[ Article ]

Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 32, No. 1, pp.45-57

ISSN: 1598-2785 (Print) 2287-5476 (Online)

Print publication date 20 Feb 2022

Received 15 Oct 2021 Revised 21 Jan 2022 Accepted 21 Jan 2022

DOI: https://doi.org/10.5050/KSNVE.2022.32.1.045

캐비테이션 소음의 위치 규명을 위한 추진기 상부 선체 표면 수중 음향센서 배치에 대한 실험적 연구

황은수^* ; 정홍석^* ; 설한신^†

An Experimental Study of On-board Hydrophone Array Design at Hull Surface above the Propeller for Localization of Cavitation Noise

Eunsue Hwang^* ; Hongseok Jeong^* ; Hanshin Seol^†

*Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, Researcher

Correspondence to: ^†Member, Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, Senior Researcher E-mail : seol@kriso.re.kr ‡ Recommended by Editor Sang Wook Kang

Abstract

To localize cavitation noise using the beam forming method, sensors are mounted above the propeller on the hull surface of a model-scale ship. Beam forming results are highly dependent on the number and arrangement of sensors; thus, an array with a large number of sensors for a wide range will have good performance. However, it is difficult for such a system to be applied to a model scale, or to a full-scale ship in practical applications. A model-scale experiment was thus conducted at the cavitation tunnel of KRISO using various on-board sensor arrangements. The performance of each arrangement was verified from the experiment using the reference noise source, and it was confirmed that the location of the noise source could be estimated. Additionally, a feasibility study was carried out for a model ship with a single screw propeller, and it was confirmed that the location of the cavitation noise at the 12 o’clock position of the propeller was well represented.

Keywords:

Cavitation Noise, Ship Underwater Radiated Noise, Beamforming Method, Hydrophone Array, Array Design, On-board Measurement

키워드:

캐비테이션소음, 선박 수중방사소음, 빔형성 방법, 수중음향센서 배치, 배열 설계, 선내계측

1. 서 론

선박의 대형화, 고속화 등의 기술 발전에 따라 해상에서는 수중방사소음(underwater radiated noise)이 증가하고 있다. 특히, 선박의 추진기에서 발생하는 소음은 해양 포유류의 생활 주파수 범위와 겹쳐 생태계를 교란시키며 죽음에 이르게도 하는 문제가 보고되고 있다⁽¹⁾. 이러한 문제를 해결하기 위하여 국제해사기구(International Maritime Organization)는 해양환경보호에 관한 강화된 규제 정책을 논의하고 있다. 수중방사소음 저감 기술의 개발은 선박의 해양소음오염에 대한 규제에 대한 대응뿐만 아니라 해양환경 보호를 위해서도 개발하고 적용해야 한다. 추진기 소음에서 캐비테이션 소음이 주 소음원이라 할 수 있으며, 바다에 직접적으로 노출되어 있어 캐비테이션에 의해 발생하는 소음의 크기를 줄이는 것이 가장 효과적인 방법이다. 이를 저감하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있고, 저감을 위해서는 소음원을 분석하고 위치를 정확히 판별하는 것이 중요하다.

현재 수중 방사소음의 계측은 계측선과 부이시스템을 이용한 선외 계측 방법을 활용하고 있는데, 시간, 비용, 환경적인 영향 등에 대한 단점이 있다. 선외 계측의 한계를 극복하기 위해 Fig. 1과 같이 추진기 상방 선체에서 센서 배열을 활용하여 추진기 소음 계측 및 수중방사소음을 추정하기 위한 연구가 시작단계에 있으며, 더불어 센서 배열을 활용한 추진기 소음원의 강조 및 위치 추정에 대한 연구가 이루어지고 있다^(2,3). 하지만, 선체에 센서를 설치할 때 선체 부가물의 간섭과 같은 구조적인 문제로 인하여 많은 수의 센서를 사용할 수 없다는 문제점이 있다.

