24.39 멀티로터 소음 발생 메커니즘

24.39 멀티로터 소음 발생 메커니즘

1. 멀티로터 소음의 특수성

멀티로터 소음은 단일 프로펠러 소음의 선형 합으로 단순 예측되지 않는 복합적 특성을 가진다. 다수 로터의 상호작용, 기체 동체와의 결합, 근접 운용 환경 등이 복합적으로 작용하여 독특한 음향 특성을 형성한다. 멀티로터 소음은 도심 배송 드론, 도심항공교통 기체, 주거 지역 운용 드론의 사회적 수용성을 결정하는 주요 요소이다. 이 분야의 연구는 Zawodny와 Boyd의 Investigation of Rotor-Airframe Interaction Noise Associated with Small-Scale Rotary-Wing Unmanned Aircraft Systems(Journal of the American Helicopter Society, vol. 65, no. 1, 2020) 등에서 활발히 수행되고 있다.

2. 개별 로터의 소음 원천

멀티로터의 소음 원천은 개별 로터의 소음 원천을 포함한다. 첫째, 두께 소음(thickness noise): 블레이드가 공기를 변위시키면서 발생. 둘째, 정상 하중 소음(steady loading noise): 블레이드의 양력과 항력에 의해 발생. 셋째, 광대역 소음(broadband noise): 경계층 난류와 후류 상호작용. 넷째, 비정상 하중 소음(unsteady loading noise): 비대칭 유입 조건. 이들 원천은 Ffowcs Williams-Hawkings 방정식으로 수학적으로 기술된다.

3. 다중 로터 상호작용 소음

멀티로터에서는 다수 로터의 상호작용에 의한 추가 소음 원천이 존재한다. 주요 요소는 다음과 같다. 첫째, 인접 로터의 팁 와류가 다른 로터 블레이드를 관통하면서 발생하는 BVI 소음. 둘째, 로터 간 후류 충돌에 의한 난류 소음. 셋째, 로터의 회전 위상 차이에 의한 간섭 소음. 넷째, 기체 중심부 재순환 유동의 난류 소음. 이러한 상호작용 소음은 단일 로터의 해석으로 예측되지 않는다.

4. 기체 동체와의 상호작용

멀티로터 기체 동체와 로터 후류의 상호작용은 소음을 증폭시킨다. 주요 기구는 다음과 같다. 첫째, 로터 후류가 기체 암(arm)과 구조에 충돌하여 난류 소음 발생. 둘째, 기체 표면에서의 유동 박리와 와류. 셋째, 탑재 장비 주변의 공기 교란. 이러한 상호작용은 로터만 있는 경우의 소음보다 크게 증가된 방사 소음을 유발한다.

5. 블레이드 통과 주파수

멀티로터의 가장 두드러진 소음 성분은 블레이드 통과 주파수(blade passing frequency, BPF)에서의 톤 소음이다. N개의 로터가 각각 B개의 블레이드를 가지고 회전 속도 n으로 회전하면, BPF는 다음과 같다.

f_{\text{BPF}} = B \cdot n

각 로터의 BPF는 회전 속도에 따라 변동하며, 다수 로터가 약간씩 다른 회전 속도로 운용되면 여러 주파수 성분이 동시에 존재한다. 이러한 비동기 BPF는 독특한 음향 특성을 형성한다.

6. 주파수 스펙트럼

멀티로터의 소음 주파수 스펙트럼은 다음의 성분으로 구성된다. 첫째, BPF와 그 고조파. 둘째, 다수 로터의 BPF 간 차이 주파수(beat frequency). 셋째, 광대역 난류 성분. 넷째, 기계적 진동 성분(모터, ESC). 다섯째, 기체 구조의 공명 주파수. 이러한 복합 스펙트럼이 청감적 특성을 결정한다.

7. 청감과 주관적 느낌

멀티로터 소음의 청감적 특성은 다음의 요인에 영향받는다. 첫째, 다수 BPF 성분이 인간 청감에 특히 불쾌한 주파수 대역(1-5 kHz)에 집중. 둘째, 비동기 회전에 의한 박동 느낌. 셋째, 광대역 잡음의 연속적 부지. 넷째, 소음 특성의 시간 변동. 다섯째, 고주파 성분의 강조. 이러한 특성은 Cabell, Grosveld, McSwain이 Measured Noise from Small Unmanned Aerial Vehicles(Noise-Con 2016)에서 실측한 특성과 부합한다.

