기계硏, 실선 기반 진동·소음 모니터링 알고리즘 개발로 원천기술 확보

국내 최초로 선체에 부착된 가속도센서를 활용해 함정의 수중방사소음을 예측, 이상 진동을 진단할 수 있는 알고리즘을 개발하고 실선 시험을 통해 성능을 검증했다. 군함의 은밀성 확보에 핵심이 되는 수중방사소음을 실시간으로 예측하고 이상 징후를 사전에 감지할 수 있는 기반을 마련함으로써 국내 해군 전력 강화와 함정 운용 효율성 제고에 크게 기여할 것으로 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현) 가상공학플랫폼연구본부 가상공학연구센터 이성현 책임연구원 연구팀은 다수의 함정을 대상으로 실측 데이터를 확보하여 선체 진동 및 수중방사소음을 정량적으로 예측하고 모니터링할 수 있는 알고리즘과 센서 배치 설계 기술을 개발했다. 특히 제한된 센서 수를 이용하면서도 예측 정밀도를 유지할 수 있는 최적화 설계 기술을 확보했으며 실선 시험을 통해 최대 4dB 이내의 예측 오차율을 달성했다.

기계연구원 연구팀은 함정 선체에 부착된 가속도센서를 통해 접수판의 진동 정보를 실시간으로 계측하고 이를 기반으로 방사효율과 주파수 특성을 결합해 수중방사소음을 정량적으로 예측하는 알고리즘을 정립했다. 신호처리 및 진동 해석 기법을 활용해 주요 진동 특징을 추출하고 최소한의 센서 수로 최대 정확도를 낼 수 있는 최적 배치 방법을 도출했다. 또한 통계 기반의 이상 탐지 알고리즘과 운항 조건별 임계치 설정 기법을 통해 다양한 운용환경에서 적용 가능한 기반 기술을 확보했다.

기존의 수중방사소음 계측 방식은 외부 해양 측정 장비를 이용해 조용한 해역에서, 주변에 운항 중인 선박이 없는 조건에서 간헐적으로 수행되어야 하며, 해양 환경 변화나 선체 외판에 부착된 따개비 등의 생물 부착물에 따라 측정 결과가 달라질 수 있어 데이터의 신뢰성 확보에도 어려움이 있었다. 반면, 이번에 개발된 알고리즘은 함정 내부에 설치된 센서만을 활용하여 실시간으로 진동 및 수중방사소음을 예측하고 진단할 수 있어, 측정 조건에 대한 제약이 적고 운용 효율성과 이상 대응 속도에서 뚜렷한 우위를 가진다. 특히 공동현상(cavitation : 프로펠러의 회전이 빨라짐에 따라 주변의 압력이 낮아지면서 기포가 발생하고, 이 기포들이 붕괴하면서 소음, 진동 및 충격이 발생하는 현상) 발생 여부나 추진 모드 전환 등에 따른 소음 변화를 실시간으로 반영할 수 있어 작전 중 함정의 상태 변화 파악에 유리하다.

본 기술은 실시간 진동 계측 및 분석을 통해 이상 진동 감지, 수중방사소음 예측, 임계치 기반 경고 기능까지 일괄적으로 수행할 수 있으며 다양한 함정의 설계 및 운용 환경에 따라 유연하게 적용할 수 있는 확장성을 가지고 있다는 점이 강점이다. 또한 최적화된 센서 배치와 적응형 알고리즘 구조 덕분에 장비 설치·운용 비용 절감 효과가 있으며 함정 유지관리 및 수중소음 통제 측면에서도 효율적인 운영이 가능하다.

또한 연구팀은 운용 중인 함정의 접수판 및 주요 추진 장비에 센서를 부착하여 다양한 운항 조건에서 계측한 진동 데이터를 바탕으로 성능을 검증했다. 특히 함속 증가에 따른 진동 및 소음 변화 특성을 분석하고 예측 알고리즘의 정밀도를 평가하기 위해 ‘수중방사소음 측정을 위한 국제 표준(ISO 17208-1:2016 등) 적용 통합성능시험’도 수행했다. 이 과정에서 예측 알고리즘과 실측 결과 간 최대 오차가 4dB 이내로 나타나 실환경에서도 적용 가능한 수준의 신뢰도를 확보했다.

기계연구원 이성현 책임연구원은 “이번 기술은 수중방사소음이라는 전략적 정보의 실시간 예측과 모니터링을 가능하게 한 세계적 수준의 시스템으로 군사적 은밀성 확보뿐만 아니라 운용 장비 이상 진단 및 유지관리 효율화 측면에서도 폭넓은 활용이 가능할 것”이라고 밝혔다.