I. 서 론
선박 추진기에서 발생하는 캐비테이션은 선박의 추진효율을 악화시키고 날개 표면에 침식을 일으켜 유지보수 비용의 증가를 야기한다. 또한, 추진기 캐비테이션 발생 시 수중방사소음이 비약적으로 증가하여 상선의 경우 해양 포유류에 악영향을 미치며, 함정의 경우 적에게 탐지될 확률이 높아져 생존성이 크게 떨어진다. 상선과 달리 함정은 수중방사소음이 생존성과 직결된 요소이므로, 추진기 캐비테이션의 발생을 최대한 지연시키도록 형상을 설계하는 것이 요구된다. 이를 관리하기 위하여 추진기 캐비테이션 초생 선속을 정의하고 함 설계에 반영하고 있다.
함정 추진기 캐비테이션 초생 혹은 수중방사소음 관련 연구는 대상의 특성 상 공개되어 있는 연구 결과가 많지 않으나, 시험을 위주로 연구가 이루어져왔다. 모형시험 연구에서는 추진기 캐비테이션 초생 지연을 위한 형상 설계 연구,[1,2,3,4] 실선에서의 추진기 캐비테이션 재현 및 영상과 소음 계측 결과의 상관관계 분석 연구[5,6]나, 영상 계측 결과의 정량화 연구,[7] 모형선 선체에 가속도계를 설치하여 모형스케일에서 캐비테이션 초생 분석 연구[8]가 수행된 바 있다. 실선 시험 연구의 경우 선외 계측 소음 분석[9,10]이나 선체 계측 진동 신호를 이용한 수중방사소음 예측 연구[11,12]가 주를 이루고 있다.
함에서 추진기 캐비테이션을 관리하기 위해서는 추진기에서 발생하는 소음 혹은 진동 신호에 대한 계측이 필요하다. 이때 소음 계측을 위한 하이드로폰의 경우 선체 외부에 센서 끝단이 노출될 수 있도록 선체 가공이 필요하다는 단점이 있으며, 가속도계의 경우 외판의 내부에 설치되기 때문에 추진기에서 방사되는 에너지가 잘 전달되지 않을 수 있다는 단점이 있다.
상기 언급한 바와 같이 설치 및 관리의 측면에서 가속도계가 유리하나, 선체 외부에서 직접 계측하는 하이드로폰에 비해 선내 잔향 환경 및 구조 진동 등 외부 환경의 영향이 높아 계측 값의 불확실성이 크다. 본 연구에서는 이를 분석하기 위하여 함정 추진기 상방 선체에 하이드로폰과 가속도계를 각각 설치하여, 선속에 따라 추진기 소음과 진동을 계측하고 두 신호의 특징을 비교하였다. 또한, 신호 모니터링의 주된 목적인 캐비테이션 초생 선속 판별에서의 성능을 비교하였다.
II. 실선 추진기 계측 시험
함정 실선 추진기에서 발생하는 소음과 진동을 선내에서 계측하기 위하여, 추진기 상방 선미부 선체에 센서 홀을 가공하였다. 센서 홀에 하이드로폰을 설치하여 센서의 계측 부분이 수중에 노출되게 하였으며, 가속도계는 해당 센서 옆에 설치하였다. 이때 센서들의 위치는 추진기 허브 직상방이며, Fig. 1과 Fig. 2는 센서 설치 구성도와 설치 사진을 각각 나타낸다. 선내에서 계측한 음향 데이터와 함께 시각적 캐비테이션 초생 분석을 위하여, 관측창을 설치하여 추진기 캐비테이션을 고속카메라로 관측하였다.
하이드로폰은 B&K type 8103, 가속도계는 1축 가속도계인 B&K type 4533B를 사용하였으며, 고속카메라는 Photron 사의 FASTCAM Mini-AX50을 사용하였다. 하이드로폰에서 계측된 소음은 신호증폭기(Amplifier)와 데이터수집장치(Data Acquisition)에 연결하였으며, 가속도계는 데이터수집장치에 직접 연결하였다. 영상 계측의 경우 각도에 따라 보이는 범위가 한정적이기 때문에, 4대의 고속카메라를 활용하여 다양한 각도에서 동시에 계측하여 분석하였다.
총 8개의 선속에 대해 시험을 수행하였으며, 이 중 네 개의 선속에 대한 신호 비교를 수행하였다. 소음, 진동 신호 계측 시 각 시험 조건에서 운항 모드를 유지한 채 1분간 계측하였으며, 동시에 고속카메라에서도 영상을 계측하였다. 각 조건에서 시험 시 기계작동 및 운항 모드를 일정하게 유지하여 계측된 데이터들의 일관성을 확보하였다.
