위성 발사체 구조 개발을 위한 음향/진동 연구

박순홍 한국음향학회 2020 韓國音響學會誌 Vol.39 No.4

Acoustic and vibration research activities for the structural development of Korean space launch vehicles are introduced in this paper. Various dynamic loads exerted on a launch vehicle during its operation are summarized. The acoustical design method of payload fairings which protect satellites from harsh launch environment was reviewed. Several acoustic research activities were performed to enhance the analytical prediction ability during the development period of the Naro and the Nuri launcher. Specifically, the following research activities are reviewed: a test and vibro-acoustic analysis of composite cylinders whose layup properties are varied, a research on low-frequency acoustic load reduction by an acoustic resonator array and an acoustic test on the cylinder part of the Naro payload fairing. A vibro-acoustic analysis result for the Nuri launcher was introduced and predicted acoustic and vibration levels and measured ones are shown to be in a good agreement. 본 논문은 우주 발사체 구조 개발을 위한 음향/진동 연구의 개요와 음향 해석 및 시험 기술의 국내 현황을소개하고 있다. 먼저 발사체 운용중에 받는 동하중에 대하여 요약, 정리하고 위성체를 보호하기 위한 페이로드 페어링의 음향 하중 저감 설계 및 해석 방법을 소개하였다. 나로호부터 현재 한국형발사체 페이로드 페어링까지 음향 보호시스템의 최적 설계를 위해 구조 진동-음향 연성 해석 성능의 향상을 도모하였으며, 이를 위한 연구 활동을 살펴보았다. 구체적으로 적층 구조가 다른 복합재료 실린더에 대한 음향 하중 저감 성능 해석 및 검증 시험, 음향 공명기 배열을 적용하기 위한 인클로저 음향 시험, 나로호 페어링 실린더부에 대한 음향 가진 시험 및 해석 등의 결과를 소개하였다. 현재개발중인 한국형 발사체(누리호)의 페이로드 페어링 음향 하중 저감 해석 및 시험 결과를 소개하였으며 해석 결과가실험 결과를 잘 예측함을 보였다.

음향 가진을 받는 복합재료 실린더 구조의 진동-음향 연성 해석 및 음향 가진 시험 결과와의 비교

박순홍,서상현,한제헌 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

직경 2m의 복합재료 실린더에 대한 진동-음향 연성 해석(Vibro-acoustic analysis) 결과를 시험 결과와 비교하였다. 500 Hz-1/3 옥타브 밴드 대역까지의 해석은 구조 유한요소법 (FEM) 및 음향 간접경계요소법 (IBEM)의 연성 모델을 이용하여 해석을 수행하였다. 630 Hz-1/3 옥타브 대역 이상의 고주파 대역의 해석은 통계적 에너지 해석법 (SEA)을 이용하여 해석을 수행하였다. 31 Hz 이하의 극저주파수 대역을 제외하고는 대부분의 주파수 대역에서 좋은 예측 결과를 줄 수 있도록 해석 모델을 보정하였고, 총합 레벨 수준에서 0.3 dB 이내의 정확도로 예측할 수 있었다. The vibro-acoustic analysis results of a 2 m diameter composite cylindrical structure under external acoustic excitation were compared with acoustic test results. Structural FEM and acoustic IBEM coupled model was utilized to predict the vibro-acoustic response below 500 Hz-1/3 octave band. Above 630 Hz-1/3 octave band, statistical energy analysis (SEA) method was applied to predict the response. Analysis model can be modified to produce accurate prediction results except 31 Hz band. The predicted overall SPL (sound pressure level) inside the cylinder showed a good agreement with measured one (below 0.3 dB OASPL).

