The Journal of the Acoustical Society of KoreaISSN:1225-4428(Print) 2287-3775(Online)한국음향학회

본 연구는 열교환기의 영향을 고려하여 의류 건조기 팬 시스템의 유량 및 유동 소음을 예측할 수 있는 실험적 기법을 개발하고, 그 타당성을 수치해석을 통해 이론적으로 검증하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 팬과 스크롤로 구성된 단품 시스템과, 열교환기 및 유로 형상을 포함한 모듈 시스템을 각각 구축하고, 제품과 동일한 운전 조건에서 유동 소음을 측정하였다. 실험은 AMCA 210-16 및 IEC 60704-2-6 표준을 반영하여 설계된 무향 팬 성능시험기를 활용하여 수행하였으며, 실제 제품과의 소음 특성 비교를 통해 시스템 정합도를 확인하였다. 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 전산공력음향학(Computational AeroAcoustics, CAA)을 결합한 복합 수치해석 기법을 적용하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 예측 방법의 신뢰성을 검토하였다. 그 결과, 열교환기를 포함한 모듈 시스템은 실제 제품과 유사한 유동 조건과 소음 스펙트럼을 재현하여 높은 정합도를 보였으며, 제안된 시험법은 팬 형상에 따른 유동 소음 특성의 차이를 효과적으로 분석할 수 있음을 입증하였다. 또한 열교환기 후류에서 발생하는 볼텍스 셰딩과 난류 에너지 집중 현상이 광대역 소음에 미치는 영향을 규명함으로써, 광대역 소음 발생의 주요 유동 원인을 이론적으로 규명하였다.

최근 대형 냉방 및 공조 시스템에서 플러그 팬의 고성능화와 저소음화에 대한 수요가 증가하고 있다. 본 연구에서는 플러그 팬 블레이드의 span 방향으로 연속적으로 변화하는 3차원 형상 특성을 반영하여 최적 설계를 수행하였다. 팬 성능 시험기를 구축하여 작동점을 도출하고, 동일 조건에서 수행한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 기반 가상 팬 성능 시험기(Virtual Fan Performance Tester, VFPT) 해석 결과를 실험과 비교하여 수치해석 모델의 타당성을 검증하였다. 최적 설계는 감김각과 기울기각을 설계 변수로 선정하여 2인자 3수준 전수 실험(Full Factorial Design)과 반응표면법(Response Surface Methodology, RSM)을 적용하여 수행하였다. 최적화 결과, 유량 및 효율 향상과 함께 소음 저감 효과도 확인되었다.

널 조향은 주로 간섭 신호의 영향을 최소화하거나 제거하여 원하는 신호의 품질 향상을 위해 사용되어왔다. 이러한 알고리즘은 빔 패턴 내에서 특정 방향으로 이득이 낮은 널이 형성되도록 배열 가중치를 선택한다. 그러나 널 방향은 대역 내의 주파수에 따라 널 폭 오차가 발생하게 된다. 이러한 현상은 원하는 신호와 간섭 신호가 가깝게 위치할 때 간섭 신호 억제 시 원하는 신호도 억제되는 문제가 발생한다. 이 논문은 가중치 벡터 설계를 통해 광대역에서의 널 폭 및 널 조향 오차를 보상하는 방법을 제안한다. 모의실험과 해상 실험 결과는 제안한 방법이 기존의 협대역 널 조향 알고리즘보다 관심 주파수 대역에서 널 폭이 일정한 것을 확인하였다.

무배관(Non-plumbing) 냉장고에서 디스펜서와 제빙기로의 급수 과정에서 발생하는 펌프 소음을 분석하고, 이를 저감하기 위한 대책을 수립하고 적용하였다. 펌프 작동으로 발생하는 진동이 펌프 케이스 및 내부 배관, 냉장고 내벽에 전달되어 발생하는 구조 소음 저감을 대상으로 하였다. 그리고 기준 실험 조건을 결정하기 위하여 급수통 물의 양, 펌프 케이스와 냉장고 내벽 체결 볼트의 토크 값, 펌프와 펌프 케이스의체결 볼트의 토크, 세 가지 실험변수 수준에 따른 소음 레벨을 측정하였다. 기준 실험조건에서 펌프 케이스와 냉장고 내벽 사이의 방진 테이프 두께 및 체결 볼트 방진고무의 높이, 펌프 방진고무의 높이, 급수관의 길이를 실험인자로 선정하고, 다구찌 기법을 적용하였다. 그리고 다구찌 기법의 분석을 이용하여 소음 레벨을 최소로 하는 최적의 조건을 도출하였다. 마지막으로 최적 조건을 냉장고에 적용하여 성능을 검증하였다.

