< Previous김범식, 최종욱, 윤영글, 김선효, 김한수, 조성호, 강돈혁, 최지웅 한국음향학회지 제 44 권 제 5 호 (2025) 446 높아질 가능성이 있다. 본 연구 대상인 참조기와 동일한 과에 속하는 종 과의 음향학적 특성을 비교하였다(Table 2). 비교 대 상으로는 부세와 민어를 선정하였다. 부세는 참조 기와 성장기 외형, 생태적 특성, 소리 발생 기작이 유 사한 종이며 [25-26] , 민어는 참조기와 소리 발생 기작 이 유사하지만 외형에서는 차이를 보이는 종이다. 세 어류의 소리를 취득한 장소의 경우 참조기는 양 식장, 부세와 민어는 수조였다. 음향학적 특성을 항 목별로 비교한 결과, 펄스 수는 부세(2.7 ± 1.5개)에 비해 참조기(7.7 ± 8.9개)와 민어(8.9 ± 1.36개)에서 높 게 나타났으며, 펄스 간 간격은 민어(21.9 ms ± 1.0 ms)가 가장 짧고, 참조기(63.6 ms ± 16.6 ms)와 부세 (79 ms ± 11 ms)에서 상대적으로 긴 것을 확인할 수 있 었다. 펄스 길이를 비교한 결과, 참조기(4.0 ms ± 1.0 ms)에 비해 민어(183.8 ms ± 27.4 ms)가 상대적으로 길 다는 것을 확인할 수 있었다. 음압 준위의 경우 부세 와 민어에 비해 참조기가 상대적으로 낮은 것을 확 인할 수 있었다. 주파수 특성 분석 결과, 세 어종 모두 저주파 대역에 우세한 주파수 성분을 나타냈으며, 그 중 민어가 가장 저주파 협대역 특성으로 확인되 었다(Table 2). 그러나, 세 종의 평균 피크 주파수 차 이는 최대 약 140 Hz 이며, 표준편차 범위를 고려하 면 500 Hz 대역에서 일부 중첩된다. 이와 같이, 스펙 트럼의 중첩은 주파수 특성만으로 어종을 명확히 구분하기에는 한계가 있을 수 있다. [32] 이러한 경우 펄스 개수, 펄스 간 간격 등 추가적인 음향학적 특성 을 같이 고려하는 것이 필요하다. [33] 본 연구에서도 참조기와 부세는 펄스 개수, 음압 준위를 비교하여 구별할 수 있으며, 참조기와 민어의 경우 펄스 간 간 격의 차이, 펄스 길이를 통해 구별할 수 있다고 판단 된다. 한편, 본 연구에서 참조기는 양식장에서, 부세 와 민어는 수조에서 취득한 자료를 활용하였으므로 환경 차이가 음향 특성에 영향을 주었을 가능성이 있다. 따라서 향후 동일한 조건에서의 교차 검증이 필요하다. 이러한 차별적인 음향 특성은 어종 식별 뿐 아니 라, 수중 음향 기반 생태모니터링 시스템의 정확도 를 높이는 데에도 기여할 수 있다. 또한 본 연구로 부터 분석된 참조기 소리의 음향학적 특성은 참조 기 소리 추출, 소나 및 수중 은밀 통신 신호 생성 등 다양한 응용 연구에 뒷받침 될 수 있을 것으로 기대 된다. 감사의 글 본 연구는 2022년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소(KRIT)의 지원을 받아 수행된 연구임(KRIT-CT-22-056, 과제명: 해양생물음 기반 음 향센서 탐지기술 특화연구실). Fig. 6. (Color available online) Representative pulse waveforms overlaid from 381 small yellow croaker sounds. The Black line indicates the average wave- form Table 2. Acoustic parameters of three represen- tative species in the Sciaenidae family. [3,7,9] Name Small yellow croaker Large yellow croaker Brown croaker Acoustic parametersMean ± Std No. of pulses7.7 ± 8.92.7 ± 1.58.9 ± 1.36 Inter-pulse interval (ms) 63.6 ± 16.679 ± 1121.9 ± 1.0 Pulse length (ms)4.0 ± 1.0183.8 ± 27.4 Sound pressure level (0-peak) (dB re 1 µPa) 136.2 ± 4.5165.2 ± 0.7 Sound pressure level (rms) (dB re 1 µPa) 123.6 ± 4.4158.3 ± 5.2 Peak frequency (Hz)566 ± 91601 ± 96459 ± 934 3 dB bandwidth (Hz) 254 ± 61137 ± 4779 ± 47참조기 소리의 음향학적 특성 분석 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.5 (2025) 447 References 1.J. Simmonds and D. N. MacLennan, Fisheries Acou- stics Theory and Practice. Second (John Wiley & Sons, 2005), pp. 127-129. 2.W. W. L. Au and M. C. Hastings, Principles of Marine Bioacoustics (Springer, New York, 2008), pp. 3. 3.Y. Su, Z. Song, H. Li, Y. Zhang, W. Xiang, J. Hui, S. Sun, Z. Xia, and Y. Zhang, “Call properties of the large yellow croaker (Larimichthys crocea) during reproduction with insight into directivity,” J. Acoust. Soc. Am. 153, 3192 (2023). 