음향모드 분할 현상을 피하는 음향공명기 동조방법에 대한 수치적 연구

박이선,손채훈 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2004 機械技術硏究 Vol.7 No.2

음향불안정을 억제하는 수동제어기구 중 하나인 음향공명기의 mode split을 일어나지 않게 동조시키기 위해서는 고유주파수의 음향에너지 특성에 따른 정확한 동조가 필요하다. 여기서는 고유주파수를 응용해서 정확한 동조를 시킬 수 있는 방법을 소개하겠다. 음향공명기 모델로서 Helmholtz 형태의 공명기가 채택되었고, 진동해석을 통해 고유주파수를 구하였다. 유해 모드로 알려져 있는 제1종방향 음향모드와 제1접선방향 음향모드를 새로운 해석 방법에 의한 감죄를 통해 검증을 하였으며, peak의 좌우의 음향에너지가 균형을 이루게 함에 따라 mode split 된 peak이 1개의 peak으로 변화하는 과정을 나타내었다. 이를 토대로 mode split 없는 감쇠를 위해서는, 억제하고자 하는 음향모드의 peak을 중심으로 한 좌우의 음향에너지가 균형을 이룰 때 모드분할 현상이 나타나지 않으면서 그 음향모드를 감쇠시킬 수 있게 동조시킬 수 있음을 알 수 있었다. Acoustic behavior in gas turbine combustion chamber with acoustic cavity is numerically investigated by adopting linear acoustic analysis. Helmholtz-type resonator is employed as a cavity model to suppress acoustic instability passively. The tuning frequency of acoustic cavity is adjusted by varying the length of acoustic cavity. Through harmonic analysis, acoustic pressure responses of chamber to acoustic oscillating excitation are shown and the resonant acoustic modes are identified. Acoustic damping effect of acoustic cavity is quantified by damping factor. As the tuning frequency approaches the target frequency of the resonant mode to be suppressed, mode split from the original resonant mode to lower and upper modes appears and thereby damping effect is degraded significantly. A method to tune acoustic resonator preveting acoustic-mode split is suggested considery energy balance between left and of the peak response right sides.

5개 블레이드 배플이 설치된 로켓엔진 연소실의 상온음향해석

김성구(Seong-Ku Kim),손채훈(Chae Hoon Sohn),김홍집(Hong Jip Kim) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.2

음향 불안정을 억제할 수 있는 수동제어기구로서 배플의 불안정 억제 효과를 파악하기 위하여 배플이 장착된 연소실의 음향학적 특성을 모드 해석과 조화 해석을 통하여 수치해석하였다. 채택된 배플은 1개의 허브와 5개의 블레이드를 가진다. 압력 섭동의 노드에 허브를 위치시킨 배플일 경우에는 1R 모드의 공진주파수 감소와 감쇠인자에는 좋으나, 허브내에서 또다른 1T 모드가 형성되는 문제가 생겼다. 권장되는 크기의 허브에 대하여 축방향의 길이를 변화시켜가면서 해석하였다. 유해한 주요 음향 모드에 대하여 공진주파수 감소와 감쇠인자를 계산하여 배플 형상이 음향 감쇠효과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 배플의 축방향 길이가 증가함에 따라 횡방향의 음향모드의 공진주파수가 감소하였고, 감쇠인자 또한 증가하였다. 종합적으로 음향해석은 비연소 음향시험과 더불어 연소불안정 억제를 위한 수통제어기구의 설계에 있어 유용하게 활용될 수 있을 것이다. Acoustic characteristics of baffled combustion chamber are numerically investigated. A hub-blade baffle of 5 blades is selected as a candidate one and five variants of baffles with various configuration are designed. Resonant frequency shift and damping factor are analyzed quantitatively as damping parameters. When the hub is located radially at the pressure node, the decrease of resonant frequency and increase of damping factor in 1R mode are dominant. But inner-1T mode is formed within hub. For smaller hub size, four kinds of axial baffle length is selected. For various axial baffle length, resonant frequency shift and increase of damping factor of transverse acoustic modes are obtained. The present study based on linear acoustic analysis is expected to be a useful confirming tool to predict acoustic field and design a passive control devices such as baffle and acoustic cavity.

보일러 튜브군의 음향공진 회피를 위한 음향배플의 위치에 따른 FEM 음향모드해석

안성종(Sung Jong Ahn),주영호(Young Ho Ju),김철홍(Cheol Hong Kim) 한국소음진동공학회 2012 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.4

A flow induced mechanical vibration and acoustic resonance should be considered at design stage because they are mainly occurred in the tube bank of boiler. Acoustic resonance is occurred when the vortex shedding frequency of tube bank coincides with the acoustic natural frequency of the cavity. Effective solution to avoid acoustic resonance is installing acoustic baffles in the tube banks parallelly inside of the flow cavity. Thus, location and number of acoustic baffles should be exactly calculated to eliminate the acoustic resonance. This paper presents case study of acoustic resonance due to inappropriate number and location of acoustic baffles. Measured frequency and mode in the study is verified by FEM acoustic modal analysis. The number and location of acoustic baffles to avoid acoustic resonance are calculated by using FEM acoustic modal analysis.

