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불규칙 경계면에 대한 중저주파수 간섭 반사 계수 유도
Derivation of Coherent Reflection Coefficient at Mid and Low Frequency for a Rough Surface 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.28 no.3, 2009년, pp.174 - 186  

추영민 (서울대학교 조선해양공학과) ,  성우제 (서울대학교 조선해양공학과) ,  변성훈 (한국해양연구소) ,  김시문 (한국해양연구소)

초록
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경계면이 존재하는 해양에서의 수중 음파 전달 모델링 시 일반적으로 평평한 경계면을 가정하고 Rayleigh가 제안했던 반사계수를 이용해 반사파를 계산할 수 있다. 하지만 해수면이나 해저면과 같은 실제 해양의 경계면은 불규칙적인 거칠기를 가진다. 이러한 경계면에서의 반사 손실은 실험식이나 산란 이론에 기반한 간섭 반사 계수를 계산하여 구할 수 있다. 본 논문에서는 섭동 이론, Kirchhoff 근사법, 작은 가지 근사법과 같은 산란 이론을 이용하여 유체-유체 경계면에 대한 간섭 반사 계수를 각각 유도한다. 이를 이용하여 임의의 거칠기를 가지는 해수면과 해저면에 대한 각 산란 이론의 간섭 반사계수를 계산하며, 이 결과를 Rayleigh 반사 계수와 비교하여 경계면의 거칠기에 따른 반사 손실을 분석한다. 또한, 섭동 이론과 Kirchhoff 근사법의 결과를 일반적으로 적용 범위가 넓은 작은 기울기 근사법의 결과와 비교하여 각 이론의 유효범위에 대해 고찰한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

When we apply a propagation model to the ocean with boundaries, we can calculate reflected wave using reflection coefficient suggested by Rayleigh assuming the boundaries are flat. But boundaries in ocean such as sea surface and sea bottom have an irregular rough surface. To calculate the reflection...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 파고의 앙상블 평균이 0일 경우, 1 차 전이 행렬은 0이 되어 경계면 거칠기가 간섭 산란 영역에 미치는 영향을 반영할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 유체-유체 경계면에 대해 2차 전이 행렬을 유도하여 섭동 이론 기반의 2차 간섭 반사 계수를 구하고 이를 통하여 경계면의 거칠기에 따른 간섭 반사 손실을 분석한다.
  • 본 논문에서는 경계면의 거칠기와 해저면을 구성하고있는 매질에 따라 각 산란 이론의 간섭 반사 손실을 계산하고 이 결과를 상호 비교하였다. 평평한 해저면의 반사계수는 두 매질의 임피던스와 접지각에 의존적이다.

가설 설정

  • 수중 도파관에서 간섭 산란 음장을 계산하기 위해서는 거친 해수면뿐 만 아니라 거친 해저면에 의한 영향도 고려되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 해저면을 모래나 진흙과 같이 유체의 특성을 가지는 물질로 구성되어 있는 매질로 가정하고, 유체-유체 경계면에 대해 각 산란 이론을 이용하여 간섭 반사 계수를 유도한다. 또한 이러한 결과를 이용하여 각기 다른 거칠기를 갖는 해수면과 해저면에서 간섭 반사손실을 구하고, 이 결과를 상호 비교하여 각 이론에서 도출된 간섭 반사 계수의 유효 범위를 고찰한다.
  • 특히, 2차 간섭 산란 영역은 불규칙적인 파고의 파워스펙트럼 (power spectrum)과 RMS 파고를 이용하여 해석할 수 있다. 본 논문에서는 파고 f(R)의 확률이 Gaussian 분포이며〈f(R)〉=0 이라 가정한다. 경계면의 확률 분포를 이용하여 전이 행렬의 앙상블 평균을 구하면 식 (15)와 같으며, 이 때 전이 행렬은 kh 차수에 따라 전개된다.
  • 는 Kirchhoff-Helmholtz 적분식에 기반하여 아래 식과 같이 쓸 수 있다. 이 때 산란 면적 S는 경계면의 확률적 특성을 포함할 만큼 크다고 가정한다.
  • 해저면은 바닥층을 이루는 물질적 특성에 따라 유체, 고체 등으로 분류될 수 있다 본 논문에서는 해저면 매질의 특성을 유체로 가정한다. 해저면의 간섭 반사 손실은 불규칙한 유체-유체 경계면에 대해 섭동 이론과 Kirchhoff 근사법, 작은 기울기 근사법을 기반하여 각각 유도된 간섭 반사 계수 식 (16), (22), (28)를 이용하여 계산되었다.
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참고문헌 (14)

  1. S.O. Rice, “Reflection of electromagnetic waves from slightly rough surfaces,” Commun. Pure Appl. Math., vol. 97, no. 2-3, pp. 351-378, 1951 

  2. M. Neito-Vesperinas and N. Garcia, "A detailed study of the scattering of scalar waves from random rough surfaces," Opt. Acta., vol. 28, no. 12, pp. 1651-1672, 1981 

  3. J.E. Moe and D.R. Jackson, "First-order perturbation solu-tion for rough surface scattering cross section including the effects of gradients," J. Acoust. Soc. Am., vol. 96, no. 3, pp. 1748-1754, 1994 

  4. D.R. Jackson and M.D. Richardson, High-frequency seafloor acoustic, Springer, NewYork, 2007 

  5. A. Ishimaru, Wave propagation and scattering in random media, Volume. 2, Multiple scattering, turbulence, rough surfaces, and remote sensing, Academic, NewYork, 1978 

  6. D.R. Jackson, D.P. Winebrenner and A. Ishimaru, “Appli-cation of the composite roughness model to high-frequency bottom backscattering,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 79, no. 5, pp. 1410-1422, 1986 

  7. E.l. Thorsos, "Acoustic scattering from a “Pierson- Mosko-wiz” sea surface," J. Acoust. Soc. Am., vol. 88, no. 1, pp. 335-349, 1990 

  8. A. G. Voronovich, Wave scattering from rough surfaces, Springer, Berlin, 1994 

  9. E.l. Thorsos and S.L. Broschat, "An investigation of the small slope approximation for scattering from rough sur-faces. Part I, Theory," J. Acoust. Soc. Am., vol. 97, no. 4, pp. 2082-2093, 1995 

  10. S.L. Broschat, "The small slope approximation reflection coe-fficient for scattering from a "Pierson-Moskowitz" sea sur-faces," IEEE Trans. Geosci. Remote. Sens. vol. 31, no. 5, pp. 1112-1114, 1993 

  11. K.L. Williams, E.I. Thorsos and W.T. Elam "Examination of coherent surface reflection coefficient(CSRC) approximations in shallow water propagation", J. Acoust. Soc. Am., vol. 116, no. 4, pp. 1975-1984, 2004 

  12. P.C. Waterman "New formulation of acoustic scattering," J. Acoust. Soc. Am., vol. 45, no. 6, pp. 1417-1429, 1969 

  13. A.J. Devaney and G.C. Sherman, "Plane-wave represen-tation for scalar wave field," SIAM Rev., vol. 15, no. 4, pp. 765-786, 1973 

  14. C. Eggen and K. Williams, "APL-UW high-frequnency ocean environmental acoustic models handbook," Applied Physics Laboratory-University of Washington, Tech, Rep., 1994 

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