< Previous손수욱, 김원기, 배호석, 박정수 한국음향학회지 제 41 권 제 4 호 (2022) 420 과 표적에서 수신기까지의 전달손실(TL 2 )의 합에 의 해 신호초과가 결정된다. 요약하면, 양상태 소나의 전달손실(TL 1 + TL 2 )이 단상태 소나의 전달손실(2TL) 보다 작은 조건에서 단상태 소나 대비 양상태 소나 성능이 우수한 탐지환경이 된다. 하지만 양상태 소 나는 음원과 수신기 사이에 탐지가 불가능한 음영구 역(Direct blast)이 발생하게 되는데, 이 영역에 표적이 존재하는 경우에는 단상태 소나에 비해 양상태 소나 의 성능이 현저히 떨어지는 단점이 존재한다. 궁극 적으로 양상태 소나를 효율적으로 운용하기 위해서 는 복잡한 해양환경의 특성에 따른 음파의 전달 환 경을 이해하고, 최적의 위치와 수심에 음원과 수신 기를 각각 배치하는 것이 중요하다. 수동소나와 단 상태 소나의 경우에는 해양환경을 고려한 소노부이 나 수상함의 배치 연구 [1-5] 가 많이 진행되었지만, 양 상태 소나의 경우에는 해양환경을 충분히 고려하지 않은 형태의 연구만이 진행되어 왔다. 양상태 탐지 성능을 카시니 난형(Cassini oval)으로 단순화한 형태 로 해양환경을 고려한 경우는 있으나, 원통형 분산 을 가정하고 있으므로 천해 도파관에서만 적용이 가 능한 한계를 가지고 있다. 특히 양상태 소나의 성능분석은 단상태 소나에 비 해 연산량이 상당히 증가하고, 배치를 위해 고려해 야할 변수의 복잡도가 증가하게 된다. 본 연구에서 는 양상태 소나의 음원 및 수신기 배치의 연산량과 복잡도를 줄이는 방법을 제안하기 위한 사전 연구로 음파의 전달환경과 양상태 소나의 탐지환경의 관계 를 이해하고자 한다. 중주파수 대역 가변심도소나의 플랫폼 간 양상태 소나 탐지환경을 파악하기 위하여 대표 해양환경 3가지를 선정 하였으며, 해당 입력조 건에서 양상태 소나의 음원과 수신기간 거리, 심도 에 따른 표적의 탐지 특성 변화와 음파의 전달 특성 을 비교 분석하였다. II. 분석 방법 본 논문에서는 3가지의 대표 해양환경을 거리독 립환경으로 가정하였다(Table 1). 천해의 겨울철 특 성을 반영하기 위해 100 m의 비교적 얕은 수심과 등 음속구조를 가정하였으며, 심해의 특성을 반영하기 위해서는 2000 m의 수심을 가정하였다. 특히 심해의 경우에는 100 m 이내의 혼합층이 존재하는 겨울철 의 대표 음속구조와, 수온약층이 표층까지 발달하는 여름철의 대표 음속구조를 각각 가정하였다(Fig. 1). 본 연구에서 가정한 심해 환경에서는 약 350 m보다 깊은 수심에서는 계절에 의한 효과가 발생하지 않지 만, 약 350 m보다 얕은 수심에서는 계절적인 영향으 로 인해 수온약층과 혼합층의 구조가 크게 달라진 다. 이러한 수직음속구조의 차이에 의해서 음파의 전달환경이 크게 달라지며, 탐지할 수 있는 표적의 심도와 거리 범위에도 영향을 끼치게 된다. 소나 성능분석을 위해 사용한 음향모델은 2019년 국방과학연구소와 한양대학교가 공동 개발한 Bistatic Sonar Performance Analysis System(BiSPAS)이다. [6] 음 선이론 기반의 소나 성능분석 모델인 BiSPAS는 소 나 시스템 변수와 표적 변수 및 거리 종속의 해양환 경을 고려하여 탐지성능을 도출할 수 있는 소나성능 Table 1. The summary of input parameters for acoustic performance model. Shallow water Deep water1Deep water2 Water depth100 m2000 m2000 m Sound speedIso-velocity(Summer)(Winter) Sediment property Fine sandCoarse clay Source to receiver range 5 km ~ 40 km Source depth50 m100 m, 150 m Receiver depth50 m100 m, 150 m FrequencyMid-frequency FOM N 205 dB Fig. 1. (a) The sound speed profiles of the deep water, (b) the same with an expanded vertical scale.양상태 소나 배치를 위한 음향탐지성능 평가 방법 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.4 (2022) 421 분석모델이다. 소나의 종류에 따라서 탐지성능을 도 출하기 위한 BiSPAS의 분석 흐름도는 Fig. 2와 같으 며, 이를 소나방정식으로 정리하면 Eq. (1)과 같다. 