I. 서  론

수중방사소음(Underwater Radiated Noise, URN)은 함정이 수중표적을 탐지하거나 반대로 적에게 피탐 될 수 있는 주요한 요인으로 함정의 설계/건조 시 중요한 성능지표로 관리되고 있다. 함정에서 발생되는 소음은 크게 선박 내 기계류에 의한 소음, 추진기 유동 및 캐비테이션에 의한 소음과 함정 운항 중 발생되는 유동 및 쇄파에 의한 소음으로 나눌 수 있다.^[1] 함정 내부의 기계류에 의한 소음은 기계진동이나 배관 내 유동에 의해 발생되며 함정의 운항속도에 큰 영향을 받지 않기 때문에 흡음장치나 방진설계를 통하여 근원적으로 소음원을 차폐하여 소음수준을 낮출 수 있다. 하지만 추진기 소음은 선체 반류와의 상호작용에 의하여 발생하며 특히 캐비테이션 소음은 함속의 5 ~ 7승에 비례하여 급격히 수중방사소음을 증가시킨다. 또한 추진기는 함정의 외부에 노출되어 있어 추진기에 의한 소음 전파는 근원적으로 차폐가 불가능하다.^[2-4]

추진기 캐비테이션 초생 이후 수중방사소음은 급격히 증가하는 경향을 보이기 때문에 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속(Cavitation Inception Speed, CIS)은 수중방사소음과 연관된 주요한 함정의 특수성능이라 할 수 있다. 따라서 함정의 생존성 및 작전성능을 향상시키기 위해서는 함정 추진기 캐비테이션 초생속도를 최대한 지연시켜야 하며 함정의 설계/건조 단계에서 추진기 캐비테이션 초생선속은 체계적으로 관리되어야 한다. 이를 위해서는 함정의 설계단계, 모형시험단계, 실선 시운전 단계에서 함의 추진기 캐비테이션 초생선속 성능을 정확히 예측, 판단하는 기술이 매우 중요하며 이와 관련한 다양한 연구가 수행되어 왔다.^[5]

추진기 캐비테이션 연구는 캐비테이션 터널을 이용한 추진기소음 연구, 추진기 캐비테이션과 소음과의 상관관계 연구 등이 이루어져 왔지만 여전히 추진기 캐비테이션 초생속도 모형시험 결과와 실선 추진기 캐비테이션 초생선속 성능시험 결과는 상관성을 가지지 못하고 있는 실정이다. 즉, 함정 설계/건조 단계에서 캐비테이션 터널을 활용한 추진기 소음시험 및 캐비테이션 초생분석과 관련한 모형시험이 많이 이루어지고 있지만 추진기 캐비테이션 초생선속 예측기술, 모형 및 실선 추진기 캐비테이션 초생선속 판정기술 등 현재의 추진기 캐비테이션 초생분석 관련 기술들은 아직도 많은 한계를 나타내고 있다. 특히 최근 해상도 높은 초고속카메라를 이용한 함정 추진기 관측창 시험이 이루어지고 있으며 관측창 시험을 통한 추진기 캐비테이션 초생선속 결과가 음향분석에 기반한 추진기 캐비테이션 초생선속 결과와 큰 차이를 보이는 경우가 있어 많은 논란이 되고 있다.

본 연구에서는 위와 같은 추진기 캐비테이션 초생선속과 관련 연구 중 가장 기반이 되는 기술이라 할 수 있는 추진기 캐비테이션 초생분석에 관한 연구를 수행하였다.

II. 추진기 캐비테이션 초생선속

모형시험 및 실선 시운전 단계에서 추진기 캐비테이션 초생시험은 시각적 판정법과 음향학적 판정법을 이용하여 추진기에서 발생하는 소음특성과 캐비테이션 초생선속을 판단하고 있다. 시각적 방법은 고속카메라, 캠코더 등의 영상장비와 인간의 시각적 판단에 의하여 캐비테이션 초생을 판단하는 것이며 음향학적 방법은 음향센서를 통해 계측된 소음신호를 분석하여 캐비테이션 초생을 판단하는 방법이다. 모형시험의 경우 실선과 모형선 간의 척도효과로 인하여 실선과 모형 추진기 사이 캐비테이션 발생패턴이 다르다. 이런 이유로 음향학적 분석법은 모형시험에서 실선 추진기 캐비테이션 초생선속 예측에 한계가 있기 때문에 모형시험에서는 시각적 판단방법을 많이 활용하고 있다.

