수중반사파 환경에서의 근접음장 홀로그래피 적용에 대한 오차 고찰

Error Investigation in use of Near-field Acoustic Holography in the Underwater Environment of Reflected Wave

Abstract

Nowadays, it is required for naval ships to estimate 3D underwater radiated noise pattern in all direction at peak frequencies of hull vibration for the reduction of being detected and doing the effective operation. For this purpose, the numerical method has to be developed to calculate 3D underwater radiated noise pattern with experimental data. It is very difficult to obtain the experimental data for the real ship. Alternative to get the experimental results is to use NAH(near-field acoustic holography) in acoustic tank with experimental model. Application of NAH in acoustic tank for the experimental model needs some investigation of reflection wave from the wall of the acoustic tank and unmeasured zone of the experimental model due to the supporting structure for it. In this study, the effect of reflection wave in the acoustic tank and unmeasured area of the experimental model when using the NAH was investigated with experiment and numerical model. From these, it is known for the error due to reflection wave can be reduced when the distance between the measurement plane and source is being shorten. Also, unmeasured area of the experimental model gives rise to some error in the estimation of the far-field acoustic pressure.

1. 서 론

현재까지 함정 수중방사소음과 관련된 해석 및 측정 등은 대부분이 주파수 대역은 1/3옥타브 밴드 또는 1/1 옥타브 밴드를 이용하고, 방사소음은 모든 방향으로 음압이 동일하다는 가정하에 방사효율을 이용한 광대역 수중방사소음으로 표현하는 방법을 적용하여 왔다(1,2).

현대 해양환경에서는 음향탐지체계의 비약적인 발전으로 인해 자함의 탐지확률 증대가 예상되고 있다. 따라서 자함 피탐확률 감소 및 효율적인 작전 임무 수행을 위하여 협대역에서 각 방향별 음압을 사전에 예측하고 이를 이용한 자함의 피탐지 성능을 검토할 필요성이 점점 증대되고 있다.

이를 위하여 저자들은 DHIE(discrete Helmholtz integral equation) 기법(3~6)을 적용한 3차원 수중방사소음 패턴 산출기법 개발을 수행하고 있다. 3차원 수중방사소음 패턴 산출기법의 적용가능성 및 타당성을 확인하기 위하여 3차원 수중방사소음 패턴에 대한 실험자료들의 확보가 필요하게 되었다.

그러나 실제 수중환경에서 3차원 공간의 수중방사소음 패턴을 측정하는 것은 어렵다. 따라서 축소 모델과 음향수조(acoustic tank)를 이용한 3차원 수중방사소음 측정을 수행하고 측정결과들을 이용하는 것이 기술개발 등에서는 유용한 방법이 된다. 이때 3차원 수중방사소음 패턴 산출을 위해서 효과적으로 적용할 수 있는 측정법이 근접음장 홀로그래피(NAH, near-field acoustic holography)(7,8)이다. NAH기법은 대상체 표면에 근접한 지점에서의 음압을 계측하고 공간 푸리에 변환(spatial Fourier transform)을 거쳐 감쇄파(evanescent wave)와 전달파(propagation wave)의 특성을 고려하여 원음장 혹은 측정 대상체의 표면음압을 해석하는 기법이다.

이 논문은 음향수조(acoustic tank)내에서 근접음장 홀로그래피를 이용한 수중 근접음장 측정 시 고려해야 할 음향수조내 반사파 영향 수중 근접음장 측정 결과를 이용한 3차원 수중방사소음 패턴산출에서 고려해야 할 계측구역에 따른 영향을 분석하였다.

 

2. 수조 내 음원으로부터 거리에 따른 반사파 영향분석

2.1 수조내 거리에 따른 반사파 영향분석

근접음장 홀로그래피를 이용한 수중 근접음장 계측 시 수중몰수체 원주방향으로 설치된 하이드로폰 어레이가 이동을 하면서 수중몰수체 외부의 가까운 지점에서 음장을 계측을 하는데, 이때 수조 내부 벽면에 의한 반사파도 같이 계측될 수 있다. 따라서 수조 내부에 존재하는 반사파에 의한 영향을 검토해야 한다.

