http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2019.28.5.318 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
탄환 충격파 측정용 방수 음향센서 개발
허신1,+ · 이덕규2
Development of Waterproof Acoustic Sensor for Shockwave Measurement
Shin Hur1,+ and Duck-Gyu Lee2
Abstract
In shooting training, an impact point identification system that uses the impact wave of the bullet to check the impact point in the target plate has been recently used. Acoustic sensors used in these systems must be able to detect shock waves of high sound pressure levels and be both waterproof and dustproof for rainy weather and dusty environments, respectively. In this study, membranes with excellent waterproof, dustproof, and sound transmitting characteristics were selected through a characteristics test; a protection cap was installed to install the selected materials. After coupling the produced protection cap to the acoustic sensor housing, the sensitivity and phase characteristics of the acoustic sensor were checked. Through the waterproof and dustproof test, the performances of its sensitivity and phase characteristics were confirmed. Finally, the normal shockwave of a 5.56 mm diameter bullet was measured using a shock- wave detection signal collecting plate equipped with a prototype of the acoustic sensor at a 100 m firing range.
Keywords: Shock wave, Waterproof, Dustproof, Acoustic sensor
1. 서 론
현재 사격 훈련을 실시할 경우에는 사수가 사격을 할 때마다 표적지로 이동하여 탄착점의 위치를 확인해야 하는 번거로움이 있으며 표적지로 이동할 경우 위험에 노출되기도 한다. 또한 망 원경을 이용하여 탄착점의 위치를 파악할 경우, 이전의 탄착점 과 비슷한 위치에 새로운 탄착점이 형성되었을 때 식별의 어려 움이 있다. 따라서 미국, 영국, 스위스, 스웨덴 등에서는 탄착점 식별 시스템(Location Of Miss And Hit, LOMAH) 장비를 개발 하여 사격 훈련을 지원하고 있다[1,2]. 탄착점 식별 시스템은 이 렇게 발생되는 충격파를 이용하여 탄착점을 추정하여, 실시간으 로 탄착점을 표시할 수 있는 기능을 가지고 있다. 이 장비를 사 용하게 되면 사수의 전면에 위치한 모니터를 통해 실시간으로 탄착점을 확인할 수 있는 편리함의 장점을 갖게 되고, 사선에 사람이 들어갈 필요가 없으므로 안전성을 확보할 수 있다. 또한
지휘관이 각 사수의 사격 결과를 정리하여 훈련 정보를 관리 및 실시간 평가할 수 있는 장점이 있다. 일반적인 탄착점 식별 시 스템은 음향센서 어레이 기반 충격파 감지부, 신호처리장치, 탄 착점 계산 알고리즘, 컴퓨터, 모니터 등으로 구성된다. 일반적으 로 음향센서 어레이 기반 충격파 감지부는 탄환에서 발생하는 충격파를 감지하고 신호처리 기능을 가지고 있으며, 정확한 탄 착점을 추정하기 위해서는 음향 센서의 배치방식 및 개수가 결 정되어야 하며, 이에 따른 효과적인 탄착점 추정 알고리즘이 사 용되어야 한다.
이러한 탄착점 식별 시스템을 사용하여 사격훈련을 실시 할 때, 총기 내부에서 화약이 폭발하여 총구 끝 단에서 탄환이 발 사되면 공기 중에 소리의 전파속도에 의해 공기가 압축되면서 원뿔 형태의 충격파(Shock wave)가 발생하게 되고 그 후에 총 성(Blast wave)이 원형으로 음파속도로 전파된다[3-5].
Fig. 1 과 같이 충격파는 아주 짧은 시간 동안 N자 형상으로 발생하므로 시간차에 의한 탄환의 위치를 파악하는 데에 적합 하다. 충격파 신호를 측정할 수 있는 음향센서는 충격파의 음압 레벨 140 dB 이상을 견딜 수 있는 내구성을 가져야 한다[6]. 또 한 온도 및 습도의 변화에도 균일한 감지성능을 가져야 하고, 특히 야외에서 사격 시에 비가 오거나 먼지가 많은 환경에서 정 상적인 작동을 하여야 하며, 이를 위한 방수 및 방진 기능을 가 져야 한다. 또한 야외에서 방범 및 보안 목적의 감시장치나 야 외 소음 모니터링 등의 응용 분야가 증가하고 있다.
