내만은 잦은 선박통행, 인공구조물에 의한 쇄파 그리고 생물학적 활동으로 외해에 비해 공기방울의 생성이 활발하다. 따라서 공기방울의 생성과정과 분포형태가 주로 쇄파에 의존하는 외해의 특성과는 매우 다른 내만에서의 해수면 후방산란신호를 분석하였다. 해수면 후방산란신호의 입사각에 따른 변화, 해수면 부근에서의 잔향특성 그리고 산란신호의 주파수 확장폭 등을 외해의 산란신호 특성과 비교하였다. 내만에서의 표층 산란신호는 시간영역에서는 매우 불규칙한 진폭의 변화를 보이고 주파수 확장폭이 외해의 거친 해수면보다 더 크게 나타나고 있다. 소위 해수면 잔향신호의 진폭 분포는 기존에 알려진 Rayleigh 분포를 따르지 않고 있어 공기방울의 크기 및 수직분포가 외해와 비교, 매우 상이한 특성을 갖고 있음을 보여주고 있다.
내만은 잦은 선박통행, 인공구조물에 의한 쇄파 그리고 생물학적 활동으로 외해에 비해 공기방울의 생성이 활발하다. 따라서 공기방울의 생성과정과 분포형태가 주로 쇄파에 의존하는 외해의 특성과는 매우 다른 내만에서의 해수면 후방산란신호를 분석하였다. 해수면 후방산란신호의 입사각에 따른 변화, 해수면 부근에서의 잔향특성 그리고 산란신호의 주파수 확장폭 등을 외해의 산란신호 특성과 비교하였다. 내만에서의 표층 산란신호는 시간영역에서는 매우 불규칙한 진폭의 변화를 보이고 주파수 확장폭이 외해의 거친 해수면보다 더 크게 나타나고 있다. 소위 해수면 잔향신호의 진폭 분포는 기존에 알려진 Rayleigh 분포를 따르지 않고 있어 공기방울의 크기 및 수직분포가 외해와 비교, 매우 상이한 특성을 갖고 있음을 보여주고 있다.
In coastal bay waters, bubbles are generated by relatively heavy ship-traffic, breaking waves due to man-made structures and biological activities. Therefore, the bubble-generating mechanism as well as the bubble density distribution in the bay are quite different from the open ocean where breaking ...
In coastal bay waters, bubbles are generated by relatively heavy ship-traffic, breaking waves due to man-made structures and biological activities. Therefore, the bubble-generating mechanism as well as the bubble density distribution in the bay are quite different from the open ocean where breaking waves are major contributor for bubble density distribution. High frequency surface-backscattered signals were obtained in the coastal bay waters and they were analyzed to compare with those from the open waters in terms of the sea-surface backscattering strength at various grazing angles, the reverberation characteristics in the sub-surface layer and spectral spreading of the scattered signals. The results show that, the surface scattered signals have an irregular distribution of amplitude in time and the width of the spectral spreading is wider than that of the open sea with rough surface. Furthermore, the amplitude distribution of the reverberation signals is not following the Rayleigh distribution, that is eon to be a typical pattern for the open ocean. The results of our analysis imply that the bubble size and the bubble density in the bay are quite different from those observed in the open waters.
In coastal bay waters, bubbles are generated by relatively heavy ship-traffic, breaking waves due to man-made structures and biological activities. Therefore, the bubble-generating mechanism as well as the bubble density distribution in the bay are quite different from the open ocean where breaking waves are major contributor for bubble density distribution. High frequency surface-backscattered signals were obtained in the coastal bay waters and they were analyzed to compare with those from the open waters in terms of the sea-surface backscattering strength at various grazing angles, the reverberation characteristics in the sub-surface layer and spectral spreading of the scattered signals. The results show that, the surface scattered signals have an irregular distribution of amplitude in time and the width of the spectral spreading is wider than that of the open sea with rough surface. Furthermore, the amplitude distribution of the reverberation signals is not following the Rayleigh distribution, that is eon to be a typical pattern for the open ocean. The results of our analysis imply that the bubble size and the bubble density in the bay are quite different from those observed in the open waters.
