사질로 이루어진 평탄한 경계면에서 수평입사각 (25°, 40°, 65°, 80°)에 따른 고주파(40∼120 kHz) 반사손실 측정 실험을 수조 내에서 수행하였다. 5×5×5 m 크기의 수조는 바닥을 두께가 0,5m 이고 평균입도가 0.5 ø인 사질 퇴적물로 채웠으며 퇴적층 경계면은 평탄하게 조성하였다. 측정된 주파수별 수평입사각에 따른 반사손실은 고주파 해저면 반사손실 모델인 APL-UW 모델 (Mourad & Jackson, 1989)과 비교하였다. 60 kHz 이하 주파수의 경우 모델과 실측치가 거의 일치하였으나 70 kHz 이상의 경우에는 주파수가 증가함에 따라 2∼3dB씩 증가하는 결과를 보였다. 70 kHz 이상의 경우 모델과 실측치 간의 차이는 모델에서 다루지 않는 거칠기 (입도)의 수직 크기 때문이며 고주파로 갈수록 산란이론의 레일리 인자 (Rayleigh parameter)의 값이 증가하여 거칠기에 의한 산란효과를 포함하기 때문이다. 따라서 평탄한 해저면일지라도 사질과 수층으로 이루어진 경계면에서의 반사손실모델은 입도분포의 신뢰구간 내에서 갖는 거칠기 영향에 의한 주파수의 종속성을 고려하여야한다.
사질로 이루어진 평탄한 경계면에서 수평입사각 (25°, 40°, 65°, 80°)에 따른 고주파(40∼120 kHz) 반사손실 측정 실험을 수조 내에서 수행하였다. 5×5×5 m 크기의 수조는 바닥을 두께가 0,5m 이고 평균입도가 0.5 ø인 사질 퇴적물로 채웠으며 퇴적층 경계면은 평탄하게 조성하였다. 측정된 주파수별 수평입사각에 따른 반사손실은 고주파 해저면 반사손실 모델인 APL-UW 모델 (Mourad & Jackson, 1989)과 비교하였다. 60 kHz 이하 주파수의 경우 모델과 실측치가 거의 일치하였으나 70 kHz 이상의 경우에는 주파수가 증가함에 따라 2∼3dB씩 증가하는 결과를 보였다. 70 kHz 이상의 경우 모델과 실측치 간의 차이는 모델에서 다루지 않는 거칠기 (입도)의 수직 크기 때문이며 고주파로 갈수록 산란이론의 레일리 인자 (Rayleigh parameter)의 값이 증가하여 거칠기에 의한 산란효과를 포함하기 때문이다. 따라서 평탄한 해저면일지라도 사질과 수층으로 이루어진 경계면에서의 반사손실모델은 입도분포의 신뢰구간 내에서 갖는 거칠기 영향에 의한 주파수의 종속성을 고려하여야한다.
High-frequency(40∼120 kHz) reflection loss measurements on the water-sandy sediment with a flat interface were conducted in a water tank for various grazing angles. The water tank(5×5×5 m) was filled with a 0.5 m-thick-flat bottom of 0.5ø-mean-grain-size sand. Reflection losses, which were experimen...
High-frequency(40∼120 kHz) reflection loss measurements on the water-sandy sediment with a flat interface were conducted in a water tank for various grazing angles. The water tank(5×5×5 m) was filled with a 0.5 m-thick-flat bottom of 0.5ø-mean-grain-size sand. Reflection losses, which were experimentally obtained as a function of grazing angle and frequency, were compared with the forward loss model, APL-UW model (Mourad & Jackson, 1989). For frequencies below 60 kHz, the observed losses well agree with the reflection loss model, however, in cases for frequencies above 70 kHz, the observed losses are greater by 2∼3 dB than the model results. The model calculation, which does not fully account for the vertical scale of roughness due to grain size, produce less bottom losses compared to the observations that correspond to large roughness based on the Rayleigh parameter in the wave scattering theory. In conclusion, for the same grain-size-sediment, as frequencies increase, the grainsize becomes the scale of roughness that could be very large for the frequencies above 70 kHz. Therefore, although the sea bottom was flat, we have to consider the frequency dependence of an effect of roughness within confidential interval of grain size distribution in reflection loss model.