본 연구에서는 방수 및 방진 특성, 소리 투과특성이 우수한
한국기계연구원 나노자연모사연구실(Dept. of NINS, Korea Institute ofMachinery & Materials)
156 Gajeongbuk-Ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34103, Korea.
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Sep. 18, 2019, Revised: Sep. 26, 2019, Accepted: Sep. 30, 2019)
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맴브레인 소재를 특성시험을 통해서 선정하고, 선정된 방수소재 를 설치할 수 있는 방수캡을 제작한다. 제작된 방수캡을 음향센 서의 하우징에 결합한 후, 음향센서의 감도 및 위상 특성을 확 인하고, 방수 및 방진 시험을 통하여 최종적인 감도 및 위상 특 성의 성능을 확인한다. 또한 야외에서 사거리 100 m 사격실험 을 통하여 음향센서의 시제품에 대해서 충격파를 측정하여 충 격파 감지 성능을 확인한다.
2. 연구 방법
2.1 방수소재 선정
Fig. 2 는 소수성 및 소유성 특성을 갖는 ePTFE 소재(고어 사, 미국)의 형상 및 제원을 보이고 있다[7]. 이 방수소재는 125
oC 의 고온에서 안정성을 가지고, 습도(85
oC, 85% 상대 습 도, 1,000 hours)에서 내구성을 가지며, 접착 본드를 사용하여 부착할 수 있다. 방수소재의 제원은 내부 직경 3.3 mm, 외부 직경 7.6 mm이다.
2.2 방수 음향센서의 제작
방수 및 방진 음향센서는 ECM(Electret Condenser Microphone) 형식의 음향센서(㈜시스피아, 모델 HJ06)를 토대로 프로텍션캡 을 방수캡으로 대체하여 제작된다. Fig. 3은 방수 및 방진 음향 센서의 개략도를 보이고 있으며, 구조는 음향센서를 보호하고 방수 및 방진 기능을 하는 방수캡, 음향센서 소자, 전치증폭기, SMB 커넥터, 하우징으로 구성된다. 방수캡은 방수소재를 부착 할 수 있고 센서하우징과 억지끼워맞춤이 되는 부품, 방수소재 와 부착되는 링 부품, 전체를 고정하는 방수캡 부품으로 구성되 었다. Fig. 4는 음향센서의 각 부품을 조립하여 방수 및 방진 기 능을 하는 음향센서의 최종 시제품을 보이고 있다.
2.3 방수 음향센서의 성능시험 조건
Table 1은 제작된 방수 및 방진 음향센서의 환경 및 성능 시 험을 수행하기 위한 성능시험 조건, 시험표준, 시험방법, 시험기 관을 보이고 있다. 제작된 방수 및 방진 음향센서의 환경 시험 은 공인인증시험기관에서 수행을 하고, 센서의 성능시험은 외부 시험기관, 사격시험은 국가기관 사격장에서 실시한다.
Fig. 5 는 제작된 방수 및 방진 음향센서의 시험 전후의 감도 및 위상을 측정하기 위한 측정 장치로서, 기준 마이크로폰(B&K 4958, sensitivity -37.3 dB @ 250 hz), 방수 및 방진 음향센서, Fig. 1. Shock and blast wave from a firing gun [2].
Fig. 2. (a) Shape of waterproof materials, (b) Installation method.
Fig. 3. Schematic diagram of waterproof acoustic sensor.
Fig. 4. Prototype of waterproof acoustic sensor.
스피커, 동적신호분석기(HP-35670A), 고정 지지대로 구성된다.
