A Study on the Acoustic Baffle to Reduce Ghost Target According to Structure behind Cylindrical Array Sensor

원통형 배열센서 후면 구조물에 의해 발생하는 허위 표적 감소를 위한 음향 배플 연구

Abstract

Acoustic signal is emitted from a vessel and received by a cylindrical array sensor at some distance from the vessel. Acoustic signal is the source for a cylindrical array sensor which is designed to detect the acoustic signal. Cylindrical array sensors seldom have an ideal hydrodynamic shape and are not sufficiently robust to survive without some protection and they are normally housed in a sonar dome. Reflected signals by some structure inside a sonar dome make unwanted signals. Therefore, an acoustic baffle is used to minimize unwanted signals. The performance of the acoustic baffles can be determined from the acoustic numerical analysis at the design stage. In this study, finite element method was used to analyze the acoustic field around the cylindrical array sensor and baffle effects. The baffle performance can be defined the echo reduction. To show the baffle performance, the specimens were made for pulse tube test and echo reductions were measured during the test. In this paper, the effect of echo reduction of the acoustic baffle was discussed.

1. 서 론

현대 수중 무기체계에 있어 상대 음향신호를 탐지하기 위해 사용되는 원통형 배열센서는 상대방으로부터 전달되어오는 음파를 수신, 분석하여 상대방에 대한 정보를 획득하는 중요한 수단 중의 하나이다. 이 원통형 배열센서는 수많은 하이드로폰으로 구성되며 외부 유체 유동 및 함 운항에 의한 다양한 환경조건으로부터 보호하기 위하여 함정의 소나돔 내부에 설치된다. 소나돔 내부는 원통형 배열센서 및 기타 함정에 필요한 다양한 구조물이 있으며 이에 따라 외부에서 입사된 음향신호는 1차로 원통형 배열센서가 수신하여 표적신호가 되고 2차로 소나돔 내부 구조물의 일부분인 센서 후면 격벽에 의해 반사 및 산란되어 허위표적 신호가 된다. 따라서 함정 및 소나의 설계 초기 단계에서 이러한 문제점을 식별하고 해결방안을 찾는 것은 대단히 중요한 일이다.

일반적으로 센서 후면 격벽에 의해서 반사 및 산란되어 발생되는 허위표적을 감소시키기 위해서 음향 배플이 사용된다. 이 음향 배플은 반사계수 즉, 반향음 감소량(echo reduction)이 주요한 성능으로 결정되어야하는 요소이다. 반향음 감소량은 재료의 특성 및 두께에 따라 결정되며 이를 위해서 외부 입사파에 의한 소나돔 내부, 즉 원통형 배열센서 주위의 음장 해석을 수행하여 결정할 수 있다.

일반적으로 저주파수 대역의 음향장 해석에 사용되는 방법으로 FEM과 BEM이 있고 고주파수 대역에서는 통계적 에너지 해석법과 파워흐름 해석법 그리고 기하 음향학을 이용하는 방법이 있다. FEM의 경우, 주파수가 증가할수록 해석하고자 하는 음향장 영역을 더 작은 요소로 모델링을 해야 하기 때문에 더 많은 요소를 생성하게 되고 이에 따라 해석시간이 증가하는 문제점이 발생한다. 통계적 에너지 해석법의 경우, 단일 관심 음장 영역에 대하여 하나의 대푯값만을 나타냄으로써 해당 공간에서의 음장 특성 변화를 정밀하게 파악하기 어려운 단점이 있을 뿐만 아니라, 평가 대상 물리량이 에너지이기 때문에 위상정보를 파악하기 어렵다. 또한, 파워흐름 해석법은 공간에서의 에너지 변화를 제시할 수 있으나, 통계적 에너지 해석 기법과 동일하게 위상에 대한 정보를 파악하기 어려운 단점이 있다.