따라서 수조 내부의 근접음장 계측 시 반사파 영향을 검토하기 위한 실험을 수행하고 이에 대한 영향을 분석하였다. 먼저 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 음향수조 내부 자체의 반사파 영향을 살펴보기 위하여 음향수조 내부에 수중몰수체를 설치하지 않고, 수중 음원(sound source)과 하이드로폰(hydrophone)을 Fig. 1과 같이 일정거리 이격시킨 뒤 음원을 700~2500 Hz에서 50 Hz간격으로 작동시켜 하이드로폰에서 음압을 계측하였다. 이때 이격거리는 각 0.5 m, 1.0 m이다. 사용된 음원은 ITC社 1007이다. 이 논문에서 적용한 근접음장 홀로그래피 S/W 사용자 매뉴얼(8)에서 추천하고 있는 1/3 파장거리를 적용하여 0.5 m는 근접음장 거리로 고려하였으며, 일반적으로 음원수준을 나타내는 거리인 1 m도 이격거리로 이용하였다.

Fig. 1Locations of the hydrophone and sound source used for identifying the effects of the reflection

수중 음원과 하이드로폰간의 거리에 따른 음압 측정결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 굵은 실선(ping)은 수중음원에서 발생된 음(ping)을 1회만 발생시켰을 때 하이드로폰에 계측될 것으로 예상되는 음압수준을 나타낸다. 수중음원에서 발생되는 음압 크기는 수중음원에 공급되는 전압을 조정하였다. 실선과 점선은 수중음원이 사인파로 연속작동되는 상황에서 수중음원과 하이드로폰의 이격거리가 각각 0.5 m와 1.0 m에 위치한 하이드로폰에서 계측한 음압수준이다. 수중음원과 하이드로폰 거리가 최단거리이며, 반사파는 수조벽면까진 진행된 후 반사되기 때문에 거리감쇠가 있을 것으로 판단하였다. 수중음원과 하이드로폰 거리가 짧을수록 수중음원 영향이 상대적으로 커져서 반사파 영향이 줄어들 것으로 예상하였다. 이러한 결과는 Fig. 2에 나타난 그래프처럼 수중 음원과 하이드로폰 거리가 0.5 m 보다 1.0 m인 경우에 수중 음원과 차이가 많이 발생하였다. 이러한 차이는 음향수조 내부의 반사파 영향일 것으로 판단된다.

Fig. 2Comparison of the source level with the sound pressure levels measured at 0.5 m and 1.0 m from the source, respectively

따라서 수중 근접음장 계측 시 수중몰수체로부터 하이드로폰까지 거리를 0.5 m 이내로 하면 내부 반사파의 영향이 작게 포함된 음압 측정을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있다. 근접음장 홀로그래피를 이용한 수중 근접음장 측정 시 수중 근접음장 측정용 하이드로폰이 수중몰수체 외부로부터 0.5 m 이격된 위치에 설치되도록 하였다.

2.2 수중몰수체 표면에 의한 반사파 영향분석

다음으로는 음향수조 내부에 수중몰수체를 설치한 상태에서 수중몰수체 표면에서 발생하는 반사파 영향을 살펴보았다. 수중몰수체가 수조 내부에 설치되기 때문에 수중몰수체 표면에서 발생된 음파가 수조 내부 벽면에 의해 반사되어 다시 수중몰수체 표면에서 반사될 수 있다. 따라서 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 음향수조 내부에 직경 1.35 m인 수중몰수체를 설치한 후, 수중 음원(sound source)을 수중몰수체 반경방향으로 수중몰수체 표면으로부터 0.12 m, 수평 기준으로 10° 기울어진 하부위치에 설치하였고, 하이드로폰 어레이를 설치하였다. 하이드로폰 어레이는 Fig. 4와 같이 16개 하이드로폰이 원주방향 10° 간격으로 설치되어 있다.

Fig. 3The experiment set-up for the reflection wave effect at the structure surface

Fig. 4The picture of test underwater structure and hydrophone array

자유 음장이라 가정하고 음원수준이 130 dB인 수중 음원을 연속작동한 상태에서 수중 근접음장 계측면에 설치된 하이드로폰 16개 중 수중음원과 반경 방향이 같은 하이드로폰 계측 데이터를 이용하여 음압을 계측하고 아래의 식을 이용한 이론값과 비교하여 Table 1에 수록하였다.

Table 1The comparison of the reflection wave review

식 (1)에서 r은 수중음원과 반경방향에 있는 하이드로폰까지 거리이며, r = 0.38 m이다.

Table 1에 나타난 바와 같이 450 Hz와 850 Hz에서는 이론값과 계측값의 차이가 최대 1.4 dB로 나타났고, 1250 Hz와 2450 Hz에서 각각 3.6 dB, 3.4 dB가 발생하였다. 수중음원으로부터 직접 전파되는 음파와 수중몰수체 표면에서 반사된 음파의 위상차이에 따라 최대 6 dB 오차가 발생될 수 있다. 주파수가 높을수록 파장은 짧아진다. 그리고 수중몰수체 외경(1.35 m)을 파장이라고 간주하면 약 1100 Hz 수준이다. 파장이 수중몰수체 외경보다 큰 경우, 음파는 수중몰수체 반대편으로 잘 전달되어 반사가 적을 것이며, 파장이 수중몰수체 외경보다 짧은 경우, 수중몰수체 표면에 반사되어 하이드로폰에 계측되었을 것으로 판단된다. 따라서 주파수가 낮을수록 수중몰수체 표면에서의 반사파 영향이 작게 나타나고 있다고 판단하였다.

