< PreviousI. 서 론 지난 동안 수중 방사 소음 문제는 주로 군용 함정 의 대잠전이나 기뢰에 대한 안전성 확보를 위한 음 향 스텔스 성능을 평가하는 중요한 사항이었다. 하 지만 민간 분야에서도 선박의 크기와 수가 증가함 에 따라 선박에서 발생하는 수중 방사 소음은 점점 증가하였다. [1-3] 수중 방사 소음은 해양 포유류를 포 함한 다양한 해양 생물에 부정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀지기도 하였다. [4,5] 이러한 필요성으로 인하여 음향 성능을 예측하고 음향 설계 수준을 개 선하기 위해 수중 방사 소음 측정 방법을 연구하는 수직 선배열 기반의 수중 방사 소음 측정을 위한 널 조향 기법 적용 Application of null steering technique for underwater radiated noise measurement based on vertical line array 이경원, 1 이지현, 1 김기만, 1† 김태형, 2 강승희 2 (Kyung-won Lee, 1 Ji-hyun Lee, 1 Ki-man Kim, 1 † Tae Hyeong Kim, 2 and Seung-Hee Kang 2 ) 1 국립한국해양대학교, 2 국방과학연구소 (Received October 2, 2024; accepted December 11, 2024) 초 록: 수중 방사 소음은 음향 스텔스 성능을 평가하는 여러 요소 가운데 하나이다. 최근 함정의 소음 준위가 점점 낮아지면서 기존의 수중 방사 소음 측정 시스템을 대신하여 배열 시스템을 적용하려는 시도가 있어 왔다. 이 논문에서는 수직 선배열 시스템을 이용하여 수중 방사 소음을 측정하는 문제를 다루었다. 배열 시스템을 사용함으로써 배열 이득을 얻을 뿐만 아니라 추가적으로 널 조향 알고리즘을 적용함으로써 해수면 반사파와 같은 간섭 신호의 영향을 감소시키고 자 하였다. 성능을 분석하기 위한 해상실험이 수행되었으며, 실험 결과에서 단일 수중 청음기를 사용한 경우보다 13개 의 수신기들로 구성된 배열에 널 조향 알고리즘을 사용한 경우 배열 이득을 포함하여 약 7 dB ~ 8 dB 정도의 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 핵심용어: 수중 방사 소음 측정, 수직 선배열, 널 조향, 위상 천이 빔 형성 ABSTRACT: Underwater radiated noise is one of several factors used to evaluate acoustic stealth performance. As the noise levels of naval vessels have been decreasing recently, there have been attempts to replace traditional underwater radiated noise measurement systems with array systems. This paper addresses the issue of measuring underwater radiated noise using a vertical line array system. By employing an array system, not only can array gain be achieved, but the application of a null steering algorithm further aims to reduce the impact of interference signals such as surface-reflected waves. A sea trial was conducted to analyze the performance, and the results demonstrated that using a null steering algorithm with an array consisting of 13 receivers yielded a gain of approximately 7 dB ~ 8 dB, including the array gain, compared to using a single hydrophone. Keywords: Underwater radiated noise measurement, Vertical line array, Null steering, Phase shift beamforming PACS numbers: 43.30.Xm, 43.60.Fg 한국음향학회지 제44권 제1호 pp. 14～21 (2025) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.1 (2025) https://doi.org/10.7776/ASK.2025.44.1.014 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Ki-man Kim (kimkim@kmou.ac.kr) Department of Radio Communication Engineering, Korea Maritime and Ocean University, 727 Taejong-ro, Yeongdo-gu, Busan 49112, Republic of Korea (Tel: 82-51-410-4918, Fax: 82-51-404-3986) Copyrightⓒ 2025 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. 14수직 선배열 기반의 수중 방사 소음 측정을 위한 널 조향 기법 적용 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.1 (2025) 15 것은 매우 중요하다. 군용 함정의 경우 음향 스텔스 기술의 발전으로 인 해 함정의 소음 수준이 크게 감소하고 있고, 이로 인 하여 다수의 수신기를 사용하는 배열 기반의 측정 시스템이 점차적으로 사용되기 시작하였다. 또한 함 정 소음이 감소하면서 선진국에서는 체적 배열 측정 시스템을 개발하기 시작하였는데 미국은 대서양 수 중 시험평가센터에서 소음 측정을 위해 원통형 배 열과 쌍원뿔형 배열을 사용한 바 있다. [6,7] 이러한 3 차원 배열은 수직 방향의 얕은 수심 한계를 극복하 고 공간 지향성을 사용하여 배열 이득을 개선할 수 있다. [8,9] 대부분의 배열 기반의 수중 방사 소음 측정 시스템 은 낮은 수심에 위치하며, 측정 과정에서 발생하는 반사음을 억제하기 위해 주로 수직 선배열 형태와 빔 형성 기술을 채택하였다. [10-12] 국내에서도 수중 방 사 소음 측정을 위한 수직 선배열 적용과 관련하여 설계시 고려해야 할 주요 요소 고찰 및 초점 빔 형성 기법 등의 연구가 이루어졌다. [13,14] 하지만 원하는 측 정 대상 신호에 대비하여 강한 해수면 반사파와 같 은 간섭 신호가 존재하는 경우 빔 형성 기술 적용만 으로 부족할 수 있다. 이 경우 적응형 빔 형성 기술이 나 널 조향 기술은 특정 방향에서 배열에 도달하는 신호를 제거하기 위해 해당 방향에서의 응답 패턴이 낮은 이득을 갖도록 하는 널을 생성하는 데 사용된 다. 적응형 빔 형성 기술은 간섭 신호의 변동성에도 스스로 대처하여 처리하도록 동작하나 간섭 신호와 원하는 신호 사이의 상관도에 의해 성능이 영향을 받는다. [15] 이에 비해 널 조향 기술은 비록 간섭 신호 의 위치나 방향 정보를 사전에 미리 알고 이를 빔 패 턴 설계에 반영해야 하는 제한이 있지만 원하는 신 호와 간섭 신호가 혼재된 환경에서 효율적으로 간섭 신호를 억제함으로써 Signal-to-Interference plus Noise Ratio(SINR)을 개선할 목적으로 사용된다. 이는 배열 의 가중치가 특정 방향에서의 빔 패턴이 널이 되도록 선택되는 널 조향 알고리즘을 통해 달성할 수 있다. 오래 전에 제시된 널 조향 알고리즘 중 하나인 데 이비스 방법 [16] 을 사용하면 다른 널의 위치에 영향을 미치지 않고, 널 위치를 하나씩 추적할 수 있다. 독립 적인 널을 조정할 수 있는 기능 때문에 데이비스 방 법은 적응형 배열 신호 처리에 사용하기 위해 많은 관심을 끌었다. 또한 데이비스 방법의 빠른 널 조향 알고리즘이 개발되기도 하였다. [17] 이 알고리즘을 사 용하면 배열의 복소수 제로가 순환 방식으로 개별적 으로 조정되어 간섭 신호를 추적한다. 어떤 순간에 서든지 하나의 영점만 조정되므로 알고리즘을 구현 하는데 필요한 복잡도가 낮아지면서 수렴 동작이 빠 르다. 또한 제한조건을 갖는 널 조향 알고리즘은 관 심 방향의 응답이 유지되면서 정해진 간섭 신호 방 향의 이득을 감소시키도록 설계되었다. [15,18] 이외에 도 널 조향 기법과 관련하여 널 영역의 폭을 넓히는 방법에 대한 연구들이 이루어졌다. [19,20] 이 논문에서는 수중 방사 소음 측정 과정에서 발생 가능한 해수면 반사파의 영향을 최소화하기 위해 선 형 제한 조건을 갖는 널 조향 알고리즘을 적용하고, 그 영향을 고찰하였다. 이를 위해 주어진 측정 환경 에서 해수면 반사파에 대한 모델링으로 수행하고, 모의실험뿐만 아니라 실제 수직 선배열을 이용한 해 상실험으로부터 획득한 데이터를 분석하여 고찰하 였다. 