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Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 31 , No. 4

[ Article ]
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 31, No. 4, pp.398-407
Abbreviation: Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng.
ISSN: 1598-2785 (Print) 2287-5476 (Online)
Print publication date 20 Aug 2021
Received 13 Apr 2021 Revised 09 Jun 2021 Accepted 28 Jun 2021
DOI: https://doi.org/10.5050/KSNVE.2021.31.4.398

선체가속도 신호를 이용한 추진기 소음 및 캐비테이션 발생 속도 모니터링 연구
한형석 ; 전수홍* ; 이청원* ; 이동녁* ; 김용훈* ; 이석규**

Study for Monitoring of the Sound Pressure Level and Cavitation Inception Speed of the Propeller Using the Acceleration Signal on the Hull
Hyungsuk Han ; Soohong Jeon* ; Chungwon Lee* ; Dong-Nyok Lee* ; Yonghoon Kim* ; Sock-Kyu Lee**
*Member, DTaQ, Senior Researcher
**Member, LIGNEX1, Chief Researcher
Correspondence to : Member, Defense Agency for Technology and Quality, Senior Researcher E-mail : hshan@dtaq.re.kr
# A part of this paper was presented at the KSNVE 2021 Annual Spring Conference‡ Recommended by Editor Han Shin Seol


© The Korean Society for Noise and Vibration Engineering
Funding Information ▼

Abstract

Underwater radiated noise is considerably important for naval vessels to detect enemy ships and also to prevent detection by them. Therefore, underwater noise must be maintained below the preliminary specified level during the design stage. However, underwater radiated noise can vary depending on the various sea and ship conditions. As the sound of propeller cavitation is one of the most dominant sounds, it needs to be monitored via a real-time underwater radiated sound monitoring system. This study investigates a detection algorithm for propeller sound and cavitation inception speed considering acceleration on the hull adjacent to the propeller.


Keywords: Acceleration Signal on the Hull, Propeller Sound, Cavitation Inception Speed
키워드: 선체 가속도 신호, 프로펠러 소음, 캐비테이션 발생 속도

1. 서 론

함정은 보이지 않는 위협세력을 탐지하고 식별하기 위해서 음향센서를 사용한다. 수상함의 경우 음향신호를 통해 위협대상인 잠수함을 탐지하고 또한 잠수함에 탐지되지 않기 위해 자체소음을 최소화해야만 하고 자신의 소나 성능을 향상하기 위해서도 자체소음 절감의 노력이 매우 필요하다. 잠수함 또한 수상함에 탐지되지 않기 위해서 자체소음을 최소화해야만 하고 수상 또는 수중에 있는 적함을 탐지하고 식별하기 위해서 다양한 소나체계를 이용한 음향신호 분석을 수행하고 있다.

이 때문에 최근 수상함의 자체소음 감시 모니터링 기술에 대한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 수상함의 자체소음 감시 모니터링 시스템을 적용한 사례로는 영국해군이 최근 건조중인 Type 26 호위함이 있다. 브뤼알-케아(Brueal & Kjaer)(1)사는 Type 26 호위함의 대잠전 전투력 및 스텔스 성능 향상을 위해 자사 자체소음 감시 모니터링 시스템을 적용한다고 밝혔다. 이 시스템은 선체에 부착된 여러 개의 가속도 센서와 하이드로폰을 가지고 자체소음을 모니터링 하는 방식이지만 정확한 상태감시 로직에 대해서는 알려지지 않고 있다. 민간에서도 상업용 선박에 의해 발생하는 수중방사소음을 감소시키기 위해 SONIC(suppression of underwater noise induced by cavitation)이나 AQUO(achieve quieter oceans)와 같은 컨소시엄을 구성하여 노력을 기울이고 있다. 그 일환으로 Turkmen 등(2)은 프로펠러 상부 선체 외부면에 설치한 압력센서 및 가속도 센서를 활용하여 프로펠러 공동현상에 의한 소음과 선체진동에 의한 구조소음의 수중방사소음에 대한 기여도를 조사했다.

Han 등(3)은 프로펠러 캐비테이션에 의한 변동압력에 의해 발생하는 선체 진동 정보를 이용하여 캐비테이션 발생을 DEMON(detection of envelop modulation on noise) 스펙트럼의 신호처리를 통해 정량화 하는 방법을 제시하였다.

