KR100343538B1 - 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치 및측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로서, 길이방향이 연직방향과 일치하도록 배열되고 하단이 막혀 있는 유체충진 탄성호스와 상기 탄성호스 내부에 일정 간격으로 설치된 복수개의 수중청음기들로 구성되는 음향모듈과; 상기 음향 모듈의 상단에 연장 부착되어 탄성호스 내부의 유체를 탄성호스의 길이방향으로 가진하는 가진모듈과; 상기 가진모듈에 가진신호를 공급하는 신호발생기와; 상기 수중청음기로부터의 신호를 수신하여 신호를 분석하는 신호분석기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치를 제공하여, 불필요한 동특성의 유발이 없어 정확한 파동 전파속도를 측정할 수 있도록 한 것이다.

Description

유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치 및 측정 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THE WAVE PROPAGATION SPEED IN A FLUID-FILLED ELASTIC HOSE}

본 발명은 내부에 유체가 충진된 탄성호스 내부의 파동 전파속도를 측정하는 장치 및 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수중에서 음파를 이용하여 목표물을 탐지 식별하는데 이용되는 수중 소나(sonar) 시스템에서 음파를 수신하는 음향 모듈의 동특성을 분석하기 위해 사용될 수 있는 파동 전파속도 측정장치 및 측정 방법에 관한 것이다.

수중에서 음파를 이용하여 수중 표적(잠수함, 어뢰)을 탐지하기 위한 수중 소나 시스템에서는 선배열 음탐기 시스템(TASS, Towed Array Sonar System)이 널리 사용된다. 그 중에서 수중 음파를 수신하는 센서부는 수중청음기를 절연오일이 채워진 탄성호스 내부에 직선 형태로 일정한 간격으로 배열한 단위 음향모듈을 연결하여 200m 내외의 길이로 설계 제작된다. 이러한 선배열 음향모듈은 예인 함정으로부터 발생되는 방사소음의 영향을 최소화하기 위하여 수백에서 수천 미터의 예인 케이블에 연결되어 예인함정의 후미에 설치되어 수중에서 예인 운용된다. 그런데 예인케이블의 유동유기 진동과 탄성호스 외벽에 발생된 난류유동에 의하여 탄성호스 내부에는 길이방향으로 진행하는 압력파동이 발생된다. 이러한 길이방향 진행파는 수중청음기에 음압으로 작용하여 음탐기의 최종 출력신호에 자체소음으로 측정되어 선배열 음탐기의 탐지성능을 저하시킨다. 따라서 저소음 특성을 갖는 선배열 음향모듈을 설계하기 위해서는 내부 유체 충진 탄성호스의 파동의 특성, 특히 전파속도를 정확히 규명할 필요가 있다.

그런데 종래의 측정장치는 유체 충진 탄성호스를 공기 중에서 수평자세로 설치하고 호스의 한쪽 끝단을 고정하고 한쪽 끝단에서 가진기를 이용하여 길이 방향 진동을 가한 후 탄성호스 내에 설치된 수중청음기들로부터 측정된 압력파 신호의 도달 시간차를 측정하거나 호스 외벽에 가속도 센서를 길이 방향으로 부착하고 측정된 가속도 신호를 분석하여 파동 전파속도를 측정한다. 또한 상기 가진기는 유체 충진 탄성호스 내의 유체에만 길이방향 진동을 가하는 것이 아니라 내부에 유체가 충진된 탄성호스의 일단을 캡으로 막은 상태에서 상기 캡에 길이방향 진동을 가하도록 구성되어 있었다.

이러한 종래의 측정장치에서는 탄성호스를 설치하는데 있어서 호스를 수평으로 설치하기 때문에 유체가 충진된 탄성호스가 자체 하중에 의하여 직선 형태를 유지하지 못하고 처짐으로 인해서 길이 방향 진동 외에 횡방향 진동이 부가적으로 나타나서 불필요한 동특성을 유발시켜 정확한 전파속도를 규명하는데 문제점이 있었고, 이를 방지하기 위해서는 탄성호스가 수평을 유지하도록 지지하는 별도의 구조물이 필요하여 복잡하고 고비용을 요하였으며 이러한 별도의 구조물로도 완벽하게 불필요한 동특성을 방지하지는 못하였다. 또한, 탄성호스의 일단을 막고 있는 캡을 길이방향으로 가진시킴에 따라 유체만이 아니라 탄성호스까지 가진되어 이러한 불필요한 동특성에 따른 문제점은 가중되었다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 인식하여 창출된 본 발명의 목적은 불필요한 동특성의 유발이 없어 정확한 파동 전파속도를 측정할 수 있는 파동 전파속도 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 의한 파동 전파속도 측정 장치를 개략적으로 보인 것이고,

도 2 는 본 발명의 일실시예 적용되는 가진모듈의 구성을 보인 것이며,

도 3 은 수중청음기에서 수신되는 음향신호의 예를 보인 것이고,

도 4 는 벌지파 및 확장파에 대한 확산곡선을 보인 것이다.