실제 수중 방사 소음을 측정하기 위해서는 함 정이 정해진 경로를 따라 기동하여야 하나 이 실험 에서는 고정된 위치에 있는 음원으로 수행하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 선배 열 모델 및 널 조향 기법을 설명하고, 제 3장에서는 수중 방사 소음 측정 환경을 고려한 널 조향 설계와 모의실험 결과를 제시한다. 제 4장에서는 해상 실험 을 통해 널 조향 기법의 유효성을 나타낸다. 마지막 으로 제 5장에서 결론을 서술한다. II. 선배열 모델 및 널 조향 기법 일반적으로 수중에서 전파되는 음향 신호 모델의 경우 음원과 배열 사이의 기하학적인 구성, 해수면 의 거칠기, 음속 분포 등과 같은 다양한 요소들에 의 해 결정되며, 이러한 요소들을 이용한 많은 수중음 향 전파 모델들이 있다. 하지만 본 논문에서는 간단 한 논의를 위하여 이러한 복잡한 요소들은 배제하 고 기하학적인 요소만 고려한 단순화된 모델을 적 용한다. 음원과 배열 사이의 거리가 상대적으로 먼 원거리장의 경우 신호가 평면파로 전파된다고 근사이경원, 이지현, 김기만, 김태형, 강승희 한국음향학회지 제 44 권 제 1 호 (2025) 16 할 수 있으므로 각 수신기로 수신되는 신호들 사이 의 상대적인 시간차는 신호가 배열에 입사하는 각 으로 계산할 수 있다. 이 논문에서는 수중에서 수직 방향으로 선형 배열을 구성하는 개의 수신기가 등 간격으로 배치되어 있는 상황을 고려하고, 이 배열 의 중심에 위치한 수신기를 기준 수신기라고 정한 다. 여기서 은 수식 전개의 편의를 위해 홀수인 정 수라고 가정하였다. Fig. 1은 선배열에서 원거리장 을 설명하는 모식도이다. Fig. 1에서 는 ≤≤ 중 음원의 방향, 는 이웃한 수신기 사이의 간격을 의미한다. Eq. (1) 은 개의 수신기 중 배열의 중심에 위치한 수신기 를 기준으로 할 때 수신되는 상대적인 시간차에 대 한 식이며, ≤≤ 이다. sin .(1) Eq. (1)에서 는 전파 속도를 뜻한다. Eq. (1)을 이용하 여 원거리장에서 입사하는 신호의 주파수가 일 때, 방향에서 입사하는 신호의 조향 벡터를 위한 식은 다음과 같이 표현된다. ⋯ ⋯ .(2) Eq. (2)에서 윗 첨자 는 행렬의 전치를 의미한다. 주 파수가 인 신호가 입사한다고 가정했을 때, 위상 천이 빔 형성을 위한 가중치가 수신 채널마다 로 모두 같다고 할 때 방향으로 조향한 빔 패턴은 다음과 같다. .(3) Eq. (3)에서 윗 첨자 는 Hermitian을 의미하며, 는 주파수 에서의 array manifold 벡터로써 Eq. (2)와 같은 형태이지만 조향각 대신 로 대체한 것이다. 일반적으로 간섭 신호를 억제하기 위해 적응형 빔 형성 기법이 사용되지만 이는 지향 방향의 신호와 간섭 신호 사이의 상관도에 따라 민감한 성능을 보 이는 것으로 알려져 있다. [15] 하지만 만약 간섭 신호 의 입사각을 어느 정도 알고 있는 경우 널 조향 기법 을 사용하는 것이 효과적이다. 널 조향을 통해 배열 시스템에서 특정 방향으로부터의 간섭 신호를 억제 하거나 제거해 신호 대 잡음비를 개선하고, 전체 시 스템의 성능을 최적화할 수 있다. 주파수 에서 널 조향을 위한 가중치 벡터 는 여러 방법으로 구할 수 있으나 선형 제한 조건을 갖는 설계의 경우 다음의 식과 같이 구할 수 있다. [15] 즉, 간섭 신호가 도달하는 입사각 에서 빔 출력이 0이 되도록 하는 데 이는 다음의 식으로 표현된다. .(4) 만약 널 영역을 넓히고자 한다면 입사각 를 여 러 개로 설정하는데 이 때 Eq. (4)는 Eq. (5)를 이용하 여 Eq. (6)과 같은 행렬 형태로 확장된다. Eq. (5)는 널 을 생성하고자 하는 M개의 입사각에 대한 행렬이 며, 이는 미분 형태와 같은 모양으로 변형될 수 있지 만 여기서는 Eq. (5)의 형태를 그대로 적용하였다. [15] Eq. (6) 우변의 은 모든 값이 0으로 구성된 M차 행 벡터를 의미한다. ⋯ .(5) .(6) 주파수 에서 원하는 형태의 빔 패턴을 생성하 는 가중치 벡터를 라고 할 때 Eq. (6)의 조건을 만 족하면서 동시에 원하는 빔 패턴과 가장 가까운 형 Fig. 1. Concept of far-field propagation.수직 선배열 기반의 수중 방사 소음 측정을 위한 널 조향 기법 적용 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.1 (2025) 17 태의 빔 패턴을 나타내는 가중치 벡터는 최소 제곱 최적화를 통해 구해진다. 