한편, 이 연구에서 다루고 있는 소나 소나시스템의 음향 성능과 관련하여 기 수행된 연구 사례로는 Seo(1,2)가 일반적으로 다층으로 이루어진 수중음향재료의 표면 음향 임피던스(surface acoustic impedance)와 음향성능의 관계에 대해 연구하였으며, 압력에 따른 반향음 감소량 변화특성에 대한 해석기법을 연구하고 시편 제작을 통해 기법을 검증한 바 있다. 또한, Kwon(3)은 빔 추적 기법을 이용하여 수동 소나 센서의 수신 음압 해석 프로그램을 개발하였다.

최근 전산기 성능의 비약적인 발전으로 인해 FEM을 이용하여 사용자가 원하는 정도의 정밀도를 갖는 내부 음장 해석을 수행할 수 있게 되었다. FEM을 사용하여 내부 음장을 해석할 경우 내부 공간에 대한 상세한 음장해석 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다. 이에, 이 논문에서는 FEM 해석 툴인 COMSOL 4.3(4)을 이용하여 외부에서 음사되는 음파가 원통형 센서 후면 구조물에 반사되어 발생하는 허위표적을 감소시키기 위하여 설치되는 음향 배플의 특성에 대해 연구하였다. 그리고 제시된 음향 배플 특성을 만족하기 위한 시편을 제작, 시험하고 그 결과에 대해 설명하였다.

 

2. 본 론

2.1 해석조건

Fig. 1은 원통형 배열센서가 설치되는 공간을 간략하게 2차원으로 나타내었다. 원통형 배열센서 후면으로 함정에 필요한 구조물이 존재하며 이 구조물에 의해서 허위 표적이 발생하게 된다. 배열센서 내부와 외부는 물로 차 있으며 구조물은 격벽과 음향 배플을 간략화 해 나타내었다. 그리고 소나돔은 해석 결과에 영향을 주지 않을 것으로 판단하여 제외하였다.

Fig. 1Scheme of cylindrical array sensor

외부 음파의 입사각에 따라 구조물에 의해서 발생하는 허위 표적 발생 여부를 알아보기 위하여 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 평면파가 4개의 입사각에 따라 배열센서로 입사하는 경우에 대해서 수치해석을 수행하였다. 이때, 해석 대상 주파수는 이 논문의 내용에서 생략하였다.

Fig. 2Analysis cases according to incident angle

해석에 필요한 경계조건은 Fig. 3과 같이 설정하였는데, Fig. 3(a)의 음향영역의 경계면은 반사파가 없도록 경계조건을 부여하였으며, 음향 배플이 설치되는 격벽에 대해서는 Table 1에서 나타낸 바와 같이 완전 반사조건 그리고 음향 배플의 반향음 감소량에 따라 네 가지 조건으로 반사계수를 먼저 계산하고(5) 식 (1)에 따라 배플의 포함하는 격벽의 음향 임피던스(r2)를 계산한 후 음향 임피던스를 경계조건으로 부여하였다.

Fig. 3Boundary condition for acoustic analysis

Table 1Analysis case with echo reduction of acoustic baffle

여기서 r1은 물의 음향 임피던스 그리고 r2는 배플을 포함한 구조물의 음향 임피던스이다.

Fig. 4에는 Table 1에서 제시한 case 1, 즉 벽면이 완전 반사할 경우의 외부 음파 입사각에 따른 원통형 배열센서 주위 음장해석 결과를 나타내었는데, 입사각 60˚에서 강한 허위표적(허상)이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4Acoustic field according to incident angle

2.2 배플 설치시 입사각별 음장 분포

2.1절에서 보인 바 있는 허위표적을 줄이기 위하여 일반적으로 음향 배플이 사용되는데, 이 음향 배플의 성능은 반향음 감소량으로 정의할 수 있다. 반향음 감소량은 입사된 음압 크기와 반사된 음압 크기의 비로써 나타낼 수 있으며 식 (2)에 따라 정의한다.

반향음 감소량의 크기 변화에 따른 음향 배플의 적정 설계 성능을 확인하기 위하여 반향음 감소량의 크기가 0, 6, 10 및 12 dB에 해당되는 총 4가지 경우에 대한 수치해석을 수행하였으며, 해석 시 사용된 구조물의 음향 임피던스는 음향 배플을 포함한 구조물의 반향음 감소량에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 부여하였다.