신 호초과는 전달손실과 소나성능지수(Figure of merit, FOM)의 비로 표현 가능하며, 소나성능지수에 비해 전달손실이 작은 경우(SE > 0)에는 표적의 탐지가 가 능한 것으로 정의된다. [7] SE = FOM N/R – (TL ST + TL TR ) FOM N = SL + TS – NL + DI – DT FOM R = SL + TS – RL – DT.(1) Eq. (1)에서 Source Level(SL)은 음원준위, Target Strength (TS)는 표적강도, Noise Level(NL)은 소음준위, Direc- tivity Index(DI)는 지향지수, Detection Thres-hold(DT) 는 탐지문턱, Reverberation Level(RL)은 잔향음 준위 를 의미한다. 그리고 TL ST 는 음원에서 표적까지의 전달손실, TL TR 은 표적에서 수신기까지의 전달손실 로 정의할 수 있으며, 단상태의 경우에는 TL ST 와 TL TR 이 같다. III. 천해에서의 양상태 소나 탐지환경 DSTO에서 Fewell과 Ozols [8] 에 의해 발표된 문헌에 서는 전달손실을 log 의 함수로 단순화하 여 양상태 소나의 탐지성능을 계산하였는데, 음원과 수신기 거리에 따라서 카시니 난형의 형태로 탐지성 능을 도출하였다. Fig. 3은 천해에서 음원과 수신기 간의 거리 5 km, 10 km, 20 km, 30 km에서 모의된 양상 태 소나 신호초과 결과이며, 천해 도파관에서의 전형 적인 음파전달 특성을 보이기 때문에 Fewell과 Ozols 에 의해 발표된 문헌과 유사한 경향을 보인다. Fig. 3 내부의 빨간 점선은 잔향음 제한 환경에서 소음 제 한 환경으로 바뀌는 구간을 의미하며, BiSPAS 모델을 이용하여 모의한 잔향음과 수중소음 준위를 비교하 여 도출하였다. 본 분석에서 입력한 소나변수 및 해 양환경 조건에서는 소음 제한 환경에서 최대탐지거 리가 결정되는 것을 확인할 수 있다. Fig. 3(c)의 노란색 별 심볼은 수신기로부터 약 25 km, 음원으로부터 약 50 km 떨어진 지점으로 신호초 과가 0 dB인 경계 영역이다. 이 지점의 전달손실은 Fig. 4(b)의 전달손실 곡선에서 확인할 수 있는데, TL TR 은 93.6 dB, TL ST 는 111.4 dB이며, TL TR + TL ST 는 입력한 FOM N 과 일치하는 것을 확인할 수 있다. 따라 서 소음 제한환경으로 가정한다면, FOM N 과 전달손 실(TL TR + TL ST )의 비교만을 통해 양상태 소나의 탐 지환경을 개략적으로 파악할 수 있는 것을 확인하였 다. Fig. 5는 전달손실(Fig. 4)을 이용하여 양상태 소나 탐지환경을 도출한 결과이다. Fig. 3과의 비교 분석 을 위해 음원과 수신기 거리, 심도를 Fig. 3과 동일하 Fig. 2. Block diagram of Bistatic Sonar Performance Analysis System. Fig. 3. (Color available online) Predicted signal excess in shallow water (source depth: 50 m, receiver depth: 50 m, target depth: 50 m, source to receiver ranges: 5 km, 10 km, 20 km, 30 km).손수욱, 김원기, 배호석, 박정수 한국음향학회지 제 41 권 제 4 호 (2022) 422 게 입력하였다. 단순한 천해의 해양환경을 가정하면 BiSPAS로 모의한 탐지가능영역과 전달손실만을 이 용해 도출한 탐지가능영역은 전반적으로 유사한 것 을 확인할 수 있다. 하지만 음원과 수신기 사이에 존 재하는 음영구역은 전달손실만 가지고는 계산할 수 없기 때문에, 추가로 제외할 필요가 있다. IV. 심해에서의 양상태 소나 탐지환경 심해에서는 천해와 같이 단순한 탐지환경을 갖지 않는다. 천해의 전달손실은 거리가 증가함에 따라 연속적으로 증가하는 경향을 보이나, 심해의 경우에 는 수직 방향으로의 굴절 효과가 강하게 나타나기 때문에 음영구역이 반복적으로 발생하게 된다. Fig. 6은 심해 겨울철 환경에서 모의한 전달손실 결과이 다. 음원 심도가 150 m인 경우에는 음수렴구역(Con- vergence zone)을 이용한 장거리 음파전달이 가능하 다. Fig. 6(b)의 전달손실 곡선을 보면 10 km ~ 28 km 거 리 범위에서는 음영구역이 형성되어 전달손실이 크 고, 28 km ~ 40 km 거리 범위에서는 전달손실 100 dB 이하로 양호한 탐지환경을 보인다. 