CONTENTS Numerical analysis of frequency dependent propagation characteristics of operational underwater noise from offshore wind turbines ·············································· Gwang-Se Lee, Eunkuk Son, Songjune Lee, Sangheon Lee, and Cheolung Cheong105 Research on the fabrication of ultra miniature signal transmission nodes for thin line array sensors ········································································ Hyungjoon Choi, Seungho Choi, Junki Heo, and Jeongeun Yang121 A study on ultrasonic call robust to drone noise ··················································································································································· Sangwook Park136 Method for minimizing display haptic noise ···························································································································· Saseong Moon and Hyejin Bae142 Structural topology optimization considering temperature dependent Young’s modulus of polymers ··············································· Seongwon Bae, Sunghoon Lim, Kozo Furuta, Kazuhiro Izui, and Shinji Nishiwaki149 Towards classroom acoustic standard in Korea considering occupied acoustic conditions ····················································································································································· Young-Ji Choi163 Vibration characteristics analysis of barrel type cylindrical shells ························································································································ Moojoon Kim and Jungsoon Kim175 ■ Special Issue on Noise and Vibration Numerical study on the optimization of oxygen delivery and flow performance for a ventilation system integrated into a vehicle seat ························································································ Sangjun Lee, Cheolung Cheong, and Ohhyoung Kwon187 Characterization of fluid-borne vibration and radiated noise due to unsteady compressible flow in a pressure relief valve of an air suspension system ··············································· Yonguk Lee, Kwongi Lee, Cheolung Cheong, Janghyun Oh, and Bongkeun Choi195 Experimental study on the performance enhancement of a marine current