이는 Lagrange multiplier 방 법을 이용하여 도출되는데 그 결과는 Eq. (7)로 표현 된다. [15] .(7) Eq. (7)에서 은 N차 단위 행렬을 의미하며, 주파수 표현은 생략하였다. III. 수중 방사 소음 측정 환경에 따른 널 조향 설계 음원이 신호를 방출하면 배열을 구성하는 각 수 신기에는 직접 전달 경로를 거쳐 도달하는 신호와 해수면 및 해저면 등에 의해 반사된 신호들이 모두 수신되고, 이러한 반사 신호들은 간섭 신호의 역할 을 하게 된다. 실제 수중 채널 전달 모델은 다양한 요 소들에 의해 복잡한 관계를 갖지만 이 논문에서는 간단한 전개를 위해 음원과 배열이 상대적으로 해 저면보다 해수면에 가깝고, 이로 인해 해수면에 의 한 1차 반사파만 영향을 미친다고 가정하였다. 또한 수심에 따른 음속 구조의 변화는 없다고 가정하였 다. Fig. 2는 이를 설명하는 모식도로써 해수면의 불 규칙성을 고려하지 않고 단순하게 본다면 그림과 같은 영상법 [21] 을 이용하여 배열에 수신되는 직접 경로와 해수면 반사파의 대략적인 입사각을 추정 할 수 있다. 다음의 Fig. 3은 배열의 중심에 위치한 수신기의 수심을 48 m, 음원의 수심을 75 m로 하였을 때 배열 축과 음원 사이의 수평 거리가 50 m에서 최대 150 m 인 경우 Fig. 2와 같은 이상적인 해수면에 의한 반사 파의 입사각을 직접 도달 경로와 함께 나타낸 것이 다. 이러한 구성은 다음 절에서 설명할 해상실험 구 성과 연계하기 위한 것으로 예를 들어 수평 거리가 72 m이면 직접 도달 경로는 약 19°, 해수면 반사에 의 한 간접 도달 경로는 약 –60° 정도인 것을 보여준다. 이는 다음 장에서 나타낼 실제 해상실험 결과와도 비슷한데 실제 해상실험 결과에서 직접 도달 경로 는 약 18°, 해수면 반사에 의한 간접 도달 경로는 약 –65° 내외로 나타났다. 다만 간접 도달 경로는 해수 면 반사가 주요 원인이기 때문에 해수면의 불규칙 성으로 인하여 비교적 넓은 방향으로 나타났다. Fig. 4는 위의 결과와 해상실험 결과를 참조하여 18°에 주 빔이 생성되도록 조향하고, –64° ~ –70° 영 역에는 해수면 반사파를 억제하기 위해 선형 제한 조건을 갖는 최적화 방식에 의해 도출된 널 조향을 갖도록 하는 빔 형성을 위한 빔 패턴을 널 조향이 없 는 경우와 함께 나타내었다. 이 때 배열을 구성하는 수신기는 13개라고 가정하였고, 이웃한 수신기 사 이의 간격은 반파장 거리를 갖는다고 설정하였다. 그림으로부터 널 조향이 없는 경우에는 간섭 신호 가 예상되는 지점에서 널을 나타내기는 하지만 그 정도가 상대적으로 널 조향 알고리즘을 적용한 것 보다 약하고, 널의 폭도 상대적으로 좁은 것을 볼 수 Fig. 2. (Color available online) Schematic of direct path and surface reflection path by image method. Angle ( ° ) Fig. 3. (Color available online) Incident angle of direct path and indirect path.이경원, 이지현, 김기만, 김태형, 강승희 한국음향학회지 제 44 권 제 1 호 (2025) 18 있다. 따라서 이러한 빔 형성 기법을 적용할 경우 널 조향 알고리즘을 적용한 것이 상대적으로 간섭 신 호를 조금 더 억제할 수 있을 것으로 예상된다. IV. 해상실험 및 결과 앞선 모의실험과 함께 2024년 7월에 경상북도 포 항시 인근 해역에서 해상실험이 수행되었다. 원래 수중 방사 소음을 측정하기 위해서는 함정이 정해진 경로를 따라 기동하여야 하지만 데이터 획득의 어려 움으로 인하여 이 실험에서는 고정된 수중의 위치에 있는 음원을 사용하였다. 해상실험은 부이에 달린 수직 배열로부터 일정 거리만큼 떨어진 위치에 음원 을 설치하여 설정된 주파수의 Continuous Wave(CW) 신호를 방출하도록 하였다. 모의실험과 마찬가지로 배열은 13개의 수신기들로 구성되었으며, 이웃한 수신기 사이의 간격은 수중에서의 음속을 1,500 m/s 를 기준으로 음원 주파수의 반파장 길이를 갖는다. 중심에 위치한 수신기의 수심은 48 m로 하였고, 배 열 축과 음원 사이의 수평 거리는 72 m로 하였으나 불규칙한 해상 상태의 영향을 받아 변동성이 존재 하였다. 다음의 그림에는 실험 구성도를 나타내었 으며, 해상실험에 적용된 파라미터는 Table 1에 정리 하였다. 음원으로는 Gavial ITC-1001 모델을 사용하였는데 해상실험에서는 CW 신호를 약 30 s 동안 방출하였 다. 