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문제 정의
본 논문에서는 공기방울이 많이 포함된 내만에서의 해수면 후방산란신호 특성을 파악하기 위해서 1997년 부산 한국해양대학교 앞 해상에서 2회에 걸쳐 측정을 실시하였고 시간 영역과 주파수 영역에서 해수면 산란 신호를 분석하였다.
가설 설정
그러나 25kHz 이상에서는 공기방울이 없는 경우의 음속값에 수렴하므로 수중음속 변화는 무시할 수 있게 된다[19]. 그러므로 본 실험에서는 공기방울에 의한 음속의 변화는 고려하지 않았다.
제안 방법
4(a)). 30°, 40°, 50°에 대 한 송신기 전압값은 25Vp-p, 12.5Vp-p, 6.25Vp-p로 변화시키면서 측정하였다. 잔향음 준위를 계산하기 위하여 입사각별 수신된 신호들의 조화평균을 취한 후 준위를 계산하였다(Fig.
내해에서 환경변수에 의한 해수면 산란신호 특성을 파악하기 위해서 부산 지역 내만에서 1997년 3월과 8월, 2회의 해수면 산란신호 측정 실험을 수행, 분석하였다. 입사각이 30°이상인 경우에서 해수면 후방산란강도는 공기방울 영향을 거의 받지 않음에도 불구하고 내해 측정 신호 분석 결과 CR 모델 예측치에 비해서 6~10dB정도 높은 값을 나타내었으며, 측정신호에서 공기방울을 포함한 표층 산란신호의 주파수 확장폭이 해수면에 의한 주파수 확장폭 보다 넓게 나타녔다.
5msec인 40kHz 정현파 신호를 사용하였다. 또한 입사각에 따른 후방산란신호의 특성을 파악하기 위하여 3월 실험에서는 송수신기의 지향각(tilt angle)을 해수면을 향하여 30°, 40°, 50°로, 8월 실험에서는 35°, 40°, 45°로 변경하면서 실험을 실시하였다(Fig. 2). 측정된 신호는 대역통과 필터를 사용하여 주변소음 영향을 제거하였다(Fig.
위의 가정을 검증하기 위하여 해수면 산란 이전의 표층 산란신호부터 해수면 산란 신호까지의 영역을 펼스길이만큼씩 분리한 후, 주파수 분석을 하였다. 파고가 1.
25Vp-p로 변화시키면서 측정하였다. 잔향음 준위를 계산하기 위하여 입사각별 수신된 신호들의 조화평균을 취한 후 준위를 계산하였다(Fig. 4(b)).
2). 측정된 신호는 대역통과 필터를 사용하여 주변소음 영향을 제거하였다(Fig. 3).
산란면적을 구하는 방법으로는 Urick의 방법[18]과 Nützel등의 방법[5]을 사용하며 본 논문에서는 Urick의 방법을 사용하였다. 해수면 잔향음 측정에서 해저면 및 체적 잔향음 신호가 섞이는 것을 방지하지 위하여 지향성이 있는 송수신기를 사용하였고 또한 부엽(side-lobe)에 의한 음파가 해저에 반사되어오는 신호의 영향을 최소화하기 위하여 지향각을 조정하였다.
대상 데이터
3월과 8월에 실시하였던 실험 해역의 수심은 각각 3.5m, 4.4m였고 센서는 2.9m, 3.8m에 위치시켜 실험을 실시하였다. 사용된 음향신호는 펄스길이가 1.
8m에 위치시켜 실험을 실시하였다. 사용된 음향신호는 펄스길이가 1.5msec인 40kHz 정현파 신호를 사용하였다. 또한 입사각에 따른 후방산란신호의 특성을 파악하기 위하여 3월 실험에서는 송수신기의 지향각(tilt angle)을 해수면을 향하여 30°, 40°, 50°로, 8월 실험에서는 35°, 40°, 45°로 변경하면서 실험을 실시하였다(Fig.
산란신호 측정은 1997년 3월 22일과 8월 26일 부산 한국해양대학교(조도) 앞 해상에서 실시하였다. 측정 해역인 부산 조도 해상은 3월의 실험에서는 강한 해상풍에 의해서 내만임에도 불구하고 백파가 일고 있는 상태였으며, 수심이 얄고 해상풍이 강했기 때문에 해수 전층에서 해수혼합이 일어났다.