energy converter using flow induced motion ··········· Jun Kim, Yeon Kang Choi, Min Je Kang, Gyu In Shin, Young-Myung Choi, Yun-ho Shin, Hongrae Park, ···············································································Eun Soo Kim, and Seunghoon Oh207 ▪Society News and Information···········································································································i 본 사업은 기획재정부의 복권기금 및 과학기술정보통신부의 과학기술진흥 기금으로 추진되어 사회적 가치 실현과 국가 과학기술 발전에 기여합니다. THE ACOUSTICAL SOCIETY OF KOREA Vol.45, No.2March 2026I. 서 론 최근 전 세계적으로 재생에너지로서의 전환이 가 속화됨에 따라 풍력발전의 중요성이 지속적으로 확 대되고 있다. 특히 해상풍력은 육상풍력에 비해 풍 황 조건이 우수하고, 인근 거주민에 대한 소음 민원 발생이 상대적으로 적다는 장점으로 인해 활발한 연구와 보급이 이루어지고 있다. [1,2] 그러나 해상풍 력발전기의 설치 및 운전 과정에서 발생하는 수중 소음은 해양 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 해상풍력터빈 운전 수중소음의 주파수 의존 전파 특성에 대한 수치적 분석 Numerical analysis of frequency dependent propagation characteristics of operational underwater noise from offshore wind turbines 이광세, 1 손은국, 1 이송준, 1† 이상헌, 2 정철웅 2 (Gwang-Se Lee, 1 Eunkuk Son, 1 Songjune Lee, 1 † Sangheon Lee, 2 and Cheolung Cheong 2 ) 1 한국에너지기술연구원, 2 부산대학교 (Received February 11, 2026; accepted February 23, 2026) 초 록: 본 연구에서는 해상풍력 운전 시 발생하는 수중방사소음의 주파수 의존 전파 거동을 진동–음향 연성 수치해석 을 통해 분석하였다. 공력 하중에 의해 유발되는 구조 가진을 정의하고, 유한요소 기반의 구조 응답을 음향 해석과 연계 하여 주변 해역의 음압 분포를 산정하였다. 10 Hz – 200 Hz 범위에서 거리 증가에 따른 전달손실(Transmission Loss, TL)을 평가하고, 하부구조 형상과 주파수 대역 변화에 따른 전파 특성의 차이를 비교하였다. 또한 공간 음장 분포를 함께 분석하여 전파 거동에 영향을 미치는 요인을 검토하였다. 본 연구는 해상풍력 운전 소음의 예측 과정에서 주파수 및 구조 특성을 함께 고려할 필요성을 제시하며, 향후 단지 규모 소음 평가를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 핵심용어: 해상풍력터빈, 운전 수중소음, 진동–음향 연성해석, 음향 전파, 전달손실(Transmission Loss, TL) ABSTRACT: This study numerically investigates the frequency-dependent propagation behavior of operational underwater noise from offshore wind turbines using a coupled vibro–acoustic framework. Structural excitation induced by aerodynamic loads was defined, and the dynamic responses obtained from finite element analysis were linked to an acoustic model representing the surrounding marine environment. Transmission Loss (TL) was evaluated over the frequency range of 10 Hz – 200 Hz, and variations in propagation characteristics associated with substructure configurations and frequency