< Previous장정빈 , 변성훈 한국음향학회지 제 43 권 제 5 호 (2024) 482 된 속도에 오프셋이 발생할 수 있다 . 식의 간단한 유 도를 위해 음선의 직접 경로만 고려하고 ∆ t 가 신호 주기의 정수배가 아닌 경우 , 거리 r 과 r + ∆ r 에서의 음압은 다음과 같이 표현 할 수 있다 . ″ ,(12) ∆ ″ ∆ ∆ ″ ∆ ∙ ∆ ,(13) 여기서 ″ ″ 은 진폭 , ∆ 는 음원이 거리 ∆ 에 있을 때 시간을 나타낸다 . Eq. (13) 의 ∆ ∆ 에서 는 신호의 주기를 의미하며 , ∆ 가 신호 주기의 정수배가 아니면 ∆ ∆ 로 위 상 차이가 생기게 되며 , 교차 상관 음장을 구성하는 음압의 값이 서로 다른 시간의 음압 값을 사용하게 되므로 , 실제 음원의 시선 속도 추정에 오프셋이 발 생한다 . 위상 오프셋을 포함한 교차 상관 음장은 다 음과 같이 나타낼 수 있다 . ∆ ∆ ″ ″ cos ∆ ∆ ″ ″ cos ∆ ∆ ″ ″ cos ∆ ∆ (14) 이처럼 ∆ t 가 신호주기의 정수배가 아니면 교차 상관 음장은 Eq. (14) 와 같이 위상차이가 포함 된 식 으로 표현 되며 , 이를 푸리에 변환하여 음원의 속도 추정시 속도 오프셋을 야기한다 . Fig. 8 은 94 Hz 신호에 대해 윈도우 길이가 2 s 일 때 , 교차 상관 시간 간격과 협대역 신호 주파수 간의 관 계를 Fig. 7(a) 의 환경의 시뮬레이션 결과와 실제 해 역 데이터 분석 결과를 통해 보여준다 . Fig. 8(a) 에서 보이는 것처럼 , 시뮬레이션 결과에서도 ∆ t 가 신호 주기의 정수배를 만족하지 않을 경우 정확한 속도 추정이 어려워지는 것을 확인할 수 있다 . Fig. 8(b) 와 8(c) 는 실제 해역 데이터 분석 결과를 나타내며 , Fig. 8(b) 에서는 ∆ t 가 1 s 로 설정되어 신호주기의 정수배 를 만족하므로 정확한 속도 추정 결과를 도출한다 . 반면 , Fig. 8(c) 에서는 ∆ t 가 0.9 s 로 설정되어 84.6 사 이클이 발생한다 . 이 경우 , 교차 상관 시간 간격을 200 s 까지 설정하면 216° 의 위상 오프셋이 발생하며 , (a) (b) (c) Fig. 8. (Color available online) Results for different time intervals (∆t) with 2 s window length for a 94 Hz signal: (a) simulation result ∆t = 0.9 s, [(b), (c)] experimental data results ∆t = 1 s, 0.9 s.음원 속도 추정을 위한 음장 차분 기법 신호 처리 파라미터 설정에 관한 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.5 (2024) 483 이에 따라 음원의 속도 추정 결과가 실제 음원의 이 동 속도와 차이를 보이게 된다 . [9] Ⅴ. 결 론 본 연구에서는 단일 수신기를 사용하여 음원의 속 도를 추정하는 음장 차분 기법에 관한 연구 결과를 제시하였다 . 음장 차분 기법은 비교적 단순한 알고 리즘 구조로 되어 있어 저전력 음원 거리 추정 방법 으로서 장점을 지니고 있지만 , 알고리즘 사용 시 파 라미터를 잘못 설정하면 큰 오류가 나타낼 수 있어 주의가 필요하다 . 본 연구에서는 SWellEx-96, S5 실 험 데이터를 이용하여 음장 차분 기법의 윈도우 길 이와 교차 상관 시간 간격에 따른 속도 추정 결과의 변화를 관찰하였다 . 음원의 주파수가 저주파일 경 우 , 윈도우 길이가 길수록 추정 결과의 분산을 줄일 수 있지만 , 고주파 신호의 경우 반대로 성능이 저하 될 수 있음을 확인하였다 . 또 , 음원의 이동 속도와 신 호 주파수에 따라 교차 상관 시간 ∆ t 가 샘플링 이론 의 구속 조건을 가지게 됨을 설명하고 이에 따른 오 차 발생 사례를 나타내었다 . 이에 따르면 음원의 이 동 속도가 증가할 때 , 교차 상관 시간도 감소 적용되 어야 함을 보여주며 , 위상 오프셋이 발생하지 않도 록 ∆ t 가 사용하는 톤 신호주기의 배수로 설정되어 야 함을 아울러 확인하였다 . 이러한 결과들은 향후 음장 차분 기법 적용 시 준수해야 하는 가이드라인 으로 참고 될 수 있을 것이다 . 감사의 글 본 연구는 2024 년도 정부 ( 방위사업청 ) 의 재원으 로 국방 기술 진흥 연구소의 지원을 받아 수행된 연 구입니다 (KRIT-CT-23-026, 미래 기술 적응형 통합 수중 감시 특화연구센터 ). 논문에 대해 건설적인 지 적과 많은 조언을 해주신 심사위원들께 감사의 말 씀을 드립니다 . References 1.A. B. Baggeroer, W. A. Kuperman, and P. N. Mikhalevsky, “An overview of matched field methods in ocean acoustics,” IEEE J. Ocean. Eng. 18, 401-424 (1993). 