analysis on shielding effectiveness of electromagnetic wave in...

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Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 4, pp. 94-102, 2016 [Research Paper] 94 ISSN: 1738-7167 DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.4.094 물이 채워진 소화 배관의 전파 차폐도 해석 김윤증 서울시립대학교 재난과학과 Analysis on Shielding Effectiveness of Electromagnetic Wave in Fire Pipes Yoon-Jeung Kim Dept. of Disaster Science, University of Seoul (Received July 13, 2016; Revised July 22, 2016; Accepted July 27, 2016) EMP 방호용 차폐 시설을 구축 소화 배관들의 방호 처리를 위하여 WBC 효과를 이용하며, 차폐도를 높이기 위해서 소화 배관 내부에 허니컴을 삽입한다. 이때 허니컴 단위 셀의 크기가 작으면 물의 흐름에 지장을 주며, 침전물에 의하여 소화 배관이 막히게 된다. 이것을 방지하기 위하여, 물의 분극손실에 의한 차폐도를 이용해서, 허니컴 셀의 크기 키우고, 두께는 얇게 하면서도 요구하는 차폐도를 얻을 있는 설계 방법을 제시하였다. ABSTRACT When establishing shielding facilities for EMP protection, WBC effect is used to protect fire pipes and honeycomb cells are inserted into the fire pipes to improve the shielding effectiveness. At this point, the smaller unit cell of honeycombs becomes, the more likely it interrupts the flow of water, which ends up clogging the fire pipes with sediment. To prevent this phenomenon, I would suggest a design method due to the pilarization loss of water molecules that contributes to increasing the size of honeycomb cells and remaining thin-walled sufficient for required shielding effectiveness. Keywords : Electromagnetic pulse (EMP), Waveguide below cutoff (WBC), Honeycomb, Polarization of water, Loss tangent 1. EMP 차폐 시설을 구축 High altitude electromagnetic pulse (HEMP) 물론, TEMPEST( 도감청 방지를 위한 ) 까지 고려하여 18 GHz 까지 100 Decibel (dB) 차폐도 요구된다. 이것을 만족시키기 위하여 차폐실로 인입하 소화배관들을 차폐 처리해야 하는데 관로의 크기에 라서 Waveguide below cutoff (WBC) 효과만으로 차폐 없을 때는 내부에 허니컴을 삽입한다 (1) . 그런데 기존에 쓰이고 있는 크기 4 mm 허니컴은 단면이 너무 작아 물의 흐름에 지장을 주며, 침전물에 의하여 관로가 혀서 유지보수가 어려워진다. 이것을 해결하기 위해서 분극손실을 이용한다. 셀의 크기를 최대한 키우고 두께 얇게 하면서 원하는 차폐도를 얻을 있는 설계 방법 제시하고 수치 해석을 통하여 결과를 검증한다. 물은 다른 물질과는 달리 주파수에 따라서 상대 복소 전율이 매우 범위에서 변한다. 이때 분극에 의한 상대 복소 유전율의 허수부는 매질의 손실로 작용하여 차폐도 영향을 미친다. 값은 DC 에서 18 GHz 이르기 까지 0 에서 36 까지 변화한다. 이것으로 인한 손실은 주파수에서 매우 높은 차폐도를 나타내게 된다. 한편, 물의 상대 복소 유전율의 실수부는 DC 에서 18 GHz 이르기까지 78 에서 40 까지 변한다. 이것은 소화 배관의 파장을 공기가 들어찬 도파관에 하여 크게 줄이는 효과를 발생시켜서, 소화 배관의 차단 주파수를 매우 낮아지게 한다. 또한, 상수도는 전해질에 의한 도전율을 갖고 있다. 관리되는 수돗물의 경우 값은 0.02 S/m 정도이다. 이것은 주파수에 따른 변화가 거의 없으며 차폐도에 미치 영향도 앞의 효과에 비하여 크지는 않은 편이다. 소화 배관의 다른 차폐효과로는 외부에서 전자파가 관로를 따라 인입하는 경로에서 번에 걸쳐서 발생하는 허니컴- 관로의 경계면 반사를 고려할 있다. 그리고 부에서 들어오는 전자파가 플랜지( 가운데 얇은 고무링 E-Mail: [email protected] TEL: +82-2-3775-3473, FAX: +82-2-3775-3474