bands were examined. In addition, spatial sound field distributions were analyzed to explore factors influencing the observed propagation trends. The results highlight the importance of incorporating both structural and frequency-dependent features in predicting underwater noise from operating wind turbines and provide useful information for future large-scale wind farm assessments. Keywords: Offshore wind turbine, Operational underwater noise, Vibro-acoustic coupling, Sound propagation, Transmission Loss (TL) PACS numbers: 43.20.Tb, 43.30.Nb, 43.30.Jx 한국음향학회지 제45권 제2호 pp. 105～120 (2026) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.45, No.2 (2026) https://doi.org/10.7776/ASK.2026.45.2.105 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Songjune Lee (sjlee83@kier.re.kr) Korea Institute of Energy Research, 200, Haemajihaean-ro, Gujwa-eup, Jeju-si, Jeju-do 63357, Republic of Korea (Tel: 82-64-800-2342, Fax: 82-64-805-2203) Copyrightⓒ 2026 The Acoustical Society of Korea. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 105이광세, 손은국, 이송준, 이상헌, 정철웅 한국음향학회지 제 45 권 제 2 호 (2026) 106 주요 환경 요인 중 하나로 인식되고 있으며, 기존 연 구에 따르면 이러한 수중소음은 해양 생물의 생태 변화를 유발할 수 있음이 보고된 바 있다. 해상풍력발전단지의 수중소음은 발전단지 수명 주기에 따라 음원 특성과 잠재적 생태 영향은 상이 하게 나타난다. 건설 단계의 파일 항타 소음은 고레 벨의 충격성 음원으로서 단기간에도 해양생물의 행 동 변화 및 스트레스 반응 등에 대한 비교적 뚜렷한 영향이 보고된다. [3,4] 특히 동아시아 해역의 치어를 대상으로 한 실험 연구에서는 항타 소음 노출 시 유 영·활동 패턴 변화와 회피 행동 증가 등 명확한 행동 학적 반응이 관찰되어, 고레벨 충격성 소음이 단기 적으로도 생물 반응을 유발할 수 있음을 뒷받침한 다. [4] 반면 운전 단계의 수중소음은 일반적으로 저· 중주파 중심의 지속적·준–톤성 성분이 지배적이며, 항타 소음에 비해 음압레벨이 상대적으로 낮아 단 기적인 영향의 정량적 근거가 제한적이고, 종·거리· 환경조건에 따라 반응이 다양하여 일관된 결론 도 출이 쉽지 않은 것으로 정리되고 있다. [3,5] 풍력발전기에서 발생하는 수중방사소음이 해양 생태계에 미치는 영향에 대한 기존 연구는 주로 유 럽 및 북미 해역에서 서식하는 해양 생물을 대상으 로 수행되어 왔다. 그러나 해양 생물의 생태학적 특 성 및 상업적 가치는 지리적·환경적 조건에 따라 상 이하므로, 지역적 특성을 반영한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 이에 따라 최근에는 아시아 해역에 서식하는 종을 대상으로 한 연구가 점차 증가하는 추세이다. [4] 이러한 맥락에서, 대한민국 연안 해역 에 위치한 해상풍력발전단지 수중소음이 해양 생태 계에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 필요성이 있다. 