Fig. 1

Schematic description of on-board sensors for cavitation noise measurement

이 논문에서는 센서 배치가 비교적 자유로운 모형선에 대한 연구를 수행하였다. 캐비테이션 소음의 위치를 확인하기 위하여 빔형성 방법을 적용하였고, 빔형성 방법의 성능의 주요인자인 센서 배치와 수량에 따른 결과를 비교하였다. 기준 소음원에 대한 실험을 통하여 센서 배치의 성능을 검증하였고, 다양한 배치 방법에 대한 성능 비교를 수행하였다. 또한, 추진기를 이용하여 캐비테이션이 발생하는 조건에서의 모형시험을 수행하여 캐비테이션 위치를 확인하였다.

2. 제한된 영역에서의 센서 배치

2.1 빔형성 방법을 이용한 음원 위치 추정

소음원 위치 추정에는 다수의 음향 센서로부터 측정된 결과를 바탕으로 소음원을 가시화하고 위치 규명을 할 수 있는 빔형성 방법을 이용하였다^(4~6). 이 연구에서는 모형선의 추진기 상부의 선체 표면에 센서를 배치하고 추진기에서 발생하는 소음을 계측하기 때문에 센서와 소음원이 가까운 위치에 존재하게 된다. 발생하는 소음을 단극음원(monopole source)으로 하여 구면파(spherical wave) 모델로 가정하였고, 선체 구조물에 의한 반사파의 영향은 무시하였다.

Fig. 2는 이 연구에서 사용된 빔형성 방법을 나타낸 것이다. 소음원과 센서 간의 위치 관계에 따라 각 센서에서 측정되는 신호는 서로 다른 위상차를 가지게 되고, 측정 신호로부터 빔파워(beampower)를 계산하고 빔파워값이 높은 지점을 소음원의 위치로 추정할 수 있다.

p m = ∑ n = 1 N e - j k r m n 4 π r m n a n + e m

(1)

B f = g T C m n g

(2)

Fig. 2

Sound source and sensor array

식 (1)의 p_m는 m번째 음향 센서로부터 측정된 음압 신호이고, k는 음속 c가 1500 m/s일 때, 주파수 f 에 해당하는 파수 2πf/c이다. N은 관심 공간(source region) 내 분포한 가상 소음점 개수, r_mn은 m번째 음향센서와 n번째 가상 소음점과의 거리, a_n은 n번째 소음원의 강도, e_m는 잡음이다. 수신된 신호들로부터 상호상관행렬(cross spectral matrix, C_mn)를 계산할 수 있고 가상의 소음점(virtual grid)와 센서 위치 정보로부터 조향벡터(steering vector, g)를 계산할 수 있다. g^T는 g의 전치행렬이다. 식 (2)와 같이 상호상관행렬(C_mn)과 조향벡터(g)의 계산을 통하여 빔파워(B(f))를 계산할 수 있다.

빔형성 결과는 센서 배치와 센서 개수에 따라 그 결과가 크게 달라진다. 많은 수의 센서를 넓은 면적에 적절히 분포시키면 좋은 결과를 얻을 수 있겠지만 이 연구의 목적과 같이 추진기 상부의 선체 표면에 센서를 설치할 때 설치할 수 있는 공간이나 설치할 수 있는 개수가 제한적이다. 이러한 제한적인 조건에서 비교적 우수한 성능을 가지는 센서 배치를 결정하고 수량을 결정하는 단계가 반드시 필요하다.

2.2 센서 배치 설계

소음원 위치 추정은 기본적으로 3개 이상의 센서를 사용하는 것으로 계산의 정확도를 높이기 위해서는 센서 개수의 증가가 필수적이다. 또한 측정 환경이나 배치 방법에 따라 측정 결과가 직접적으로 영향을 받기 때문에 센서의 개수를 늘리거나 배치 방법을 바꾸어 위치 추정 정확도를 높이는 연구를 수행하였다. 센서 배치의 성능은 주엽과 최대 부엽레벨(maximum sidelobe level)에 의해 결정된다. 주엽(main lobe)은 Fig. 3에서와 같이 최대 빔파워로부터 값의 차가 –3 dB인 빔폭(beamwidth)을 나타내고 부엽(sidelobe)은 주엽 외의 빔파워값의 차이가 적은 피크를 의미한다. 따라서, 주엽의 빔폭이 좁고, 최대 부엽레벨을 최대화되었을 때 음원의 위치를 정확히 파악할 수 있다.