Fig. 5는 음향 배플의 반향음 감소량에 따른 음장해석 결과이다. 음향 배플의 반향음 감소량이 증가함에 따라 허위 표적의 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이때의 원통형 배열센서의 음압분포를 Fig. 6에 표시하였다. 음파의 입사각인 60˚ 주위로 음압이 크게 나타나며 음향 배플이 없는 경우인 case 1의 경우 격벽에 의해서 반사가 발생하여 −100˚~−130˚에서 음압이 크게 발생하고 허위 표적으로 나타나게 된다. 그러나 배플이 설치되면 반향음 감소량에 따라 허위표적의 강도가 작아지게 된다. 반향음 감소량이 10 dB 이상이 되면 표적과 허위표적의 음압차가 10 dB 이상이므로 허위표적을 쉽게 구별할 수 있다. 따라서 음향 배플의 반향음 감소량 설계 기준을 10 dB로 설정하고 음향 배플을 설계하였다.

Fig. 5Acoustic field according to acoustic baffle performance

Fig. 6Acoustic pressure cylindrical array sensor

2.3 음향 배플 성능 측정

2.2절에서 언급한 수치해석 결과에 따라 반향음 감소량이 10 dB 이상의 경우 허위표적이 발생할 가능성을 크게 줄일 수 있음을 확인하였기 때문에, 상기 값이 음향 배플이 가져야할 최소한의 반향음 감소량이라고 설정하고 음향 배플을 설계하고 시편을 제작하여 주파수에 따른 반향음 감소량을 측정하였다. 반향음 감소량 측정은 펄스튜브를 이용하였다.

Fig. 7에 나타낸 튜브 내부의 직경이 70 mm이며 측정가능한 주파수는 약 12 kHz 이하이다.

Fig. 7Underwater acoustic performance measurement system(pulse tube)

반향음 감소량은 소스에서 발생된 음파가 펄스튜브 내에서 평면파로 진행한다고 가정하면 입사파와 음파가 시편에 의해서 반사되는 반사파를 각각 시간 영역에서 측정한 후 푸리에 변환(fourier transform)하여 그 크기의 비를 이용하여 계산하였다.

Fig. 8에는 펄스튜브의 내경에 맞도록 제작된 시편을 나타내었는데, 해당 시편은 시편들 간의 편차를 확인하기 위하여 총 3개를 제작하였다.

Fig. 8Specimens for pulse tube test

Fig. 9에는 온도 10 ℃, 압력은 10bar 조건에서 펄스튜브를 이용하여 측정한 반향음 감소량을 나타내었다. f1 kHz 이상의 대역에서 10 dB 이상의 반향음 감소량을 가지며 시편들 간의 편차도 매우 작음을 확인할 수 있다.

Fig. 9Echo reduction of specimen

 

3. 결 론

이 논문에서는 FEM을 이용하여 외부에서 입사되는 음파가 원통형 센서 후면 구조물에 반사되어 발생하는 허위표적을 감소시키기 위하여 설치되는 음향 배플의 특성에 대해 연구하였다. 또한, 제시된 음향 배플 특성을 만족하기 위한 시편을 제작, 시험하고 그 결과에 대해 고찰을 수행하였다.

FEM 해석결과 입사각에 따라 원통형 센서 후면 구조물에 따른 허위표적이 발생하였으며 음향 배플의 반향음 감소량에 따라 허위표적의 크기를 비교하였다. 상기 해석 결과에 따라, 음향 배플의 반향음 감소량이 10 dB 이상일 경우, 표적과 허위표적을 명확히 구분할 수 있었기 때문에 음향 배플의 반향음 감소량을 10 dB로 목표치로 설정하고 시편을 설계 및 제작하여 반향음 감소량을 측정하였다.

반향음 감소량은 펄스 튜브를 이용하여 측정하였으며 펄스튜브 내부의 물의 온도는 10℃, 압력은 10 bar로 설정하였다. 측정결과 반향음 감소량은 10 dB 이상이며 3개의 시편 모두에서 유사한 경향을 보였다. 따라서 이 음향 배플을 이용하면 실제 함정에서 발생할 수 있는 허위표적을 최대한 제거할 수 있을 것으로 판단된다.