선체 부착 음향 센서를 이용한 함정 추진기 소음 예측에 대한 실험적 연구

2.1 빔형성 기반 소음원 레벨 추정 기법

이 연구에서는 소음원 레벨 추정을 위해 선미의 추진기 상부에 위치한 선체 부착 하이드로폰 배열로부터 계측된 신호와 함께 빔형성 방법을 사용하였다. Fig. 1은 추진기소음 계측을 위한 센서 구성 예시를 나타낸 것이다.

Fig. 1

Onboard acoustic sensors for measuring propeller noise (an example for a single screw propeller)

추진기에서 발생하는 캐비테이션은 발생 위치와 거동에 따라 다양한 형태로 나타나나, 이 연구에서는 추진기에서 발생하는 캐비테이션을 단극자 소음원(monopole source)으로 가정하였다. 이러한 가정은 상선에 대한 적용 연구를 통해 검증된 바 있다⁽⁶⁾.

빔형성 방법으로는 Bartlett 방법이 사용되었으며, 이는 계측한 신호의 스펙트럼에 기반한 도래각 추정 기법이다. 이는 소음원인 추진기를 둘러싸는 가상의 음원 그리드를 설정하고, 빔파워가 최대가 되는 지점을 찾는 방법이다. 가상의 음원 그리드에 대하여, m번째 음원에 의한 n번째 선체 부착 음향 센서 위치에서의 음압 P_mn은 식 (1)과 같다.

이때 r_mn은 m번째 가상 음원과 n번째 선체 부착 하이드로폰 간의 거리를 나타내며, $$ j=\sqrt{-1}$$, k는 파수(wavenumber), s_m은 m번째 음원의 음원 강도(source strength), e_n은 계측 시 발생하는 오차이다. 따라서, m번째 음원에 의한 모든 선체 부착 하이드로폰 위치에서의 음압은 식 (2) ~ (5)와 같이 표현된다.

이때 빔파워는 상호상관스펙트럼(C = 1/2(p p^H))과 조향벡터 g로부터 결정되며, 식 (6)과 같이 표현된다.

실제 빔파워 계산 시에는 크기 비교만 이루어지므로 식 (6)의 분자만 계산하여 비교할 수 있다. 각 주파수에서 빔파워가 최대가 되는 대표 음원을 찾았으며, 이에 대한 소음원 레벨(s_m)을 계산하였다.

2.2 모형시험 함정 추진기소음 계측

빔형성 기반 소음원 레벨 추정기법 적용을 위해 모형시험을 수행하였으며, 선박해양플랜트연구소에서 보유 중인 대형 캐비테이션터널을 이용하였다. Fig. 2는 대형 캐비테이션터널의 구조를 보여주고 있으며, 터널의 주요 제원은 Table 1에 나타나 있다.

Fig. 2

Schematic view of large cavitation tunnel (LCT) of KRISO

Table 1

Principal parameters of large cavitation tunnel

대상함(oo함)과 추진기에 대하여 각각 모형선과 모형추진기를 제작하였으며, 선체 배열 센서 이용을 위해 추진기 상방의 선체 표면을 가공하여 하이드로폰을 설치하였다. Fig. 3은 선체에 설치된 하이드로폰 배열이며, 좌현 추진기 상방에 총 12개의 B&K type 8103 하이드로폰이 설치되었다. 모형선에서의 센서 설치성을 고려하여 추진기 상방에 배열 설치 공간을 고려하였으며, 배열의 형태는 빔형성 기법 활용에 가장 적합한 형태인 나선형 배열로 선정하였다. 결정된 배열에 대하여 선체 표면에 투영된 센서 위치 좌표는 Table 2와 같으며, 이때 좌표계는 좌현 추진기를 기준으로 Fig. 1에 나타난 바와 같다.

Fig. 3

Hydrophone array at hull

Table 2

Location of hydrophones at hull (projected)

하이드로폰에서 계측된 음향 신호는 증폭기와 데이터 수집 장치를 통해 컴퓨터에 저장되었으며, 각각 B&K type 2692 charge conditioning amplifier와 B&K type 3052 LAN-XI가 사용되었다. Fig. 4는 시험 시 사용된 데이터 취득 시스템이며, 데이터 수집은 102.4 kHz까지 이루어졌다.