3차원 파워흐름유한요소법을 이용한 인접한 두 실내에서의 진동음향 해석

김성희(Kim, Sung-Hee),홍석윤(Hong, Suk-Yoon),길현권(Kil, Hyun-Gwon),송지훈(Song, Jee-Hun) 한국소음진동공학회 2010 한국소음진동공학회 논문집 Vol.20 No.1

Power flow analysis(PFA) methods have shown many advantages in noise predictions and vibration analysis in medium-to-high frequency ranges. Applying the finite element technique to PFA has produced power flow finite element method(PFFEM) that can be effectively used for analysis of vibration of complicated structures. PFADS(power flow analysis design system) based on PFFEM as the vibration analysis program has been developed for vibration predictions and analysis of coupled structural systems. In this paper, to improve the function of vibro-acoustic coupled analysis in PFADS, the PFFEM has been extended for analysis of the interior noise problems in the vibro-acoustic fully coupled systems. The vibro-acoustic fully coupled PFFEM formulation based on energy coupled relations is extended to structural system model by using appropriate modifications to structural-structural, structural-acoustic and acoustic-acoustic joint matrices. It has been applied to prediction of the interior noise in two room model coupled with panels, and the PFFEM results are compared to those of statistical energy analysis(SEA).

2차원 축대칭 전산해석을 이용한 초음속 로켓 제트 음향 해석

양영록(Young-Rok Yang),전혁수(Hyuck-Soo Jeon) 한국항공우주학회 2020 韓國航空宇宙學會誌 Vol.48 No.9

본 연구는 초음속 로켓 제트 후류 전산음향 해석에 소요되는 해석 시간을 줄이기 위해 수행되었다. 해석 시간을 줄이기 위한 방안으로 초음속 제트 후류를 2차원 축대칭 문제로 가정하고 전산음향 해석을 수행하였다. 전산음향 해석 결과, 음향하중 계측 결과와 유사한 결과를 보였다. 본 연구를 통해 2차원 축대칭 전산해석을 이용하여 초음속 로켓 제트 후류의 음향하중 예측이 가능함을 확인할 수 있었다. This study was conducted to reduce the computation time required for the computational acoustic analysis of the supersonic rocket jet plume. In order to reduce the computation time, computational acoustic analysis was performed assuming that the supersonic jet plume is a two-dimensional axis-symmetric problem. The results of computational acoustic analysis showed similar results to the acoustic load measurement results. Through this study, it was confirmed that the acoustic load prediction of the supersonic rocket jet plume can be predicted using a two-dimensional axis-symmetric computational analysis.