실선 추진기 캐비테이션 초생분석 시험의 경우는 초고속카메라를 이용한 시각적 판단방법과 수중방사소음 분석을 통한 음향학적 판단 기법이 활용되고 있다. 특히 실선 추진기 캐비테이션 초생의 판정에서 시각적 판단방법은 인간의 주관적 판단에 의해 결과가 도출되기 때문에 결과의 객관성을 확보하는데 어려움을 가지며 특히 함정의 추진기 캐비테이션 초생 성능은 캐비테이션 발생에 의한 소음의 증가로 적 함정에 의한 피탐지 가능성에 대한 지표이기 때문에 일반적으로 수중방사소음의 계측/분석에 의한 음향학적 판정방법이 많이 활용되고 있다.

본 연구는 대형캐비테이션터널 추진기 모형시험에서 위 언급한 추진기 캐비테이션 초생선속 계측 및 분석법을 적용하여 정확한 추진기 캐비테이션 초생선속을 판단할 수 있는 기법에 대하여 연구하였다.

대형캐비테이션터널을 이용한 모형시험은 터널 내부의 유속과 압력, 추진기의 회전수 조절이 용이하기 때문에 다양한 추진기 작동상태와 환경을 재현 할 수 있다. 이런 시험방법을 통해 다양하게 추진기 캐비테이션 발생패턴 및 강도를 변화시키며 추진기 캐비테이션 패턴을 관찰하며 동시에 계측된 소음신호를 측정, 분석하여 추진기 캐비테이션 초기발생과 방사되는 소음특성을 분석하였다.

III. 추진기 캐비테이션 초생 모형시험

모형시험은 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute Ships & Ocean Engineering, KRISO) 대형캐비테이션터널에서 수행하였다. 선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널은 길이 60 m, 높이 22.5 m, 폭 6.5 m로 미 해군연구소의 대형캐비테이션터널(Large Cavitation Channel, LCC)과 유사한 성능 특성을 가지고 있다. 시험이 이루어지는 관측부의 길이는 12.5 m이며 단면은 높이 1.8 m, 폭 2.8 m로 최고유속 16.5 m/s, 터널 내부압력을 0.02 bar ~ 3.5 bar까지 조절이 가능하여 다양한 조건에서 모형시험이 가능하다(Fig. 1).

Fig. 1.

Schematic diagram of the KRISO large cavitation tunnel.

선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널은 다양한 종류의 소음계측시스템이 설치되어 있으며 본 연구에서는 관측부 하부에 플러그 타입으로 특수 설치된 소음계측시스템을 활용하였다. 본 소음계측시스템은 모형선 내부에 설치되어 있는 기계장치 및 터널내부의 유동과 압력변화에 영향을 받지 않으면서 소음원에서 방사된 소음이 음향센서로 수신될 때까지 음향임피던스의 차이 없이 소음을 계측할 수 있어 추진기소음 시험에서 신뢰할 만한 계측결과를 제공해 준다. 소음신호는 샘플링 주파수 256 kHz로 계측하였으며 100 kHz까지 분석하였다.

일반적으로 실선 추진기에서는 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 가장 먼저 발생하기 때문에 이를 모사하기 위하여 본 연구에서는 함정형상의 모형선과 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 가장 먼저 발생하도록 설계된 모형추진기를 활용하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Test set-up & model propeller.

모형시험 조건은 일반적인 함정 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험에서 활용되는 기법을 활용하였다. Fig. 3과 같이 추진기 전진비를 1.12와 1.20로 고정한 후 터널 내부압력을 조절하여 추진기 캐비테이션 수를 변화시켜 함정의 운항조건 주변의 다양한 추진기 하중상태에서 캐비테이션 초생을 판단하여 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속을 예측하는 방법을 적용하였다. 이 추진기 캐비테이션 초생선속　모형시험에서 가장 중요한 기법 중의 하나가 캐비테이션 초생의 판단기법이라 할 수 있으며 이를 시각적, 음향학적으로 분석하여 결과를 도출하였다.

Fig. 3.

Test condition & ship operating profile.

