[논문]실험계획법을 이용한 예인 음탐기용 음향패키지 형상 연구

이정현; 신증호; 권오조; 김군칠

doi:10.7776/ask.2019.38.2.200

실험계획법을 이용한 예인 음탐기용 음향패키지 형상 연구
A study on configuration of acoustic package for towed array sonar using design of experiments 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.2, 2019년, pp.200 - 206

이정현 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 신증호 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 권오조 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 김군칠 (국방과학연구소 제6기술연구본부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 예인 음탐기용 음향패키지에 대한 수신전압감도 특성을 분석하기 위해 수치해석과 실험계획법을 적용하였다. 수치해석 결과는 초기 설계된 음향패키지의 구조 공진 모드 특성으로 인한 수신전압감도 변화를 보여준다. 수신전압감도 편차를 줄이기 위해 도출된 음향패키지 설계 변수의 영향은 실험계획법을 통해 분석하였다. 수신전압감도 편차는 수중청음기 쉴드캔 두께(t)의 변화에 가장 민감한 것을 확인하였다. 수조시험 결과 실험계획법에 의해 도출된 음향패키지는 수신전압감도 편차가 감소됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the characteristics of receiving voltage sensitivity about acoustic package in towed array sonar is analyzed through the numerical simulation and design of experiments. Simulation results show that the variation of receiving voltage sensitivity is caused by the structural resonance mode shape on baseline acoustic package. The effect of design parameters of the acoustic package are analyzed through the design of experiments to reduce the deviation of receiving voltage sensitivity. A change of hydrophone shield can thickness (t) is the greatest effect on the deviation of receiving voltage sensitivity. As a result of water tank test, the acoustic package derived from the design of experiments has reduced deviation of receiving voltage sensitivity.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Configuration of acoustic package.
그림 Fig. 2. Numerical simulation model domain.
그림 Fig. 3. Simulation result of acoustic package.
그림 Fig. 4. Mode shape of acoustic package (at arrow point in Fig. 3.).
그림 Fig. 5. Main effects plot of dependent variables.
표 Table 1. Factors and levels.
표 Table 2. Test condition and simulation results.
그림 Fig. 6. Pareto chart.
그림 Fig. 7. Water tank test configuration and conditions.
그림 Fig. 8. Water tank test results.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이와 같은 구조 공진 모드 발생은 음향패키지 내의 수중청음기 수신신호의 크기와 위상 특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 논문에서는 음향패키지의 형상만을 변경하여 구조 모드형상을 줄일 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 음향패키지 형상 설계 시 장착 공간의 제약조건을 고려한 음향패키지 설계변수로 길이 L과 전자부케이스 높이 h, 수중청음기 쉴드캔 두께 t를 선정하였다.
2 dB를 가질 것으로 예상된다. 본 논문에서는 수치해석 결과에 대한 검증을 위해 수조시험을 수행하였다.
8의 Test_modified)는기존 음향패키지와 비교하여 전 주파수 대역에서RVS는 떨어지지만 RVS 변동폭이 안정적인 것을 확인할 수 있다. 설계 목적은 Y3 ~ Y4 주파수 부근에서 세 개의 수중청음기간 수신전압감도 레벨차이를 줄이는 것이다. 설계 개선된 모델의 경우 RVS의 편차는 약 2 dB로서 기존 음향패키지 대비 약 2 dB 개선되었다.

