[논문]동해 북부해역의 수중음파전달 변동성

임세한; 윤재열; 김윤배; 남성현

[국내논문] 동해 북부해역의 수중음파전달 변동성
Variability of Underwater Sound Propagation in the Northern Part of the East Sea 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.10 no.4 = no.31, 2007년, pp.52 - 61

임세한 (서울대학교) , 윤재열 (서울대학교) , 김윤배 (서울대학교) , 남성현 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Temporal and spatial variations of sea water largely affect on the pattern of underwater sound propagation. Acoustic environmental changes and their effects on underwater sound propagation in the northern part of the East Sea, which have been poorly studied mainly due to lack of observations, are investigated by analyzing the hydrographic data acquired since 1993. Severe changes in acoustic environments are associated with various physical processes such as deep convection, thermal fronts, and eddies in the northern part of the East Sea. Spatio-temporal variations of sound speed field and the layer of the maximum sound speed are categorized into six typical cases. Using a sound source of 5 kHz, acoustic transmission losses are calculated range-independently for the six typical cases. Significant differences among the patterns of transmission loss in the six cases suggest that a different tactics are required when we operate in the northern part of the East Sea.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 1993년 이후 CREAMS 프로그램(Circulation Research of the East Asian Marginal Seas) 등을 통해 수집한 동해 북부해역의 관측 자료를 분석하여 계절별 음향환경특성과 그 변화에 따른 수중음파전달양상의 계절 변화를 규명하였다. 본 연구는 또한 관련 음향장비의 활용을 위한 기초자료를 제공함에 그 의의가 있다 하겠으며, 음향장비의 특성상 제한된 운용 환경에서의 결과를 제시한다.
따라서 본 연구에서는 1993년 이후 CREAMS 프로그램(Circulation Research of the East Asian Marginal Seas) 등을 통해 수집한 동해 북부해역의 관측 자료를 분석하여 계절별 음향환경특성과 그 변화에 따른 수중음파전달양상의 계절 변화를 규명하였다. 본 연구는 또한 관련 음향장비의 활용을 위한 기초자료를 제공함에 그 의의가 있다 하겠으며, 음향장비의 특성상 제한된 운용 환경에서의 결과를 제시한다.
이러한 해양환경변화는 그 주기가 길게는 수십 년에서 짧게는 수개월에서 수십 일에 걸쳐 나타나는 것으로 특히 음속구조에 지대한 영향을 미치는 수온의 변동으로부터 다양한 음속구조가 나타나는데 본장에서는 관측 자료로부터 1°×1°로 내삽된 평균음속 구조로 동해북부 해역의 전체적인 음속구조의 특징에 대해 설명하고자 한다.

가설 설정

하지만 본 논문에서는 동해 북부해역의 국지적인 음향환경 변화가 표층에 위치한 고주파 음원의 음파 방사에 어떠한 영향을 미치는지, 해역별 음향특성은 어떠한지에 대해 분석하는 것을 중심으로 하였기 때문에 근거리 음파 전달손실계산에 적합하고 고주파 음원의 전달손실계산에 유리한 Bellhop(Ray/Beam model) 모델을 사용하였다^[12]. 확보된 해양관측자료의 관측시간이 상이하고 분포간격이 넓음으로(최소 약 25km) 동해에서 중규모 해양 운동 연구 시 공간적 변이의 척도가 되는 Rossby deformation radius(약 20km)를 고려하여 한 정점에서의 해양환경이 약 반경 20km까지는 일정하다고 가정하였다. 음원의 주파수는 거리독립 환경 하에서 5kHz, 음원수심은 10m를 적용하고 해저에서의 감쇠계수를 결정하기 위해 해저 저질은 점토(Clay)로 하였다.

