Active control of low-frequency noise in bubbly water-filled pipes

노응휘,우상범,이동주,송민호,이재완,이훈기,엄원석,장하다,이근상,박영철,서영수 대한기계학회 2019 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.33 No.7

This paper describes an active silencer system for low-frequency noise in water-filled pipes, with implementation in marine vessels and structures in mind. Active noise control in underwater environment has its unique challenges arising from bubbles. In this light the effect of bubbles on active noise control in water-filled pipes is explored, and a design guideline for a robust active silencer is proposed. The silencer consists of an underwater sound source, an error hydrophone, and an electronic controller programmed with an adaptive filter. The adaptive filter is updated using the filtered-x least mean square algorithm. Estimation of the incoming noise is performed using an adaptive notch filter. The performance of the active silencer is tested for pure tone noises below 500 Hz in a water-filled pipe connected to a reservoir. Notable reduction of noise is achieved with varying degrees of success at different bubble fractions.

1-3형 압전복합재료 등가물성 직접 추출 기법의 정확도 분석

노응휘,김동현,문형민,장우석,윤홍우,표성훈,김경섭,조요한 한국음향학회 2023 韓國音響學會誌 Vol.42 No.5

본 논문에서는 1-3형 압전복합재료를 단일상의 균질 압전매질로 모델링하기 위해 필요한 등가의 물성을 유한요소 해석으로 직접 추출하는 기법의 정확도를 다룬다. 직접 추출 기법은 압전재료의 전기적, 기계적 거동과 상호 간커플링을 기술하는 구성방정식을 기반으로 물성 행렬의 개별 성분들을 직접적으로 산출하는 방법이다. 직접 추출에사용되는 두 가지 구성방정식 조합 간의 정확도를 비교하기 위하여 단일 1-3형 압전복합재료 하이드로폰을 대상으로등가물성과 수신감도를 산출하고 전체 영역에 대한 유한요소 해석 결과와 비교한다. 물성 추출의 정확도는 압전복합재료를 구성하는 폴리머의 탄성 특성과 밀접한 관련이 있음을 확인하고, 오차 원인을 분석하여 정확한 등가물성 산출을 위한 가이드라인을 제시한다. 압전복합재료 하이드로폰과 주변의 음향구조물을 포함하는 스테이브 규모에 대해서도 등가 모델링을 적용하여 추출된 물성의 정확도와 연산량 감소를 확인한다. This paper presents accuracy of a method that directly estimates equivalent properties of a 1-3 piezocomposite for modeling it into the single phase homogeneous piezomaterial. This direct estimation method finds individual components of a material property matrix based on the piezoelectric constitutive equations, which represent mechanical and electrical behaviors and their couplings. Equivalent properties on a single 1-3 piezocomposite hydrophone are derived, and their accuracy depending on pairing of the constitutive equations is investigated by comparing them with finite element analysis for the whole domain. The accuracy is related to elastic characteristics of a matrix polymer, and the error is analyzed so that some guidelines for correct estimation are suggested. Fidelity of estimated properties and equivalent modeling is shown in a stave scale including hydrophones and surrounding acoustic structures as well, and reduced computational cost is verified.

해양 배경 소음 하의 수신 특성 안정화를 위한 원통형 하이드로폰 배열의 개념 설계

노응휘,이훈기,엄원석,장우석,Noh, Eunghwy,Lee, Hunki,Ohm, Won-Suk,Chang, Woosuk 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.3