이와 같이 최신의 연구동향은 캐비테이션 발생 시 음향신호뿐만 아니라 캐비테이션에 의한 변동압력으로 발생하는 프로펠러 직상부 선체의 진동신호를 이용하여 프로펠러 소음을 모니터링 하는 기술들이 개발되고 있다(4,5).

이 연구에서는 캐비테이션 발생 시 추진기 프로펠러의 방사소음과 선체진동간의 전달함수를 실험을 통해 도출하고 선체진동 신호분석을 통해 추진기 소음 및 캐비테이션 발생속도를 모니터링하는 효과적인 알고리즘을 개발하고자 한다.


2. 프로펠러 소음과 선체진동

캐비테이션이 발생되면 함정에서 발생하는 수중방사소음은 프로펠러소음이 지배적이 된다. 이때 프로펠러 직상부 선체의 진동은 추진기의 변동압력으로 야기된 것으로 프로펠러의 방사소음과 유사한 패턴을 가지므로 실험을 통해 이들 소음과 진동 간 전달함수를 알면 프로펠러의 방사소음을 정의할 수 있다.

La=Lp+ΔLpa dB re 10-5m/s2(1) 
Lp=Lp3-10log0.1D+d10.1D+3.0 dB re 1μPa(2) 
Lp3=10log10Lpt10+10Lpb10 dB re 1μPa(3) 
Lpt=10log0.23nbNp603D3.2841fbr+155+Ct dB re 1μPa @3ft(4) 
Lpb=10log0.23nbNp603D3.2841fbr+168+Cb dB re 1μPa @3ft(5) 
Ct=10log0.67υυo-1forυυo<2.350forυυ0>2.35(6) 
Cp=20 log1-υυ0(7) 

SNAME(society of naval architects and marine engineers)는 상선에 대해 캐비테이션이 발생한 추진기에 의한 선체 표면의 추진기 소음과 추진기 직상단의 진동가속도 사이의 전달함수에 대해 식 (1) ~ (7)과 같이 제시하고 있다(6). 여기서 La 는 프로펠러 상부 선체 가속도레벨, Lp 는 가속도계 부착 선체 외부에서의 음압레벨, ∆Lpa는 선체가속도 레벨과 음압 레벨의 차이, Lpt는 프로펠러 중심에서 3 ft 떨어져 있는 지점에서의 팁볼텍스 캐비테이션 소음, Lpb는 프로펠러 중심에서 3 ft 떨어져 있는 지점에서의 시트 캐비테이션 소음, nb는 프로펠러 블레이드 수, Np는 프로펠러 rpm, D는 프로펠러 직경(ft), d1은 프로펠러 팁 끝과 선체간 거리(ft), Ct, Cb는 보정계수, v0는 캐비테이션 발생속도, v는 함 운항속도이며, fbr은 최대소음을 가지는 주파수(Hz)로 참고문헌(6)의 Fig. 6-1에서 v/v0를 가지고 찾을 수 있다.

기존 연구를 통해서 식 (1) ~ (7)의 프로펠러 소음은 함정에 적용 시 계측결과와 잘 일치하고 있음을 알 수 있었으나(5), 상선을 기반으로 SNAME가 제시한 선체 가속도 레벨과 음압레벨 간의 관계인 ∆LpaFig. 1과 같이 실제 함정의 시험계측 값과 차이가 큼을 알 수 있다. 이 연구에서 별도의 상선에 대해 SNAME가 제시한 선체진동과 프로펠러 소음간의 전달함수를 검증할 수는 없었으나, 일반적으로 함정의 함미 선체구조와 상선의 구조가 매우 다름을 고려해 볼 때 이러한 차이는 상선과 함정의 함미 선체구조 차이에 의한 것으로 추정할 수 있다. 따라서 함정의 경우 선체진동과 프로펠러 소음간의 전달함수를 별도로 도출해야 할 것으로 판단되었다.