캐비테이션 초생의 판단을 위하여 스트로보스코프를 이용한 캠코더 계측, 초고속카메라를 이용한 정밀영상분석기법 등 시각적으로 캐비테이션 초생을 판단하는 기법과 캐비테이션 관찰 시험과 동시에 측정된 소음신호를 다양한 소음분석 기법을 활용하여 음향학적 캐비테이션 초생을 판단하였다. 또한 본 연구에서는 위와 같은 기존의 두 가지 기법을 동시 적용한 다채널 영상-소음 동기화 분석기법을 이용하여 캐비테이션 초생과 방사소음의 상관성을 분석하여 캐비테이션 초생판단에 활용하였다. 이 기법은 좌현과 우현 추진기의 캐비테이션 발생여부를 초고속카메라로 계측하며 전기적 접점신호를 이용 동시에 소음을 계측하여 영상과 소음이 동기화된 상태로 분석이 가능해 보다 정확한 추진기 캐비테이션 초생을 판단할 수 있는 장점이 있다.

IV. 시험결과 및 분석

앞서 Fig. 3과 같이 전진비 1.12와 1.20에 대하여 36 조건에서 캐비테이션 관찰 및 소음계측 시험을 수행하였고 각 전진비에서의 캐비테이션 초생을 분석하였다. 추진기에서는 압력 및 하중조건에 따라 다양한 형태의 캐비테이션이 발생하며 발생 위치 및 형태에 따라 상대적으로 영향을 미치는 주파수대역이 다르다고 알려져 있으며 Table 1과 같이 분류하고 있다.

Table 1. Type and name of propeller cavitation.

각 전진비에서 캐비테이션 수 변화에 따른 추진기 캐비테이션 발생 패턴과 종류를 Fig. 4에 나타내었다.

시각적 초생분석은 선박해양플랜트연구소의 추진기 캐비테이션 초생판단 기준과 Fig. 5와 같이 초고속카메라와 소음계측시스템 동기화 계측결과를 분석하여 전진비 1.12와 1.20에서 각각 캐비테이션 수 3.50과 2.50에서 추진기 캐비테이션 초생으로 판단하였다.

음향학적 캐비테이션 초생판단은 각 캐비테이션 수 조건에서 소음 스펙트럼 분석, 추진기 캐비테이션의 주기성을 분석하는 DEMON(Detection of Envelope Modulation on Noise) 해석을 활용하였다.

Fig. 4.

Propeller cavitation observation: (a) J_A = 1.12, σ_A= 2.75 (b) J_A = 1.12, σ_A= 1.50 (c) J_A = 1.20, σ_A= 2.00 (d) J_A = 1.20, σ_A= 1.50.

Fig. 5.

Propeller cavitation inception and related noise: Synchronized measurement results of image and noise.

전진비 1.12와 1.20 에서 캐비테이션 수 변화에 따른 계측된 소음 스펙트럼을 Fig. 6에 나타내었다. 캐비테이션 수가 감소하여 추진기에서 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 발생하고 이 후 압력이 더 낮아지면 발생한 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 성장하고 추진기 캐비테이션의 발생, 성장에 따라 소음의 변화를 확인할 수 있다. 추진기소음 스펙트럼 결과에서 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 발생하고 초기성장에 따라 1 kHz 부근 주파수 대역에서 소음이 점차 증가하고 있다.^[6] 날개 끝 보텍스 캐비테이션의 발생이 더 강해지고 성장함에 따라 소음증가 시작주파수가 저주파 대역으로 옮겨가고 있으며 1 kHz 이상의 전 주파수 대역에서 소음이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 여기서 캐비테이션 수가 더 낮아지면 추진기 얇은 층 캐비테이션 형태의 캐비테이션으로 성장하고 날개 통과주파수소음(Blade Passage Frequency, BPF noise)이 증가하는 것을 볼 수 있다.^[7]

추진기 캐비테이션 초생분석기법으로 DEMON 분석이 많이 활용되고 있으며 정확한 DEMON 분석을 위해서는 관심 소음원, 즉 추진기 캐비테이션에 의해 영향을 받는 주파수대역을 선택하여 분석하는 것이 중요하다. Fig. 6의 결과에서 추진기 날개 끝 보텍스 캐비테이션의 초생과 성장은 1 kHz 이상의 전 주파수 대역에 영향을 주고 있지만 모형시험 조건에서 추진기 캐비테이션 소음 외에 영향을 줄 수 있는 모터, 축계, 계측기기의 전기적 잡음 등에 의한 영향이 작은 3 kHz ~ 15 kHz 대역의 소음을 이용하여 DEMON 분석을 수행하여 캐비테이션 초생을 판단하였다.

Fig. 6.

Noise spectrum according to cavitation number: (a) J_A = 1.12 (b) J_A = 1.20.