High-frequency(40∼120 kHz) reflection loss measurements on the water-sandy sediment with a flat interface were conducted in a water tank for various grazing angles. The water tank(5×5×5 m) was filled with a 0.5 m-thick-flat bottom of 0.5ø-mean-grain-size sand. Reflection losses, which were experimentally obtained as a function of grazing angle and frequency, were compared with the forward loss model, APL-UW model (Mourad & Jackson, 1989). For frequencies below 60 kHz, the observed losses well agree with the reflection loss model, however, in cases for frequencies above 70 kHz, the observed losses are greater by 2∼3 dB than the model results. The model calculation, which does not fully account for the vertical scale of roughness due to grain size, produce less bottom losses compared to the observations that correspond to large roughness based on the Rayleigh parameter in the wave scattering theory. In conclusion, for the same grain-size-sediment, as frequencies increase, the grainsize becomes the scale of roughness that could be very large for the frequencies above 70 kHz. Therefore, although the sea bottom was flat, we have to consider the frequency dependence of an effect of roughness within confidential interval of grain size distribution in reflection loss model.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 고주파 대역에서 수평입사각의 증가에 따른 해저면 반사손실의 주파수 종속성 확인을 위해 수층과 사질 퇴적층으로 이루어진 경계면에서 반사 손실을 측정하고 모델과 비교 및 분석하였으며 앞으로의 연구 방향에 대해 제시하였다.
따라서 본 논문에서는 고주파 영역인 40 ~ 120 岫의 주파수 대역에서 퇴적층 내의 물성보다는 수층과 사질 퇴적증 (water / sandy sediment)이 이루는 평탄한 경계면에서의 반사손실을 고려하여 실험을 하였다. 실험 결과와 모델의 비교를 위해서는 실험에 사용된 주파수가 적용 가능하며 평균입도만으로 해저 퇴적물에 따른 반사 손실값의 산출이 용이한 APL-UW 모델을 사용하였다.
실험 결과와 모델의 비교를 위해서는 실험에 사용된 주파수가 적용 가능하며 평균입도만으로 해저 퇴적물에 따른 반사 손실값의 산출이 용이한 APL-UW 모델을 사용하였다. 또한 실험 결과에서 보여주는 주파수에 따른 반사손실의 변화 양상을 퇴적물의 입도와 레일리 인자의 상관성 관점에서 살펴보고자 한다.
수층과 퇴적층이 이루는 경계면에서의 반사손실을 측정하기에 앞서 APL-UW모델과 경계면의 거칠기 정도를 알 수 있는 레일리 인자 (Rayleigh parameter)에 대해 살펴보기로 한다. 모델은 고주파 대역인 10 ~ 100 虹五에 적용 가능하며 경계면 구성 물질의 평균입도 (mean grain size)에 의한 해저면 반사손실을 수평 입사각에 따라 나타낸다.
제안 방법
Rayleigh[4]에 의해 제시된 반사손실 모델의 경우 매질 사이의 밀도와 음속차만을 이용하여 음파의 입사각의 함수로써 반사손실을 표현하였다 소나 모델인 GSM (Generic Sonar Model)[5]에 사용되어지는 다양한 반사손실 모델은 해저면의 특성들 중단편적 인 정보만으로도 해저면의 반사손실을 예측 가능하도록 모델을 단순화시켜 제시하였다. 비교적 정확하다고 알려져 있는 해저 퇴적물 모델 인 Biot 모델[6]의 경우 정확한 이론식으로 알려져 있음에도 불구하고 음전달 모델의 적용을 위해서는 13개 이상의 지음향 인자에 대한 정확한 정보를 측정 또는 계산하여야 한다는 단점이 있다.