일부 연구에서는 국내 해상풍력발전단지를 대상으로 수중소음을 실험적으로 계측하고자 하였 으나, 계측 여건 및 비용, 장기간 관측의 어려움 등으 로 인해 한계를 갖는 것으로 보고되었다. [6] 초기 해상풍력발전기의 수중음장에 관한 연구는 주로 건설 단계에서 발생하는 파일 항타 소음 저감을 중심으로 수행되어 왔다. [7,8] 그러나 최근 풍력터빈 의 대형화 및 단지 규모의 확대에 따라, 운전 단계에 서 발생하는 수중 방사소음의 중요성이 부각되면서 이에 대한 관심도가 증가하고 있다. [6] 풍력터빈 가동 시 로터–나셀 조립체(Rotor–Nacelle Assembly, RNA) 및 기계요소에 의해 지속적인 기계적 진동이 발생 하고 바람, 파도 및 조류에 의한 구조물 응답 역시 하 부구조물을 통해 수중으로 전달되어 수중소음으로 방사된다. [9] 해상풍력발전기는 통상 20년 – 30년 수준의 장기 간 운전이 전제되므로, 상대적으로 낮은 수준의 소 음이라 하더라도, 운전 단계에서 발생하는 수중소 음의 특성을 장기적인 관점에서 체계적으로 평가할 필요가 있다. 특히 운전 조건 변화에 따라 발생하는 수중방사소음은 주파수 성분과 공간적 분포가 달라 질 수 있으며, 이러한 소음에 해양 생물이 장기간 반 복적으로 노출될 경우 행동 양식이나 서식지 이용 패턴에 영향을 미칠 가능성이 있다. 발전단지가 대 규모화되고 운전 기간이 장기화되는 추세를 고려할 때, 운전 단계에서 발생하는 지속 소음의 전파 특성 을 정량적으로 규명하는 일은 해양 환경 영향 평가 와 합리적인 관리 기준을 마련하기 위한 핵심 요소 라 할 수 있다. 해상풍력 단지에서의 소음 영향을 평가하기 위해 서는 음원의 크기뿐 아니라, 주파수에 따른 에너지 분포, 구조물에 의해 형성되는 방사 방향성, 그리고 거리 증가에 따라 나타나는 감쇠 특성을 함께 이해 할 필요가 있다. 동일한 운전 조건에서도 하부구조 형상에 따라 진동 전달 경로와 방사 효율이 달라질 수 있으며, 이러한 차이는 수중 음장의 공간 분포에 직접적으로 반영된다. 수중 음향 전파를 기술하기 위한 방법으로는 거리 의 로그 함수에 기반한 단순화된 확산 모델이 실무 적으로 활용되는 경우가 많다. 이러한 접근은 적용 이 용이하다는 장점이 있으나, 실제 해상풍력터빈 과 같이 다수의 구조 요소가 결합 된 시스템에서 발 생하는 분포 음원의 특성을 충분히 반영하기에는 한계가 있다. 특히 주파수에 따라 방사 패턴이 변화 하고 에너지의 집중 또는 분산이 달라질 경우, 단일 계수로 표현되는 감쇠 모델은 실제 전파 거동을 대 표하지 못할 가능성이 있다. 따라서 해상풍력 단지 규모의 장기적인 소음 영향 을 보다 신뢰성 있게 예측하기 위해서는 운전 조건 에 따른 음원의 주파수 특성과 방사 형상을 함께 분해상풍력터빈 운전 수중소음의 주파수 의존 전파 특성에 대한 수치적 분석 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.45, No.2 (2026) 107 석하고, 이들이 거리 감쇠 과정에서 어떠한 방식으 로 반영되는지를 체계적으로 평가하는 과정이 요구 된다. 다시 말해, 음원의 생성 메커니즘과 전파 거동 을 분리된 문제가 아니라 상호 연계된 현상으로 이 해할 필요가 있다. 특히 해상풍력 발전이 대규모 단지로 확대되는 최 근의 개발 환경에서는 원거리 전파 특성뿐 아니라 발전 설비 인근에서 형성되는 국지적 음장에 대한 이해가 중요해지고 있다. 다수의 터빈이 밀집 배치 되는 조건에서는 개별 터빈 주변의 근거리 소음 분 포가 중첩되어 단지 내부의 실제 음향 환경을 결정 하게 되며, 이는 해양 생태계 관리와 운영 전략 수립 에 직접적으로 영향을 미친다. 또한 발전 단지 내 공 간을 활용한 수산업 활동 등 공존 모델에 대한 관심 이 높아지면서, 터빈 주변 수백 미터 범위에서의 정 밀한 소음 예측 요구가 점차 증가하고 있다. 따라서 근거리 영역에서의 주파수 의존 전파 특성을 정량 적으로 규명하는 작업은 실질적인 활용 측면에서도 중요한 의미를 갖는다. 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 해상풍력 터빈 운전 조건에서 발생하는 수중방사소음을 진 동–음향 연성 수치해석을 통해 예측하였다. 이를 위 해 터빈에 작용하는 공력 하중을 바탕으로 구조 가 진 조건을 정의하고, 유한요소해석을 이용하여 구 조물의 동적 응답과 해상풍력터빈 주변의 수중소음 을 예측하였다. 또한 해수면과 해저면 경계의 음향 학적 특성을 모델에 반영함으로써 실제 해양 환경 을 고려한 전파 조건을 구현하고, 계산 결과의 물리 적 타당성을 확보하고자 하였다. 이와 같이 구축된 해석 체계를 바탕으로 하부구조 물 형식과 주파수 대역 및 거리에 따른 음압을 예측 하고, 전파 거리 증가에 따른 전달손실(Transmission Loss, TL)를 도출하여 확산 거동을 정량적으로 비교 하였다. 특히 본 연구에서는 단순 감쇠 수준의 비교 를 넘어, 주파수에 따라 변화하는 방사 특성 및 공간 적 분포를 함께 분석함으로써 감쇠 특성의 차이를 유발하는 물리적 요인을 해석하고자 하였다. 