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Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 4, pp. 94-102, 2016 [Research Paper]

94

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.4.094

물이 채워진 소화 배관의 전파 차폐도 해석

김윤증

서울시립대학교 재난과학과

Analysis on Shielding Effectiveness of Electromagnetic

Wave in Fire Pipes

Yoon-Jeung Kim

Dept. of Disaster Science, University of Seoul

(Received July 13, 2016; Revised July 22, 2016; Accepted July 27, 2016)

요 약

EMP 방호용 차폐 시설을 구축 할 때 소화 배관들의 방호 처리를 위하여 WBC 효과를 이용하며, 차폐도를 높이기

위해서 소화 배관 내부에 허니컴을 삽입한다. 이때 허니컴 단위 셀의 크기가 작으면 물의 흐름에 지장을 주며, 침전물에

의하여 소화 배관이 막히게 된다. 이것을 방지하기 위하여, 물의 분극손실에 의한 차폐도를 이용해서, 허니컴 셀의 크기

는 키우고, 두께는 얇게 하면서도 요구하는 차폐도를 얻을 수 있는 설계 방법을 제시하였다.

ABSTRACT

When establishing shielding facilities for EMP protection, WBC effect is used to protect fire pipes and honeycomb cells

are inserted into the fire pipes to improve the shielding effectiveness. At this point, the smaller unit cell of honeycombs

becomes, the more likely it interrupts the flow of water, which ends up clogging the fire pipes with sediment. To prevent

this phenomenon, I would suggest a design method due to the pilarization loss of water molecules that contributes to

increasing the size of honeycomb cells and remaining thin-walled sufficient for required shielding effectiveness.

Keywords : Electromagnetic pulse (EMP), Waveguide below cutoff (WBC), Honeycomb, Polarization of water, Loss tangent

1. 서 론

EMP 차폐 시설을 구축 할 때 High altitude electromagnetic

pulse (HEMP)는 물론, TEMPEST(도감청 방지를 위한 연

구)까지 고려하여 18 GHz까지 100 Decibel (dB)의 차폐도

가 요구된다. 이것을 만족시키기 위하여 차폐실로 인입하

는 소화배관들을 차폐 처리해야 하는데 관로의 크기에 따

라서 Waveguide below cutoff (WBC) 효과만으로 차폐 할

수 없을 때는 내부에 허니컴을 삽입한다(1)

. 그런데 기존에

쓰이고 있는 셀 크기 4 mm인 허니컴은 단면이 너무 작아

서 물의 흐름에 지장을 주며, 침전물에 의하여 관로가 막

혀서 유지보수가 어려워진다. 이것을 해결하기 위해서 물

의 분극손실을 이용한다. 셀의 크기를 최대한 키우고 두께

를 얇게 하면서 원하는 차폐도를 얻을 수 있는 설계 방법

을 제시하고 수치 해석을 통하여 결과를 검증한다.

물은 다른 물질과는 달리 주파수에 따라서 상대 복소 유

전율이 매우 큰 범위에서 변한다. 이때 분극에 의한 상대

복소 유전율의 허수부는 매질의 손실로 작용하여 차폐도

에 큰 영향을 미친다. 이 값은 DC에서 18 GHz에 이르기

까지 0에서 약 36까지 변화한다. 이것으로 인한 손실은 높

은 주파수에서 매우 높은 차폐도를 나타내게 된다.

한편, 물의 상대 복소 유전율의 실수부는 DC에서 18

GHz에 이르기까지 약 78에서 40까지 변한다.

이것은 소화 배관의 파장을 공기가 들어찬 도파관에 비

하여 크게 줄이는 효과를 발생시켜서, 소화 배관의 차단

주파수를 매우 낮아지게 한다.

또한, 상수도는 전해질에 의한 도전율을 갖고 있다. 보

통 잘 관리되는 수돗물의 경우 이 값은 0.02 S/m 정도이다.

