KR101807783B1 - 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 프로펠러에 공명통을 이용한 방음 덕트가 씌워지도록 함으로써 프로펠러에서 발생되는 다양한 주파수대의 수중 소음이 차단될 수 있도록 한 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트에 관한 것으로, 선박의 측면부나 후미에 구성된 프로펠러의 둘레를 감싸도록 원통 형태로 형성되어 상기 프로펠러의 회전에 따른 유체의 흐름 방향을 안내하며, 내부면에는 공명 주파수를 감쇄시키는 복수의 공명통이 n×m(여기서, n과 m은 각각은 0을 제외한 자연수) 형태로 배열되어 상기 프로펠러의 회전시 발생하는 음향파를 감쇄시키는 것을 특징으로 한다.

Description

공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트{SOUNDPROOF DUCT FOR SHIP PROPELLORS USING RESONATORS}

본 발명은 선박 프로펠러용 방음 덕트에 관한 것으로, 선박의 프로펠러에 공명통을 이용한 방음 덕트가 씌워지도록 함으로써 프로펠러에서 발생되는 다양한 주파수대의 수중 소음이 차단될 수 있도록 한 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 추진장치는 엔진과 연결된 추진축이 선체의 후미로 돌출되어, 추진축의 단부에 설치된 프로펠러를 회전시켜 추진력을 얻는다. 여기서, 프로펠러는 유체 중에서 회전함에 따라 유체가 흡입되는 면과 유체가 방출되는 면의 압력차가 발생되며, 이에 따라 각 날개에 양력이 발생한다. 이렇게 프로펠러에서 발생된 양력은 선박의 추진력으로 작용하게 된다.

상술한 선박의 추진 원리에 따라 선박의 엔진과 프로펠러에서는 수중 소음들이 발생하게 된다. 특히, 수중 소음의 경우는 공기중에서의 소음에 비해 그 전달력과 전달 속도가 수 배 이상 높아 해양 생태계에 미치는 영향이 크다. 따라서, 선박들의 수중 소음은 선박들이 지나다니는 해로의 해양 생태계에 악영향을 주고, 어민들의 수산 양식업에도 방해 요인이 되므로 수중 소음을 줄이기 위한 노력이 필요하다.

근래에는 선박의 내부에서 발생되는 엔진 소음은 선박 내부에 방음장치를 설치하여 줄이고 있지만, 선박의 외부에서 발생되는 프로펠러 소음에 대해서는 아직 특별한 대책이 없는 실정이다. 특히, 고속으로 운행하는 선박이나 잠수함의 경우는 주 소음원이 프로펠러 소음인데다, 국제적으로는 수중 소음을 규제하기 위한 방안이 마련되고 있어 프로펠러 소음을 줄이기 위한 방법이 더욱 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박의 프로펠러에 공명통을 이용한 방음 덕트가 씌워지도록 함으로써 프로펠러에서 발생되는 다양한 주파수대의 수중 소음이 차단될 수 있도록 한 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트는 선박의 측면부나 후미에 구성된 프로펠러의 둘레를 감싸도록 원통 형태로 형성되어 상기 프로펠러의 회전에 따른 유체의 흐름 방향을 안내하며, 내부면에는 공명 주파수를 감쇄시키는 복수의 공명통이 n×m(여기서, n과 m은 각각은 0을 제외한 자연수) 형태로 배열되어 상기 프로펠러의 회전시 발생하는 음향파를 감쇄시키는 것을 특징으로 한다.

상기 n×m 형태로 배열된 복수의 공명통은 각각의 입구가 중심부를 향하도록 상기의 내부면에 원통 형태로 배열되고, 상기 프로펠러의 중심 축이 상기 원통형의 지름 중심부에 위치함으로써, 상기 복수의 공명통이 상기 프로펠러의 전류 고정날개들을 원통 형태로 감싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 공명통 각각은 차단하고자 하는 음향 주파수대에 따라 입구 면적이 서로 동일하거나 다르게 각각 형성되어, 서로 동일하거나 다른 공명 주파수의 음향파들을 각각 감쇄시키는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 공명통 각각은 차단하고자 하는 음향 주파수대에 따라 입구 면적 외에도 내부 부피 또는 입구 길이가 서로 동일하거나 다르게 각각 형성되어, 서로 동일하거나 다른 공명 주파수의 음향파들을 각각 감쇄시키는 것을 특징으로 한다.