아울러 동일한 운전 조건에서도 구조 형상에 따라 방사 효율과 전파 특성이 어떤 식으로 달라지는지 를 평가하여, 해상풍력 단지 규모의 소음 예측 시 고 려되어야 할 핵심 요소를 도출하고자 하였다. 이를 통해 단일 확산계수에 의존하는 기존 접근을 보완 하고, 보다 현실적인 전파 해석 체계를 마련하기 위 한 근거를 제공하는 것을 연구의 주요 목표로 한다. II. 대상 풍력터빈 및 하부구조물 모델 본 연구에서는 해상풍력터빈 운전 단계에서 발생 하는 수중방사소음을 예측·분석하기 위해, 연구용 기준 모델로 널리 활용되고 있는 NREL 5 MW 급 기 준 해상풍력터빈을 대상 모델로 선정하였다. [10] NREL 5 MW 풍력터빈은 로터 직경, 정격 출력, 제 어 방식 등이 공개되어 있어 다양한 선행 연구에서 구조·동역학 및 진동–음향 해석의 기준 모델로 활용 되어 왔으며, 수치해석 기반 연구 결과의 비교 및 재 현성이 확보된다는 장점을 가진다. 대상 풍력터빈은 3엽 로터를 갖는 수평축 풍력터 빈으로, 가변 회전수 및 피치 제어 방식을 적용하고 있다. 풍속 변화에 따라 로터 회전수 및 발전기 운전 상태가 달라지며, 이에 RNA 및 구동계의 동적 응답 특성이 변화한다. 이러한 동적 응답은 하부구조물을 통해 기초부로 전달되어 수중방사소음의 주요 가진 원으로 작용할 수 있으므로, 본 연구에서는 풍속을 운전 조건의 핵심 변수로 설정하였다. Table 1에는 대 상 풍력 터빈의 주요 제원을 정리하였다. 풍력터빈 의 운전 조건별 동역학 응답 및 하중 이력은 오픈소 스 기반의 풍력터빈 통합하중해석 도구(OpenFAST Ver. 4.0.4)를 이용하여 산출하였으며, 이를 이후 구 조–음향 연성 해석을 위한 입력 자료로 활용하였다. 해저 고정식 해상풍력터빈의 하부구조물은 설치 해역의 수심, 지반 조건 및 설계 요구 사항에 따라 다 양한 형식이 적용된다. 하부구조물의 형식은 구조 강 성, 질량 분포, 감쇠 특성 및 하중 전달 경로에 직접적 인 영향을 미치며, 이는 운전 중 발생하는 구조 진동 과 수중방사소음 특성에도 차이를 유발할 수 있다. 이 에 본 연구에서는 대표적인 해저 고정식 하부 구조물 형식인 모노파일 그리고 자켓을 비교 대상으로 선정 하여 수중방사소음 예측·분석을 수행하였다. 모노파일 하부구조물은 단일 원통형 강관을 해저 면에 관입하여 지지하는 구조로, 비교적 단순한 형이광세, 손은국, 이송준, 이상헌, 정철웅 한국음향학회지 제 45 권 제 2 호 (2026) 108 상을 갖는다. 구조적 특성상 주요 하중이 단일 부재 를 통해 전달되며, 저차 진동 모드가 지배적인 구조 응답 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 본 연구 에서는 Offshore Code Comparison Collaboration(OC3) Phase I 프로젝트 [11] 에서 정의된 NREL 5 MW 기준 풍 력터빈과 결합된 고정식 모노파일 하부구조물 케이 스를 참고하여 하부구조물을 모델링하였다. 다음으 로 자켓 하부구조물은 다수의 부재로 구성된 격자 형태의 구조로, 모노파일 및 트라이포드 구조에 비 해 상대적으로 높은 구조 강성과 복잡한 하중 전달 경로를 갖는다. 자켓 구조는 다수의 연결부와 부재 를 통해 하중이 분산 전달되며, 이에 따라 고유진동 수 분포 및 모드 형상이 다른 하부구조물 형식과 상 이하게 나타날 수 있다. 자켓 하부 구조물은 Offshore Code Comparison Collaboration Continuation(OC4) Phase I 프로젝트 [12] 에서 제시된 NREL 5 MW 기준 풍력터 빈과 결합된 4-leg 자켓 하부구조물 케이스를 참고하 여 모델링 하였다. Fig. 1에 본 연구에서 고려한 풍력터빈 및 각 하부 구조물의 간략한 형상을 나타내었다. 풍력터빈과 각 하부구조물의 상세 제원 및 구조적 조건은 Reference [10] – [12]와 각 프로젝트에 제시된 기준 모델을 기반 으로 설정하였다. 크기 및 위치관계를 설명하기 위 하여, Fig. 2에 대표적으로 자켓 하부구조믈 기반 해 상풍력터빈의, RNA를 제외한, 개략적인 형상과 주 요 높이 조건을 나타내었다. 평균해수면(Mean Sea Level, MSL)을 기준으로 하부구조물 상단에는 트랜 지션 피스를 배치하였으며, 그 상부에는 타워 구조 가 연결된다. 