Fig. 4

Data acquisition system

이 연구에서 사용된 센서 배열의 최소 간격은 31.62 mm로, 공간 앨리어싱을 피하기 위한 최대 주파수는 f_max = c/2d_H= 23.7 kHz이다. 그러나 이 연구에서는 최대로 계측 가능한 주파수인 100 kHz까지를 관심주파수 영역으로 선정하고 결과를 검토하였다.

선체 부착 센서 기반 소음원 레벨 예측값을 비교하기 위해, 터널 내의 음향 센서를 활용하여 추진기의 소음원 레벨을 계측하였다. 국제수조회의(International Towing Tank Conference, ITTC)에서 제안한 모형시험 기법을 활용하였으며⁽⁷⁾, 추진기소음 계측, 배경소음 계측, 전달함수 계측을 포함한다. 소음 계측에는 터널 하부에 매립되어 있는 B&K type 8105 하이드로폰을 이용하였으며, 전달함수 계측 시 사용한 소음원은 ITC-1032 구형 트랜스듀서로 유효 가진 범위는 2 kHz ~ 100 kHz이다. Fig. 5는 전달함수 계측을 위해 양현의 추진기를 제거하고 좌현 추진기 허브 위치에 ITC-1032를 설치한 것이다.

Fig. 5

Transfer function measurement

계측한 추진기 소음을 L_p^′, 전달함수를 TF라고 했을 때, 추진기 소음원 레벨은 다음과 같이 표현할 수 있다.

이때 TVR은 단위 입력 볼트에 대해 트랜스듀서로부터 1 m 떨어진 곳에서 계측한 소음원 레벨로서, 제조사에서 제공한 TVR 값을 사용하였다. 전달함수 계측을 통해 추진기에서 발생하는 소음으로부터 터널 내 기준 센서까지의 잔향, 손실 등의 음향 전달 특성이 보정된다. 이렇게 얻은 소음원 레벨은 좌·우현 추진기를 모두 포함하고 있으므로, 이 연구의 관심 대상인 좌현 추진기 소음원 레벨 계산을 위해서는 우현 추진기의 영향을 제거해주어야 한다. 각 추진기에서 발생하는 고주파수 대역의 소음을 비상관 음원(incoherent source)으로 가정하면, 계측한 추진기 소음에 대해 3 dB 감소한 값으로 좌현 추진기의 소음원 레벨을 얻을 수 있다.

소음원 레벨 추정 결과 비교를 위해서, 각 선속별 시험 조건에서 모형시험을 수행하였으며, A 노트부터 A+10 노트까지 2 노트 간격으로 총 6개의 조건에 대해 시험을 수행하였다. 각 선속 조건은 추력계수와 캐비테이션 수 상사를 통해 결정되었다.

3.1 선속별 추진기 소음원 레벨 비교 분석

각 선속별로 추진기소음 계측 및 캐비테이션을 관찰하였으며, Fig. 6은 관측한 캐비테이션, Fig. 7은 터널 하부의 기준 센서를 이용해 계측한 추진기 소음원 레벨을 나타낸 것이다. Fig. 6을 통해 A+6 노트부터 캐비테이션이 시각적으로 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 추진기 뿌리(root) 부분에서 캐비테이션이 주로 발생하는 것을 알 수 있다.

Fig. 6

Cavitation pattern for each speed condition

Fig. 7

Measured propeller noise source level for each speed condition

Fig. 7에 나타난 소음 신호에서는 A+4 노트부터 20 kHz 이상의 고주파 영역에서 레벨이 증가하며, A+6 노트 이후부터 캐비테이션의 발달에 의해 저주파 대역까지 전체적으로 소음이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

추진기 소음원 레벨 추정을 위해, 추진기 주변으로 소음원 그리드를 생성하였으며, 캐비테이션이 주로 허브쪽에서 발생하므로 추진기 직경만큼의 사각형(-0.5D ≦ y ≦ -0.5D, -0.5D ≦ z ≦ -0.5D)과 유동방향으로 0.2 m(-0.1 < x < 0.1)를 소음원 영역으로 설정하였다. 이때 그리드 간격은 0.005 m이다. 시험에서 얻은 102.4 kHz까지의 협대역 소음(Δf=1 Hz)에 대하여, 4 Hz 간격으로 빔형성 기법을 적용하여 소음원 레벨을 얻었으며, 이를 1/3 옥타브 밴드 주파수 대역의 전력스펙트럼밀도(power spectral density, PSD)로 변환하여 결과를 도시하였다.

