본 연구에서는 연소불안정 현상을 제어하는 수동적 기구의 하나인 음향공을 적용하여, 음향공의 설계 변수(오리피스 길이와 지름)와 가진 음압에 따른 감쇠 효과를 선형음향해석과 상온 음향시험을 통하여 연구하였다. 오리피스의 길이가 짧고, 지름이 클수록 감쇠효과가 증가하는 것을 확인하였으며 실험과 선형 음향 해석 결과가 서로 동일한 경향을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 가진 음압의 크기가 110 dB 이상에서 감쇠 능력이 비선형적으로 감소하는 것을 확인하였으며, 음향공 오리피스의 단면적이 증가할수록 감소량이 감소하는 것으로부터 비선형 구간에서는 오리피스 단면적을 증가시키는 것이 유리함을 확인하였다.
액체로켓엔진에서 고주파 연소불안정의 제어를 위해 연소 안정화 장치인 음향공을 적용하여, 제한된 공간에서 유동장의 특성과 설계인자에 따른 감쇠효과를 연구하였다. 연소 불안정을 모사하기 위하여 제한된 공간에 압력 진동 장치를 이용하여 공진을 발생시켜, 음향공의 장착에 따른 감쇠 효과를 측정하였다. 유동장의 특성중 하나인 유속을 변화시키기 위하여 유량을 변화시켰으며, 설계인자로는 음향공 오리피스의 직경과 길이를 변화시켜 연구를 수행하였다. 유동장 하에서의 음향공 장착에 따른 감쇠효과를 확인 하였으며, 오리피스 길이와 직경이 작을 경우 유속 증가에 따라서 음향공의 튜닝이 오른쪽(고주파수)으로 이동하는 현상을 확인하였다.
본 논문에서는 공기를 통과시켜 풍압을 저감하면서 소음을 제어할 수 있는 새로운 개념의 방음벽의 음향감쇠 특성을 분석하였다. 통기형 방음벽의 소음저감 특성을 조사하기 위하여 우선 개구부의 크기 및 공명기의 체적 등을 변화시켜 총 17가지 방음벽 모델의 음향감쇠계수를 측정하였다. 실험결과 공명기의 체적과 개구부의 면적에 따라 음향감쇠계수 값이 달라지고 있으며, 목표 주파수대역(400 ~ 1250 Hz)에서 단일 방음벽보다 이중 방음벽의 음향감쇠계수가 더 높게 나타났다. 이를 통해 개구부 및 공명기의 물리적 특성이 통기형 방음벽의 차음특성에 영향을 미친다는 점을 밝혀냈다.
본 논문에서는 6 자유도 공간음향 렌더링 기술 관련 음향객체의 거리감 인지에 중요한 공기흡음 감쇠 효과 처리에 있어, 현장의 음원과 음향 센서 사이의 거리인 녹음거리에 해당하는 공기흡음 감쇠가 기본적으로 포함되어 3kHz 이상의 고주파 성분이 감쇠된 음원이 렌더링에 사용되는 문제점을 해결하는 방법을 제시한다. 이 방법에 의하면 6 자유도 공간음향 콘텐츠에 메타데이터로서 녹음거리 파라메터를 포함시키고, 렌더링할 때 공기흡음을 적용하기 위한 음원과 청취자의 거리값에 녹음거리에 대한 보상을 적용함으로써, 음원의 공기흡음 감쇠 효과를 정확하게 수정 적용하여 음원의 음색을 모든 거리에서 실제에 가깝도록 제공할 수 있게 된다. 특히, 원거리 녹음이 불가피한 비행기, 천둥, 폭발음 등 원거리 녹음음원의 음색에 녹음거리에 의한 음원의 공기흡음 감쇠가 적지 않은 영향을 미치게 되는데, 녹음거리의 적용에 의한 제안한 방법에 의해 음원과 청취자의 거리값에 대한 음원의 음색이 고주파영역의 녹음거리에 의한 원치 않는 감쇠를 보상하는 효과를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 열/음향 불안정성 환경 모사를 위하여 수평형의 Rijke tube를 설계/제작하였고, 이를 이용하여 구현하고자 하는 주파수대의 열구배를 갖는 공진현상이 발생됨을 확인하였다. Rijke tube를 이용해 열 음향 불안정 환경을 조성한 후, 음향공을 장착하여 얻어진 감쇠특성을 상온실험 자료와 비교/분석하여 열 음향 불안정 환경에서의 음향공 감쇠특성을 확인하였다. 열/유동 환경하에서의 감쇠 시간이 상온 환경에 비해 약 40% 증가함을 확인하였으며, 이로부터 음향공 설계시 열/유동 환경이 고려되어야 함을 확인하였다.