본 연구에서는 수심을 30 m로 설정하 였으며, 평균해수면 상부 및 하부에 위치한 각 구조 물의 상대적 높이 관계를 고려하여 구조 모델을 구 성하였다. Table 1. Specification of NREL 5 MW reference wind turbine model. [10] PropertySpecification Rating5 MW Rotor orientation, Configuration Upwind, 3 Blades ControlVariable speed, Collective pitch DrivetrainHigh speed, Multiple-stage gearbox Rotor, Hub diameter126 m, 3 m Cut-in, Rated, Cut-out wind speed 3 m/s, 11.4 m/s, 25 m/s Cut-in, Rated rotor speed 6.9 r/min, 12.1 r/min Rated tip speed80 m/s Overhang, Shaft tilt, Precone 5 m, 5°, 2.5° Rotor mass110,000 kg Nacelle mass240,000 kg Tower mass347,460 kg Coordinate location of overall CM (–0.2 m, 0.0 m, 64.0 m) Fig. 1. Schematic representations of the offshore wind turbine coupled with fixed bottom substructures considered in this study: (a) monopile and (b) 4-leg jacket. Fig. 2. (Color available online) Schematic confi- guration of the offshore wind turbine with a jacket substructure and the associated vertical dimensions referenced to the mean sea level.해상풍력터빈 운전 수중소음의 주파수 의존 전파 특성에 대한 수치적 분석 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.45, No.2 (2026) 109 III. 수중방사소음 가진원 정의 및 특성 해상풍력터빈 운전 단계에서 발생하는 수중방사 소음을 수치적으로 예측하기 위해서는, 바람 및 파 도에 의해 유발되는 풍력터빈의 동적 응답을 적절 하게 재현하는것이 중요하다. Pangerc et al. [13] 은 운전 중인 해상풍력터빈에서 방사되는 수중소음이 풍속 변화에 따른 로터 회전과 타워 진동에 의해 영향을 받음을 보고하였다. 이에 따라 본 연구에서는 풍력 터빈 운전 중 발생하는 로터 회전 및 파도에 의한 하 부구조물 가진을 주요 수중방사소음 가진원으로 고 려하였다. 본 연구에서는 운전 조건에 따른 풍력터빈의 하중 및 동적 응답을 산출하기 위해 풍력터빈 통합 하중 해석 프로그램은 OpenFAST Ver. 4.0.4를 이용하였다. 고정식 해상풍력터빈 하중해석을 위해 OpenFAST의 ServoDyn, ElastoDyn, SubDyn, InflowWind, AeroDyn 그 리고 HydroDyn 모듈을 사용하였다. 풍하중 계산을 위한 AeroDyn 모듈은 InflowWind 모듈을 통해 전달 받은 데이터를 바탕으로 터빈의 공기역학적 부하를 계산한다 [14] . 하부구조물에 가해지는 파도에 의한 유 체역학적 하중의 계산은 HydroDyn을 이용하였으며, 모듈은 입력받은 해상정보를 기반으로 하부구조물 노드에 대한 동적 하중 분석을 수행한다. Fig. 3에 OpenFAST의 각 모듈간의 상호작용을 나타내었다. 실제 풍력터빈 운전 시에는 풍속, 파랑 등 다양한 환경 조건에 의해 구조 하중 및 동적 응답이 발생하 므로, 이러한 환경 조건을 고려한 체계적인 하중 분 석이 필요하다. 풍력터빈 설계 및 해석에서는 환경 조건에 따른 하중 시나리오를 설계 하중 케이스 (Design Load Case, DLC)로 정의하며, DLC 분석을 통 해 풍력터빈이 받는 하중 특성을 체계적으로 평가할 수 있다. 풍력터빈 운전 중 발생하는 가진원은 풍속 및 파랑 조건에 따라 시간 영역 및 주파수 영역에서 상이한 특성을 보인다. 본 연구에서는 IEC-61400-1에 서 제시한 정상 운전 조건에 해당하는 DLC 1.2를 분 석 대상으로 선정하였다. 풍속 조건은 터빈의 작동 특성을 고려하여, 컷인 풍속 이후 부분부하, 그리고 정격 운전 영역을 대표할 수 있도록 , 5 m/s, 9 m/s, 15 m/s 및 25 m/s의 네 가지 풍속 조건을 설정하였다. 이 중 5 m/s와 9 m/s는 로터 회전수 및 출력이 풍속에 따 라 증가하는 부분부하 운전 영역을, 15 m/s와 25 m/s 는 피치 제어에 의해 출력이 제어되는 정격 운전 영 역을 각각 대표한다. 