KR100381890B1 - 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조에 관한 것으로, 센서 패키지에서 전달되는 진동을 감쇠할 수 있는 하나 이상의 탄성부재에 의해 수중청음기가 상기 센서 패키지 내부에서 지지되는 것을 특징으로 하는 수중청음기 지지구조를 제공하므로써, 예인 함정의 운항에 기인하는 진동 및 예인 케이블의 유동 유기 진동과 같은 수중 이동 표적에 의한 음파와 무관한 외부 진동이 센서 패키지로부터 수중청음기로 전달되는 과정에서 감쇠되어 외부 진동으로 인한 수중청음기의 자체 진동이 억제되므로써 출력신호에서의 소음이 저감되어 선배열 소나 시스템의 탐지 성능이 향상되도록 한 것이다.

Description

선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조{SUPPORTING STRUCTURE OF HYDROPHONE FOR TOWED ARRAY SONAR SYSTEM}

본 발명은 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수중에서 음파를 탐지하는데 이용되는 수중청음기에 전달되는 불필요한 진동을 저감시켜 출력소음을 감소시킴으로써 선배열 소나 시스템의 탐지 성능을 향상시킬 수 있는 수중청음기 지지구조에 관한 것이다.

선배열 소나 시스템(TASS, Towed Array Sonar System)은 군사 및 민수 분야에서 해저 지질 탐사와 수중 운동 표적의 탐지 분야에 널리 사용되는데, 선배열 소나 시스템의 기본 구성과 사용 상태를 개략적으로 도시한 도 1 에 보여진 바와 같이, 내부에 수중청음기(미도시)가 각각 설치된 센서 패키지(3) 수백여 개를 직선 형태로 배열한 구조물인 선배열 음향모듈(M)이 예인함(S)의 후미에 설치된 예인 케이블(C)에 연결되어 있고, 선배열 음향모듈의 다른 일단에는 꼬리 로프(T)가 연결되어 있는 구조로 되어 있으며, 예인 케이블(C)에 의해 상기 음향모듈(M)이 수중에서 예인되면서 사용된다.

상기 선배열 음향 모듈(M)은 수백여 개의 수중청음기를 절연 오일(5)이 채워진 탄성 호스(6) 내부에 일정한 간격으로 설치하여 제작되는데, 각각의 수중청음기(미도시)는 각각 하나씩의 센서 패키지(3) 내부에 설치 고정되고, 상기 센서 패키지(3)들은 지지로프(미도시)에 의해 서로 연결되어 수백여 개가 탄성호스(6) 내부에 일정한 간격으로 매달려 있게 된다. 상기 수중청음기를 센서패키지에 고정 지지하는 구조로 종래에는 오픈셀 폼이나 클로즈드셀 폼(스폰지) 등으로 수중청음기를 감싼 다음 중공의 센서 패키지(3) 내로 끼워넣는 구조가 사용되었다.

상기한 구조로 되는 선배열 소나 시스템의 작용을 보면, 해저 지형이나 수중에서 이동하는 표적에 의해 반사된 음파가 탄성호스(6)에 도달하고 이어서 절연 오일(5)을 통해 수중청음기에 도달되게 되면, 수중청음기는 이를 전기적 신호로 변환하여 출력신호를 생성한다.

그런데, 수중청음기는 그 구조상 음파뿐 아니라 수중청음기 자체의 가속도 운동이 있는 경우에도 전기적 신호를 발생하게 되는데, 이에 따라 수중 운동 표적에 의해 반사된 음파가 아닌, 예인함(S)의 운동과 예인 케이블(C) 및 꼬리로프(T)의 유동 유기 진동에 의해서 발생되어 지지로프와 센서패키지(3)를 통해 수중청음기에 전달되는 바람직하지 못한 기계적 진동이 있는 경우에는 최종적인 출력신호에 소음으로 나타나서 소나의 탐지 성능 감소를 초래하게 될 우려가 있으며, 종래의 선배열 음향 모듈에서는 이러한 문제가 실제로 발생하고 있었다. 즉, 예인함(S)으로부터 발생되는 방사 소음의 영향을 최소화하기 위해 수백에서 수천 미터 길이의 예인케이블(C)에 연결되어 사용되고는 있으나, 예인함(S) 자체의 불안정한 운동이나 진동과 예인 케이블(C) 및 꼬리로프(T)의 유동 유기 진동, 즉 와류 유동에 의한 진동이나 스트러밍 진동에 의해 수중청음기의 가속도 운동이 야기되고, 결국 출력신호에 소음으로 나타나 선배열 소나의 탐지 성능을 저하시키는 것까지는 방지할 수 없었던 것이다.