이것은 주파수에 따른 변화가 거의 없으며 차폐도에 미치

는 영향도 앞의 두 효과에 비하여 크지는 않은 편이다.

소화 배관의 또 다른 차폐효과로는 외부에서 전자파가

관로를 따라 인입하는 경로에서 두 번에 걸쳐서 발생하는

허니컴-관로의 경계면 반사를 고려할 수 있다. 그리고 외

부에서 들어오는 전자파가 플랜지(가운데 얇은 고무링 패

E-Mail: [email protected]

TEL: +82-2-3775-3473, FAX: +82-2-3775-3474

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Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 4, 2016

물이 채워진 소화 배관의 전파 차폐도 해석 95

깅이 끼워진 구조)에서 고무링을 통하여 결합하면서 감쇠

되는 차폐도를 고려해야 한다.

이상 기술한 4가지 차폐효과를 이용하여 요구되는 차폐

도를 만족 시킬 수 있는 소화 배관의 직경에 따라 허니컴

셀의 최대 크기와 최소 두께를 설계 한다.

2. 본 론

2.1 주파수에 따른 물의 상대 복소 유전율 변화

물의 복소 유전율은 다음과 같이 주어진다(2,3)

.

(1)

여기서 ν는 주파수(GHz)이고, ν1, ν2는 각각 첫 번째와

두 번째의 Debye 전환 주파수, εs, ε∞는 DC와 무한 주파

수에서의 유전율로써 측정을 통해서 주어지는 값이다. 그

리고 σ는 온도 T와 전해질 농도 S의 함수로 주어지는 도

전율이다.

ε T, S( ) = ε'r − jε''r = εs T, S( ) − ε1 T, S( )

1 + jν/ν1 T, S( )----------------------------------------------

+ ε1 T, S( ) − ε∞ T, S( )

1 + jν/ν2 T, S( )----------------------------------------------- + ε∞ T, S( ) − jσ T, S( )

2πε0( )ν-------------------

Figure 1. Relative complex permittivity of water.

Figure 2. Loss tangent of water by frequency changes.

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96 김윤증

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제4호, 2016년

순수한 물에서 이 값들은 ν1 = 18 GHz, ν2 = 210 GHz,

ε1 = 5.8, ε∞ = 4.3, σ = 0, S = 0, T = 25oC로 주어진다. 이

와 같이 구한 물의 복소 유전율과 손실 탄젠트를 Figure

1, 2에 나타내었다.

2.2 소화 배관의 차폐도

물이 채워진 소화 배관은 식(1)에서 주어진 매질로 채워진

도파관으로 볼 수 있다. 이때 도파관내 진행 전자파의 단면

에서의 전계는 다음과 같은 모드 함수의 합으로 전개된다(4)

.

(2-1)

(2-2)

(2-3)

이때, (ρ, ψ)는 각각 모드 수 m, n을 갖는 ρ와 ψ방향의 전계 모드 함수이며, k

ρ

mn = ρ'mn/a와 kρ

mn = ρmn/a는

각각 TE 모드와 TM 모드의 ρ 방향의 파수(wave number),

βmn 은 ψ 방향의 파수, Zmn = Z0(k0/βmn)

은 m, n 모드의 파동 임피던스다. Z0와 k0는 각각 자유공

간의 파동 임피던스와 파수이다. 또한, ρmn, ρ'mn은 각각 m

차 Bessel 함수 및 그 미분의 n번째 영점이다.

도파관 축 방향의 복소 파수(complex wave number) γ는 식(1)의 ε'r, ε''r에 대하여 다음과 같이 주어진다.

(3)

ε0, μ0는 각각 진공중의 유전율과 투자율이다. ω는 각 주

파수이고, σ는 감쇠정수, β는 도파관 내 축 방향의 파수가

된다. 그러므로 물이 들어찬 소화 배관의 차폐도는 식(3)

에 주어진 α에 대하여

(4)

이 됨을 알 수 있다.