따라서 주파수가 높아질수록 수중몰수체 표면에 의한 반사파 영향이 존재할 가능성도 있어 수중몰수체 표면에 의한 반사파 영향을 상세 검토할 필요가 있다. 만일 수중몰수체 표면에 의한 반사파 영향이 크다면 근접음장 홀로그래피를 이용한 수중 음원위치 재 산정 시 실제 위치와는 다른 위치에 나타나는 영향이 있게 된다.

따라서 Fig. 3의 실험조건에서 하이드로폰 1개만 이용하는 대신 근접음장 홀로그래피 방법을 이용하여 수중 근접음장 측정을 실시하였다. 수중 근접음장 계측 시 16개 하이드로폰이 수중몰수체 축방향으로 0.2 m 간격으로 이동계측을 하였다. 각 계측위치마다 위상차이를 고려해주기 위하여 수중몰수체 내부에 설치된 기준 가속도센서의 위상에 따라 계측 데이터를 획득하였다. 계측된 근접음장 데이터들을 이용하여 dBvision 5.51 S/W의 BPF(back propagation function)(8)을 이용하여 수중몰수체 표면 위에 있는 수중음원에서의 음장을 재산출하였다. BPF 해석 시 감쇠파를 증폭하는데, 계측 데이터에 존재하는 잡음 또한 같이 증폭된다. 따라서 잡음증폭에 의한 오차를 최소화하기 위하여 Wiener filter를 사용하였다.

Fig. 5에서 상단 그림은 수중 근접음장 계측면에서의 음압측정결과이며, 하단 그림은 dBvision 5.51 S/W의 BPF를 이용하여 수중몰수체 표면 위에 있는 수중음원 반경위치에서의 음장을 산출한 결과이다. 이때 Fig. 5 하단 그림에서 흰색 네모박스가 수중음원의 위치를 나타낸다. 이들 결과들로부터 수중 음원이 있는 위치에서 가장 강한 음압이 있는 것으로 산출되었다.

Fig. 5The measurement and back propagation results of the acoustic pressure at the structure’s surface

따라서 수조내부에서 거리별 반사파 영향과 근접 음장 홀로그래피를 수중 근접음장 측정 시 수중몰수체와 수중 근접음장 측정을 위한 하이드로폰 어레이 간의 간격이 0.5 m인 경우가 근접음장 계측 시 음향 수조 벽면 반사파와 수중몰수체 표면 반사파 영향을 최소화하는데 적절하다고 판단된다.

 

3. 3차원 수중방사소음 패턴 산출 시 계측면적의 영향분석

앞에서 언급한 바와 같이 수중몰수체에 대한 3차원 수중방사소음 패턴을 실험적으로 산출하기 위하여 음향수조 내에서 근접음장 홀로그래피를 이용하여 수중 근접음장을 측정하고, 이들로부터 3차원 수중방사소음 패턴을 산출하게 된다.

그런데 Fig. 6에 나타난 바와 같이 근접음장 홀로그래피를 이용한 수중 근접음장 측정 시 수중몰수체를 지지하는 와이어로 인하여 수중몰수체 원주방향 모두에 대하여 수중 근접음장을 측정할 수 없고 수중몰수체 원주방향중 30~180°까지 측정할 수 있다. 180°~330°영역을 계측하기 위하여 하이드로폰 어레이를 회전시켜도 수중몰수체 원주방향으로 330°~30°에 해당하는 영역의 근접음장 계측데이터를 획득할 수 없다.

Fig. 6The hologram plane of the near-field acoustic pressure of underwater structure

따라서 근접음장 계측결과를 이용한 3차원 수중방사소음 패턴 산출 시 수중몰수체의 원주방향 모두에 대한 계측자료가 없는 상태에서 발생하는 오차를 살펴보아야 한다. 이를 위하여 Fig. 7과 같은 수치모델을 이용하여 근접음장 계측 정보 부족에 따른 원음장 산출 오차를 검토하였다.