이후 거리에서는 음영구역이 형성되다가 55 km ~ 60 km 거리 범위에 서는 다시 표적의 탐지가 가능한 음파 전달 환경을 볼 수 있다. Fig. 7은 음원과 수신기 간 거리 10 km, 20 km, 30 km, 40 km에서 양상태 소나 신호초과를 모의한 결과이 다. 심해에서는 최소음속층을 기준으로 음파가 굴절 을 반복하며 전파하는 특성을 보이기 때문에 음원과 수신기 간 거리가 가까운 경우에는 단상태 소나의 탐지성능과 유사하게 도넛 모양의 탐지 가능 영역이 나타나는 것을 볼 수 있다. 하지만 음원과 수신기 간 거리가 멀어지면서 음원과 수신기 중심의 원형 띠가 벌어지게 되고, 두 원형 띠가 중복되는 영역 부근에 서 TL ST + TL TR 가 FOM N 보다 작은 구간이 형성된다 (Fig. 7). Fig. 8은 음원과 수신기 기준으로 방위각별 전달손실을 모의하여, TL ST + TL TR 을 계산한 결과이 Fig. 4. (Color available online) (a) The transmission loss field in shallow water at a source depth of 50 m and (b) their transmission loss curve at a target depth of 50 m. Fig. 5. (Color available online) The results of assess- ment of acoustic detection performance using propa- gation loss in shallow water in winter (source depth: 50 m, receiver depth: 50 m, target depth: 50 m, source to receiver ranges: 5 km, 10 km, 20 km, 30 km). Fig. 6. (Color available online) (a) The transmission loss field in deep water in winter at a source depth of 150 m and (b) their transmission loss curve at a target depth of 150 m.양상태 소나 배치를 위한 음향탐지성능 평가 방법 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.4 (2022) 423 다. TL ST + TL TR 이 소나성능지수보다 작은 구간만을 표현하였다. Fig. 7의 신호초과 모의 결과와 전반적 으로 유사한 경향을 보이나, 음원과 수신기의 근거 리에서는 상이한 결과가 도출되는 것을 볼 수 있다. 이는 음원과 수신기의 근거리에서 비교적 강하게 형 성되는 잔향음에 의해 탐지성능이 제한되는 구간으 로 예상된다. 심해 해양환경에서도 전달손실과 소나 성능지수와의 비교만으로는 음원과 수신기 근거리 에서의 탐지성능은 부정확하지만, 원거리의 소음 제 한구간에서는 양상태 소나의 탐지환경 평가가 가능 한 것을 확인하였다. Fig. 9는 심해 여름철 해양환경에서 모의한 전달손 실 결과이다. 약 350 m까지 수온약층이 강하게 형성 된 수직음속구조에서 음원심도를 100 m로 입력하여 모의하였다. 약 40 km 이내 거리 구간에서 해저면 반 사파를 이용한 표적 탐지 성능이 양호한 환경이 존 재한다. Figs. 10과 11은 각각 양상태 소나 신호초과를 모의 한 결과와 전달손실을 이용한 양상태 소나 탐지환경 Fig. 7. (Color available online) Predicted signal excess in deep water in winter (source depth: 150 m, receiver depth: 150 m, target depth: 150 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km). Fig. 8. (Color available online) The results of assess- ment of acoustic detection performance using propa- gation loss in deep water in winter (source depth: 150 m, receiver depth: 150 m, target depth: 150 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km). Fig. 9. (Color available online) (a) The transmission loss field in deep water in summer at a source depth of 100 m and (b) their transmission loss curve at a target depth of 100 m. Fig. 10. (Color available online) Predicted signal excess in deep water in summer (source depth: 100 m, receiver depth: 100 m, target depth: 100 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km).