Fig. 3

Performance evaluation of beamforming result

소음계측을 위하여 관심 주파수 범위와 관찰하고자 하는 공간 크기 등의 설계 목표를 정한 후 센서 배치와 사용 센서 개수를 결정해야 한다. 센서 배치에는 다양한 형태의 배치 방법이 활용되고 있으며, 대표적인 배치로는 사각형 배치(square array), 원형 배치(circular array)와 나선형 배치(spiral array) 등이 있다. 특히, 나선형 혹은 다중 나선형 배열(multi-arm spiral array)의 경우, 비규칙적 배치 방법에 의해 공간 엘리어싱(spatial aliasing)이 우수하여 많은 연구에서 활용되고 있다⁽⁶⁾. 하지만 이 연구와 같이 제한된 설치 공간과 센서 개수 등의 조건을 가진 경우, 조건 내에서 불규칙한 패턴을 가지는 랜덤배치(random array)를 활용하기도 한다⁽⁷⁾.

이 연구에서는 실선에 비해 센서 배치가 비교적 자유로운 모형선에 대해 여러 배치에 대한 연구를 수행하였다. 모형선은 선체 센서 배열이 상대적으로 자유로운 편이지만, 센서 설치를 위한 어댑터 구조, 방향타 축 등의 간섭 문제로 인해 설치 간격과 크기가 제한된다. 이러한 제한 조건들을 반영하여 센서의 최소 간격을 0.03125 m로 고정하고 모형선에 설치할 수 있는 면적(가로 0.125 m × 세로 0.125 m) 내에 Fig. 4와 같이 25개의 센서 설치가 가능하도록 하였다. 이 중 추진기 회전면과 추진기 전후방을 중심으로 위치를 선정하여 17개의 센서를 배치하였다.

Fig. 4

Position of the sensors at the hull surface (projected onto xy-plane)

3. 실험적 검증

3.1 기준 소음원에 대한 실험적 검증

(1) 시험 수행

센서 배치의 성능 검증을 위하여 선박해양플랜트연구소(Korea research institute of ships and ocean engineering, KRISO) 대형캐비테이션터널(large cavitation tunnel, LCT)에 모형선과 기준 소음원을 설치하여 시험을 수행하였다. Fig. 5는 대형 캐비테이션터널 센서 배치 성능 검증 모형시험 설치 모습이다. 모형선을 설치하고 추진기면에서 반경(R) 방향 0.7R 위치에 기준 소음원을 설치하였다. 캐비테이션 터널 시험부의 길이 방향을 x축, 폭 방향을 y축 그리고 높이 방향을 z축으로 정의하였다(Fig. 1 참고). 기준 소음원은 추진기와 같이 x축을 기준으로 회전이 가능하도록 하였고, Fig. 5와 같이 12시 방향에 기준소음원이 위치했을 때를 0°로 정의하였다. 소음원은 원점을 기준으로 15° 간격으로 반시계 방향으로 90°, 시계 방향으로 90° 회전시켜가며 소음을 발생시켰다. 기준 소음원은 B&K spherical hydrophone type 8105를 사용하였으며⁽⁸⁾, B&K Pulse Labshop을 통해 정현파(sine wave)와 의사-랜덤 잡음(pseudo-random Noise)을 발생시켰다. 정현파는 Table 1과 같이 1/3 옥타브 밴드(octave band)의 중심주파수에 대해 신호를 발생시켰다.

