Browse

프로펠러 소음원 역산과 변동압력 예측 기법 연구
Propeller noise source inversion and hull fluctuating pressure estimation

Cited 0 time in Web of Science Cited 0 time in Scopus
Authors
이재혁
Advisor
성우제
Major
산업·조선공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
수중에서 회전하는 프로펠러는 선체에 강한 소음과 진동을 유발시키는 주요 요인 중 하나이다. 이러한 프로펠러 소음 및 진동은 군사적, 또는 비군사적으로 항상 중요한 문제점으로 대두되고 있으며, 현재까지도 이 분야에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 군사적인 측면으로는, 수상함의 피탐율 감소를 비롯한 정숙성을 강조하는 함정 설계가 중요시 되고 있으며, 비군사적으로도 안락하고 조용한 크루즈선 등의 개발에 그 관심이 크게 증가됨에 따라 저소음 프로펠러의 설계에 대한 중요성은 매우 커지고 있다. 프로펠러의 소음은 선체에서 발생하는 전체 소음원 중 절반 이상의 비중을 차지하고 있을 뿐만 아니라, 선체의 또 다른 소음원인 기계류(엔진, 샤프트, 보기류 등) 소음에 비해 그 발생 메커니즘(mechanism)이 복잡하고 제어가 어렵기 때문에 관련 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있지만 아직 미완 과제가 많은 실정이며, 효율적인 방법을 찾아가고 있는 분야이다.
최근, 저소음 선체 설계를 위한 핵심 연구 분야인 프로펠러 기저 소음 및 진동 연구는 수치해석적 방법과 실험적 방법 등으로 분류된다. 수치해석적 방법의 대표적인 접근은 전산유체역학(CFD : computational fluid dynamics)을 기반으로 한다. 전산유체역학 기반의 방법은 비교적 정확한 결과를 도출하지만, 이는 접근방법이 매우 까다로울 뿐만 아니라, 계산에 매우 많은 시간 소요를 필요로 한다. 반면 실험적 방법에서는 모형선 또는 실선 스케일 실험을 통해 변동압력을 예측하는데, 주로 프로펠러 상부 몇 개의 압력센서에서 수신된 실험 데이터를 기반으로 거리에 따른 선체 전체의 변동압력을 예측하게 된다. 하지만 이 접근방법은 제한된 압력센서 장착 개수로 인하여 부정확한 결과를 동반한다.
본 논문에서는 상기에서 설명한 실험적 접근방법을 기반으로 하되, 이에 정합장 역산(MFI : matched field inversion) 알고리즘을 적용하여 프로펠러의 소음원을 추정하고 이를 기반으로 선체의 변동압력을 예측하는 기법을 제안하고자 한다. 본 연구의 역산 기법은 선체 압력센서에서 계측된 음향 신호를 기반으로 경계요소법을 이용한 Kirchhoff-Helmholtz 방정식으로부터 계산된 복제 음장을 이용하였다. 이 접근방법을 통하여 계측 신호를 기반으로 프로펠러 등가 소음원 모델을 최적화할 수 있으며, 그 결과를 이용하여 선체 변동압력을 예측할 수 있다.
프로펠러의 소음원은 크게 공동 소음(cavitation noise)와 비공동 소음(non-cavitation noise)으로 구분된다. 각 소음원의 발생 특성을 정확하게 반영할 수 있는 모델을 적용하기 위하여 공동 및 비공동 소음원을 대표하는 단극자(monopole), 쌍극자(dipole) 및 사중극자(quadrupole) 음원으로 모델링 하였다.
역산 과정의 핵심은 복합 최적화 기법을 활용하여 소음원의 위치와 크기 등을 결정하고, 이렇게 결정된 소음원은 음향 경계요소법(acoustic boundary element method)을 이용하여 모형선 프로펠러 상부에 장착된 압력센서 위치에서의 복제음장(replica pressure field)을 생성한다. 이 복제음장은 정합장 프로세서에 의하여 계측 신호와 그 상관성(correlation)을 평가함으로써 가장 최적화된 프로펠러 소음원을 역산 할 수 있게 된다. 이 과정을 반복 수행하여
얻어진 프로펠러 소음원을 이용하면 선체 전체의 변동압력을 예측할 수 있다.
프로펠러 소음원 역산을 위하여 각기 다른 세 번의 모형선 변동압력
계측실험을 수행하였으며, 각기 다른 종류의 선체에 대하여 다양한 조건으로 실험이 수행되었는데, 두 번의 공동 환경과 한 번의 비공동 환경에서 변동압력을 계측하였다. 세 번의 경우에 대하여 공동 및 비공동 소음원을 역산하였으며, 역산 결과를 토대로 변동압력을 예측한 결과 실험 계측 데이터와 잘 일치하였다.
본 논문에서 제안한 프로펠러의 공동 및 비공동 소음원 역산 기법을
이용하여 간단하고도 효율적으로 선체 변동압력을 예측할 수 있으며, 이를 통해 선체 초기 설계단계에 있어서 프로펠러 설계 또는 선체 설계에 유용한 기초 연구로 활용될 수 있을 것이다.
A underwater propeller is one of the important things that excite the hull above the propeller and cause a high level of noise and vibration in the ship structure.
This propeller noise and vibration is coming to the fore as the important problem to be solved in the military and non-military research, and the study of these parts are under active research.
In the military research, it is important to design the silent battle ship enough to avoid acoustical detection by the enemy platform, and in the non-military
research, the primary focus is also to make comfort and silent cruise, container, and tanker ship and so on. Therefore, the need for quieter ship’s propeller design
has grown in importance.
The propeller noise comprises almost half portion of total ship noise. Because the generation mechanism of the propeller noise is more complicated and difficult
to control than the machinery(engine, shaft, aux. gear, etc.) noise that is another ship noise source, the associated research has been brisk recently. But there are a lot of problem that has yet to be fully solved.
Recently, as a core research to design the ship body or propeller, the study for the propeller-induced noise and vibration has been divided into numerical and