***도면의 주요부분의 부호의 설명***

1: 음향모듈 2: 탄성호스

3: 유체 4: 수밀 컨넥터

5: 추 6: 가진기

7: 신호발생기 8: 가진 피스톤

9: 실린더 10:수중청음기

11: 신호전송 케이블 12: 신호분석기

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 길이방향이 연직방향과 일치하도록 배열되고 하단이 막혀 있는 유체충진 탄성호스와 상기 탄성호스 내부에 일정 간격으로 설치된 복수개의 수중청음기들로 구성되는 음향모듈과; 상기 음향 모듈의 상단에 연장 부착되어 탄성호스 내부의 유체를 탄성호스의 길이방향으로 가진하는 가진모듈과; 상기 가진모듈에 가진신호를 공급하는 신호발생기와; 상기 수중청음기로부터의 신호를 수신하여 신호를 분석하는 신호분석기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치가 제공된다.

상기 가진모듈은 상기 음향모듈의 상단에 연장 부착되는 실린더와 상기 실린더 내부에서 왕복하면서 유체를 가진하는 가진 피스톤을 구동하는 가진기로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치가 제공된다.

이하, 첨부도면에 도시한 본 발명의 실시예에 근거하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명의 일실시예의 구성을 보인 것이다. 이에 도시한 바와 같이, 음향모듈(1)은 길이방향이 연직방향과 일치하도록 배열된 탄성호스(2) 내부에 유체(3)가 충진되어 있으며 하단에는 수밀 컨넥터(4)가 조립되어 막혀있다. 이러한수밀 컨넥터(4)를 조립하여 막는 것 외에 탄성호스의 제조시 부터 막힌 구조로 성형하는 것도 가능할 것이다. 상기 음향모듈(1)은 유체의 하중에 의해 연직방향을 유지할 것이나 이를 보다 확실히 하기 위해 수밀 컨넥터(4)에 추(5)를 설치한다. 상기 음향모듈(1)의 탄성호스(2) 상단에는 원통형 실린더(9)가 연장 부착되어 있으며, 원통형 실린더(9)의 내부에서는 가진기(6)에 의해 구동되는 가진 피스톤(8)이 설치된다. 또한, 상기 가진기(6)에 입력되는 가진신호를 발생시키는 신호발생기(7)가 있다. 한편, 가진에 의해 발생된 유체의 파동속도를 측정하기 위한 측정시스템을 구성하기 위해서 탄성호스(2)의 내부에 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 수중청음기(10)를 배열하고 수중청음기(10)로부터 측정된 전기적 음압 신호를 전송케이블(11)을 통하여 신호분석기(12)로 입력시켜 파수-주파수 스펙트럼을 얻는다.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 사용되는 가진 피스톤(8) 및 실린더(9)의 상세도를 그린 것으로 실린더(9) 내에 있는 유체(3)를 길이 방향으로 가진 시키기 위한 피스톤(8)이 2중 원판 구조로 설계되어 있으며, 실린더(9) 내벽과 피스톤(8) 외주는 서로 접촉되지 않는 한도에서 밀착되도록 한다. 상기 실시예에서 가진 피스톤(8)을 2 중 원판 구조로 한 것은 하부의 원판 외주와 실린더(9) 내벽 사이를 통과하여 위로 올라온 유체에 상부 원판으로 힘을 가할 수 있도록 하여 에너지 전달의 효율을 높이기 위한 것이며, 이러한 목적을 위해 3중 내지 4중 구조 등의 다중 구조로 하는 것이 가능하고, 그냥 단일의 구조로 하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 파동의 전파속도를 주파수 영역 f_min∼ f_max(Hz) 범위에서 규명한다고 가정하면 음향모듈 내부에 배열될 수중청음기(10)의 최소 배열 간격 d_min은 d_min(m) ≤ C_min/2f_max로 결정된다. 여기서 C_min(m/sec)은 규명하고자 하는 파동의 전파속도의 최소값이다. 그러면 신호발생기(7)를 이용하여 관심 있는 주파수 영역 f_min∼ f_max(Hz) 범위의 주파수 성분을 갖는 랜덤 신호(random signal)를 발생시키고 이를 가진기(6)에 입력하여 가진 피스톤(8)을 왕복운동시킨다.

