다양한 여기원에 의해 유발되는 해양 펌프 장치의 소음 스펙트럼 특성

Jul 12, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8678(2022) 이 기사 인용

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다양한 여기원에 의해 유발된 해양 펌프 장치의 소음 스펙트럼 특성을 연구하기 위해 해양 펌프의 내부 및 외부 장 소음에 대한 전산 공력음향(CAA) 모델이 확립되었습니다. 내부 및 외부 전계 잡음의 스펙트럼 특성을 얻기 위해 결합 음향 진동 방법이 사용되었습니다. 소음 예측을 위한 시뮬레이션 방법의 정확성과 타당성은 소음 테스트를 통해 확인되었습니다. 선박용 펌프의 내부 및 외부 장의 매질이 다르기 때문에 AML(Automatic Matching Layer) 기술을 기반으로 외부 장 음향 모델을 구축했습니다. 다양한 여기 소스의 스펙트럼 특성과 방사된 음장의 공간적 분포를 분석하고 내부 및 외부 음장에 대한 다양한 음원 여기의 기여도를 밝혔습니다. 결과는 서로 다른 자극에 의해 생성된 내부 장 잡음의 주요 주파수가 블레이드 통과 주파수에 있고 쌍극자 음향 자극에 의해 유도된 내부 장 잡음이 180.6dB에서 지배적임을 보여줍니다. 외부 전계 잡음의 경우 주 주파수는 여전히 블레이드 통과 주파수에 위치합니다. 유체 여기(139.2dB)에 의해 유도된 방사 소음은 쌍극자 여기(표면 쌍극자, 136.3dB; 회전 쌍극자, 137.3dB)에 의해 유도된 것보다 높습니다.

해양 원심 펌프는 선박의 필수 보조 장비이며 선박의 정기적인 작동에 중요한 역할을 합니다. 선박용 펌프는 작동 중에 큰 소음이 발생하며 소음 발생 메커니즘이 복잡합니다. 해양 펌프의 소음 수준은 특히 군용 선박의 경우 매우 중요합니다. 펌프 작동 중에는 진동과 소음이 분리될 수 없습니다. 진동은 소음을 발생시키고, 소음도 진동에 영향을 미칩니다. 펌프장치에 발생하는 소음원은 다양하며, 가장 흔한 원인은 펌프장치의 진동으로 인한 소음, 즉 구조적 진동소음이다. 유체의 흐름에 의해 발생하는 소음을 유체역학적 소음1,2,3,4이라고 하며 이는 펌프 장치의 소음에 더 큰 영향을 미치며 발생 메커니즘도 복잡합니다.

유체역학적 소음의 개념은 처음에는 Lighthill 음향 유추 이론으로 인해 개발되었습니다5. 이어서 Williams와 Hawkings6는 고체 운동의 경계 문제에 지배 방정식을 적용하고 유체역학적 소음원을 단극, 쌍극자 및 사중극 음원으로 나누는 유명한 FW-H 방정식을 제안했습니다. 이해를 돕기 위해 학자들은 소음을 광대역 소음과 이산 소음, 즉 단일 톤 소음으로 분류했습니다7. 펌프의 유동 유발 소음 중 모노폴 소스 소음은 펌프 캐비테이션의 체적 압축 효과에 의해 유발되는 이산 소음입니다. 쌍극자 소스는 주로 구조물 표면에 작용하는 유체의 불안정한 변동력에 의해 발생하며 여기에는 광대역 소음 및 이산 소음이 포함됩니다. 사중극자 소스는 고속 유체 흐름에 의해 생성된 난류에 의해 발생하며, 이는 광대역 노이즈8로 분류됩니다.

Dong 등9은 테스트를 통해 다양한 캐비테이션 단계에서 비정상 유동 과정의 압력 맥동 및 반경방향 힘 특성을 연구했습니다. Howe10,11은 회전 기계의 주요 음원이 비정상 힘에 의해 발생하는 쌍극자 음원임을 지적하고, 유동장을 먼저 해결한 다음, 얻은 유동장 결과에 따라 음장을 추가로 해결할 수 있다고 제안했습니다. Zhou et al.12은 유체 레이놀즈 수가 유사할 때 유체역학적 소음의 원인이 유사하다고 제안했습니다. 펌프의 내부 및 외부 장에 대한 주요 음향 계산에는 경계 요소법(BEM)과 유한 요소법(FEM)이 있습니다. Si et al.13은 원심 펌프의 음장을 계산하기 위해 직접 BEM을 사용했으며 블레이드 통과 주파수와 승수는 유체 유발 소음의 특성 주파수임을 발견했습니다. Cai et al.14 및 Yu et al.15도 이 방법을 사용하여 수중 하수 펌프 및 와류 자흡식 펌프의 내부 소음을 계산했습니다. Allen16은 구조-음향 시스템의 여기를 정의하기 위해 벽의 변동 압력을 사용하여 경계층에 의해 구조에서 방사되는 소음을 계산하기 위해 결합된 FEM/BEM을 제안했습니다. Warszawski et al.17은 FEM/BEM을 사용하여 유체-구조 상호 작용에 의해 생성된 음파의 전파 특성을 연구했습니다. Han et al.18은 FEM/BEM을 통해 con-shell 구조에 대한 음향-진동 결합 계산을 구현하고, 측정 지점의 음압 레벨을 구하고, 실험을 통해 계산 결과의 정확성을 검증하였다. Liu 등19은 직접 BEM 방법을 사용하여 블레이드 출구 각도와 블레이드 폭이 원심 펌프의 유체 유발 소음에 미치는 영향을 연구했습니다. Dai et al.20은 또한 음향 진동을 결합하여 원심 펌프의 외부 장 소음을 계산했습니다.