손수욱, 김원기, 배호석, 박정수 한국음향학회지 제 41 권 제 4 호 (2022) 424 의 모의 결과이다. 이 때 음원과 수신기 간 거리는 10 km, 20 km, 30 km, 40 km, 음원과 수신기 심도는 100 m 로 설정하였다. Fig. 11은 Fig. 10과 비교하였을 때, 음 원과 수신기 기준의 근거리에서는 잔향음에 의한 영 향으로 인해 신호초과로 계산한 탐지가능 영역이 감 소하는 것을 확인하였지만, 원거리에서는 전달손실 만을 이용한 탐지가능 영역과 신호초과 모의 결과로 도출된 탐지 가능영역이 상당히 잘 일치하는 것을 확인 하였다. V. 토 의 III, IV장에서는 음원과 수신기를 고정하고 전체 영역에 표적이 존재할 경우의 탐지 가능영역에 대한 관점으로 분석을 수행하였으나, 표적의 위치를 중심 으로 음파 전달환경을 분석하면 더욱 쉽게 배치 문 제에는 접근할 수 있다. Fig. 12는 심해 겨울철에 (-30 km, 20 km) 좌표, 심도 100 m에 표적이 존재하는 경우 를 가정하여, 표적의 위치에서 전달손실을 계산한 결과이다. 여기서 (0 km, 0 km) 위치에 이미 음원이 위 치하고 있는 시나리오를 가정한다면, TL ST 는 이미 도출되었기 때문에 FOM N -TL ST > TL TR 의 조건을 만 족하는 영역에 수신기를 배치할 수 있는 범위로 제 안할 수 있다. 본 연구에서는 대표적인 해양환경을 3가지의 거 리독립 환경으로 구분하였고, 해당 조건에서 양상태 소나의 탐지성능과 음파 전달환경의 특성을 분석하 였다. 음원과 수신기 기준으로 비교적 근거리에서는 잔향음이 소음보다 우세한 환경이기 때문에 전달손 실과 소나성능지수의 비교를 이용한 탐지환경 평가 결과가 부정확하지만, 원거리로 갈수록 소음 우세 환경으로 전환되면서 잘 일치하는 것을 여러 가지 조건에서 확인하였다. 하지만 본 논문에서는 제한적 인 해양환경과 소나 시스템 변수를 적용한 모의이기 때문에 그 한계가 있으며, 추후에는 복잡한 실제 해 양환경에 가까운 다양한 조건에서의 추가 분석을 통 한 검증을 수행할 계획이다. References 1.P. Mcdowell, Environmetal and statistical perfor- mance mapping model for underwater acoustic detec- tion systems, (Theses and Dissertations, University of New Orleans, 2010). 2.S. Kim, W. Kim, J. W. Choi, Y. J. Yoon, and J.-S. Park, “Optimal deployment of sensor nodes based on performance surface of acoustic detection” (in Korean), J. KIMS Technol. 18, 538-517 (2015). 3.M. Cheon, S. Kim, J. W. Choi, C. Choi, S.-U. Son, and J.-S. Park, “Optimal search pattern of ships based on performance surface” (in Korean), J. KIMS Technol. Fig. 11. (Color available online) The results of assess- ment of acoustic detection performance using propa- gation loss in deep water in summer (source depth: 100 m, receiver depth: 100 m, target depth: 100 m, source to receiver ranges: 10 km, 20 km, 30 km, 40 km). Fig. 12. (Color available online) Predicted transmi- ssion loss at target position in deep water in summer (target depth: 100 m).양상태 소나 배치를 위한 음향탐지성능 평가 방법 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.4 (2022) 425 20, 328-336 (2017). 