상기한 바와 같이, 종래의 선배열 소나의 음향 모듈(M)에서는 수중청음기가 오픈셀 폼이나 스폰지 등의 재료로 감싸진 채 원통형 센서 패키지(3) 내부에 끼워졌고, 이러한 원통형 센서 패키지(3)들이 지지로프(미도시)로 연결되어 일정 간격으로 배치되어 있었다. 그런데, 이러한 구조에서는 예인함(S) 자체의 불안정한 운동이나 진동과 예인 케이블(C) 및 꼬리 로프(T)의 유동 유기 진동 즉, 외부로부터 전달되는 진동이 지지로프를 통해 센서패키지(3)로 그리고 센서패키지(3)로부터 오픈셀 폼이나 스폰지를 거쳐 수중청음기에 그대로 전달되어 수중청음기의 가속도 운동을 야기하므로써 출력신호에서 자체 소음의 증가를 가져 오게되며, 아울러, 이와 같이 외부 진동에 의한 수중청음기의 가속도 운동이 야기되는 때에는 오픈셀 폼 등과 수중청음기가 직접 접촉하고 있는 구조상 수중청음기와 오픈셀 폼 등의 마찰에 의한 출력신호의 소음이 가중되게 되어, 상기 두가지 기구에 의한 출력신호의 소음 증가로 인해 전체적으로 선배열 소나의 탐지 성능이 저하되었던 것이다.

따라서, 상기한 바와 같은 종래 선배열 소나 시스템의 문제점을 인식하여 안출된 본 발명의 목적은 예인함의 운항에 기인하는 진동 및 예인 케이블의 유동 유기 진동과 같은 외부 진동으로 인한 수중청음기의 자체 진동을 억제하여 저소음 특성을 가지도록 하므로써 전체적으로 탐지 성능이 향상된 선배열 소나 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

특히, 외부 진동에 의한 수중청음기의 자체 진동을 억제하여 선배열 소나 시스템의 탐지성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방식으로 센서 패키지에 수중 청음기를 지지 고정하는 수중청음기 지지구조를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 선배열 소나 시스템의 기본 구성과 사용 상태를 개략적으로 도시한 것이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 수중청음기 지지구조에 의해 센서 패키지 내부에 고정되어진 수중청음기들을 포함하는 선배열 음향모듈의 일부를 도시한 것이며,

도 3a, 도 3b는 도 2에서의 수중청음기와 센서 패키지 및 탄성부재의 조립체 하나를 확대하여 보인 것으로, 도 3a는 반지름 방향 단면도를, 도 3b는 도 3a의 A-A선 단면도를 보인 것이고,

도 4a, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 사용되는 탄성부재의 형상을 보인 것으로 도 4a는 정면도를, 도 4b는 도 4a의 B-B선 단면도를 보인 것이며,

도 5는 본 발명의 실시예에 적용되는 수중청음기를 위쪽 절반을 단면으로 하여 보인 것이고,

도 6a, 도 6b는 본 발명의 일실시예에서 탄성부재를 센서 패키지측에 고정하기 위하여 사용되는 보조물의 구조를 보인 것으로, 도 6a는 반지름 방향 단면도를, 도 6b는 도 6a의 C-C선 단면도를 보인 것이며,

도 7은 본 발명에서의 수중청음기 지지구조를 스프링-댐퍼-질량으로 구성된 1 자유도 감쇠 진동 모델로 나타낸 것이고,

도 8은 도 7에 나타낸 감쇠 진동 모델의 진동 전달 특성을 나타낸 그래프이다.