또한 완전히 평탄한 경계면에서의 주파수에 따른 반사 손실을 측정하기 위해 유리면 (glass surface)에서의 반사손실 실험을 병행하였다 (그림 3(c)). 이때는 단지 수층 과사질 퇴적충에서 측정된 주파수에 따른 반사손실 결과와 비교 검증하기 위해 수평 입사각 80에 대해서만 실험을 실시하였다.
주파수는 40 kHz에서부터 10 kHz 간격으로 120 kHz까 지 8개의 주파수를 사용하였으며, 40 ~ 100 kHz까지는 RESON 사의 TC 2116, 120 kHz는 NEPTUNE SONAR 사의 T 38송신기를사용하였다. 이때 수평입사각을 25。, 40。, 65。, 80。로 변화시키면서 각각의 주파수에 대해 반사손 실을측정하였다. 송신 신호는 펄스길이 0.
이때 수평입사각을 25。, 40。, 65。, 80。로 변화시키면서 각각의 주파수에 대해 반사손 실을측정하였다. 송신 신호는 펄스길이 0.3 ms의 정현파를 1초 간격으로 10회씩 반복 송신하였다. 수층과 퇴적층이 이루는 경계면으로부터 반사된 신호는 RESON 사의 TC 4014 청음기(hydrophone)를 사용하여 수신하여 A/D 변환기를 통하여 저장되었다.
수신된 신호는 사용된 주파수 성분만을 보기 위해 대역 통과 필터를사용하여 해당 주파수이외의 주파수 성분은 제거하였으며, 각각의 신호에 대해서는 앙상블 평균 (ensemble average)을 취한 후 수신 감도 (RVS: Receiving Voltage Response)를 고려하여 수신된 잔향음 준위를 계산하였다.
본 연구를 위한 실험은 2002년 7월부터 8월 사이에 실내 수조 실험실 (5X5X5 m)에서 수행되었다. 수조 실험실 바닥에 두께 0.5 m의 사질 퇴적층을 조성하였으며 평탄한 경계면에서의 반사손실을 측정하기 위해 사질 퇴적층 경계면을 평탄하게 만들었다.
그러나 이 모델에서는 평탄한 해저면을 고려하였기 때문에 평균입도 이외의 해저면 경사와 거칠기 영향은 무시하였다. 즉 모델 입력 인자를 모두 평균입도 와의 상관관계로 표현한 실험식으로 제시하였다. 따라서 모델 예측 결과는 실제 해상실험에서 얻은 반사손실 측정 치보다는 다소 낮은 값을 갖는다[9].
대상 데이터
본 연구를 위한 실험은 2002년 7월부터 8월 사이에 실내 수조 실험실 (5X5X5 m)에서 수행되었다. 수조 실험실 바닥에 두께 0.
주파수는 40 kHz에서부터 10 kHz 간격으로 120 kHz까 지 8개의 주파수를 사용하였으며, 40 ~ 100 kHz까지는 RESON 사의 TC 2116, 120 kHz는 NEPTUNE SONAR 사의 T 38송신기를사용하였다. 이때 수평입사각을 25。, 40。, 65。, 80。로 변화시키면서 각각의 주파수에 대해 반사손 실을측정하였다.
이론/모형
따라서 본 논문에서는 고주파 영역인 40 ~ 120 岫의 주파수 대역에서 퇴적층 내의 물성보다는 수층과 사질 퇴적증 (water / sandy sediment)이 이루는 평탄한 경계면에서의 반사손실을 고려하여 실험을 하였다. 실험 결과와 모델의 비교를 위해서는 실험에 사용된 주파수가 적용 가능하며 평균입도만으로 해저 퇴적물에 따른 반사 손실값의 산출이 용이한 APL-UW 모델을 사용하였다. 또한 실험 결과에서 보여주는 주파수에 따른 반사손실의 변화 양상을 퇴적물의 입도와 레일리 인자의 상관성 관점에서 살펴보고자 한다.
성능/효과
ChotirosBOJl]는 사질 퇴적물에 대한 기존 연구 결과를 종합함으로써 실제 측정된 대부분의 반사손실 값들이 기존의 여러 모델들과는 상당한 차이가 있음을 확인하였다. 대부분의 경우 실험을 통해 직접 측정한 반사손실 값이 모델 값보다 높게 나타났다.
