프로펠러 항공기에 대한 능동소음제어 적용과 음질 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

터보프롭 중형항공기 내부 소음은 톤 성분이 강한 저주파 성분으로 구성된 것으로 알려져 있는데, 점진적으로 높아지는 수요와 중요성에도 불구하고 여전히 높은 소음도로 인해 승객의 만족감이 높지 못한 것으로 알려져 있다. 또한 연구 방법에 대해 한 가지 연구 방법론 (수치해석적 연구 또는 실험적 연구)에 한정된 연구만이 진행되고 있어, 항공기 내부 소음을 개선하기 위한 근본적인 연구 또는 해결책이 부재하고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 차세대 운송 수단으로 주목받고 있는 터보프롭 중형항공기의 객실 내부의 음질을 개선하기 위한 기초 연구를 진행하며, 이를 위해 수치해석적 연구 방법과 실험적 연구 방법을 연계한 다학제간 연구를 진행한다.
전반부(2~3장)에서는 객실 내부 소음에 대한 공력 소음의 주도적 영향성을 확인하고자‘수치해석적 연구’를 진행한다. 이를 위해 먼저 2장에서는 공력 및 소음해석기법에 대한 신뢰성 검증을 진행한다. 검증을 위해 NASA에서 개발한 터보프롭용 프로펠러 SR-3를 사용하며, 공력 해석 기법 검증을 수행한 후 소음 해석 기법 검증을 진행한다. 공력 해석 기법 검증을 위해 등와선도 후류 모델과 곡선와류요소를 적용한 자유 후류 와류 격자 기법을 사용하며, 최종적으로 계산된 공력 성능과 (이전 연구에서) 실험적으로 측정된 공력 계수값들 간의 비교를 통해 공력 해석 기법 검증을 수행한다. 소음 해석 기법 검증을 위해서는 음향상사법을 사용한다. 소음도를 산출하기 위해서 공력 성능 계산 결과를 활용하며, 최종적으로 산출된 소음도 값과 (이전 연구에서) 실험적으로 측정된 소음데이터 간의 비교를 통해 소음 해석 기법 검증을 수행한다. 다음으로 3장에서는 객실 내부의 소음 예측을 통한 공력 소음의 내부 소음에 대한 영향성을 확인하기 위해 2장에서 검증한 해석기법은 물론 동체 내부 소음 예측 모델을 사용한다. 이를 통해 BPF 성분이 포함된 주파수 영역에 대해 1/3 옥타브 밴드 스펙트럼 데이터를 계산하며, 최종적으로 실제 운항 시 측정된 소음데이터와의 비교 및 분석을 수행한다.
후반부(4~6장)에서는 객실 내부 소음에 대해 능동소음제어기법을 적용함으로써 얻을 수 있는 불쾌감 저감 효과를 확인하기 위한 ‘실험적 연구’를 진행한다. 먼저 4장에서는 객실 내부 소음에 대한 인지적 특성을 심리음향학적 인자의 인지 한계점을 측정함으로써 확인한다. 실험 결과를 통해 객실 내부 소음의 주파수 대역에 대한 민감도를 분석하며, 능동소음제어기법을 적용할 때 고려할 수 있는 여러 경우에 대한 분석을 진행한다. 다음으로 5장에서는 능동소음제어기법을 적용하여 실질적으로 얻을 수 있는 소음 저감 효과를 확인한다. 이를 위해 소프트웨어는 물론이고 하드웨어를 직접 디자인하는 과정을 수행하며, 적절한 위치에 제어장치를 배치하기 위해 실험 공간에 대한 모드 분석을 수행한다. 최종적으로, 시스템의 복잡도에 따른 능동소음제어효과를 확인하며, 4장에서 도출된 실험 결과와 연계하여 결과 분석을 진행한다. 마지막으로 6장에서는 능동소음제어기법을 적용함으로써 얻을 수 있는 불쾌감 저감 효과를 심리음향학적 인자와 불쾌감 간의 상관관계를 분석함으로써 확인한다. 청감 실험을 진행할 때, 실험자가 의도하지 않은 요소들에 의한 영향성을 최대한 배제하고 피험자 개개인의 특성을 실험 결과에 반영하기 위해 ‘master scale’을 사용하며, 심리음향학적 인자와 불쾌감 간의 상관관계를 정량화하기 위해 회귀 분석을 진행한다. 최종적으로 능동소음제어기법의 적용 효과를 심리음향학적 관점에서 분석하며, 6장까지 진행된 연구 결과를 통해 능동소음제어기법의 적용 방식과 향후 발전 방향에 대해 살펴본다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 8