제안 방법

주효과도 분석을 통해 전자부 조립체의 높이 h는 L과 t보다 RVS 편차에 영향이 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 높이 h에 대한 유의성을 확인하기 위하여 파레토차트를 확인하였다.
최적점에서의 음향패키지 형상은 RVS 편차만 고려된 것이기 때문에 실제 예인 음탐기 음향모듈에 그대로 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 음향패키지 설계 강도를 고려하여각 설계 변수는 -1수준으로 변경하여 음향패키지를 제작하였다. 각 설계 변수가 –1인 경우 중심합성법의 실험 조건인 Case 1과 일치하기 때문에 RVS 편차는 2.
이후 실험계획법을 적용하여 실험 조건에 대한 반응표면을 생성하였고 반응표면분석을 통해 적절한 음향패키지 형상을 제시하였다. 마지막으로 수조 시험을 수행하여 해석 결과 검증 및 설계 개선된 음향패키지에 대한 RVS특성을 확인하였다.
본 논문에서는 삼각 배열 수중청음기가 적용된 예인 음탐기의 음향패키지 형상에 대한 연구를 위해 수치해석과 실험계획법을 활용하였다. 먼저 수치해석을 통해 음향패키지의 구조 모드 특성을 분석하고 중요 설계 인자를 도출하였다. 이후 실험계획법을 적용하여 실험 조건에 대한 반응표면을 생성하였고 반응표면분석을 통해 적절한 음향패키지 형상을 제시하였다.
여러 실험계획법 중 적은 회수의 실험으로 곡면을 추정하기 위해 중심합성법(Central Composite Design,CCD)을 사용하였다. 반응표면분석은 설정된 요인들이 관심 반응값에 어떤 영향을 미치는지 확인하고 원하는 반응값에 대한 최적 조건을 찾기 위해 사용하였다.
반응표면분석을 통해 얻은 최적점에서의 음향패키지 형상을 바탕으로 설계 개선 모델을 제작하였다. 이때 음향패키지의 설계 조건을 고려하여 h는 –1수준, t는 –1수준으로 변경하였다.
본 논문에서는 삼각 배열 수중청음기가 적용된 예인 음탐기의 음향패키지 형상에 대한 연구를 위해 수치해석과 실험계획법을 이용하였다. 초기 설계된 음향패키지 형상에 대한 수치해석 결과 음향패키지의 구조 공진 모드 특성이 확인되었다.
본 논문에서는 삼각 배열 수중청음기가 적용된 예인 음탐기의 음향패키지 형상에 대한 연구를 위해 수치해석과 실험계획법을 활용하였다. 먼저 수치해석을 통해 음향패키지의 구조 모드 특성을 분석하고 중요 설계 인자를 도출하였다.
요인실험에 추가시킨 실험설계기법이다. 본 연구에서는 초기 설계 모델의 수치해석 결과를 바탕으로 Fig. 1에 표현된 길이 L(x₁)과 수중청음기 쉴드캔 두께 t(x₂), 전자부케이스 높이 h(x₃)로 독립 변수를 선정하였다. 설계 변수의 기본값을 100 %로 가정하였을 때 길이 L과 쉴드캔 두께 t는 ± 30 %의 변동폭을 적용하였으며 전자부 조립체 높이 h는 ± 10 %의 변동폭을 적용하였다.
설계 변수의 기본값을 100 %로 가정하였을 때 길이 L과 쉴드캔 두께 t는 ± 30 %의 변동폭을 적용하였으며 전자부 조립체 높이 h는 ± 10 %의 변동폭을 적용하였다.
앞서 언급한 설계 변수들의 최적 조건을 찾기 위하여 본 연구에서는 실험계획법을 적용하였다. 여러 실험계획법 중 적은 회수의 실험으로 곡면을 추정하기 위해 중심합성법(Central Composite Design,CCD)을 사용하였다.
해석 모델은 유체-구조-압전세라믹 경계 조건을 적용하여 음압에 의한 구조 진동 및 압전세라믹의 전기적 특성을 해석하였다. 음압은 자유음장의 반사파가 없는 경계조건을 적용하고 외부에서 유입되는 압력 조건은 평면파(plane wave)를 적용하였다. 해석에 사용한 모델 및 경계조건은 Fig.