아울러 고정 장치를 이용하여 음원으로부터 수 평 거리 1 m 떨어진 위치에 모니터링을 위한 수중 청 음기를 설치하였으며, 수중 청음기로는 B&K 8106 모델을 사용하였다. 다음의 Fig. 6은 이 수중 청음기 에서 수집된 신호의 소스 레벨을 나타낸 것이다. 실 제 수신된 신호는 다수의 주파수 대역을 구분하여 처리하나 이 그림은 15 kHz의 차단 주파수를 갖는 저 역통과 필터링만을 적용한 것이다. CW 신호 주파수 인 9.6 kHz에서 약 129.5 dB가 나타난 것을 확인할 수 있다. Fig. 5. (Color available online) Schematic for sea trial. Table 1. Parameters in sea trial. ParametersValues Number of receivers13 Sampling frequency80 kHz Signal frequency9.6 kHz Horizontal range between source and center receiver 72 m Source depth75 m Center receiver depth48 m dB re 1 Pa@1 m Fig. 6. (Color available online) Source level at the monitoring hydrophone. Gain (dB) Fig. 4. (Color available online) Beam patterns with 18° main beam and multiple nulls at -64° ~ -70°.수직 선배열 기반의 수중 방사 소음 측정을 위한 널 조향 기법 적용 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.1 (2025) 19 다음의 Fig. 7(a)는 이에 대한 Bearing Time Record (BTR)을 음압 레벨로 나타낸 것으로써 각 수신 채널 마다 균등한 가중치를 갖는 위상 천이 방식의 빔 형 성 기법을 적용한 것이다. 이 그림은 빔 출력의 스펙 트럼 레벨을 음원과 배열 사이의 거리, 앰프 이득 및 센서 민감도 등을 활용하여 보정 처리한 것이다. 빔 형성은 전체 30 s 구간을 1 s 길이의 세그먼트마다 처 리하였고, 이웃한 세그멘트들은 서로 겹치지 않도록 하였다. 그림은 앞서 언급했던 것처럼 약 18° 방향에 음원이 있으며, 아울러 약 –60° ~ –70°의 비교적 넓은 영역에서 해수면 반사파가 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 언급한 모의실험과 비슷한 결과를 보여주며, 반사파의 영역이 넓게 보이는 것은 해당 방향의 빔 폭이 넓고 해수면의 거칠기 때문이기도 하다. 또한 채널의 변동성으로 인하여 음원 방향에 서의 신호도 변동성을 나타내는 것을 볼 수 있다. Fig. 7(b)는 널 조향을 갖는 위상 천이 방식의 빔 형성 기법 을 적용하였을 때의 BTR을 나타낸 것이며, 약 –60° ~ –70° 방향의 해수면 반사파가 억제된 것으로 볼 수 있다. 아울러 그림에서 일부 시점에서 넓은 영역에 걸친 잡음 성분이 나타나는데 이는 해양 생물 등에 기인한 순간적인 임펄스 형태의 신호가 포함된 것 으로 보인다. Fig. 8은 배열을 구성하는 수신기들 가운데 중앙 에 위치한 수신기에서 수신된 신호, 널 조향이 없는 위상 천이 빔 형성 출력 및 널 조향이 있는 위상 천 이 빔 형성 출력 신호에서 음원 주파수에 해당하는 신호 음압 레벨의 확률 밀도 또는 정규화된 히스토 그램을 표현한 것이다. 여기서 정규화된 히스토그 램은 1 s 간격마다 신호 레벨을 추정한 뒤 같은 크기 가 나타나는 빈도 수를 전체 수로 나누어 얻어진 값 이다. 여기서 신호의 길이가 30 s이므로 전체 수는 30회가 된다. 빔 형성 출력은 주 빔이 음원 방향인 18°로 조향한 경우이며, 널 조향도 앞서 설명한 내용 과 같다. 결과는 단일 수신기에 수신된 신호는 약 124 dB에서 높은 빈도를 나타내었고, 널 조향이 없 는 위상 천이 빔 형성 출력에서는 약 118 dB로 나타 났다. 이에 비해 널 조향이 있는 위상 천이 빔 형성 출력에서는 약 116.5 dB로 나타나 빔 형성 과정에 널 조향이 포함된 경우 없는 경우보다 약 1.5 dB 정도의 차이를 보였다. 