Fig. 8은 모형시험 선속 조건 중 대표적인 A, A+4, A+8 노트 조건에 대해 선체 음향 센서를 이용해 추정한 소음원 레벨 결과와 터널 내 기준 센서를 이용해 계측한 추진기 소음원 레벨을 비교한 것이다. 두 결과가 크기에서는 차이가 있으나, 경향에서는 어느 정도 비슷한 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 계측된 추진기 소음은 비공동소음과 공동소음을 모두 포함하고 있으며, 이 중 비공동소음의 주요 원인인 하중소음(loading noise)은 쌍극자(dipole) 특성을 띠고 있어 계측 위치에 따라 값이 달라질 수 있다. 따라서 선체에서 계측한 소음과 터널 하부에서 계측한 소음이 다른 주파수 특성을 나타낼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이 결과를 통해 단극자 음원 가정으로 전반적인 소음원 레벨 스펙트럼을 예측할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 예측 결과의 정확도를 높이기 위해서는 단극자 소음원 뿐만 아니라 쌍극자 소음원에 대한 고려도 추가적으로 이루어져야할 것이다.

Fig. 8

Comparison of measured and predicted propeller noise source levels at different speed conditions

이 연구의 모형시험에서는 추진기 뿌리에서 캐비테이션이 발생하였으나, 실선 함정 추진기에서는 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 먼저 발생한다. 따라서 연구 결과의 실선 적용 및 추정 기법의 실질적 개선을 위해서는 실선 URN 계측 및 선내 추진기 소음 계측 시험이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

3.2 변수에 따른 추진기소음 레벨 추정 결과

제시된 방법을 함정 URN 모니터링에 활용하기 위해서는 모니터링 주기, 센서 개수의 제한 등에 대한 고려가 필요하다. 3.1절의 결과는 12개 센서에서 30초 동안 얻은 소음 계측 데이터를 활용한 것으로, 실제 환경에서는 더 짧은 주기와 더 적은 센서가 요구될 수 있다. 이를 확인하기 위하여, 캐비테이션이 발생한 A+8 노트 조건에 대하여 계측 시간 및 센서수에 대한 민감도 분석을 수행하였다.

Fig. 9는 계측 시간에 따른 결과의 변화를 도시한 것으로, 결과 간 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 센서 배열에서 각각 계측된 추진기 소음의 크기가 계측 시간에 따라 크게 변하지 않고, 짧은 시간을 계측하여도 신뢰도 있는 결과를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 9

Comparison of predicted source levels for different sampling intervals

Fig. 10은 센서 수에 따른 소음원 레벨 예측 결과를 비교한 것으로, 나선형 배열에서 바깥쪽부터 센서를 두 개씩 줄여가며 결과를 비교하였다. 센서 개수가 감소함에 따라 2 kHz ~ 4 kHz의 저주파 영역에서부터 결과가 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 센서가 4개만 사용될 경우 8 kHz 대역까지도 결과가 달라지게 된다. 이는 센서 수가 적어지게 되면서 전체적인 배열의 크기가 작아지게 되어 낮은 주파수에서 상대적으로 빔폭이 커지기 때문이다. 그러나 10 kHz 이상의 고주파 대역에서는 결과의 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있으며, 이는 나선형 배열의 안쪽에 있는 좁은 간격의 센서들로 인해 고주파 대역에서의 주파수 분해능이 유지되기 때문이다.

Fig. 10

Comparison of predicted source levels for different number of sensors

실선 모니터링 시스템 적용을 위해서는 모형과 실선 간의 유체역학적 축척 효과, 기하학적인 크기 변화에 따른 해석 주파수 대역 변화, 좌·우현 추진기의 상대적 영향성, 조류 방향의 영향 등 더욱 많은 변수에 대한 분석이 요구될 것으로 보이며, 이를 위해서는 다수의 선외 URN 계측 데이터와 선내 계측 데이터가 확보되어야 할 것이다.