***도면의 주요 부분의 부호의 설명***

1: 수중청음기 2: 지지로프

2: 센서 패키지 4: 탄성부재

5: 절연오일 6: 탄성호스

7: 신호출력단자 8: 보조물

9: 보조물 고정용 나사 10: 포스트 단자

11: 신호선 통과용 구멍 12: 수중청음기 고정부

13:탄성지지부 14: 센서 패키지 고정부

15,16: 고정용 홈 17: 조립용 홈

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 절연오일이 채워진 탄성호스 내부에 다수개의 센서 패키지가 지지로프에 의해 일정간격을 연결 지지되고, 상기 센서 패키지 내부에는 수중청음기가 설치 지지되어 구성되는 선배열 소나 시스템에 있어서, 상기 탄성호스의 내부에는, 수중청음기측에 고정되는 수중청음기 고정부와 센서 패키지측에 고정되는 센서 패키지 고정부와 상기 수중청음기 고정부와 센서 패키지 고정부 사이에 위치하여 진동을 감쇠하는 탄성지지부를 가지는 탄성부재가 고정 설치됨을 특징으로 하는 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조가 제공된다.

또한, 상기 탄성지지부는 상기 수중청음기에 대해 방사 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수중청음기 지지구조가 제공된다.

또한, 상기 탄성부재는 상기 수중청음기와 탄성부재 및 절연오일이 이루는 구조의 고유진동수가 수중청음기가 수신하고자 하는 음파의 주파수 대역 이하의 영역에 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수중청음기 지지구조가 제공된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 수중청음기 지지구조에 의해 센서 패키지 내부에 고정되어진 수중청음기들을 포함하는 선배열 음향모듈의 일부를 개략적으로도시한 것으로, 센서 패키지(3)들은 지지로프(2)를 사용하여 일정한 간격으로 벌어져 지지되고 있으며, 센서 패키지(3)의 내부에는 탄성부재(4)에 의해 수중청음기(1)가 지지되고 있으며, 내부에 절연오일(5)이 충진된 탄성호스(6)가 일정 간격으로 배열된, 상기 수중청음기(1)와 센서 패키지(3) 및 탄성부재(4)의 조립체들을 둘러싸고 있다.

도 3a, 도 3b는 도 2에서의 수중청음기와 센서 패키지 및 탄성부재의 조립체 하나를 확대하여 보인 것으로, 도 3a는 반지름 방향 단면도를, 도 3b는 도 3a의 A-A선 단면도를 보인 것이다, 이에 도시된 바와 같이, 수중청음기(1)는 탄성부재(4)를 사용하여 센서 패키지(3) 내부에 설치되며, 상기 탄성부재(4)는 탄성부재의 정면도 및 B-B선 단면도를 각각 보인 도 4a, 도 4b 에 도시된 바와 같이 수중청음기(1)에 고정되는 수중청음기 고정부(12)와, 센서 패키지(3) 또는 센서 패키지(3)에 내부에 부착된 보조물(8)(도 3 참조)에 고정되는 센서 패키지 고정부(14)와, 상기 수중청음기 고정부(12) 및 센서 패키지 고정부(14)를 연결하면서 탄성체로 기능하는 탄성지지부(13)를 구비한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 적용되는 수중청음기를 위쪽 절반을 단면으로 나머지는 그대로 하여 보인 것으로, 도 4a, 도 4b에 도시된 바와 같은 고리형으로 된 수중청음기 고정부(12)가 각각 끼워질 수 있는 고정용 홈(15)이 양쪽 끝에 가까운 부분에 형성되어 있음을 볼 수 있다. 여기서 7은 수중청음기(1)에서 변환된 전기신호를 출력하기 위한 신호출력단자를 나타낸다.