소화 배관의 차폐도는 높은 주파수에서는 물의 분극 손

실에 의하여 낮은 주파수에서는 도파관의 차단 효과에 의

하여 좌우된다. 상대 복소 유전율이 식(1)에서 주어진 주

파수 의존성을 갖는다. 전해질에 의한 도전율이 0.02 S/m

일 때 관로의 직경 별 차폐도를 Figure 3에 나타내었다.

외부에서 입사한 전자파는 관로를 따라 진행하는 여러

가지 모드로 결합되어 전파된다. 그 중에서 가장 감쇠도가

낮은 것이 기본 모드(fundamental mode)이다. 그러므로

기본모드에 대한 감쇠도만 규격치 이상을 얻을 수 있다면,

전체 전계의 차폐도는 충분히 규격치 이상의 차폐도를 얻

을 수 있게 된다.

Figure 3에 나타난 바와 같이 분극에 의한 차폐도는 DC

에서는 0이며 주파수가 약 18 GHz에서 최대가 된다. 도파

관의 WBC에 의한 감쇠는 차단주파수(cut-off frequency)

이하에서부터 주파수가 낮을수록 크게 나타나므로, 전체

차폐도가 가장 떨어지는 주파수 fmin는 바로 소화 배관 도

파관의 차단주파수인 fc가 된다.

그러므로 원하는 대역에서 주어진 규격의 차폐도를 얻기

위해서는 소화 배관의 차단 주파수에서의 감쇠도를 규격치

만큼 높여 주어야 한다. 이를 위해서는 선로의 연장길이를

늘려 주거나 관로 내부에 사각 허니컴을 삽입해야 한다.

Emn = Emn

ρ, ψ ρ, ψ( )e−γ

mnz = Emn

ρ, ψ ρ, ψ( )e−α

mnze−jβ

mnz

Emn

ρ ρ, ψ( ) = − Zh, mn

jnβmn

ρ kmn

ρ( )2

------------------Jm kmn

ρ ρ( ) − mψsin

mψcos⎩⎨⎧

Emn

ψ ρ, ψ( ) = Zh, mn

jβmnρ'mn

a kmn

ρ( )2

--------------------J'm kmn

ρ ρ( ) mψcos

mψsin⎩⎨⎧

Emn

ρ, ψ

= k0

2 − ρmn/a( )2

γmn = ρmn

a--------

⎝ ⎠⎛ ⎞

2

+ jωμ0 σ + ωε''rε0 + jωε'rε0( )

≡ αmn + jβmn

SEwg = 20 eα11

log = 8.68α11

Figure 3. Attenuation level per unit length according to diameter of water fire pipe.

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Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 4, 2016

물이 채워진 소화 배관의 전파 차폐도 해석 97

2.3 사각 허니컴의 차폐도

물이 들어찬 사각형 허니컴 셀에서의 전계는 다음과 같

이 구형 도파관의 모드함수로 표현된다.

(5-1)

(5-2)

이때 kx, m = mπ/a, ky, n = nπ/b는 각각 모드 m, n의 x, y

방향의 파수이며, z 방향의 파수는 다음과 같이 나타낼 수

있다.

(5-3)

Emn = Emn

tx, y( )e

−γmn

z = Emn

tx, y( )e

−αmn

ze−jβ

mnz

Emn

tx, y( ) = E0

kx, mxsin

kx, mxcos

ky, nysin

ky, nycos⎩⎨⎧

⎩⎨⎧

γmn = αmn + jβmn

= mπa

--------⎝ ⎠⎛ ⎞

2

+ nπb

------⎝ ⎠⎛ ⎞

2

+ jωμ0 σ + jωεrε0( ),

εr = ε'r − jε''r

Figure 4. Attenuation level per unit length according to size of honeycomb cell in water fire pipe.

Figure 5. A model of water fire pipe with honeycomb.

가장 차폐도가 낮은 것이 기본 모드이다. 기본 모드에

대해서 규격치 이상의 차폐도를 얻을 수 있다면, 전체 전

계의 차폐도는 충분히 규격치 이상의 차폐도를 얻을 수 있

게 된다. Figure 4에서는 셀의 단위 크기에 따른 단위 길

이(m)당 감쇠도 SEh를 나타내었다.

