음향방사효율 수치해석 및 실험을 통한 해석 신뢰도 검증

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확장요약문

함정의 음향 스텔스 성능 확보를 위해, 발생 가능한 수중방사소음에 대한 예측과 제어는 필수적이다. 이를 위해서는 수중방사소음에 기여하는 다양한 소음원들의 특성을 파악해야 하는데, 함정의 주요 운항 모드인 저·중속 정속 운항 상태에서는 선내 기계류의 진동이 선체를 통해 전파되는 구조전달소음이 수중방사소음의 지배적인 요인으로 작용한다. 구조전달 경로를 거쳐 선체 외관으로 전달된 진동이 수중 소음으로 방사될 때, 구조체의 표면 진동 에너지가 물 속의 소리 에너지로 변환되는 효율성이 중요한데 이를 나타내는 인자가 바로 음향방사효율이다. 즉, 선내 기진력이 크더라도 외판 구조의 음향방사효율을 낮추어수중으로의 에너지 변환을 억제한다면 최종 수중방사소음을 획기적으로 저감할 수 있다. 결과적으로 구조전달 기인 수중방사소음은 외판의 음향방사효율 특성에 의해 결정된다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는대상 구조의 음향방사효율을 산출하고자 수치해석 및 실험을 수행하였다.

본 연구의 대상 구조체는 잠수함을 단순화한 원통형 캡슐 형상으로, 가진 위치 및 방향에 따라 두 가지조건의 해석 및 실험을 수행하였다. Case 1은 보강재 상면을 x축 방향으로 가진한 경우이며, case 2는 보강재가 없는 외판을 z축 방향으로 가진한 경우이다. 수치해석 시 구조체와 근거리의 유체 영역은 유한요소법을, 그 외곽 영역은 경계요소법을 이용한 연성해석을 수행하였다. 진동 속도는 구조체 외판의 8군데지점에서 측정하였고, 방사된 음압은 구조체 주위의 7군데 지점에서 계측하였다. 실험 또한 수치해석과 동일한 가진 및 계측 조건에서 수행되었다. 각 가진 조건별로 해석과 실험 결과를 비교·분석한 결과, 전반적으로 유사한 경향성을 보이는 걸 확인하였다. 다만, 일부 대역에서 발생한 오차는 실험체에 비해 세부 요소가 일부 단순화된 해석 모델 등에 기인한 것으로 판단된다.

이러한 과정을 통해 수치해석과 실험 간의 유효성을 입증함으로써, 신뢰성 있는 음향방사효율 산출 절차 및 해석 기법의 타당성을 정립하였다. 본 연구를 통해 실험적으로 검증된 방법론은 향후 실제 함정 구조에 범용적으로 적용이 가증하며, 이를 바탕으로 각 플랫폼별 음향방사효율을 산출하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.