2.G. L. D’Spain and W. A. Kuperman, “Application of waveguide invariants to analysis of spectorgrams from shallow water environments that vary in range and azimuth,” J. Acoust. Soc. Am. 106, 2454-2468 (1999). 3.S. T. Rakotonarivo and W. A. Kuperman, “Model- independent range localization of a moving source in shallow water,” J. Acoust. Soc. Am. 132 , 2218-2223 (2012). 4.J. Jang and F. Meyer, “Navigation in shallow water using passive acoustic ranging,” Proc. FUSION-23, 1-8 (2023). 5.S. H. Byun and J. B. Jang, “Signal processing criteria for single hydrophone sound source ranging in shallow waters,” Proc. ICUA2024, 1-7 (2024). 6.K.-D. Yang, H. Li, R. Duan, and Q.-L. Yang, “Analysis on the characteristic of cross-correlated field and its potential application on source localization in deep water,” J. Comput. Acoust. 25, 1750001 (2017). 7. F. B. Jensen, W. A. Kuperman, M. B. Porter, and H. Schmidt, Computational Ocean Acoustics (Springer, New York, 2011), Chap. 2. 8. The SWellEx-96 Experiment , http://swellex96.ucsd. edu/, (Last viewed June 7, 2024). 9.C. Wang, J. Wang, and P. Du, “ Estimation of moving target speed using weak line spectrum of single- hydrophone,” Proc. ICSPCC 2017, 1-5 (2017). 저자 약력 ▸장 정 빈 (Jeong‑Bin Jang) 2023년 2월 : 한국해양대학교 해양공학과 공학사 2023년 3월 ~ 현재 : UST 선박해양공학 석 사과정 ▸변 성 훈 (Sung‑Hoon Byun) 1998년 2월 : 서울대학교 조선해양공학과 공학사 2000년 2월 : 서울대학교 조선해양공학과 공학석사 2012년 8월 : 서울대학교 조선해양공학과 공학박사 2014년 8월 ~ 2015년 7월 : Georgia institute of Technology, 박사후연구원 2000년 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소 책임연구원한국음향학회지 제 43 권 제 5 호 pp. 484 ～ 493 (2024) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.5 (2024) https://doi.org/10.7776/ASK.2024.43.5.484 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 † Corresponding author: Jaehyuk Lee (leehel7@hanwha.com) Naval Ship R&D Team, Defense Technology R&D Center, Hanwha Ocean, 3370, Geoje-daero, Geoje-si, Gyeongsangnam-do 53302, Republic of Korea (Tel: 82-55-735-5990) “이 논문은 2024년도 한국음향학회 춘계학술대회에서 발표하였던 논문임.” Copyright ⓒ 2024 The Acoustical Society of Korea. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 공기윤활장치를 접목한 공기분사 기술 기반의 수중방사소음 저감 기법 연구 A study on the underwater radiated noise reduction method based on air injection technology with Air Lubrication System 이재혁, 1† 구홍주, 1 정재권, 1 정희열, 1 김만환, 1 김정해, 1 전의진, 1 권승민 1 (Jaehyuk Lee, 1 † Hongju Gu, 1 Jaekwon Jung, 1 Heeyeol Jung, 1 Manhwan Kim, 1 Junghae Kim, 1 Euijin Jeon, 1 and Seungmin Kwon 1 ) 1 한화오션(주) (Received July 16, 2024; revised August 29, 2024; accepted September 9, 2024) 초 록 : 본 논문은 공기분사 기술을 이용하여 수중방사소음 (Underwater Radiated Noise, URN) 을 저감시키기 위한 실험적 연구의 과정과 결과를 다루었다 . 공기윤활장치 (Air Lubrication System, ALS) 는 LNGC 를 비롯한 대형 상선의 추진 효율을 높이기 위해 장착 · 운용 중인 시스템이다 . 최근 , 국내 조선소 및 연구기관 등에서 ALS 를 통한 선박의 URN 저감 가능성을 연구 중이며 , 본 논문에서 다루고 있는 실험이 이러한 연구의 일환으로 수행되었다 . 실험은 대형공동수조 (Large Cavitation Tunnel, LCT) 에서 진행되었으며 , 실험에 적용된 주요 장치는 크게 두 가지로써 , LNGC 등에서 기 운용 중인 형상을 그대로 적용한 ALS 와 해군 함정의 URN 을 줄이기 위해 개발 진행 중인 Masker-Air System(MAS) 에서 아이디어를 얻은 개량형 공기분사 벨트이다 . 실험을 위한 환경 조건은 크게 공기분사 유량과 LCT 의 유속이며 , 유 량은 실제 ALS 공기분사 조건에 해당하는 실선 유량을 적용하였고 , 유속은 실제 LNGC 의 선속을 고려하여 2 종의 유속 을 적용하였다 . 해당 조건별 LCT 실험을 통해 공기분사 유무에 따른 삽입손실 (Insertion Loss, IL) 을 산출하여 소음 저 감 성능을 확인하였다 . 핵심용어 : 공기분사 , 수중방사소음 , 공기윤활장치 , 삽입손실 ABSTRACT: This paper discusses the process and results of experimental research aimed at reducing Underwater Radiated Noise (URN) using air injection technology. Air Lubrication System (ALS) is an air injection technology mainly installed and operated to improve the propulsion efficiency of large commercial ship, such as LNGC. Recently, research institutes have been studying the potential of reducing URN using ALS. This paper performs an experiment as part of such research. The experiment was conducted in the Large Cavitation Tunnel (LCT), and the major devices applied in the experiment fall into two categories: ALS, which is directly applied to the model in use for LNGC and a modified air injection belt developed from the Masker-Air System (MAS), which is being developed to reduce URN of naval ships. The environmental conditions for the experiment mainly include the air injection flow rate and flow speed in the LCT. The flow rate was set to the actual air injection conditions of ALS, and the flow speed was adjusted to two different levels, considering the actual speeds of LNGC. The noise reduction performance was confirmed by calculating insertion loss with and without air injection. Keywords: Air injection, Underwater radiated noise, Air lubrication system, Insertion loss PACS numbers: 43.30.Jx, 43.30.Ky 484공기윤활장치를 접목한 공기분사 기술 기반의 수중방사소음 저감 기법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.5 (2024) 485 I. 