V. 결론 및 고찰
고주파 대역에서 수층과 사질 퇴적층의 평탄한 경계면에 의한 반사손실을 측정하기 위해 실내 수조 환경에서 실험을 하였다 측정된 실험 자료는 수평입사각 (25。, 40。, 65°, 80。) 에 따른 주파수별(40 ~ 120 kHz) 반사손실로서 고주파 해저면 반사손실 모델(Mourad& Jackson, 1989)인 APL-UW모델과 비교하였으며 그 결과 주파수의 증가에 따라 높은 수평 입사각에서도 반사손실 값이 증가하는 특이한 실험결과를 관찰할 수 있었다. 고주파 해저면 반 사손실 모델로서 널리 사용되고 있는 APL-UW 모델과 실험결과를 비교해보면 주파수 60 kHz 이하의 경우 모델 예측치와 실측치가 거의 일치하였고 주파수 70~80 kHz 의 경우 수평입사 임계각 이전에서는 모델과 잘 일치하나 높은 수평 입사각에서는 실측치가 모델보다 2~3 dB 높은 경향을 보인다.
고주파 대역에서 수층과 사질 퇴적층의 평탄한 경계면에 의한 반사손실을 측정하기 위해 실내 수조 환경에서 실험을 하였다 측정된 실험 자료는 수평입사각 (25。, 40。, 65°, 80。) 에 따른 주파수별(40 ~ 120 kHz) 반사손실로서 고주파 해저면 반사손실 모델(Mourad& Jackson, 1989)인 APL-UW모델과 비교하였으며 그 결과 주파수의 증가에 따라 높은 수평 입사각에서도 반사손실 값이 증가하는 특이한 실험결과를 관찰할 수 있었다. 고주파 해저면 반 사손실 모델로서 널리 사용되고 있는 APL-UW 모델과 실험결과를 비교해보면 주파수 60 kHz 이하의 경우 모델 예측치와 실측치가 거의 일치하였고 주파수 70~80 kHz 의 경우 수평입사 임계각 이전에서는 모델과 잘 일치하나 높은 수평 입사각에서는 실측치가 모델보다 2~3 dB 높은 경향을 보인다. 또한 주파수 90 kHz 이상의 주파수 대역 에서는 주파수가 증가함에 따라 모델과의 차이가 상당히 증가하며 최대 10 dB까지의 차이를 보였다.
두 실험에서 살펴보았듯이 수층과 퇴적층 간의 반사손 실 측정 실험 결과가 주파수 및 수평 입사각의 증가에 따라 많은 차이를 보이는 현상은 실험적 오차로서는 차이를 설명할 수가 없다. 그러나 경계면 효과에 의한 결과임은 확신할 수 있다.
즉 수층과 사질 퇴적층이 이루는 경계면에서는 그림 2(b)와 같은 손실 양상을 나타내는 반면, 완전히 평탄한 유리면에서는 그림 2(a)와 같이 거의 전반사가 일어남을 잘 나타내고 있다. 또한 수층과 사질 퇴적층 경계면에서 는 주파수에 따라 반사손실이 점점 증가하는 양상을 보이나 완전히 평탄한 경계면을 갖는 유리면에서는 반사손실 이 거의 일어나지 않으며, 주파수의 증가와는 무관함을 알 수 있었다. 즉 평탄하게 모의된 굵은 사질 퇴적물과 완전히 평탄한 경계면인 유리면과의 실험 결과, 반사손실값의 증가와 주파수의 증가 양상이 일정한 상관성을 가짐을 알 수 있었다.
실험 결과 주파수와 수평 입사각이 증가할수록 반사손실이 높게 나타났으며, 특히 높은 수평 입사각에서도 주파수에 따라 반사손실이 증가하는 강한 주파수 종속성을 확인하였다. 또한 전체 입도분포 중 신뢰구간 95%에 해당하는 입도 구간을 고려시 모델은 주파수와 평균입도에 따라 새로운 결과를 보였으며 실험에서 나타난 결과를 잘 반영하고 있었다.