4.S. Kim and J. W. Choi, “Optimal deployment of sensor nodes based on performance surface of under- water acoustic communication,” Sensors, 17, 2389 (2017). 5.C. Kim, R. Oh, S. 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Rep., 2011. 저자 약력 ▸손 수 욱 (Su‑Uk Son) 2008년 2월 : 한양대학교 지구해양과학 학사 2010년 2월 : 한양대학교 해양환경과학 석사 2015년 8월 : 한양대학교 해양환경과학 박사 2016년 9월 : 한양대학교 박사 후 연구원 2016년 10월 ~ 현재 : 국방과학연구소 선 임연구원 ▸김 원 기 (Won‑Ki Kim) 2007년 2월 : 충북대학교 지구환경과학 학사 2009년 2월 : 충북대학교 지질과학 석사 2014년 8월 : 서울대학교 에너지시스템공 학 박사 2015년 3월 ~ 현재 : 국방과학연구소 선임 연구원 ▸배 호 석 (Ho Seuk Bae) 2007년 2월 : 서울대학교 지구환경시스템 공학 학사 2011년 2월 : 서울대학교 에너지시스템공 학 박사 2011년 3월 : 서울대학교 에너지자원 신기 술연구소 선임연구원 2011년 11월 ~ 현재 : 국방과학연구소 선 임연구원 ▸박 정 수 (Joung‑Soo Park) 1988년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 학사 1990년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 석사 2006년 8월 : 한국해양대학교 해양개발공 학과 박사 1990년 3월 ~ 현재 : 국방과학연구소 수석 연구원한국음향학회지 제41권 제4호 pp. 426～434 (2022) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.4 (2022) https://doi.org/10.7776/ASK.2022.41.4.426 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Jee Woong Choi (choijw@hanyang.ac.kr) Department of Marine Sciences and Convergence Engineering, Hanyang University, 55 Hanyangdaehak-ro, Sangnok-gu, Ansan, Gyeonggi- do 15588, Republic of Korea (Tel: 82-31-400-5531) Copyrightⓒ2022 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. 인공기포 존재 환경에서의 양상태 잔향음 예측을 위한 해상 실험 분석 및 모델링 연구 Experimental analysis and modeling for predicting bistatic reverberation in the presence of artificial bubbles 양원준, 1 오래근, 2 배호석, 2 손수욱, 2 김다솔, 3 최지웅 4,5† (Wonjun Yang, 1 Raegeun Oh, 2 Ho Seuk Bae, 2 Su-Uk Son, 2 Da Sol Kim, 3 and Jee Woong Choi 4,5† ) 1 한양대학교 해양융합과학과, 2 국방과학연구소, 3 LIG 넥스원(주), 4 한양대학교 ERICA 해양융합공학과, 5 한양대학교 ERICA 국방정보공학과 (Received May 25, 2022; accepted June 29, 2022) 초 록: 해양에서 다양한 원인에 의해 발생된 기포들은 해수 중 오랜 시간 잔존하는 것으로 알려져 있다. 이러한 기포들 이 해양환경에서 차지하고 있는 부피는 매우 작지만 공진, 감쇠 등으로 인해 해수 중 기포의 존재는 음향 특성에 큰 영향 을 미친다. 이에 따라 본 논문에서는 인공기포가 존재하는 해양 환경에서의 양상태 잔향음 실험을 수행하였다. 다수의 송수신기들이 육각형 형태로 배치된 6개의 부이에 설치되었으며, 부이 중앙에 발포제를 투하하여 인공기포를 발생시 켰다. 발생된 기포에 의해 변화하는 음향 특성을 반영한 잔향음 모델링을 위해 영상자료와 수신신호를 이용하여 기포 의 공간적인 분포를 추정하였다. 측정치 기반의 기포 분포 형태를 이용하였으며, 추정한 기포의 공간적 분포 내에서의 기포 밀도는 동일하다고 가정하여 기포 밀도의 변화에 따른 모의 결과를 측정치와 비교, 분석하였다. 