풍속 조건에서의 환경 입력 조 건을 Table 2에 정리하였다. 구조–음향 연성 해석을 위해 풍력터빈 통합 하중 해석 결과로부터 주요 가진 성분을 추출하였다. 정 격 풍속 조건에 대해 로터 회전에 의해 발생하는 추 력 하중과 파도에 의해 하부구조물에 작용하는 수 력학적 힘을 시간 영역에서 추출하였으며, 대표적 으로 자켓을 하부구조물로 갖는 모델의 해당 결과 를 Fig. 4에 나타내었다. 풍력터빈 운전 시 구조물에는 바람 및 파랑에 의 한 공력·환경 하중뿐만 아니라, 구동계의 회전에 기 인한 나셀 가진력이 함께 작용한다. 특히 기어박스 및 발전기에서 발생하는 주기적 회전 성분은 구조 물에 톤성 또는 준톤성 가진원으로 전달될 수 있으 Fig. 3. (Color available online) FAST schematic. Table 2. Meteorological conditions for DLC 1.2 based on target wind speeds. Mean wind speed591525 Aignificant wave height (H s ) [m] 1.041.331.943.61 Wave period (T p ) [s] 5.965.856.113.61 Occurrence probability [%] 15.116.396.270.11 Turbulence intensity 26.219.215.713.6 Wind modelKamial NTM, B turbulence Wave modelJonswap이광세, 손은국, 이송준, 이상헌, 정철웅 한국음향학회지 제 45 권 제 2 호 (2026) 110 며, 이는 수중방사소음 형성에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 구동계 가진력의 주파수 특성을 반영하기 위해, 본 연구에서는 Dąbrowski와 Natarajan [15] 이 제시 한 5 MW급 풍력터빈 기어박스의 구조 정보를 참고 하였다. 해당 연구는 다단 기어 구성을 갖는 5 MW급 구동계의 감속비 및 기어 단계별 특성을 제시하고 있으며, 이는 대형 풍력터빈 구동계의 일반적인 특 성을 대표할 수 있다. 이를 바탕으로 Marmo et al. [16] 이 제시한 방법론을 따라, 구동계 가진력을 주파수 영역에서 정의된 힘 스펙트럼의 형태로 모델링하 였다. Marmo et al. [16] 는 구동계 가진력을 기어 맞물림에 기인한 이산 주파수 성분으로 가정하고, 해당 성분 을 최대 15차 고조파까지 고려한 정규분포 함수들의 합으로 이상화하였다. 이러한 접근은 특정 주파수 성분에서의 가진력 집중과 고조파 성분에 의한 구 조 공진 가능성을 동시에 고려할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 동일한 수학적 표현을 적용하 되, 가진력의 크기를 경험적으로 가정하는 대신 운 전 조건별 동적 응답을 반영하도록 구성하였다. Dąbrowski와 Natarajan [15] 의 연구에서 제시된 5 MW 급 기어박스는 총 감속비가 81.5로 정의되어 있으나, NREL 5 MW 기준 풍력터빈의 구동계 감속비는 97이 다. 따라서 두 시스템 간의 감속비 차이를 보정하기 위해 각 기어 단계의 감속비를 Table 3과 같이 스케일 링하였다. 이를 통해 NREL 5 MW 기준 터빈 구동계 에 상응하는 기어 맞물림 주파수를 산정하였다. 가진력의 주파수 영역 표현식은 다음의 Eq. (1)과 같다. ,(1) 여기서 F(f)는 주파수 f에 따른 구동계 가진력의 스펙 트럼 진폭을 의미한다. 그리고, f는 주파수, σ는 가진 력이 유효한 주파수 대역을 정의하는 형상 계수이 다. f mesh 는 각 기어 단계에서의 기어 맞물림 주파수 를 나타낸다. 본 연구에서는 σ를 Stage 1, 2 그리고 3 에 대하여 3, 2.5 그리고 2를 각각 적용하였다. 마지막 으로, F mesh 는 각 기어 단계에서의 기준 가진력 진폭 을 의미하며, 이는 구동계에 작용하는 토크를 기반 으로 산정된다. 본 연구에서는 저속축(Low Speed Shaft, LSS)에 작용하는 토크를 OpenFAST 통합 하중 해석 결과로부터 산출된 시간 평균값으로 정의(T LSS ) 하고, 이를 이용하여 각 기어 단계에서의 기어 맞물림 힘을 계산하였다. 