4.A. M. Usman, O. O. Ogundile, and D. J. Versfeld, “Review of automatic detection and classification techniques for cetacean vocalization,” IEEE Access, 8, 105181-105206 (2020). 5.G. Qiao, M. Bilal, S. Liu, Z. Babar, and T. Ma, “Biologically inspired covert underwater acoustic communication—A review,” Phys. Commun. 30, 107- 114 (2018). 6.R. R. Fay, “Fish bioacoustics,” in Handbook of Signal Processing in Acoustics (Vol. 1), edited by D. I. Havelock, S. Kuwano, and M. Vorländer (Springer, New York, 2008). 7.H. Kim, Y. G. Yoon, S. Cho, S. Kim, M. Kim, and D. Kang, “Acoustic characteristics of spawning biological sounds of brown croaker (Miichthys miiuy),” Fishes, 9, 7 (2024). 8.C. A. Radford, S. M. Ghazali, J. C. Montgomery, and A. G. Jeffs, “Vocalisation repertoire of female bluefin gurnard (Chelidonichthys kumu) in captivity: sound structure, context and vocal activity,” PLoS One, 11, 2, e0149338 (2016). 9.Y. L. Zhou, X. M. Xu, X. H. Zhang, L. F. Huang, F. G. Xiao, and Y. W. He, “Vocalization behavior differs across reproductive stages in cultured large yellow croaker Larimichthys crocea (Perciformes: Sciaenidae),” Aquaculture, 556, 738267 (2022). 10.G. Von der Emde, J. Mogdans, and B. G. Kapoor, (Eds.). The Senses of Fish: Adaptations for the Reception of Natural Stimuli (Springer, Dordrecht, 2004), pp. 210-220. 11.M. L. Fine and E. Parmentier, “Mechanisms of Fish Sound Production,” in Handbook of Sound Commu- nication in Fishes, edited by F. Ladich (Springer, Vienna, 2015). 12.P. S. Lobel, “Fish bioacoustics and behavior: passive acoustic detection and the application of a closed- circuit rebreather for field study,” Mar. Technol. Soc. J. 35, 19-28 (2001). 13.J. S. Tellechea, C. Martinez, M. L. Fine, and W. Norbis, “Sound production in the whitemouth croaker and relationship between fish size and disturbance call characteristics,” Environ. Biol. Fishes. 89, 163- 172 (2010). 14.S. Cho, D. Kang, H. Kim, M. Kim, and S. Kim, “Evaluating the sounds produced by pacific cod (Ga- dus macrocephalus, Gadidae) during the spawning season,” J. Mar. Sci. Eng. 13, 378 (2025). 15.P. M. Souza Jr, Z. Olsen, and S. J. Brandl, “Paired passive acoustic and gillnet sampling reveal the utility of bioacoustics for monitoring fish populations in a turbid estuary,” ICES J. Mar. Sci. 80, 1794-1806 (2023). 16.C. A. Straight, B. J. Freeman, and M. C. Freeman, “Passive acoustic monitoring to detect spawning in large-bodied catostomids,” Trans. Am. Fish. Soc. 143, 595-605 (2014). 17.A. V. Lindseth and P. S. Lobel, “Underwater sound- scape monitoring and fish bioacoustics: A review,” Fishes, 3, 36 (2018). 18.D. Rotherham, A. J. Underwood, M. G. Chapman, and C. A. Gray, “A strategy for developing scientific sampling tools for fishery-independent surveys of estuarine fish in New South Wales,” ICES J. Mar. Sci. 64, 1512-1516 (2007). 