 5802), 가속도계(Dytran 3148E) 등이며, 그 구성은 Fig. 4와 같다.
- 한편, 음향가진실험은 연성 음향 주파수응답함수 도출 및 음향특성 파악을 위해 수행하였다. 수음점은 잔향수조 내부의 27개 지점, 음원은 잔향수조의 관측창 측면 중앙부 1개 지점을 선정하였다. 음향 가진 신호는 광대역 주파수에 대해 가진이 용이한 정현파 스윕 신호(sine sweep signal)를 사용하였다.
- 수음점은 잔향수조 내부의 27개 지점, 음원은 잔향수조의 관측창 측면 중앙부 1개 지점을 선정하였다. 음향 가진 신호는 광대역 주파수에 대해 가진이 용이한 정현파 스윕 신호(sine sweep signal)를 사용하였다. 이때, 사용된 장비는 주파수 분석기(B&K pulse), 음향가진기(Neptune sonar D17), 수신기(B&K 8103), 파워 앰프(B&K 2713) 그리고 컨디션 앰프(B&K nexus amp.
- 충격망치실험은 비연성 및 연성 구조의 모달 파라미터 도출을 위해 수행하였다. 이때, 수신점은 잔향수조의 모드 확인을 위하여 보강재가 교차하는 10개 지점과 보강재의 영향이 적은 4개 지점, 가진점은 구조물 전체가 가진 될 수 있도록 보강재가 교차하는 55개 지점을 선정하여 가속도계를 부착하고 가진하였다. 충격망치실험에 대한 가진점과 수음점을 Fig.
데이터처리
- 잔향수조의 비연성 구조, 음향 및 구조-음향 연성 수치해석결과와 실험결과를 비교·분석하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 잔향수조의 구조-음향 연성해석을 위해 MSC/Nastran (2008)을 사용하였다. 한편, 구조물과 음향장에 대한 수치 해석 모델은 Fig.
- 이에 대하여 수치해석은 비연성 시 구조물의 모달 파라미터 산정(Case 1), 비연성 시 음향 모달 파라미터와 음향장의 주파수응답 산정(Case 2 & 3), 연성시 구조물의 모달 파라미터와 음향장의 주파수응답함수 산정(Case 4) 등으로 구분하여 수행하였으며, 상기 내용을 Table 3에 나타내었다. 이때 수치 해석은 란초스법(Lanczos method) 기반의 복소 고유치 해석과 모드 중첩법 기반의 강제진동해석 기법을 활용하였다.
성능/효과
- 한편, 비연성 시(Case 2 & 3)와 연성 시(Case 4) 음향장의 1~3차 고유진동수 수치해석결과와 시험결과를 비교하여 Table 5 에 나타내었다. 비연성 시(Case 2 & Case 3) 1차 고유진동수는 각각 242.8 Hz와 546.2 Hz로써, 큰 차이를 보임을 확인할 수 있다. 이는 구조와 음향이 접하는 접수면에 대한 경계조건 차이에 의한 결과로 사료된다.
- 이는 구조와 음향이 접하는 접수면에 대한 경계조건 차이에 의한 결과로 사료된다. 한편, 수치해석을 통한 연성 시(Case 4) 음향장의 1~3차 고유진동수는 실험결과와 0.0%에서 1.7%의 상대 차이를 보이며, 비연성 결과와 비교하였을 때 Case 2보다 Case 3의 음향 특성과 유사함을 확인할 수 있다.
- Table 3에 나타낸 수치해석 Case 중 비연성(Case 1)과 연성(Case 4)에 대한 구조의 1~4차 고유진동수 해석결과를 실험결과와 함께 정리하여 Table 4에 나타내었으며, 상대 비교를 위하여 차이(difference)와 상대 차이 (relative difference)를 함께 나타내었다. 고유진동수는 부가 수 질량 효과로 인하여 비연성 시(Case 1) 구조 고유진동수 대비 전반적으로 33% 정도 낮게 나타났다. Case 1과 Case 4에 대한 1차부터 4차까지의 구조모드를 수치해석 및 실험결과를 비교하여 Fig.
- 또한 구조물의 강성변화에 따른 구조-음향 연성효과를 고찰하기 위해 잔향수조의 평판 두께를 변화시키며 수치해석을 수행한 결과, 구조물의 강성이 커질수록 “rigid wall 조건”을 적용한 비연성 음향장과 유사하며, 구조물 강성이 작아질수록 “pressure release condition”을 적용한 비연성 음향장과 유사한 음향특성이 나타나는 것을 확인하였다.
- 유한요소해석을 통하여 잔향수조의 비연성 및 연성 모달 파라미터 분석과 주파수응답함수 평가를 수행하였으며, 충격망치 및 음향가진실험을 통하여 수치해석결과와 비교·분석하였다. 수치해석을 통한 잔향수조의 고유진동수와 음향장 주파수응답함수은 실험결과와 전반적으로 유사하게 나타났다. 한편 구조-음향 연성 효과로 인한 구조물의 고유진동수는 부가질량 효과로 인해 비연성 시 구조물의 고유진동수에 비해 전반적으로 낮게 나타났으며, 구조와 음향이 연성된 잔향수조의 음향장은 접수면에 “pressure release condition” 을 적용한 비연성 음향장과 유사한 음향특성을 가지는 것을 확인하였다.
- 7에 각각 나타내었다. 이를 통해 2차 고유모드를 제외한 수치해석과 실험의 고유모드가 각각 잘 부합함을 확인하였다.
- 한편 구조-음향 연성 효과로 인한 구조물의 고유진동수는 부가질량 효과로 인해 비연성 시 구조물의 고유진동수에 비해 전반적으로 낮게 나타났으며, 구조와 음향이 연성된 잔향수조의 음향장은 접수면에 “pressure release condition” 을 적용한 비연성 음향장과 유사한 음향특성을 가지는 것을 확인하였다.
후속연구
- 이를 통해 개략적인 잔향수조의 음향장 해석 시, 수치해석 연산시간을 고려하여 구조-음향 연성 접수면에 대한 경계조건 대신 “pressure release 조건”을 적용한 비연성 음향장 모델에 대해 수치해석을 수행하는 것이 보다 실용적일 수 있다고 사료된다.
- 향후 수중 소음원 계측 및 분석의 정도를 높이기 위해 실제 수중소음원에 대한 잔향수조에서의 실험과 수치해석을 통해 데이터를 확보해 나아갈 예정이며, 잔향수조의 특성을 반영하여 수중 소음원에 대한 음향파워 추정 및 분석기법을 적용한 잔향수조에서의 음향파워 실험을 수행할 예정이다.
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