유한요소/경계요소 연성해석을 통한 수중 구조기인소음 해석

이두호(Dooho Lee),김현실(Hyun-Sil Kim),김봉기(Bong-Ki Kim),이성현(Seong-Hyun Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.7

함정의 수중방사소음은 그 해석의 어려움이나 정확성에 있어서 매우 관심이 큰 문제이다. 본 논문에서는 구조물의 수중방사소음을 해석하기 위하여 유한요소/경계요소 연성해석법을 제안하였다. 제안된 방법은 헤름홀츠방정식에 대한 Burton-Miller 적분방정식에 기반하는 부가수 질량과 감쇠행렬을 이용하여 구조물의 구조-유체 연성응답을 해석하고 계산된 구조물의 응답으로부터 수중방사소음을 계산하는 순차적인 방법이다. 구조-유체연성작용의 구조해석은 상용소프트웨어인 MSC/NASTRAN 에 구조-유체연성효과 행렬을 추가하여 해석하는 방법으로 이루어졌고, 수중방사소음의 경우는 전용 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 수중방사소음 해석법을 간단한 예제를 통하여 그 특성을 살피고, 실제 함정의 받침대진동에 의한 수중방사소음의 계산에 적용하여 그 유용성을 보였다. Radiated noise analysis from a ship structure is a challenging topic owing to difficulties in the accurate calculation of the fluid-structure interaction as well as owing to a massive degree of freedom of the problem. To reduce the severity of the problem, a new fluid-structure interaction formulation is proposed in this paper. The complex frequency-dependent added mass and damping matrices are calculated using the high-order Burton-Miller boundary integral equation formulation to obtain accurate values over all frequency bands. The calculated fluid-structure interaction effects are added to the structural matrices calculated by commercial finite element software, MSC/NASTRAN. Then, the impedance and underwater radiation noise due to an excitation of structure are calculated. The present formulation is applied to a ship to calculate the underwater radiated noise.

운행 중 전달경로해석법을 이용한 선박의 수중방사소음 예측

이성현(Seong-Hyun Lee),마평식(Pyung-Sik Ma),서윤호(Yun-Ho Seo),김봉기(Bong-Ki Kim),이석규(Sock-Kyu Lee) 한국소음진동공학회 2023 한국소음진동공학회 논문집 Vol.33 No.4

It is necessary to predict underwater radiated noise with sensors attached to the ship because measuring noise radiated from ships has limitations such as the requirement for additional measurement systems, the requirement for low background noise, and the need for the absence of ships operating nearby. To estimate underwater radiated noise and determine the contribution of noise sources, operational transfer path analysis is used. Accelerometers are mounted on a variety of machinery and submerged plates to evaluate the transmission path while considering noise sources. To measure the underwater radiation noise, a buoy system is deployed in the water. Under various speed conditions, with or without cavitation, the acceleration and underwater radiated noise are measured simultaneously. The independent principle components describing the transfer function are determined using the singular value decomposition algorithm. The underwater radiated noise predicted using the measured acceleration level and transfer function is compared to the measured noise. For each speed case, the contribution of noise sources is investigated.

파랑관통형 선형의 선체유기 유동소음특성에 관한 연구

최원석,홍석윤,송지훈,권현웅,이신형,서정화 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.5

선박의 고속, 대형화 및 규제강화의 추세에 따라 유동소음의 중요성이 강조되고 있다. 그러나 항공, 철도 등의 공력소음 분야에서 유동소음을 설계에 반영하고 있는 것에 반해 조선해양분야에서는 고려되지 않고 있다. 본 연구에서는, 선체유기 유동소음의 해석절차를 정립하고 쇄파의 영향이 작고 선체선형에 의한 유기소음의 특성이 뚜렷한 파랑관통형 선형에 대해 소음특성을 분석하였다. 선체유기 유동소음의 주요 메커니즘인 난류경계층 내부의 복잡한 난류유동과 구조물의 유체-구조 연성적 소음원은 벽면변동압력을 이용하여 가진력을 모델링하고 파워흐름해석법을 이용하여 진동음향 응답해석을 수행하였다. 주파수 영역 및 선체부위에 따라 상의한 소음특성을 가지며 저주파수 영역에서 선형의 영향이 상대적으로 크고 유속에 비례하는 경향을 확인할 수 있었다. As ships become faster, larger and are required to meet higher standards, the importance of flow noise is highlighted. However, unlike in the aeroacoustics field for airplanes and trains (where flow noise is considered in design), acoustics are not considered in the marine field. In this study, analysis procedures for hull-induced flow noise are established to investigate the flow noise characteristics of a wave-piercing hull form that can negate the effect of wave-breaking. The principal mechanisms behind hull-induced flow noise are fluid-structure interactions between complex flows underneath the turbulent boundary layer and the hull. Noise induced by the turbulent boundary layer was calculated using wall pressure fluctuation and energy flow analysis methods. The results obtained show that noise characteristics can be distinguished by frequency range and hull region. Also, the low-frequency range is affected by hull forms such that it is correlated with ship speed.