해당 관계는 Eqs. (2) – (4)와 같다. ,(2) ,(3) ,(4) 여기서, d는 각 기어 단계의 기어 직경, i는 감속비, n Fig. 4. (Color available online) Frequency domain representations of the excitation forces under different wind speed conditions (with Jacket type substructure). Table 3. Gear ratios at each stage of the gearbox adopted in the present study, in comparison with the reference gearbox reported by Dąbrowski et al. Dabrowski et al.Present study Stage 1 (Planetary) 5.7146.055 Stage 2 (Parallel) 3.5653.778 Stage 3 (parallel) 44.329 Total ratio81.597해상풍력터빈 운전 수중소음의 주파수 의존 전파 특성에 대한 수치적 분석 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.45, No.2 (2026) 111 은 위성기어 수를 의미한다. Eqs. (2) – (4)는 각 기어 단계에서의 토크를 기어 맞물림에 의해 발생하는 물리적 가진력의 진폭으로 변환하는 식으로, Eq. (1) 에 사용되는 F mesh 의 기준값을 결정한다. 따라서 풍 속에 따른 운전 조건 변화가 구동계 토크를 통해 가 진력 크기에 반영되고, Gear Mesh Frequency (GMF) 및 고조파 성분에 따른 주파수 특성이 포함된 구동 계 가진력 스펙트럼을 구성하였다. 구동계 가진력 스펙트럼을 아래 Fig. 5에 나타내었다. 풍속 증가에 따라 로터 회전수 및 구동계 회전수 가 증가함에 따라 GMF 성분의 위치가 고주파 영역 으로 이동하며, 가진력의 진폭이 전반적으로 풍속 상승에 따라 증가하는 경향을 보인다. 그러나 풍속 15 m/s와 25 m/s 조건에서 GMF 분포가 유사함을 보 인다. 이는 해당 풍속 구간이 풍력터빈의 정격 운전 영역으로 터빈 날개의 피치 제어를 통해 로터 회전 수가 일정하게 유지되기 때문이다. 로터 추력은 RNA를 통해 타워 상부로 전달되는 주요 공력 가진원으로, 구조물의 저차 굽힘 모드를 지배한다. 이에 따라 RNA를 집중질량으로 모델링 하고 해당 위치에 추력 하중을 집중 하중 형태로 적 용하였다. 또한 구동계에서 발생하는 기어 맞물림 힘(GMF) 역시 나셀에서 기인하는 고주파 가진 성분 이므로 RNA 위치에 집중 하중으로 적용하였다. 파 랑에 의한 수력학적 하중은 HydroDyn 모듈에서 하 부구조물에 대해 계산되며, 본 연구에서는 구조물 의 전역 동적 응답을 재현하기 위해 x, y, z 방향의 전 역 힘 성분을 구조해석 입력으로 사용하였다. 분포 하중을 요소별로 직접 재현하기보다는, 전역 힘 성 분을 하중 전달 경로의 대표 위치인 트랜지션 피스 에 적용하여 구조물 전체의 진동 특성을 반영하도 록 하였다. IV. 수치해석 모델 본 장에서는 해상풍력터빈 운전 시 발생하는 수중 방사소음을 예측하기 위해 적용한 해석 영역, 수치해 석 모델 및 경계 조건에 대해 기술하였다. 운전 단계에서 지배적으로 발생하는 저주파 및 중 저주파 소음 성분을 대상으로 예측할 수 있도록 해 석 주파수 범위 및 주파수 간격을 각각 10 Hz – 200 Hz, 5 Hz로 설정하였다. 하한 주파수인 10 Hz에 해당 하는 수중 음파의 파장은 약 150 m 수준으로, 이를 포 함하기 위해 타워 중심으로부터 반경 180 m의 원통 형 음향 해석영역을 구성 하였다. 수심은 대한민국 연안 고정식 해상풍력 발전단지의 일반적인 설치 조건을 고려하여 30 m로 설정하였다. Fig. 6에 진동–음향 연성 해석을 위한 해석 영역의 개략도를 나타내었다. 해상풍력터빈 구조물의 진동 응답과 그로부터 방 사되는 수중 음장을 동시에 예측하기 위해 진동–음 향 연성 해석기법을 적용하였다. 구조 영역과 음향 영 역의 지배방정식은 각각 운동방정식과 음향 파동 방 정식으로 표현되며, 이를 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 기반으로 정식화하여 구조–음향 연성 Fig. 5. (Color available online) Frequency domain force spectra of the drivetrain excitation associated with the GMF under different wind speed conditions. Fig. 6. (Color available online) Schematic illustration of the vibro acoustic coupled simulation domain and boundary conditions.Next >