[논문]소나 음향센서의 진동유기 소음 차단 특성에 대한 실험적 연구

김경섭; 제엽; 김호준; 조요한; 이정민; 김동현; 장우석

doi:10.7776/ask.2019.38.2.193

소나 음향센서의 진동유기 소음 차단 특성에 대한 실험적 연구
An experimental analysis of vibration-induced noise isolation characteristics of a sonar acoustic sensor 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.2, 2019년, pp.193 - 199

김경섭 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 제엽 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 김호준 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 조요한 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 이정민 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 김동현 (LIG넥스원(주) 해양2연구소) , 장우석 (LIG넥스원(주) 해양2연구소)

초록
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본 논문에서는 선체부착형 음향센서의 플랫폼 진동유기 소음 차단 특성을 확인하기 위한 수중 진동 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 음향수조 환경에서 음향센서가 설치된 선체모사구조물과 가진기를 이용하여 플랫폼 진동유기 소음 조건을 구현하였고, 선체모사구조물 및 음향센서에 설치된 표준 가속도계와 음향센서의 출력신호 측정을 통해 음향센서의 진동차단율, 삽입손실 및 진동민감도와 같은 성능지수를 산출하였다. 산출된 성능지수 결과를 토대로 음향센서의 주파수별 소음 차단 특성을 분석하고 실험 기법의 유효성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the results of underwater vibration experiment are analyzed to verify platform vibration-induced noise isolation characteristics of a hull-mounted acoustic sensor. The experimental condition causing platform vibration-induced noise is generated using the mock-up hull, where the acoustic sensor is installed, with shaker in an acoustic water tank. The performance indices of ATF (Acceleration Transfer Function), AVS (Acceleration Voltage Sensitivity), and IL (Insertion Loss) for the acoustic sensor are calculated from the output of the standard accelerometers, which are installed on the mock-up hull and the acoustic sensor, and the output signal of the acoustic sensor. The frequency-dependent noise isolation characteristics of the acoustic sensor are analyzed based on the calculated performance indices and an effectiveness of the experiment is examined.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Experimental configuration of the vibrationinduced noise isolation experiment in water.
그림 Fig. 2. Block diagram of the vibration-induced noise isolation experiment in water.
그림 Fig. 3. Coherence between acc. value from the impedance head and acc. values from accelerometers installed on the surface of the mock-up hull.
그림 Fig. 4. Acceleration transfer function of the sensors with the acoustic baffle in water: w/ and w/o vibration damping pad.
그림 Fig. 5. Insertion loss of the baffle assembly (acoustic baffle and vibration damping pad) in water.
그림 Fig. 6. Time data of output voltage from one of the acoustic receiving module of the sensors: (a) w/o the baffle assembly (acoustic baffle and vibration damping pad), (b) w/ the baffle assembly an w/o fixing mounts for the acoustic receiving module, (c) full sensor system.
그림 Fig. 7. Acceleration voltage sensitivity of the sensors with the acoustic baffle and vibration damping pad in water: comparison of results from each acoustic receiving module.
그림 Fig. 8. Acceleration voltage sensitivity of the sensors with the acoustic baffle in water: w/ and w/o vibration damping pad.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 선체모사구조물을 이용한 수중 진동 실험을 통해 선체부착형 소나 음향센서의 플랫폼 진동유기 소음 차단 특성을 확인하고자 하였다. 모사구조물 선체면에서 음향센서로 입력되는 가속도 크기 대비 음향센서 음향수신모듈 위치에서의 가속도 및 음향수신모듈 출력신호 크기를 비교하여 음향센서의 소음 차단 정도를 나타내는 전달함수 형태의 세 가지 성능지수를 산출하고 결과를 분석하였다.
본 논문에서는 선체부착형 음향센서의 플랫폼 진동유기 소음 차단 특성을 고찰하기 위하여 수중 진동 실험을 수행하고 결과를 검토하였다. 수중 진동 실험과 관련한 기존 연구들의 경우 대부분 플랫폼 구조 자체에 대한 동적 특성 파악이나 플랫폼 진동제어 성능 확인 등을 목적으로 수행되었으며,^[3,4] 일반적인 소나 음향센서의 진동유기 소음 차단 특성 확인을 위한 실험적 연구는 거의 발표된 바가 없다.
이렇게 생성된 소음들은 다양한 유체전달 경로와 구조전달 경로를 통해 소나 음향센서에 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 플랫폼 자체소음 중 기계류 등의 선체 가진에 의한 진동유기 소음 영향에 대해 초점을 맞춰 논의하고자 한다. 이러한 진동유기 소음은 다른 소음원과 달리 넓은 함정 운항속도 범위에 걸쳐 소나 음향센서에 큰 영향을 주며,^[1] 특히 함정 선체에 직접 설치되는 선체부착형 음향센서에서 중요한 문제이다.