2.4 소화 배관 허니컴 경계면에서의 반사에 의한 차폐도

허니컴이 삽입된 물이 채워진 소화 배관에 전자파가 입

사하면 관로-허니컴의 경계면에서 반사가 일어난다. 이 반

사는 관로의 차폐효과에 기여한다. 이것을 해석하기 위한

모델을 Figure 5에 나타내었다. 허니컴 외부 경계와 관로

가 만나는 부분은 일정한 사각형이 아니므로 해석적으로

반사 계수를 구하기는 어려우므로 전자파 해석 툴인 High

Frequency Structure Simulation (HFSS)를 이용하여 수치

해석을 통해서 구한다.

수치해석 모델은 z = l인 위치를 중심으로 z < l은 관로가

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98 김윤증

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제4호, 2016년

무한히 연결되고, z > l은 허니컴이 무한히 연결된 구조로

설정하였다. 양 쪽으로 무한히 연결되어 있어서 반사가 양

끝 단에서는 반사가 일어나지 않고 z = l인 경계면에서만 반

사가 일어나게 되므로 양 끝단은 port(단자)로 설정할 수 있

다. 수치해석을 통하여 z = 0에서의 반사계수를 S11(0)를 구

하면, 실제 경계면 z = l에서의 반사계수 S11(l)에서의 반사

계수는 z = 0와 z = l까지의 거리 2 l 만큼을 왕복한 감쇠 및

위상 지연을 감안하면 S11(l) = e2γl

S11(0)가 됨을 알 수 있다.

관로로 입사한 전자파는 관로-허니컴 경계면과 허니컴-

관로 경계면에서 두 번에 걸쳐서 반사된다. 반사 계수의

크기는 같으므로 관로 내부 허니컴 경계면의 반사로 인한

차폐도는 다음과 같다.

SErefl = 2 • 10 log(1 − |S11(l)|2) (6)

Table 1에서는 관로의 차단 주파수 fc에서 이러한 경계

면 반사로 인한 차폐도를 나타내었다.

2.5 플랜지 틈새에 의한 차폐도

소화 배관은 수직 및 수평으로 연장되어 보다 큰 관로로

연결되는 구조를 갖는데, 관로 배치를 용이하게 하기 위하

여 중간에 플랜지를 사용한다. 이 플랜지는 두 개의 플랜

지 면 사이에 고무 패킹이 끼워져 있는데, 외부에서 입사

한 전자파는 플랜지 사이의 패킹을 통과하여 관로로 입사

한다. 입사한 전자계는 관로를 따라 전파되는 모드로 결합

하게 된다. 이와 같이 외부에서 입사한 전자파가 슬릿 혹

은 개구면을 통하여 도파관이나 동공으로 결합되는 전자

계를 해석하기 위하여 단면의 전자계를 모드 함수로 전개

한다. 모드 계수의 직교성을 이용하여 각 모드의 결합계수

를 구하는 방법을 적용한다(5,6)

.

이와 같이 구한 결합 계수 중에서 가장 낮은 차폐도를

갖는 기본 모드 TE11의 전계와 입사 전계의 비인 결합 계

수 c11 ≡ e11/E0 (E0는 입사 평면파의 전계 강도)를 구하면

플랜지에 의한 차폐도는 SEfl = − 20 logc11이 된다.

이것을 해석하는 과정은 두 단계로 나눌 수 있다. 우선

입사한 평면파가 플랜지를 통해서 z = 0인 형성된 전자계

를 구하여야 한다. 플랜지 구조의 복잡성으로 인하여 해

석적으로 구하기 어려우므로 전자계 해석 툴인 HFSS를 통

하여 수치해석으로 구한다. 수치해석을 이용하여 구하기 위

한 모델을 Figure 6에 나타내었다. 시뮬레이션 결과로 얻어

진 플랜지 단면에서의 전계 분포를 Figure 7에 나타내었다.

