[논문]동해 아극전선 해역의 수중음향환경 및 저주파 음파전달 양상

임세한; 류건희

동해 아극전선 해역의 수중음향환경 및 저주파 음파전달 양상
Underwater Acoustic Environment and Low Frequency Acoustic Transmission in the Sub-Polar Front Region of the East Sea 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.12 no.4, 2009년, pp.415 - 423

임세한 (해군사관학교) , 류건희 (해군사관학교)

Abstract ▼ AI-Helper

To investigate low frequency acoustic transmissions in the Sub-Polar Front(SPF) of the East Sea, numerical experiments are conducted with Range dependent Acoustic Model(RAM) using Circulation Research of the East Asian Marginal Seas(CREAMS) data and Autonomous Profiling Explorer(APEX)) data. Significant seasonal variations of sea water properties are existed across the Sub-Polar Front(SPF) region from the north and the south. The model results show that Transmission Loss(TL) decrease(about 20dB) with ideal front in the warm region whereas TL increase(about 25dB) with ideal front in the cold region. Regardless of season(both in summer and winter), when the sound source is located in the cold region of the SPF, the model results show weak TL, compared to the case of the source in the warm region(Maximum difference of TL reaches 28dB). This difference between the cases when the source is located in the cold region and the warm region, is accounted for from the different vertical profiles of sound speed in both regions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 동해 아극전선역 음 전달 특성은 계절에 관계없이 냉수역에서 전달손실이 난수역에 비해 작게 나타난다. 금번 모의실험이 저주파 음파를 모의한 것이므로 추후 고주파를 포함한 다양한 주파수영역에서의 음파전달 모의실험을 실시하여 이와 같은 결과가 나타나는지 확인해보도록 하겠다.
임 등(2007)[7]은 동해 북부해역에서 발생하는 다양한 해양환경 하에서 고주파 음원의 전달특성을 분석하기도 하였으나 아직까지 동해 아극전선역에서의 음 전달 특성을 연구한 예는 찾아보기 어렵다. 본 연구는 최근 동해에서 관측된 해양관측자료를 분석하여 아극전선 해역을 중심으로 해양환경의 계절변동을 고찰하고 아극전선역에서 저주파 영역의 음파전달모의실험을 실시하여 음파전달양상을 분석하였다. 본 논문의 구성은 자료 및 분석방법, 아극전선 해역의 수중음향환경, 아극전선 해역에서의 수중음파전달 양상, 요약 및 결론 순이다.
아극전선은 동해를 가로지르는 매우 현저한 해양현상으로 해양학계에서는 폭넓게 연구되고 있으나 군사적 응용 측면에서의 연구는 미흡한 실정이었다. 본 연구는 최신 해양관측자료를 활용하여 아극전선을 중심으로 수중음향과 관련된 해양환경을 분석하고 음향 모델을 사용하여 아극전선 환경에서의 수중음 전달양상을 연구하였다. 수심이 깊은 동해 아극전선 환경의음 전달 특성에서는 기존에 연구된 천해의 전선 환경에서와 달리 경계면 반사보다 굴절 효과가 전반적으로 중요해지며, 이 굴절은 음속 구조에 좌우되어 전선을 경계로 음원이 난수역 쪽에 위치하는 경우와 냉수역 쪽에 위치하는 경우에 뚜렷한 차이를 보인다.

가설 설정

심해역에서 수온전선의 존재에 따른 음파전달양상을 분석하기 위해 CREAMS 기준선 관측 자료를 사용하여 음향모델을 수행하였다. 아극전선의 유무에 따른 음파전달영향을 분석하기위해 다음과 같은 상황을 가정하였다. 음향모델 수행을 위한 음속장은 수심 3000 m, 거리는 100km, 해저면은 평탄한 것으로 하였으며 음원수심은 200m, 수신기 수심은 100m로 고정하였다.