도 3은 가진기(6)에서 한 주기의 정현파로 길이 방향 가진에 의해서 2개의 수중청음기(10)에 수신된 음압신호를 나타낸 것으로 두개의 수중청음기 사이의 간격이 d일 때 파동이 특정 전파속도로 진행하면서 각 수중청음기에는 △T라는 시간지연을 갖는 신호가 나타나며 이로부터 파동의 전파속도(C = d/△T)를 구할 수 있다. 그런데 이러한 측정 방법은 파동 압력이 상대적으로 큰 벌지파(Bulge Wave) 만을 측정할 수 있으며 상대적으로 미약한 신호를 갖는 확장파(Extensional Wave)의 전파속도는 측정하기 어렵다. 그래서 본 측정 방법에서는 일정 간격으로 배열된 여러개의 수중청음기에서 얻어지는 시간-공간에 대한 압력신호(S)를 다음 식으로 표현되는 2차 푸리에 변환(2-D FFT)을 통하여 주파수-파수 스펙트럼(f)을 얻을 수 있다.

f(k,ω) = ∬S(t,x)e^-jke^-jwtdxdt

이러한 스펙트럼은 주파수와 파수 영역에 대하여 나타낼 수 있으며 도 4는 다수의 청음기로부터 측정된 음압 신호를 신호분석기(12)를 이용하여 분석하여 얻어지는 파수-주파수 스펙트럼을 그린 것이다. 세로축은 파수(wave number)를 나타내며 가로축은 주파수 ω(=)를 나타낸다. 특정한 전파속도를 갖는 파동들은 주파수-파수 스펙트럼 상에 특정한 기울기를 갖는 능선을 형성하게 되며, 이러한 능선에 의해 나타난 곡선을 확산곡선(dispersion curve)이라 한다. 이 확산곡선의 기울기를 계산함으로써 파동의 전파속도는의 값으로 결정된다.

간단히 말해, 청음기로부터 수신된 시간-공간영역의 신호로부터 2차 푸리에 변환을 이용하여 파수-주파수 스펙트럼을 얻은 다음 확산 곡선의 기울기를 계산하여 각 파동에 대한 전파속도를 구할 수 있는 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은 탄성호스를 지지하는 별도의 구조물을 필요로 하지 않으면서 탄성호스의 직선성을 간단하게 유지하여 불필요한 동특성을 방지할 수 있으며, 탄성호스는 가진되지 않고 유체만이 가진될 수 있도록 구성되어 있으므로 탄성호스의 가진에 의한 불필요한 동특성의 개입도 방지할 수 있으므로, 정확한 파동 전파속도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 길이방향이 연직방향과 일치하도록 배열되고 하단이 막혀 있는 유체충진 탄성호스와 상기 탄성호스 내부에 일정 간격으로 설치된 복수개의 수중청음기들로 구성되는 음향모듈과; 상기 음향 모듈의 상단에 연장 부착되어 탄성호스 내부의 유체를 탄성호스의 길이방향으로 가진하는 가진모듈과; 상기 가진모듈에 가진신호를 공급하는 신호발생기와; 상기 수중청음기로부터의 신호를 수신하여 신호를 분석하는 신호분석기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가진모듈은 상기 음향모듈의 상단에 연장 부착되는 실린더와 상기 실린더 내부에서 왕복하면서 유체를 가진하는 가진 피스톤을 구동하는 가진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가진 피스톤은 다중 원판 구조로 된 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성호스의 하단에는 탄성호스의 직선성을 보다 확실히 하기 위해 추가 설치되는 것을 특징으로 하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 장치.
5. 탄성호스 내부에 일정 간격으로 배열된 여러 개의 수중청음기에서 얻어지는 시간-공간에 대한 압력신호(S)를 다음 식으로 표현되는 2차 푸리에 변환(2-D FFT)을 통하여 주파수-파수 스펙트럼(f)을 얻고, 얻어진 스펙트럼을 주파수와 파수 영역에 대하여 나타내고, 특정한 전파속도를 갖는 파동들은 주파수-파수 스펙트럼 상에 특정한 기울기를 갖는 능선을 형성하게 되는 것을 이용하여 파동의 전파속도를 결정하는 유체 충진 탄성호스 내부의 파동 전파속도 측정 방법.

   f(k,ω) = ∬S(t,x)e^-jke^-jwtdxdt