초기 설계된 음향패키지에 대한 RVS 특성을 분석하기 위해 COMSOL multiphysics를 사용하여 수치해석을 진행하였다. 음향패키지와 수중청음기, 호스로 구성된 3D 모델을 해석에 반영하였고 호스 내부유체는 절연오일을 적용하였다. 음향패키지 고정을 위해 사용되는 로프구조와 내심호스(호스 내부에로프 적용)는 미소 영역에 대한 격자 생성 어려움 및 해석 시간을 고려하여 제외하였다.
음향패키지의 전체 길이는 전자부 형상 설계에 필요한 공간에 맞춰 설계하였으며 외경은 예인센서 보관용 윈치의 안전 곡률직경을 고려하여 설계하였다. 음향패키지의 재질은 음향투과성을 고려하여 폴리에틸렌 복합 화합물을 적용하였다.
인장부재와 결합되기 위한 공간 및 배선 공간 등은 수중청음기 주위에 원형으로 배치하였다. 음향패키지의 전체 길이는 전자부 형상 설계에 필요한 공간에 맞춰 설계하였으며 외경은 예인센서 보관용 윈치의 안전 곡률직경을 고려하여 설계하였다. 음향패키지의 재질은 음향투과성을 고려하여 폴리에틸렌 복합 화합물을 적용하였다.
음향패키지 형상 설계 시 장착 공간의 제약조건을 고려한 음향패키지 설계변수로 길이 L과 전자부케이스 높이 h, 수중청음기 쉴드캔 두께 t를 선정하였다. 이를 통해, 각 변수에 대한 민감도 분석 및 최적점을 찾기 위해 실험계획법을 적용하였다.^[4-6]
초기 설계된 음향패키지 형상에 대한 수치해석 결과 음향패키지의 구조 공진 모드 특성이 확인되었다. 이에 따라 발생된 관심 주파수 대역에서 RVS 편차를 줄이기 위해 설계 변수를 설정하고 실험계획법을 진행하였다. 중심합성법을 이용하여 총3개 인자에 대한 15회의 실험 조건을 생성하고 수치해석을 이용하여 종속변수를 구하였다.
먼저 수치해석을 통해 음향패키지의 구조 모드 특성을 분석하고 중요 설계 인자를 도출하였다. 이후 실험계획법을 적용하여 실험 조건에 대한 반응표면을 생성하였고 반응표면분석을 통해 적절한 음향패키지 형상을 제시하였다. 마지막으로 수조 시험을 수행하여 해석 결과 검증 및 설계 개선된 음향패키지에 대한 RVS특성을 확인하였다.
특히 전자부케이스 높이의 경우는 음향패키지 내부 공간이 협소하기 때문에 최대 10 %의 범위만 허용 가능하였다. 종속 변수는 반응표면을 생성하기 위해 필요한 목적 함수로서 관심 주파수 대역인 Y3 ~ Y4에서의 RVS 편차로 결정하였다.
그래프의 실선은 음향패키지에 적용되는 세 개의 수중청음기에 대한 RVS값이다. 주파수와 RVS는 정규화 하여 표현하였다. 해석 결과 Y1 부근과 Y3 ~ Y4 사이에서 세 개의 수중청음기간 RVS의 급격한 변화를 확인할 수 있었다.
이에 따라 발생된 관심 주파수 대역에서 RVS 편차를 줄이기 위해 설계 변수를 설정하고 실험계획법을 진행하였다. 중심합성법을 이용하여 총3개 인자에 대한 15회의 실험 조건을 생성하고 수치해석을 이용하여 종속변수를 구하였다. 중심합성법을 통해 얻은 실험조건에 대한 결과를 이용하여 반응표면을 생성, 최적점을 찾기 위해 반응표면분석을 사용하였다.
초기 설계된 음향패키지와 설계 개선된 음향패키지에 대해 수조시험을 진행하였다. 수조시험은 가로×세로×수심이 18 m × 20 m × 10 m인 국방과학연구소 수조에서 수행되었으며, RVS 측정 조건 및 음향 측정시스템의 구성은 Fig.
7과 같다. 측정대상 수중청음기의 RVS는 이미 교정된 표준 수중청음기와 상대 비교하여 얻을 수 있는 비교교정법을 사용하였다. 이러한 방법에 의한 측정대상 수중청음기의 RVS(M_x)는Eq.
내심호스는 로프를 제외하고 호스 물성만을 적용하였다. 해석 모델은 유체-구조-압전세라믹 경계 조건을 적용하여 음압에 의한 구조 진동 및 압전세라믹의 전기적 특성을 해석하였다. 음압은 자유음장의 반사파가 없는 경계조건을 적용하고 외부에서 유입되는 압력 조건은 평면파(plane wave)를 적용하였다.