이와 같이 시뮬레이션으로 구한 플랜지 단면의 전계강

도 를 관로를 따라 전파하는 모드 전자계의 합으로 전

개하면 다음과 같다

(7)

은 앞의 식(2-2), (2-3)의 원통형 도파관의

모드 함수이며, 는 각각 ρ, ψ 방향의 단위 벡터를

Est

Est

Est ρ, ψ( ) = emn ρ0Emn

ρ ρ, ψ( ) + ψ0

ρ'mn

na---------Emn

ψ ρ, ψ( )m, n∑

Emn

ρ, ψ ρ, ψ( )ρ0, ψ0

Table 1. Reflection Coefficient at Water Fire Pipe/honeycomb Interface (TE11 Mode)

Diameter

of pipe

Size of cell: 20 mm × 20 mm Size of cell: 25 mm × 25 mm Size of cell: 30 mm × 30 mm

Reflection

coefficient

Shielding

effectiveness (dB)

Reflection

coefficient

Shielding

effectiveness (dB)

Reflection

coefficient

Shielding

effectiveness (dB)

100 mm 0.923 16.5 0.912 15.5 0.907 15.0

150 mm 0.989 32.9 0.977 26.9 0.966 23.5

200 mm 0.994 38.8 0.989 32.9 0.983 29.4

Figure 6. Electric field analysis model of flange joint.

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Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 4, 2016

물이 채워진 소화 배관의 전파 차폐도 해석 99

나타낸다.

식(7)의 양 변에 Eρ

m, n를 곱하여 관로의 단면에서 적분한

다. 모드 함수의 직교성을 이용하여 기본 모드의 결합 계

수를 다음과 같이 구할 수 있다.

(8)

위의 해석 과정을 거쳐서 차단 주파수 fc에서의 모드 계

수 e11에 따라 계산한 차폐도는 Table 2와 같다.

e11 = Est • ρ0E11

ρ ρdρdψ0

a

∫0

E11

ρ( )2ρdρdψ

0

a

∫0

∫-------------------------------------------------------

Figure 7. Electric field distribution in the section of flange for the case of plane wave incidence (δ = 5 mm, h = 10 mm).

Table 2. Shielding Effectiveness by Flange Joint

Diameter of Pipe D = 100 mm D = 150 mm D = 200 mm

Analysis Frequency, (Cut-Off Frequency) fc = 250 MNz fc = 200 MHz fc = 170 MHz

Hight of type Flange, Thickness Packing h = 10 mm, δ = 5 mm

An ncidence Angle of Plane Wave 45o at Flange Axis

Shielding Effectiveness SEfl [dB] 13.7 13.0 10.9

Table 3-1. Shielding Effectiveness According to Diameter of Fire Pipe and Size of Honeycomb Cell (Pipe Diameter D = 100

mm)

Diameter

of pipe

D = 100 mm

Minimum frequency of shielding effectiveness (= fc) fc = 250 MHz

Shielding effectiveness per unit length in water pipe SEw = 8.0 dB/m

Size of honeycomb cell

30 mm × 30 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 20.5 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 15.0 dB

Size of honeycomb cell

25 mm × 25 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 26.0 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 15.5 dB

Size of honeycomb cell

20 mm × 20 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 33.0 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 16.5 dB

Shielding effectiveness by flange joint loss SEfl = 13.7 dB

2.6 소화 배관 차폐 설계

허니컴이 삽입된 물이 들어찬 소화 배관의 차폐도가 가

장 낮아지는 관로 차단 주파수에서 전체 차폐도는 앞서 서

론에서 설명한 바와 같이,

① 관로 연장 길이에 의한 차폐도: SEw (dB/m)

② 삽입된 허니컴에 의한 차페도: SEh (dB/inch)

③ 관로-허니컴 경계면의 반사에 의한 차페도: SErefl

(dB)

④ 평면파의 플랜지 입사 시 결합도에 의한 차페도:

SEfl (dB/m)를 모두 합한 것과 같다.