Fig. 1 
Transfer function between acceleration and sound of the hull(The line of “Estimated by SNAME(t = 0.5 inch)” is quoted from Fig. 6.3 of reference[6])

Fig. 1에서 함정의 실험결과로 얻어진 선체가속도레벨과 선체외판에서의 소음간 전달함수는 캐비테이션 전(N-9 ~ N-1 knots), 후(N ~ N+3 knots)에 따라 달라지는 경향을 확인할 수 있었다. 여기서 캐비테이션 발생 속도는 N knots 이다. 캐비테이션 발생 전의 경우 계측한 수중방사소음에 대한 프로펠러의 소음의 영향도가 지배적이지 않으므로 프로펠러 소음은 계측한 수중방사소음보다 훨씬 적을 것으로 추정된다. 캐비테이션 발생 전 계측된 소음은 프로펠러 회전, 추력에 의한 선체진동의 영향뿐만 아니라 선체저항에 의한 유동소음 등이 포함된 소음으로 예측된다. 즉, 캐비테이션 전 선체진동과 수중소음간의 전달함수는 가진 소스가 프로펠러 회전, 추력에 의한 선체진동에 의한 방사소음과 선체저항에 의한 유체력 등의 유동소음이 주 가진 요소이며, 캐비테이션 후의 경우는 가진 소스가 프로펠러 캐비테이션 소음이 주 가진 요소이므로 캐비테이션 전, 후 수중소음과 선체진동간의 전달함수는 서로 달라질 수밖에 없다. 이 연구에서 제시한 캐비테이션 전후 프로펠러 소음과 선체진동간의 차이에 대한 원인은 제한된 계측 결과로부터 추정된 결과이므로 보다 많은 함정에 대한 계측 분석을 통해 보다 심도 있게 분석할 필요가 있다고 판단된다.

이 연구에서 다루는 캐비테이션 발생 모니터링은 캐비테이션 발생 후의 소음을 모니터링 하는 것이기 때문에 Fig. 1에서 캐비테이션 발생 후 선체진동가속도-소음간의 전달함수를 사용하는 것이 보다 타당한 것으로 판단된다.


3. 캐비테이션 발생 속도의 정의
3.1 최소탐지가능 음압

소나식으로부터 음원에 대한 음향투과손실은 식 (8) 과 같이 나타낼 수 있다(7).

TL=20logr=SL-NL+AG-DT-Add(8) 

여기서 TL은 음향투과손실(dB), SL은 음향소스레벨(dB), NL은 주변소음레벨(dB), AG는 소나의 배열이득(dB), DT는 탐지경계레벨(dB), Add는 추가음향손실레벨(dB), r은 음원과 소나간 거리(m)이다.

잠수함이 수동소나(TASS 기준)를 이용해서 수상함을 탐지하는 최소거리를 “A” km라고 정의하면 이 최소거리에서 탐지대상인 수상함의 방사소음레벨이 AG, DT Add를 고려한 주변 소음보다 작게 될 경우 탐지가 불가능하게 된다. 따라서 음원으로부터 근접한 거리에서 계측하는 수중방사소음 시운전 시험결과로부터 캐비테이션이 발생했다고 판단될지라도 소나를 이용한 탐지 최소거리에서 음압수준이 AG, DTAdd를 고려한 주변 소음보다 작게 될 경우 적함으로부터 탐지되지 않으므로 문제되지 않을 것으로 판단된다.

배경소음의 경우 해안과의 거리 및 수심에 따라 다르며 연안해와 동해중간해역의 경우 Fig. 2와 같다. 해양에서의 배경소음은 식 (9)와 같이 해상상태(sea state)에 따라 계산식으로 나타낼 수 있으며 Fig. 2에 해상상태 1,2(ss=1,2)에 대해 식 (9)를 가지고 계산한 배경소음을 추가로 도시해 놓았다.

NL=56+10logss-17logf/1000(9) 

Fig. 2 
Background noise of the ocean

여기서 NL은 배경소음(noise level, dB), ss는 해상상태(ss = 1,2,3....9), f는 옥타브밴드 중심 주파수(Hz)이다.

이 절에서는 소나의 최소탐지거리에서 최소탐지가능 음압을 산출하기 위한 배경소음은 식 (9)로 가정하였다. 또한 소나의 어레이게인(AG)의 경우 조사한 참고문헌(7)을 바탕으로 12 dB로 가정하고 탐지경계 레벨은 –6 dB로 가정한 후 1 km ~ 5 km에서 탐지 가능한 최소소음을 산출해 보았다. 정확한 최소탐지음압 산출을 위해서는 위험세력인 적군 잠수함 등에 사용되는 소나체계의 어레이게인 및 탐지경계레벨을 정확히 반영해야하나, 이 연구에서는 군사보안상의 이유로 인해 일반적으로 알려진 자료(참고문헌(7))를 이용하여 산출하였다.

Fig. 3은 해상상태(ss)가 1, 2일 때 배경소음 기준으로 1 km ~ 5 km에서 탐지될 수 있는 프로펠러 팁으로부터 3 ft(1 m) 거리에서의 최소 음압레벨이다.