• 2. 터보프롭 항공기 프로펠러의 공력 및 소음 해석 기법 검증 11
• 2.1 공력 검증 11
• 2.1.1 해석 및 검증 절차 11
• 2.1.2 결과 분석 17
• 2.2 소음 검증 21
• 2.2.1 결과 분석 21
• 3. 항공기 내부 소음에 대한 공력 소음의 영향성 분석 25
• 3.1 해석 절차 26
• 3.1.1 공력 특성 해석 26
• 3.1.2 소음 특성 해석 28
• 3.2 해석 결과 분석 35
• 4. 항공기 내부 소음에 대한 심리음향학적 인자의 인지 한계 평가 37
• 4.1 청감 실험 37
• 4.1.1 자극음 구성 37
• 4.1.2 실험 환경 45
• 4.1.3 실험 절차 47
• 4.2 실험 결과 분석 53
• 4.2.1 Loudness 인지 한계 분석 53
• 4.2.2 Sharpness 인지 한계 분석 59
• 4.2.3 분석 결과에 관한 논의 61
• 5. 능동소음제어기법 적용을 통한 내부소음 저감 효과 분석 63
• 5.1 능동소음제어 실험 63
• 5.1.1 능동소음제어기법 63
• 5.1.2 알고리즘 분석 68
• 5.1.3 시스템 내 소프트웨어 구성 방법 84
• 5.1.4 실험 환경 86
• 5.1.5 실험 절차 96
• 5.2 실험 결과 분석 100
• 6. 청감실험을 통한 불쾌감 저감 효과 분석 104
• 6.1 청감 실험 104
• 6.1.1 자극음 구성 104
• 6.1.2 실험 환경 107
• 6.1.3 실험 절차 107
• 6.2 실험 결과 분석 109
• 6.2.1 PNE를 통한 Loudness 및 Sharpness 영향 분석 109
• 6.2.2 중형항공기 내부 소음에 대한 불쾌감 개선 효과 분석 114
• 6.2.3 능동소음제어 적용 및 향후 연구 방향에 대한 고찰 115
• 7. 결론 119
• 7.1 연구 요약 119
• 7.1.1 공력 및 소음 해석 119
• 7.1.2 능동소음제어 적용 및 효과 분석 120
• 7.2 연구 의의 및 한계점 122
• 7.2.1 연구 의의 122
• 7.2.2 연구의 한계점 및 후속 연구를 위한 제언 123
• 참고문헌 125
• 부록 135
• Abstract 149

참고문헌 (Reference)

1. 일차원 음장에서의 능동소음제어, 남현도, 한국소음진동공학회, 한국소음공학회지, 5(4), 461-467, , 1995

2. 세계 민간항공기 시장 성과와 전망, 장태진, 한국항공우주연구원, 항공우주산업기술동향, 11(1), 21-30, , 2013

3. 세계 중형항공기 시장 동향과 전망, 장태진, 한국항공우주연구원, 항공우주산업기술동향, 7(1), 11-19, , 2009

4. 중형항공기 동체 소음 해석 기법 연구, Park, I., Jung, J., Kim, S., 한국항공운항학회, 한국항공운항학회지, 20(3), 44-50, , 2012

5. Filtered-X LMS 알고리즘을 응용한 덕트 내 전파 소음의 능동적 제어 (Master dissertation, 우재학, 한국과학기술원), , 1992

6. 동축 반전 로터의 공력 성능 및 소음 특성에 관한 수치 해석적 연구 (Doctoral dissertation, 이승민, 서울대학교 대학원), , 2013

7. Narrow Band-Pass Filter를 이용한 팬소음의 Feedback 능동 제어에 대한 실험적 연구 (Master dissertation, 엄승신, 서울대학교 대학원), , 2013