데이터처리
또한 실험 결과를 기존의 결과와 비교하기 위해서 각각의 경우를 CR모델과 비교하였다(Fig. 7, 8). 일반적으로 입사각이 30°이상인 경우 해수면 산란 영향이 우세하여 공기방울 산란 영향은 무시한다[1].
이론/모형
A는 산란면적(ensonified area)으로서 음원과 수신기 범패턴, 사용음원의 펄스길이에 따라서 달라지게 된다. 산란면적을 구하는 방법으로는 Urick의 방법[18]과 Nützel등의 방법[5]을 사용하며 본 논문에서는 Urick의 방법을 사용하였다. 해수면 잔향음 측정에서 해저면 및 체적 잔향음 신호가 섞이는 것을 방지하지 위하여 지향성이 있는 송수신기를 사용하였고 또한 부엽(side-lobe)에 의한 음파가 해저에 반사되어오는 신호의 영향을 최소화하기 위하여 지향각을 조정하였다.
성능/효과
11(a)). 그러나 파고가 1m 이내였던 8월 신호는 그림 11(a)에 비해서 해수면 부근의 공기방울의 영향이 비교적 작게 나타나 표층 산란신호의 기울기가 3월에 비해서 크며 선형적인 변화 양상을 나타내고 있다(Fig. 11(b)).
본 논문을 통해 천해역에서 고주파 능동소나를 운용할 경우 해수면 부근에 존재하는 공기방울에 의한 음파의 산란현상이 소나 운용에 많은 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 향후 내해에서 음파의 산란예측 및 환경요인 역추정을 위해 공기방울의 생성요인, 생성량 및 분포 등을 파악할 필요가 있다.
내해에서 환경변수에 의한 해수면 산란신호 특성을 파악하기 위해서 부산 지역 내만에서 1997년 3월과 8월, 2회의 해수면 산란신호 측정 실험을 수행, 분석하였다. 입사각이 30°이상인 경우에서 해수면 후방산란강도는 공기방울 영향을 거의 받지 않음에도 불구하고 내해 측정 신호 분석 결과 CR 모델 예측치에 비해서 6~10dB정도 높은 값을 나타내었으며, 측정신호에서 공기방울을 포함한 표층 산란신호의 주파수 확장폭이 해수면에 의한 주파수 확장폭 보다 넓게 나타녔다. 이러한 결과는 공기방울의 영향으로 이것으로 내해가 외해에 비해서 공기방울 분포가 많다는 것을 예측할 수 있다.
식 (2)에 의해서 해수면 후방산란강도를 계산한 후 파고에 따른 후방산란강도값을 비교하였다. 파고가 1.5m로 거칠었을때 1.0m로 잔잔한 경우에 비해서 후방산란강도가 약 4dB이상 높게 나타났으며 이러한 결과로 해수면이 거칠어질수록 후방산란강도는 증가함을 알 수 있다(Fig. 6).
위의 가정을 검증하기 위하여 해수면 산란 이전의 표층 산란신호부터 해수면 산란 신호까지의 영역을 펼스길이만큼씩 분리한 후, 주파수 분석을 하였다. 파고가 1.5m였을 경우 해수면 산란신호를 주파수 분석한 경우 음원 신호의 주파수를 기준으로 주파수 확장폭의 차이가 적으나 공기방울에 의한 표충 산란신호의 경우 주파수 확장폭이 상대적으로 크게 나타났다(Fig. 9). 해수면 파고가 1.
풍속이 증가할수록 해수내 공기방울의 양이 증가함을 보여주고 있으며, 본 논문의 주파수 대역인 35-45kHz 대역(빗금 친 부분)에서 공진주파수를 가지는 공기방울이 해수내에 상당히 많이 분포하고 있음을 알 수 있다.
후속연구
본 논문을 통해 천해역에서 고주파 능동소나를 운용할 경우 해수면 부근에 존재하는 공기방울에 의한 음파의 산란현상이 소나 운용에 많은 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 향후 내해에서 음파의 산란예측 및 환경요인 역추정을 위해 공기방울의 생성요인, 생성량 및 분포 등을 파악할 필요가 있다.
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