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100 김윤증

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제4호, 2016년

소화 배관의 차단 주파수에서 이와 같이 얻은 차폐도가

규격치를 만족 시킬 수 있다면, 모든 주파수에서의 차폐도

가 규격치를 만족하게 된다. 소화 배관의 직경과 삽입된

허니컴의 단면 크기에 따라서 소화 배관의 차단 주파수에

서의 차폐도를 Table 3-1~3에 나타내었다.

이상에서 얻은 데이터를 바탕으로 소화 배관의 EMP 방

호를 설계하기 위하여, 위의 각 차폐도를 모두 합한 차폐

도는 다음과 같다.

SEtot= SEw • L + SEh • T + SErefl + SEfl (9)

요구 규격 치를 만족 할 수 있도록 관로의 연장 길이 L

과 허니컴 두께 T를 설계한다.

Table 4-1~3에서는 위의 식(9)를 이용하여 관로 직경이

100 mm, 150 mm, 200 mm인 소화 배관에 단위 셀 크기가

30 mm × 30 mm, 25 mm × 25 mm, 20 mm × 20 mm인 허

니컴을 삽입했을 때 소화 배관길이 L과 허니컴 두께 T에

따른 전체 차폐도 SEtot를 계산한 것을 나타내었다. 여기서

계산된 값들은 차폐도가 가장 낮은 값을 갖는 차단주파수

fc에서의 차폐도를 나타낸 것이다. 그 주파수에서만 규격치

이상을 만족하면 모든 다른 주파수에서는 요구 규격 이상

의 차폐도를 확보할 수 있게 된다. 소화 배관의 직경이 클

수록 소화 배관 연장길이에 의한 차폐효과는 떨어지는 것

을 알 수 있다. 허니컴 내부에서의 차폐도와 허니컴-관로

경계면의 반사에 의한 차폐도 기여효과가 커짐을 알 수 있

다. 이것은 소화 배관의 직경이 커질수록 소화 배관 차단

주파수가 낮아져서 같은 단면 크기의 허니컴에 의한 차폐

도가 높아진다. 관로-허니컴 경계면에서의 반사계수 또한

커짐에 기인한다. 상기 Table 3-1~3은 다양한 소화 배관의

설치 환경에서 EMP 방호를 위한 최적의 설계치를 도출

하는데 적용할 수 있다.

3. 결 론

소화수가 채워진 소화 배관의 EMP 차폐 설계를 위하여

Table 3-2. Shielding Effectiveness According to Diameter of Fire Pipe and Size of Honeycomb Cell (Pipe Diameter D = 150

mm)

Diameter

of pipe

D = 150 mm

Minimum frequency of shielding effectiveness (= fc) fc = 200 MHz

Shielding effectiveness per unit length in water pipe SEw = 6.0 dB/m

Size of honeycomb cell

30 mm × 30 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 21.6 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 23.5 dB

Size of honeycomb cell

25 mm × 25 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 26.6 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 26.9 dB

Size of honeycomb cell

20 mm × 20 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 33.5 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 32.9 dB

Shielding effectiveness by flange joint loss SEfl = 13.0 dB

Table 3-3. Shielding Effectiveness According to Diameter of Fire Pipe and Size of Honeycomb Cell (Pipe Diameter D = 200

mm)

Diameter

of pipe

D = 200 mm

Minimum frequency of shielding effectiveness (= fc) fc = 170 MHz

Shielding effectiveness per unit length in water pipe SEw = 4.5 dB/m

Size of honeycomb cell

30 mm × 30 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 21.8 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 29.4 dB

Size of honeycomb cell

25 mm × 25 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 27.1 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 32.9 dB

Size of honeycomb cell

20 mm × 20 mm

Shielding effectiveness of honeycomb SEh = 34.0 dB/inch

Shielding effectiveness due to reflection

at water pipe-honeycomb boundarySErefl = 38.8 dB

Shielding effectiveness by flange joint loss SEfl = 10.9 dB

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Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 4, 2016