이러한 차이는 간섭 신호의 입사각 과 Interference-to-Noise Ratio(INR) 등에 의해 영향을 (a) (b) Fig. 7. (Color available online) BTR plot, (a) phase shift beamformer without null steering, (b) phase shift beamformer with null steering. Fig. 8. (Color available online) Comparison of the normalized histogram in sea trials.이경원, 이지현, 김기만, 김태형, 강승희 한국음향학회지 제 44 권 제 1 호 (2025) 20 받게 된다. 또한 단일 수신기 출력과 배열을 이용한 빔 형성 출력 사이는 약 7 dB ~ 8 dB의 차이를 볼 수 있 는데 이는 배열 이득이 포함된 것이기는 하나 13개 의 수신기로 구성된 배열의 경우 이론적으로 배열 이득이 약 11.1 dB 정도이므로 이 보다는 낮게 나타 났다. 이러한 차이는 실험 과정에서 발생한 배열 모 양의 변동성 등과 같은 여러 형태의 오차에 기인한 것으로 보여진다. V. 결 론 수중 방사 소음은 함정의 생존성 문제와 연결되어 있다. 기존의 대부분은 소수의 수중 청음기를 이용 하여 수중 방사 소음을 측정하였으나 최근에는 다 양한 형태의 배열 시스템을 활용하려는 시도가 이 어져 왔다. 이에 본 논문에서는 수직 선배열 시스템 을 이용하여 수중 방사 소음을 측정하는 문제를 다 루었다. 수중 방사 소음을 측정하는 과정은 대체적으로 정 해져 있기 때문에 해수면에 의한 반사파와 같은 간 섭 신호의 입사각은 어느 정도의 범위를 갖는지 미 리 예측할 수 있다. 따라서 배열 시스템을 사용하여 배열 이득을 얻을 뿐만 아니라 추가적으로 간섭 신 호 억제를 위한 널 조향 알고리즘을 적용하여 음원 이외의 영향을 감소시키고자 하였다. 분석을 위해 해상실험이 수행되었으며, 실험 결과에서 단일 수 중 청음기를 사용한 경우, 위상 천이 방식의 빔 형성 기법만 적용한 경우, 그리고 여기에 널 조향 알고리 즘을 추가로 적용한 경우를 비교하였다. 여기서는 특정 주파수에 대한 결과를 제시하였으나 향후에는 다른 관심 주파수 대역에 대한 분석과 함께 다양한 배열 형태에 따른 성능 변화에 대한 고찰이 이어져 야 할 것으로 보인다. 감사의 글 본 연구는 국방과학연구소의 연구비 지원(과제번 호 : UE240515UD)으로 이루어졌습니다. 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Berkley, “Image method for efficiently simulating small-room acoustics,” J. Acoust. Soc. Am. 65, 943-950 (1978). 저자 약력 ▸이 경 원 (Kyung‑won Lee) 2023년 2월 : 국립한국해양대학교 전파공 학과(공학사) 2023년 3월 ~ 현재 : 국립한국해양대학교 전파공학과 석사과정 <관심분야> 소나 신호처리, 수중통신, 음 향 신호처리 등 ▸이 지 현 (Ji‑hyun Lee) 2024년 8월 : 국립한국해양대학교 전파공 학과 (공학사) 2024년 9월 ~ 현재 : 국립한국해양대학교 전파공학과 석사과정 <관심분야> 음향 신호처리, 배열 신호처 리, 텔레메트리 등 ▸김 기 만 (Ki‑man Kim) 1988년 2월 : 연세대학교 전자공학과(공 학사) 1990년 8월 : 연세대학교 전자공학과(공 학석사) 1995년 2월 : 연세대학교 전자공학과(공 학박사) 1995년 3월 ~ 1996년 8월 : 연세대학교 의 과대학 의용공학교실(Fellow) 1996년 9월 ~ 현재 : 국립한국해양대학교 전자전기정보공학부 교수 <관심분야> 배열 신호처리, 수중통신, 소 나 신호처리, 텔레메트리 등 ▸김 태 형 (Tae Hyeong Kim) 2012년 2월 : 부산대학교 기계공학과(공 학사) 2014년 2월 : 부산대학교 기계공학과(공 학석사) 2015년 3월 ~ 현재 : 국방과학연구소 선임 연구원 <관심분야> 수중 방사소음, 음향 신호처 리 등 ▸강 승 희 (Seung‑Hee Kang) 2012년 2월 : 창원대학교 기계공학부(공 학사) 2014년 2월 : 창원대학교 기계공학부(공 학석사) 2014년 10월 ~ 현재 : 국방과학연구소 선 임연구원 <관심분야> 수중 방사소음, 음향 신호처 리 등I. 서 론 초음파 센서는 거리를 측정하기 위한 중요한 도구 로, 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 이 센 서는 초음파를 송신한 후, 물체에 반사되어 돌아오 는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식으로 작 동한다. 