19.T. J. Rowell, D. A. Demer, O. Aburto-Oropeza, J. J. Cota-Nieto, J. R. Hyde, and B. E. Erisman, “Estimating fish abundance at spawning aggregations from court- ship sound levels,” Sci. Rep, 7, 3340 (2017). 20.J. J. Luczkovich, D. A. Mann, and R. A. Rountree, “Passive acoustics as a tool in fisheries science,” Trans. Am. Fish. Soc. 137, 533-541 (2008). 21.S. Liu, G. Qiao, Y. Yu, L. Zhang, and T. Chen, “Bio- logically inspired covert underwater acoustic com- munication using high frequency dolphin clicks,” Proc. IEEE OCEANS-San Diego, 1-5 (2013). 22.T. Ma, G. Qiao, S. Liu, S. Mazhar, N. Zheng, and C. Pan, “Biologically inspired underwater acoustic com- munication based on discrete cosine transform,” Appl. Acoust. 198, 108930 (2022). 23.G. Qiao, M. Bilal, S. Liu, T. Ma, Y. Zhao, and B. Kong, “Symmetry oriented covert acoustic communication by mimicking humpback whale song,” Symmetry. 11, 752 (2019). 24.C. Capus, Y. Pailhas, K. Brown, D. M. Lane, P. W. Moore, and D. Houser, “Bio-inspired wideband sonar signals based on observations of the bottlenose dolphin (Tursiops truncatus),” J. Acoust. Soc. Am. 121, 594-604 (2007). 25.H. J. Kim, J. N. Kim, H. Sohn, T. Y. Oh, and J. H. Lee, “Age and growth of small yellow croaker Lari- michthys polyactis using otoliths in the waters of 김범식, 최종욱, 윤영글, 김선효, 김한수, 조성호, 강돈혁, 최지웅 한국음향학회지 제 44 권 제 5 호 (2025) 448 Korea” (in Korean), Korean J. Fish. Aquat. Sci. 57, 372-379 (2024). 26.B. A. I. K. Chul-In and C. K. Dae, “Oceanographic conditions of eishing ground of yellow croaker (Pseu- dosciaena polyactis) in Korean Waters” (in Korean), Korean J. Fish. Aquat. Sci. 37, 232-248 (2004). 27.D. Kang and H. Kang, “Annual reproductive cycle of wild female yellow croaker, Larimichthys polyactis” (in Korean), J. of Aquaculture, 19, 188-196 (2006). 28.Q. Lee, A. Lee, Z. Liu, and C. S. Szuwalski, “Life history changes and fisheries assessment performance: a case study for small yellow croaker,” ICES J. Mar. Sci. 77, 645-654 (2020). 29.L. Chen, W. Zeng, Y. Rong, and B. Lou, “Composi- tions, nutritional and texture quality of wild-caught and cage-cultured small yellow croaker,” J. Food Compos. Anal. 107, 104370 (2022). 30.K. H. Lee, Y. S. Yang, J. K. Kim, H. C. An, and J. K. Shin, “Characterization of sounds produced by 3 sciaenid species” (in Korean). J. Kor. Soc. Fish. Tech. 43, 206-211 (2007). 31.Y. G. Yoon, H. Kim, S. Cho, S. Kim, S. Jung, and D. Kang, “Sound production characteristics of the chorus produced by small yellow croaker (Larimichthys polyactis) in coastal cage aquaculture,” J. Mar. Sci. Eng. 13, 1380 (2025). 32.R. Gibb, E. Browning, P. Glover-Kapfer, and K. E. Jones, “Emerging opportunities and challenges for passive acoustics in ecological assessment and moni- toring,” Methods Ecol. Evol. 10, 169-185 (2019). 