그 결과 기포에 의한 잔향음 모의결과가 실측값과 유사한 시간대에 모의되었으며, 약 10 -7 ~ 10 -6.8 의 기포율에서 실측값과 유사한 기포 잔향음 준위가 모의됨을 확인하였다. 핵심용어: 인공기포, 음향특성, 양상태 잔향음, 공진 주파수 ABSTRACT: Bubbles generated by various causes in the ocean are known to persist for long periods of time. Although the volume occupied by bubbles in the ocean is small, the presence of bubbles in ocean due to resonance and attenuation greatly affects the acoustic properties. Accordingly, bistatic reverberation experiment was performed in the ocean where artificial bubbles exist. A number of transducers and receivers were installed on 6 buoys arranged in a hexagonal shape, and blowing agents were dropped in the center of the buoy to generate bubbles. For reverberation modeling that reflects acoustic characteristics changed by bubbles, the spatial distribution of bubbles was estimated using video data and received signals. A measurement-based bubble spectral shape was used, and it was assumed that the bubble density within the spatial distribution of the estimated bubble was the same. As a result, it was confirmed that the bubble reverberation was simulated in a time similar to the measured data regardless of the bubble density, and the bubble reverberation level similar to the measured data was simulated at a void fraction of about 10 -7 ~ 10 -6.8 . Keywords: Artificial bubble, Acoustic characteristics, Bistatic reverberation, Resonance frequency PACS numbers: 43.30.Ft, 43.30.Zk 426인공기포 존재 환경에서의 양상태 잔향음 예측을 위한 해상 실험 분석 및 모델링 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.4 (2022) 427 I. 서 론 수중에서 기포는 파도, 강우 등의 자연적인 요인 과 선박 등에 의한 인공적인 요인에 의해 생성될 수 있으며, 발생 기작과 해양 환경에 따라 기포의 크기 및 분포가 달라지는 것으로 알려져 있다. [1,2] 이때 크 기가 큰 기포들은 생성과 동시에 빠르게 상승하여 사라지지만, 미세 기포들은 해수 중 오랜 시간 잔존 하게 되어 음파의 속도, 감쇠, 산란에 영향을 준다. 수 중에 존재하는 기포층에 의한 음속변화는 음파의 전 달 경로를 달라지게 하고, 감쇠는 전달 손실의 변화 를 주며, 산란은 해수 중 체적 산란강도를 변화시킨 다. 발생된 기포가 해양에서 차지하고 있는 부피는 매우 작지만 기포 내부에 포함된 공기의 밀도와 압 축률은 해수와 큰 차이를 가지며 기포의 공진 특성 으로 인해 해수 중 기포의 존재는 음향 특성에 큰 영 향을 미친다. [3] 이러한 영향들은 나아가 능동 소나 운용에서 표적 반향음의 탐지를 제한하는 잔향음의 변동을 야기한다. 즉 기포 밀도(Population Density Spectrum Level, PDSL)가 높은 해양 환경에서 측정된 전달손실 및 잔향음 결과는 기포에 의한 음향 특성 이 반영되지 않은 모델링 결과와 큰 차이를 보일 수 있으며, 이는 곧 모델링을 통한 소나 성능 예측을 어 렵게 만든다. 