상기 각각의 공명통들은 플라스틱이나 고무 또는 금속 재질로 각각 형성되어, 고무 재질의 평면형 패널에 부착 및 배열된 후 말아짐으로써 원통형으로 형성되거나, 또는 연성 플라스틱이나 고무 또는 금속 재질로 사출 성형되어 서로 일체화된 평면형태로 형성된 후 말아짐으로써 원통형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 프로펠러는 상기 원통형 방음 덕트의 내부 중 가장 앞쪽에 위치하거나, 상기 원통형 방음 덕트의 내부 중간에 위치하거나, 상기 원통형 방음 덕트의 내부 중 가장 앞쪽과 중간의 사이 어느 한 곳에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 다양한 기술적 특징을 갖는 본 발명의 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트는 선박의 프로펠러에 공명통을 이용한 방음 덕트가 씌워지도록 함으로써, 압력 덕트의 효과가 적용되도록 하면서도 이와 동시에 프로펠러에서 발생되는 다양한 주파수대의 수중 소음을 차단할 수 있다.

특히, 선박의 크기나 종류에 따라 수중에서 발생하는 소음의 주파수대가 서로 다르므로, 선박의 종류나 크기에 따라 방음덕트가 보다 용이하고도 선택적으로 적용되도록 할 수 있다.

선박의 프로펠러에서 발생하는 수중 소음을 줄이는 경우 수중 생태계를 보호할 수 있고, 군사적으로는 선박의 피 탐지 가능성을 줄일 수 도 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박 프로펠러용 방음 덕트의 장착 모습을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 방음 덕트의 길이 방향인 I-I' 방향의 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 방음 덕트의 지름 방향인 폭 방향의 단면도.
도 4는 공명통의 공명 주파수 결정 요인을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 방음 덕트의 공명통들을 일부 나타낸 사시도.
도 6은 도 1 내지 도 3에 도시된 원통형 방음 덕트의 내부면을 평면 형태로 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박 프로펠러용 방음 덕트의 장착 모습을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 방음 덕트의 길이 방향인 I-I' 방향의 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 방음 덕트의 지름 방향인 폭 방향의 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 선박의 측면부나 후미에는 선박을 추진시키는 추진체 즉, 프로펠러(9)가 형성된다.

프로펠러(9)는 기관의 구동력을 전달하는 추진축계에 의해 회전 가능하도록 설치되며, 프로펠러(9)의 중심 축에 복수의 전류 고정날개가 방사상으로 이격되도록 형성된다. 이에, 프로펠러(9)의 축 방향으로 유체가 흐르게 되고, 프로펠러(9)에서 발생된 양력으로 선박은 추진력을 얻게 된다.

선박 프로펠러용 방음 덕트(2)는 선박의 측면부나 후미에 구성된 프로펠러(9)의 외측 즉, 전류 고정 날개들의 둘레를 감싸도록 원통 형태로 형성되어 프로펠러(9)의 회전에 따른 유체의 흐름 방향을 안내한다. 이러한 원통형 방음 덕트(2)의 내부면에는 공명 주파수들을 감쇄시키는 복수의 공명통(4)이 n×m(여기서, n과 m은 각각은 0을 제외한 자연수) 형태로 배열되어 프로펠러(9)의 회전시 발생하는 음향파를 감쇄시킨다.

n×m 형태로 배열된 복수의 공명통(4)들은 원통형 방음 덕트(2)의 내부면에 그 입구들이 중심을 향하도록 각각 배열된다. 이때 프로펠러(9)의 중심 축이 원통형 방음 덕트(2)의 지름 중심부에 위치함으로써, 복수의 공명통(4)들은 원통 형태로 프로펠러(9)의 전류 고정날개들을 감싸도록 배치된다.