33.M. C. P. Amorim, J. A. Wanjala, M. Vieira, M. Bolgan, M. A. Connaughton, B. P. Pereira, P. J. Fonseca, and F. Ribeiro, “Detection of invasive fish species with passive acoustics: Discriminating bet- ween native and non-indigenous sciaenids,” Mar. Environ. Res. 188, 106017 (2023). 저자 약력 ▸김 범 식 (Beomsik Kim) 2025년 2월 : 한양대학교 해양융합공학과 학사 2025년 2월 ~ 현재 : 한양대학교 해양융합 공학과 석박사통합과정 ▸최 종 욱 (Jongwook Choi) 2020년 2월 : 한양대학교 해양융합공학과 학사 2022년 9월 ~ 현재 : 한양대학교 해양융합 과학과 석박사통합과정 ▸윤 영 글 (Young Geul Yoon) 2012년 2월 : 한양대학교 해양환경과학과 학사 2014년 2월 : 한양대학교 해양환경과학과 석사 2023년 2월 : 한양대학교 해양융합과학과 박사 2023년 3월 : 한양대학교 ERICA 미래해양 연구센서 2024년 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 해양 력강화․방위연구부 선임기술원 ▸김 선 효 (Sunhyo Kim) 2009년 2월 : 한양대학교 해양환경과학과 학사 2011년 2월 : 한양대학교 해양환경과학과 석사 2016년 8월 : 한양대학교 해양융합과학과 박사 2019년 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 해양 력강화․방위연구부 책임연구원 ▸김 한 수 (Hansoo Kim) 2013년 2월 : 제주대학교 해양시스템공학 과 학사 2015년 2월 : 제주대학교 해양시스템공학 과 석사 2020년 2월 : 제주대학교 해양시스템공학 과 박사 2017년 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 해양 력강화․방위연구부 선임연구원 ▸조 성 호 (Sungho Cho) 2005년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 학사 2007년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 석사 2012년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 박사 2010년 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 해양 력강화․방위연구부 책임연구원참조기 소리의 음향학적 특성 분석 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.5 (2025) 449 ▸강 돈 혁 (Donhyug Kang) 1992년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 학사 1994년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 석사 2002년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 박사 2002년 11월 ~ 2004년 10월 : 일본 북해도 대학 특별연구원 2005년 ~ 현재 : 한국해양과학기술원 해양 력강화․방위연구부 책임연구원 ▸최 지 웅 (Jee Woong Choi) 1996년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 학사 1998년 2월 : 한양대학교 지구해양과학과 석사 2002년 8월 : 한양대학교 지구해양과학과 박사 2002년 11월 : Applied Physics Lab., Univ. of Washington, USA, Research Associate 2007년 ~ 현재 : 한양대학교 국방지능정보 융합공학부 교수I. 서 론 수중 환경에서는 전자기파와 광파의 감쇠가 매우 커서 장거리 통신이 어려운 반면, 음향 신호는 감쇠 가 적고 긴 거리를 효율적으로 전파할 수 있어 주된 통신 방식으로 활용된다. 특히, 저주파 음향 신호는 상대적으로 긴 파장을 가지므로 전파 과정에서의 감쇠가 적어 장거리 통신에 적합하다. [1] 이러한 수중 음향 신호를 탐지하는 대표적인 장치가 하이드로폰 이며, 특히 압전 소자를 활용한 압전 하이드로폰이 널리 활용되고 있다. [2] 하이드로폰은 수중에서 음향 신호를 탐지하여 전기 신호로 변환하는 센서로서, 해양 탐사, 군사 감시, 수중 통신 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다. 하이드로폰의 성능은 주 로 수신 대역폭과 수신 전압 감도(Receiving Voltage Sensitivity, RVS)라는 두 가지 특성으로 평가된다. [3] 수신 대역폭은 하이드로폰이 탐지 가능한 주파수 범위를 나타내며, 다양한 주파수의 신호를 얼마나 효과적으로 탐지할 수 있는지 판단하는 중요한 지 표이다. 