한국음향학회지 제44권 제4호 (2025)

< Previous이근화 한국음향학회지 제 44 권 제 4 호 (2025) 348 산란 현상을 Kirchhoff-Helmholtz 적분 방정식에 단일 산란 가정을 적용하여 공식화했다. 또한 그는 얻어 진 적분 방정식을 물리적으로 설명하고 수치적인 방법론을 제시하였다. Makris [6] 와 Ratilal et al. [7,8] 은 Ingenito의 표현식을 이용해 경계면 및 부피 잔향음 이 존재하는 다층 구조의 수중 도파관에 수중 표적 이 존재하는 경우에 대한 일반화 된 표현식을 제시 했다. 또한 Ratilal et al. [8] 은 위의 식을 이용해 능동 소 나 방정식의 한계를 연구했다. Lee et al. [9] 은 수중 표 적에 물리광학 이론을 적용하여 수중 도파관에서 표적 산란 모의에 대한 연구를 발표했다. 그러나 이 연구는 논문으로 정리되지 않은 미출판 연구여서 학술적으로 내용을 공유하는 데 어려움이 있다. 본 논문에서는 물리광학 이론 [10,11] 을 적용한 표적 산란모델에 대한 연구를 다룬다. 수중 표적 산란에 대한 적분 방정식인 Ingenito의 Kirchhoff-Helmholtz 적분 방정식에 물리광학 이론을 적용하였다. 수중 표적에 입사하는 음파에 Kirchhoff 근사를 적용하여 표적 산란 음장에 대한 명시적인 해석식을 유도했 다. 이를 통해 수치 해석이 용이하면서도 수중 도파 관의 다중경로 효과를 고려할 수 있는 표적 산란 모 델을 얻을 수 있다. 수치 해석을 위해 수중 도파관의 다중 경로 효과 는 각각 음선 및 정상 모드로 표현되는 Green 함수를 이용하여 구현하였으며, 표적 산란은 다각형 격자 에 대한 해석식을 이용해 계산하였다. 최종적으로 수중 도파관에서 표적 산란 음장을 구현하였고 능 동 소나 방정식 모델과 비교했다. II장은 표적 산란 음장의 해석적인 식에 대한 유도 과정 및 결과를 담았으며, III장은 수치해석 결과를 서술하였고, IV장은 결론이다. II. 해양 환경에서 표적 산란 음장 2.1 수중 도파관 환경에서 Helmholtz-Kirchhoff 적분식 Fig. 1과 같은 수중 도파관 환경에서 표적 산란 음장에 대한 Helmholtz-Kirchhoff 적분식은 다음과 같다. [5]                   ′      ∇      ′         ′  ∇    ′          ,(1) 여기서   는 수중 표적의 표면의 면적을 나타내며 벡터의 방향은 표면으로부터 외향벡터이다.   은 리 시버의 위치를 나타내는 위치 벡터,    는 음원에 대 한 위치벡터,  ′ 는 표적의 표면에 대한 위치 벡터이 다.           는 표적의 외부 공간에서 표적의 산란 음 장을 나타내며,     ′      는 표적에 입사하는 입사음 장이다.     ′      는 표적의 표면에서 전체 음장을 나 타내며,     ′          ′          ′      이 된다. 본 연구에서 표적 산란 음장인           는 해양 환 경의 경계 조건 및 표적 표면에서의 경계 조건을 만 족하여 비동차 Helmholtz 방정식을 만족한다. 입사 음장은 음원으로부터 표적까지 수중 도파관을 따라 전달된 음장으로 해양 환경의 경계 조건을 만족하 며, 아래와 같이 동차 Helmholtz 방정식의 해이다.  ∇          ′         ′      .(2)       ′  는 수중 도파관 Green 함수로 해양 환경의 경계조건을 만족하며 아래의 동차 Helmholtz 방정식 의 해이다.  ∇            ′        ′  .(3) Fig. 1. (Color available online) Illustration of the ocean environments for active sonar operation.다중 경로를 고려한 수중 표적 산란 모델 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.4 (2025) 349 음선법 이용하면 수중 도파관 Green 함수는 다음 과 같이 음선의 합으로 표현된다.       ′              ′          ′  ,(4) 여기서        ′  은 음원의 위치 벡터  ′ 에서 수신기 의 위치 벡터   사이에 존재하는 N개의 음선 중에 n 번째 음선의 크기를 나타내며,        ′  는 n번째 음 선의 위상을 나타낸다. 또한 정상 모드법을 이용하면 수중도파관 Green 함수는 다음과 같이 표현된다.       ′              ′          ′  ,(5) 여기서 각 항은 정상 모드의 상향 및 하향 파를 의미 하며, 유효 모드의 개수가 N개 라고 할 때, 총 항의 수 는 2N이 된다.        ′  과        ′  은 각각 다음과 같 이 표현된다. [12]        ′    ′        ′          ′  ×     ≻       ≤   (6)        ′         ′     ′  ≻         ′     ′  ≤  .(7) 위 식은         로 놓고 원통형 좌표계로 표현하였 다.   은 정상 모드이며,   은 깊이 방향의 모드 파 수이다.   ′  는 ′ 의 위치에서 밀도를 나타낸다.   은 모드 함수를 나타낸다.   ±는 정규화 인자이다. 입 사 음장도 음원과 리시버의 위치를 다르게 하여 위에 주어진 Eq. (4)에서 Eq. (7)을 이용하여 표현할 수 있다. 2.2 Kirchhoff 근사의 적용 Eq. (1)은 임의의 표적에 대해서 산란 음장에 대한 암시적인(implicit) 적분식이다. 따라서 산란 음장을 명시적으로 얻기 위해서는 수치적으로 방정식을 풀 어야 한다. Kirchhoff 가정은 표적의 표면에 근사적으 로 경계조건을 설정하는 것으로, 고주파수 산란 영 역에서 유의미한 기법이다. [10,13] 표적의 표면을 기하 학적 반사가 존재하는 반사 영역과 기하학적 반사 가 존재하지 않는 그림자 영역으로 나누고, 각각의 영역에 대해 입사파를 이용해 근사적으로 경계조건 을 설정한다. Kirchhoff 가정을 도입하면 Eq. (1)을 명 시적인 식으로 바꿀 수 있다. 본 연구에서는 기존의 무한 영역에서 정의된 Kirchhoff 가정을 아래와 같이 수중 도파관의 음장에 대해 확장했다. 우선 입사 음장이 음선법으로 표현 된다고 할 때, 수중 표적의 표면에서 산란 음장에 대 한 일반화 된 Kirchhoff 가정은 각 영역에 대해 아래 와 같이 쓸 수 있다.     ′                 ′           ′                         ′           ′       (Illuminated region)     ′             . (Shadowed region)(8) 위 식에서 미분값은 표적 표면에 수직 방향에 대한 미분을 의미한다.   은 표적의 평면파 반사계수를 나타낸다. 정상모드에 대해서는 마찬가지로 다음과 같이 표현된다.     ′                 ′           ′                         ′           ′       (Illuminated region)     ′             . (Shadowed region)(9) 위의 Eqs. (8)과 (9)를 이용하면, 표적 표면에서의 산 란 음장을 입사 음장과 입사 음장의 표적 표면의 수 직 방향의 편미분을 이용하며 표현할 수 있다. 그에 따라 Eq. (1)의 적분 방정식은 명시적으로 계산할 수 있게 된다.이근화 한국음향학회지 제 44 권 제 4 호 (2025) 350 2.3 표적 표면의 이산화를 통한 식의 정리 Eqs. (8)과 (9)의 Kirchhoff 가정을 적용하면, Eq. (1) 에서 산란 음장은 수중 표적의 표면에 대한 적분을 통해 계산할 수 있다. 수중 표적의 표면을 CAD 모델 을 이용하여 다각형의 미소 격자로 이산화시킬 때, Eq. (1)은 음선 표현식과 모드 표현식에 대해 각각 정 리할 수 있다. 우선 음선 표현식은 다음과 같다.           ≈                         ′                ′                (10) 여기서,        ′            ′             ′      이다.    은    은 입사 음선의 방향 벡터와    의 산란 음선의 방 향 벡터에 대한  번째 다각형의 산란함수를 나타낸 다.  은 전체 표적을 구성하는 다각형 격자의 총 개 수,   은  번째 다각형에서 산란되는 음선의 총 개 수,  은  번째 다각형으로 입사하는 음선의 총 개 수를 나타낸다. 마찬가지로 모드 표현식을 이용하면, 표적 산란 음장은 아래와 같이 쓸수 있다.           ≈                         ′                ′                (11) 여기서        ′            ′             ′      이며,    과,    은 각각 입사 음장과 산란 음장의 파수의 방향 벡터 로 해석할 수 있다.  은  번째 다각형에서 산란되 는 음장을 구성하는 모드의 총 개수,   은  번째 다 각형으로 입사하는 음장을 구성하는 모드의 총 개 수를 나타낸다. 위의 Eqs. (10)과 (11)의 형태를 보면, 기본적으로 표적과 수중 도파관 사이의 단일 산란만을 고려한 것임을 확인할 수 있다. 또한, Eqs. (4)와 (5)의 수중 도 파관 Green 함수는 음장이 방위각에 독립적이라는 가정에서 유도된 식이므로, 그에 따라 위의 식도 음 파 전달에 대해서는 × 의 해양 환경으로 제한 되어 있음을 밝힌다. 