음향 재료의 저주파 음향 특성 측정 시스템 구성을 위한 파라메트릭 어레이 특성 연구

Abstract

수중 음향에서 장비 또는 물체의 성능을 평가하기 위해서는 음향 재료의 음향 특성을 정확하게 예측하고 측정하는 것이 중요하다. 음향 재료의 음향 특성은 주파수에 따라 다르기 때문에 넓은 범위의 주파수에 대한 재료의 음향 특성을 측정이 필요하며, 일반적으로 음향 특성을 측정하기 위해서는 수조에서 반사 실험과 투과 실험이 이루어진다. 하지만 제한된 크기의 수조에서의 패널 테스트를 통한 음향 특성 측정의 경우, 회절 신호와 벽 반사 신호 등의 간섭 신호 문제로 실험 범위가 제한된다. 특히 저주파의 경우 음원의 크기가 커져야 하는 물리적 한계와 운용의 어려움이 발생한다. 파라메트릭 어레이를 사용하면 저주파 특성 측정을 수행할 수 있으며, 높은 지향성을 가지기 때문에 패널의 가장자리로부터의 회절 신호와 벽 반사 신호와 같은 간섭 신호의 문제를 줄일 수 있다. 파라메트릭 어레이는 고주파의 비선형 상호작용을 이용하여 저주파를 생성하며 고주파의 음원을 사용하기 때문에 음원의 크기가 작으며, 비선형 상호작용에 의한 가상의 2차 음원은 종단 어레이(end-fire array)와 유사하여 좁은 빔 폭을 가진다. 파라메트릭 어레이를 음향 측정 시스템의 음원으로 사용하기 위해서는 근거리에 대한 파라메트릭 어레이의 특성 파악이 필요하다. 파라메트릭 어레이에 관한 연구는 다양하게 이루어졌지만, 근거리에 대한 파라메트릭 어레이의 특성과 실험적 연구 사례는 찾기 힘들다. 본 논문에서는 파라메트릭 어레이를 음원으로, 200kHz의 1차 파를 사용하여 4~7kHz 대역의 음향 재료의 음향 특성 측정 시스템을 구성하기 위해 고려해야 할 파라메트릭 어레이의 특성을 연구하였다. (1) 파라메트릭 어레이의 음원 구동 방식에 대해 실험적 비교를 수행하였으며, (2) 근거리에서 파라메트릭 어레이의 신호를 측정할 때 의도하지 않은 비선형 효과로 인해 발생하여 2차 파와 구별이 어려운 문제인 pseudo sound의 영향과 감소 방법에 대한 실험적 연구를 수행하였다. (3) 또한 파라메트릭 어레이를 사용하여 음향 특성 측정 시스템의 최적의 저주파 신호를 생성하기 위한 상호작용 거리에 대해 실험적 연구와 (4) 상호작용이 종료된 2차 파의 전달 손실 추정을 위한 실험을 수행하였다. 광대역 파라메트릭 어레이와 dual-frequency 파라메트릭 어레이의 실험적 비교를 통해 2차 파의 세기 및 식별성 등을 고려하여 광대역 파라메트릭 어레이를 음향 특성 측정 시스템의 구성에 적합한 음원으로 결정하였다. 육상 수조와 대형 수조에서의 실험 결과를 통해 pseudo sound의 영향은 1차 파의 세기에 기인하는 것을 확인하였으며, truncator를 사용한 pseudo sound의 영향 감소 방법의 유효성을 확인하였다. 또한 기존의 파라메트릭 어레이의 근사해를 실험 환경에 대해 수정한 해석적 결과와 상호작용 거리에 따른 2차 파의 세기 측정 결과를 비교하여 실험 결과의 유효성을 검증하고 시스템 구성을 위한 최적 상호작용 거리는 4m이상으로 확인하였다. 파라메트릭 어레이를 사용하여 음향 재료의 저주파 음향 특성을 측정하는 시스템을 구성하기 위해 파라메트릭 구동방식, pseudo sound의 영향, truncator의 최적 위치와 같이 고려되는 수많은 요소가 실험 결과와 함께 설명된다. 따라서, 이 실험 절차와 결과는 저주파 음향 특성을 측정하는 시스템 설계에 활용될 수 있다.