서 론 해상에서 운항하는 선박은 그 용도와 목적에 따 라 매우 복잡․다양한 시스템으로 구성되어 있어 선 체 전반에서 각종 소음 및 진동이 발생하게 되는데 , 그 대표적인 소음원은 기계류 소음 , 추진기 소음 , 유 동 소음 등이 있으며 , 이러한 소음들이 선체 내부에 서 수중으로 전파되는 것을 Underwater Radiated Noise (URN) 라고 한다 . [1] URN 은 군사적 측면에서는 적에 게 피탐될 확률을 증대시킬 수 있고 , 상업적 관점에 서는 항행 시 해양 생태계 교란의 주요 위협으로 식 별되어 반드시 관리되어야 할 성능으로 볼 수 있다 . 본 논문에서는 상업적 관점 , 즉 상선의 URN 에 대해 다루고자 한다 . 최근 , 상선의 URN 규제를 강화하기 위한 움직임 이 활발히 진행되고 있다 . International Maritime Orga- nization(IMO) 등에서는 해양 수중소음에 의한 해양 생태계 위협 방지를 지속적으로 요청하고 있으며 , 선박에 의한 URN 을 해양오염으로 규정하고 , 이에 대한 저감 대책 마련을 강조하고 있다 . 또한 , 북미 및 EU 등에서도 정부 주도하에 선박 URN 저감과 관련 된 기술 개발을 활발하게 진행 중이다 . [2] 이에 , 본 논 문에서는 Air Lubrication System(ALS) 과 Masker-Air System(MAS) 의 기술을 응용한 상선의 URN 저감 기 술 개발을 위해 실험을 설계하고 수행하였다 . II. 공기분사 원리 및 설계 2.1 ALS ALS 는 대형 선박의 에너지 절감 장치 (Energy Saving Device, ESD) 의 대표적인 예로서 , 선체 바닥면으로 공기를 분사하여 공기층을 생성함으로써 선체의 접 수 표면적을 감소시키는 개념으로 운용된다 . ALS 는 다른 여러 ESD 에 비해 실용적이고 그 효과가 뛰어나 서 최근 각광 받고 있으며 , 국내 조선소에서도 성능 향상을 위해 계속 개발되고 있는 기술이다 . [3,4] Fig. 1 의 (a) [5] 와 (b) 에서 보는 바와 같이 선저의 선수부에 장착된 공기분사 장치를 통해 공기를 분사하여 기 포 군집을 형성하고 , 선속에 의해 밀집된 기포가 에 어 커튼 형상으로 선미까지 퍼져나가면서 선저를 커버하여 선박의 마찰 저항을 감소시키게 된다 . ALS 의 설치 위치는 가급적 선저의 많은 면적에 대한 마찰 저항을 줄이기 위해서 비교적 선수 측에 설치 되는 경향이 있다 . ALS 는 설계하는 국가와 업체 , 기 관마다 각기 그 형상이 조금씩 다르지만 큰 틀에서 의 운용 방식과 목적은 동일하다 . 2.2 MAS MAS 는 Fig. 2 [6] 에서 보는 바와 같이 선체에 Emitter belt( 공기분사 장치 ) 를 설치하여 항해 중에 수중으로 공기를 분사시키는 수중방사소음 저감 장치이다 . 수중으로 분사된 다량의 공기로 형성된 기포 군집 은 소음원 ( 선체 ) 과 임의의 수음점 사이의 전달 경로 에 위치하게 되는데 , 이는 수중으로 방사되는 음파 의 산란과 흡수를 야기하여 음향 에너지를 감소시 키며 , 음파의 전달 경로를 구성하는 매질 ( 물 vs. 공 기 ) 간의 Impedance mismatch 에 의해 음반사를 발생 시키게 된다 . MAS 는 이러한 원리를 이용하여 함정 에서 방사되는 소음이 수중으로 전파되는 것을 차 (a) (b) Fig. 1. (Color available online) Overview of ALS concept. (a) An image of an air lubrication method. (b) Computational Fluid Dynamics (CFD) result of air layer on the hull bottom performed by Hanwha Ocean.이재혁 , 구홍주 , 정재권 , 정희열 , 김만환 , 김정해 , 전의진 , 권승민 한국음향학회지 제 43 권 제 5 호 (2024) 486 단 또는 저감시키기 위한 목적으로 운용되는 시스 템이다 . [7] 미국 등 일부 해외에서는 이미 운용 중인 시스템이지만 관련 기술은 기밀 사항이라 , 국방핵 심기술 응용연구 단계를 통해 국산화된 기술이다 . 이 응용연구를 통해 그 성능이 입증되었으며 , 향후 실함정 적용을 위한 추가 연구 ( 시험평가 ) 를 염두에 두고 있다 . [1] MAS 는 함정의 전장 (Length Over All, LOA) 에 따라 다르지만 통상 두 줄 내지 세 줄의 Emitter belt 를 설치 하는데 , ALS 와는 달리 선수 방향에 가깝게 설치하 는 것이 아니라 기계류 소음이 지배적인 함정 격실 ( 예를 들어 , 기관실 , 보기실 등 ) 전방에 설치하는 것 이 일반적이다 . 