본 연구에서는 모드에 대한 표현식과 음선에 대한 표현식의 형태를 통일했기 때문에, 다음 절부터 별 다른 언급이 없다면 음선 표현식을 이용하여 기술 할 것이다. 2.4 표적 음장 식의 단순화 수중 표적과 송수신기가 먼 거리에 떨어져 있다고 가정하면, [10] Eq. (10)은 아래와 같이 간소화된다.           ≈                  ′                ′                                       ′                ′               (12) 여기서    ′ 는 표적의 산란 중심에 대한 위치벡터이고,   은 표적의 산란 중심과 수신 또는 송신 소나 위치 사이의 n번째 음선의 음장을 나타낸다.              은 표적 중심에 대해 입사하는 n번째 음선벡터    와 표적 중심에서 산란되는 m번째 음선벡터     에 대 한 전체 표적 산란 함수를 나타낸다. 기존의 Eq. (10)에서 표적 산란 음장을 구하기 위 해서는 수중 표적의 모든 격자에 대해 음선이나 모 드를 각각 계산해주어야 한다. 그러나 Eq. (12)처럼 송수신기가 표적으로부터 먼 거리에 떨어져 있는 경우라면, 표적의 산란 중심에 해당하는 음장에 대 해서만 음파 전달 모델을 계산하면 되기 때문에 수 치적으로 이점이 있다. 더 나아가, Eq. (12)의 표적 산란 함수가 구(sphere) 처럼 표적 산란이 입사각과 산란각의 변화에 대해 일정하다고 가정하면 Eq. (12)는 아래와 같이 간략화 된다.           ≈                 ′              ′      ×  (13) 여기서  는 일정한 값을 가지는 표적 산란 함수를 나타낸다. 만약에 음원에서 수중 표적까지의 음파 전달과 수중 표적에서 송신기까지의 음파 전달이 다중 경로를 고려한 수중 표적 산란 모델 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.4 (2025) 351 서로 독립적이라 가정하면, Eq. (13)의 에너지 식은 능동 소나 방정식과 동일해짐을 쉽게 증명할 수 있 다. Ratilal et al. [8] 은 동일 평면 내의 양상태 산란에서 일반화된 표적 산란 식이 능동 소나 방정식과 유사 해지는 조건을 아래와 같이 제시했다.   ∆  .(14) 위 식에서  는 주파수,  는 임의의 음속,  은 표적의 특성 길이, ∆ 는 수중 도파관에서 전반사가 발생 하는 스침각의 폭이다. 위 식의 물리적인 의미는 수 중에서 전달 모드의 각도가 표적 산란 음장의 주 로 브(main lobe)보다 작아야 한다는 것이다. 천해 해양 환경에서는 수십 Hz의 능동소나를 사용하지 않는 이상, 현재 운용되는 수중 표적의 크기를 고려하면 Eq. (14)를 만족하기가 쉽지 않다. III. 수치 해석 본 절에서는 Pekeris 도파관에서 표적 산란 모델의 특징을 살펴본다. 해양의 수심은 100 m, 음속은 1500 m/s, 밀도는 1000 kg/m 3 로 놓았으며, 해저면 음속은 모래바닥에 해당하는 1700 m/s, 해저면 밀도는 1800 kg/m 3 , 해저면 감쇠계수는 0.2 dB/λ로 놓았다. 단상태 소나는 50 m 깊이에 위치해 있고 표적의 중심도 50 m 깊이에 놓았다. 수중 표적은 각도에 따 른 표적 산란의 불균일성이 잘 드러나는 15 m의 길 이의 정사각형 표적으로 설정하였다. 수중 표적 표 면의 수직벡터는 소나와 표적 중심의 직선 방향과 일치하도록 놓았다. 표적은 CAD 모델을 이용해 삼 각형 격자로 이산화 하였고, 표적의 반사계수는 1로 가정했다. 소스레벨은 1 m, 1 μPa의 참조값에서 0 dB 로 설정하였다. 수치 해석은 네 가지 예제에 대해 수행하였다. 첫 번째 예제에서는 Eq. (12)가 성립하기 위한 먼 거리 가정의 타당성을 조사했다. 소나 주파수는 2 kHz로 설정하였다. 정사각형 표적을 각각 32개, 8개, 2개의 격자로 분할하여, Eq. (11)을 이용하여 소나와 표적 의 거리에 따른 산란 음장을 관찰했다. 여기서 2개에 대한 결과는 Eq. (12)를 이용한 결과와 거의 동일하 다. Fig. 2은 해당 결과를 보여준다. 편의를 위해 32개 와 8개, 32개와 2개의 결과를 각각 도시했다. 0.3 km 이내의 거리를 보면, Fig. 2(a)가 Fig. 2(b)보다 근거리 에서 서로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 그러나 0.4 km 이상의 먼 거리에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 먼 거리의 표적에 대해서는 Eq. (12)를 사용해 도 큰 문제가 없다는 것을 의미한다. 두 번째 예제는 음선 기반 모델과 모드 기반 모델 결과를 비교하기 위함이다. 