23.35 회전 소음(Rotational Noise)과 광대역 소음(Broadband Noise)

1. 두 소음 성분의 구분

프로펠러 소음은 주파수 스펙트럼 상의 특성에 따라 크게 회전 소음(rotational noise)과 광대역 소음(broadband noise)으로 구분된다. 회전 소음은 블레이드 통과 주파수와 그 고조파 성분으로 구성된 이산(discrete) 스펙트럼을 가지며, 주기적 블레이드 운동과 정상 상태 하중에 의해 발생한다. 광대역 소음은 연속 스펙트럼을 가지며, 난류와 비정상 유동에 의해 발생한다. 두 성분은 각기 다른 물리적 기원을 가지며, 저감을 위한 설계 접근도 상이하다.

2. 회전 소음의 구성

회전 소음은 크게 두 가지 성분으로 구성된다. 첫째, 두께 소음(thickness noise)은 회전하는 블레이드가 공기를 변위시키면서 발생하는 단극 원천 방사이다. 둘째, 정상 하중 소음(steady loading noise)은 블레이드의 양력과 항력 분포에 의해 발생하는 쌍극 원천 방사이다. 두 성분 모두 블레이드 통과 주파수 f_{\text{BPF}} = B \cdot n와 그 고조파에 집중된다. 여기서 B는 블레이드 수, n은 회전 속도이다.

3. 회전 소음의 수학적 기술

회전 소음의 음압은 Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) 방정식의 해로 표현되며, 관측점에서의 음압은 블레이드 운동과 하중의 시간 이력으로부터 계산된다. 원격 음장의 소음 전력은 일반적으로 다음과 같이 모형화된다.

P_{\text{rot}} \propto f(M_{\text{tip}}) \cdot B^2 \cdot (T/A)^a \cdot D^b

여기서 M_{\text{tip}}은 팁 마하 수, T/A는 디스크 하중, a와 b는 경험적 지수이다. 팁 마하 수가 높을수록 소음 전력이 급증하며, 디스크 하중이 클수록 하중 소음이 증가한다. 이는 Gutin이 Über das Schallfeld einer rotierenden Luftschraube(Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion, vol. 9, 1936)에서 유도한 전통적 Gutin 공식의 일반화된 형태이다.

4. 회전 소음의 방사 특성

두께 소음은 블레이드 회전면 내에서 가장 강하게 방사되며, 축방향으로는 소멸된다. 정상 하중 소음은 축방향으로 강하게 방사되며, 회전면 내에서는 약하다. 이 두 성분의 중첩은 프로펠러 회전면에 대해 기울어진 원추 형태의 소음 방사 분포를 형성한다. 블레이드 설계에 따라 두 성분의 상대적 크기가 달라지며, 전체 소음 분포가 변화한다.

5. 광대역 소음의 구성

광대역 소음은 연속 스펙트럼을 가진 소음 성분으로, 다음의 원천에서 발생한다. 첫째, 블레이드 경계층 난류와 후연의 상호작용에 의한 후연 소음(trailing edge noise). 둘째, 유입 난류와 블레이드 전연부의 상호작용에 의한 유입 난류 소음(inflow turbulence noise). 셋째, 블레이드 팁 와류의 난류 변동에 의한 팁 소음(tip noise). 넷째, 블레이드와 경계층의 상호작용에서 발생하는 박리 소음(separation noise). 다섯째, 층류 박리 버블과 난류 천이에 의한 toning 소음.

6. 후연 소음의 모형

Brooks, Pope, Marcolini가 Airfoil Self-Noise and Prediction(NASA Reference Publication 1218, 1989)에서 제시한 반경험 모형인 BPM 모형은 후연 소음을 다음과 같이 분류한다. 첫째, 난류 경계층-후연 상호작용 소음. 둘째, 박리 유동에 의한 소음. 셋째, 층류 경계층과 후연부 블레이드 와류 방출에 의한 톤 소음. 넷째, 팁 와류 소음. 이 모형은 소형 프로펠러의 광대역 소음 예측에 현재까지 널리 사용된다.

7. 유입 난류 소음

프로펠러가 자유 흐름의 난류를 통과할 때, 난류 변동이 블레이드에 비정상 양력을 유도하여 소음이 발생한다. 이 성분은 멀티로터의 근접 비행 환경, 지면 근접 비행, 돌풍 환경에서 두드러진다. Amiet가 Noise Due to Turbulent Flow Past a Trailing Edge(Journal of Sound and Vibration, vol. 47, no. 3, 1976)에서 전연부 유입 난류 소음의 해석적 모형을 제시하였다.

8. 소음 성분의 비교

이 표는 프로펠러 소음 성분의 대표적 특징과 설계 대응 방향을 요약한 것이다.

9. 회전 소음 지배 영역과 광대역 소음 지배 영역

일반적으로 팁 마하 수가 높은 대형 프로펠러와 고속 항공기용 프로펠러에서는 회전 소음이 지배적이다. 반대로 팁 마하 수가 낮은 소형 무인기와 멀티로터 프로펠러에서는 광대역 소음의 비중이 상대적으로 높다. 따라서 무인기의 소음 저감 설계에서는 광대역 소음의 원천을 체계적으로 억제하는 접근이 필요하다.

10. 측정과 분석

소음 측정은 무반향실(anechoic chamber), 반무반향 풍동, 야외 측정 시설에서 수행된다. 마이크로폰 배열(microphone array)을 사용하여 방향성 측정과 beamforming 분석을 통해 소음 원천의 공간 분포를 식별한다. 고조파 분석은 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 회전 소음의 이산 성분과 광대역 소음의 연속 성분을 분리한다. 이러한 분석은 소음 저감 설계의 효과를 정량적으로 평가하는 데 활용된다.

11. 로봇공학적 고려

자율 비행 로봇의 설계에서 회전 소음과 광대역 소음은 서로 다른 저감 전략을 요구한다. 첫째, 도심 운용 드론에서는 인간 청감이 민감한 1 ~ 5 kHz 주파수 대역의 광대역 소음 저감이 특히 중요하다. 둘째, 감시용 무인기에서는 회전 소음의 이산 성분이 타깃에 의해 식별되기 쉬우므로 블레이드 수 조정과 변조가 효과적이다. 셋째, 실내 자율 비행 로봇에서는 좁은 공간에서의 반사음을 고려한 광대역 소음 특성화가 필요하다. 이러한 고려는 자율 비행 로봇의 실용적 운용 범위를 확장하는 데 기여한다.

12. 출처

• Gutin, L. “Über das Schallfeld einer rotierenden Luftschraube.” Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion, vol. 9, 1936.
• Ffowcs Williams, J. E., and Hawkings, D. L. “Sound Generation by Turbulence and Surfaces in Arbitrary Motion.” Philosophical Transactions of the Royal Society A, vol. 264, 1969.
• Brooks, T. F., Pope, D. S., and Marcolini, M. A. Airfoil Self-Noise and Prediction. NASA Reference Publication 1218, 1989.
• Amiet, R. K. “Noise Due to Turbulent Flow Past a Trailing Edge.” Journal of Sound and Vibration, vol. 47, no. 3, 1976.
• Goldstein, M. E. Aeroacoustics. McGraw-Hill, 1976.

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v1.0 (2026-04-17)