수신 전압 감도는 하이드로폰에 가해진 음 광대역 class IV 플렉스텐셔널 하이드로폰 구조 설계 Design of wideband class IV flextensional hydrophone structure 김기현, 1 노용래 1† (Gihyeon Kim 1 and Yongrae Roh 1 † ) 1 경북대학교 기계공학부 (Received July 15, 2025; accepted September 2, 2025) 초 록: 주로 송신용으로 사용되어 온 class IV 플렉스텐셔널 트랜스듀서는 높은 기계적 증폭 효과와 압전 효과의 가역 성으로 인해 하이드로폰으로 사용 시 고감도 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성을 응용하여 본 연구는 저주파 구간에서 고감도와 넓은 대역폭을 가지는 class IV 플렉스텐셔널 하이드로폰을 개발하고자 하였다. 수신 전압 감도와 비대역폭을 주요 성능 지표로 설정하여 유한요소해석을 통해 구조 변수가 음향 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 회귀 분 석, 최적화 알고리즘을 사용하여 최적 구조를 도출하였으며, 최종 모델은 기본모델에 비해 저주파 구간의 수신 감도는 대등하면서 비대역폭은 21 %p 증가하였다. 핵심용어: 클래스 IV 플렉스텐셔널 하이드로폰, 광대역, 수신전압감도, 유한요소법 (Finite Element Method, FEM) ABSTRACT: Class IV flextensional transducers, which have been primarily employed for transmission, exhibit high sensitivity characteristics when utilised as hydrophones, attributable to the substantial mechanical amplification effect and the reciprocity of the piezoelectric effect. The present study has been conducted with the objective of developing a class IV flextensional hydrophone that possesses both high sensitivity and a wide bandwidth in the low frequency range. The influence of structural variables on the acoustic performance was evaluated through finite element analysis, with the receiving voltage sensitivity and fractional bandwidth established as the primary performance indicators. Subsequently, regression analysis and optimization algorithms were employed to derive the optimal structure. The final model exhibited a 21 %p increase in bandwidth while maintaining the same receive voltage sensitivity in the low frequency range compared to the basic model. Keywords: Class IV flextensional hydrophone, Wideband, Receiving voltage sensitivity, Finite Element Method (FEM) PACS numbers: 43.38.Fx, 43.30.Yj 한국음향학회지 제44권 제5호 pp. 450～457 (2025) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.5 (2025) https://doi.org/10.7776/ASK.2025.44.5.450 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Yongrae Roh (yryong@knu.ac.kr) School of Mechanical Engineering, Kyungpook National University, 80 Daehak-ro, Buk-gu, Daegu 41566, Republic of Korea (Tel: 82-53-950-6828, Fax: 82-53-943-8716) 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. 450광대역 class IV 플렉스텐셔널 하이드로폰 구조 설계 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.5 (2025) 451 압 대비 생성되는 출력 전압의 비율을 의미하며, 미 약한 음향 신호를 얼마나 정밀하게 감지할 수 있는 지 결정하는 성능 요소이다. 기존의 하이드로폰은 여러 가지 형태로 개발되어 왔으며, 대표적으로 링 하이드로폰과 구형 하이드로폰이 있다. [3,4] 플렉스텐셔널 트랜스듀서는 1950년대부터 활발 히 연구되어 온 트랜스듀서로, 주로 저주파 프로젝 터로 활용되며 현재는 수중 탐지 및 통신용으로 널 리 사용되고 있다. 이 트랜스듀서는 쉘과 압전 세라 믹의 형태 및 작동 원리에 따라 총 7가지 class로 분류 된다. [3] 그중에서도 class IV는 가장 활발히 연구된 유 형으로, 송신 대역폭 확장과 고출력 특성을 얻기 위 한 다양한 연구가 수행되어 왔다. 송신 출력을 높이 기 위한 연구로 Chen et al. [5] 는 쉘의 변위를 증가시키 기 위해 이중 쉘 구조를 제안하였고, Guo et al. [6] 는 class IV에 PZT 4 및 다양한 압전 단결정을 적용하고 각각의 송신 출력을 비교하여 가장 우수한 압전 재 료를 선정하였다. 