주파수는 2 kHz를 사용 했고 표적은 2개의 격자로 분할했다. Fig. 3에서 두 모델은 서로 거의 정확히 일치한다. 이것은 ray-mode Fig. 2. (Color available online) Received scattered pressure for the numbers of elements of a square target. (a) 32 and 18 elements, and (b) 32 and 2 elements. Fig. 3. (Color available online) Comparison of mode- based formula and ray-based formula.이근화 한국음향학회지 제 44 권 제 4 호 (2025) 352 analogy에 의한 자명한 결과로 볼 수 있다. 세 번째 예제에서는 Eq. (13)의 타당성을 검증했 다. 주파수는 2 kHz로 동일하며 표적은 2개로 분할하 였다. Eq. (13)에 대해서 표적 산란 함수는 소나와 표 적 중심 간의 기하학적인 방향 벡터를 이용해 계산 하였다. 음선 모델이 표적 산란을 계산하는데 사용 되었다. Fig. 4는 Eqs. (12)와 (13)을 비교한 결과이다. 능동 소나 방정식과 동등한 Eq. (13)은 표적 산란 음 장을 수중 도파관의 연성 효과를 고려한 Eq. (12)보 다 높게 산출하는 경향을 보인다. 이것은 앞서 기술 했듯이 해양 환경(전반사가 발생하는 영역) 및 표적 산란 함수, 소나 주파수와 관련이 있다. 두 식의 비교 결과의 일치성을 향상시키기 위해 네 번째 예제에서는 환경 조건을 변경했다. 소나 주 파수를 300 Hz로 낮추었고, 해저면의 감쇠계수를 0.8 dB/λ로 높여서 스침각의 폭을 줄였다. 또한 표적 의 크기는 10 m로 축소하였다. 또한 음파 전달 모델 로써 정상 모드법 모델인 ORCA를 사용했다. Fig. 5 의 결과를 보면 Eqs. (12)와 (13)의 표적 산란 음장이 보다 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. IV. 결 론 2000년대 초중반에도 시뮬레이션에서 표적 산란 에 수중 도파관의 연성 효과를 반영하는 것은 수치 적인 부담 때문에 매우 힘들었다. 실제 수중에서 수 중 능동 표적 신호가 운용주파수, 해양환경이나 표 적 크기에 따라 복잡하게 변한다는 것을 알고 있음 에도 불구하고, 현실적인 측면에서 능동 소나 방정 식을 이용하여 간이적으로 표적 신호를 취급했다. 하지만 최근 GPU를 필두로 컴퓨터의 성능이 향상되 고, AI 기술의 발달에 따라 수중 식별에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 모델링 분야에서도 능동 신호 모의의 정확도를 높이려고 노력하고 있으며, 수중 탐지를 위한 신호 처리는 신호의 코히런스를 최대한 활용하는 방안으로 발전되고 있다. 본 연구에서는 수중 도파관에서 일반화된 표적 산 란 모델을 소개하고 물리광학 이론을 이용해 모의 하는 방법을 제안했다. 본 산란 모델을 이용하면 다 양한 해양 환경에서 임의의 음원에 의해 표적에서 재방사되는 산란 음장을 모델링할 수 있으며 개념 적으로 × 환경에서 단상태 및 양상태 환경에서 모두 적용 가능하다. 또한 푸리에 변환을 이용하면 시간 영역 모델로의 확장도 가능하다. 이를 이용해 표적의 형상, 능동 소나/능동 표적의 기하학, 해양 환 경을 반영한 신호 모의가 가능하며, 모델이나 모의 결과는 수중 탐지에 활용될 수 있을 것이다. 감사의 글 이 연구는 2025년도 정부(방위사업청)의 재원으 로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행된 연구 Fig. 4. (Color available online) Comparison of sonar equation model [Eq. (13)] and ray-based formula [Eq. (12)] at the frequency of 2 kHz for a square target with a 15 m length. Fig. 5. (Color available online) Comparison of sonar equation model [Eq. (13)] and model-based for- mula [equivalent to Eq. (12)] at the frequency of 300 Hz for a square target with a 10 m length.다중 경로를 고려한 수중 표적 산란 모델 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.4 (2025) 353 임(No. KRIT-CT-23-026, 미래 기술 적응형 통합수중 감시 특화연구센터, 2025). References 1.R. J. Urick, Principles of Underwater Sound 3rd edition (McGraw-Hill, NY, 1983), 291-293. 