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문제 정의
- 따라서 본 논문은 우리나라 주변 해역에서 많이 서식하고 있는 또한 최근에 환경오염의 지시자로서 많이 연구되고 있는 거머리말을 대상으로 고주파를 이용한 음파 산란 특성을 연구하고자 한다. 해저면과 거머리말의 분리를 용이하게 하기 위해서 센서를 해저면으로 부터 수직 지향하여 거머리말의 후방산란강도를 측정하였고 현재 측면 주사 소나 (side scan sonar), 능동 소나 (active sonar), 어업용 소나 (fishery sonar)등에서 널리 사용 되는 30-120 kHz 주파수 대역을 선정하였다.
- 본 논문에서는 주파수 30, 50, 80, 100, 및 120 kHz 능동 소나를 사용하여 거머리말 서식지의 후방산란 특성을 연구하였다. 야간의 후방산란강도는 주간에 비해 2-6 dB 크게 측정되었고 주파수가 증가함에 따라 후방산란강도가 감소하는 주파수 의존성을 확인하였다.
제안 방법
- 실험 주파수는 30-120 kHz 대역의 5개 주파수를 사 용하였고 음파산란에 영향을 줄 수 있는 부유물질의 영 향을 최소화하기 위해 주야간 모두 만조 시 실험을 실시하였다. 王한 광합성 시 발생되는 용존 산소의 영향을 비교하기 위해 광합성이 활발한 주간과 상대적으로 광합 성활동이 적은 야간에 실험을 실시하였고 용존 산소계 (U-10 ; HORIBA)를 이용하여 주간 과 야간의 용존산소량을 측정하였다. 환경인자는 CTD (SBE 19 ; SeaBird)와 파고계 (WTR 9 ; AANDERA)를 이용하여 음속 구조 및 주야간 파고를 측정하였고 그랩 (Grab)으로 상부 5cm의 해저 퇴적물 시료를 채취 후 4∅ 이하는 습식 체질법 (wet sieving)을 4∅ 이상은 피펫팅 (pipetting)을 이용하여 입도분석을 실시하였다[19].
- 거머리말의 후방산란강도를 이용한 주·야간 주파수 응답 특성과 산소 공기방울의 영향을 포함한 거머리말의 움직임을 확률 분포 함수로 나타내어 거머리말과 광합성에 의한 공기방울이 음파 산란에 영향을 줄 수 있음을 알아보았다.
- 해저면과 거머리말로부터의 수신신호는 고주파 대역 통과필터를 사용하여 주변 소음 영향을 제거하였고 A/D 변환기를 거쳐 저장하였다. 그리고 각각의 신호는 앙상블 평균을 취한 후 수신감도를 고려하여 잔향음 준위를 계산 하였고 송 신감도를 고려한 음원 준위와 감쇠를 고려한 전달 손실 을 계산하였다. 해저면 후방산란강도는 해저면에 입사 된 평면파의 1 m 떨어진 곳에서 의 입사파 음의 세기# 와 산란파 음의 세기#의 비로 정의된다[20].
- 5 초 간격으로 20회 이상 반복 송·수신하였다. 또한 120 kHz 단 일 주파수를 이용하여 만조를 기준으로 약 1시간 동안 거머리말의 후방산란 신호를 관측하였다. 해저면과 거머리말로부터의 수신신호는 고주파 대역 통과필터를 사용하여 주변 소음 영향을 제거하였고 A/D 변환기를 거쳐 저장하였다.
- 모든 실험은 조석에 의해서 발생될 수 있는 부유물질의 영향을 최소화하기 위해 만조 때 실험을 실시하였고 해수면 공기방울을 발생시키는 바람의 영향을 고려하여 주·야간 풍속을 관측하였다.
- 표 1은 관측된 환경 인자를 보여준다. 송신기는 T 128 (30 kHz), TC 2116 (50, 80, 100 kHz)및 T 38 (120 kHz) 이고 수신기는 TC 4014 청음기를 사용하여 거머리말의 후방산란신호를 획득하였다. 음원 신호는 펄스 길 이가 0.