Fig. 3 
Minimum sound pressure at 1m apart from the propeller tip to be detected by sonar system located at 1 km ~ 5 km apart from target source when the sea state is 1 and 2

SNAME는 프로펠러에서 3 ft 떨어져 있는 지점에서의 소음과 프로펠러 팁으로부터 d1거리에 있는 선체 외판에서의 소음간의 관계를 2절의 식 (2)와 같이 제시하고 있다. 2장에서 언급한바와 같이 이 연구에서는 식 (2)의 적용 시 프로펠러 소음과 프로펠러 직상부 선체진동 간 전달함수에 대해 SNAME의 제시값을 따르지 않고 Fig. 1의 특정 함정에 대한 실험 결과를 반영하였다.

식 (2)를 이용하여 Fig. 3의 음압을 선체외판에서의 음압으로 변환하면 Fig. 4와 같이 나타낼 수 있다. 따라서 캐비테이션 발생 후 소음-진동 전달함수를 가지고 최소탐지 소음에 대한 진동 기준은 Fig. 5와 같이 정할 수 있다.


Fig. 4 
Minimum sound pressure of the propeller at the water adjacent to the accelerometer installing hull to be detected by sonar system located at 1 km ~ 5 km apart from target source when the sea state is 1 and 2


Fig. 5 
Minimum acceleration level on the hull to be detected by sonar system located at 1 km ~ 5 km apart from target source when the sea state is 1 and 2

일반적으로 소음으로부터 함이 탐지되고 나면 탐지된 함의 종류를 식별하기 위해 DEMON 분석을 수행하게 된다. 일반적으로 DEMON 분석은 3 kHz ~ 10 kHz 음향신호를 가지고 수행하고 있다. 만약 이 대역에서의 소음이 계측한 지점에서의 배경소음 대비 충분히 낮아 식별되지 않는 수준일 경우 음원에 대한 식별이 불가능하다.

이 연구에서는 계측된 진동 overall 레벨이 Fig. 5의 최소진동 레벨에 대한 3 kHz ~ 10 kHz 대역의 overall 진동레벨값 이상일 경우 위험세력의 소나체계로부터 자함의 음원에 대한 DEMON 분석이 가능한 것으로 정의하였다. 따라서 최소탐지거리를 얼마로 정의할 것인가에 따라 최소탐지가능 음압 및 이에 대한 선체진동 레벨을 달리 정의할 수 있다.

이 절에서와 같이 최소탐지음압레벨 및 이에 상응하는 선체진동레벨은 적함의 소나체계의 정의에 따른 탐지경계레벨과 어레이게인의 값, 배경소음 및 위험세력의 작전 개념에서 자함을 탐지하는 최소탐지거리에 따라 달라짐을 알 수 있다.

만약 배경소음을 “ss = 1”일 때로 두고 어레이게인 및 탐지경계레벨을 참고문헌과 동일하게 각각 12 dB 및 –6 dB로 두고, 적함의 최소탐지거리를 2 km 로 가정하면 Fig. 6과 같이 최소탐지가능한 선체진동 레벨은 약 77.7 dB이며, 이때의 함속은 “N ~ N+3” knots 임을 알 수 있었다.


Fig. 6 
CIS estimation from acceleration on the hull above propeller(ss=1)

3.2 DEMON 분석

현재 수중방사소음 계측 시 다음의 조건을 만족하는 경우를 음향학적 캐비테이션 발생속도로 정의하고 있다.

a. 1 knot 증가 시 소음이 2 dB 이상 증가할 경우

b. DEMON 스펙트럼에서 프로펠러의 회전주파수 또는 블레이드 통과 주파수 성분이 발생하는 경우.

또한 캐비테이션 창설치 후 관측을 통해 시각적 캐비테이션 발생속도를 정의하고 있다. 현재 조함기준에서는 시각적 캐비테이션을 캐비테이션 발생속도로 정의하고 있으나 음향학적 캐비테이션이 함 작전수행에 있어서 매우 중요하기 때문에 수중방사소음 관점에서 별도로 다루어지고 있다. 이 연구에서 모니터링 하고자하는 캐비테이션 발생속도는 음향학적 캐비테이션 발생속도이며 시각적 캐비테이션에 대해서는 별도로 다루지는 않는다.

