중고주파수대역 선실소음해석을 위한 에너지흐름해석법의 확장연구

Abstract

에너지흐름해석법은 시공간평균된 에너지밀도와 인텐시티를 이용하 기 때문에 변위 및 압력기반의 전통적인 해석법과는 달리 중∙고주파수대역 의 진동∙소음해석에 적합한 해석방법이다. 에너지흐름해석법의 지배방정 식은 2차편미분방정식형태를 가지기 때문에 유한요 소법과 경계요소법과 같은 수치해석기법을 쉽게 적용할 수 있다. 에너지흐름유한요소법은 지배방정식의 해를 유한요소법을 이용하여 구한 것으로 복합구조물의 진동해석에 효과적이며, 에너지흐름경계요소법은 지배방정식의 해를 경계요소법을 이용하여 구한것으로 복합 구조물의 소음해석에 효과적이다. 본 논문에서는 선실 소음제어를 위해 널리 사용되는 흡음재에 대한 음향 에너지흐름해석모델을 개발하였다. 기존에 존재하는 저감쇠 음향 매질 (공기 및 수중)에 대한 음향 에너지흐름해석모델과 다르게 흡음재의 복소 음향 물성치를 이용하여 고감쇠 매질에 대한 감쇠계수를 새롭게 정의하였으며, 에너지지배방정식을 도출하였다. 개발된 흡음재 음향 에너지흐름해석법과 유한요소법 및 계측값 비교를 통하여 검증 및 흡음구조물 적용에 대한 유용성을 확인하였다. 공기와 흡음재로 이루어진 다층구조 소음기 해석 시 경계 에너지 불연속문제 해결을 위하여 에너지흐름지배방정식의 초단일체적분식 (hypersingular integral)을 도출하였다. 흡음재 음향 에너지흐름모델 및 초단일체적분식을 이용하여 선박용 내장덕트(lined duct) 소음해석을 수행하였으며, 계측 값과 비교를 통하여 해석절차를 확립하였다. 확립된 내장덕트의 해석절차를 통하여 기존에 예측 할 수 없었던 범위에 대한 소음성능 추정식을 도출하였다. 스필리터(splitter) 소음기와 같이 복잡한 형상을 가지는 소음기 해석을 위하여, 유한요소법과 에너지흐름해석법의 혼합형모델(FE-EFA hybrid model)을 제시하였으며, 선박용 스필리터 소음기의 해석 및 계측값과 비교를 통하여 검증을 수행하였다. 검증을 통하여 정립된 해석절차와 유전알고리즘을 이용하여 스필리터 소음기의 설계 최적화를 수행하고 절차를 확립하였다. 선실소음해석 및 설계를 위한 연구를 수행하였다. 기존 해석 모델에서 고려되지 않았던 직접장 영향을 반영한 에너지흐름해석법을 개발하였다. 실내 공간의 경계에서 직접장과 잔향장의 관계를 기하음향학 (geometrical acoustics) 개념을 적용하여 규명하였다. 실제 선박선실에서 소음계측을 수행하여, 예측결과와 비교를 수행하였다. 잘일치하는 결과를 도출하여 검증을 완료하였으며, 정립된 해석절차를 바탕으로 선실소음 최소화를 위한 설계연구를 수행하였다.

Since energy flow analysis uses the space-time averaged energy density and intensity, it is an analysis method suitable for vibration and noise analysis in the medium-to-high frequency ranges, unlike the traditional analysis methods based on displacement and pressure. Numerical analysis techniques such as the finite element method and the boundary element method can be easily applied because the governing equation of energy flow analysis has the form of a second-order partial differential equation. Energy flow anlysis uses finite element method and boundary element method to obtain the solution of the governing equation, and are effective in the vibration analysis and noise analysis of complex structures, respectively. In this paper, acoustic energy flow model for sound absorbing materials widely used for cabin noise control is developed. Unlike existing acoustic energy flow models for low-damping acoustic media (air and water), loss factors for high-damping media are newly defined using the complex acoustic properties of sound absorbing materials, and the energy governing equation is derived. The usefulness of application and verification for sound-absorbing structures are confirmed by comparing the developed acoustic energy flow analysis, finite element method, and measured values. A hypersingular integral of the energy flow governing equation is derived to solve the boundary energy discontinuity problem in the analysis of a multi-layered silencer composed of air and sound absorbing material. An acoustic energy flow model for sound absorbing materials and hypersingular integral equation are used to analyze the noise of lined ducts for ships, and the analysis procedure is established through comparison with measured values. Through the established analysis procedure, the noise performance estimation formulas for the previously unpredictable range are derived. For the analysis of a silencer with a complex shape such as a splitter silencer, a FE-EFA hybrid model of the finite element method and the energy flow analysis method is presented. Validation and the design optimization of the splitter silencer are performed, and the optimization procedure for splitter silencers is established using the analysis procedure and genetic algorithm(GA). A study is conducted for cabin noise analysis and design. We developed an energy flow analysis that reflects direct field effects, which have not been considered in the existing analysis model. We investigated the relationship between direct fields and the reverberation fields on the boundary of an indoor space by applying the concept of geometrical acoustics. Noise measurement is performed in the actual ship cabin, and comparison with the predicted results is performed. A well-matched result is obtained and verification is completed, and based on the established analysis procedure, design studys are conducted to minimize cabin noise.