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문제 정의
- 수중운동체/주변 유체간 상호작용에 의한 소음이 커지기 위해서는 수중운동체 속도가 상당히 빨라야 될 것으로 예상되는데, 사출 초기에 수중운동체 속도가 상대적으로 느리기 때문에 강제사출 시스템 운용중 발생 소음이 더 강하게 나타날 것으로 판단된다. 본 논문은 강제사출시스템 구성요소에서 소음유발 원인으로 판단되는 요소에 대한 인자별 경향성을 분석하고, 강제사출시스템의 저소음 화를 위한 설계인자를 도출하기 위한 논문이다.
제안 방법
- 3은 워터 램 출구 면적을 고정한 상태에서 사출관의 해수입구 면적을 달리하여 면적비를 변경시킬 수 있도록 설계한 사출관 입구부 형상이다. Table 2에 언급된 각 실험인 자를 조합하여 동일 조건시험을 총 3회씩 반복하여 획득한 시계열 수중음향데이터를 1/3 Octave Band를 구하였고 이를 DB평균한 뒤 Overall값으로 표현하였다.
- 계측 데이터는 수중운동체에 설치된 센서 데이터를 포함하여 총 19채널로, 수중사출실험이 종료된 후 수중운동체 내부에서 저장된 4개 채널 데이터와 잔향 수조에서 계측된 데이터를 동기화 하였다. 수중음향 계측시 수중운동체 운동에 의한 유체교란으로 수중청음기가 흔들릴 수 있기 때문에 Fig.
- 따라서 강제사출장치에 의해서만 발생되는 소음을 구별해야 된다. 계측된 원신호에서 안전그물에 의한 착지신호 등과 같은 이상 신호를 파악한 후 Time-Window를 적용하여 해당 신호를 제거하고 High-Pass Filter를 이용하여 강제사출장치와 잔향수조의 구조적 신호를 제거하였다. 그리고 1/3 Octave Band Filter를 이용하여 주파수 밴드별 음압 수준(Sound Pressure Level)을 도출할 수 있다.
- 사출관입구/워터램출구 면적비 (SV)는 고압 압축수에 영향을 줄 것으로 판단하였다. 그리고 워터램입구 개수(SVH)은 사출관 내부로 유입되는 고압 압축수 흐름에 변화를 주기 위해 설정하였다. 사출관 입구 면적은 SV3와 동일하며, 타공홀 직경을 변화시켰다.
- 수중음향은 사출관에서 일정거리만큼 떨어진 곳에서 계측되는데, 잔향공간이 형상되는 것으로 확인된 H7, H8, H9 의 평균 음압수준과 Table 6의 잔향시간, 잔향수조 부피, 음속을 식 (3)에 대입하여 주파수밴드별 음원수준 (Source Level)을 도출하였다. 본 논문에서는 주파수 밴브별 음원수준보다는 총 음원수준(Overall Source Level) 을 이용하여 수중인자별 수중소음 경향을 분석하였다.
- 1 µPa)을 산정하였다. 본 연구에서는 수중소음원의 특성을 파악하기 위해 잔향시간을 기반으로 한 음원수준 산정 기법을 사용하였다. 잔향수조에서는 수중 소음원으로부터의 직접 음과 반사와 확산에 의한 잔향음이 합쳐서 전체 음장을 형성한다.
- 선형펌프방식 강제사출장치 소음유발원인을 파악하기 위하여 실험장치를 구축하였다. 선형펌프방식 작동순서에 따라 소음유발인자를 선별하였고 인자별 경향성 분석을 위한 수중사출실험을 실시하였다.
- 위하여 실험장치를 구축하였다. 선형펌프방식 작동순서에 따라 소음유발인자를 선별하였고 인자별 경향성 분석을 위한 수중사출실험을 실시하였다. 주요 소음유발 원인은 수압램/피스톤관 간격(WRC)와 수압램이동속도(PV)임을 확인하였다.
- 사출관 입구 면적은 SV3와 동일하며, 타공홀 직경을 변화시켰다. 수중소음원 4가지에 따라 Table 2와 같이 실험인자를 정하였고 실험인자 형상은 Fig. 2, 3과같이 제작하여 워터램출구에 교체가능하도록 설계하였다. Fig.
- 계측 데이터는 수중운동체에 설치된 센서 데이터를 포함하여 총 19채널로, 수중사출실험이 종료된 후 수중운동체 내부에서 저장된 4개 채널 데이터와 잔향 수조에서 계측된 데이터를 동기화 하였다. 수중음향 계측시 수중운동체 운동에 의한 유체교란으로 수중청음기가 흔들릴 수 있기 때문에 Fig. 6과 같은 구조물에 수중청음기는 고정하였고, 구조물을 잔향 수조에 설치할 때 구조물 하부에 탄성마운트를 설치하여 수중 운동체 사출시 충격에 의한 수중청음기 영향을 최소화 하였다. Fig.
- 실험인자별 실험을 통해 계측한 음압을 이용하여 음원 수준(Source Level, SL, dB Ref. 1 µPa)을 산정하였다. 본 연구에서는 수중소음원의 특성을 파악하기 위해 잔향시간을 기반으로 한 음원수준 산정 기법을 사용하였다.