제안 방법

거리종속 음파전달손실 계산에 적합한 음파전달 모의수치모델인 RAM(Range dependent Acoustic Model)[8] 의 입력변수는 Table 1에 정리하였으며 주파수는 300 Hz, 음원의 위치는 50, 100, 200m로 하였고 격자간의 수심 간격은 1m, 거리간격은 100m로 하였다. 수심은 실제 해저지형을 고려하였으며, 퇴적물은 실험해역에서 우세하게 분포하는 clay를 적용하여 감쇄계수와 음속을 설정하였다.
여름과 겨울 계절별로 음원위치를 난수역과 냉수역으로 각각 변경하여 실험을 실시하였다. 다음은 아극전선 존재시 계절별, 음원 위치별 음파전달 양상을 분석하기 위한 실험으로 음원수심은 50, 100, 200m로 하였으며 수신기 수심은 100m로 고정, 해저지형은 기준관측선의 실제수심을 적용하였으며 기준관측선 내 아극전선의 위치를 고려하여 음속장의 범위는 120～220km로 적의 조정하였다.
본 연구는 최근 동해에서 관측된 해양관측자료를 분석하여 아극전선 해역을 중심으로 해양환경의 계절변동을 고찰하고 아극전선역에서 저주파 영역의 음파전달모의실험을 실시하여 음파전달양상을 분석하였다. 본 논문의 구성은 자료 및 분석방법, 아극전선 해역의 수중음향환경, 아극전선 해역에서의 수중음파전달 양상, 요약 및 결론 순이다.
거리종속 음파전달손실 계산에 적합한 음파전달 모의수치모델인 RAM(Range dependent Acoustic Model)[8] 의 입력변수는 Table 1에 정리하였으며 주파수는 300 Hz, 음원의 위치는 50, 100, 200m로 하였고 격자간의 수심 간격은 1m, 거리간격은 100m로 하였다. 수심은 실제 해저지형을 고려하였으며, 퇴적물은 실험해역에서 우세하게 분포하는 clay를 적용하여 감쇄계수와 음속을 설정하였다. 또한 RAM 모델의 해를 근사하기 위한 Pade 계수는 10차로 설정하여 해의 신뢰성을 높였다.
수온 전선 존재시 음원의 위치 및 음속장의 구조에 따라 전달손실의 증감이 나타남을 확인하였으므로 실제 아극전선역의 해저지형을 반영하고 여름철과 겨울철의 계절변화에 따라 전달손실의 양상이 어떻게 변하는지 음파 전달손실 모의 실험을 실시하였다. 모의실험은 여름철은 1995년 7월, 겨울철은 1999년 2월 CREAMS 관측자료를 사용하였으며 거리종속 음향모델의 입력변수들은 Table 1과 같이 설정하였고 음원의 수심 및 위치를 변경하였다(Fig.
즉 전선이 있을 경우는 기준선 위치별 음속자료가 모두 포함되나, 전선이 없을 경우는 시작점의 음속자료로 전체 음속장을 구성하는 것이다. 여름과 겨울 계절별로 음원위치를 난수역과 냉수역으로 각각 변경하여 실험을 실시하였다. 다음은 아극전선 존재시 계절별, 음원 위치별 음파전달 양상을 분석하기 위한 실험으로 음원수심은 50, 100, 200m로 하였으며 수신기 수심은 100m로 고정, 해저지형은 기준관측선의 실제수심을 적용하였으며 기준관측선 내 아극전선의 위치를 고려하여 음속장의 범위는 120～220km로 적의 조정하였다.
음향모델 수행을 위한 음속장은 수심 3000 m, 거리는 100km, 해저면은 평탄한 것으로 하였으며 음원수심은 200m, 수신기 수심은 100m로 고정하였다. 음속장의 구성은 전선이 없을 경우는 거리독립환경을, 전선이 있을 경우는 거리종속환경으로 하였다. 즉 전선이 있을 경우는 기준선 위치별 음속자료가 모두 포함되나, 전선이 없을 경우는 시작점의 음속자료로 전체 음속장을 구성하는 것이다.