제안 방법

CREAMS 프로그램은 1993년 동해의 물성구조와 순환을 이해하기 위한 국제공동연구 프로그램으로 시작되었다. 1993년～1997년 기간 동안은 CREAMS I에 해당되며 한국을 비롯하여 일본과 러시아가 참여하여 동해 전역을 포괄하는 해역에서 수온과 염분의 물리적 특성과 화학적 특성들을 관측하였다. 1998년부터 2002년의 CREAMS Ⅱ 기간 동안에는 좀 더 심도 있는 관측이 실시되었다.
동해 북부해역의 음향환경특성에 따른 고주파 중심의 음파전달양상을 분석해 보았다. 평균음속장과 최소음속층의 분포에서 나타나듯이 동해 북부해역은 국지적으로 매우 다양한 해양환경요소의 영향을 받으며 이에 따라 음파전달양상도 큰 영향을 받음을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서는 해양환경의 변화가 다양하게 나타나는 연안에서 135°E까지의 동해 북부해역을 중심으로 계절별․구역별로 음속구조를 분석하였다(표 1).
확보된 해양관측자료의 관측시간이 상이하고 분포간격이 넓음으로(최소 약 25km) 동해에서 중규모 해양 운동 연구 시 공간적 변이의 척도가 되는 Rossby deformation radius(약 20km)를 고려하여 한 정점에서의 해양환경이 약 반경 20km까지는 일정하다고 가정하였다. 음원의 주파수는 거리독립 환경 하에서 5kHz, 음원수심은 10m를 적용하고 해저에서의 감쇠계수를 결정하기 위해 해저 저질은 점토(Clay)로 하였다.
한편 침강 발생 해역 등과 같이 매우 국지적인 현상이 나타나는 곳은 특별한 음속구조를 보이기도 한다. 이를 고려하여 표층에서의 고주파 음원 방사시 큰 영향을 미치는 음향층심도 형성유무 및 깊이와 음속약층의 음속기울기 변이를 중심으로 음속구조의 특징을 분류하였다. 즉 겨울철의 경우 깊은 음향층심도, 얕은 음향층심도, 음향층심도 미형성 및 강한 정음속 경사로 여름철의 경우는 얕은 음속약층 형성 및 계절음속약층 존재시로 봄/가을철은 층심도 미형성 및 깊은 음속약층 형성 등으로 6가지 형태의 대표적인 음속수직구조를 도출하여 분석하였다.
이를 고려하여 표층에서의 고주파 음원 방사시 큰 영향을 미치는 음향층심도 형성유무 및 깊이와 음속약층의 음속기울기 변이를 중심으로 음속구조의 특징을 분류하였다. 즉 겨울철의 경우 깊은 음향층심도, 얕은 음향층심도, 음향층심도 미형성 및 강한 정음속 경사로 여름철의 경우는 얕은 음속약층 형성 및 계절음속약층 존재시로 봄/가을철은 층심도 미형성 및 깊은 음속약층 형성 등으로 6가지 형태의 대표적인 음속수직구조를 도출하여 분석하였다.
최소음속층(Minimum sound speed layer)의 계절별 특성을 알아보기 위해 CREAMS 자료와 Agro float 자료를 취합하여 음속을 산출, 봄(3,4,5월), 여름 (6,7,8월), 가을(9,10,11), 겨울(12,1,2월) 최소음속층 깊이의 공간분포를 도시하였다(그림 4, 5). 최소음속층을 기준으로 음파통로(Sound channel)가 형성되고 음파통로 내에 포획된 음파는 원거리까지 전달이 가능 하게 된다^[13].
해양환경변화에 따른 음파전달 양상분석을 위해서는 음원의 방사 주파수에 따라 통상 저주파 대역 (1kHz 미만)과 고주파 대역(1kHz 이상)으로 구분하여 분석한다. 이는 수중에서 음파전달손실을 계산하여 상황별 전달 양상을 분석하게 되는 음파 전달손실 계산모델의 모델별 장점을 최대한 활용하기 위함이다.

대상 데이터

이밖에도 각 기관에서 ARGO float를 지속적으로 투하해왔다. 2004년 11월까지 총 92개의 float가 동해에 투하되었으며 1999년 8월부터 2004년 11월까지 동해 전체 해역에 대해서 5000여개이상의 수온/염분 프로파일 자료를 얻을 수 있었다. 동해북부 해역의 표층 및 심층의 평균수온 및 평균염분 분포특성 분석을 위하여 1999년 3월～2004년 8월에 동해북부 해역에 투하된 ARGO float 자료와 1993년 7월～2004년 10월에 동해북부 해역을 대상으로 조사된 CREAMS 관측 자료를 사용하였다.
Argo float는 서울대학교와 미국 워싱턴대학교 연구진과 공동으로 1999년 2월에 최초로 2개를 동해에 투하하고, 같은 해 7월과 8월에 34개를 추가로 투하 하여 성공적으로 실험함으로써 점차 전세계 해양에서 사용되기 시작하였다. 이밖에도 각 기관에서 ARGO float를 지속적으로 투하해왔다.
동해 북부해역에서의 평균음속구조 특성을 분석하기 위하여 1999년 3월～2004년 8월에 동해북부 해역에 투하된 ARGO float 자료와 1993년 7월～2004년 10월에 동해북부 해역을 대상으로 조사된 CREAMS 관측자료를 사용하였다. ARGO float에 의해서는 800m 까지 관측되었고 CREAMS 관측자료는 대부분 1000m 이상 관측되었으며 ARGO와 CREAMS 자료로부터 1°×1° 간격의 평균수온, 염분으로 재구성한 자료로부터 표층에서 800m까지 평균음속을 계산하였다.
2004년 11월까지 총 92개의 float가 동해에 투하되었으며 1999년 8월부터 2004년 11월까지 동해 전체 해역에 대해서 5000여개이상의 수온/염분 프로파일 자료를 얻을 수 있었다. 동해북부 해역의 표층 및 심층의 평균수온 및 평균염분 분포특성 분석을 위하여 1999년 3월～2004년 8월에 동해북부 해역에 투하된 ARGO float 자료와 1993년 7월～2004년 10월에 동해북부 해역을 대상으로 조사된 CREAMS 관측 자료를 사용하였다. ARGO float는 800m까지 관측되었으며, CREAMS 관측 자료는 대부분 1000m 이상 관측되었으며 부분적으로는 전 층에 걸쳐 관측되었다^[11].
본 연구는 해군본부의 ‘동해 북부해역 해양특성 분석’ 과제를 통해 수행되었으며, 본 과제에 참여한 모든 연구진들에게 감사드린다.