2.3 공기분사 기술 기반의 장치 설계 2.1 절 및 2.2 절에서 설명한 ALS 와 MAS 는 선체 내 부에서 공기를 공급하여 에어 커튼 형태의 공기를 수중으로 분사한다는 점에서 유사성을 갖는다 . 본 논문에서 다루는 공기분사 장치의 설계 아이디 어는 MAS 연구를 통해 검증된 공기분사 기술이 ALS 운용에서도 응용 가능할 것이라는 판단에서 시 작되었다 . 즉 , 대상 플랫폼인 상선의 기존 ALS 장치 는 유지하고 , 추가적으로 선체 양현측에 MAS 의 기 술을 응용한 공기분사 벨트를 설계하여 선체 접수 면적 대부분을 에어 커튼으로 커버할 수 있는 시스 템을 구성한 것이다 . 이를 도식화하면 Fig. 3 과 같다 . 이러한 개념으로 설계한다면 ALS 의 기본 성능을 유 지하면서도 , 기계류 기인의 URN 을 저감시킬 수 있 을 것으로 판단하였다 . [8] III. 음향 실험 구성 3.1 실험 설비 2.3 절에서 제안했던 아이디어를 Large Cavitation Tunnel(LCT) 에서 구현하기 위하여 주요 실험 설비를 설계․제작하였다 . 공기분사와 관련된 주요 실험 설 비를 설명하기 전에 , LCT 에 대해 간략히 설명하고자 한다 . 본 논문에서 다루고 있는 음향 실험이 수행된 LCT 는 한화오션의 시흥 R&D 캠퍼스에 위치해 있으 며 , 전체 규모는 62 L m × 21 H m 이고 , 이 중에서 본 실험 이 수행된 Test section 은 2.8 B m × 2.4 H m × 13.0 L m 이다 . LCT 는 모형 실험 수행 시 실제 선박의 추진기가 작동 되는 환경에서 수행 가능하도록 유속은 최대 15.0 m/s 까지 , 내부 압력은 0.3 bar ~ 4.0 bar 까지 조절이 가능하 다 . LCT 의 전체 형상은 Fig. 4 에서 보는 바와 같다 . 한편 , LCT 의 Test section 에 설치될 공기분사 장치 는 ‘ALS’ 와 ‘ 공기분사 벨트 ’ 로 구성된다 . ALS 는 현재 LNGC 에서 적용 중인 실제 제원을 그대로 설계․반 영하였으며 , 공기분사 벨트는 MAS 연구 개발을 통 해 얻은 Know-how [1] 를 기반으로 설계에 반영하되 , ALS 와의 형상 최적화를 위해 응용 설계하였다 (ALS 및 공기분사 벨트의 세부 제원은 미공개 ). Fig. 2. (Color available online) Typical concept of MAS and Emitter belt. Fig. 3. Conceptual drawing of air injection device for URN reduction of commercial ship. Fig. 4. (Color available online) LCT at Hanwha Ocean R&D Institute.공기윤활장치를 접목한 공기분사 기술 기반의 수중방사소음 저감 기법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.5 (2024) 487 이 중에서 공기분사 벨트는 총 6 종을 제작하였는 데 , Table 1 은 총 6 종의 벨트에 대한 분류 기준을 설명 하고 있으며 , Fig. 5 에서는 그 중 일부 도면 및 형상을 예시로 보여주고 있다 . Table 1 에서 보는 바와 같이 , 공기분사 벨트를 ‘ 설치 타입 ’ 과 ‘ 돌출 정도 ’ 를 기준 으로 구분하였다 . 설치 타입에 따라서는 Separated 와 Connected 로 구분되는데 , Separated 는 2.3 절에서 언급 한 양현측 분리형이며 , ALS 와의 형상 최적화를 위 해 응용 설계한 형상이다 . Connected 는 공기분사 벨 트가 단절된 부분 없이 하나의 형태로 이어져 있는 형상이며 , MAS 의 설계 개념을 그대로 반영한 형상 이다 . 한편 , 돌출 정도에 따라서는 Flat, Half, Standard 로 구분되는데 , 그 구분 목적은 공기분사에 의한 소 음 저감 성능에 영향을 미치는 다음 세 가지 조건 중 에어 커튼의 두께와 직결된다 . [1] ∙에어 커튼 내의 기포 밀도 ( 분사 유량이 많을수록 기포 밀도가 높아지고 , 저감 성능이 향상된다 .) ∙에어 커튼의 두께 ( 공기분사 벨트의 돌출 정도가 클수록 일정 수준까지는 커튼의 두께가 커지고 , 저감 성능이 향상된다 .) ∙기포 크기 (Hole size 및 선속에 따라 기포의 ‘ 생성 - 분해 - 재결합 ’ 으로 기포 크기가 변화하고 , 이는 주요 저감 주파수 대역에 변화를 가져오며 , 선속 이 빠를수록 난류 에너지 증가로 인해 밀도에도 영향을 미쳐 저감 성능이 향상될 수 있다 .) Type 1 및 Type 4 는 선체 외판에서 전혀 돌출이 없 는 Flat 형태이며 , Type 2 및 Type 5 는 MAS 개발 당시 설계했던 형상에 비해 돌출 정도가 절반인 Half 형태 이고 , Type 3 및 Type 6 은 MAS 개발에서 최종 적용된 형태 그대로의 Emitter belt 인 Standard 형태이다 . 