송신 대역폭을 증가시키기 위해 Li et al. [7] 는 기존의 타원형 쉘에 서로 다른 곡률을 갖 는 굴곡들을 만들어 새로운 쉘 구조를 제안하였고, Zheng et al. [8] 는 새로운 최적화 알고리즘을 적용하여 최적 구조 설계를 수행하였으며, Guo et al. [9] 는 쉘에 이중 홈을 파내는 구조를 제안하였다. Moosad et al. [10] 는 세라믹 스택을 지지하는 인서트의 구조를 변경하여 첫 번째 공진 주파수 조정 및 송신 대역폭 을 증가시키는 연구를 수행하였다. Hladky-Hennion et al. [11] 는 멀티모드를 활용하는 구조를 설계하고 새 로운 제작 방식을 도입하여 송신 대역폭을 증가시키 면서 낮은 비용으로 class IV를 제작하는 연구를 수 행하였다. 송신 출력과 송신 대역폭을 모두 증가시 키기 위해 Chen과 Lan [12] 는 쉘의 형상을 변형하였고, Zhou et al. [13] 는 막대형 세라믹을 굴곡형으로 변형시 켜 이를 쉘의 내부에 부착하는 연구를 수행하였다. 그러나 이처럼 class IV 플렉스텐셔널 트랜스듀서를 프로젝터로 활용한 사례는 많았으나 이를 하이드로 폰으로 활용한 사례는 극히 드물었다. 그러나 압전 효과의 가역성을 이용해 하이드로폰으로 응용하면 프로젝터의 저주파 고출력 특성을 하이드로폰의 저 주파 고감도 특성으로 효과적으로 변환할 수 있을 것으로 기대된다. [3] 따라서 본 연구는 저주파 대역에서 고감도와 광대 역 특성을 동시에 구현할 수 있는 class IV 플렉스텐 셔널 하이드로폰을 설계하였다. 하이드로폰에서 광 대역 특성을 구현하는 일반적인 방법은 전체 크기 를 축소해 최대 수신 전압 감도 주파수를 높이는 방 법이 사용되지만, 이러한 접근은 수신 전압 감도의 저하를 초래하는 단점을 가지기에 앞서 설정한 고 감도 특성을 유지하기 어렵다. [14] 따라서 수신 전압 감도를 유지하면서도 대역폭을 확장할 수 있는 새 로운 접근법을 제안하고자 한다. 본 연구에서는 10 Hz를 기준으로 수신 전압 감도의 최고점과 최저점 간 차이가 3 dB 이내로 유지되는 주파수 범위를 대역 폭으로 정의하고, 이를 토대로 비대역폭(대역폭/최 대 수신 전압 감도 주파수)을 핵심 성능 지표로 설정 하였다. 최대 수신 전압 감도 주파수를 거의 변화시 키지 않으면서 대역폭을 증가시키기 위해 하이드로 폰의 음향 특성에 직접적으로 영향을 미치는 주요 구조 변수를 선정하고, 최적 설계 기법을 통해 저주 파 대역에서 고감도 광대역 특성을 갖는 하이드로 폰 구조를 도출하였다. II. 유한요소 해석 모델 본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 PZFlex®를 이용하여 class IV 플렉스텐셔널 하이드로 폰의 기본 모델을 구축하여 Fig. 1에 나타냈다. Class IV 플렉스텐셔널 하이드로폰은 타원형의 쉘 안에 세 Fig. 1. (Color available online) Structure of the class IV flextensional hydrophone.김기현, 노용래 한국음향학회지 제 44 권 제 5 호 (2025) 452 라믹이 끼워진 형태이며 물의 유입을 막기 위해 쉘의 옆 면에 엔드 플레이트가 부착되어 있다. 이 하이드 로폰의 수신 전압 감도(Receiving Voltage Sensitivity, RVS)를 계산하기 위해 Fig. 2와 같이 1 Pa의 평면파를 물의 경계면과 인접한 위치에서 하이드로폰 방향으 로 방사하였다. 유한 요소 해석에 사용한 물은 원거 리장을 충분히 고려한 크기로 구축했으며, 물의 경 계면에는 반사가 일어나지 않도록 흡수 경계 조건 을 인가하였다. 방사된 평면파가 하이드로폰에 닿 아서 발생하는 전압 와 하이드로폰 위치에 도달 한 음압 를 해석하여 Eq. (1)에 대입하였다. 해석에 사용한 압전 재료는 PZT4를, [15] 쉘은 알루미늄을, 엔 드 플레이트는 강을, 코팅은 고무를 사용하였으며 압전 재료를 제외한 나머지 재료의 물성 값을 Table 1에 나타냈다. [16] RVS log dBre V Pa ,(1) III. 구조변수의 영향 분석 먼저, 여러 구조 변수들이 변화함에 따른 하이드 로폰의 수신 대역폭, 최대 수신 전압 감도 주파수 (peak RVS frequency), 비대역폭, 100 Hz에서의 수신 전압 감도의 변화를 비교하여 큰 영향을 미치는 변 수를 설계 변수로 선정하였다. 본 연구에서는 대역 폭을 최대 수신 전압 감도 주파수로 나눈 값을 비대 역폭이라고 정의하였다. 구조 변수는 총 여덟 가지 로 쉘 높이(h s ), 코팅 두께(t coat ), 단축 길이(l min ), 쉘 두 께(t s ), 엔드 플레이트 두께(t ep ), 인서트 폭(w i ), 세라믹 폭(w p ), 세라믹 높이(h p )이며, 경향성 분석에 사용한 표본은 기본모델의 규격을 기준으로 ± 10 %, ± 20 % 변화시킨 값으로 선정하였다. 본 연구의 기본모델 은 기존 연구논문에서 제시된 구조를 기반으로 하 였으며, 최대 수신 전압 감도 주파수가 𝑓 0 가 되도록 각 부분의 크기를 비례 조절한 것이다. [17] Fig. 2의 모 델을 사용한 사전 해석을 통해 여덟 가지 구조 변수 중 앞서 언급한 네 가지 음향 특성에 큰 영향을 주는 쉘 높이, 코팅 두께, 단축 길이, 쉘 두께를 설계 변수 로 선정하였고 이들의 경향성 분석 표본을 Table 2와 같이 나타냈다. 이들 설계 변수의 변화에 따른 하이드로폰의 음향 특성 변화를 Figs. 3 ~ 6에 나타냈으며, 이들 모두 (a) 에는 대역폭, (b)에는 최대 수신 전압 감도 주파수, (c)에는 100 Hz에서의 수신 전압 감도, (d)에는 비대 역폭의 변화를 각각 보인다. 여기서 보인 모든 주파 수는 기본모델의 최대 수신 전압 감도 주파수 f 0 로 정 규화하여 나타냈다. 