III. 계측 결과 비교 분석
각 선속별로 추진기 날개에서 캐비테이션 발생 여부를 고속카메라로 계측하였으며, 캐비테이션 초생 선속 부근 계측 결과는 Fig. 3에 나타나 있다. Fig. 3(a)와 (b)에서는 캐비테이션이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 3(d)에서는 확연히 캐비테이션이 발생한 것을 확인할 수 있다. Fig. 3(c)에서는 캐비테이션의 발생이 이미지에서는 명확히 나타나지 않으나 영상 분석 결과 캐비테이션이 발생하는 것으로 판단하였다.
각 선속별로 추진기 상부 선체에서 계측한 소음, 진동 데이터에 대하여 스펙트럼 비교를 수행하였으며, 1분 간 계측한 데이터에 대하여 Welch 방법을 사용하여 66.7 %의 신호중첩으로 파워스펙트럼밀도(Power Spectral Density, PSD)를 계산하였다. 소음 레벨과 진동 레벨 비교를 위하여, 가속도계에서 계측한 신호를 스펙트럼에서 만큼 보정하여 속도로 변환하였다. 이때 는 허수(), 는 각주파수(, rad/s)이다.
Fig. 4는 각 선속별로 선체 외판 외부에서 계측된 소음 신호와 내부에서 계측된 진동 신호의 차이를 협대역주파수 영역에서 비교한 것이다. 와 는 각각 다음과 같이 정의된다.
는 선외에서 계측한 소음 신호이며, 는 선체 진동 기인에 의한 선체 내부 음압을 나타낸다. 선내에서 계측한 진동 신호에 대해 평면파 전파 가정을 하여 Eq. (2)의 압력 값을 계산하였으며, 진동 신호 변환에 사용된 식은 다음과 같다.
이때 는 변환된 압력, 와 는 공기 밀도 및 음속, 는 계측된 진동 신호(속도)이다. 이를 Eq. (2)에 적용하면 다음과 같다.
Fig. 4를 통해 모든 속도에서 소음-진동 레벨 차이의 전체적인 경향이 비슷한 것을 확인할 수 있으며, 이는 속도 변화에 따라 소음-진동 센서 간의 상관관계가 크게 변하지 않음을 의미한다.
계측한 결과와 함께 전달행렬기법(Transfer Matrix Method, TMM)을 이용하여 추진기에서 발생한 음압이 선체로 전달되며 발생하는 전달손실을 계산하였으며, 이를 Fig. 4에 함께 도시하였다. Fig. 5는 전달손실 계산을 위한 구성을 나타낸다. 1차원 무한 평판으로 구성된 물-선체외판-공기 층에 대하여 수직 입사파(normal incidence)를 가정하였으며, 선체 외판은 박판(limp panel)으로 가정하였다. 여기서 입사파는 추진기에서 발생한 소음이며, 투과파는 선체 외판을 투과하여 전파되는 음파이다. 이는 각각 와 를 나타낸다고 할 수 있다.
수직입사파에 대하여 투과파와 입사파의 비는 다음과 같다.
이때 와 는 물의 밀도와 물에서의 음속, 는 선체 외판의 면밀도를 나타낸다. 선체 외판의 격벽 등 구조 모드를 정확하게 반영하지 못하여 저주파 영역에서 큰 차이를 나타내나, 고주파 대역까지의 전체적인 경향은 잘 모사하는 것으로 판단된다. 양 신호 간의 차이를 자세하게 모사하기 위해서는 입사파에 대한 모델링 및 구조 모드에 대한 반영이 추가적으로 이루어져야할 것으로 보인다.
Fig. 6은 선속별 계측 스펙트럼을 1/3 옥타브 주파수 밴드에서 비교한 것이다. 전반적으로 선속 증가에 따라 소음, 진동 레벨이 모두 순차적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 저주파 영역에서 진동 계측 데이터에는 피크가 나타난 반면 소음 계측 데이터에서는 피크가 나타나지 않고 순차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 소음 계측 센서에서는 상대적으로 추진기의 신호 기여도가 높아 광대역 소음이 전체적으로 증가하기 때문으로 판단된다. 고주파 영역에서는 소음 계측 결과에서 A-2 노트에서 값이 크게 증가한 반면, 진동 계측 결과에서는 A 노트에서 값이 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 중간 주파수 영역에서는 소음과 진동 신호 모두 A 노트에서 계측 값이 크게 증가한 것을 확인할 수 있으며, 계측 결과를 종합적으로 고려하였을 때 캐비테이션 초생은 A-2 노트와 A 노트 사이에서 발생했을 것으로 추정할 수 있다.