제안 방법

본 논문에서는 선체모사구조물을 이용한 수중 진동 실험을 통해 선체부착형 소나 음향센서의 플랫폼 진동유기 소음 차단 특성을 확인하고자 하였다. 모사구조물 선체면에서 음향센서로 입력되는 가속도 크기 대비 음향센서 음향수신모듈 위치에서의 가속도 및 음향수신모듈 출력신호 크기를 비교하여 음향센서의 소음 차단 정도를 나타내는 전달함수 형태의 세 가지 성능지수를 산출하고 결과를 분석하였다.
수중 진동 실험과 관련한 기존 연구들의 경우 대부분 플랫폼 구조 자체에 대한 동적 특성 파악이나 플랫폼 진동제어 성능 확인 등을 목적으로 수행되었으며,^[3,4] 일반적인 소나 음향센서의 진동유기 소음 차단 특성 확인을 위한 실험적 연구는 거의 발표된 바가 없다. 본 연구에서는 제어된 음향수조 환경에서 선체모사구조물과 가진기를 이용하여 플랫폼 진동유기 소음조건을 구현하고, 선체모사구조물 및 음향센서에 설치된 표준 가속도계와 음향센서 출력신호 측정을 통해 진동차단율, 삽입손실 및 진동민감도와 같은 성능지수를 산출하여 결과를 분석하였다.
4 mV/N, 가속도 감도는 100 mV/g이다. 선체모사구조물 내부의 선체면에는 가진기 위치를 중심으로 주변 15개소에 계측용 가속도계를 설치하여 음향센서가 설치되는 선체면의 가속도 분포를 측정할 수 있도록 하였다. 또한 선체 외부에 설치된 음향센서의 음향수신모듈 상부 표면 5개소에는 수중가속도계를 설치하였다.
실험은 중 ‧ 저주파의 음향센서 수신 주파수 대역에 대해 수행하였으며, 2.2절에서 정의한 성능지수를 주파수에 따라 산출하여 결과를 분석하였다. 이후 본 논문에서 제시할 결과 그림에서의 주파수 표기는 특정 주파수로 정규화한 값을 사용하였다.
음향센서의 진동유기 소음 차단 특성을 확인하기 위한 성능지수 항목으로서, 설치된 가속도계와 음향수신모듈의 출력신호 측정값을 이용하여 다음과 같은 음향센서 진동차단율, 삽입손실 및 진동민감도를 정의하였다.

대상 데이터

수중 진동 실험은 음향수조에서 선체모사구조물을 이용하여 수행하였다. 선체모사구조물은 음향센서가 장착되는 선체 일부를 모사하여 제작한 부유식 구조물이다.
실험에 사용된 음향센서는 모듈형으로 설계되었으며, 동일 단위모듈이 길이방향으로 선체에 부착되는 구조이다. 음향센서 단위모듈은 크게 음향수신모듈, 배플조립체 및 고정 마운트로 구성된다.