2.Y. Choi, K. Shin, J. You, J. Kim, W. Joo, Y. Kim, J. Park, S. Choi, and W. Kim, “Numerical modeling and experimental verification for target strength of sub- merged object,” J. Ocean. Eng. Tech. 19, 64-70 (2005). 3.K. Kim, D. Cho, and J. Kim, “High frequency acoustic scattering analysis of underwater target,” J. Soc. Nav. Architect. Kr. 42, 528-533 (2005). 4.K. Lee, S. Park, I. Yang, and W. Seong, “Difference in peak and integrated target strengths depending on signal duration using a time-domain physical diffrac- tion theory,” J. Acoust. Soc. Kr. 28, 88-92 (2009). 5.F. 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Clay, Fundamentals of Acoustical Oceanography (AP, NY, 1998), pp. 31-246. 저자 약력 ▸이 근 화 (Keunhwa Lee) 2000년 : 서울대학교 조선해양공학과 공 학사 2006년 : 서울대학교 조선해양공학과 공 학박사 (수중음향) 2014년 : 서울대학교 해양시스템공학연 구소 연구교수 2014년 ~ 현재 : 세종대학교 해양융합시스 템공학과/국방시스템공학과 교수북극해 음향실험(KAMAS-24)에서 수직선배열센서를 이용하여 중거리에서 측정한 해빙의 영향을 받은 중주파수 음파전달신호의 도달각 변동 Fluctuation of arrival angle of mid-frequency acoustic propagation affected by sea ice measured using vertical line array at medium range in the Arctic Ocean during KAMAS-24 박정수, 1† 손수욱, 1 박중용, 1 이대혁, 1 김우식, 1 배호석, 1 김한수, 2 윤영글, 2 조성호, 2 강돈혁, 2 손우주 3 (Joung-Soo Park, 1 † Su-Uk Son, 1 Jungyong Park, 1 Dae Hyeok Lee, 1 Woo Shik Kim, 1 Ho-Seuk Bae, 1 Hansoo Kim, 2 Young Geul Yoon, 2 Sungho Cho, 2 Donhyug Kang, 2 and Wuju Son 3 ) 1 국방과학연구소, 2 한국해양과학기술원, 3 극지연구소 (Received April 24, 2025; accepted May 23, 2025) 초 록: 북극해에서 해빙의 영향에 의한 음파전달 특성을 파악하기 위한 실험인 Korea Acoustic Measurement in the Arctic Sea in 2024(KAMA-24)을 수행하였다. KAMAS-24는 2024년 8월에 북극해의 축치해와 동시베리아해 해역에서 수행되었고, 이 실험에서 해빙 해역의 음파전달손실을 측정하였다. 먼저, 중거리에서 중주파수 음원과 수직선 배열센서를 이용하여 측정한 음파전달손실을 계산하고 송신 주파수와 음원의 심도별로 음파전달손실의 차이를 분석했 다. 다음으로, 빔출력의 빔각으로부터 추적한 도달각의 변동을 분석하였으며 송신기와 수신기의 거리가 달라지면서 발 생한 도달각의 변동은 해빙의 영향을 강하게 받은 Refracted Surface-Reflected(RSR) 경로에서 크고 해빙의 영향을 약하게 받은 Refracted Bottom-Reflected(RBR) 경로에서는 비교적 작게 나타났다. 중거리에서는 특이한 구조를 갖는 해빙 하부에 음파가 반사되면서 해빙의 거칠기 영향을 받은 도달각의 변동폭이 크게 발생한 것으로 추정된다. 