- 송신기의 음원준위는 송신기 감도 (Transmitting Voltage Response, TVR)를 고려하여 산출하였으며.
- 실험 주파수는 30-120 kHz 대역의 5개 주파수를 사 용하였고 음파산란에 영향을 줄 수 있는 부유물질의 영 향을 최소화하기 위해 주야간 모두 만조 시 실험을 실시하였다. 王한 광합성 시 발생되는 용존 산소의 영향을 비교하기 위해 광합성이 활발한 주간과 상대적으로 광합 성활동이 적은 야간에 실험을 실시하였고 용존 산소계 (U-10 ; HORIBA)를 이용하여 주간 과 야간의 용존산소량을 측정하였다.
- 5m 이내로 양호하였다. 실험을 위해 제작된 다중 주파수 송수신 장치를 방파제에서 약 20 m 떨어진 곳에 위치시켰고 해저면에서 2 m 높이에 수직 하방으로 지향시켰다 (그림 1).
- 환경인자는 CTD (SBE 19 ; SeaBird)와 파고계 (WTR 9 ; AANDERA)를 이용하여 음속 구조 및 주야간 파고를 측정하였고 그랩 (Grab)으로 상부 5cm의 해저 퇴적물 시료를 채취 후 4∅ 이하는 습식 체질법 (wet sieving)을 4∅ 이상은 피펫팅 (pipetting)을 이용하여 입도분석을 실시하였다[19]. 실험해역에 서식하는 거머리말 의 평균 생체량은 음향 실험이 끝난 후 간조 시 채집하여 건 중량 (dry weight)을 측정하였다. 표 1은 관측된 환경 인자를 보여준다.
- 야간과 주간을 표시하는 사각형과 원은 각각의 주파수에 대한 후방산란강도로서 20 회 이상 반복 송수신된 결과의 평균과 표준편차를 동시에 표현한 것이며 점선은 주파수 증가에 따른 후방산란강도의 변화 양상을 Robust 방법과 최소자승법 (least square method)을 사용하여 살펴본 것이다.
- 청음기를 통해 수신된 음파의 잔향음 준위는 수신기의 감도 (Receiving Voltage Sensitivity , RVS)를 보상하여 계산하였다.
- 또한 120 kHz 단 일 주파수를 이용하여 만조를 기준으로 약 1시간 동안 거머리말의 후방산란 신호를 관측하였다. 해저면과 거머리말로부터의 수신신호는 고주파 대역 통과필터를 사용하여 주변 소음 영향을 제거하였고 A/D 변환기를 거쳐 저장하였다. 그리고 각각의 신호는 앙상블 평균을 취한 후 수신감도를 고려하여 잔향음 준위를 계산 하였고 송 신감도를 고려한 음원 준위와 감쇠를 고려한 전달 손실 을 계산하였다.
- 따라서 본 논문은 우리나라 주변 해역에서 많이 서식하고 있는 또한 최근에 환경오염의 지시자로서 많이 연구되고 있는 거머리말을 대상으로 고주파를 이용한 음파 산란 특성을 연구하고자 한다. 해저면과 거머리말의 분리를 용이하게 하기 위해서 센서를 해저면으로 부터 수직 지향하여 거머리말의 후방산란강도를 측정하였고 현재 측면 주사 소나 (side scan sonar), 능동 소나 (active sonar), 어업용 소나 (fishery sonar)등에서 널리 사용 되는 30-120 kHz 주파수 대역을 선정하였다. 거머리말의 후방산란강도를 이용한 주·야간 주파수 응답 특성과 산소 공기방울의 영향을 포함한 거머리말의 움직임을 확률 분포 함수로 나타내어 거머리말과 광합성에 의한 공기방울이 음파 산란에 영향을 줄 수 있음을 알아보았다.