데이터처리

ARGO float에 의해서는 800m 까지 관측되었고 CREAMS 관측자료는 대부분 1000m 이상 관측되었으며 ARGO와 CREAMS 자료로부터 1°×1° 간격의 평균수온, 염분으로 재구성한 자료로부터 표층에서 800m까지 평균음속을 계산하였다.

이론/모형

이는 수중에서 음파전달손실을 계산하여 상황별 전달 양상을 분석하게 되는 음파 전달손실 계산모델의 모델별 장점을 최대한 활용하기 위함이다. 하지만 본 논문에서는 동해 북부해역의 국지적인 음향환경 변화가 표층에 위치한 고주파 음원의 음파 방사에 어떠한 영향을 미치는지, 해역별 음향특성은 어떠한지에 대해 분석하는 것을 중심으로 하였기 때문에 근거리 음파 전달손실계산에 적합하고 고주파 음원의 전달손실계산에 유리한 Bellhop(Ray/Beam model) 모델을 사용하였다^[12]. 확보된 해양관측자료의 관측시간이 상이하고 분포간격이 넓음으로(최소 약 25km) 동해에서 중규모 해양 운동 연구 시 공간적 변이의 척도가 되는 Rossby deformation radius(약 20km)를 고려하여 한 정점에서의 해양환경이 약 반경 20km까지는 일정하다고 가정하였다.

성능/효과

음영구역의 크기를 줄이기 위해서는 음원의 위치를 변경 시켜 가능한 한 음속경도가 약한 수심이나 음속약층 아래의 최소음속층에서 음파를 방사하는 유리하다. 또한 전 층이 정음속경사로 형성되는 음속구조에서와 표층에 깊은 음향층심도가 형성되었을 시는 표층에서 음파방사 시에도 비교적 음파전달이 양호하며 음파전달손실 모델 분석결과 파장이 짧은 수록, 즉 주파수가 높을수록 음파의 밀도가 높아지게 됨으로 운용주파수 중 고주파로 운용하는 것이 보다 효과적이다.
그동안 CREAMS 관측은 여름에 총 5회(1993, 1994, 1995, 1996, 1999) 실시되었으며 겨울에 총 7회(1995, 1996, 1997, 1999, 2001, 2002, 2004) 실시되었다. 모든 관측에서 SBE(SeaBird Electronics)사의 CTD(Conductivity-TemperatureDepth)가 이용되었으며 기존의 전도온도계 및 채수기를 이용한 관측보다 정확도와 정밀도가 높은 자료를 수직적으로 보다 조밀한 간격으로 관측할 수 있었다.
음속은 약 1450m/s 이하로 심층까지 정음속경사를 이루어 음파방사 시 강한 상향굴절이 우세하게 일어난다. 이러한 음속구조에서는 표층으로부터 약 250m까지 근거리 음영구역이 존재하지 않고 전 층이 표층도파관을 형성하여 원거리까지 양호한 음파전달 양상을 보이는데 음원의수심이 깊어질수록, 음원의 주파수가 5kHz에서 고주파로 높아질수록 전 층에 걸쳐 음파밀도가 더 조밀해지는 것을 예상할 수 있다.