에너지 절감을 중요시하는 상업적 관점에서 MAS 와 같이 돌출된 형태의 벨트는 형상 저항을 증가시 키게 되고 , 이는 추진 효율 감소와 직결되므로 ESD Table 1. Type of air injection belt. Installation typeDegree of protrusionBelt No. Separated FlatType 1 HalfType 2 StandardType 3 Connected FlatType 4 HalfType 5 StandardType 6 (a) (b) (c) Fig. 5. Concepts of air injection belt. (a) Degree of protrusion (Flat, Half, Standard). (b) Example of drawing (Type 6). (c) Examples of Shape (Type 2 and Type 5).이재혁 , 구홍주 , 정재권 , 정희열 , 김만환 , 김정해 , 전의진 , 권승민 한국음향학회지 제 43 권 제 5 호 (2024) 488 로서의 효용성이 낮아질 수 있다 . 따라서 3.2 절에서 자세히 다루겠지만 , 본 논문에서는 일정 수준의 소 음 저감 성능을 발휘하면서 형상 저항의 부담을 줄 일 수 있는 Flat 및 Half 형태를 집중하여 다룬다 . Fig. 5 의 (a) 및 (b) 에서 보는 바와 같이 벨트 상부에 교차 배열된 2 열의 hole 이 형성되어 있고 , 이곳을 통 해 공기가 분사되어 선체 표면에서 에어 커튼 형태 의 기포 군집이 형성된다 . 3.2 실험 조건 실험 항목은 ALS 및 공기분사 벨트의 조합에 따라 각 조합의 소음 저감 수준을 비교․분석하기 위해 총 13 종의 Theme 로 구성하였으며 , 세부 Theme 는 Table 2 와 같다 . 총 13 종의 Theme 중에서 본 논문에서는 Theme 01 ~ 05 를 구체적으로 다루고 있으며 , Theme 06 ~ 13 은 Theme 01 ~ 05 의 상대적인 소음 저감 수준 을 확인하기 위한 비교 대상군 개념이다 . Fig. 6 은 전체적인 음향 실험 구성 ( 실험 장비 배치 등 ) 을 보여주고 있다 . LCT 의 Test section 상부에는 평 판 (Plate) 이 설치되어 있고 , 이 평판을 기준으로 유속 이 존재하는 아래쪽 구역의 평판 표면에는 ALS 와 공 기분사 벨트가 장착되어 있다 . 또한 유속이 없는 정수 (Still water) 구역인 평판 상부에는 URN 을 모의하기 위한 스피커 2 종 (Type 4224[B&K] 및 LL916C[Lubell]) 이 설치되어 있는데 , 이 스피커의 설치 위치는 MAS 연구 결과 [1] 를 토대로 공기분사 벨트 기준 2 m 후방 으로 설정하였다 . 이는 공기가 분사된 후 군집이 형 성되고 에어 커튼이 소음 발생 구역 전체를 안정적 으로 커버하기 시작하는 최적의 위치이다 . 한편 , 또 다른 정수 구역인 Test section 하부의 Acoustic trough 에는 소음을 측정하기 위한 수신기 배열이 설치되 어 있으며 , 소음원 설치 위치 등 실험 환경 변화에 따 라 배열의 위치 이동이 가능하다 . Fig. 7 은 Fig. 6 에서 보여주고 있는 ALS 및 공기분 사 벨트 위치에서의 실제 설치 형상 및 공기분사 작 동 모습을 보여주고 있다 . (a) 는 ALS 3EA 가 설치된 상 태에서 가운데 ALS 가 작동하고 있는 모습이며 , (b) 는 공기가 분사되지 않는 조건에서의 Type 2 형상을 보여주고 있다 . (c) 및 (d) 는 ‘ALS + Type 1’ 및 ‘ALS + Type 2’ 에서의 공기분사 형상을 각각 보여주고 있다 . 3.3 신호 설계 및 계측 URN 을 모의하기 위한 송신 신호는 ○○○ 선급의 LNGC URN 기준 주파수 대역에 대하여 Linear Fre- quency Modulation(LFM) 신호로 설계되었으며 , Fig. 8 의 과정으로 설계 신호를 송․수신하여 에어 커튼 유 무에 따른 소음 저감 성능의 지표로 Insertion Loss(IL) 를 산출하였다 . [7] IV. 