데이터처리

공기중 및 수중 가속도계의 감도는 동일하게 100 mV/g 내외이며 전송방식은 ICP(Integrated Circuit Piezoelectric) 타입이다. 가속도계측정값은 DAQ(Data Acquisition) 장비(LMS SCADAS)를 통해 모니터링 및 저장되었으며, 분석 소프트웨어는 LMS Test Lab.을 사용하였다. 가진 시 음향수신모듈의 디지털 출력신호는 전용장비인 음향센서 시험장비를 통해 D/A 변환된 뒤DAQ 장비를 통해 함께 저장되었다.

성능/효과

Fig. 8에서 음향센서 진동민감도를 하이드로폰 진동민감도 기준치와 비교하면, 음향센서의 전체적인 진동유기 소음 저감 효과가 충분히 나타나고 있는 고주파 영역에 비해, 음향센서 크기 대비 파장의 크기가 커지는 저주파 영역으로 갈수록 음향센서의 민감도 특성이 단일 하이드로폰 특성에 가까워지는 것을 확인할 수 있다.
먼저 진동차단율 결과를 통해 음향센서의 전체적인 주파수별 구조전달소음 저감 특성을 확인하였으며, 구성품 중 선체면과 음향배플 사이에 설치되는 제진패드가 저주파 영역에서 수중 진동 감쇄 특성에 많이 기여하는 것으로 판단되었다. 삽입손실 결과에서는 유체전달소음에 대한 배플조립체의 음향적 차단 특성을 확인할 수 있었다.
먼저 진동차단율 결과를 통해 음향센서의 전체적인 주파수별 구조전달소음 저감 특성을 확인하였으며, 구성품 중 선체면과 음향배플 사이에 설치되는 제진패드가 저주파 영역에서 수중 진동 감쇄 특성에 많이 기여하는 것으로 판단되었다. 삽입손실 결과에서는 유체전달소음에 대한 배플조립체의 음향적 차단 특성을 확인할 수 있었다. 전체적인 경향은 진동차단율과 유사하게 나타났으나, 실험 조건의 제한으로 인한 구조전달소음 유입 영향으로 저주파 영역에서 결과의 변동성이 심하게 관찰되었다.
전체적인 경향은 진동차단율과 유사하게 나타났으나, 실험 조건의 제한으로 인한 구조전달소음 유입 영향으로 저주파 영역에서 결과의 변동성이 심하게 관찰되었다. 선체 진동에 의해 음향센서에 발생하는 소음 정도를 직접적으로 나타내주는 진동민감도 결과의 경우 단순 하이드로폰에 대한 이론적 진동민감도 기준치와 비교하였을 때 저주파 영역에서도 10 dB 이상의 여유를 확보 하였음을 확인하였다.
8은 배플조립체의 제진패드 유 ‧ 무에 따른 진동민감도 결과 비교그림이다. 여기서 각 결과는 3개 음향수신모듈 측정값의 평균값을 나타내었으며, 제진패드를 설치한 경우가 미설치한 경우보다 전반적인 주파수 대역에서 평균 약 7 dB 정도 진동민감도가 낮게 나타났다.
삽입손실 결과에서는 유체전달소음에 대한 배플조립체의 음향적 차단 특성을 확인할 수 있었다. 전체적인 경향은 진동차단율과 유사하게 나타났으나, 실험 조건의 제한으로 인한 구조전달소음 유입 영향으로 저주파 영역에서 결과의 변동성이 심하게 관찰되었다. 선체 진동에 의해 음향센서에 발생하는 소음 정도를 직접적으로 나타내주는 진동민감도 결과의 경우 단순 하이드로폰에 대한 이론적 진동민감도 기준치와 비교하였을 때 저주파 영역에서도 10 dB 이상의 여유를 확보 하였음을 확인하였다.
5는 음향센서 배플조립체의 삽입손실 결과이다. 전체적인 경향은 진동차단율과 유사하게 저주파 대역에서 낮게 나타나다가 주파수가 올라가면서 증가하여 수렴하는 경향을 보이고 있다. 배플조립체의 제진패드 유 ‧ 무에 따른 결과를 비교하면, 중주파수 이후 대역에서는 제진패드를 설치한 경우가 미설치한 경우보다 약 5 dB ~ 10 dB 정도 삽입손실이 높게 나타났으나, 저주파 대역에서는 상대적으로 큰 차이가 발생하지 않았다.