대상 데이터

음향패키지 고정을 위해 사용되는 로프구조와 내심호스(호스 내부에로프 적용)는 미소 영역에 대한 격자 생성 어려움 및 해석 시간을 고려하여 제외하였다. 내심호스는 로프를 제외하고 호스 물성만을 적용하였다. 해석 모델은 유체-구조-압전세라믹 경계 조건을 적용하여 음압에 의한 구조 진동 및 압전세라믹의 전기적 특성을 해석하였다.
본 연구에서 초기 설계된 음향패키지의 기본 형상은 실린더형으로서 Fig. 1과 같이 수중청음기의 삼각 배열이 고려된 구조를 가지고 있다. 전자부는 음향 패키지 중앙에 위치하고 그 주위로 수중청음기가 정삼각형 배열로 전자부를 둘러싸고 있는 형태이다.
수조시험은 가로×세로×수심이 18 m × 20 m × 10 m인 국방과학연구소 수조에서 수행되었으며, RVS 측정 조건 및 음향 측정시스템의 구성은 Fig. 7과 같다.
수조시험은 초기 설계된 음향패키지와 설계 개선된 음향패키지를 대상으로 진행되었다. 시험 결과 수치해석에서 보인 RVS 변화가 동일한 주파수 대역에서 확인되었다.
그래프의 실선은 초기 설계된 음향패키지에 적용한 세 개의 수중청음기 RVS 값이며, 점선은 설계 개선된 음향패키지에 적용한 세 개의 수중청음기 RVS 값이다. 시험에 적용된 수중청음기는 같은 lot에서 제작된 제품을 사용하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 음향패키지의 형상만을 변경하여 구조 모드형상을 줄일 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 음향패키지 형상 설계 시 장착 공간의 제약조건을 고려한 음향패키지 설계변수로 길이 L과 전자부케이스 높이 h, 수중청음기 쉴드캔 두께 t를 선정하였다. 이를 통해, 각 변수에 대한 민감도 분석 및 최적점을 찾기 위해 실험계획법을 적용하였다.
전자부는 음향 패키지 중앙에 위치하고 그 주위로 수중청음기가 정삼각형 배열로 전자부를 둘러싸고 있는 형태이다. 전자부케이스는 금속 재질로 구성되어 있고 수중청음기는 음향패키지에 고정하기 위해 티타늄 재질의쉴드캔과 오픈셀스폰지가 적용되었다. 인장부재와 결합되기 위한 공간 및 배선 공간 등은 수중청음기 주위에 원형으로 배치하였다.

데이터처리

중심합성법을 이용하여 총3개 인자에 대한 15회의 실험 조건을 생성하고 수치해석을 이용하여 종속변수를 구하였다. 중심합성법을 통해 얻은 실험조건에 대한 결과를 이용하여 반응표면을 생성, 최적점을 찾기 위해 반응표면분석을 사용하였다.
중심합성법을 통해 얻은 실험조건에 대한 결과를 이용하여 반응표면을 생성하고, 이에 대한 최적점을 찾기 위해 반응표면분석을 수행하였다. 반응표면분석은 관심 영역 전체에 속한 임의의 변수 수준에서 결과값을 예측하고, 이를 통해 원하는 결과값의 변수 수준을 최적화하는 통계 분석법을 의미한다.
초기 설계된 음향패키지에 대한 RVS 특성을 분석하기 위해 COMSOL multiphysics를 사용하여 수치해석을 진행하였다. 음향패키지와 수중청음기, 호스로 구성된 3D 모델을 해석에 반영하였고 호스 내부유체는 절연오일을 적용하였다.
1로 확인되었다. 총15개의 실험 결과를 바탕으로 minitab프로그램을 이용하여 각 독립 변수에 대한 주효과도와 이때의 반응 표면 회귀 방정식을 산출하였다. 2차 회귀 모형을 통해 얻은 주효과도는 Fig.

이론/모형

앞서 언급한 설계 변수들의 최적 조건을 찾기 위하여 본 연구에서는 실험계획법을 적용하였다. 여러 실험계획법 중 적은 회수의 실험으로 곡면을 추정하기 위해 중심합성법(Central Composite Design,CCD)을 사용하였다. 반응표면분석은 설정된 요인들이 관심 반응값에 어떤 영향을 미치는지 확인하고 원하는 반응값에 대한 최적 조건을 찾기 위해 사용하였다.