음향 실험 결과 4.1 공기분사 벨트 타입별 비교 본 논문에서는 Flat 형태와 Half 형태를 중점으로 다루게 되는데 , 본 절은 그중에서도 Type 1 및 Type 2 단독의 소음 저감 성능을 비교하기 위해 Theme 02 및 Table 2. Experimental conditions. Theme No. Combination of devices ALSAir injection belt 01× 02× Type 1 03 04× Type 2 05 06× Type 3 07 ○ 08× Type 4 09 ○ 10× Type 5 11 ○ 12× Type 6 13 ○ Fig. 6. (Color available online) Experimental confi- guration in the LCT.공기윤활장치를 접목한 공기분사 기술 기반의 수중방사소음 저감 기법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.5 (2024) 489 (a)(b) (c)(d) Fig. 7. (Color available online) Installation and air injection shape for ALS and air injection belt. (a) ALS. (b) Type 2 (Without air injection). (c) Type 1 (With air injection). (d) Type 2 (With air injection). Fig. 8. Experimental measurement procedure. (a) (b) Fig. 9. (Color available online) Experimental results (Comparison of Type 1 and Type 2). (a) PSL. (b) IL.이재혁 , 구홍주 , 정재권 , 정희열 , 김만환 , 김정해 , 전의진 , 권승민 한국음향학회지 제 43 권 제 5 호 (2024) 490 Theme 04 의 실험 결과를 다룬다 . Fig. 9 는 공기분사 벨트 Type 1 과 Type 2 에 대한 계 측 결과를 보여주고 있다 . 유속 v는 대상 LNGC 의 Normal Continuous Rating(NCR) 에 해당하는 선속이 며 , 정숙한 운항이 필요한 협수로 등에서의 운항 선 속을 고려하여 v -3 kts 를 함께 계측 및 비교하였다 . (a) 에서는 v -3 및 v kts 조건에서의 각 Pressure Spectrum Level(PSL) 을 보여주며 , (b) 에서는 (a) 에 대한 소음 저 감 비교 결과로써 IL 산출 결과를 보여준다 . 동일 유량 조건에서 , v -3 및 v kts 에 대하여 소음 저 감 수준을 비교해 보았을 때 , 계측 주파수 전체 대역 에서의 평균 소음 저감 수준은 매우 유사하며 , 주 관 심 대역인 저주파 대역에서는 v kts 조건에서 5 dB 이 상 높게 관측된다 . 한편 , MAS 의 선행 연구 결과에 따르면 유속이 높 아질수록 기포 분리 현상이 가속화되어 기포의 분 리 및 재결합 현상이 활발하게 이루어지므로 3.1 절 에서 언급한 소음 저감 성능에 영향을 미치는 세 가 지 조건과 연계하여 전체적으로 소음 저감 성능이 향상됨을 확인하였다 . [1] Fig. 9 의 실험 결과는 4.2 절 결과 도출을 위한 예비 실험으로써 , 선저 중앙부가 비어있는 공기분사 벨 트를 모사한 Type 1 및 Type 2 의 결과를 보여주고 있 다 . 즉 , 선저 전체를 커버하지 않은 에어 커튼의 형상 으로 인해 전체적인 소음 저감 수준이 일체형 벨트 에 비해 높을 수 없으며 , 주파수 대역에 따라서는 소 음 저감 수준이 거의 0 dB 에 가까운 대역도 존재한 다 . 부연하자면 , 분사에 의해 생성되는 에어 커튼 내 부의 기포 군집은 기포 개별의 공진주파수 및 기포 층의 두께 , 그리고 기포 밀도와 직결된다는 점을 감 안했을 때 관심 주파수 내 IL 이 주파수 대역별로 상 이할 수밖에 없을뿐더러 , MAS 연구 결과 [1] 처럼 기 포 분리 현상 가속화에 의한 일관된 경향성을 두드 러지게 관측할 수는 없다 . Type 1 및 Type 2 와 같이 선 저 중앙부에서 공기분사를 하지 않는 벨트 형상을 모사하여 계측할 경우 , 상대적으로 낮은 유속에서 는 공기가 분사되지 않은 구역까지 기포 군집 범위 가 확산될 수도 있기 때문이다 . 한편 , 벨트별 상대 비교 결과에서는 Type 1 이 Type 2 에 비해 소음 저감 효과가 두드러지게 저하되는 현 상은 보이지 않았다 . 일정 선속 ( v -3) 이상 , 그리고 적 절한 유량 (ALS 는 실제 LNGC 적용 유량이며 , 공기분 사 벨트는 MAS 표준 유량 ) 이 공급된다면 Type 1 과 Type 2 의 성능 차이는 거의 없는 것으로 판단된다 . 참고로 , Type 1 ~ 3( 분리형 ) 과 Type 4 ~ 6( 일체형 ) 의 계측 결과를 비교해보면 , 선저 Center Line(CL) 주변 에 에어 커튼이 존재하지 않아 URN 의 Leakage 가 발 생하는 Type 1 ~ 3 에 비해 그렇지 않은 Type 4 ~ 6 의 소 음 저감 성능이 더 우수하다 . 