한편, 도 6a, 도 6b는 본 발명의 일실시예에서 사용되는 도 3 에 도시된 바와 같은 보조물(8)을 확대하여 도시한 것으로, 도 6a는 반지름 방향 단면도를, 도 6b는 도 6a의 C-C선 단면도를 보인 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 보조물(8)의 양쪽 끝에 인접한 부분에는, 탄성부재(4)의, 수중청음기(1)에 고정되지 않은 바깥쪽 부분인 센서 패키지 고정부(14)가 결합되기 위한 고정용 홈(16)이 형성되어 있다. 여기서 17은 센서 패키지 고정부(14)를 상기 고정용 홈(16)에 끼워서 탄성부재(4)와 보조물(8)을 조립할 때에 탄성지지부(13)가 방해되지 않고 통과하여 조립될 수 있게 하는 조립용 홈을 나타내고, 10은 수중청음기(1)의 신호출력단자(7)와 연결되는 포스트 단자이다. 상기 포스트 단자(10)에는 신호선이 연결되며 이러한 신호선들은 도 3 에 도시한 바와 같이 센서 패키지(3)에 길이방향으로 형성된 신호선 통과용 구멍(11)을 통해 연장된다.

상기 보조물(8)은 단순히 센서 패키지(3) 내부에 끼워 맞춤되는 것으로 고정될 수도 있을 것이나, 보다 견고하게 고정하기 위해서는, 도 3에 도시된 바와 같이 보조물 고정용 나사(9)에 의해 센서 패키지(3) 내부에 고정될 수도 있을 것이다.

상기 도 2 내지 도 6b에서는 두개의 고리형 고정부(12,14)와 상기 고정부(12,14)간을 연결하는 탄성지지부(13)들을 구비한 두개의 탄성부재(4)를 사용하고, 상기 고정부들(12,14)에 각각 대응하여 결합되는 두개씩의 고정용 홈(15,16)을 수중청음기(1)와 센서 패키지(3) 각각에 형성한 경우를 보이고 있으나, 탄성부재의 형상과 개수, 그리고 탄성부재를 사용하여 수중청음기와 센서 패키지를 연결하는 방식은 상기 실시예에 한정하지 않음은 물론이다. 본 발명의 청구범위에서 밝힌 바와 같이 본 발명의 요지는 진동감쇠를 위한 탄성부재를 사용하여 수중청음기를 센서 패키지 내부에 고정하는 것에 있는 것이며, 상기 실시예는 이를 구현하는 하나의 방식을 나타낸 것이다.

다만, 진동감쇠를 위해서는 도 4a,b 에서와 같이 상기 탄성지지부들이 방사대칭으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 수중청음기와의 마찰에 의한 소음을 경감시키기 위하여 수중청음기(1)와 수중청음기 고정부(12)의 접촉면적은 수중청음기를 지지하는데 문제가 없는 한도에서 최소화되는 것이 바람직하다.

본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 1 에 도시한 바와 같이, 선배열 음향 모듈(M)이 예인함(S)에 의해 예인되는 때에는 예인함(S)으로부터 전달되는 진동과 예인 케이블(C) 주위의 와류 유동에 따른 스트러밍 진동이 선배열 음향모듈(M) 내의 지지로프(2)를 통하여 센서 패키지(3)로 전달되게 된다. 종래 오픈셀 폼 혹은 클로즈드셀 폼으로 수중청음기(1)를 감싸서 센서 패키지(3) 내에 설치하는 구조에서는 이러한 진동이 거의 그대로 수중청음기(1)로 전달되어 수중청음기(1)를 진동시켜 출력신호의 소음으로 되었고, 수중청음기(1)와 그를 둘러싸는 오픈셀 폼 등과의 마찰에 의해 야기되는 마찰 소음까지 이에 더하여 졌다. 그러나, 본 발명에서는 수중청음기(1) 외면 전체와 접하지 않고 일부와만 접하는 탄성부재(4)를 매개로 하여 수중청음기(1)와 센서 패키지(3)가 결합되어 있음에 따라, 지지로프(2)를 통해 센서 패키지(3)로 전달된 불필요한 외부 진동이 전달될 수 있는 경로를 감소시킴은 물론이고, 전달된 진동도 탄성부재(4)에서 충분히 감쇠되므로 수중청음기(1)에 전달되는 진동이 작게된다. 아울러, 수중청음기(1)와 탄성부재(4)간의 접촉부위가 크지 않으므로 마찰에 의한 출력신호의 소음도 경감되게 된다.