- 환경인자는 CTD (SBE 19 ; SeaBird)와 파고계 (WTR 9 ; AANDERA)를 이용하여 음속 구조 및 주야간 파고를 측정하였고 그랩 (Grab)으로 상부 5cm의 해저 퇴적물 시료를 채취 후 4∅ 이하는 습식 체질법 (wet sieving)을 4∅ 이상은 피펫팅 (pipetting)을 이용하여 입도분석을 실시하였다[19].
대상 데이터
- 수직 입사각에 대한 거머리말의 고주파 후방산란 실험을 2004년 2월 25〜29 일 기간 중 남해 동대만에서 실시하였다. 실험 해역은 조간대 지역으로 수심은 만조 시 4m 였으며 실험기간 중 해상상태는 주·야간 모두 파고 0.
- 실험 해역은 조간대 지역으로 수심은 만조 시 4m 였으며 실험기간 중 해상상태는 주·야간 모두 파고 0.5m 이내로 양호하였다.
- 음원 신호는 펄스 길 이가 0.4 ms인 정현파 신호를 사용하였고 0.5 초 간격으로 20회 이상 반복 송·수신하였다.
성능/효과
- 도달시간을 거리로 환산한 결과 해저면 도달 시간은 2.8 ms 이며 신호의 2.1 〜 2.8 ms 에 해당하는 부분은 거머리말의 길이 (약 50 cm)로 음향실험 후 다이버가 직접 샘플링 한 거머리말의 길이 (50 cm)와 잘 일치하였다.
- 야간(점선의 후방산란강도 분포 양상은 주간에 비해 평균 산란강도가 약 6 dB 높고 표준편차는 1.8로 주간에 비해 낮은 확률밀도함수로 나타났다.
- 본 논문에서는 주파수 30, 50, 80, 100, 및 120 kHz 능동 소나를 사용하여 거머리말 서식지의 후방산란 특성을 연구하였다. 야간의 후방산란강도는 주간에 비해 2-6 dB 크게 측정되었고 주파수가 증가함에 따라 후방산란강도가 감소하는 주파수 의존성을 확인하였다. 주·야간 후방산란강도의 차이는 환경 자료와 비교함으로써 광합성에 의해 생산되는 산소 공기방울에 의한 영향으로 추정된다.
- 야간이 주간에 비해 후방산란강도가 높게 나타나고 시간에 따른 산란강도의 분포 양상이 일정하게 관측된 반면 주간의 경우 후방산란강도의 분포변화가 야간에 비해 매우 랜덤 하게 측정되었다.
- 주파수가 증가함에 따라 후방산란강도가 감소하는 주파수 의존성을 보이며 주간과 야간을 비교해 볼 때 야간의 후방산란강도가 주간에 비해 2~4 dB 높게 측정되었다. 주간에 거머리말로부터의 후방산란강도가 야간에 비해 낮게 나타내는 이유는 야간에는 존재 하지 않는 해수 중 매질이 산란 및 흡수를 일으켜 음의 세기를 감쇠 시키기 때문이다.
후속연구
- 따라서 천해에서의 보다 정확한 음 전달 특성에 대한 이해와 해저면 구성 분류를 위해서는 거머리말의 분포와 생산성에 대한 정확한 정보가 요구되며, 이를 위한 기초 과정으로 산소 공기 방울의 영향을 고려한 거머리말의 음파산란 특성에 대한 연구가 필요하다.
- 또한 주간의 광합성 시 발생되는 다량의 산소 공기방울의 감쇠효과를 검증하기 위해서 용존산소량과 해수 중 존재하는 기포의 크기 및 분포를 관련짓는 이론연구가 수행되어야 한다.
- 따라서 거머리말과 같이 경계면에 서식하는 해양 생물은 해저면 위에 또 다른 경계면을 형성하기 때문에 기존 해저면 산란모델을 적용 시 거머리말의 산란특성을 함께 고려해야 한다. 이를 위해 추후에는 거머리말의 수직 입사각에 대한 후방산란 특성 연구가 요구된다.
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