성능/효과

각 독립 변수에 대한 주효과도와 파레토 차트를통해 쉴드캔의 두께와 음향패키지의 길이가 관심 주파수 대역에서의 RVS 편차에 영향이 높은 것을 확인할 수 있었다. 반응표면분석을 통해 얻은 최적점은-1수준(L), -1.
8의 실선(Test_baseline)은 초기설계된 음향패키지에 대한 수조시험 결과로서 수치해석 결과와 마찬가지로 Y3 ~ Y4 사이의 주파수 대역에서 세 개의 수중청음기 모두 RVS가 급격히 떨어지는 것이 확인되었다. 또한 세 개의 수중청음기간RVS 레벨차이는 약 4 dB로서 수치해석 결과와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 시험에 사용된 모듈에는 로프 인장구조와 내심호스가 적용되었기 때문에 Y1 주파수에서의 RVS 변화는 나타나지 않았다.
반응 표면 회귀 방정식을 통해 반응 표면을 생성하여 목표로 하는 RVS 편차가 1 dB가 되는 최적점을 찾은 결과, –1수준(L), -1.414수준(t), 1.414수준(h)으로 확인되었다.
각 독립 변수에 대한 주효과도와 파레토 차트를통해 쉴드캔의 두께와 음향패키지의 길이가 관심 주파수 대역에서의 RVS 편차에 영향이 높은 것을 확인할 수 있었다. 반응표면분석을 통해 얻은 최적점은-1수준(L), -1.414수준(t), 1.414수준(h)으로서 RVS 편차는 약 1 dB로 확인되었다. 최적점에서의 음향패키지 형상은 RVS 편차만 고려된 것이기 때문에 실제 예인 음탐기 음향모듈에 그대로 적용하기에는 한계가 있다.
설계 목적은 Y3 ~ Y4 주파수 부근에서 세 개의 수중청음기간 수신전압감도 레벨차이를 줄이는 것이다. 설계 개선된 모델의 경우 RVS의 편차는 약 2 dB로서 기존 음향패키지 대비 약 2 dB 개선되었다. 또한 이 값은 중심합성법의 실험 조건인 Table 2의 Case 1 편차값 2.
설계 개선된 음향패키지(Fig. 8의 Test_modified)는기존 음향패키지와 비교하여 전 주파수 대역에서RVS는 떨어지지만 RVS 변동폭이 안정적인 것을 확인할 수 있다. 설계 목적은 Y3 ~ Y4 주파수 부근에서 세 개의 수중청음기간 수신전압감도 레벨차이를 줄이는 것이다.
시험 결과 수치해석에서 보인 RVS 변화가 동일한 주파수 대역에서 확인되었다. 설계 개선된 음향패키지의 경우 전 주파수 대역에서 안정적인 RVS를 가지고 관심 주파수 대역에서 RVS 편차는 2 dB로 측정되었다. 설계 개선된 음향패키지 수조시험 결과는 중심합성법의 실험 조건인 Case 1의 수치해석 결과와 거의 유사함을 확인할 수 있다.
수조시험은 초기 설계된 음향패키지와 설계 개선된 음향패키지를 대상으로 진행되었다. 시험 결과 수치해석에서 보인 RVS 변화가 동일한 주파수 대역에서 확인되었다. 설계 개선된 음향패키지의 경우 전 주파수 대역에서 안정적인 RVS를 가지고 관심 주파수 대역에서 RVS 편차는 2 dB로 측정되었다.
2 dB와 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 이러한 검증 결과를 통해 실제 실험계획법을 통해 얻은 최적점에서의 음향패키지 형상은 Y3 ~Y4 주파수 부근에서 약 1 dB의 RVS 편차를 가질 것을 예상할 수 있다.
주파수와 RVS는 정규화 하여 표현하였다. 해석 결과 Y1 부근과 Y3 ~ Y4 사이에서 세 개의 수중청음기간 RVS의 급격한 변화를 확인할 수 있었다. Y1 주파수의 경우,해석에 적용된 호스의 영향으로 분석되었고 Y3 ~ Y4 사이의 큰 RVS변화는 음향패키지와 쉴드캔의 모드특성에 영향을 받은 것으로 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중심합성법은 무엇인가?	중심합성법은 적은 횟수의 실험으로 곡변을 추정하기 위하여 중심점과 축 점을 2k요인실험에 추가시킨 실험설계기법이다. 본 연구에서는 초기 설계 모델의 수치해석 결과를 바탕으로 Fig.
	어뢰 등의 표적 소음 및 능동소나의 송신신호에 대한 표적 반사음이 수신 가능한 예인 음탐기 개발에 대한 요구사항은 무엇인가?	최근 어뢰 등의 표적 소음 및 능동소나의 송신신호에 대한 표적 반사음이 수신 가능한 예인 음탐기가 개발되고 있다. 이러한 요구사항을 반영하기 위해서는 기존 저주파 대역보다 넓은 주파수 대역의 탐지가 가능한 센서 설계가 필요하다. 넓은 주파수대역 탐지를 가능하게 하기 위한 설계에는 배열이득이 고려되어야 한다.
	음향 패키지의 설계 고려조건은 무엇인가?	이때 사용되는 음향패키지는 수중청음기 및 전자 구성품을 고정하고 외부압력으로부터 보호하는 역할을 한다. 이에 따라 음향 패키지는 수중청음기와 구조적으로 연결되어 있기 때문에 수신전압감도(Receiving Voltage Sensitivity, RVS)에 영향을 주는 요소를 고려하여 설계되어야 한다.

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증