수중 음향 감시 체계는 하이드로폰 배열을 이용하여 적함을 실시간으로 탐지하고 그 위치를 추적하는데, 해저 고정형 센서 배열은 이러한 감시 체계에 있어 중추적 역할을 수행한다. 본 연구에서는 천해 환경을 고려한 해저 고정형 원통형 하이드로폰 배열의 개념 설계를 유한요소해석을 통하여 수행하였다. 해양 배경 소음 하에서의 수신 특성 안정화를 위하여 금속 차단막을 이용한 배경 소음 스펙트럼 준위의 백색화 기법을 제안하였고, 배열 형상 최적화를 통하여 고각 및 방위각 방향의 지향성을 확보하였다. 나아가 소나돔의 형상과 재질에 따른 구조 진동 및 음향 산란 특성을 고찰하였다. 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향적 투명화를 통하여, 해당 주파수 범위에 걸쳐 4 dB 이내의 감도 편차를 갖는 강건한 수신 특성의 하이드로폰 배열을 도출할 수 있음을 보였다. An underwater sound surveillance system detects and tracks enemy ships in real-time using hydrophone arrays, in which seabed-mounted sensor arrays play a pivotal role. In this paper the conceptual design of seabed-mounted, cylindrical hydrophone arrays for use in shallow coastal waters is performed via finite element calculations. To stabilize the receiving characteristics under the ocean ambient noise, a technique for whitening the ambient noise spectrum using a metal baffle is proposed. Optimization of the array configuration is performed to achieve the directivity in the vertical and azimuthal directions. And the effects of the sonar dome shape and material on the structural vibration and sound scattering properties are studied. It is demonstrated that a robust hydrophone array, having a sensitivity deviation less than 4 dB over the frequency range of interest, can be obtained through the whitening of the ambient noise, the optimization of the array configuration, and the design of acoustically transparent sonar domes.

능동 소나 배열의 개념 설계를 위한 반복법 기반 배열 해석

노응휘(Eunghwy Noh),천원종(Wonjong Chun),엄원석(Won-Suk Ohm),빈경훈(Kyounghun Been),문원규(Wonkyu Moon),장우석(Woosuk Chang),윤홍우(Hongwoo Yoon) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 논문집 Vol.27 No.2

The array equations are commonly used for analysis and conceptual design of active sonar projector arrays. Calculation of the radiation impedance matrix poses a major computational bottleneck for the solution of the array equations, which leads to a dramatic increase in computational load as the number of constituent transducers increases. Here, we propose an iteration-based solution method that does not require the calculation of the radiation impedance matrix, as a computationally efficient alternative to the status quo. The validity of the iteration-based analysis is judged against the full finite-element analysis that includes the entire array as well as the medium. The array equations for the 1/3-sector of a cylindrical array comprised of 48 Tonpilz transducers are augmented by the lumped element models, and are solved iteratively for the acoustic and electro-mechanical characteristics. The iteration-based analysis exhibits rapid convergence and accuracy comparable with the FE analysis. Simulations also reveal that the acoustic coupling between transducers has more pronounced effects on the electro-mechanical characteristics of individual transducers than the acoustic performance of the array.

단위 트랜스듀서 간 성능편차를 갖는 타일형 프로젝터의 음향방사 특성

천원종,노응휘,엄원석,서영수,Chun, Wonjong,Noh, Eunghwy,Ohm, Won-Suk,Seo, Youngsoo 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.6

능동 반향음 제어용 타일형 프로젝터의 안정적 음향 성능을 보장하기 위해서는 단위 트랜스듀서 간 성능의 균일성이 요구된다. 그러나 재료 물성 편차 및 공정상 오차 등 현실적인 제약으로 인해 단위 트랜스듀서 간 성능편차가 발생하게 되며, 이는 타일형 프로젝터의 방사 특성(송신전압감도 및 지향성)은 물론 반향음 제어 성능에도 부정적 영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 타일형 프로젝터 제작 시 단위 트랜스듀서의 적절한 배치를 통하여 트랜스듀서 간 성능 편차에 의한 영향을 최소화할 수 있는 방안을 제시한다. 이를 위하여 6 dB의 송신전압감도 편차를 갖는 36개의 단위 트랜스듀서를 상정하고 이들의 배치 방식에 따른 타일형 프로젝터의 방사 특성을 일련의 음향-압전 연성 모사실험을 통하여 비교 분석한다. Uniformity in transducer performance is a must-have to ensure the reliable acoustic performance of a tile projector, used for active echo reduction. However, practical limitations imposed by variations in material properties and fabrication errors lead to performance variations among unit transducers, which could degrade the radiation characteristics (transmitting voltage response and directivity) of the tile projector and ultimately the echo reduction performance. In this paper we present a method to minimize these adverse effects via an appropriate placement of unit transducers within the tile projector. To this end, we perform a series of coupled acoustic-piezoelectric simulations, assuming a group of 36 unit transducers having 6 dB variations in transmitting voltage response, to analyze and compare the radiation characteristics of tile projectors under different transducer placement schemes.