experimental approaches.
The representative numerical approach is based on the computational fluid dynamics. Although this method can reason about results that is quite exact, but the approach way is very complicated to analyze and demands a great deal of computational costs.
In the experimental approach, the model-scale experiment in facilities such as a cavitation tunnels or sea trial have been widely performed to measure the hull pressure fluctuation. In these experiments, hull pressures are typically measured using an array of pressure transducers flush-mounted on the hull above the
propeller. However, the approximate result may have inaccuracies due to the limited number of available pressure transducers.
This paper presents an improvement over the previous method based on source modeling and the Kirchhoff-Helmholtz(KH) method using experiment data. For this, the matched-field inversion signal processing technique, which is widely used in the underwater acoustics community, has been adopted to predict the
propeller noise source and estimate the hull fluctuating pressure distribution exactly.
In this study, the matched field inversion technique used the fluctuating hull pressure field measured by flush-mounted pressure sensors, and the replica acoustic
field calculated by the KH equation using the boundary element method. With this present method, the equivalent source model for the propeller can be optimized based on measured data, resulting in a more accurately extrapolated hull pressure distribution.
The noise source caused by a rotating propeller can be considered to have separate cavitation and non-cavitation components. To select the appropriate model
to reflect the generation characteristic of cavitation and non-cavitation noise, monopole, dipole and quadrupole source that represent both of them are adopted.
The main inversion process in this paper is described as follows. First, the source location and strength around the propeller are determined using hybrid
optimization technique. Second, the replica pressure field on the pressure sensor array is estimated using acoustic boundary element method. Finally, it is possible to find the optimum propeller source model by correlation of the replica pressure and the measured data using Bartlett processor. The hull pressure fluctuation can be estimated exactly using the iteration of these three steps.
To perform the propeller source inversion, three cases of model scale experiments were done using different kinds of model ship. The purpose of the
first two things is to measure the cavitation noise, and the last one is to measure the non-cavitation noise.
Using three cases of experiments data, the cavitation and non-cavitation noise inversion were performed, and the hull pressure distribution can be estimated
accurately based on the inversion results.
Using this suggested inversion technique for the propeller-induced cavitating and non-cavitating noise source, it is possible to predict the precise hull pressure fluctuation, and it is helpful to design the propeller or ship body as a valuable basic research at the early-design stage.
Language
kor
URI
http://hdl.handle.net/10371/156385

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000000931
Files in This Item:
There are no files associated with this item.
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._조선해양공학과)
  • mendeley

Items in S-Space are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Browse