8. 로터 수의 영향

로터 수와 소음의 관계는 복잡하다. 로터 수를 증가시키면 다음의 상반된 영향이 있다. 첫째, 개별 로터 하중이 감소하여 각 로터 소음이 저감. 둘째, 총 소음 원천 수가 증가. 셋째, 로터 간 상호작용 소음이 증가. 넷째, BPF 성분 수 증가. 전체 소음은 이러한 요소들의 복합 결과이다. 일반적으로 적절히 설계된 다수 로터 구성이 단일 로터보다 낮은 소음을 제공할 수 있다.

9. 팁 속도의 지배적 영향

멀티로터 소음에서도 팁 속도는 지배적 요인이다. 두께 소음은 팁 마하 수의 약 6승, 하중 소음은 약 4승, 전체 소음 전력은 약 5승에 비례한다. 따라서 팁 속도를 감소시키는 것이 소음 저감의 가장 효과적 방법이다. 이는 직경을 늘리고 회전 속도를 낮추는 설계 방향으로 이어진다.

10. 소음 예측 방법

멀티로터 소음의 예측에는 다음의 방법이 사용된다. 첫째, 반경험적 모델(Gutin 공식 기반). 둘째, Ffowcs Williams-Hawkings 방정식의 해석적 적용. 셋째, CFD-CAA 결합 해석. 넷째, 격자 볼츠만 방법(LBM) 기반 해석. 다섯째, 학습 기반 예측 모델. 이러한 방법의 선택은 정확도 요구와 계산 비용의 균형에 의해 결정된다.

11. 측정과 분석

멀티로터 소음의 측정은 다음의 접근으로 수행된다. 첫째, 무반향실 또는 반무반향실에서의 정밀 측정. 둘째, 마이크로폰 배열을 이용한 방향성 측정. 셋째, 야외 비행 시험에서의 실측. 넷째, beamforming으로 소음 원천 위치 식별. 다섯째, 주파수 스펙트럼 분석(FFT). 여섯째, 심리음향적 평가. 이러한 측정은 저소음 설계의 검증과 개선에 활용된다.

12. 환경 규제

멀티로터 소음은 각국의 환경 규제를 만족해야 한다. 주요 규제 기준은 다음과 같다. 첫째, 국제민간항공기구(ICAO) Annex 16의 항공 소음 기준. 둘째, FAA Part 36의 무인기 소음 규정. 셋째, EASA의 eVTOL 소음 기준. 넷째, 지역별 환경 소음 조례. 이러한 규제는 기체 인증과 운용 허가의 기준이 된다.

13. 로봇공학적 의의

멀티로터 소음 발생 메커니즘의 이해는 자율 비행 로봇의 다음 측면에 기여한다. 첫째, 도심항공교통 기체의 사회적 수용성. 둘째, 주거 지역 배송 드론의 운용 가능성. 셋째, 조용한 감시 및 검사 드론 개발. 넷째, 실내 자율 비행 로봇의 환경 친화성. 다섯째, 소음 규제 준수와 인증. 이러한 의의는 소음이 자율 비행 로봇 기술의 실용화에서 결정적 요인임을 보여 준다.

14. 출처

  • 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.
  • Zawodny, N. S., and Boyd, D. D. “Investigation of Rotor-Airframe Interaction Noise Associated with Small-Scale Rotary-Wing Unmanned Aircraft Systems.” Journal of the American Helicopter Society, vol. 65, no. 1, 2020.
  • Cabell, R., Grosveld, F., and McSwain, R. “Measured Noise from Small Unmanned Aerial Vehicles.” Noise-Con, 2016.
  • Brooks, T. F., Pope, D. S., and Marcolini, M. A. Airfoil Self-Noise and Prediction. NASA Reference Publication 1218, 1989.
  • Leishman, J. G. Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed. Cambridge University Press, 2006.

15. 버전

v1.0 (2026-04-17)