위와 같이 탄성부재(4)를 사용하는 것만으로도 그렇지 않은 경우에 비해 일반적으로 진동을 감쇠시키는 효과가 있을 것이나, 보다 바람직하게는 관심있는 주파수 대역을 감안하여 탄성부재와 절연오일 그리고 수중청음기 구조의 고유진동수를 관심 주파수 대역 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

그 이유에 대해 이론적인 설명을 행하자면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에서의 수중청음기 지지구조를 스프링-댐퍼-질량으로 구성된 1 자유도 감쇠 진동 모델로 나타낸 것이고, 도 8은 도 7에 나타낸 감쇠 진동 모델의 진동 전달 특성을 나타낸 그래프이다.

여기에서 보인 바와 같이, 탄성부재를 사용한 수중청음기 지지구조는 등가 스프링 상수 k, 등가 감쇠 계수 c의 탄성체에 질량 m인 수중청음기가 매달린 1 자유도 감쇠 진동 모델로 나타낼 수 있으며, 여기서 k는 탄성부재의 등가 스프링 상수, c는 수중청음기 주위에 채워진 절연오일(5) 및 탄성부재(4)의 등가 감쇠 계수이다. 이러한 진동 모델은 도 8과 같은 진동 전달 특성을 갖는데, 스프링 상수 k와 질량 m으로부터 결정되는 고유진동수 내지 공진주파수 W_n을 가져 이 고유진동수 이하의 진동에서는 진동전달률(X₂/X₁)이 1이며, 고유진동수 이상에서는 진동수 내지 주파수의 증가에 따라 진동전달률이 줄어든다. 여기서 X₁과 X₂는 각각 센서 패키지의 진동량과 그로 인한 수중청음기의 진동량을 나타낸다. 따라서 관심 주파수 대역이 공진 주파수 이상일 때에는 외부로부터의 진동을 차단하는 효과를 얻을 수 있어 출력신호의 소음을 감소시킬 수 있는 것이다.

본 발명의 수중청음기 지지구조를 사용하면, 예인 함정의 운항에 기인하는 진동 및 예인 케이블의 유동 유기 진동과 같은 수중 이동 표적에 의한 음파와 무관한 외부 진동이 센서 패키지로부터 수중청음기로 전달되는 과정에서 감쇠되어 외부 진동으로 인한 수중청음기의 자체 진동이 억제되므로 출력신호에서의 소음이 저감되어 선배열 소나 시스템의 탐지 성능이 향상되게 된다.

또한, 종래의 수중청음기 외부면 전체를 감싸는 오픈셀 폼 등을 사용하는 경우와 달리, 마찰에 의한 소음이 거의 없어 출력신호의 소음 저감으로 선배열 소나 시스템의 탐지 성능이 향상되게 된다.

Claims (4)

1. 절연오일이 채워진 탄성호스 내부에 다수개의 센서 패키지가 지지로프에 의해 일정간격을 연결 지지되고, 상기 센서 패키지 내부에는 수중청음기가 설치 지지되어 구성되는 선배열 소나 시스템에 있어서,

   상기 탄성호스의 내부에는, 수중청음기측에 고정되는 수중청음기 고정부와 센서 패키지측에 고정되는 센서 패키지 고정부와 상기 수중청음기 고정부와 센서 패키지 고정부 사이에 위치하여 진동을 감쇠하는 탄성지지부를 가지는 탄성부재가 고정 설치됨을 특징으로 하는 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성지지부는 상기 수중청음기에 대해 방사 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탄성부재는 상기 수중청음기와 탄성부재 및 절연오일이 이루는 구조의 고유진동수가 수중청음기가 수신하고자 하는 음파의 주파수 대역 이하의 영역에 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선배열 소나 시스템의 수중청음기 지지구조.