고유음향 임피던스가 다른 물질이 층상구조를 이루고 있는 매질내에서 임의의 한 층에 형성된 이차원 초음파 음장이 다른 매질로 전파될 때에의 특성을 각스펙트럼법에 의해 해석하였다. 음원으로서는 baffle된 원형 트랜스듀서를, 층상구조를 매질로서는 물과 생체조직(지방)의 경계를 각각 고려하였다. 해석에 있어서는 먼저 각스펙트럼 분해요소, 즉, 음원의 크기 및 거리에 의존하는 기준음장의 최적 크기와 샘플링 간격을 균질매질을 이용하여 결정한 다음, 그 요소를 층상매질에 적용하였다. 그 결과, 경계면에서의 입사각(공간주파수)의 의존하는 투과계수에 입사음장의 곱으로 나타내어지는 투과음장은 각스펙트럼법에 의해 짧은 시간내에 정도 높게 산출될 수 있음을 보인다.
진동하는 구조물의 음향 방사 예측에는 키르히호프-헬름홀쯔 적분 방정식에 근본을 둔 경계 요소 해석이 널리 사용된다. 이 경계 요소 해석은 익히 알고 있듯이 구조물의 동적 거동이 정량적으로 표현될 수 있는 경우는 매우 높은 정확도의 예측 결과를 제공한다. 그러나 실제 현상에서 접할 수 있는 복잡한 구조물의 음향 방사 예측에는 많은 변수들로 인해 예측의 정확도가 감소됨은 확실하다. 다른 방법으로는 실험을 통한 임의의 음장 예측 방법인 근음장 음향 홀로그래피(nearfield acoustical holography) 방법을 들 수 있다. 이 방법은 실제로 발생되는 음향 방사로부터 마이크로폰을 이용하여 홀로그램면의 음압 또는 속도를 측정하고 키르히호프-헬름홀쯔 적분 방정식에 적용하여 임의의 홀로그램면에 투사(mapping)시켜 음장을 예측하는 방법이다. 근음장 음향 홀로그래피는 탁월한 정확성을 갖고 있으나, 측정의 복잡성과 홀로그램면을 형성하기 위한 많은 이산점(절점)의 필요성 등의 단점을 갖고 있다. 본 논문에서는 또 다른 음장 예측 방법인 실험의 장점과 유한 요소 해석의 장정을 복합시킨 모드 확장 방법(modal expansion method)을 사용하여 단순 구조물인 평판의 진동에 의한 음장을 예측해 보았다. 모드 확장 방법은 구조물의 동적 거동은 모드의 선형 조합으로 표현될 수 있다는 것에 그 원리를 둔다. 본 논문은 단순 평판을 대상으로 유한 요소 해석으로 구한 모드 정보와 실험에 의해 얻은 입의 가진 주파수에 대한 진동 표면의 속도 분포를 조합하여 속도 경계 조건을 구성, 경계 요소 해석으로 음장 예측을 수행하였으며 모드 확장 방법을 사용함에 있어 고려해야할 몇 가지 사항에 대해 다루었다.
기존 의료용 초음파 진단장치에 사용되고 있는 선형 배열 탐촉자를 대상으로, 과도음장의 전파특성을 해석하고, 음장 변화에 민감하게 영향을 미치는 구동 펄스의 형태 및 탐촉자의 요소의 크기(element width), 곡률반경(Radius of curvature), 초점길이(focal length) 등 구조적인 변화에 따른 과도음장 전파 특성의 변화 양상을 시뮬레이션을 통해 체계적으로 해석하였다. 나아가, 매질이 간, 근육, 지방 등의 생체 조직인 경우의 음장 변화 특성을 비교 분석하였다.
불규칙한 기하구조 및 기하학적 특이점들을 갖는 방사체에 의해 형성되는 음장을 예측하는 작업은 매우 어려운 일이다. 이러한 종류의 문제를 해결하기 위하여는 Seybert에 의해 제창된 내, 외부를 연성하여 해석하는 경계요소법에 의한 해석이 유용하다고 여겨지고 있다. 본 연구에서는 연성경계요소법을 재 구성하여 예제로서 얇은 벽면을 갖는 개방된 관에서 방사되는 음장을 선택한 후, 이 방법의 신뢰성, 적용성 및 오차에 대한 해석을 해?ㄴ다. 외부 방사 문제에 있어서의 비유일성문제는 소외 CHIEF 기법을 도입하여 해결하였다. 두 개의 마이크로폰을 사용하여 신호처리를 통한 실험 결과와 본 경계요소법에 의한 결과는 서로 잘 일치하였다. 한편 경계면에 몹시 가까운 지점에서의 음장을 예측할 때의 오차 해석을 수행한 결과, 예측 오차가 10% 이내에서 유지되려면 경계요소법의 가장 짧은 변의 길이가 예측점과 벽면 사이의 거리보다 최소한 10배 이상은 커야함을 알아내었다. 이 기법은 기하학적인 특이점을 포함하는 각종 음향 문제에 매우 유효 적절한 방법으로 생각된다.