Fig. 6의 스펙트럼 상 레벨 증가를 속도 증가분으로 나누어 단위속도당 각 주파수 대역별 레벨 증가를 비교하였으며, 이를 Fig. 7에 나타내었다. 실선은 소음레벨 증가분이며, 파선은 진동레벨 증가분이다. 소음과 진동 모두 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 고주파 영역에서는 속도 증가에 따라 경향에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 대한 분석을 위해서는 다른 구역에서의 스펙트럼 비교 및 선내 기계류 구동 상태의 변화에 대해 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 8은 계측한 신호 중 1 kHz ~ 10 kHz 주파수 영역에서의 전체 레벨을 계산하여 선속별로 도시하여 비교한 것이다. 소음과 진동 레벨의 선속별 레벨 변화 경향 비교를 위해 계산한 계측 값을 평행이동하였다. A-3 노트부터 소음/진동 레벨이 순차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 전체 레벨 기준으로 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Figs. 9와 10은 선속별 소음, 진동 계측 신호에 대한 Detection of Envelope Modulation On Noise(DEMON) 분석 결과를 나타낸 것이다. 그래프 내 빨간색 파선은 날개통과주파수 성분을 나타낸 것이다. 진동 신호의 경우 속도로의 변환 없이 계측된 가속도 신호를 이용하였다.
두 센서 모두 A-3 노트에서는 DEMON 스펙트럼에서 신호가 검출되지 않는 것을 확인할 수 있으며, A-2노트와 A 노트에서는 2차 날개통과주파수에서 신호가 검출되는 것을 알 수 있다. A 노트의 경우 두 센서 모두 1차 성분은 희미하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는 추진기 캐비테이션이 간헐적으로 생기기 때문에 발생하는 현상으로 판단된다. A+2 노트의 경우 두 센서 모두 1차 날개통과주파수 성분이 강하게 나타나고 있으며, 이는 Fig. 3(d)에서 확인한 바와 같다. 따라서 전반적으로 DEMON 결과 또한 두 센서에서 비슷한 양상으로 나타난다고 할 수 있다.
본 연구에서는 추진기 캐비테이션 초생만을 대상으로 비교하였으나, 추후 연구에서는 함 추진기에서 발생하는 수중방사소음에 대한 성능 분석 및 선체 기계류의 영향에 대한 식별이 필요할 것으로 보인다.
IV. 결 론
본 연구에서는 선미부 선체 외판에서 계측한 소음과 진동 신호를 이용하여 함정 추진기에서 발생하는 캐비테이션 초생 분석을 각각 수행하였으며, 그 결과를 비교하였다. 먼저 대상함 추진기 관측창 시험을 통해 A 노트에서의 캐비테이션 초생을 시각적으로 확인하였으며, 계측한 소음, 진동 스펙트럼에서도 비슷한 결과를 확인하였다.
소음과 진동 신호의 스펙트럼 모양은 달랐으나, 선속별 소음, 진동 계측 결과의 차이 비교를 통해 선속 증가에 따라 소음, 진동의 상대적 변화가 크게 나타나지 않는 것을 확인하였다. 또한, 전달행렬기법을 이용해 계산한 해석적 투과손실과 소음-진동 레벨 차이가 비슷한 경향을 갖는 것을 확인하였다. 선속별 스펙트럼 상 레벨 증가량과 1 kHz ~ 10 kHz 밴드의 전체 레벨 비교에서도 비슷한 경향을 보였으나, 고주파와 고속에서는 차이가 나는 것을 알 수 있었다. DEMON 분석에서는 두 센서 모두 유사한 경향을 나타냈으며, 이를 통해 캐비테이션 초생 분석 시 하이드로폰과 가속도계 모두 활용될 수 있는 것을 확인하였다.
다만 각 센서에서 계측된 스펙트럼의 형상이 달라서, 추후 선내 계측 기반의 수중방사소음 예측 시에는 가속도계에서 계측된 스펙트럼을 보정할 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 선내 기계류 신호에 의해 영향을 받는 정도가 다를 수 있어 이에 대한 분석이 필요할 것으로 보인다.