- 실험장치 계측시스템은 수중운동체 내부 계측시스템과 주파수 분석기, 압력센서, 수중청음기로 구성하였다. 계측 데이터는 수중운동체에 설치된 센서 데이터를 포함하여 총 19채널로, 수중사출실험이 종료된 후 수중운동체 내부에서 저장된 4개 채널 데이터와 잔향 수조에서 계측된 데이터를 동기화 하였다.
- 잔향시간은 잔향수조내에 수중음원을 통한 수중청음기 계측데이터를 분석하여 선정할 수 있다. 잔향 수조 내에 수중청음기를 설치한 뒤 수중음원을 이용하여 주파수별 음원을 발생시켜 계측하였다. 주파수별 음원은 시간에 따라 주파수를 증가시키는 Chirp 신호 방식 중 Logarithmic-chirp, Linear-chirp방법과 White Noise 를 사용하였다.
- 잔향수조 음향학적 특성을 분석하기 위해 잔향 시간을 실험적으로 계측하였다. 잔향공간에서의 평균 흡음률(Average Absorption Coefficient, #은 식 (1)을 이용해 산정할 수 있다[1].
대상 데이터
- 본 논문에서 분석한 강제사출시스템은 선형 펌프 방식으로 Fig. 1과 같이 사출관(Ejection Tube), 청수이송부 (Water Transfer Tank), 워터램관(Water Ram Tube), 청수 공급 탱크(Water Supply Tank)으로 구성되어있다. 유압 램과 수압램은 로드로 연동되어 같이 움직인다.
- 수중운동체는 Fig. 4와 같이 헤드부분이 유선형이며, 후방은 평판 형태로 선정하였다. 수중운동체는 내부에 계측기, 배터리, 센서를 탑재하고 있어 수중운동체 자체 운동 및 주변유체 압력계측이 가능하다.
이론/모형
- 또한 잔향수조 지지 부와 바닥 면 사이에는 탄성마운트를 설치하여 실험실에서 잔향 수조로 전달 될 수 있는 왜란을 최소화하였다. 잔향 수조 크기는 ISO3741에서 제시하는 기준을 준용하여 결정하였다.
- 잔향 수조 내에 수중청음기를 설치한 뒤 수중음원을 이용하여 주파수별 음원을 발생시켜 계측하였다. 주파수별 음원은 시간에 따라 주파수를 증가시키는 Chirp 신호 방식 중 Logarithmic-chirp, Linear-chirp방법과 White Noise 를 사용하였다. Table 5는 수중음원 신호에 따라 수중청음기 9개에서 계측된 잔향시간의 평균값이다.
성능/효과
- 각 실험인자별 SV2~SV6, SVH2~4의 수압램 이동속도는 모두 유사함을 확인하였다. Fig. 8에서 WRC1 의 1.50 m/s 속도 형태와 WRC2, 3의 1.50, 1.75 m/s 속도형태가 다소 차이가 발생하였으나 수중운동체 사출 속도/가속도 분석에서 WRC에 따른 수중운동체 사출 속도에는 큰 변화가 없음을 확인하였다.
- 9에서 특이한 점은 면적비에 따른 음원수준 차이가 그리 크지 않다는 것이다. SV가 클수록 사출 관내 부로 유입이 상대적으로 쉬울 것으로 판단되어 SV 가 클수록 음원수준이 작아질 것으로 예상하였으나, PV만큼 확실한 비례관계를 보여주지 않았다. SV와 음원 수준 간의 비례관계가 나타나기 위해서는 앞서 경우와 마찬가지로 WRC가 중요한 역할을 한 것으로 판단된다.
- 8과 같이 도출되었다. 각 실험인자별 SV2~SV6, SVH2~4의 수압램 이동속도는 모두 유사함을 확인하였다. Fig.
- 특히 수압 램/피스톤관간격이 일정수준 이하일 때, 수압램 이동속도 증가에 따른 음원수준 증가를 확인하였다. 사출관입구/워터 램 출구 면적비(SV)는 음원수준에 큰 영향이 없으며, 특히 워터램입구 개수(SVH)는 음원수준 증가에 기여하지 못함을 확인하였다.
- 또한, SV와 마찬가지로 WRC2와 WRC3 에서는 수압램 이동속도에 따른 음원수준 증가를 볼 수 있다. 사출관입구/워터램 출구 면적비와 달리 홀 개수 차이로 인한 음원수준은 의미있는 수준으로 변화하지 않았고, WRC가 작고 PV가 빨라질수록 홀 개수와 상관없이 동일한 수준의 음원수준을 보여주고 있다. 이는 SVH가 음원수준을 결정하는데 있어서 중요한 인자가 아니라는 것을 보여주고 있다.
- 사출관/수중 운동체의 전방에는 캘리버링을 2개 설치하여 유출량을 최소화했기 때문이다. 사출관입구/워터램출구 면적비 (SV)는 고압 압축수에 영향을 줄 것으로 판단하였다. 그리고 워터램입구 개수(SVH)은 사출관 내부로 유입되는 고압 압축수 흐름에 변화를 주기 위해 설정하였다.
- 주요 소음유발 원인은 수압램/피스톤관 간격(WRC)와 수압램이동속도(PV)임을 확인하였다. 특히 수압 램/피스톤관간격이 일정수준 이하일 때, 수압램 이동속도 증가에 따른 음원수준 증가를 확인하였다. 사출관입구/워터 램 출구 면적비(SV)는 음원수준에 큰 영향이 없으며, 특히 워터램입구 개수(SVH)는 음원수준 증가에 기여하지 못함을 확인하였다.
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