커버곡 검색을 위해서는 강인한 크로마그램 추출이 중요하다. 라이브 녹음 또는 리메이크를 통한 재편집을 통해서 얻은 음악을 원곡의 커버곡이라 부른다. 본 논문은 전처리와 후처리를 통해 크로마그램의 강인성을 향상시킨다. 커버곡 생성 과정에서 발생하는 노이즈와 변동을 줄여 연속성을 향상시키고 피치 추정 오류를 완화하기 위해 전처리로 시간축 방향 평탄화를 적용한다. 또한, 후처리 단계에서 크로마 활성화 연판정을 통해서 음고류 존재 여부를 신뢰성 있게 판별한다. 두 가지 음악 데이터셋에서 커버곡 검색 실험을 수행하여 시간축 방향 평탄화와 연판정이 커버곡 검색 성능을 개선함을 확인하였다.

수중 표적 탐지는 신호의 코히런스를 최대한 이용하는 방향으로 발전되고 있다. 본 연구에서는 수중 도파관과 수중 표적간의 연성 효과를 고려한 표적 산란 모델을 소개한다. 일반화 된 표적 산란 모델은 Waveguide Green 함수법을 이용해 얻어지며 적분 방정식의 형태로 표현된다. 본 연구에서는 수중 표적에 물리광학 이론을 적용하여 적분 방정식을 대수 방정식으로 간략화했다. 이때 음선 또는 정상 모드법으로 얻어진 Green 함수를 적용하면 최종 식은 음선 또는 정상 모드 쌍의 집합으로 표현된다. 본 산란 모델은 수중도파관에서 표적 산란을 보다 실제적으로 모의하는데 유용하다.

북극해에서 해빙의 영향에 의한 음파전달 특성을 파악하기 위한 실험인 Korea Acoustic Measurement in the Arctic Sea in 2024(KAMA-24)을 수행하였다. KAMAS-24는 2024년 8월에 북극해의 축치해와 동시베리아해 해역에서 수행되었고, 이 실험에서 해빙 해역의 음파전달손실을 측정하였다. 먼저, 중거리에서 중주파수 음원과 수직선배열센서를 이용하여 측정한 음파전달손실을 계산하고 송신 주파수와 음원의 심도별로 음파전달손실의 차이를 분석했다. 다음으로, 빔출력의 빔각으로부터 추적한 도달각의 변동을 분석하였으며 송신기와 수신기의 거리가 달라지면서 발생한 도달각의 변동은 해빙의 영향을 강하게 받은 Refracted Surface-Reflected(RSR) 경로에서 크고 해빙의 영향을 약하게 받은 Refracted Bottom-Reflected(RBR) 경로에서는 비교적 작게 나타났다. 중거리에서는 특이한 구조를 갖는 해빙 하부에 음파가 반사되면서 해빙의 거칠기 영향을 받은 도달각의 변동폭이 크게 발생한 것으로 추정된다.

야누스 헬름홀츠 트랜스듀서(Janus Helmholtz transducer, JHT)는 이중 공진 특성으로 인해 넓은 주파수 범위에서 높은 송신 전압 응답(Transmitting Voltage Response, TVR)을 제공한다. JHT에서 최대 전력 전달을 위해서는 일반적으로 임피던스 정합 회로 설계가 필요하다. 그러나 기존의 정합 회로 설계는 상대적으로 낮은 TVR특성을 가지는 비공진 주파수 대역을 효과적으로 정합하지 못하고 부하에 대한 최대 유효 전력 전달에도 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 논문에서는 비공진 대역의 실효 전력 전달을 극대화하기 위한 새로운 임피던스 정합 회로 설계 방법을 제안한다. 제안된 방법은 트랜스듀서의 송신 특성을 고려하여 비공진 대역에서 실효 부하 전력을 최대화하는 목적 함수를 기반으로 한다. 제안된 방법의 유효성을 검증하기 위해 케이블과 JHT의 등가회로 모델을 이용하여 공진 소자와 결합 커패시터로 구성된 소형 정합 회로의 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 매칭회로 적용 시 1 Vrms 입력 전압에서 부하에 전달되는 유효 전력이 0.43 mW에서 2.13 mW로 최대 4.95배까지 증가함을 확인하였으며, 대역 내 최소 TVR 성능이 5 dB 이상 증가하고 TVR 편차가 7 dB 이상 감소하였다.

시변하는 수중 환경에서 다중 경로로 인한 지연 확산을 극복하고 성능과 정보 전송률을 동시에 향상 시키기 위한 다양한 적응적 기법 적용이 매우 필수적이다. 지연 확산으로 인한 선택적 주파수 페이딩을 극복할 수 있는 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access, CDMA) 방식은 정보 비트를 확산시키는 Spreading Factor(SF)의 길이에 따라 성능과 정보 전송률이 다르다. 본 논문에서는 수중 채널 환경에 따라 CDMA 전송 기법에서 최적의 SF를 선택할 수 있는 기준인 Channel Quality Indicator(CQI) 기반의 적응형 SF 모드 전송 기법을 제안한다. 본 논문에서 적용된 CQI는 송수신자가 서로 알고 있는 파일럿 정보를 이용하여 Pilot Signal to Noise Ratio(PSNR)과 Pilot Bit Error Rate(P-BER) 추정치를 이용하였으며, 이의 기준을 설정하여 시변 수중 채널에 적응적으로 SF를 변화하였다. 제안한 방법은 고정된 SF를 갖는 기존의 방법에 비해 약 15 % ~ 45 %의 정보 전송률 향상을 나타내는 것을 모의 실험을 통해 확인하였다.