물이 채워진 소화 배관의 전파 차폐도 해석 101

허니컴 단면의 크기를 크게 하고 두께를 얇게 하는 설계

기법을 제시하였다. 물의 복소 유전율이 주파수에 따라 변

화하는 것을 고려하였다. 소화 배관의 WBC 효과와 물의

분극 손실에 의한 감쇠효과를 더하여, 기본 모드 전자계의

단위 길이 당 차폐도를 해석하였다. 또한 물이 채워진 허

니컴의 단위 두께 당 차폐도를 소화 배관의 차폐도가 가장

떨어지는 주파수인 소화 배관 차단 주파수에서 해석하였

다. 이것과 더불어 소화 배관-허니컴 경계면에서 반사에

Table 4-1. Total Shielding Effectiveness (dB) According to Length of Fire Pipe and Size of Honeycomb Cell (Pipe Diameter

D = 100 mm)

HoneycombDepth of honeycomb

T (inch)

Length of pipe: L (m), fc = 250 MHz

2 4 6 8

30 mm × 30 mm

0.5 55.0 71.0 87.0 103.0

1.0 65.2 81.2 97.2 113.2

1.5 75.5 91.5 107.5 123.5

25 mm × 25 mm

0.5 58.2 74.2 90.2 106.2

1.0 71.2 87.2 103.2 119.2

1.5 84.2 100.2 116.2 132.2

20 mm × 20 mm

0.5 62.7 78.7 94.7 110.7

1.0 79.2 95.2 111.2 127.2

1.5 95.7 111.7 127.7 143.7

Table 4-2. Total Shielding Effectiveness (dB) According to Length of Fire Pipe and Size of Honeycomb Cell (Pipe Diameter

D = 150 mm)

HoneycombDepth of honeycomb

T (inch)

Length of pipe: L (m), fc = 200 MHz

2 4 6 8

30 mm × 30 mm

0.5 59.3 71.3 83.3 95.3

1.0 70.1 82.1 94.1 106.1

1.5 80.9 92.9 104.9 116.9

25 mm × 25 mm

0.5 65.2 77.2 89.2 101.2

1.0 78.5 90.5 102.5 114.5

1.5 91.8 103.8 115.8 127.8

20 mm × 20 mm

0.5 74.7 86.7 98.7 110.7

1.0 91.4 103.4 115.4 127.4

1.5 108.2 120.2 132.2 144.2

Table 4-3. Total Shielding Effectiveness (dB) According to Length of Fire Pipe and Size of Honeycomb Cell (Pipe Diameter

D = 200 mm)

HoneycombDepth of honeycomb

T (inch)

Length of pipe: L (m), fc = 170 MHz

2 4 6 8

30 mm × 30 mm

0.5 60.2 69.2 78.2 87.2

1.0 71.1 80.1 89.1 98.1

1.5 82.0 91.0 100.0 109.0

25 mm × 25 mm

0.5 66.4 75.4 84.4 93.4

1.0 79.9 88.9 97.9 106.9

1.5 93.5 102.5 111.5 120.5

20 mm × 20 mm

0.5 75.7 84.7 93.7 102.7

1.0 92.7 101.7 110.7 119.7

1.5 109.7 118.7 127.7 136.7

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102 김윤증

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제4호, 2016년

의한 차폐효과와 평면파가 플랜지로 결합될 때의 감쇠도

를 수치 해석 및 모드 함수 전개를 이용하여 해석하였다.

이러한 여러 가지 차폐 효과를 고려하여 허니컴이 삽입된

소화 배관에서 원하는 차폐도를 얻으면서도 통수가 원활

하고 막힘이 없는 EMP 방호 설계 기법을 제안하였다. 시

뮬레이션과 수치 해석을 통하여 기존 4 mm 단면의 허니

컴에 비하여 20~30 mm의 충분히 큰 단면을 갖는 허니컴

설계 수치를 제안하였다.

References

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Observations”, IEEE Trans. on Geoscience and Remote

Sensing, Vol. 42. pp. 1836-1849 (2004).

3. F. Wentz, “Measurement of Oceanic Wind Vector Using

Satellite Microwave Radiometers”, IEEE Trans. on Geo-

science and Remote Sensing, Vol. 30, pp. 960-972 (1992).

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