Fig. 5

Sensor position on xy-plane

Table 1

Test condition of array performance verification

소음 계측에는 B&K miniature hydrophone type 8103 센서를 사용하였고⁽⁸⁾, 추진기 상부에 위치한 선체 표면에 설치하였다. Fig. 6과 같이 총 17개의 센서를 배치하였으며 센서 배치 중심과 추진기 중심과의 거리는 약 0.2 m이다. 소음 계측 시스템으로는 B&K type 2692 conditioning amplifier, B&K type 3052 DAQ 와 B&K Pulse Labshop을 이용하여 262 144 Hz의 샘플링 주파수로 20초간 신호를 측정하였다.

Fig. 6

Setup of sound source and hydrophone array for array performance verification

(2) 시험 결과 및 분석

시험 결과는 노이즈의 영향력을 줄일 수 있고, 시간에 따라 특징이 변하는 신호에 대해서 정확한 파워 스펙트럼값을 얻을 수 있는 Welch’s method를 적용하여 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 추정값을 계산하였다. 이때, 75 %의 샘플 중첩(overlap)과 262 144개의 샘플을 사용하였고 약 40회의 평균된 데이터를 사용하였다. 해닝 윈도우(hanning window)를 적용하였으며 주파수 분해능은 1 Hz이다.

빔형성 방법에 적용된 관심 공간 및 가상 소음점은 추진기 주변으로 하여 Table 2와 같이 결정하였다. 가상 소음점 간의 간격은 x축과 y축 방향으로 0.001 m, z축 방향 간격은 0.0005 m로 하였으며 총 12 663 201개(201×251×251)의 가상 소음점을 분포시켰다.

Table 2

Virtual grid information of source region

먼저 시험에 사용한 17개의 센서를 모두 사용하였을 때의 성능 결과를 Fig. 7과 Fig. 8에서 비교하였다. 추진기의 전후방 소음 분포를 확인할 수 있는 xy평면과 추진기 회전면의 소음 분포를 확인할 수 있는 yz평면에 대해 표현하였다. 결과는 최대 빔파워 값과의 차로 계산된 정규화 된 값을 최대값인 0 dB부터 –9 dB까지 나타내었고, 최대 빔파워 값을 가지는 위치에서의 결과를 도시화하였다. 파란색 원은 실제 소음원의 위치이고 빨간색 원은 센서로부터 측정된 신호를 빔형성 방법을 적용하여 계산된 최대값의 위치이다. xy평면에서 x=0에 위치한 검정색 실선은 추진기 평면위치이고, yz평면에서의 0.7R의 호는 소음원이 회전하며 위치하는 궤적이며, 파란색 점선은 결과를 도시한 xy평면(scanning plane)의 z좌표이다.

Fig. 7

Test results as frequency of sine wave at position 0°

Fig. 8

Test results as source location at 40 kHz (source is located at –90°, –45°, 0°, 45°, 90°)

Fig. 7은 소음원이 0°에 위치한 좌표 (0, 0, 0.0875) m일 때 대표 주파수에 대한 빔형성 결과이다. 대체적으로 각 주파수에서 소음원의 위치를 잘 나타내는 것을 확인할 수 있고, 12.5 kHz와 16 kHz에서 실제 소음원 부근에 소음원의 위치를 나타내지만 조금의 오차가 있음을 확인할 수 있다. 또한, 빔폭이 넓게 분포하는 것을 확인 할수 있는데, 이는 저주파수의 분해능이 떨어지는 빔형성 방법의 한계 때문이다. 빔형성 결과에서 빔폭은 센서 배치의 크기에 반비례하고 파장에 비례하기 때문에 저주파에서는 큰 빔폭을 가지게 되어 분해능이 저하된다. 50 kHz와 80 kHz의 결과에서는 부엽들이 발생하는데 공간 앨리어싱으로서 배치된 센서의 최소 간격이 0.03125 m로 나이퀴스트 조건을 충족시키지 못해서 나타나는 현상이다. 결과에서 x방향, y방향으로는 빔폭이 좁으나 z방향으로는 빔폭이 넓은 것을 확인할 수 있는데, 이는 xy 평면에서 넓은 범위에 센서가 분포하는 반면 z축 방향으로 0.0275 m의 좁은 범위에 분포하기 때문에 발생하는 분해능 저하 현상이다. 그럼에도 불구하고, 비교적 정확한 위치를 추정하는 것을 확인할 수 있다. 소음원의 실제 위치와 추정 위치값을 비교해보면 x축 방향으로 0.003 m ~ 0.009 m, y축 방향으로 0.004 m의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 센서 배치 좌표 측정에서 나오는 오차나 설치상에서 발생하는 실험적 오차로 보여진다.

