위성 발사체 내부의 저주파 음향 하중 저감을 위한 헬름홀쯔 공명기의 비선형 특성

Abstract

위성 발사체 발사시 추진체로부터 발생하는 높은 음향하중은 페어링 내부를 투과하여 내부 탑재물에 랜덤 진동을 일으킨다. 이는 정밀한 전자장비 및 광학장치 등의 손상을 유발시킬 수 있고 위성 발사체의 임무 달성 여부에 매우 중요한 요소이다. 페어링 내부의 소음을 저감하기 위한 방법으로는 음향 블랭킷과 헬름홀쯔 공명기가 널리 사용된다. 음향 블랭킷의 경우 중,고주파 영역의 소음을 저감하기 위해 사용되고, 헬름홀쯔 공명기는 저주파 영역의 소음을 저감하는데 사용된다. 하지만 페어링 내부의 음압이 매우 높기 때문에 헬름홀쯔 공명기는 비선형 거동을 보이게 되고 이는 선형 이론을 바탕으로 설계된 공명기가 제 성능을 내지 못한다는 것을 의미한다. 선형 구간에서의 헬름홀쯔 공명기의 설계한다는 것은 공명기의 임피던스를 매질의 임피던스와 일치시키는 것으로 귀결된다. 하지만 높은 음압으로 인한 비선형 현상이 나타나면 음압에 따라 공명기의 임피던스가 변화하게 되고, 매질의 특성 임피던스와 공명기의 임피던스 차이가 심해질수록 공명기의 흡음 특성은 악화된다. 본 논문에서는 높은 음압에서도 좋은 흡음특성을 유지하는 공명기를 위해서 기울어진 목을 갖는 공명기를 제안한다. 기울어진 목을 갖는 공명기의 선형, 비선형 음향 특성을 파악하기 위해서 이론적, 실험적 접근을 시도한다. 또한 비선형 구간에서의 음향 특성을 정확히 파악하기 위해서 비선형성이 일어나는 구간에서 공명기 임피던스 측정 방법에 대하여 자세히 검토하였다. 결과로부터 선형 구간에서 사용되는 임피던스 측정방법(전달함수 방법)의 적용에 대한 타당성을 보였고, 기울어진 목을 가진 공명기에 대하여 높은 음압상태에서 적용하였다. 그 결과, 기울어진 목을 갖는 공명기는 일정 음압 이하(128dB이하)에서 일반적인 실린더 모양의 목을 갖는 공명기보다 흡음 특성이 좋다는 것을 확인하였다. 그 이상의 음압에서는 날카로운 목 끝단에 의한 비선형성은 오히려 더 심하게 나타난다는 것을 알 수 있었다. 공명기의 임피던스 변화로부터 목의 기울기에 따른 비선형 모델을 유추함으로써 높은 음압 때문에 발생하는 공명 주파수의 변화와 흡음률의 변화에 대해 고찰해 보았다. 더 나아가 공명기를 사용하고자 하는 음압환경에 적합한 공명기의 목 모양이 존재함을 알 수 있었고, 환경을 고려한 설계에 대해 가능성을 살펴보았다.