수중 기포의 분포 형태, 잔류 시간 등과 같은 물리 적 특성 및 기포에 의한 음향학적 변화를 파악하기 위한 연구는 과거부터 다양하게 수행되어 왔다. [1,4-10] Thorpe et al. [1] 는 수온, 기체포화도, 미립자 조성에 따 른 기포의 크기 분포 및 잔류 시간 변화에 대한 연구를 수행하였다. Hall, [4] Vagle과 Farmer, [5] Vossen과 Ainslie [6] 는 실험 측정값을 바탕으로 자연 발생 기포의 분포 를 반지름, 풍속 및 수심의 함수로 표현한 모델을 제 시하였으며, Dahl et al. [7] Ainslie [8] 는 다양한 풍속에서 주파수 별 자연 발생 기포에 의한 감쇠를 계산하였 고, Lamarre와 Melville, [9] Vagle과 Burch [10] 는 기포에 의해 발생하는 음속변화를 측정하였다. 본 논문에서는 기포가 존재하는 해양환경에서의 잔향음을 예측하기 위해 인공기포층에 의한 음향특 성을 계산한 뒤 실측값과 비교, 분석이 수행되었다. 육각형 형태로 배치된 6개의 부이에 다수의 송수신 기를 설치하고 부이 중앙에 발포제를 투하하여 인공 기포가 존재하는 해양환경을 구성하였다. 이러한 환 경에서 신호의 송수신을 통해 시간에 따른 잔향음의 변화를 확인하고 최종적으로 모델링 결과와의 비교 를 통해 기포에 의한 잔향음 예측 가능성을 확인하 고자 하였다. 본 논문의 구성은 아래와 같다. II장에서는 해양에 존재하는 기포층에 의해 변화하는 음향 특성 이론에 대해 설명한다. III장에서는 인공기포 존재 유무에 따른 해상 실험 결과를 비교 분석한다. IV장에서는 인공기포의 공간적 분포(위치) 추정 방법에 대한 설 명 및 기포의 영향이 고려된 모델링 결과와 실측값 을 비교 분석하며, 마지막 V장에서는 요약 및 결론 을 맺는다. II. 이 론 2.1 기포에 의한 음향특성 변화 수중에 존재하는 기포층은 음파전달 시 음속, 음 파의 감쇠 및 산란 특성에 변화를 야기하며, 동일한 기포 밀도( )을 가지더라도 사용하는 주파수( ) 에 따라 그 특성이 다르게 변화하게 된다. 기포가 존 재하는 환경에서의 음속은 다음 식을 통해 계산될 수 있다. [4] (1) 이때 는 기포 반지름, 은 공진 주파수이며, 는 감쇠 상수이다. 여기서 는 복소수 값으로, 실수부 는 기포층에 의한 음속(m/s)을 의미하고 허수부는 감 쇠와 관련된 항으로 Eq. (2)를 통해 감쇠율( , dB/m) 을 계산할 수 있다. [4] ln .(2) 기포에 의한 산란 단면적(scattering cross section) 는 Eq. (3)와 같이 계산할 수 있다. [2]양원준, 오래근, 배호석, 손수욱, 김다솔, 최지웅 한국음향학회지 제 41 권 제 4 호 (2022) 428 (3) 여기서 는 음향학적 파수이다. 가 1보다 매우 큰 경우 산란체는 기하학적 산란체에 속하며 반사가 우 세한 음향산란 특성을 보이며, 반대로 가 1보다 매 우 작은 경우는 레일리 산란체에 속한다. [2] 레일리 산란체는 사용하는 음파의 파장이 산란체에 비해 매 우 큰 경우로 산란이 우세한 음향산란 특성을 보인 다. Eq. (3)은 가 1보다 작은 경우 사용되는 식으로 위 조건을 만족하는 경우 기포에 의한 산란은 전 방 향으로 균일하게 산란되는 것으로 가정할 수 있다. 기포의 반지름 별 음향학적 특성 변화를 비교하기 위해 Eqs. (1) ~ (3)을 이용하여 주파수에 따른 음향학 적 특성 변화를 모의하였다. Fig. 1은 반지름이 각각 100 μm, 150 μm, 200 μm인 단일 개수의 기포가 0 m 수 심에 존재할 경우 주파수에 따른 음속, 감쇠율 및 산 란강도를 계산한 결과이다. Reference [2]의 식을 사 용하여 계산된 각 기포들의 공진 주파수는 약 31 kHz, 21 kHz, 16 kHz이다. 수중에 기포가 존재하는 경 우의 음속( )과 기포가 없는 경우 음속( = 1500 m/s)의 관계는 공진 주파수보다 낮은 주파수에서는 이고, 높은 주파수에서는 의 특징을 갖는 것으로 모의된다. 공진 주파수에서의 음속은 와 같은 값을 가지며 인근 주파수에서 가장 큰 변 화를 갖는다. 또한 공진 주파수에 비해 아주 작은 주 파수에서는 보다 작은 값으로 수렴하게 되며, 큰 주파수에서는 로 수렴하게 된다. 감쇠율과 산란 강도는 공진 주파수에서 가장 큰 값을 가지며 공진 주파수에서 멀어질수록 기하급수적으로 감소하는 특징을 보인다. 2.2 양상태 음파산란신호 모의 경계면(해수면, 해저면) 및 체적(인공기포)에 의 한 음파산란신호를 모의하기 위해 송수신기에서 각 경계면 및 체적까지의 고유음선 정보가 필요하다. 전달손실 계산에는 음선이론 기반의 음파전달 모 델인 Bellhop [11] 의 알고리즘이 사용되었으며, 음파의 전달경로를 고려한 기포의 감쇠가 추가적으로 고려 되었다. 해수면 및 해저면 산란 모델은 APL-UW 모 델 [12] 이 사용되었다. 