그러나 , 앞서 언급한 바 와 같이 본 논문에서는 ALS 와의 융합 시스템을 설계 하는 것이 목표이므로 선저 CL 주변에서 형성되는 에어 커튼이 ALS 의 본래 효과에 영향을 미치지 않도 록 설계하는 것에 주안점을 두었다 . 요컨대 , 본 절에서의 모형 실험 목적은 Type 1 과 Type 2 상호 간의 공기분사에 의한 소음 저감 수준이 상대적으로 어떤 경향을 보이는지에 대해 살펴보기 위한 예비 실험이었음을 고려했을 때 , 충분히 유의 미한 결과를 얻을 수 있었다고 판단된다 . 4.2 공기분사 장치 조합별 비교 본 절에서는 4.1 절에서 다루었던 Type 1 과 Type 2 를 ALS 와 각각 결합하여 수행한 실험 결과를 설명한 다 . 이 실험에서는 ALS 고유의 성능에 충실할 수 있 는 물리적 환경을 유지한 상태에서 양현측을 커버 하는 개념으로 분리형 벨트를 각각 적용하여 소음 저감 성능을 비교하였다 . Fig. 10 에서는 공기분사 장치 조합별 소음 저감 성 능을 보여주고 있다 . 상호 비교 대상은 ① ALS, ② ALS + Type 1, ③ ALS + Type 2 이며 , 유속은 4.1 절에 서의 설명과 동일하다 . 본 절에서 다루고 있는 실험 결과를 고찰할 때 가 장 중요한 요소는 ALS 단독 운용 대비 두 종류의 공 기분사 벨트를 각각 결합했을 때 소음 저감 성능 면 에서 어떠한 차이가 있는지 살펴보는 것이다 . IL 비교를 통해 결과를 고찰해보면 , ALS 만으로도 해당 주파수 대역에서 소음 저감 성능을 확인할 수 있었으며 , 복합형의 경우에는 더욱 향상된 소음 저 감 성능 ( 특히 상대적 고주파 대역 ) 이 확인된다 . 다 만 , v -3 kts 조건에서 IL 결과를 살펴보면 전체 주파수 대역 중 Center 구역 IL( 타원형 점선 표시 영역 ) 이공기윤활장치를 접목한 공기분사 기술 기반의 수중방사소음 저감 기법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.5 (2024) 491 「 ALS = 27 dB 」 , 「 ALS + Type 1 = 30 dB 」 , 「 ALS + Type 2 = 21 dB 」인 구간이 확인된다 . 즉 , 전체 경향에서 역전 현상이 발생하는 구간이 있다는 의미이다 . 이 현상 은 v kts 결과와 비교했을 때 복합형 (ALS + Type 2) 의 성능이 낮다기보다는 상대적 저속에서의 ALS 결과 가 공기 분포의 불규칙성으로 인해 해당 주파수에 서 높게 관측되었을 것으로 추정된다 . 부연하자면 , 각 실험 수행이 동시다발적으로 이루어지는 것이 아니기 때문에 기포 군집의 형태에서 차이가 발생 할 수 있다는 의미이며 , 이는 음파의 경로에서 반응 할 수 있는 범위의 차이가 생길 수 있는 여지가 있다 는 뜻이다 . 본 결과에 대해서는 향후 다양한 조건에 서의 추가 실험을 통해 확인하고자 한다 . 한편 , 「 ALS + Type 1 」과 「 ALS + Type 2 」의 결과를 비교해보면 전체적인 경향에서 두드러진 차이가 없 다 . 즉 , 소음 저감 성능의 전체적인 경향성을 살펴보 았을 때 , 선체 저항을 유발할 수 있는 돌출형 (Type 2) 보다 선체 저항을 발생시키지 않으면서도 소음 저 감 성능을 충분히 발휘할 수 있는 매립형 (Type 1) 이 합리적인 선택이 될 것이다 . 따라서 , 기존 LNGC 등의 대형 상선에서 운용 중인 ALS 의 물리적 환경을 그대로 유지하면서 양현측에 추가적인 매립형 공기분사 벨트를 설치한다면 URN 저감 측면에서 매우 우수한 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단한다 . V. 결론 및 향후 계획 5.1 결론 4.1 절에서는 Type 1(Separated-Flat) 과 Type 2(Separated- Half) 의 공기분사 벨트 단독 운용에 대한 소음 저감 성능을 비교하였으며 , 두 모델 간 유사한 소음 저감 성능을 확인할 수 있었다 . 4.2 절에서는 ALS 와 결합된 Type 1 및 Type 2 의 공기 분사 장치 조합에 대한 소음 저감 성능을 비교하였 으며 , ALS 단독 운용보다는 결합 형태 운용이 다소 높은 성능을 보인 가운데 , Type 1 의 조합과 Type 2 의 조합 비교에서 두드러진 차이가 발견되지 않았다 . 해상에서 운용되는 모든 선박은 경제성을 중요하 게 생각하지만 , 특히 상선은 소요 마력 대비 절약 마 (a) (b) Fig. 10. (Color available online) Experimental results (Comparison by air injection device combination). (a) PSL. (b) IL.Next >