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톱니형 뒷전 서레이션: 회전익을 위한 설계변수의 작동 메커니즘과 심리음향학적 효과 : Sawtooth Trailing-edge Serration: Working Mechanism of Design Variables for Rotor Blade and Psychoacoustic Effects

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Authors

한동연

Advisor
이수갑
Issue Date
2022
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
회전익톱니형 뒷전 서레이션작동 메커니즘소음저감심리음향학적 효과
Description
학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 항공우주공학과, 2022.2. 이수갑.
Abstract
This study investigates sawtooth trailing edge serration for noise reduction of a multi-rotor unmanned aerial vehicle. The serration is made based on three design variables: the serration angle, the tilt angle, and the flap angle, and the propeller noise is measured by applying these variables. To understand the difference in noise reduction performance according to design variables, the mechanism related to design variables is investigated through numerical analysis. Afterward, the psychoacoustic effects of serration are identified through an auditory test using unmanned aerial vehicle noise before and after applying the serration.
This thesis is divided into two parts according to the type of experiment. In the first part, the noise level of an isolated propeller is measured according to the different types of serration made by a combination of design variables. The change in noise level according to the serration angle is confirmed to be consistent with the existing literature, so no further analysis is conducted. In order to understand the tendency according to the tilt angle, RANS analysis for the baseline propeller is performed. The flow dynamics inside the boundary layer is analyzed in terms of viscosity, centrifugal force, and Coriolis force, and guidances for the tilt angle design is suggested. The flap angle also has large effects on the propeller noise, and it is controlled by attaching the serration to either the suction side or pressure side. The results from the noise measurements are investigated through LES analysis, proper orthogonal decomposition method, and Curle's acoustic analogy. By analyzing the streamlines between the serration teeth, the intensity of the cross-flow and the curvature of the streamline are identified, and it is found that those factors can damage the noise reduction mechanism. In addition, the comparison of the surface pressure modes obtained by the proper orthogonal decomposition technique suggests that the noise reduction mechanism could be impaired depending on the flap angle. Besides, unsteady loads on the airfoil surface are affected because the flap angle modifies the chord line shape and geometric boundary, and it could increase the aerodynamic noise. Finally, the noise spectrum predicted based on the acoustic analogy shows that the inference from the flow analysis is consistent with the prediction results.
In the second part, the serration with the best noise reduction performance is selected, and the actual unmanned aerial vehicle with the baseline and serrated propellers are measured. These noise samples are used as stimuli for the auditory test where the physical noise level of the measured signals is controlled. Through annoyance quantified by the percentage of highly annoyed (%HA) and pink noise equivalent level, it is determined that the noise level must be approximately 3dB(A) higher to induce the same annoyance when using the serration. A statistical procedure found that the cause of the reduced annoyance is small sharpness by the serration.
본 연구는 멀티로터형 무인항공기 소음저감을 위한 톱니형 뒷전 서레이션을 조사한다. 서레이션 각도, 경사 각도, 플랩 각도의 세 가지 설계변수를 기반으로 서레이션을 제작하고, 이를 프로펠러에 적용하여 소음을 측정한다. 설계변수에 따른 소음저감 성능의 차이를 이해하기 위해 수치 해석적 방법을 통해 유동을 분석하고, 설계변수와 소음저감 성능이 관련된 메커니즘을 파악한다. 이후 서레이션 적용 전후의 무인항공기 소음을 이용한 청감실험을 통해 서레이션의 심리음향학적 효과를 조사한다.
본 논문은 실험의 종류에 따라 크게 두 가지 파트로 나뉜다. 전반부에서는 단일 프로펠러에 적용한 서레이션의 설계변수에 따른 소음 수준을 측정한다. 서레이션 각도에 따른 소음 수준의 변화는 기존의 문헌들과 일치하는 것으로 드러나 추가적인 분석을 진행하지 않았다. 경사 각도에 따른 경향성을 이해하기 위해 베이스라인 프로펠러에 대한 RANS 해석을 수행하고, 경계층 내부 유동을 점성력, 원심력, 코리올리힘의 관점에서 분석하여 경사 각도에 대한 설계 방향을 제시한다. 플랩 각도 또한 프로펠러 소음에 미치는 영향이 크며, 서레이션을 프로펠러의 흡입면과 압력면에 접하도록 부착하여 간접적으로 제어한다. 실험 결과로 파악된 사실을 이해하기 위해 LES 해석, 적합직교분해 기법, Curle의 음향상사법이 이용된다. 서레이션 톱니 사이의 유선을 분석하여 cross-flow의 강도와 이로 인한 유선의 곡률을 파악하고 이는 소음저감 메커니즘을 훼손할 수 있는 요소임을 밝힌다. 또한, 적합직교분해 기법을 기반으로 산출한 표면 압력장 모드의 비교를 통해 플랩 각도에 따라 소음저감 메커니즘이 훼손될 수 있으며 이는 성능과 직접적인 연관이 있음을 제시한다. 이외에도 플랩 각도는 익형의 시위선 형태를 변화시킴과 동시에 기하학적 경계면의 변화로 인해 비정상 압력 하중을 변화시키며 이 또한 소음 증가의 원인이 될 수 있다. 마지막으로 음향상사법을 기반으로 예측한 소음 스펙트럼으로 앞서 유동해석을 기반으로 추론한 결과를 재확인한다.
후반부에서는 전반부의 실험에서 소음저감 수준이 가장 높았던 서레이션을 선택하고 부착 여부에 따른 실제 무인항공기 소음을 측정한다. 측정된 신호의 물리적 크기를 통제하여 청감실험의 자극음으로 사용하고, 청감실험을 통해 자극음의 음질 변화 및 불쾌감을 정량화한다. Percentage of highly annoyed(%HA)와 Pink noise equivalent level로 정량화된 불쾌감을 통해 서레이션을 이용하는 경우 같은 불쾌감을 유발하기 위해 소음 수준이 약 3dB(A) 높아야 한다는 사실을 파악한다. 서레이션이 소음의 물리적 수준을 저감한다는 사실 이외에도 이러한 이점이 발생하는 원인을 찾기 위한 통계적 절차를 통해 원인은 소리의 sharpness를 줄인다는 점이라는 사실을 밝힌다.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/183601

https://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000170421
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