Fig. 7The numerical model for the BEM analysis

근접음장 계측데이터 유무에 따른 원음장 해석 오차를 분석하기 위하여 FEM 수치해석 시 Acoustic Mesh를 수중몰수체 외부 공간에 형성시켜서 접수진동을 해석하였다. 해석된 표면진동장 데이터를 BEM 해석의 입력자료로 이용하기 위하여 수중 근접음장 계측지점과 동일한 위치에 음장 산출을 위한 Field point(900지점)를 지정하고 음장 해석을 하였다.

수중 근접음장 계측지점과 동일한 위치에서 산출한 음압을 다시 BEM 해석의 입력자료로 입력하여 Fig. 8에 나타낸 원음장 포인트 음압을 산출하였다. 이때 BEM의 direct method를 적용하기 위해서는 음압해석면이 닫힌 공간(closed surface)이 되어야 한다. 따라서, 수중몰수체 중심축에 2개 가상노드를 설정하고 가상노드와 주변 노드를 연결하여 가상 요소를 만들어 수중몰수체를 둘러싼 닫힌 공간을 형성하였다. 2개 가상노드의 음압경계조건은 0 Pa이고 나머지 900개 지점은 FEM/BEM 연성해석 결과를 입력하였다.

Fig. 8Far-field patches for estimation of underwater radiated noise

원음장 포인트가 존재하는 지역은 수중몰수체 중심점으로부터 반경 100 m인 구표면으로 원음장 포인트는 총 2522개이다. 원음장 패치 위치는 Fig. 8 처럼 고각 ±90°(Z축방향)인 지점에 1, 62번이 존재하며, 30° 간격으로 원음장 패치가 일정구역을 대표할 수 있도록 설정하였다. 이때 원음장 패치 음압은 원음장 패치내에 존재하는 원음장 포인트의 음압을 파워평균하여 나타냈다. 실제 수중근접음장 측정 시 계측데이터가 없는 구역의 법선방향에 있는 원음장 패치는 1~13번에 해당된다.

Fig. 9에서 표면진동장을 이용하여 원음장 패치의 음압을 해석한 경우를 plot 1, 원주방향 전체 데이터를 모두 입력자료로 하여 원음장 패치 음압을 해석한 경우를 plot 2로 하였으며 330°~30°에 해당하는 지역의 압력경계조건이 0 Pa로 입력하여 원음장 패치 음압을 해석한 결과가 plot 3로 하였다.

Fig. 9Estimated acoustic pressures for the BEM model

Fig. 9을 보면, 1250 Hz를 제외한 모든 주파수 해석결과에서 plot 1과 plot 2의 원음장 패치 음압 해석결과가 거의 비슷한 수준이므로 계측면 위치에서의 음압해석결과를 입력데이터로 사용한 원음장 해석은 타당한 것으로 판단된다.

근접음장 계측데이터 유무에 따른 원음장 산출결과의 차이를 나타내는 plot 2와 plot 3 해석결과를 비교해보면 200, 300, 550, 850 Hz 해석결과중 원음장 패치 1~13에서 평균 4.4 dB 내외 수준으로 차이가 발생된 것으로 나타났다. 그외 주파수 및 원음장 패치에서는 plot 2와 plot 3의 원음장 해석결과가 유사한 것으로 판단된다.

Fig. 10은 Fig. 9의 plot 2와 plot 3의 전체 원음장 패치별 차이값에 대한 평균과 원음장 패치 1~13에 대한 차이값의 평균을 나타낸 그래프이다. Fig. 10으로부터 1~13번 원음장 패치에서 발생된 오차가 전체 원음장 패치의 오차보다 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.

Fig. 10The difference average between the whole far field patch and 1~13th far field patch

이로부터 특정 가진 영역 및 주파수에서 근접음장 데이터가 없을 경우, 계측 데이터가 존재하지 않는 구역의 법선방향에 존재하는 원음장 패치에서 큰 오차가 발생할 수 있는 가능성을 확인하였다.

 

4. 결 론

3차원 수중방사소음 패턴 산출을 위하여 근접음장 홀로그래피를 이용한 음향수조 내에서 수중 근접음장을 측정하고 이를 이용한 3차원 수중방사소음 패턴 산출 시 발생할 수 있는 오차인 수조내부와 수중몰수체 표면에서의 반사파영향을 살펴본 결과 수중몰수체와 일정간격 이내에서 근접음장 측정을 수행하면 반사파 영향이 작음을 알 수 있었다.

또한 3차원 수중방사소음 패턴 산출 시 수중몰수체 원주방향으로 측정자료가 없는 일정 구역이 존재하는 경우, 계측 데이터가 없는 구역의 법선방향 지역에 대한 원음장 예측 시 일부 오차가 발생할 가능성이 존재함도 알 수 있었다.