핵심용어: 북극해, 해빙, 음파전달손실, 수직선배열센서, 빔형성 ABSTRACT: Korea Acoustic Measurement in the Arctic Sea in 2024 (KAMA-24), an acoustic measurement, was performed to understand the characteristics of acoustic propagation by the influence of sea ice in the Arctic Ocean. KAMAS-24 was conducted in August 2024 near the Chukchi Sea and the East Siberian Sea in the Arctic Ocean. In this experiment, the acoustic transmission loss was measured in the area covered by sea ice. First, we analyzed acoustic transmission loss by the frequencies and the depth of the acoustic source. Next, we estimated arrival angle fluctuation from beam angle measured using mid-frequency transmitter and vertical line array at medium distances. The fluctuation of arrival angle caused by the change in the distance between the source and the receiver at medium range was large in the Refracted Surface-Reflected (RSR) paths strongly affected by sea ice and relatively small in the Refracted Bottom-Reflected (RBR) paths weakly affected by sea ice. Keywords: Arctic ocean, Sea ice, Acoustic transmission loss, Vertical line array, Beamforming PACS numbers: 43.30.Ma, 43.30.Cq 한국음향학회지 제44권 제4호 pp. 354～365 (2025) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.4 (2025) https://doi.org/10.7776/ASK.2025.44.4.354 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Joung-Soo Park (js.park@add.re.kr) Agency for Defense Development, P. O. Box 18, Changwon, Gyeongnam 51678, Republic of Korea (Tel: 82-55-540-6321, Fax: 82-55-542-3737) 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. 354북극해 음향실험(KAMAS-24)에서 수직선배열센서를 이용하여 중거리에서 측정한 해빙의 영향을 받은 중주파수 음파전달신호의 도달각 변동 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.4 (2025) 355 I. 서 론 북극해는 여름철을 제외하면 대부분의 기간 동 안 해수면이 해빙으로 덮여있어서 수중에서 음파가 전달과 산란 되는 과정에서 해빙과 간섭이 발생하 여 독특한 현상이 나타난다. 북극해에서의 음파전 달은 1950년대 후반에 잠수함이 해빙 아래에서 항해 할 수 있게 되면서부터 본격적인 연구가 진행되었 다. [1] 독특한 특성을 보이는 해빙 해역의 음파전달 환경을 관측하기 위한 다수의 연구가 수행되어오 고 있으며 군사, 경제, 그리고 환경 관련 연구에 목 적을 두고 있다. [2,3] 음파전달 환경의 관측은 수중소 음, 음파전달, 그리고 음파산란 등을 포함하며, 소 나, 항해, 수중통신, 그리고 기후변화 등의 연구에 활 용되고 있다. 냉전 기간에 북극해에서 30 Hz 이하의 음원을 이용해 수백 km의 장거리 음파전달 실험을 수행했다. [4] 1994년에 미국은 19.6 Hz의 음원으로 위 상변조신호를 송신하여 스발바드에서부터 링컨해 까지 관통하는 2,630 km 거리에서 음파전달 실험인 Transarctic Acoustic Propagation(TAP)를 수행했다. 후 속 실험으로 1998년부터 1999년까지 미국과 러시아 가 공동으로 20.5 Hz 음원으로 유사한 경로에서 장거 리 실험인 Arctic Climate Observations using Underwater Sound(ACOUS)를 진행했다. Mikhalevsky et al. [5,6] 은 이 실험에서 음파전달 신호로부터 수중의 수온 등을 역 산하는 음향 토모그래피 분석을 수행했다. 북극해의 캐나다 분지에서 공간 해상도를 높여 장거리 저주파 음파전달과 수중소음의 특성을 연구하기 위한 실험 인 CANAPE가 2016년부터 미국 주도로 수행되었 다. [7-9] 이 실험에는 Scripps Institute of Oceanography, University of California(SIO), Naval Postgraduate School (NPS), Woods Hole Oceanographic Institute(WHOI), Naval Research Laboratory(NRL) 등의 연구 기관이 참여했 다. CANAPE에서는 저주파 송수신기를 이용하여 150 km 거리의 전달손실과 음파의 도달시간과 도달 각 등의 변동을 관측하였다. 