대상 데이터

수온 전선 존재시 음원의 위치 및 음속장의 구조에 따라 전달손실의 증감이 나타남을 확인하였으므로 실제 아극전선역의 해저지형을 반영하고 여름철과 겨울철의 계절변화에 따라 전달손실의 양상이 어떻게 변하는지 음파 전달손실 모의 실험을 실시하였다. 모의실험은 여름철은 1995년 7월, 겨울철은 1999년 2월 CREAMS 관측자료를 사용하였으며 거리종속 음향모델의 입력변수들은 Table 1과 같이 설정하였고 음원의 수심 및 위치를 변경하였다(Fig. 7). 여름철의 경우 음속은 난수역과 냉수역 모두 표층에서 계절적인 영향으로 1530m/sec의 높은 음속을 가지지만 난수역의 경우는 음속수직경도가 작아 수심 300m까지 음속이 완만히 감소하는 반면 냉수역에서는 표층 아래서 음속이 급격히 감소하여 수심 100m에 음속최소층이 존재 하는 큰 수직 음속경도를 갖는다.
1). 본 연구에서는 1994년 7월, 1995년 7월, 1996년 8월의 여름철 CREAMS 관측 자료와 1996년 2월, 1997년 3월, 1999년 2월의 겨울철 CREAMS 관측 자료를 사용하였다. 모든 관측에서 SBE(Sea Bird Electric)사의 CTD가 이용되었으며 표층부터 저층까지 관측이 되어 현재까지 획득된 자료들 중에 동해 전체적인 규모의 해양 현상을 이해 할 수 있는 거의 유일한 CTD자료라 할 수 있다.
연구에 사용한 자료는 동해의 물성구조와 순환을 이해하기위한 국제공동연구 프로그램인 CREAMS를 통해 수집한 CTD 관측자료와 APEX float 자료를 사용하였다(Fig. 1). 본 연구에서는 1994년 7월, 1995년 7월, 1996년 8월의 여름철 CREAMS 관측 자료와 1996년 2월, 1997년 3월, 1999년 2월의 겨울철 CREAMS 관측 자료를 사용하였다.
아극전선의 유무에 따른 음파전달영향을 분석하기위해 다음과 같은 상황을 가정하였다. 음향모델 수행을 위한 음속장은 수심 3000 m, 거리는 100km, 해저면은 평탄한 것으로 하였으며 음원수심은 200m, 수신기 수심은 100m로 고정하였다. 음속장의 구성은 전선이 없을 경우는 거리독립환경을, 전선이 있을 경우는 거리종속환경으로 하였다.
특히 기준관측선(132°20'E)의 경우는 거의 매 관측기간마다 관측이 되어 동해 아극전선역에서의 해양환경 및 음향환경 특성과 계절 변동성을 파악할 수 있다. 음향환경을 분석하기 위한 보조자료로 국제공동관측 연구 프로그램인 ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)를 통해 1999년 8월부터 부터 2004년 11월까지 총 92개의 Apex float으로부터 획득된 5000 여개 이상의 수온, 염분 프로파일 자료를 함께 사용하였다. 이 자료는 관측수심이 800m로 제한되어 있고 수평적인 위치도 시시각각 변하여 전선역을 가로지르는 동시간대의 거리종속음향 모델의 입력 자료로 적합하지 않기 때문에 본 연구에서는 해양환경을 분석하는데 에만 사용하였다.

이론/모형

심해역에서 수온전선의 존재에 따른 음파전달양상을 분석하기 위해 CREAMS 기준선 관측 자료를 사용하여 음향모델을 수행하였다. 아극전선의 유무에 따른 음파전달영향을 분석하기위해 다음과 같은 상황을 가정하였다.

