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가설 설정
- 그리고 동일한 조건에서 소용돌이의 가장자리에 위치한 음원에서 발생된 음파가 소용돌이의 중심을 향해 전파할 때 음선 및 전파손실을 각각 계산하였다. 또한 동일한 정선에서 소용돌이가 존재하지 않은 경우를 가정하여 음선 및 전파손실을 각각 계산하였다. 그러고 나서 동일한 음파전파 조건에 대해 소용돌이의 유무에 따른 음선 및 전파손실의 차를 각각 비교함으로써 음파의 해저반사를 고려하는 해양환경에서 난수성 소용돌이가 음파전파에 미치는 영향을 조사하였다.
- 8에 각각 나타내었다. 여기서 난수성 소용돌이가 존재하지 않는 경우란 수중음속의 프로파일이 정점에 관계없이 일정하다고 가정한 것으로서 난수성 소용돌이의 내부에 위치한 정점 EC5~ EC8에서의 수중음속 프로파일을 소용돌이의 가장자리에 위치한 정점 EC9의 수중음속 프로파일과 동일하다고 한 것이다. 즉 각각의 정점에서 수심은 실제로 관측된 수심을 적용하였지만, 각각의 정점에서 수중음속 프로파일은 정점 EC9의 프로파일과 동일하다고 가정하여 이것을 적용하였다.
- 여기서 난수성 소용돌이가 존재하지 않는 경우란 수중음속의 프로파일이 정점에 관계없이 일정하다고 가정한 것으로서 난수성 소용돌이의 내부에 위치한 정점 EC5~ EC8에서의 수중음속 프로파일을 소용돌이의 가장자리에 위치한 정점 EC9의 수중음속 프로파일과 동일하다고 한 것이다. 즉 각각의 정점에서 수심은 실제로 관측된 수심을 적용하였지만, 각각의 정점에서 수중음속 프로파일은 정점 EC9의 프로파일과 동일하다고 가정하여 이것을 적용하였다.
제안 방법
- 2초 동안 신호분석기에서 적분하여 얻어지도록 하였다. 그 다음 수신기의 수신감도, 측정용 증폭기의 이득 및 주파수의 대역폭 등을 고려하여 각각의 중심주파수에서 음향에너지 플럭스밀도의 수신레벨을 산출하였다. 이때에는 해수중 주위잡음의 영향도 고려하였다.
- 이때에는 해수중 주위잡음의 영향도 고려하였다. 그러고 나서 각각의 중심주파수에서 SUS의 음원레벨(Gaspin and Shuler 1971)과 수중음파 수신레벨과의 차이로부터 각각의 전파거리에 대한 수중음파의 전파손실을 구하였다.
- 또한 동일한 정선에서 소용돌이가 존재하지 않은 경우를 가정하여 음선 및 전파손실을 각각 계산하였다. 그러고 나서 동일한 음파전파 조건에 대해 소용돌이의 유무에 따른 음선 및 전파손실의 차를 각각 비교함으로써 음파의 해저반사를 고려하는 해양환경에서 난수성 소용돌이가 음파전파에 미치는 영향을 조사하였다.
- 난수성 소용돌이가 존재하는 경우 소용돌이의 중심 부근에 위치한 음원에서 발생된 음파가 소용돌이의 가장자리를 향해 전파할 때 음선(acoustic ray) 및 전파손실을 각각 계산하였다. 그리고 동일한 조건에서 소용돌이의 가장자리에 위치한 음원에서 발생된 음파가 소용돌이의 중심을 향해 전파할 때 음선 및 전파손실을 각각 계산하였다. 또한 동일한 정선에서 소용돌이가 존재하지 않은 경우를 가정하여 음선 및 전파손실을 각각 계산하였다.
- 이때 수신기를 각각 수심 30 m 및 180 m에 위치시켰고, SUS의 폭발수심을 각각 18 m 및 244 m로 설정하였다. 그리고 연구선을 소용돌이의 중심 부근인 정점 EC5에 위치시켜 수신기를 해수중에 설치하여 동일한 방식으로 수중음파 전파실험을 반복하였다.
- 먼저 그 당시에 관측된 난수성 소용돌이의 특성 및 해양환경에 대해 수온 및 수중음속의 분포를 중심으로 고찰하였다. 그리고 음파전파 수치모델에 의한 수중음파 전파손실의 계산결과를 전파손실 측정결과와 비교하여 수치모델 계산결과의 유효성을 확인하였다. 난수성 소용돌이가 존재하는 경우 소용돌이의 중심 부근에 위치한 음원에서 발생된 음파가 소용돌이의 가장자리를 향해 전파할 때 음선(acoustic ray) 및 전파손실을 각각 계산하였다.
- 이때 수치모델의 입력자료로서 수중음속은 실제로 관측된 자료를 사용하였다. 그리고 해수면 상의 풍속을 5 m/s로 설정하였고, 해저는 모래, 실트 및 점토(sand, silt and clay)의 혼합물로서 이것의 음속, 밀도 및 두께를 각각 1530 m/s, 1.583 g/cm3 및 50 m로 설정하였다.