미국의 Office of Naval Research(ONR)은 지구의 온난화에 의한 북극해의 영향을 파악하고 대안을 마련하기 위한 연구를 진행 하고 있다. [10,11] Stratified Ocean Dynamics of the Arctic (SODA)와 Arctic Mobile Observing System(AMOS) 연 구를 통해 보퍼트해의 상층 환경을 이해하고 음향 기반으로 신뢰성 높은 수중항해 시스템을 개발하기 위한 관측과 프로토타입을 시험하는 연구가 현재 진 행 중이다. ICe EXercise(ICEX)는 미해군이 주관하고 나토 국가가 참가하며, 미국의 Woods Hole Oceano- graphic Institute(WHOI)과 Aplied Physical Laboratory (APL) 등이 참여하여 기후변화 등에 의한 음향탐지 환경을 연구하고 있다. [12] 한국해양과학기술원 부설 극지연구소에서는 저주파 음원을 이용한 음파전달 과 수중 소음의 특성에 대한 연구를 진행하였다. Han et al. [13] 은 2017년에 동 시베리아해의 천해 정점 에서 해저에 수신기를 설치하고 수중소음을 1년 동 안 관측하고 분석하였다. 또한 Han et al. [14] 은 서북극 해의 천해 영역에서 자원탐사용 저주파음원을 이용 해 음파전달손실을 관측하였다. 지금까지 북극해에서 수행된 대부분의 음파전달 실험은 장거리 전달의 중요성이 강조되며 저주파가 사용되었다. 음파전달에 영향을 미치는 해빙의 영 향을 세밀하게 보기 위해서는 경우에 따라서 저주 파수 보다는 중주파수가 유리하다. 본 논문에서는 2024년 8월에 서북극해에서 수행한 음파전달실험 인 Korea Acoustic Measurement in the Arctic Sea in 2024(KAMA-24)에서 2,000 Hz – 4,000 Hz 대역의 중주 파수 펄스를 이용하여 중거리에서 수직선배열센서 로 측정한 음파전달 신호의 특성을 기술하였다. 2장 에서는 실험의 개요와 방법을 기술였다. 3장에서는 신호분석 방법과 빔형성 결과를 기술하고, 이어서 모델링 결과와 비교하여 설명하고, 마지막으로 해 빙에 의한 음파전달 신호의 도달각 변동을 설명한 다. 해빙으로부터 반사된 신호의 도달각의 변동은 해저면으로부터 반사된 신호의 도달각의 변동과 비 교하면 매우 크게 나타났다. II. 북극해 음향실험(KAMAS-24) 2.1 실험 개요 북극해에서 해빙의 영향에 의한 음파전달 특성 을 파악하기 위하여 직접 현장 실험을 수행하였다. KAMAS-24에서는 2024년 7월 30일부터 8월 26일 동 안의 항해 중에 북극해의 축치해와 동시베리아해 박정수, 손수욱, 박중용, 이대혁, 김우식, 배호석, 김한수, 윤영글, 조성호, 강돈혁, 손우주 한국음향학회지 제 44 권 제 4 호 (2025) 356 해역에서 해빙 해역의 수중소음, 해빙에 의한 음파 산란과 반사계수, 그리고 중거리 음파전달손실을 측정하였다. 한국해양과학기술원 부설 극지연구소 의 쇄빙선인 아라온호에 승선하여 국방과학연구소 와 실험용역을 수행하는 기관인 한국해양과학기술 원과 극지연구소가 참여하여 실험을 수행하였다. KAMAS-24 실험을 설계하기 위해 송신기와 수신기 의 거리와 심도를 결정하기 위한 환경분석을 사전 에 수행하고, 다중경로 음파전달과 수신 신호의 품 질을 고려하여 송신 펄스를 설계하였다. 실험 설계 를 바탕으로 측정 계획을 수립하고, 북극해 현장의 상황에 따라 조정하며 실험을 수행하였다. 음파산란, 반사계수, 그리고 음파전달손실은 유 빙 형태의 대형 해빙에 아라온호를 정박하고 2024년 8월 6일부터 8월 11일 까지 해빙 위에서 측정하였다. 해빙 위에서 수행한 음파전달 실험은 헬기를 동원 한 해빙 탐색, 해빙 변수(두께, 거칠기 등) 조사, 송수 신기 설치 위치 선정 및 천공, 그리고 송신 및 수신 등 을 포함하였다. 이번 논문에는 KAMAS-24 실험 중에 서 Fig. 1에 노란색 네모로 표시된 구역에서 Fig. 2와 같이 해빙을 따라 표류하면서 수직선배열센서를 이 용하여 측정한 음파전달손실을 분석하고 결과를 제 시하였다. 음파전달손실을 측정한 구간에서 해빙의 표류 속도는 약 0.2 m/s이다. 음파전달손실을 측정한 해역의 음속구조는 Fig. 3 과 같고 표층에서 대략 1,435 m/s이고 1,600 m에서 약 1,474 m/s이다. 해표면 근처에 얇게 존재하는 첫 번째 도파관이 0 m ~ 85 m에 나타난다. 북극해에서 상층 에 나타나는 대표적인 보퍼트 도파관과 유사한 두 번째 도파관의 경계를 약 230 m에서 볼 수 있다. 2.2 음파전달손실 측정 해빙캠프 기간에 해빙 위에서 수행한 음파산란과 전달손실 측정을 위한 송수신기 운용 모식도를 Fig. 4에서 볼 수 있다. 