Fig. 7의 주파수에서의 결과를 바탕으로 주파수 40 kHz를 대표주파수로 하여 음원의 위치에 따른 결과, 센서 배치 형태와 배치 개수에 따른 결과를 정리하였다. Fig. 8은 주파수 40 kHz일 때 소음원의 위치에 따른 결과이고, 음원의 위치 –90°, –45°, 0°, 45°, 90° 총 5가지에 대해 정리하였다. 실제 소음의 위치와 위치 추정 결과가 앞서 언급한 실험적 오차 범위 내에서 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 소음원이 중심에서 멀어지면서 부엽 성분이 나타나는데 주엽과 약 6 dB의 차이가 나며 소음원을 구별하는 데에 문제되지 않는 수준이라고 할 수 있다.

3.2 센서 개수에 따른 결과 비교

Fig. 7과 Fig. 8은 17개의 센서를 사각 형태로 배치했을 때의 결과이며, 공간 분해 능력이 우수하다고 판단된다. 하지만 이렇게 많은 개수의 센서 배치를 실제 선박에 적용하기는 어려우며, 적게는 3개, 많게는 8개의 센서 설치가 가능한 점을 고려하여 센서 개수를 더 줄여야 할 필요가 있다. 추진기 소음이 추진기 회전면 혹은 후류 방향에서 발생한다는 점을 고려하여 소음이 발생하는 위치를 기준으로 크기와 센서 수량에 따라 Fig. 9와 같이 센서를 배치하고 비교하였다. 정확한 비교를 위하여 센서 배치시 y축 방향 배치의 크기를 0.125 m로 고정하였다. Fig. 9에서 (a)는 11개의 센서를 사각형 배치에 가깝게 배치하였고, (b)는 (a)와 동일한 수량의 센서를 사용하였지만 추진기 전후방에 센서를 집중시킨 배치이며, (c)는 (b)의 형상에서 센서의 개수를 줄여 7개만 배치하였다.

Fig. 9

Sensor array (fixed size of y-axis 0.125 m)

Fig. 10은 Fig. 9(a)의 배치에 대해 주파수 40 kHz일 때 소음원의 위치에 따른 결과이다. 소음원의 위치는 잘 판단하지만 부엽들이 많이 생긴 것을 볼 수 있다. 특히 소음원이 90°에 위치할 때의 결과에서 [0, –0.07, 0] m 위치의 부엽이 주엽과의 값 차이가 4 dB 이내여서 소음원으로 잘못 판단할 수도 있다. Fig. 11은 Fig. 9(b)의 배치에 대해 주파수 40 kHz일 때 소음원의 위치에 따른 결과이며, 소음원의 위치를 정확하게 추정할뿐더러 공간 분해능 또한 우수하다고 할 수 있다. Fig. 12는 Fig. 9(c)의 배치에 대해 주파수 40 kHz일 때 소음원의 위치에 따른 결과이다. Fig. 7의 결과에서 언급한 실험적 오차를 고려했을 때 마찬가지로 소음원의 위치를 잘 찾아내는 것으로 보인다. 소음원의 위치가 –90°와 90°에 위치한 결과를 볼 때 중심에서 멀어진 소음원의 경우 오차가 더 커지며 부엽 성분도 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig. 9의 배치들을 비교했을 때 Fig. 9(b)의 결과가 우수한 것을 확인할 수 있고, 적은 수의 센서를 사용한 관점에서 Fig. 9(c)의 결과 또한 좋다고 판단된다. 센서의 개수를 줄이는 것이 목적인 만큼 Fig. 9(c)의 형상에서 센서의 개수를 한 개 줄인 형태의 Fig. 13의 결과를 비교하였다. Fig. 13(a)는 Fig. 9(c)의 형상에서 전방 센서 하나를 제거한 배치이고, Fig. 13(b)는 Fig. 9(c)의 형상에서 추진기 면에 위치한 센서 하나를 제거한 배치이다. Fig. 14는 Fig. 13(a)의 센서 배치에 대해 주파수 40 kHz일 때 소음원의 위치에 따른 결과이고 소음원의 위치를 잘 찾아내는 것을 확인할 수 있으며, y축 방향으로는 분해능이 떨어져 y축 방향으로 긴 형태의 빔패턴을 확인할 수 있다. Fig. 15는 Fig. 13(a)의 센서 배치에 대해 주파수 40 kHz일 때 소음원의 위치에 따른 결과이다. Fig. 14의 결과와 비교했을 때 x축 방향 분해능은 조금 더 좋지만, 소음원이 중심에서부터 멀어졌을 때 위치 추정 오차가 있는 것을 확인할 수 있고, 부엽 성분이 더 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10