튜오마스 이롤라의 음향 분석을 활용한 슈만의 <트로이메라이> 연주해석

안수환 ( Ahn¸ Soo Hwan ) 한국피아노교수법학회 2021 음악교수법연구 Vol.22 No.2

본 논문에서는 동일한 곡이 두 개의 서로 다른 연주적 표현에 의하여 어떻게 감정적 의미 연합을 진행하는지에 대하여 녹음된 음향신호를 활용하여 분석하였다. 동일한 곡이라도 다른 연주 표현을 통하여 악곡에 부여된 의미와 음악 외적인 정보와의 연합에 의해 다양성을 나타낸다. 음향 신호에 대한 음향적 정보의 발췌를 위하여 이롤라(T. Eerola)의 “음악에 대한 청취자의 감정적 반응 도식화” 논문을 심층 분석하여 활용하였다. 이롤라가 지정한 총 여섯 가지의 음향적 정보 중 주파수 중심도, 템포 명료성, 그리고 음량 등을 집중하였다. 분석의 대상으로는 슈만의 ‘트로이메라이’를 선택하였는데, ‘트로이메라이’는 예술적이면서 대중취미적인 음악적 특징과 함께 표제음악으로서의 의미 및 음악 외적인 정보를 다양하게 담고 있는 성격소품(Character piece)이다. 연주자로는 프랑코 디 니토(Nitto, F.D.)와 윤디 리(Li, Y.)를 선택하였다. 그들이 연주한 ‘트로이메라이’를 소닉 비쥬얼라이져(Sonic visualizer)를 활용하여 음향 신호를 시각화 한 뒤, 이롤라의 음향적 정보와 감정반응의 메커니즘을 적용하여, ‘트로이메라이’의 다양한 상징적 정보와 어떻게 연합을 이루는지 살펴보았다. 그 결과 본 연구자는 두 연주자의 ‘트로이메라이’ 연주의 소리신호에 따라 감정 반응은 각각 달라지고, 이 달라진 감정 반응들은 ‘트로이메라이’가 담고 있는 다양한 정보와 연합하게 되는 효과를 확인할 수 있었다. 결국, 연주자의 다른 해석은 각기 다른 청취적 반응을 일으키며, 이것은 음향적 차이에 의하여 발생 될 수 있다. Even in the same music, the association between the meaning given to a piece of music through different performance expressions and its external information create diversity. The purpose of this study is to analyze how this emergent performance associates with emotional information and information formed by music by using recorded voice signals. To extract the acoustic information related to the voice signal, the author classified the acoustic signal by thoroughly analyzing the paper by Tuomas Eerola’s ‘Modeling the listener’s emotional response to music.’ This study intensively utilized the frequency centroid, tempo clarity, and volume, among a total of six types of acoustic information designated by Eerola, for the analysis of Robert Schumann’s ‘Traumerei’. ‘Traumerei’ is a character piece that contains a variety of information outside of music and meaning as the title music (program music) along with artistic and kitsch musical characteristics. All emotional responses of listeners will be different according to the acoustic signals of the ‘Traumerei’ performance, and these changed emotional responses are associated with various information contained in ‘Traumerei'. Therefore, according to the acoustic signals of the performance, various symbolic associations of the meanings of the music can be formed in various ways. Through this study, the author visualized the audio signals of Franco Di Nitto and Yundi Li’s ‘Traumerei’ by using Sonic Visualizer. Applying it to the mechanism of emotional response, the author examined how it is associated with various symbolic information of ‘Traumerei’. As a result, the various interpretation of performers create diverse audio signals and, the diverse audio signals cause extensive audible decoding.

음향계의 해석을 위한 부분구조합성법의 적용

오재응,고상철,조용구 한국소음진동공학회 1997 소음 진동 Vol.7 No.5

The substructure synthesis method is used for making it easy to analyze vibration systems generally in vibration field. In the past, this method has been to be used mainly because of shortage of computer memory and CPU time. But recently this method is used for analyzing complex structure or identifying the characteristics of systems precisely. The purpose of this study is to develop acoustic substructure synthesis method that can be applied to acoustic modal analysis of complex acoustic systems. Acoustic modal analysis method to be introduced here is a method that analyze acoustic natural mode shape of the complex acoustic system by the principle of CMS(component mode synthesis method). This paper describes the acoustic modal analysis of the acoustic finite element model of simple expansion pipe by acoustic substructure synthesis method. The resutls of acoustic modal analysis analyzed by Acoustic substructure synthesis method and the results by FEM(finite element method) shows good agreement.

Numerical analysis of acoustic radiation efficiency of plate structures with air bubble layers

박성주,김국현,박철수,이재혁,이근화,이철원 한국음향학회 2023 韓國音響學會誌 Vol.42 No.3

Underwater noise pollution has a significant impact on the marine environment. This study proposed a simple approach to estimate the acoustic radiation efficiency of structures with air bubble layers. The method considered the insertion loss caused by the air bubble layer through post-processing of numerical results, assuming that insertion loss is equivalent to attenuation as demonstrated by previous studies. The proposed approach was validated by comparing it with a fully coupled analysis for plate structure models. The commercial finite element program COMSOL Multiphysics was used for the acoustic-structure interaction analysis, and the acoustic characteristics of air bubble layer for the fully coupled analysis was simulated by on the Commander and Prosperetti theory. The trends indicated good agreement between the simple approach and the fully coupled analysis in terms of radiation efficiency. It is confirmed that the proposed method is providing insight into the principal mechanism of underwater noise reduction for the bubble layer on the wedge-shaped structure.