캐비테이션 발생은 통상적으로 일정속도 이상에서 프로펠러 블레이드 하나에서 시작되어 캐비테이션이 성장하면 모든 블레이드에서 캐비테이션이 발생한다.

따라서 이들 고주파 광대역 소음 신호는 축회전수 또는 블레이드 통과주파수에 변조되어 나타나게 된다. 이러한 소음 신호에 대해 복조 기술을 적용하여 고주파 신호가 회전주파수에 변조되어 발생할 경우 이를 캐비테이션 발생속도로 판별할 수 있다.

일반적으로 DEMON 분석은 “detection of envelope modulation on noise”의 약자로 인베롭(envelope)을 위한 해석신호(analytic signal)는 식 (10)과 같이 나타낼 수 있으며 인베롭(envelope)은 식 (11)과 같이 식 (10)의 진폭으로 정의된다(8).

h^t=ht+jh~t(10) 
h^t=ht2+h~t20.5(11) 

여기서 h(t)는 분석하고자 하는 시간신호, h~th(t)의 힐버트 변환(Hilbert transform) 이며 이는 식 (12)와 같다.

h~t=Hht=1π-htτ-tdt(12) 

Fig. 7은 DEMON 분석의 개념을 보여주고 있다. 동조된 신호(raw signal)를 수집한 후 FFT 스펙트럼(fast fourier transform spectrum)을 그려보고 이를 통해 적절한 밴드통과필터를 적용하면 주기적으로 동조되는 신호가 뚜렷하게 식별되며 이를 가지고 인베롭 신호를 찾아낸 뒤 이에 대한 FFT 분석을 수행하여 스펙트럼을 그리면 DEMON 스펙트럼을 얻을 수 있다.


Fig. 7 
Schematic diagram of DEMON analysis

Fig. 8Fig. 8(b)의 신호(2nd signal)가 Fig. 8(a)의 신호(1st signal)에 동조되어 Fig. 8(c)와 같이 진폭변조가 되어 나타나는 경우에 대한 DEMON 분석 예이다. Fig. 8(c)의 신호를 힐버트 변환하여 나타내면 Fig. 8(d)와 같으며 이를 가지고 식 (12)를 가지고 해석신호를 그려보면 Fig. 8(e)와 같이 동조신호인 Fig. 8(a)를 찾을 수 있다. 이와 같이 힐버트 변환을 이용하여 해석신호를 만들고 이를 통해 동조 신호를 찾아내는 방법이 DEMON 분석이다.


Fig. 8 
Procedure for detecting the modulation signal using DEMON analysis

따라서 DEMON 분석을 통해 고주파 광대역 소음이 축회전 주파수 또는 블레이드 통과 주파수에 진폭변조가 일어났는지 확인을 통해 캐비테이션 발생을 예측할 수 있다.

이러한 DEMON 분석을 이용하여 Fig. 6에서 다룬 함정의 가속도 신호를 가지고 캐비테이션 발생 여부를 평가하였다. DEMON 분석 시 DEMON 스펙트럼에서 SR(shaft rate = rpm/60 Hz) 또는 BR(blade rate = blade number × rpm/60 Hz)의 피크가 식별되지 않으면 캐비테이션이 발생되지 않는 것으로 정의하였다.

Fig. 9는 속도 증가 시 선체부착 가속도 신호에 의한 DEMON 스펙트럼이다. Fig. 9에서와 같이 함속도가 “N ” knots 이상일 때 SR과 BR 성분의 피크가 DEMON 스펙트럼 상에 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서 DEMON 분석 결과로 보았을 때 캐비테이션은 “N ” knots에서 발생하고 있음을 예측할 수 있었다. 하지만 축회전주파수 및 블레이드 통과주파수에서의 신호는 정성적으로 평가할 수밖에 없으므로 신호의 크기와 평가자에 따라 캐비테이션 발생속도가 달라질 수 있다.


Fig. 9 
DEMON Spectra contour according to PCL(power control level) operating at GT(gas turbine) mode

따라서 이들 신호 강도를 정량화 할 수 있는 지수의 도입이 필요하며 이 연구에서는 이를 위해 DEMON 스펙트럼의 첨도(kurtosis)를 도입하였다.