이러한 기술은 특히 자동차 분야에서 많이 사용되며, 주행 중에는 측 ･ 후방과 전방의 차량 및 장 애물을 감지하고, 주차 시에는 충돌을 방지하는 데 도움을 준다. [1,2] 음향 메타물질을 활용한 자동차용 초음파 센서 출력 향상 Enhancing the output of ultrasonic sensors for automobiles using acoustic metamaterial 안정훈, 1 송경준 1† (Jeonghun Ahn 1 and KyungJun Song 1 † ) 1 부산대학교 기계공학부 (Received November 5, 2024; revised December 24, 2024; accepted January 3, 2025) 초 록: 본 논문에서는 차량용 초음파 센서에 음향 메타물질을 결합하여 초음파 신호의 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 증가시키는 효과를 연구하였다. 본 연구에서는 초음파 센서에 탈부착이 가능한 형태로 매우 얇은 음향 메타물질을 부착하여, 센서와 메타물질 사이에 형성된 슬릿(slit)과 갭(gap) 구조를 통해 공진 현상을 유도하였다. 이를 통해 초음파 센서의 발진 시 발생하는 음파와 메타물질 구조가 공진 형상을 이루며, 임피던스 매칭 조건에 의해 음압 레 벨이 증가하는 원리를 이론적으로 규명하였다. 더불어, 유한요소 해석(Finite Element Analysis, FEA)과 실험 결과를 통해 음향 메타물질을 적용한 경우 초음파 센서의 음압 레벨이 58 kHz 주파수 대역에서 약 10 dB 증가함을 확인하였다. 이러한 신호 강도의 증가로 인해 초음파 센서의 감지 거리가 기존 대비 3배 이상 향상되는 결과를 얻었다. 본 연구는 음향 메타물질을 활용하여 기존 초음파 센서의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 가능성을 제시한다. 핵심용어: 메타물질, 초음파 센서, 임피던스 일치, 신호 증폭 ABSTRACT: This study investigates the enhancement of Sound Pressure Level (SPL) in ultrasonic signals by integrating acoustic metamaterials with ultrasonic sensors for automotive applications. A thin acoustic metamaterial, designed to be detachable from the sensor, was employed to induce resonance through slit and gap structures formed between the sensor and the metamaterial. Theoretical analysis revealed that the interaction between the ultrasonic waves generated by the sensor and the resonant structure of the metamaterial creates conditions for impedance matching, thereby increasing the SPL. Finite Element Analysis (FEA) and experimental results demonstrated that applying the acoustic metamaterial improved the SPL of the ultrasonic sensor by approximately 10 dB at a frequency range of 58 kHz. This enhancement in signal strength led to a more than threefold increase in the sensor’s detection range. This research highlights the potential of acoustic metamaterials to significantly improve the performance of conventional ultrasonic sensors. Keywords: Metamaterial, Ultrasonic sensor, Impedance matching, Signal amplification PACS numbers: 43.35.Yb, 43.60.Bf 한국음향학회지 제44권 제1호 pp. 22～29 (2025) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.1 (2025) https://doi.org/10.7776/ASK.2025.44.1.022 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Kyungjun Song (song3396@pusan.ac.kr) School of Mechanical Engineering, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro 63beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 46241, Republic of Korea (Tel: 82-51-510-3076, Fax: 82-51-514-7640) Copyrightⓒ 2025 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. 22음향 메타물질을 활용한 자동차용 초음파 센서 출력 향상 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.1 (2025) 23 하지만 초음파 센서는 공기와의 임피던스 불일치 로 인해 초음파 신호가 공기 중에서 전파될 수 있는 거리가 제한적이다. 이로 인해 초음파 센서의 탐지 범위가 짧아지는 문제가 발생하며, 이를 극복하기 위해 다양한 방법이 연구되고 있다. 대중적인 방법으로는 혼을 통해 증폭하는 경우이 다. 그러나 혼의 경우 부피가 크고 내구성이 취약하다 는 단점이 있다. [3] 그래서 그 대안 중 하나가 음향 메타 물질을 이용해 임피던스를 일치시키는 방법이다. [4-7] 음향 메타물질은 인위적으로 설계된 구조로, 초음파 신호가 공기 중에서 더 멀리 전파될 수 있도록 임피던 스 차이를 줄여준다. 이를 통해 초음파 신호의 진폭이 크게 증가하고, 결과적으로 기존보다 더 먼 거리까지 초음파가 도달할 수 있다는 장점이 있다. 음향 메타물질을 이용하는 또 다른 큰 장점은 그 소 형성과 내구성에 있다. 이 메타물질은 매우 얇은 두께 로 설계될 수 있으며, 지름도 초음파 센서와 거의 일 치시킬 수 있다. 또한 내구성이 뛰어나기 때문에 차량 에 장착하기에 적합하다. 이로 인해 공간 탐지 및 다 양한 응용 분야에서 효과적으로 활용될 수 있다. 음향 메타물질을 초음파 센서와 결합하여 초음파 신호의 특성이 어떻게 변화하는지를 분석하고자 한 다. 설계된 메타물질의 성능을 유한요소 해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 이론적으로 검토하였 고, 실험을 통해 그 결과를 검증하였다. 이를 통해 메 타물질을 적용한 초음파 센서가 신호의 진폭을 크게 증가시켜 탐지 거리를 확장시킬 수 있음을 확인한다. II. 초음파 센서 및 메타물질 적용 해석 메타물질을 이용하여 자동차용 초음파 센서에 대 한 성능을 비교하기 위해서 먼저 기존에 사용되고 있는 58 kHz용 자동차용 초음파 센서에 대한 성능 해 석을 수행하였다. Fig. 1(a)는 기존 초음파 센서에 대 한 기본적인 도면이고 진동하는 원판부의 외부반경 은 R = 7 mm이며 원판의 정합층은 타원형으로 되어 있으며 장반경과 단반경의 길이는 M = 6 mm, m = 4 mm이다. 정합층의 두께는 t = 0.6 mm이다. 소재는 알 루미늄이며 정합층 내부에는 압전소자가 붙어 있 다. 내부 비어 있는 공간의 후면부는 초음파가 전면 으로만 진행할 수 있도록 에폭시 프라이머로 채워 져 있다. [1] Fig. 1(b)에서 볼 수 있듯이 모드 해석 결과 정합층 의 고유주파수는 1차 모드에서 약 58 kHz이고 중심 부분에서 진폭이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 알루 미늄에 대한 물성치는 Table 1에 첨부하였다. 실제 초음파 센서와 비교했을 때 초음파 센서의 형상 내 부 치수를 정확히 알기 어려운 점 등의 이유로 실제 초음파 센서의 형상과는 차이가 있을 수 있다. Fig. 2는 메타물질의 형상을 나타낸 것이다. Fig. Fig. 1. (Color available online) (a) 1/4 model of ultrasonic sensor (b) modal analysis result and displacement of ultrasonic sensor at 58 kHz which is the first mode. Table 1. Material properties of aluminum. PropertyValue Density2700 kg/m 3 Young’s modulus70 GPa Poisson’s ratio0.33Next >