멀티로터형 무인항공기 소음의 불쾌감에 영향을 주는 음질 인자의 분석 및 예측

Abstract

본 연구는 멀티로터형 소형 무인항공기의 제자리비행 시 발생하는 공력 소음에 대하여 조사한다. 먼저 무인항공기의 기종 및 중량 조건에 따른 소음을 측정하고, 물리적 지표 및 심리음향학적 지표를 계산하여 음향학적 특성을 확인한다. 주파수 분석 결과는 소음이 강한 톤 성분을 포함하고 있으며 깃 통과 주파수 성분이 고정되어 있지 않고 일정 범위 내에 분포한다는 것을 보여주는데, 이는 무인항공기 소음의 주요한 특징이다. 본 연구의 전반부에서는 무인항공기의 확산을 잠재적인 환경 소음 문제로 인식하고, 소음성 불쾌감을 평가하기 위하여 무인항공기 소음에 대한 주관적 반응을 조사한다. 기타 교통 소음과의 불쾌감 곡선의 비교를 통해 무인항공기 소음이 같은 소음 레벨에서 더 높은 불쾌감을 유발함을 확인하고, 소음 규제 시에 일정 부분의 페널티를 부과할 것을 제안한다. 또한 통계적 분석을 통해 이러한 불쾌감의 차이는 소리의 날카로움을 나타내는 음향학적 인자로 설명할 수 있음을 밝힌다. 다음으로 무인항공기 소음의 음질에 영향을 주는 유효 인자를 도출한다. 주성분 분석 및 회귀 분석의 결과로부터, 소리의 크기와 날카로움, 그리고 변동강도가 중요한 요소라는 결론을 얻는다. 상기 유효 인자들을 신호처리를 이용해 조절하고, 음질 평가를 진행함으로써 앞선 연구 결과를 재확인한다. 본 연구의 후반부에서는 무인항공기의 공력소음을 예측하는 수치기법을 제안한다. 먼저 무인항공기 단일 프로펠러의 형상 정보를 수집하고, 단면에서의 공력 계수 및 경계층 두께를 계산하기 위하여 2차원 CFD를 사용한다. 자유 후류 와류 격자 기법을 활용하여 블레이드 표면의 압력 분포를 계산하고, 프로펠러 전체의 공력 성능을 예측한다. 본 기법은 비정상 하중 소음의 예측에 적용할 수 있으면서 3차원 CFD보다 계산비용이 낮은, 저소음 설계 연구에서 활용하기 적합한 기법이다. 음향상사법을 이용하여 예측된 표면 압력 분포로부터 불연속 주파수 소음을 계산하고, 경계층 두께를 기반으로 하는 실험식을 사용하여 광대역 소음을 계산한다. 수치기법의 검증을 위하여 무향실 내에서 로터의 분당회전수에 따른 추력, 토크 및 소음을 측정하고, 단일 프로펠러에 대한 측정 데이터 및 예측 결과를 비교한다. 최종적으로, 제안된 기법을 이용하여 무인항공기 전 기체의 제자리비행 시 발생하는 공력 소음을 예측한다. 마지막으로, 전 기체의 소음을 보다 잘 예측하기 위하여 깃 통과 주파수가 실시간으로 변동하는 특징을 반영하기 위한 방안을 모색한다. 로터가 운용되는 분당회전수의 범위와 모터의 응답 속도를 이용해, 예측된 소음 신호를 단위 시간에 따라 re-sampling하여 무인항공기 소음의 주요 특징이 반영된 신호를 생성한다. 예측된 결과는 다시 제자리비행 상태에서 측정한 신호와 소음 레벨 및 주요 음질 인자의 관점에서 비교한다.