원통형의 방음 덕트(2)는 프로펠러(9)가 원통의 내부에 위치하도록 선박의 어느 한 외벽에 고정되되, 원통 내부에서도 앞 부분에 프로펠러(9)가 위치하도록 고정될 수 있다. 이는, 프로펠러(9)서 발생하는 음향파가 원통형 방음 덕트(2)의 내부를 최대한 길게 통과하도록 즉, 원통 형태로 고정 배치된 복수의 공명통(4) 관을 최대한 길게 오래 통과하도록 함으로써, 프로펠러(9)서 발생하는 음향파를 최대한 감쇄시킬 수 있도록 하기 위함이다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 모든 음향파는 공명통(4) 주위를 지나면 공명 진동수 부근의 주파수를 가진 음향파는 통과하지 않는다. 음향파가 지나는 경로에 공명통(4)을 일렬로 배열하면 공명통(4)을 지나며 음향파장 투과율이 급격히 떨어지기 때문이다. 이에, 다양한 주파수대의 음향파가 일렬로 배치된 복수의 공명통(4) 관을 통과하도록 하면, 특정 주파수에서 음향파가 감쇄되는데, 이 주파수가 공명 주파수다. 이때, 다양한 주파수대의 음향파가 복수의 공명통(4) 관을 통과한다 하더라도, 통과하는 통로가 좁으면 공명통(4)을 소수 줄로만 배열해도 음향파의 감쇄 효과를 볼 수 있다. 하지만, 선박에 이용되는 대형 프로펠러(4)를 둘러싸야 하는 정도로 소리의 통로가 넓으면, 도 3과 같이 공명통(4)을 복수의 줄로 둥글게 원통형으로 배열해야 한다. 이에, 프로펠러(4)에서 발생되는 음향파의 주파수대에 공명하는 공명통(4)을 프로펠러(9) 주위에 원통형으로 배치하면 프로펠러(4)에서 발생되는 음향파의 공명 주파수에 해당하는 음파를 차단할 수 있다.

도 4는 공명통의 공명 주파수 결정 요인을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 방음 덕트의 공명통들을 일부 나타낸 사시도이다.

도 4를 참조하면, 각 공명통(4)의 공명 주파수는 공명통(4)의 입구면적(S), 입구의 길이(L, 목길이 혹은 두께) 및 공명통(4)의 내부 부피(V)에 의해 각각 결정될 수 있다. 따라서, 방음 덕트(2)를 장착하기 위한 선박의 프로펠러(9)에서 생성되는 음향파의 주파수를 먼저 확인하여, 차단하고자 하는 공명 주파수들을 다음의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.

여기서, f₀ 는 공명주파수, v는 유체에서의 음속으로 약 1500m/sec, S는 입구의 면적, V는 내부의 부피, L'은 유효목 길이로서 대략 목 길이에 입구의 반경을 더한 값이다.

다만, 공명통(4)의 입구를 원형이 아닌 삼각이나 사각 등의 다각형태로 형성하는 경우에는 유효 반경 r을 수학식 2를 이용한다.

상술한 바와 같이. 필요에 따라 상기의 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 차단하고자 하는 음향 주파수들 즉, 공명 주파수들에 해당하는 공명통(4)들을 제작할 수 있다. 여기서, 복수의 공명통(4)들은 상기의 수학식 1과 수학식 2를 비롯한 하기의 수학식 3에 따른 특정 주파수의 음향파들을 차단하게 된다.

여기서, f₀는 수학식 1에 따른 공평 주파수이며, f_d는 회절에 따른 주파수이다. 따라서 공명이 발생하게 되면 f₀에 다른 주파수부터 큰 주파수 방향으로 차단하게 된다. 음파 파장이 프로펠러 회전 방향의 장음 덕트 입구 직경보다 커야 회절에 따른 방음 효과가 일어난다. 회절 파장에 해당하는 회절 주파수 f_d는 (수중음속)/(방음덕트 내부 직경)으로 정할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 공명 주파수를 결정하는 요인 중 하나인 입구면적(S)을 각각 동일하거나 다르게 설정하여 복수의 공명통(4)들을 제작할 수 있다. 즉, 차단하고자 하는 음향 주파수가 2가지 주파수대 이상이면 공명통(4)들도 입구면적(S)을 달리하여 2가지 이상으로 제작하면 되는데, n×m 형태로 배열된 각 공명통(4)들의 입구면적(S)을 차단하고자 하는 음향 주파수대에 따라 각기 다르게 형성하면, 더욱 다양한 주파수대의 음향파들을 차단할 수 있다.

한편, 도면으로는 도시되지는 않았지만, 각 공명통(4)들의 입구 면적(S) 뿐만이 아닌, 내부 부피(V)나 입구 길이(L)를 차단하고자 하는 음향파의 주파수대에 따라 서로 동일하거나 다르게 각각 형성하여, 다양한 주파수대의 음향파들을 차단할 수 도 있다.

도 6은 도 1 내지 도 3에 도시된 원통형 방음 덕트의 내부면을 평면 형태로 나타낸 도면이다.