(1) 계산 시 입력가속도(#)는 선체면 설치 가속도계 15개의 측정값 평균을 사용하였다. 전체적인 경향을 살펴보면, 저주파 대역에서는 진동차단율이 낮게 나타나고 있으며 주파수가 올라가면서 진동차단율이 증가하다 중주파수 이후 대역에서는 수렴하는 경향을 보임을 알 수 있다. 그림에는 배플조립체의 제진패드 유 ‧ 무에 따른 결과를 비교하여 제시하였는데, 두 결과를 비교하면 제진패드를 설치한 경우가 미설치한 경우보다 전반적인 주파수 대역에서 약 5 dB ~ 10 dB 정도 진동차단율이 높게 나오는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제시한 수중 진동 실험 방법과 결과를 토대로 향후 보다 효율적이고 다양한 각도에서 소나 음향센서의 소음 차단 특성을 검증할 수 있는 실험 기법 및 분석 방법 개선이 필요하다. 또한 서론에서 언급했던 공기중 진동특성 실험 및 수중 음향 특성 실험 결과와의 연계 분석 부분에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다
본 논문에서 제시한 수중 진동 실험 방법과 결과를 토대로 향후 보다 효율적이고 다양한 각도에서 소나 음향센서의 소음 차단 특성을 검증할 수 있는 실험 기법 및 분석 방법 개선이 필요하다. 또한 서론에서 언급했던 공기중 진동특성 실험 및 수중 음향 특성 실험 결과와의 연계 분석 부분에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다
전자의 경우 주어진 진동 조건에 대한 음향센서 특성의 경향을 간접적으로 파악할 수는 있으나, 수중 환경에서의 진동 및 음향적 특성에 대한 정량적 예측이 쉽지 않다. 후자의 경우 음향적인 차단 특성 확인은 가능하나, 진동을 포함한 복합적인 플랫폼 진동유기 소음 영향을 파악하기 어렵다는 제한점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소나 시스템의 탑재 목적은?	일반적으로 함정은 다양한 수상/수중 표적으로부터의 방사소음 및 신호를 탐지하고 표적의 위치추정, 추적, 식별 등의 임무를 수행하기 위해 여러 종류의 소나 시스템을 탑재하고 있다. 소나 음향센서와 같이 특정 물리량을 계측하는 대부분의 장치들은 최소/최대 감도 범위에 제한이 있으며 신호의 정상적인 수신 또는 처리를 방해하는 잡음에 의해 성능이 제한될 수밖에 없다.
	소나 음향센서의 잡음에는 어떠한 것이 있는가?	소나 음향센서의 잡음은 센서 자체의 전기적 잡음과 함정 플랫폼에 의해 발생되는 소음에 의한 것으로 구분할 수 있다. 이 중 함정 플랫폼에 의해 발생되는 소음은 자함의 피탐과 관련된 방사소음 관점에서 뿐만 아니라, 탑재 소나 시스템의 성능에 영향을 주는 자체소음 관점에서도 중요하게 다루어져야 한다.
	잡음에 의한 영향을 고려하는 것이 중요한 문제인 이유는?	일반적으로 함정은 다양한 수상/수중 표적으로부터의 방사소음 및 신호를 탐지하고 표적의 위치추정, 추적, 식별 등의 임무를 수행하기 위해 여러 종류의 소나 시스템을 탑재하고 있다. 소나 음향센서와 같이 특정 물리량을 계측하는 대부분의 장치들은 최소/최대 감도 범위에 제한이 있으며 신호의 정상적인 수신 또는 처리를 방해하는 잡음에 의해 성능이 제한될 수밖에 없다. 소나 음향센서 또한 이러한 관점에서 잡음에 의한 영향을 고려하는 것이 설계 및 평가 등에 있어 중요한 문제 중 하나이다.

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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