설계 변수 중 쉘 높이와 코팅 두 께의 변화가 미치는 영향을 각각 Figs. 3과 4에 나타 냈다. Figs. 3(a), 3(b)와 4(a), 4(b)에서 확인할 수 있듯 이, 쉘 높이와 코팅 두께가 증가함에 따라 최대 수신 전압 감도 주파수와 대역폭이 모두 감소하는 경향 Fig. 2. (Color available online) Model for analyzing the underwater acoustic characteristics of the Class IV flextensional hydrophone: calculating output voltage ( ) and input pressure ( ). Table 1. Properties of the materials in the class IV flextensional hydrophone. AluminumSteelRubber Density (kg/m 3 )271075001100 Longitudinal velocity (m/s)58506139700 Shear velocity (m/s)3127328110 Table 2. Cases of design variables used in the performance analysis. ╶ 20 %╶ 10 %basic+ 10 %+ 20 % h s (mm)21.624.327.029.732.4 t coat (mm)0.80.91.01.11.2 l min (mm)11.613.114.516.017.4 t s (mm)5.66.37.07.78.4광대역 class IV 플렉스텐셔널 하이드로폰 구조 설계 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.5 (2025) 453 21.624.327.029.732.4 0.60 0.72 0.84 0.96 1.08 Bandwidth (× f 0 ) Shell height (mm) (a) 21.624.327.029.732.4 0.84 0.96 1.08 1.20 1.32 Peak RVS frequency (× f 0 ) Shell height (mm) (b) 21.624.327.029.732.4 -175 -173 -171 -169 -167 -165 RVS level at 100 Hz (dB) Shell height (mm) (c) 21.624.327.029.732.4 65 70 75 80 85 Fractional bandwidth (%) Shell height (mm) (d) Fig. 3. Changes in acoustic characteristics of the class IV flextensional hydrophone as h s varies: (a) bandwidth, (b) peak RVS frequency, (c) RVS level at 100 Hz, (d) fractional bandwidth. 0.80.91.01.11.2 0.60 0.72 0.84 0.96 1.08 Bandwidth (× f 0 ) Coating thickness (mm) (a) 0.80.91.01.11.2 0.84 0.96 1.08 1.20 1.32 Peak RVS frequency (× f 0 ) Coating thickness (mm) (b) 0.80.91.01.11.2 -175 -173 -171 -169 -167 -165 RVS level at 100 Hz (dB) Coating thickness (mm) (c) 0.80.91.01.11.2 65 70 75 80 85 Fractional bandwidth (%) Coating thickness (mm) (d) Fig. 4. Changes in acoustic characteristics of the class IV flextensional hydrophone as t coat varies: (a) bandwidth, (b) peak RVS frequency, (c) RVS level at 100 Hz, (d) fractional bandwidth.김기현, 노용래 한국음향학회지 제 44 권 제 5 호 (2025) 454 11.6013.0514.5015.9517.40 0.60 0.72 0.84 0.96 1.08 Bandwidth (× f 0 ) Semi-minor axis length (mm) (a) 11.6013.0514.5015.9517.40 0.84 0.96 1.08 1.20 1.32 Peak RVS frequency (× f 0 ) Semi-minor axis length (mm) (b) 11.6013.0514.5015.9517.40 -175 -173 -171 -169 -167 -165 RVS level at 100 Hz (dB) Semi-minor axis length (mm) (c) 11.6013.0514.5015.9517.40 65 70 75 80 85 Fractional bandwidth (%) Semi-minor axis length (mm) (d) Fig. 5. Changes in acoustic characteristics of the class IV flextensional hydrophone as l min varies: (a) bandwidth, (b) peak RVS frequency, (c) RVS level at 100 Hz, (d) fractional bandwidth. 