본 논문에서는 전자파 해석에 관련된 기존의 해석 기법들을 간략하게 비교, 검토하고 GTD / UTD를 기본으로하여 고주파 해석 기법에 관련된 몇가지 문제들을 다룬다. 전자파 해석이란 전자파의 복사(radiation), 산란(scattering) 및 결합(coupling)에 관련된 문제의 해석을의미 한다. 전자파 해석은 여러 목적을위해 응용되고 있으며 EMC / EMI문제의 분석 및 대책 수립에도 응용될 수 있다. EMC / EMI 문제의 근원은 전자파의 간섭(interference) 현상이다. Emitting source로부터 복사(radiation)되는 간섭파는 여러 경로를 통해서 receptor로 coupling된다. 일반적으로 emitter와 receptor사이에는 여러 복잡한 구조물이 산란체로 작용하고 있으므로, emitter와 receptor사이의 직접경로(direct path)를 통한 coupling과 함께 구조물에 의한 전자파의 반사 및 회절을 통한 간접경로(indirect path)의 coupling도 고려되어야 한다. 따라서 EMC / EMI문제는 자유공간(free space)상에 있는 antenna 사이의 송수신 문제보다 매우 복잡하고 정확한 couplin의 계 산에 적지않은 어려움이 있다. EMC / EMI대책수립은 일차적으로 coupling path의 차단을 통해서 가능하므로 전자 파의 coupling path의 분석과 전자파의 복사 및 산란 mechanism에 대한 해석이 필수적이다.
대표적인 이중곡면 산란체인 타원체를 표준 구조물로 설정하여 역방향(backscattering)에서의 고주파 전자파 산란 해석을 위한 creeping wave을 구하는 방법에 대해 알아보았다. 타원체는 비행기나 미사일 형태의 몸체를 모델링하는 기본 구조물이다. 시뮬레이션으로 타원체 표면에서의 geodesic path의 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 체적형 결함과 균열형 결함에 대한초음파산란 현상을 모델링하기 위한 두가지 이론을 설명하였다. 동탄성 Kirchhoff 근사 (EKA)와 기하학적 회절이론 (GTD)이 각각 원주형 기공과 반무한 균열에 적용되었다. 이 두 이론은 고주파수 근사법으로 알려져 있다. 모델 결함들에 평면파가 입사하는 경우의 2차원 동탄성 산란 문제를 고려하였으며 산란장을 반사계수와 회절계수의 항으로 구하였다. 원거리에서 산란파의 변위에 대한 입사파 변위의 비를 관찰 방향의 함수로 구했으며 그 결과를 경계요소법과 비교하였다.
중주파수대역은 내부 음향 모드의 공명 및 모드간 상호 간섭 특성을 완전히 무시할 수는 없으나 모드 밀도가 비교적 높기 때문에, 기존의 저주파수용 모드기법이나 고주파수에 대한 통계적 및 기하학적 해석방법과는 다른 기법이 필요한 구간이다. 본 논문에서는 위상 을 포함한 기하음향모델을 이용하여 중주파수 특성을 고려하는 개념을 이용하여 해석기법을 확립하였으며, 삼각형빔법을 기초로 한 모델링을 하였다. 세 개의 서로 다른 특성을 지닌 대 상 공간에 대해 음향 경계요소법 및 실험에 의한 음향 주파수응답함수와 본 연구 결과를 비 교함으로써 유효성과 오차특성을 검토하였다. 이로부터 위상으로 고려한 중주파수 대역에 잘 적용될 수 있음을 확인하였고, Schroeder의 차단주파수 이하의 저주파수에서는 내부구조 에 의한 회절이, 차단주파수의 네 배 이상인 고주파수에서는 벽면에서의 산란이 간섭현상과 함께 고려되어야 함을 보였다. 이러한 해석기법은 중주파수대역에 있어서 청감특성을 고려 한 내부공간의 음향설계에 매우 유용할 것으로 사료된다.