선체진동 신호로부터 정의된 선체의 수중방사소음을 이용한 프로펠러 캐비테이션 소음 예측 연구

한형석(Hyungsuk Han),전수홍(Soohong Jeon),이청원(Chungwon Lee),김용훈(Yonghoon Kim) 한국소음진동공학회 2019 한국소음진동공학회 논문집 Vol.29 No.6

In order to estimate the underwater radiated noise of a ship, the underwater radiated sound from the hull as well as the propeller cavitation should first be defined. However, the propeller cavitation sound is not defined yet but the approximated value is used in the design state of the ship. In this research, the propeller sound including external flow-induced noise is defined. The underwater radiated noise of a ship and underwater radiated noise estimated from the acceleration on the hull by experiment.

선박의 장비 공기소음이 수중방사소음에 미치는 영향검토

김현실,김재승,김봉기,김상렬,이성현 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

In research vessels or naval ships, airborne noise from machineries such as diesel engine is the major source of underwater noise. In this paper, effect of engine noise on underwater noise is studied by considering two paths; sound radiation from hull plate and direct airborne noise transmission through hull plate. SEA (Statistical energy analysis) is used to predict hull plate vibration induced by engine noise. The pressure level in water is calculated from sound radiation by plate. Engine noise transmission through hull plate is obtained by assuming plane wave propagation in air-limp plate-water system. Two effects are combined and compared to the measurement, where speaker is used as a source in engine room and sound pressure levels in engine room and water are measured. The hydrophone is located 1 m away from the hull plate. It is found that two results show similar trends, although below 1000 Hz, prediction overestimates underwater sound pressure level by 5 to 12 dB.

해양플랜트 작업환경이 어류분포에 미치는 영향

윤성오,김형석,류경진,이유원 한국수산해양기술학회 2017 수산해양기술연구 Vol.53 No.4

The objective of this study was to prove possible effects of a habitable place for fish around semi-submersible drilling rig which measured underwater radiated noise, irradiance distribution of rig's light and conducted experimental fishing in Malaysia territory and observed for distribution of fishes around the rig by ROV during drilling operation in the East Sea of Korea. As a result underwater radiated noise was 130 dB/μPa from 156.25 to 187.50 Hz, irradiance distribution of light was between 21.5 and 43.1 lx. Despite this result, underwater radiated noise was not a threat to fish around rig and low irradiance distribution of light also played a role in the luring influence of the fishes at night. Fish showed up in the beginning of drilling operation and at the end of drilling operation. However, there are few fish in the midst of drilling operation. The main reason for this result was the destruction of the habitable place due to blow out mud and broken pieces of ground formation in drilling hole. The results are expected to contribute to reasonable fishery management around rig. 본 연구는 해양플랜트 특히 반잠수식 시추선이 시추작업 중 주변 해역에 서식하는 해양생물에 미치는 영향에 대한 기초자료를 수집하기 위하여 시추선에서 수중으로 발생되는 방사소음과 선체 주변 방사 조도를 정량적으로 분석하여 시추선 주변에 분포하는 어류에 미치는 영향에 대하여 고찰한 결과는 다음과 같다. 시추선에서 수중으로 방사되는 소음은 시추선의 종류 및 발전기의 용량에 따라 상당한 차이가 있는데, 본 연구에서는 시추작업 시 156.25~187.50Hz에서 130dB/µPa을 나타내었고, 주변 배경소음과 비교하여 31.25~187.50Hz까지 20dB/µPa이상을 나타내어 반잠수식 시추작업 초기에 순간적으로 어류들에게 구집이 일어날 것으로 판단되나, 시추작업 시 발생되는 수중음압이 그렇게 위협적이지 않으므로 구집의 영향은 미미할 것으로 판단된다. 시추선 주변 수면 위 1m 조도는 선수 43.1lx, 선미 32.3lx, 좌현 26.8lx, 우현 21.5lx로 나타났으며, 수심 4m 보다 깊은 곳에서는 조도가 측정되지 않았다. 시추선 주변 방사 조도를 어선의 집어등 조도와 비교하면 약 1.7∼56% 정도로 시추선의 등화가 집어등으로써의 역할을 하기 에는 매우 낮은 광량이지만 시추환경의 특성상 시추선의 등화주변으로 어류가 유집되는 것을 관측할 수 있었다. 통발 시험어구를 이용하여 시추선 주변의 어획특성은 말레이시아 해역에서는 녹줄메가리 Trachurus declivis, 수조기 Nibea albifora 등이 많이 어획되었으며, 동해 시추작업 중에는 살오징어 Todarodes pacificus, 기름가자미 Glyptocephalus stelleri, 보리멸 Sillago sihama 등이 무인잠수정에 다수 관측되었다. 즉, 본 연구는 반잠수식 시추선의 수중소음과 여러 가지 작업 환경에서 오는 요인에도 불구하고 시추선 주변에 다양한 어류가 서식하는 것으로 조사되어 향후 시추작업으로 인한 어업피해 등의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