성능/효과

동해의 아극전선역을 기준으로 전선 이북의 냉수역과 그 이남의 난수역에서는 여름철과 겨울철 모두 극명한 음속 수직구조의 차이를 보여, 냉수역보다 난수역에서는 음속최소층이 깊고 그 수직 음속경도는 작다. 따라서 난수역 쪽에 음원이 위치하게 되면, 수렴구역 형태의 음전달 특성을 보이며 비교적 멀리까지 전파하지 못하는 반면, 냉수역 쪽에 위치하는 경우에는 음속이 상대적으로 낮고 음속최소층도 얕아 강한 하향굴절과 상향굴절을 반복하며 장거리까지 전파될 수 있음을 확인했다. 또한 동해 아극전선역 음 전달 특성은 계절에 관계없이 냉수역에서 전달손실이 난수역에 비해 작게 나타난다.
본 연구에서는 1994년 7월, 1995년 7월, 1996년 8월의 여름철 CREAMS 관측 자료와 1996년 2월, 1997년 3월, 1999년 2월의 겨울철 CREAMS 관측 자료를 사용하였다. 모든 관측에서 SBE(Sea Bird Electric)사의 CTD가 이용되었으며 표층부터 저층까지 관측이 되어 현재까지 획득된 자료들 중에 동해 전체적인 규모의 해양 현상을 이해 할 수 있는 거의 유일한 CTD자료라 할 수 있다. 특히 기준관측선(132°20'E)의 경우는 거의 매 관측기간마다 관측이 되어 동해 아극전선역에서의 해양환경 및 음향환경 특성과 계절 변동성을 파악할 수 있다.
음원이 냉수역에 위치할 경우는 표층으로부터 약 150m 깊이에서 형성된 음파통로에 포획된 음 에너지가 난수역으로 접어들면서 음속 최소층의 깊이가 증가하고 음파통로의 폭도 넓어지면서 음에너지의 분산이 일어나 수심 100m 수심기 수심에서는 음 에너지가 적게 분포하게 되어 전달손실이 증가된 것으로 생각된다. 아극전선의 유무에 따른 음파 전달양상의 모의 실험 결과, 음원의 위치가 난수역일 경우 전선을 통과하며 표층으로 음에너지의 포획이 일어나 전달손실이 감소하고 냉수역에 위치하는 경우는 표층에서 심층으로 음에너지의 분산이 일어나 전달손실이 증가하게 됨을 알 수 있었다. 이는 수온전선 존재 시 거리에 따른 음속장의 구조에 따라 전달 손실이 증가할 수도 있고 감소할 수도 있다는 사실을 증명하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양의 변동이 심한 이유는?	해양은 시공간적으로 수온, 염분 압력의 변화뿐만 아니라 해수면, 해저면 및 해수 중의 비균질한 경계면 등의 영향으로 변동이 심하다. 이와 같이 변화가 심한 해양환경 하에서 음파의 전달양상은 매우 복잡하게 나타난다.
	해양 전선(수온 전선)이 음파전달에 대한 장벽으로 간주되는 이유는?	이와 같이 변화가 심한 해양환경 하에서 음파의 전달양상은 매우 복잡하게 나타난다. 여러 해양현상 중에서도 특히 해양 전선(수온 전선)은 수평적, 수직적으로 급격한 음속경도를 가짐으로 음파전달에 대한 장벽으로 간주되기도 한다. 동해 중부해역에 연중 형성되어있는 수온전선은 동해북부해역에서 우리나라 연안을 따라 내려오는 냉수와 남부해역에서 연안을 따라 올라가는 난수가 만나 형성된다.
	수온 전선은 무엇에 영향을 끼치는가?	아극전선의 구조나 위치는 계절별로 크게 달라지며 한국연안의 와동류, 시베리아 기단에 의한 표층의 냉각, 대마난류 분지 등의 변동성에 따라 다른 해역의 수온전선에 비하여 계절적인 변동이 심하다[3]. 수온전선은 음파전달경로의 변경, 층심도의 변화, 음파전달의 방해, 방위오차 발생 등 음파전달에 많은 영향을 주는 것으로 알려져 있음에도 불구하고[4], 우리나라 근해 수온전선역에서의 음 전달 특성에 대한 연구는 아직까지 몇몇 연구로만 제한되어 있다. 박(1998)[5]은 동해연안 수온전선에서 음 전달 특성을 저주파 거리 종속음향모델(RAM)을 사용하여 연구한 바 있으며, 양 (2001)[6]은 남해연안 수온전선역에서의 계절적인 전선 변동과 저질특성에 따른 음 전달 특성을 연구한 바 있다.

참고문헌 (9)

An, H. S., Shim, K. S. and Shin, H. R, On the Warm Eddies in the Southwestern Part of the East Sea(the Japan Sea), J. Oceanol. Soc. Korea, 29(2), 152-163, 1994

원문보기 상세보기
Park, K. A., Chung J. Y. and Kim, K., Sea Surface Temperature Fronts in the East(Japan) Sea and Temperal Variations, Geophys. Res. Lett., 31, L07304, 2004

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Park, K. A., D. S. Ullman, K. Kim, J. Y. Chung, and K. R. Kim, Spatial and Temporal Variability of Satellite-Observed Subpolar Front in the East/Japan Sea. Geophys. Res. Lett., 32, L05610, doi : 10.1029/2004GL022197, 2007

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송영일, '수중음향의 이해와 해양 및 음향 환경', 해군사관학교 교재, 2002
박경주, ‘동해 연안한류수역의 시공간적인 변화와 탐지거리에 관한 연구’, 군사과학대학원 석사학위 논문, 1998.
양승주, '남해 동부해역에서의 연안 수온전선과 저질특성에 따른 탐지거리 예측', 군사과학대학원 석사학위 논문, 2001
임세한, 윤재열, 김윤배, 남성현, '동해 북부해역의 수중음파전달 양상', 군사과학기술학회지, Vol. 10, No. 4, pp. 52-61, 2007
Collins, M. D., 'A Split-Step Pade Solution for Parabolic Equation Method', J. Acoust. Soc. Am., 93 : 1736-742, 1993

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

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].

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