시각적 캐비테이션 초생관찰 결과를 기반으로 하여 추진기 캐비테이션의 초생조건이라 유추할 수 있는 여러 시험조건에서 DEMON 해석을 수행하여 음향학적 추진기 캐비테이션 초생에 대하여 분석하였다. 전진비 1.12와 1.20의 경우 추진기 회전수는 1842 r/min, 1716 r/min으로 1차 축 회전주파수(shaft rate frequency)는 30.7 Hz, 28.6 Hz이며 날개통과 주파수(BPF) 성분은 각각 153 Hz, 143 Hz이다. DEMON 분석결과를 축 회전주파수와 날개통과 주파수와 비교, 캐비테이션 초생을 분석하였다.

Figs. 7과 8은 전진비 1.12와 1.20에서 시각적판단에 의한 캐비테이션 초생 결과 주변의 캐비테이션 수에서 DEMON 분석을 한 결과이다. 전진비 1.12의 경우 캐비테이션 수 3.50에서부터 153 Hz의 추진기 날개 통과 주파수 성분과 축 회전 주파수 성분이 약하게 보이기 시작하는 것을 볼 수 있으며 캐비테이션 수가 낮아지면서 축 회전 주파수 성분과 날개통과주파수 성분이 점차 강해지는 것을 확인할 수 있다. 추진기 캐비테이션 초생 단계에서는 초고속카메라 관측결과에도 나타나듯이 추진기 각 날개에서 동일하게 캐비테이션이 발생되지 않고 발생 강도도 다르기 때문에 축 회전 주파수의 하모닉 성분의 형태로 나타나기도 한다. 전진비 1.20의 경우는 캐비테이션 수 2.50에서부터 DEMON 분석결과 약한 날개통과주파수 성분이 나타나기 시작하며 캐비테이션 수 2.00보다 캐비테이션 수가 낮아지면 뚜렷한 날개통과 주파수 성분을 확인할 수 있다. 이러한 캐비테이션의 물리적 현상과 DEMON 해석 결과를 근거로 전진비 1.12의 경우 캐비테이션 초생 캐비테이션 수는 3.50으로 판단하였으며 전진비 1.20의 경우에는 초생 캐비테이션 수는 2.50이라 판단하였다.

Fig. 7.

DEMON analysis for J_A = 1.12.

Fig. 8.

DEMON analysis for J_A = 1.20.

이 결과는 시각적 추진기 캐비테이션 초생판단 결과와 동일하며 함의 운항조건과 함께 Fig. 9에 도시하였으며 그 결과 본 모형시험에서는 V + 3.2 kn를 추진기 캐비테이션 초생선속으로 판정할 수 있었다.

일반적으로 모형시험에서 육안 관측을 통한 실선 추진기 캐비테이션 초생선속 확장결과가 실선 음향계측을 통한 추진기 캐비테이션 초생선속과 약 3kn 정도의 차이를 보인다고 알려져 있다. 즉 음향학적 분석에 의한 추진기 캐비테이션 초생결과가 시각적 판단에 의한 추진기 캐비테이션 초생선속 결과보다 더 낮은 추진기 캐비테이션 초생선속 결과를 나타내는 경우가 많은데 본 연구에서는 시각적판단과 음향분석 결과가 동일하게 나타났다. 이번 연구는 기존 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험과는 달리 다양한 각도에서 추진기 유동장 주변을 면밀히 관찰하여 미세하고 간헐적인 추진기 캐비테이션도 계측이 가능하였고 특히 초고속카메라와 정밀소음계측시스템을 연동시킨 새로운 시험기법을 도입하여 추진기 캐비테이션 초생을 보다 정확하게 판단할 수 있었다. 음향학적 분석에서도 추진기 캐비테이션의 물리적 특성을 고려한 해석조건을 적용하여 시각적, 음향학적 판단에 의해 동일한 추진기 캐비테이션 초생결과가 도출된 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Propeller cavitation inception diagram: visual detection & acoustic detection.

V. 결 론

본 연구에서는 선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널과 함정 추진기 캐비테이션 발생을 모사하기 위한 모형선과 모형추진기를 이용하여 날개 끝 보오텍스 캐비테이션의 특성을 파악하고 다양한 접근기법으로 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험을 수행하였다. 추진기에서 일반적으로 가장 먼저 발생하는 캐비테이션은 날개 끝 보텍스 캐비테이션으로 이에 대한 소음특성을 파악하였다.