본 논문에서는 경로감쇠에 기반한 실내 음향측위 시스템에 활용할 수 있는 실내 음향신호의 경로 감쇠 특성을 분석한다. 실내 음향시스템은 주로 25 평방미터 이내의 협소한 공간에서 적용되기 때문에 기존에 정의된 넓은 공간에서의 모형만으로는 경로감쇠에 기반한 실내음향측위 시스템을 설계할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 자유음장 모형과 더불어 실내공간의 온도와 습도, 그리고 대기의 주요구성성분의 홉음영향을 고려한 실내 음향신호 경로 감쇠 모형을 보이고, 무향실에서 실제 실험을 통해 모형의 적절성을 평가한다. 실험을 위해서 1kHz-20kHz의 단일 주파수를 갖는 감쇠정현파를 사용한다. 그리고 실험 음원으로 두개 이상의 단일 주파수를 갖는 감쇠정현파를 함게 사용할 대의 경로감쇠를 보이고, 이를 분석한다.
향후 고성능 연소기에는 기체-액체 조합의 추진제를 분사하는 분사기가 채택될 수 있는데, 이에 대비하여 기체-액체형 분사기의 음향감쇠 효과를 선형 음향해석을 통해 조사하였다 계산 결과, 분사기는 반파장 공명기의 기능을 수행할 수 있었으며, 감쇠효과가 최대로 나타나는 최적 분사기 길이를 구하였다. 배플이 연소기에 장착되는 경우, 횡방향 음향모드의 공진주파수 값이 감소하는데 실제연소 상황의 조건과 유사한 물성치를 이용하여 배플길이에 따른 최적 분사기 길이의 변화를 계산하였다.
고주파 연소불안정 제어를 위하여 사용되는 음향공에 대하여, 3차원 선형 음향해석을 수행하여 음향공의 감쇠 능력을 정량화하고자 하였다. 공진주파수는 상온에서 고전적 이론에 의한 공진주파수와 약 $6\%$, 압력 비에 의한 결과와는 약 $10\%$의 차이를 보임을 확인하였다. 감쇠 능력의 정량화를 위하여 acoustic impedance를 도입하여 흡수계수와 conductance를 도출하였다. 음향공의 개수에 따른 acoustic impedance 특성을 살펴보았고, 기존의 결과와 정량적으로 유사함을 확인하였다. 기하학적으로 동일한 음향공이 여러 개 설치된 연소실에서는 음향장의 특성과는 상관없이 각각의 음향공이 동일한 특성을 보임을 확인하였고, 최적의 음향공의 개수를 판정하는 것은 하나의 음향공의 acoustic impedance를 제대로 정량화하여 가능하다. 이로써 acoustic impedance를 도입하여 음향공의 최적 동조를 위한 설계 절차를 확립하였다.
로켓엔진 연소기의 음향 안정성 향상을 위해, 반파장 공명기의 음향학적 설계인자를 실험적으로 연구하였다. 표준 음향시험 절차에 따라 음향파 응답 신호가 측정되었다. 감쇠인자와 흡음계수가 정량적으로 평가되었고, 이로부터 공명기의 음향감쇠 성능을 파악하였다. 공명기의 직경과 개수, 배치, 연소실의 직경이 설계 인자로 채택되었다. 공명기 직경이 증가함에 따라 음향감쇠 성능이 증가하였다. 연소실 단면에 대한 공명기의 면적비가 최적 값을 초과할 때 과감쇠가 발생하였고, 이로 인해 음향 감쇠 성능이 저하됨을 확인하였다. 공명기 직경이 증가할수록 작은 면적비에서 최적 흡음성능이 달성되었다.
본 연구의 목표는 air core의 길이 조절이 가능한 스월인젝터의 음향학적인 감쇠기능을 통해 고주파 연소불안정을 억제하는 것이다. air core(길이, 형상, 부피)와 인젝터의 위치에 대한 음향학적인 감쇠 효과는 선행 연구를 통해 실험되었다. 이러한 결과들을 바탕으로 다중 인젝터들의 효과에 대한 연구를 진행하였다. 실험 결과로부터 각 모드의 배(anti-node)에 장착된 인젝터들의 수의 증가로 감쇠효과가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 각 모드들의 배(anti-node)에 장착되어 동조된 인젝터들이 동시에 개별적인 모드 감쇠 성능을 보일 수 있음을 확인했다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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