The purpose of the present study is to establish structural noise analyzing method for apartments building floor with structural-acoustic coupling analysis modeling. Noise through floor in the room is recognized as a significant problem with the consequence that noise isolation technique has been studied in the various fields of industry. From among noise factors, resonance sound is the main reason for solid noise of the floor, which is occurred by mechanical vibrations of the acoustic boundary line and the change of velocity. To analyse this phenomenon, numerical computation methods are provided in many fields, In this study, evaluation method for slab is established using finite element method, and a case study for analyzing acoustic phenomenon was suggested. The results show that numerical method, especially F.E.M, has a good approximation to predict noise at floors.
수은이 다른 물이 층상구조를 이루고 있는 수중에서의 초음파 음장해석에 각 스펙트럼법을 도입하기 위하여, 그 도입에 따른 유효성과 오차의 정도를 가상의 경계를 고려한 등수은의 수층을 이용하여 분석하였다. 그 결고, 각 스펙트럼법은 단시간내에 비교적 정확한 음장산출이 가능하나 해석시 필요한 기준음장의 공간적 영역의 제한 및 푸리에변환시의 데이터 수의 제한으로 인하여 다소 오차을 발생시킴을 확인하였다. 그 오차를 감소시키기기 위한 한 방안으로 Lommel 근사법과 각 스펙트럼법을 복합하는 새로운 방법을 제안하였는데, 그 방법은 산출된 음장의 오차를 감소시키는데 유효하였다.
본 연구를 통해 평판으로 구성된 구조물의 SEA 해석시 면내파의 영향을 살펴보았다. 개발된 프로그램 "SEANV"를 실제구조물에 적용하여 해석을 수행한 결과 면내파의 영향은 소음원에서 거리가 멀어질수록 더 크게 나타남을 알 수 있었다. 빌딩이나 선박등 대형구조물의 경우 고체음이 전파에 의한 소음의 발생이 지배적이므로 면내파의 무시는 SEA 해석결과에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구는 음장요소와 평판요소만 고려하였으나 대부분이 구조물이 상기 요소로만 SEA modelling이 가능하므로 본 연구에서 개발된 프로그램의 활용분야는 매우 다양할 것으로 예상된다. 것으로 예상된다.
본 연구에서는 차폐구조 내부에 위치한 소음원의 체적이 비교적 큰 근접 음향 차폐구조로 취급하여, 구조 내부의 공간적 음장분포해석(spatial sound distribution analysis)은 하지 않고 단지 소음원의 표면과 차폐 벽면 간의 공기층에 의한 간섭 영향을 고려하면서, 차폐로 인한 음압의 상승(build up)효과를 고려하여, 직육면체의 형상을 가지는 차폐구조에 부착되는 각각의 벽면들의 음향 삽입손실(Insertion Loss, IL) 특성을 전달매트릭스 기법(Transfer Matrix Analysis, TMA)을 이용하여 해석하였으며, 이러한 벽면들에 대한 이론 해석의 결과로 제작된 벽면들의 음향차폐특성을 시험을 통해 나타내었다.
현재 복부용 초음파 진단장치에 가장 일반적으로 사용 되고 있는 3.5MHz의 굴곡형 선형배열(curved linear array) 탐촉자에 대하여, 탐촉자 요소의 폭과 높이, 측 방향 및 높이 방향의 곡률 반경 둥의 구조적인 파라메터 변화가 음장에 미치는 영향을 시물레이션을 통하여 체계적으로 해석하였다. 시물레이션에 있어서, 탐촉자는 128개의 요소변환자 중 32개에 의해 초음파 빔을 형성하며, 매질 중에 방사된 파형은 코사인 포락선을 갖는 3주기의 펄스인 것으로 일정하게 가정하였다. 시뮬레이션의 결과, 탐촉자의 측 방향 및 높이 방향 곡률보다는 탐촉자 요소의 폭 및 개구높이가 음장에 더 많은 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.
BAZOOKA SPEAKER에 대한 음향특성연구와 중저음 특성강화를 위한 설계인자 변경해석을 위하여 유한요소법과 경계요소법을 사용한 수치해석을 수행하였고, 그 해석결과의 검증과 흡음물성치 산출을 위하여 음향측정실험, 구조물의 동특성실험등을 실시하였다. 연구결과, 내부공간의 음향모드특성, 외부음장에서의 주파수응답특성, 방사패턴, 그리고 음압의 공간 분포특성과 구조물의 동특성을 명확히 규명하였고, 각 음향설계인자 변경에 따른 음향특성을 예측하여 중저음특성강화를 위한 방안을 수립하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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