정합장처리 기법을 이용한 프로펠러 소음원 위치 및 변동압력 예측기법 연구

Abstract

프로펠러는 선박 소음진동의 주요한 요인이며, 탑승객과 승무원의 거주 안락성에 큰 영향을 미친다. 뿐 아니라 군함의 경우 피탐 성능과 깊은 관련을 갖고 있기 때문에 설계 초기 단계에 프로펠러의 성능이 파악되어야 하며, 이를 위해 모형 프로펠러 시험이 공동터널에서 수행되고 있다. 기존에 수행되고 있는 프로펠러 모형시험 또는 실선 시험평가시 음향센서는 단순히 프로펠러 소음의 음압 수준을 계측하거나 시각적인 관찰을 보조하는 제한적인 용도에서 사용되었다. 그러나 음향학적인 측면에서 보면 센서배열을 통해 계측된 음향신호는 프로펠러 음원에 대한 정보를 추출할 수 있는 다양한 정보를 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서는 프로펠러 상부 선체에 매립된 음향센서 배열에서 계측된 프로펠러의 음향신호를 기반으로 수중음향학에서 음원위치 추정 또는 환경인자 역산에 널리 적용되고 있는 정합장처리기법을 적용하여 프로펠러 다양한 소음원 정보를 예측하는 기법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 프로펠러 소음의 발생원리를 기반으로 음원 모델을 제시하였으며, 소음원 형태에 따라 상이하게 발생하는 협대역 또는 광대역 음향신호에 정합장처리 기법을 적용하여 음원의 정보를 도출하였다. 본 논문은 다음의 두 가지 연구내용으로 구분할 수 있다. 우선, 공동이 발생되기 이전단계에 선체 변동압력의 주요 요인이라 할 수 있는 프로펠러 비공동 소음원의 해석적 모델을 제시하여 음원을 모델링하였으며, 정합장 역산기법을 적용하여 음원인자를 도출한 후 이로 인한 선체 변동압력을 예측하였다. 도출된 역산결과를 통해 비공동 소음을 구성하는 하중소음과 두께소음의 특징을 분석하였다. 이때 비공동 소음의 날개통과주파수에 해당하는 협대역 신호를 이용하였으며, 전달함수는 터널내의 잔향음과 반사파를 반영하기 위하여 음향경계요소법을 적용하였다. 이후 수중 방사소음의 주요 원인이라 할 수 있는 보텍스 캐비테이션의 초기 발생하는 위치를 추정하는 알고리즘을 제시하였다. 광대역 신호를 갖는 보텍스 캐비테이션의 신호를 이용하기 위하여 광대역 정합장역산 기법을 적용하였으며, 복제음장 계산의 효율성을 위하여 직접 입사파만을 전달함수로 적용하였다. 제안된 기법들은 대형 공동터널에서 수행된 모형시험을 통해 검증되었으며, 이를 통해 설계 초기단계 프로펠러의 비공동으로 인한 선체 변동압력을 예측할 수 있었으며, 나아가 광대역 신호를 갖는 초생 보텍스 공동의 위치추정에도 효율적으로 적용할 수 있음을 확인하였다. 특히, 제안된 초생캐비테이션 위치추정 기법의 경우 실선 적용시 선체 하부에 관측창을 설치하던 기존의 시각적인 위치 추정기법을 대체할 수 있을 뿐 아니라, 시각화 이전에 발생하는 초생캐비테이션의 위치 추정에서 적용 가능함을 확인하였다.