시험 방법은 스피커를 이용하여1 Pa의 음원을 주파수대역 20 Hz~ 10 kHz 까지 발생시켜 기준 마이크로폰과 방수 및 방진 음 향센서의 출력 신호를 동적신호분석기를 통해 측정한 다음 감 도 및 위상을 비교하여 측정한다.
3. 결과 및 고찰
방수 및 방진 성능을 갖는 음향센서의 성능을 측정하기 전에 방수 및 방진 패키징이 되지 않은 3개의 기본 음향센서에 대한 감도 및 위상 특성시험을 전문시험기관에서 수행하였다. 시험 방법은 기준음향센서(B&K 4958)를 토대로 측정대상 음향센서 의 성능을 주파수 대역 20 Hz ~ 10 kHz에서 측정하는 방법을 사용하였다. Fig. 6과 같이 3개 음향센서의 감도를 주파수 250 Hz에서 측정한 결과, 평균 감도는 -45.8 dB 로 측정되었다. 하 지만 위상 특성은 측정하지 못했다.
3.1 방수 음향센서의 방수시험
음향센서의 방수 시험조건은 Fig. 7과 같은 방수시험 측정장 비를 사용하였으며, 총 12개의 물 분사 노즐로부터 IP X3등급
의 ±60°의 분사각도로 물을 분사하여 방수시험을 수행하였다.
총 2개의 음향센서에 대한 시험을 수행하였다. 시험절차는 방수 시험 전에 음향센서의 감도 및 위상을 50 Hz~10 kHz의 주파수 대역에서 측정한 다음, 방수시험을 실시하고, 즉시 음향 특성시 험을 실시하여 비교하였다. 음향 특성시험을 실시할 때 사용하 는 기준 마이크로폰은 B&K 4958 모델을 사용하였다.
음향센서의 방수시험은 강우시험 전 및 후의 감도 및 위상 특 성을 측정하였다. Fig. 8과 같이 감도를 측정한 결과, 시험전 에 Fig. 5. Test method of acoustic sensor.
Table 1. Environment and performance test conditions
Test conditions Test standards Test methods Test institute
Environment test
Waterproof test IPX3(KS C IEC 60529:2013)
• Spray Method: Spray at ± 60 degrees from vertical.
• Flow rate: 0.07 L / min per unit hole ±5%
• Test time : 10 min
Authorized Certificate Authority Dustproof test IP5X(KS C IEC
60529:2013)
• Test dust : Talcum powder(IEC 60529)
• Talc dust per unit volume : 2kg/m3
• Test time : 8 h
Performance test
Sensitivity and phase
Comparative mea- surement method
Install the reference sensor (B & K 4958) and the sensor to be measured, perform frequency sweep test with speaker, and compare signal char- acteristics with signal analyzer.
Shockwave test Sensor signal clipping or normal shock wave measurement at 100 m range
for a bullet diameter of 6.56 mm. Field firing test
Fig. 6. Sensitivity measurement results of Non-packaged acoustic sensor.
Fig. 7. Waterproof testing setup of acoustic sensor.
는 -45.8 dB이고, 시험후 에는 -46.0 dB으로서 시험 전후 0.2 dB 의 감도 차이를 보였다. Fig. 9와 같이 위상을 측정한 결과, 시험전 에는 -5.76°, 시험후 에는 -5.96°으로서 시험 전후 0.2°이 내의 위상 차이를 보였다.