이후 고유음선 정보를 이용한 잔향음 계산 방법은 아래 식과 같다. [13] (4) Fig. 1. Calculations of bubble-induced (a) sound speed, (b) attenuation rate and (c) scattering strength for single radius bubble.인공기포 존재 환경에서의 양상태 잔향음 예측을 위한 해상 실험 분석 및 모델링 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.4 (2022) 429 여기서 는 시간 에 수신된 잔향음 강도이며, 는 음원 강도, 와 는 각각 음원과 수신기에서 산란 면적( )까지의 전달손실이며, 는 음파의 수평 입사각( ), 산란각( ), 양상태 수평 방 위각( )이 고려된 단위 면적 당 산란강도를 의미한 다. 이때 경계면에 의한 잔향음 계산 시 산란면적 (ensonified area, )의 계산은 Weinberg [14] 의 방법이 사용되었다. 반면, 기포에 의한 잔향음 계산 시에는 단위 부피(1 m 3 )의 정육면체 내에 존재하는 기포들 을 하나의 산란체라고 가정하여 위경도 및 수심 격 자마다 기포율이 입력되었다. 따라서 기포에 의한 산란부피(ensonified volume, )는 단위 부피로 설정 하여 각 격자 별 산란신호가 계산되었다. III. 해상실험 및 환경 인공기포 존재 환경에서의 양상태 잔향음 측정 실 험은 수심이 약 26 m로 평탄한 통영 내만 해역에서 국방과학연구소 주관으로 2021년 11월 29일 수행되 었다. 총 6개의 부이가 육각형 형태로 배치되어 각 부 이마다 음원(TC-1026, Reson)은 수심 5 m와 7 m에, 수 신기(BII-7011FG, Benthowave)는 수심 2 m부터 10 m 까지 2 m간격으로 설치되었다. 부이 중앙에 인공기 포를 발생시키기 위해 드론을 이용하여 공중에서 발 포제를 투하하였으며, 투하 약 30 s 전부터 송수신을 시작하였다(Fig. 2). Fig. 3은 실험 정점에서 측정된 풍속 정보를 보여 준다. 실험 당시 풍속은 1 m/s 내외로 잔잔한 환경이 었다. 수직 음속 구조는 실험 시작 10 min 전인 11 h 02 min에 측정되었으며, 전 수층에 대해 1506 m/s에서 2 m/s 이내의 변화를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 환 경에서 가장 멀리 떨어져 있는 두 부이(3번, 6번 부 이) 사이의 거리는 약 43 m이며, 음속구조는 수심에 따라 거의 일정하였으므로 음파의 굴절은 거의 발생 하지 않는 환경이다. 따라서 다음 장에 자세히 설명 될 각 부이 별 가장 가까운 기포까지의 거리 계산 시 에는 음파가 직진한다고 가정하여 거리를 계산하였 다. 사용된 송신신호는 주파수 37.5 kHz의 Continuous Wave(CW) 신호이며, 신호 길이는 10 cycles로 약 0.27 ms이다. 총 12개의 음원에서 0.5 s 간격으로 동일한 신호가 송신되었으며, 각 음원에서 송신된 신호는 총 97 핑이다. 동일한 음원에서는 6 s마다 신호가 반 복적으로 송신되었다. 본 연구에서는 인공기포의 반지름 별 분포 형태를 측정하기 위해 Phase Doppler Particle Analyzer(PDPA) 장비가 이용되었다. 일반적으로 해양에 오랜 시간 잔존하며 영향을 주는 기포들의 범위는 8 μm ~ 200 μm로 알려져 있으나, [15] 본 장비에서 측정 가능한 기 포 반지름의 범위를 고려하여 잔향음 모델링 시에는 8 μm ~ 500 μm 범위의 기포들이 고려되었다. 37.5 kHz 의 주파수에서 의 범위는 0.001 ~ 0.079로 1보다 매 우 작으므로 잔향음 모의 시 기포에 의한 산란은 전 방향으로 균일하게 산란된다고 가정하였다. 실제 해 양의 경우 다양한 원인에 의해 발생된 서로 다른 크 기 및 개수를 갖는 기포들이 존재하며, 각각의 기포 들에 의한 영향이 합쳐져 음향 특성을 크게 변화시 키게 된다. Fig. 4는 수조에서 PDPA 장비로 측정된 발 포제 투하 직후(초기 분포)와 100 s 후의 반지름 별 분 포형태와 주파수 37.5 kHz에서 음속, 감쇠율 및 산란 강도를 계산한 그림이다. Fig. 4 (a)에서 초기 분포와 100 s 후 분포는 334 μm 이하의 작은 반지름에서 동일 한 분포형태를 보이며 더 큰 반지름에서만 분포형태 Fig. 2. (Color available online) Buoy geometry and experimental schematic diagram. Fig. 3. Wind data near the experiment site.Next >