5.66.37.07.78.4 0.60 0.72 0.84 0.96 1.08 Bandwidth (× f 0 ) Shell thickness (mm) (a) 5.66.37.07.78.4 0.84 0.96 1.08 1.20 1.32 Peak RVS frequency (× f 0 ) Shell thickness (mm) (b) 5.66.37.07.78.4 -175 -173 -171 -169 -167 -165 RVS level at 100 Hz (dB) Shell thickness (mm) (c) 5.66.37.07.78.4 65 70 75 80 85 Fractional bandwidth (%) Shell thickness (mm) (d) Fig. 6. Changes in acoustic characteristics of the class IV flextensional hydrophone as t s varies: (a) bandwidth, (b) peak RVS frequency, (c) RVS level at 100 Hz, (d) fractional bandwidth.광대역 class IV 플렉스텐셔널 하이드로폰 구조 설계 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.44, No.5 (2025) 455 을 보였다. 이는 쉘 높이가 증가하면 하이드로폰 내 부의 빈 공간이 넓어지고, 코팅 두께가 두꺼워질수 록 하이드로폰 전체의 유연성이 증가하여, 결과적 으로 전체적인 강성이 저하되기 때문이다. 강성이 감소하면 최대 수신 전압 감도 주파수가 낮아지고, 이로 인해 수신 전압 감도가 평탄한 특성을 갖는 주 파수 구간이 좁아져 대역폭이 감소하게 된다. 반면, Figs. 3(c)와 4(c)에서 확인할 수 있듯 강성의 감소는 하이드로폰의 반응성을 높여, 두 설계 변수가 증가 할수록 100 Hz에서의 수신 전압 감도는 상승하는 경 향을 나타냈다. 한편, Fig. 3(d)와 4(d)에서 확인할 수 있듯 비대역폭은 두 변수의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였는데, 이는 대역폭의 감소가 최대 수신 전압 감도 주파수의 감소보다 더 크게 나타났기 때 문이다. 본 연구에서의 하이드로폰은 100 Hz에서의 수신 전압 감도가 높으면서 동시에 비대역폭이 넓 은 구조가 가장 이상적이다. 그러나 이 두 가지 음향 특성은 서로 상충되는 경향을 보이기 때문에, 실제 설계에서는 100 Hz의 수신 전압 감도가 일정 기준 이 상을 유지하면서 비대역폭이 최대가 되는 구조를 도출할 필요가 있다. 단축 길이와 쉘 두께의 변화에 따른 하이드로폰의 음향 특성 변화를 각각 Figs. 5와 6에 나타냈다. Fig. 5(a), 5(b)와 6(a), 6(b)에서 본 바, 단축 길이와 쉘 두께 가 증가함에 따라 최대 수신 전압 감도 주파수와 대 역폭이 모두 증가하는 경향을 보였다. 이는 쉘 높이 와 코팅 두께의 영향과는 반대로 두 변수의 증가가 하이드로폰의 전체적인 강성을 높이기 때문이며, 강성의 증가는 최대 수신 전압 감도를 상승시키고, 이에 따라 대역폭 또한 확대되었다. 그러나 Fig. 5(c) 와 6(c)에서 볼 수 있듯 강성의 증가는 동시에 하이드 로폰의 반응성을 감소시키므로, 두 변수의 증가에 따라 100 Hz에서의 수신 전압 감도는 감소하는 경향 을 나타냈다. 한편, Fig. 5(d)와 6(d)에서 비대역폭은 +10 % 치수에서 가장 큰 값을 나타냈다. 이는 –20 % 에서 +10 %까지 치수가 증가할 때 최대 수신 전압 감 도 주파수보다 대역폭이 더 큰 폭으로 증가했으나, +20 %에서는 최대 수신 전압 감도 주파수가 대역폭 보다 상대적으로 더 크게 증가했기 때문이다. 따라 서 이 두 특성의 비율인 비대역폭은 +10 % 치수에서 최댓값을 보였다. Figs. 3, 4와 유사하게 100 Hz에서 의 수신 전압 감도와 비대역폭의 경향이 반비례하 기 때문에 100 Hz의 수신 전압 감도가 일정 기준 이 상을 유지하면서 비대역폭이 최대가 되는 구조를 도출할 필요가 있다. IV. 최적 구조 도출 선정된 설계 변수들을 사용하여 최대 수신 전압 감도 주파수가 일정한 상태에서 100 Hz에서의 수신 전압 감도는 기본모델보다 높은 값을 가지면서 비 대역폭이 최대가 되는 class IV 플렉스텐셔널 하이드 로폰의 구조를 설계하였다. 최적 구조 설계 과정은 아래에 언급한 순서대로 진행하였다. [18] 먼저 Eq. (2) 와 같이 목적 함수는 비대역폭 최대화로 설정하였 고, 제한조건으로는 Eqs. (3)과 (4)와 같이 최대 수신 전압 감도 주파수가 특정 주파수 범위 내에 유지되 도록 하고, 100 Hz에서의 수신 전압 감도가 기본모델 보다 높은 값을 가지도록 설정하였다. 앞서 언급했 듯이, 하이드로폰의 대역폭을 확장하는 기존의 접 근법은 하이드로폰의 크기를 축소하여 최대 수신 전압 감도 주파수를 높이는 방식이 일반적이나, 이 방법은 전 주파수 구간에 걸쳐 수신 전압 감도가 낮 아진다는 단점이 있다. 이를 보완하고자 본 연구에 서는 최대 수신 전압 감도 주파수를 거의 변화시키 지 않으면서 대역폭을 확장하기 위해 목적 함수와 제한조건1을 각각 Eqs. (2)와 (3)과 같이 설정하였다. 또한, 100 Hz에서의 수신 전압 감도는 높을수록 유리 하지만, 앞선 경향성 분석 결과에서 확인했듯이 수 신 전압 감도와 비대역폭은 상충 관계를 보이기 때 문에 감도를 과도하게 높이면 광대역 특성을 달성 하기 어렵다. 따라서 제한조건 2는 Eq. (4)와 같이 기 본모델 대비 수신 전압 감도가 일정 수준 이상으로 향상되도록 설정하였다. Objective function: 1 / fractional bandwidth.(2) Constraint 1: 0.98 f 0 ≤ Peak RVS frequency ≤ 1.02 f 0 .(3) Constraint 2: RVS level at 100 Hz ≥ ‒169.1 dB.(4)Next >