날개 끝 보텍스 캐비테이션이 발생, 성장해 감에 따라 1 kHz 주파수 대역에서부터 소음의 증가가 발생하였다. 캐비테이션이 성장해 감에 따라 저주파대역으로 영향을 미치고 있으며 전 주파수 대역에서 소음이 증가하는 것을 확인하였다. 추진기 캐비테이션 초생분석을 위하여 시각적기법과 음향학적 분석기법을 적용하여 모형시험에서의 추진기 캐비테이션 초생 판정법에 대하여 연구하였으며 본 연구에서는 다 채널 초고속카메라 – 정밀소음계측시스템 연동 기법을 고안하여 시각적 추진기 캐비테이션 초생판정에 활용하였다. DEMON 분석을 기반으로 다양한 추진기 운용조건에서 음향학적 추진기 캐비테이션 초생판정에 관하여 분석하였다. 모형시험 조건과 추진기 캐비테이션의 물리적 특성을 고려한 주파수 대역을 설정하여 DEMON 분석으로 추진기 캐비테이션 초생을 판정하였으며 이 결과는 시각적 판정과 동일한 결과를 나타났다.

본 연구를 통해 추진기 캐비테이션 초생을 보다 정확하게 판단하기 위한 시험기법을 제시하였으며 캐비테이션의 유체역학적 특성을 고려한 추진기 캐비테이션 초생 분석에 대한 결과를 나타내었다.

최근 추진기 캐비테이션 초생선속 판정의 보조적 수단으로 실선 추진기 캐비테이션 관측창시험이 많이 진행되고 있다. 실선 추진기 관측시험은 영상계측기기가 추진기 상방에서 설치되어 제한된 영역에 대한 관찰이 이루어지며 해양환경과 같은 제약조건으로 본 연구결과와 같이 전 방향에서 자세히 추진기 캐비테이션을 관찰하는 것은 불가능하다. 그렇기 때문에 관측창 시험결과를 근거로 추진기 캐비테이션 초생선속을 판정하는 것은 제한된 정보를 이용하여 잘못된 결과를 도출할 수 있다. 음향분석을 이용한 추진기 캐비테이션 초생선속 판정 역시 추진기 캐비테이션의 물리적 특성을 고려하여야 한다. 일반적으로 추진기에서 캐비테이션이 발생하면 비공동 조건에 비하여 소음수준이 10 dB ~ 20 dB 증가한다고 알려져 있다. 이 기준으로 스펙트럼 결과만으로 캐비테이션 초생조건을 판단하면 실제보다 더 낮은 캐비테이션 수에서 캐비테이션 초생조건으로 판단하게 된다. 이는 Fig. 6의 결과에서 확인할 수 있다. Fig. 6은 각 캐비테이션 수 조건에서 60 s 동안 모형 추진기가 약 1,800회 회전하는 동안의 스펙트럼 결과로 Fig. 4(c)와 같이 캐비테이션이 주기성 없이 굉장히 간헐적으로 발생하는 경우 Fig. 6(b)의 결과처럼 스펙트럼 상의 소음증가는 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 즉 일반적으로 알려진 것과 같이 캐비테이션이 발생할 경우 스펙트럼 상의 급격한 소음수준의 증가는 Fig. 4(d)처럼 캐비테이션이 비교적 지속적으로 발생하는 상태여야하며 이는 일반적으로 판단하는 추진기 캐비테이션 초생조건 보다는 더 낮은 캐비테이션 수 조건이라 할 수 있다. 스펙트럼 분석과 더불어 DEMON을 이용한 초생판정에서도 DEMON 분석주파수의 선택에 따라 상이한 추진기 캐비테이션 초생선속 결과를 나타낼 수 있다. 그러므로 하나의 기법에 의존하기 보다는 두 가지 분석기법을 복합적으로 적용하는 것이 더 정확한 캐비테이션 초생 판정을 가능하게 할 것이라 사료된다.

이런 맥락에서 본 연구에서 수행한 추진기 캐비테이션 관찰 – 소음계측 연동 시험법은 실선 추진기 캐비테이션 관찰 및 캐비테이션 초생선속 판정에 활용성이 높을 것으로 판단된다. 보다 정확한 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속 판정을 위해서는 추진기 캐비테이션 발생과 성장에 대한 체계적인 기초연구와 다양한 시험기법 연구를 통해 추진기 캐비테이션 특성에 따른 소음의 연관성에 대한 파악이 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 캐비테이션 이론에 근거한 수치 시뮬레이션 연구, 다양한 추진기 운용조건을 모사할 수 있으며 정밀한 캐비테이션 관찰과 소음시험이 가능한 대형캐비테이션터널을 이용한 모형시험 연구와 실선 추진기 캐비테이션 관찰, 소음분석 연구가 종합적으로 이루어 져야 할 것이다.