Test results for Fig. 9(a) at 40 kHz (source is located at –90°, –45°, 0°, 45°, 90°)

Fig. 11

Test results for Fig. 9(b) at 40 kHz (source is located at –90°, –45°, 0°, 45°, 90°)

Fig. 12

Test results for Fig. 9(c) at 40 kHz (source is located at –90°, –45°, 0°, 45°, 90°)

Fig. 13

Sensor array of ‘+’ shape

Fig. 14

Test results for Fig. 13(a) at 40 kHz (source is located at –90°, –45°, 0°, 45°, 90°)

Fig. 15

Test results for Fig. 13(b) at 40 kHz (source is located at –90°, –45°, 0°, 45°, 90°)

Figs. 10 ~ 12, 14, 15의 결과를 비교하였을 때 Fig. 9(c)와 같이 ‘+’ 형태의 배치가 최소한으로 필요해 보이고 ‘+’ 형태에서 Fig. 9(b)처럼 센서가 추가되었을 때 그 결과가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 모형선 혹은 실선에 설치할 수 있는 센서의 개수와 설치 위치가 제한되는 환경상, 설치 상황에 따라 추진기 회전면에 센서를 집중시킨 ‘+’형태의 배치를 사용하면 소음원의 위치를 정확히 추정할 수 있을 것으로 보인다. 또한, Fig. 13의 배치와 같이 6개의 센서로 소음원의 위치를 추정하는 데 문제가 없기 때문에 상황을 고려하여 ‘+’ 형태의 센서 배치에서 센서를 가감할 수 있을 것으로 생각된다.

3.3 모형시험을 통한 검증

(1) 시험 수행

Fig. 16과 같이 4개의 블레이드를 가진 직경 0.250 m의 추진기를 설치한 모형선 추진기 캐비테이션 소음을 대상으로 센서 배치에 대한 검증을 수행하였다. 모형선과 추진기를 관측부에 설치한 후, 임의의 운항 조건에 대하여 캐비테이션 모형시험을 수행하면서 추진기 상부 선체 센서에서 소음을 측정하였다. 또한, 계측 소음의 유효성을 확인하기 위하여 추진기를 제거한 모형선에 대해 동일한 조건에서 배경소음 계측 시험을 수행하였다. 소음 측정 시스템 및 센서는 기준 소음원에 대한 센서 배치 검증 시험과 모두 동일하며 데이터는 262 144 Hz의 샘플링주파수로 60초간 측정하였다.

Fig. 16

Model ship setup for application test of sensor array

(2) 시험 결과 및 분석

캐비테이션 시험 결과는 60초 측정한 결과를 3.1절에서 처리한 것과 동일한 조건으로 처리하였다. 관심 공간은 추진기 직경의 1.2배의 크기로 하여 Table 3과 같이 결정하였다. 가상 소음점 간의 간격은 x축과 y축 방향으로 0.001 m, z축 방향 간격은 0.0005 m로 하여 총 18 210 801개(201 × 301 × 301)의 가상 소음점을 분포시켰다.