펌프젯 추진기의 공동 비공동 유동소음에 대한 수치적 연구

구가람,정철웅,설한신,정홍석 한국음향학회 2023 韓國音響學會誌 Vol.42 No.3

In this study, the noise contributions by the duct, stator and rotor, which are the propulsor components, are evaluated to identify the flow noise source in cavitation and non-cavitation conditions on pumpjet propulsion and the noise levels in both conditions are compared. The unsteady incompressible Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equation based on the homogeneous mixture assumption is applied on the suboff submarine hull and pumpjet propeller in the cavitation tunnel, and the Volume of Fluid (VOF) method and Schnerr-Sauer cavitation model are used to describe the two-phase flow. Based on the flow simulation results, the acoustic analogy formulated by Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equation is applied to predict the underwater radiated noise. The noise contributions are evaluated by using the three types of impermeable integral surface on the duct, stator and rotor, and the two types of permeable integral surface surrounding the propulsor. As a result of noise prediction, the contribution by the stator is insignificant, but it affects the generation of flow noise source due to flow separation in the duct and rotor, and the noise is predominantly radiated into the upward and right where the flow separations are. Also, the noise is radiated into the thrust direction due to pressure fluctuation between suction and pressure sides on the rotor blades, and the it can be seen that the cavitation effect into the noise can be considered through the permeable integral surface. 본 연구에서는 펌프젯 추진기를 대상으로 공동, 비공동 조건에서의 유동 소음원을 규명하기 위하여 추진기의각 구성품인 덕트와 스테이터, 로터에 의한 소음 기여도를 평가하였으며, 공동과 비공동 조건에서의 소음 수준을 비교하였다. 대형 캐비테이션 터널 내 Suboff 잠수함 선형과 펌프젯 추진기를 대상으로 균일혼상류 가정의 비정상 비압축성 Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 적용하였으며, 이상 유동을 모사하기 위해 Volume of Fluid(VOF) 기법과 Schnerr-Sauer 공동 모델을 적용하였다. 유동해석 결과를 기반으로 수중방사소음을 예측하기 위해 Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H) 방정식 기반의 음향상사법을 적용하였으며, 덕트와 스테이터, 로터로 구성된 3개의 비투과성 적분면과 추진기를 감싸는 형태의 2가지 투과성 적분면을 선정하여 소음 기여도를 평가하였다. 소음 예측결과로부터 스테이터는 전체 소음에 대한 직접적인 기여도는 낮으나 덕트와 로터에서의 유동 박리에 의한소음원 형성에는 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 유동이 박리되는 연직상방과 우측방향으로 소음이 크게 방사되었다. 또한 로터에서는 날개의 흡입면과 압력면 간의 압력 섭동에 의해 추진방향으로 소음이 크게 방사되었으며, 투과성적분면을 통해 체적 소음원인 공동의 효과를 반영할 수 있음을 확인하였다

캐비테이션 소음의 위치 규명을 위한 추진기 상부 선체 표면 수중 음향센서 배치에 대한 실험적 연구

황은수(Eunsue Hwang),정홍석(Hongseok Jeong),설한신(Hanshin Seol) 한국소음진동공학회 2022 한국소음진동공학회 논문집 Vol.32 No.1

To localize cavitation noise using the beam forming method, sensors are mounted above the propeller on the hull surface of a model-scale ship. Beam forming results are highly dependent on the number and arrangement of sensors; thus, an array with a large number of sensors for a wide range will have good performance. However, it is difficult for such a system to be applied to a model scale, or to a full-scale ship in practical applications. A model-scale experiment was thus conducted at the cavitation tunnel of KRISO using various on-board sensor arrangements. The performance of each arrangement was verified from the experiment using the reference noise source, and it was confirmed that the location of the noise source could be estimated. Additionally, a feasibility study was carried out for a model ship with a single screw propeller, and it was confirmed that the location of the cavitation noise at the 12 o’clock position of the propeller was well represented.

평판요소 방사효율을 이용한 원통형 구조물 음향방사파워 산출에 관한 연구

한승진(Seungjin Han),강명환(Myunghwan Kang),배수룡(Sooryong Bae),정우진(Woojin Jung) 한국소음진동공학회 2016 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.4

This study investigates an efficient method to estimate the underwater radiated noise of submerged circular cylindrical structures. The underwater radiated noise is estimated from the measured velocity and the calculated radiation efficiency of the structure surface. The estimation of total acoustic radiation power are in a good agreement with the measurement results for the mid-high frequency range. However, the estimation of radiation directivity does not match well.

순환정상성을 이용한 캐비테이션 초생 속도 분석기법 연구

이희창,김성용,한민수,김태형,문영선 한국소음진동공학회 2019 한국소음진동공학회 논문집 Vol.29 No.5

Cavitation inception speed (CIS) is a key factor of the acoustic stealth performance of naval ships because the level of underwater radiated noise begins to increase significantly after cavitation inception. Moreover, the acoustic feature could be provided to the enemy. The CIS is currently measured and managed by a strict naval procedure. Nevertheless, it is hard to measure and judge. Therefore, this paper suggests detection schemes of cavitation inception using the wide-sense cyclostationary process, which presents the noise characteristics of carriers and original tonal signals simultaneously. Then, the suggested scheme is verified to be more suitable for analysis of the CIS than existing schemes via a sea trial test.