수중 환경에서의 도플러 천이 주파수 추정은 채널 특성을 분석하고, 통신 성능을 향상시키기 위한 중요한 단계이다. 주로 Linear Frequency Modulated(LFM) 신호와 같은 처프 신호가 사용되었으며, 수신단에서 이의 리플리카(replica)와 상호상관도를 측정하거나 다른 형태의 처프 신호를 연접하여 도플러 천이 주파수를 추정하는 것이 가장 널리 알려진 방법이다. 본 논문에서는 하나의 LFM 신호를 이용하면서 수신단에서 이 신호의 주파수 특성 변화를 기반으로 하는 도플러 천이 주파수 추정 방법을 제안한다. 제안한 방법은 Continuous Wave(CW) 신호를 사용하여 리플리카를 구성하여 1차 도플러 천이 주파수를 추정하며, 이후 곡선 적합을 통해 보정 과정을 거친다. 제안한 방법을 이용하여 도플러 천이 주파수를 추정하는 경우 기존의 방법에 비해 약 72 %의 계산량 감소를 나타내는 것을 모의실험을 통해 확인하였다.

정합장 처리(Matched Field Processing, MFP)는 환경 정보의 정확도에 크게 의존하며 모델 오정합이 발생할 경우 추정 성능이 현저히 저하된다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 음향 모델 없이 음원의 거리를 추정하는 머신러닝 기반 정합장 처리에 대한 연구가 제안되었으나, 오정합 문제에 대한 체계적인 분석은 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 실제 해상 실험 데이터와 수치 시뮬레이션을 활용하여, 수심 불일치 및 수신배열 센서 기울기 불일치와 같은 대표적인 오정합 조건에서 음향 모델 기반 정합장 처리와 머신러닝 기반 정합장 처리의 성능을 비교 분석하였다. 분석 결과, 두 기법 모두 수심 오정합 시 신기루 현상으로 인해 거리 추정에 편차가 발생하였으며, 배열 기울기 불일치가 1.3°를 초과할 경우 오차가 급격히 증가하였다. 또한, 단일 오정합 조건보다 복합 오정합 조건에서 성능 저하가 더욱 심화되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 머신러닝 기반 정합장 처리 역시 오정합 조건에 따라 거리 추정 성능이 크게 달라질 수 있음을 보여준다.

본 논문에서는 정합장 처리(Matched Field Processing, MFP)의 성능이 해양 음향 환경 변수의 불확실성에 민감하다는 점에 주목하고, 특히 배열 기울기 오정합이 모델 오차를 유발하여 음원 위치 추정 성능에 큰 영향을 미친다는 사실을 분석한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 배열 기울기 오정합을 보정할 수 있는 기법을 제안한다. 기존 방식은 모든 기울기에 대한 음장 벡터를 생성한 후, 이를 수신 데이터 벡터와 비교하는 방식으로 처리하였다. 본 논문에서는 정상 모드 이론에 기반하여 배열 기울기로 인한 위상 왜곡을 효율적으로 보정할 수 있는 저연산 보정 기법을 제안한다. 제안된 기법의 유효성은 실제 해상실험 데이터를 통해 검증하였으며, 그 결과를 통해 제안 기법의 성능과 장점을 입증한다.

정합장 처리는 음원 위치 추정을 위한 대표적인 기법으로 널리 활용되고 있으나, 배열 기울기의 미세한 변화(e.g., > 2°)에도 매우 민감하다는 한계를 갖는다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 다중 기울기 제약조건(Multiple Tilt Constraints, MTC)을 기반으로 한 정합장 처리 기법이 제안된 바 있다. 본 연구에서는 MTC 기반 정합장 처리 기법을 서로 다른 배열 기울기, 특히 정반대의 기울기를 가지는 비상관성 다중 음원 시나리오에 확장 적용함으로써, 비상관성 다중 음원의 동시 위치 추정 가능성을 분석하였다. 또한, 이러한 시나리오에서 나타날 수 있는 부엽 수준의 상승 문제를 완화하기 위해, MTC 기반 처리 구조에 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 접목한 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 2015년 동중국해에서 수행된 해상 실험인 Shallow-water Acoustic Variability EXperiment 2015(SAVEX15)에서 수집된 선박 방사소음 데이터를 활용하여 검증되었다. 극단적인 다중 음원 환경을 모의하기 위해, 서로 반대 기울기를 갖는 두 개의 시간대 데이터를 합성하였다. 기존 MTC 기반 정합장 처리 기법은 다중 음원 환경에서 부엽의 증가로 인해 모호성이 확대되는 경향을 보인 반면, SVD 기반으로 확장된 제안 기법은 부엽 억제 성능을 크게 향상시켜 정반대 배열 기울기를 갖는 음원에 대해서도 정확하고 안정적인 위치 추정을 가능하게 하였다.