후속연구

이러한 음속구조의 수평적인 변화는 고 음속 구역에서 저음속 구역, 저음속 구역에서 고음속 구역으로의 음파전달 시 음파의 진행을 방해하는 장벽 역할을 하게 된다. 결과적으로 난류와 한류의 경계해역에서 발생되는 해양 전선이 급격한 수평수온경도를 야기시키고 음파장벽으로 작용하게 되는데 수온 전선의 위치와 출몰 시기는 매우 다양한 기작을 내포하고 있으므로 수온전선역에서의 음파전달 양상은 별도의 연구 진행이 필요하다. 또한 평균 음속장의 수직단면을 보면 최소 음속층이 수심 200～600m 사이의 전 영역에 걸쳐 나타나는 것을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양환경변화에 따른 음파전달 양상분석을 위해 음원의 방사 주파수를 저주파 대역과 고주파 대역으로 구분하여 분석하는 이유는 무엇인가?	해양환경변화에 따른 음파전달 양상분석을 위해서는 음원의 방사 주파수에 따라 통상 저주파 대역 (1kHz 미만)과 고주파 대역(1kHz 이상)으로 구분하여 분석한다. 이는 수중에서 음파전달손실을 계산하여 상황별 전달 양상을 분석하게 되는 음파 전달손실 계산모델의 모델별 장점을 최대한 활용하기 위함이다. 하지만 본 논문에서는 동해 북부해역의 국지적인 음향환경 변화가 표층에 위치한 고주파 음원의 음파 방사에 어떠한 영향을 미치는지, 해역별 음향특성은 어떠한지에 대해 분석하는 것을 중심으로 하였기 때문에 근거리 음파 전달손실계산에 적합하고 고주파 음원의 전달손실계산에 유리한 Bellhop(Ray/Beam model) 모델을 사용하였다[12].
	수중음파전달은 무엇과 밀접하게 연관되는가?	수중음파전달은 음속의 수직/수평적인 구조와 밀접 하게 연관되어 있고 음속은 결국 해수의 수온, 염분, 압력의 함수로 표현됨으로서 해양환경 변화가 수중음파전달에 매우 큰 영향을 미치게 된다는 것은 자명한 사실이다[1].
	특정해역에서 최소음속층의 분포를 파악하는 것이 음향환경분석에서 매우 중요한 이유는 무엇인가?	최소음속층(Minimum sound speed layer)의 계절별 특성을 알아보기 위해 CREAMS 자료와 Agro float 자료를 취합하여 음속을 산출, 봄(3,4,5월), 여름 (6,7,8월), 가을(9,10,11), 겨울(12,1,2월) 최소음속층 깊이의 공간분포를 도시하였다(그림 4, 5). 최소음속층을 기준으로 음파통로(Sound channel)가 형성되고 음파통로 내에 포획된 음파는 원거리까지 전달이 가능 하게 된다[13]. 따라서 특정해역에서 최소음속층의 분포를 파악하는 것은 음향환경분석에 있어 매우 중요하다고 할 수 있다.

참고문헌 (13)

Medwin, H. and C. S. Clay, Fundamentals of acoustical oceanography, Academic press, pp. 4-6, 1998
Seung, Y. H. and J. H. Yoon, Some features of winter convection in the Japan Sea, J. Oceanogra, 51, 6173, 1995
Kim, K., K. R. Kim, D. H. Min, Y. Volkov, J. H. Yoon, and M. Takematsu, Warming and structural changes in the East (Japan) Sea: A clue to future changes in global oceans? Geophys Res. Lett., 28, 32933296, 2001

상세보기
Park, K. A., J. Y. Chung, K. Kim, and P. C. Cornillon, Wind and bathymetric forcing of the annual sea surface temperature signal in the East (Japan) Sea. Geophys. Res. Lett., 32, L05610, doi:10.1029/2004GL022197, 2005
Park, K. J., 동해 연안 한류수의 시공간적인 변 화와 탐지거리에 관한 연구, 군사과학대학원 석사 논문, 1998
Park, S. W., 동해 남부, 중부 및 북부 행겨의 수중음향환경 특성, 서울대학교 지환부 석사논문, 2005
Ahn, D. S., 동해 난수성 와동류내 탐지거리에 관한 연구. 군사과학대학원 석사논문, 1998
Wang, K. S., 동해 남서해역의 대잠한경에 관한 연구, 군사과학대학원 석사논문, 1997
Shin, Y. H., 동해 남서해역 표층에서의 수온의 수직구조 변화에 따른 대잠탐지거리 변화 연구, 군사과학대학원 석사논문, 1998
Yang, S. J., 남해 동부해역에서 연안 수온전선 과 저질특성에 따른 탐지거리 예측, 군사과학대학원 석사논문, 2001
서울대학교 해양연구소 해군해양과학기술연구센터, 동해 북부해역 해양특성분석, 2005
Porter, M. B. and H. P. Bucker, Gaussian beam tracing for computation ocean acoustic fie인, J. Acoust. Soc. Am., 81, pp. 912-924, 1987

상세보기
Urick, R. J., Principle of underwater sound, McGraw-hill Book Company, New York 3rd ed., pp. 147-197, 1983

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증