고주파 해저면 반 사손실 모델로서 널리 사용되고 있는 APL-UW 모델과 실험결과를 비교해보면 주파수 60 kHz 이하의 경우 모델 예측치와 실측치가 거의 일치하였고 주파수 70~80 kHz 의 경우 수평입사 임계각 이전에서는 모델과 잘 일치하나 높은 수평 입사각에서는 실측치가 모델보다 2~3 dB 높은 경향을 보인다. 또한 주파수 90 kHz 이상의 주파수 대역 에서는 주파수가 증가함에 따라 모델과의 차이가 상당히 증가하며 최대 10 dB까지의 차이를 보였다.
5。의 사질 퇴적층이 수층과 이루는 경계면의 경우 거칠기 정도(X)가 0(1)에 해당하며 이는 주파수에 따라 입도의 거칠기를 달리 인식하게 된다. 실험 결과 주파수와 수평 입사각이 증가할수록 반사손실이 높게 나타났으며, 특히 높은 수평 입사각에서도 주파수에 따라 반사손실이 증가하는 강한 주파수 종속성을 확인하였다. 또한 전체 입도분포 중 신뢰구간 95%에 해당하는 입도 구간을 고려시 모델은 주파수와 평균입도에 따라 새로운 결과를 보였으며 실험에서 나타난 결과를 잘 반영하고 있었다.
또한 수층과 사질 퇴적층 경계면에서 는 주파수에 따라 반사손실이 점점 증가하는 양상을 보이나 완전히 평탄한 경계면을 갖는 유리면에서는 반사손실 이 거의 일어나지 않으며, 주파수의 증가와는 무관함을 알 수 있었다. 즉 평탄하게 모의된 굵은 사질 퇴적물과 완전히 평탄한 경계면인 유리면과의 실험 결과, 반사손실값의 증가와 주파수의 증가 양상이 일정한 상관성을 가짐을 알 수 있었다.
사질 퇴적층의 경우 고주파 대역에서의 해저면 반사손 실은 수평 입사각이 증가함에 따라 일정한 증가를 보이는 주파수 종속성을 갖는다. 특히 본 논문에서는 다른 고주파 해저면 반사손실 모델에서는 볼 수 없었던 높은 수평 입사각에서도 주파수가 증가함에 따라 반사손실 값이 증가하는 결과를 보였다.
후속연구
따라서 고주파 영역의 해저면 음파전달 영향을 정확히 파악하기 위해서는 주파수에 따른 종속성이 고려된 반사 손실 모델을 개발해야 할 것이다. 특히 경계면 효과가 크게 작용하는 환경 하에서 고주파 소나 시스템을 운용하는 경우 반드시 높은 수평 입사각에서도 주파수 종속성이 고려된 모델을 이용해야 할 것이다.
참고문헌 (23)
A. P. Lyons and T. H. Orsi, 'The effect of a layer of varying density on high-frequency reflection, forward loss, and backscatter,' IEEE Oceanic Eng., 23 (4), 411-422, Oct. 1998
E. I. Thorsos, 'The validity of Kirchhoff approximation for rough surface scattering using a Gaussian roughness spectrum,' J. Acoust. Soc. Am., 83 (1), 78-92, Jan. 1988
P. D. Mourad and D. R. Jackson, 'High frequency sonar equation models for bottom backscatter and forward loss,' Proc. OCEAN'89, New York, 1168-1175, 1989
H. Weinberg, 'CASS Roots,' IEEE Oceanic Eng., 1071-1076, 2000
S. Stanic, E. Kennedy and R. I. Ray, 'High-frequency bistatic reverberation from a smooth ocean bottom,' J. Acoust. Soc. Am., 93 (5), 2633-2638, May 1993
N. V. Studenichnik, 'Studies of the ocean bottom reflection coefficient at angles of total internal reflection,' Acoustical Physics, 48 (4), 473-480, 2002
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