Table 3

Virtual grid information of source region

임의의 운항조건에 대하여 추진기 캐비테이션 소음과 배경소음에 대해 Fig. 17과 같이 1/3 옥타브 대역에서 나타내었다. y축 한 칸의 크기는 20 dB이며, 캐비테이션 소음은 배경소음에 비해 약 20 dB ~ 30 dB 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. Fig. 18은 CCD 비디오카메라를 이용한 캐비테이션 관찰 결과이다. 날개에서 길게 늘어진 형태의 보텍스 캐비테이션과 날개 끝을 덮는 형태의 시트 캐비테이션이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 17

Power spectral density comparison of cavitation noise with and without propeller in same condition

Fig. 18

Cavitation pattern captured by high-speed camera

Fig. 19는 17개의 센서를 모두 배치했을 때의 캐비테이션 소음 위치 추정 결과이다. 마찬가지로 1/3 옥타브 밴드의 중심 주파수에 대해 나타내었고 정규화된 값을 –9 dB까지 나타내었다. 추진기의 전후방을 비교할 수 있는 xy평면, 추진기의 회전면을 확인할 수 있는 yz평면에 대해 정리하였고, 추진기 중심에서부터 끝단까지 10 %의 위치와 12시 방향을 기준으로 10°씩 간격으로 호와 선을 표기하여 회전면을 나타내었다. 주파수 별 위치를 확인해 보면 대체적으로 추진기의 후류 위치에 소음이 위치하는 것으로 보이고, 회전면에서는 0.8R 위치부터 날개 끝단까지 주파수별로 조금씩 다른 것을 확인할 수 있다. 16 kHz 결과의 경우 추진기 전방의 허브 부근에서 소음이 발생하는 것으로 확인되고 20 kHz 결과에서는 추진기 날개 끝에서 직경방향으로 더 먼 거리에서 소음이 발생하는 것으로 확인되는데 전방 블레이드에서 발생된 보텍스 캐비테이션에 대한 소음 혹은 팁에서 생긴 캐비테이션이 추진기 회전 방향을 따라 이동하는 소음의 위치로 추정된다. 그 외의 결과는 Fig. 17에서 보이는 캐비테이션 위치와 비슷하다.

Fig. 19

Test results of cavitation noise using all sensors (Fig. 5)

Fig. 20은 ‘+’ 형태의 센서 배치를 사용했을 때의 위치 추정 결과를 나타낸 것이다. Fig. 9(b)의 결과도 11개의 센서로 구성되어 분해능이 좋은 결과를 보였지만, 센서의 개수를 줄여야만 하는 여건상 센서의 개수가 7개인 Fig. 9(c)의 배치를 선정하였으며, Fig. 20이 그 결과이다. Fig. 19의 결과와 마찬가지로 20 kHz 이상의 주파수 결과에서는 추진기 후류, 날개의 뒷전 부근에서 소음이 발생하는 것으로 확인할 수 있다.

Fig. 20

Test results of cavitation noise using ‘+’ shape array (Fig. 9(c))

Fig. 21은 Fig. 19와 Fig. 20의 결과를 정리해놓은 것이다. 12.5 kHz부터 80 kHz까지의 1/3 옥타브 밴드 중심 주파수에서의 소음원의 위치를 빨간색 원으로 표기하였다. 결과를 비교해보면, 소음이 발생되는 위치는 일부를 제외하고는 거의 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 많은 수의 센서를 사용한 결과와 추진기 회전면에 집중된 적은 수의 센서 배치를 사용한 결과가 비슷한 경향을 보이기 때문에, 센서 배치 여건에 따라 배치를 선택할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 21

Comparison of position of cavitation noise results according to sensor array at 1/3 octave band center frequency in 12.5 kHz to 80 kHz