도 6과 같이, 각 공명통(4)들의 입구면적(S)을 차단하고자 하는 음향 주파수대에 따라 각기 다르게 형성하여 평면 형태로 배열함으로써 방음 덕트(2)를 설계할 수 있다. 방음 덕트(2)의 길이가 길수록 차단하는 음향 주파수대를 넓힐 수 있는데, 특히 프로펠러(9)의 직경보다 더 길어야 음향 주파수의 차단 효과가 커진다.

각각의 공명통(4)들은 플라스틱이나 고무 또는 금속 재질 등으로 각각 형성될 수 있는데, 이러한 각각의 공명통(4)들이 고무 등의 평면형 패널에 부착 및 배열된 후 원통형으로 말아짐으로써 원통형의 방음 덕트(2)를 형성할 수 있다.

한편, 각각의 공명통(4)들은 연성 플라스틱이나 고무 또는 금속 재질로 일체화되어 평면 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 사출 성형 공정으로 각 공명통(4)들이 일체화된 평면형태의 방음 덕트(2)를 형성하게 되고, 이렇게 n×m 형태로 복수의 공명통(4)이 배열된 방음 덕트(2)는 원통형으로 말아짐으로써 원통형의 방음 덕트(2)를 형성하게 된다.

상술한 바와 같이, 방음 덕트(2)는 프로펠러(9)가 그 내부에 위치하도록 선박의 어느 한 외주면에 고정되는데, 그 내부에서도 앞 부분에 프로펠러(9)가 위치하면 방음 효과가 커지고, 프로펠러(9)가 방음 덕트(2)의 중앙에 가까울수록 압력 덕트 효과가 커지게 된다. 따라서, 선박의 크기나 구조 및 쓰임에 따라 프로펠러(9)가 적당한 위치에 고정되도록 장착함이 바람직하다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (7)

1. 기관의 구동력을 전달하는 추진축계에 의해 회전 가능하도록 선박의 측면부나 후미에 설치되어 선박을 추진하는 프로펠러와,
   상기 프로펠러의 중심 축에 방사상으로 이격되도록 형성되는 복수의 전류 고정날개와,
   상기 프로펠러의 둘레를 감싸도록 원통 형태로 형성되어 상기 프로펠러의 회전에 따른 유체의 흐름 방향을 안내하며, 내부면에는 공명 주파수를 감쇄시키는 복수의 공명통이 n×m(여기서, n과 m은 각각은 0을 제외한 자연수) 형태로 배열되어 상기 프로펠러의 회전시 발생하는 음향파를 감쇄시키는 방음 덕트를 구비하고,
   상기 n×m 형태로 배열된 복수의 공명통은 상기 원통 형태 방음 덕트의 내부면에 각 입구들이 중심을 향하도록 원통 형태로 배열되고, 상기 프로펠러의 중심 축이 상기 원통 형태의 지름 중심부에 위치하여 상기 복수의 공명통이 상기 프로펠러의 전류 고정날개들을 원통 형태로 감싸도록 배치되고,
   상기 방음 덕트의 길이는 상기 프로펠러의 직경보다 더 길며,
   상기 공명주파수(f0)는 아래의 식과 같음을 특징으로 하는 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트.
   

   

   
   (여기서, f₀ 는 공명주파수, v는 유체에서의 음속으로 약 1500m/sec, S는 입구의 면적, V는 내부의 부피, L'은 유효목 길이로서 목 길이에 입구의 반경을 더한 값이다).
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 공명통 각각은
   차단하고자 하는 음향 주파수대에 따라 입구 면적이 서로 동일하거나 다르게 각각 형성되어, 서로 동일하거나 다른 공명 주파수의 음향파들을 각각 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수의 공명통 각각은
   차단하고자 하는 음향 주파수대에 따라 입구 면적 외에도 내부 부피 또는 입구 길이가 서로 동일하거나 다르게 각각 형성되어, 서로 동일하거나 다른 공명 주파수의 음향파들을 각각 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 각각의 공명통들은
   플라스틱이나 고무 또는 금속 재질로 각각 형성되어 고무 재질의 평면형 패널에 부착 및 배열된 후 말아짐으로써 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 각각의 공명통들은
   연성 플라스틱이나 고무 또는 금속 재질로 사출 성형되어 서로 일체화된 평면형태로 형성된 후 말아짐으로써 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 프로펠러는
   상기 방음 덕트의 내부 중 가장 앞쪽에 위치하거나, 상기 방음 덕트의 내부 중간에 위치하거나, 상기 방음 덕트의 내부 중 가장 앞쪽과 중간의 사이 어느 한 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 공명통을 이용한 선박 프로펠러용 방음 덕트.

Images