복합센서의 전후방 신호에 대한 음향진동 정합기법을 이용한 수동소나 탐지성능 향상에 대한 연구

서동완,장우석,김동현,노응휘,양정은 한국음향학회 2024 韓國音響學會誌 Vol.43 No.2

함정 선체부착형 수동소나체계는 최근 표적탐지성능을 향상시키고자 함내 진동유기 소음을 제거하려는 연구가 활발히 진행중이다. 본 연구진은 신호처리의 관점에서 음향센서와 진동센서가 설치된 복합센서를 이용한 음향-진동 정합기법을 개선책으로 제시한다. 본 논문에서는 정합기법의 이론적 배경에 대해 기술한 후, 그것이 다중물리 유한요소해석 상에서 실현됨을 보였다. 나아가 정합기법을 센서 시스템에 적용할 시의 표적신호 수신감도 상승 및 진동유기 소음 제거 성능을 산출하였으며, 정합기법의 실용성과 향후 연구방향에 대해 논하였다. Recently, ship hull-mounted passive sonar system solution is needed in the perspective of improving target detection and elimination of vibration-induced noise. Our research team suggests acousticvibration matching method using front and rear signal of a sensor as the improvement of the problem above. Thus in this paper, theoretical background about matching method and its application on finite element method based multi-physics simulation are described. Furthermore, it is shown that target detection and hull vibration performance are improved by using matching method under the condition of our sensor system. Finally, practicality and future research are discussed.

저주파 능동 반향음 감소 기법의 2차원 성능 검증

김상현(Sang-hyun Kim),노응휘(Eunghwy Noh),엄원석(Won-Suk Ohm),전신혁(Sinhyuk Jeon),박영철(Young-cheol Park),최용규(Yonggyu Choi),김대업(Daeup Kim),서영수(Young-soo Seo) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 논문집 Vol.27 No.7

In an earlier paper we showed that the active control technique using tile projectors was effective in reducing low-frequency echoes from an underwater object. But the validation of the technique was limited to only one dimension in space. To fully evaluate the echo reduction performance, it is necessary to compare the acoustic field before and after the control in at least two dimensions. In this paper, expanding upon our earlier study, we evaluate the performance of the aforementioned technique via two-dimensional scans of the acoustic field. The measurements show that one could achieve at least 6 ㏈ reduction in echo strength throughout the entire scan range.

수중 표적 신호 방해를 위한 저주파 능동 반향음 감소 기술 연구

김재필(Jaepil Kim),지유나(Youna Ji),박영철(Young-cheol Park),노응휘(Eunghwy Noh),엄원석(Won-Suk Ohm),최용규(Yonggyu Choi),김대업(Daeup Kim),서영수(Youngsoo Seo) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 논문집 Vol.27 No.1

Acoustic tiles are typically installed on the surface of pressure vessels in submarines to minimize echoes based on the ships own noise and active sonar. In this study, we studied low frequency active echo reduction techniques to reduce underwater target echo signals. Active control algorithms using tile type projectors and FxLMS logic have been developed and the projectors have been installed in the assumed hull structure. The effectiveness of projectors and control algorithms has been evaluated in time and frequency domain analysis through experiments in the tank.