음파전달손실 측정에는 송신기 1 대와 수직선배열센서 1대 및 자기기록수신기 2대가 사용되었다. 송신기(ITC4004-A)는 송신빔이 전방향 성 특성을 보이며 사용 가능한 주파수는 대략 2,000 Hz – 4,000 Hz 대역이다. 자체 제작한 수직선배열센 서는 8채널로 구성된 부배열 2개가 연결되어 있어서 총 16채널이다. 부배열의 설계 주파수는 4,027.8 Hz Fig. 1. (Color available online) Site map of the KAMAS-24 experiment. Acoustic transmission loss was measured in the yellow square box. Fig. 2. (Color available online) The drifting track of R/V ARAON. Acoustic transmission loss was mea- sured on the track in the blue circle. Fig. 3. (Color available online) Sound speed profile estimated from the observed temperature and salinity.북극해 음향실험(KAMAS-24)에서 수직선배열센서를 이용하여 중거리에서 측정한 해빙의 영향을 받은 중주파수 음파전달신호의 도달각 변동 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.4 (2025) 357 이고, 부배열 간의 간격은 약 0.736 m이다. 송신기의 심도는 25 m, 50 m, 75 m, 100 m, 그리고 125 m로 변화 시키고, 수신기의 심도는 고정하였으며 수직선배 열센서의 심도는 50 m이고 자기기록수신기는 각각 100 m와 150 m로 설정하였다. 수심센서에 기록된 실 측 심도는 계획한 심도와 3 m 이내의 차이를 나타냈 다. 송수신기의 거리는 약 4,200 m이다. 다중경로별 음파전달의 특성을 구분해서 분석 하기 위해 짧은 부펄스를 송수신하였다. 송신 펄스 는 단일주파수 부 펄스 5개와 선형주파수변조 부펄 스 4개로 구성하였다. 단일주파수(Continuous Wave, CW) 부펄스의 주파수는 각각 2,001 Hz, 2,503 Hz, 3,005 Hz, 3507 Hz, 그리고 3,999 Hz이다. 선형주파수 변조(Linear Frequency Modulation, LFM) 부펄스의 대 역폭은 모두 100 Hz이며, 중심 주파수는 각각 2,050 Hz, 2,450 Hz, 2,950 Hz, 그리고 3950 Hz이다. 부펄스의 길이는 0.5 s이고 간격은 3 s이다. 부펄스의 주파수는 조화간섭이 없도록 설정하고, 부펄스 간의 간격은 다중경로의 시간지연과 송신기의 성능을 고려하여 결정했다. Fig. 5처럼 수신신호에 음향환경의 변동 이 동시에 적용되도록 9개의 부펄스를 연결해서 하 나의 송신펄스를 구성하고 반복 송신하였다. III. 음파전달손실 신호 분석 3.1 음파전달손실 계산 음향센서에 수신된 수신신호(RL)는 Eq. (1)과 같 이 표시할 수 있으므로 전달손실(TL)은 Eq. (2)와 같 이 계산할 수 있다.    log                (1)           (2) 여기서      는 음향센서에 수신된 시계열신호, RVS 는 음향센서의 수신감도, 그리고 G는 이득을 나타 낸다. 이번 측정에서는 짧은 펄스를 사용했으므로 수신 신호에서 펄스의 도달구간을 파악하고 모든 도달구 간을 더하여 전달손실을 계산한다. Fig. 6은 수직선 배열센서의 1번 채널에 수신된 단일주파수 펄스의 수신신호와 힐베르트 변환 후 포락선을 나타낸 것 이다. 음원의 심도를 125 m로 고정하고 송신한 경우 Fig. 4. Geometry of the measurement of acoustic transmission loss during KAMAS-24. A omni- directional acoustic source, a vertical line array, and two self-recording hydrophones were moored. Fig. 5. (Color available online) Configuration of the transmission pulse consisting of nine sub-pulses with five monotone pulses (CW1-CW5) and four linear frequency modulated pulses (LFM1-LFM4). Fig. 6. (Color available online) Example of the received time series at vertical line array.Next >