3.3 DEMON 스펙트럼의 첨도

이 절에서는 캐비테이션 발생 정량화를 위한 방법 중 하나로 DEMON 스펙트럼의 첨도에 대해 기술하고자 한다. 이 연구에서 사용한 알고리즘은 첨도(kurtosis)로 DEMON 스펙트럼에서 회전주파수 및 블레이드 통과주파수의 신호가 다른 신호에 비해 얼마만큼 크게 발생하는지를 평가하게 된다. 식 (13)은 첨도에 대한 정의이다.

Y=nn+1n-1n-2n-3i=1nxi-x¯s4-3n-12n-2n-3(13) 

여기서 Y는 DEMON 스펙트럼의 첨도, xi는 DEMON 스펙트럼 각 주파수에서의 크기, s는 각 스펙트럼 레벨에 대한 표준편차, x¯는 각 스펙트럼 레벨에 대한 평균, n은 스펙트럼의 주파수 개수이다.

만약 DEMON 스펙트럼 내에 아무런 피크가 없다면 스펙트럼 레벨의 분포는 완전한 가우시안(gaussian) 분포를 가지게 되며 첨도는 0이 될 것이다.

Fig. 10은 특정함정의 개스터빈모드 운전 시 각 PCL(power control level) 속도에서의 DEMON 스펙트럼이다. Fig. 10에서처럼 캐비테이션 발생 이후에는 스펙트럼 내에서 회전주파수 및 블레이드 통과 주파수에서의 진동 피크의 세기가 점점 커지게 되므로 DEMON 스펙트럼의 첨도 크기로부터 주요 주파수에서의 피크가 얼마나 두드러지는지 평가할 수 있다.


Fig. 10 
DEMON spectrum of acceleration on the hull above propeller when the cavitation is incepted

Fig. 11Fig. 10의 선체가속도 신호에 대한 DEMON 스펙트럼의 속도증가에 따른 첨도 변화를보여주고 있다. Fig. 10에서 첨도는 “N ” knots 이상에서 급격히 커짐을 알 수 있으며 이로부터 캐비테이션은 “N ” knots에서 발생함을 예측할 수 있었다.


Fig. 11 
Variation of the Kurtosis of DEMON spectrum of the acceleration on the hull above propeller for the ship investigated in this research

하지만 Fig. 11에서 캐비테이션이 발달하여 그 강도가 커지면 DEMON 스펙트럼에서 다양한 피크가 발생하게 되고 이로 인해 첨도는 작아지게 되므로 캐비테이션 평가에 있어 첨도의 적용에 대해 보완이 필요하다.

일반적으로 음압레벨이 특정레벨을 초과하게되면 캐비테이션이 완전히 발생했음을 예측할 수 있다. 따라서 캐비테이션 현상이 매우 진전되어 첨도가 작아지더라도 음압레벨 증가로 인한 선체진동 레벨이 어느 수준 이상이 되면 첨도와 관계없이 캐비테이션이 발생하는 것으로 예측하도록 알고리즘을 보완하였다.


4. 선체진동신호를 이용한 캐비테이션 발생속도 모니터링

3장에서 캐비테이션 발생속도는 캐비테이션에 의한 소음발생 영역인 고주파 광대역 주파수 범위에서overall 선체진동 레벨이 특정한 값을 초과하면서 선체진동의 DEMON 분석 결과 DEMON 스펙트럼에서의 SR과 BR이 검출되고 이들 강도를 첨도로 평가하여 특정값을 초과할 때로 정의할 수 있었다.

또한 overall 선체진동 레벨이 캐비테이션이 충분히 발생했을 때의 레벨보다 커지면 DEMON 스펙트럼의 첨도, SR과 BR의 검출여부와 관계없이 캐비테이션이 발생한 것으로 간주하는 것으로 정의하였다. 따라서 이 연구에서는 캐비테이션 발생 속도 평가 순서도를 Fig. 12와 같이 제안하고 3절에서 다루었던 특정 함정에 대해 이 순서도에 따라 캐비테이션 발생 속도를 평가해 보았다. Fig. 13Fig. 12에 따라 평가한 캐비테이션 발생 속도이다. 여기서 DEMON 스펙트럼의 첨도 기준은 8.0, 캐비테이션이 충분히 발생했을 때의 overall 선체진동 레벨 (La_cav)은 85 dB로 설정하였으며 캐비테이션 발생을 평가하기 위한 최소탐지가능 선체진동 레벨(La_min)은 77.7 dB로 설정하였다.