4. 결 론

이 연구에서는 제한된 공간과 센서 수량을 활용하여 선박 추진기 캐비테이션 위치 추정을 위한 센서 배치 성능에 대한 비교 시험 및 모형선을 이용한 검증을 수행하였다. 배치의 검증을 위하여 기준 소음원을 이용한 결과, 배치의 설계 주파수 범위 내에서 공간 분해능이 우수하고 소음원의 위치를 정확하게 나타내는 것을 확인하였다. 센서 수량을 최소화하기 위하여 추진기 회전 방향인 y축 방향의 배치 크기는 고정하고 센서 배치를 다르게 하며 시험 결과를 비교하였다. 그 결과, x방향 분해능은 다소 떨어지지만 y축 방향 분해능 및 소음원의 위치를 잘 추정하는 배치를 확인하였고, 주어진 조건에서 최소한의 배치로 소음원의 위치를 잘 추정할 수 있는 ‘+’형태의 배치 방안에 대해 그 성능을 검증할 수 있었다. ‘+’형에서 센서 설치 시 구조물 등의 방해로 인하여 일부 센서를 설치할 수 없을 경우 일부를 제외하더라도 다소 분해능이 저하될 뿐 소음원의 위치를 잘 추정하는 것을 확인하였다.

모형선을 이용한 검증시험 결과로부터 추진기의 12시 방향 부근에서 발생하는 캐비테이션 소음의 위치를 잘 나타내는 것을 확인하였다. 또한 센서 개수가 적은 ‘+’형 배치를 사용하더라도 추정된 소음원의 위치가 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이 연구를 바탕으로 관심 주파수와 분해능에 대한 목적함수를 두고 센서의 최적화에 대한 연구를 수행하여 실선에서 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 이 연구에서는 소음원을 점음원으로 가정하고 기본적인 빔형성 방법을 적용하여 센서 배치 방안에 대한 연구를 수행하였는데, 향후 시간영역에서 광대역 소음원의 위치를 확인하거나 디콘볼루션을 통하여 선이나 면으로 분포하는 캐비테이션 소음을 판별하는 연구를 수행함으로서 정확한 소음원의 위치를 추정할 수 있을 것으로 생각된다.

Acknowledgments

이 연구는 산업통상자원부의 “IMO 해양환경보호 규제대응을 위한 선박수중방사소음 모니터링 및 소음저감기술개발(20012974)” 과제와 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소의 “고효율/저소음 선박을 위한 추진기소음 원천기술 개발 및 실선적용 연구(PES4280)” 과제의 지원으로 수행되었습니다.

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Hongseok Jeong received his B.S. and M.S. in Mechanical and Aerospace Engineering from Seoul National University in 2012 and 2014. He received his Ph.D. degree in Engineering and Physical Sciences at the University of Southampton in 2019. He is currently working at Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering. His research interest is identification and mitigation of propeller noise.

Hanshin Seol received his B.S. in Aerospace Engineering from Pusan National University in 1998. He re-ceived his M.S. and Ph.D. degree in Mechanical and Aerospace Engineering from Seoul National University in 2001 and 2005. He is now a principal researcher and the head of the 'Naval Ship Engineering Research Center' at Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering in Daejeon, Korea. He is current research interests include hydro-acoustics, propeller noise and development of propeller noise reduction technology.

	Frequency [Hz]	Rotation angle [deg]
Sine wave	5 k, 6.3 k, 8 k, 10 k, 12.5 k, 16 k, 20 k, 25 k, 31.5 k, 40 k, 50 k, 63 k, 80 k	-90 ~ 90 (dθ=15)
Random noise	-	-90 ~ 90 (dθ=15)

	Source region [m]	Distance [m]	No of points
x axis	–0.100 ~ 0.100	0.0010	201
y axis	–0.125 ~ 0.125	0.0010	251
z axis	0.000 ~ 0.125	0.0005	251

	Source region [m]	Distance [m]	No of points
x axis	–0.100 ~ 0.100	0.0010	201
y axis	–0.150 ~ 0.150	0.0010	301
z axis	0.000 ~ 0.150	0.0005	301