효율적인 RCS 감소 연구를 위해 고주파수 근사 기법을 연계한 혼합기법 기반의 RCS 예측 코드를 개발하였다. 연계기법으로 전자기파 산란에 관한 고주파 기법인 물리광학법(Physical Optics)과 기하광학법(Geometrical Optics)을 이용하였다. RCS 산란 메커니즘의 하나인 Cavity Return 효과를 확인하기 위해 Inlet 영역은 기하광학법을 적용하였고, 그 외 영역은 물리광학법을 적용하였다. 예측코드의 정확성을 검증하기 위하여 구의 이론해와 예측결과를 비교하였고, Cavity가 존재하는 Sphere에 대한 Full Wave 해석해와 결과값을 비교하였다. 마지막으로 비행체 형상에 대한 RCS 해석문제에 적용하여 개발 코드의 유용성을 확인하였다.
섬유강화 복합재료의 동탄성계수와 감쇠특성을 규명하기 위하여 랜덤하게 분포된 무한 실린더 형상의 산란체를 가진 점탄성 매질내에서 , 축방향으로 분극되어 조화 운동을 하는 탄성파의 전파에 관하여 연구하였다. 다중 산란에 관한 이론으 이용하여 매질내에서의 파동전파 특성을 내포하는 분산관계식을 얻었다. 다중산란에 의한 실린더간의 상호작용을 수식화하기위하여 필요한 실린더의 쌍분포함수는 몬테카를로 모의 실험을 이용하여 구하였다. 수치적으로 구한 감쇠계수 및 유효전단강성을 주파수와 체적율의 함수로 제시하였다. 또한 감쇠계수의 주파수에 따른 변화에 있어서, 저주파에서는 매질의 점탄성 손실이 지배적이며, 고주파수로 갈수록 다중산란에 의한 손실이 지배적인 것으로 나타났다.
대규모 PEC 물체의 표면에 존재하는 Gap/Crack 구조에 의한 산란파는 RCS가 매우 낮은 물체에 있어서 그 중요성이 매우 크지만, 고주파 근사법을 사용하여 해석할 수가 없다. 만약 이들의 전기적 폭이 충분히 작다면, 적절한 임피던스 스트립으로 모델링 한 후, 저주파 근사법을 통하여 해석적으로 산란파 공식을 얻을 수 있다. 저주파 공식은 TE(Transverse Electric)파와 TM(Transverse Magnetic)파에 대해 2차원 해의 형태로 주어지며, 이를 바탕으로 3차원 ILDC(Incremental Length Diffraction Coefficients)를 추출할 수 있고, 이를 통하여 물체 표면에 존재하는 임의의 형태의 크랙의 산란파도 계산할 수 있다. 기존의 방법은 TE파에 의한 결과만을 사용하여, TM파가 중요한 경우에 정확도가 떨어진다. 본 논문에서는 TE파와 TM파에 의한 결과를 동시에 사용하여 향상된 ILDC 수식을 제안하고, 그 정확성을 시뮬레이션을 통하여 검증한다.
A mono-static high frequency acoustic target strength analysis scheme was developed for underwater targets, based on the far-field Kirchhoff approximation. Au adaptive triangular beam method and a concept of virtual surface were adopted for considering the effect of hidden surfaces and multiple reflections of an underwater target, respectively. A test of a simple target showed that the suggested hidden surface removal scheme is valid. Then some numerical analyses, for several underwater targets, were carried out; (1) for several simple underwater targets, like sphere, square plate, cylinder, trihedral corner reflector, and (2) for a generic submarine model, The former was exactly coincident with the theoretical results including beam patterns versus azimuth angles, and the latter suggested that multiple reflections have to be considered to estimate more accurate target strength of underwater targets.
The high-frequency analysis method of back-scattering cross section spectrum of rotating targets is established. The time history of the back-scattering cross section is calculated using a quasi-stationary approach, based on a physical optics and a physical theory of diffraction, combining an adaptive triangular beam method to consider the shadow effect. And the spectra of back-scattering cross section by the Doppler effect are analyzed applying a simple fast Fourier transform method to its time history. The numerical calculation for rotating targets, such as rotating metal plates and underwater propeller, are carried out. The time history appears to be periodic with respect to the number of wings. The backscattering cross section spectrum level and its frequency shift are dependent on the rotating speed, direction, and the shape of the targets.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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