Fig. 12 
Flow chart to defining CIS (La_cav: minimum acceleration level when the cavitation occurs sufficiently, La_min: threshold level of acceleration to evaluate cavitation occurring)


Fig. 13 
CIS estimated from flow chart in Fig. 12 for the ship investigated in this research

Fig. 13으로부터 캐비테이션은 “N ” knots에서 발생한 것으로 판정되었다. 이는 실제 이 함정의 수중방사소음으로 평가한 캐비테이션 발생속도와 유사함을 알 수 있었다.

따라서 이 결과로부터 이 연구에서 제시한 방법을 통한 캐비테이션 발생 속도 평가 방법의 타당성을 검증할 수 있었다.


5. 추진기 프로펠러 소음 추정

실제 유사함정의 수중방사소음과 프로펠러 직상부 선체 가속도 신호를 가지고 식 (1)을 이용하여 산출한 전달함수인 Fig. 1을 이용하여 이 연구에서 기술하고 있는 함정의 프로펠러 방사소음을 Fig. 14와 같이 추정할 수 있었다. 하지만 현재 함정의 실선 프로펠러의 소음레벨의 계측을 수행한 사례가 없으므로 이 값에 대한 정확도를 검증하기는 다소 어려움이 있다. 따라서 추후 이를 검증하는 방법에 대한 연구들이 추가적으로 이루어 져야한다. 현재로선 추정된 프로펠러 소음을 입력으로 함정의 수중방사소음을 예측한 결과와 실선에서 계측한 수중방사소음을 비교하여 선체 가속도 신호를 이용하여 추정한 추진기 프로펠러 소음의 정확도를 근사적으로 평가할 수는 있을 것을 판단되어 향후 수행할 예정이다.


Fig. 14 
Propeller radiated sound pressure level estimated by hull vibration above the propeller


6. 결 론

함정 추진기 프로펠러 캐비테이션이 발생하는지 모니터링을 수행하기 위해서는 정량적인 지수의 개발이 필요하다. 이 연구에서는 이러한 캐비테이션 발생속도를 결정하는 정량적 지수로 다음의 3가지를 제시하였다.

(1) 프로펠러 직상부 선체의 3 kHz ~ 10 kHz overall 가속도 레벨의 크기

(2) 선체부착 가속도 신호의 DEMON 스펙트럼에서 SR/BR 및 이들 조화성분의 피크 발생 여부

(3) 선체부착 가속도 신호의 DEMON 스펙트럼의 첨도 레벨 크기

이들 세 가지 항목에 대해 설정한 요건을 만족할 경우 이를 캐비테이션 발생속도로 정의하는 알고리즘을 개발하여 특정함정에 적용해 본 결과 현행 방법인 수중방사소음으로 정의한 캐비테이션 발생 속도와 유사하게 캐비테이션 발생 속도가 평가됨을 확인 할 수 있었다. 다만 주변소음, 소나체계의 특성(어레이게인, 최소경계레벨), 최소탐지거리에 따라 캐비테이션 발생 속도의 정의가 달라질 수 있으므로 캐비테이션 발생 속도를 정확히 정의하기 위해서는 이러한 변수들에 대한 검토 및 정의가 선행되어야 할 것으로 판단된다.

프로펠러 방사소음의 경우 프로펠러 직상부 선체진동과 프로펠러소음간의 전달함수 계측을 통해 추정할 수 있었으나 여러 형태의 함정에 대한 시험을 통해 전달함수에 대한 추가적인 검증과 분석이 필요할 것으로 판단된다.

추후 여러 함정의 시험을 통해 이 연구에서 제시한 프로펠러 추진기 소음 및 캐비테이션 발생 속도의 정확도를 추가적으로 분석, 검증할 예정이다.


Acknowledgments

이 연구는 방위사업청과 방위산업기술지원센터의 지원(사업명: 선체 부착 센서를 이용한 함정추진기 CIS 모니터링 기술, 계약번호: UC200001D)하에, LIG넥스원 위탁연구(계약번호: LIGNEX1-2020-0937(00))로 진행되었습니다.


References
1. Bruel and Kjær, 2019, Acoustic Signature Management, BAE’s Naval Noise Management Project Sets Sail, https://www.bksv.com/en/News/BAE-systems>.
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Hyungsuk Han received a B.S. in Production and Mechanical Engineering from Pusan National University in 1996. He then went on to receive his M.S. and Ph.D. degrees in Mechanical Engineering from Pusan National University in 1998 and 2007, respectively. Dr. Han is currently a Senior Researcher at Defense Agency for Technology and Quality, Busan, Korea.