3.2 방수 음향센서의 방진시험
음향센서의 방진시험은 Fig. 10과 같이 먼지 입자를 분사하는 방진시험 측정장비를 사용하였고, IP 5X등급의 방진시험을 수 행하였다. 시험절차는 방진시험 전에 총 2개의 음향센서에 대하 여 음향센서의 감도 및 위상을 50 Hz ~ 10 kHz의 주파수 대역 에서 측정한 다음, 즉시 방진시험 측정장비 내에서 음향 특성시 험을 실시하였다. 음향 특성시험을 실시할 때 사용하는 기준 마 이크로폰은 방수시험시의 동일한 모델을 사용하였다. 음향센서 의 방진 성능시험은 방진시험 전 및 후의 감도 및 위상 특성을 측정하였다. Fig. 11과 같이 감도를 측정한 결과, 시험 전에는 - 48.0 dB 이고, 시험 후에는 -48.3 dB 으로서 시험 전후 0.3 dB 의 감도 차이를 보였다. Fig. 12와 같이 위상을 측정한 결과, 시
험 전에는 -3.57°이고, 시험 후에는 -3.65°으로서 시험 전후 0.08°
이내의 위상차이를 보였다.
3.3 방수 음향센서의 충격파 측정시험
직경 5.56 탄환을 사용한 100 m의 사격 시험에서 최종적으 Fig. 8. Sensitivity measurement results before and after waterproof
tests.
Fig. 9. Phase measurement results before and after waterproof tests.
Fig. 10. Dustproof testing setup of acoustic sensor.
Fig. 11. Sensitivity measurement results before and after dustproof tests.
Fig. 12. Phase measurement results before and after dustproof tests.
로 환경실험에 통과한 6개의 방수음향센서를 사용한 충격파 탐 지부를 사용하여 강원도에 위치한 사격시험장에서 충격파 측정 시험을 수행하였다.
Fig. 13 과 같이 충격파 측정 시험장치는 6채널의 방수 음향센 서 및 델타형 음향센서 배치 신호수집판, 6채널 시그널 컨디셔 너(시스피아(주)), 데이터 수집장치(DAQ, NI USB-6366), Labview(NI signal express) 소프트웨어로 구성되었다. 데이타 수집을 위한 샘플링 주파수는 1.0 MHz, 데이터 전달속도는 100 kHz 로 설정하였다. Fig. 14는 100 m 사격시험을 통해서 6개의 방수 음향센서(S1, S2, S3, S4, S5, S6)으로 측정한 충격파 신호 들을 나타내고 있다. 그림에서와 같이 “N”형상의 충격파를 잘 측정함을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구는 고음압의 충격파를 감지할 수 있고, 강우시에는 방 수가 되고 먼지가 많은 환경에서 방진이 되는 방수 및 방진 음 향센서를 개발한다. 또한 환경시험을 통해서 방수 및 방진 성능 을 확인하고, 최종적으로는 탄환직경 5.56 mm 및 사거리 100 m 의 사격시험을 통해 충격파 감지성능을 확인한다.
방수 및 방진 특성과 충격파 측정을 위한 음향 특성을 검토
하여 음향센서에 부착할 최종 소재로서 ePTFE 소재를 선정하 였다. 또한 음향센서의 프로텍션 그리드를 개조하여 방수소재를 부착할 수 있는 방수캡을 제작하고 음향센서의 하우징에 패키 지 하였다. IP X3등급 강우시험 전과 후의 감도 및 위상 특성 의 실험 결과, 시험 전후의 감도는 0.2 dB의 차이를 보였고, 시 험 전후의 위상은 0.2°이내의 차이를 보였으며 비교적 우수한 방수성능을 나타내었다. 또한 IP 5X등급 방진시험 전과 후의 감 도 및 위상 특성의 실험 결과, 시험 전후의 감도는 0.3 dB의 차 이를 보였고 위상은 0.08°이내의 차이를 보였으며 비교적 우수 한 방진성능을 나타내었다. 최종적으로 탄환직경 5.56 mm의 충 격파 신호를 측정하기 위해서 사거리 100 m의 사격시험을 수 행한 결과, 6개의 방수 및 방진 음향센서는 우수한 충격파 측정 성능을 가짐을 확인하였다.
감사의 글
이 연구는 한국의 민군기술협력 프로그램으로 지원된 연구과 제(UD0910) 및 2019년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리 원(KEIT)의 지원에 의한 연구과제번호 (10078310)/과제계정번 호(MO9500)의 지원으로 수행되었다.
REFERENCES