- 난수성 소용돌이가 음파전파에 미치는 영향을 파악하기 위하여 음파전파 수치모델에 의해 음선 및 수중음파 전파 손실을 계산하여 해수중 음파전파 특성을 조사하였다. 먼저 난수성 소용돌이가 존재하는 경우 및 존재하지 않은 경우의 각각에 대하여 수중음파의 전파양상을 나타내는 음선도(ray diagram)를 Fig.
- 그리고 음파전파 수치모델에 의한 수중음파 전파손실의 계산결과를 전파손실 측정결과와 비교하여 수치모델 계산결과의 유효성을 확인하였다. 난수성 소용돌이가 존재하는 경우 소용돌이의 중심 부근에 위치한 음원에서 발생된 음파가 소용돌이의 가장자리를 향해 전파할 때 음선(acoustic ray) 및 전파손실을 각각 계산하였다. 그리고 동일한 조건에서 소용돌이의 가장자리에 위치한 음원에서 발생된 음파가 소용돌이의 중심을 향해 전파할 때 음선 및 전파손실을 각각 계산하였다.
- 난수성 소용돌이의 구조 및 규모를 파악하기 위해 Fig. 1에 나타낸 정선상의 EC1~EC9의 9개 정점에서 CTD 관측을 실시하여 수온을 구하였다. 이때 정점간의 간격은 약 18.
- 동해 중부해역에 난수성 소용돌이가 존재할 때 이것이 음파전파에 미치는 영향을 파악하기 위해 음파전파 수치 모델을 사용하여 해수중 저주파 음파의 전파특성을 조사 하였다. 음파전파 수치모델의 계산결과를 검증하는 데에는 1996년도 10월중에 실시한 수중음파 전파실험의 측정 결과를 사용하였다.
- 동해 중부해역에 난수성 소용돌이가 존재할 때 해수중저주파 음파전파에 미치는 소용돌이의 영향을 밝히기 위해 음파전파 수치모델에 의해 음선 및 전파손실을 계산하여 수중음파 전파특성을 조사하였다. 대상해역의 수심은약 1500~2200 m의 범위이었고, 대상으로 한 난수성 소용돌이는 수평방향으로 반경 약 75 km까지 해수중 음속분포에 영향을 미쳤으며, 수직방향으로 해수면으로부터 약 400 m까지 영향을 미쳤다.
- 음파전파 수치모델의 계산결과를 검증하는 데에는 1996년도 10월중에 실시한 수중음파 전파실험의 측정 결과를 사용하였다. 먼저 그 당시에 관측된 난수성 소용돌이의 특성 및 해양환경에 대해 수온 및 수중음속의 분포를 중심으로 고찰하였다. 그리고 음파전파 수치모델에 의한 수중음파 전파손실의 계산결과를 전파손실 측정결과와 비교하여 수치모델 계산결과의 유효성을 확인하였다.
- 소용돌이의 가장자리 부근인 정점 EC9에 위치시킨 연구선에서 해수중에 수신기를 설치하면, 정점 EC9로부터 정점 EC5의 방향으로 정선을 따라 이동하면서 미리 정한 위치에 폭발성 음원을 투하하여 해수중에서 폭발시킴으로써 전파하는 수중음파를 수신해 전파실험을 실시하였다. 음원으로는 TNT 약 0.
- 음원 투하위치와 수신기 위치와의 거리에 따라 수신기에 도달하는 수중음파의 음압진폭이 변하므로 오실로스코프로 수신음파의 파형을 관찰하면서 측정용 증폭기의 이득을 적절히 조절하여 적정한 레벨의 음파신호가 기록되도록 하였다. 수중음파의 전파손실을 구하기 위해 수신한 음파신호를 신호분석기에 의하여 1/3 옥타브대역 (octave band)으로 63~2000 Hz 범위의 16개 중심주파수에서 음향에너지 플럭스밀도(acoustic energy flux density)의 분석값을 구하였다. 이때 이러한 분석값은 다중경로(multipath)에 따른 음파전파의 영향을 충분히 고려할 수 있도록 약 3.
- 수신기로 수신된 음파신호는 데이터 레코더에 의해 기록되었다. 음원 투하위치와 수신기 위치와의 거리에 따라 수신기에 도달하는 수중음파의 음압진폭이 변하므로 오실로스코프로 수신음파의 파형을 관찰하면서 측정용 증폭기의 이득을 적절히 조절하여 적정한 레벨의 음파신호가 기록되도록 하였다. 수중음파의 전파손실을 구하기 위해 수신한 음파신호를 신호분석기에 의하여 1/3 옥타브대역 (octave band)으로 63~2000 Hz 범위의 16개 중심주파수에서 음향에너지 플럭스밀도(acoustic energy flux density)의 분석값을 구하였다.
- 08 km가 되도록 투하하였다. 이때 수신기를 각각 수심 30 m 및 180 m에 위치시켰고, SUS의 폭발수심을 각각 18 m 및 244 m로 설정하였다. 그리고 연구선을 소용돌이의 중심 부근인 정점 EC5에 위치시켜 수신기를 해수중에 설치하여 동일한 방식으로 수중음파 전파실험을 반복하였다.
- 수중음파의 전파손실을 구하기 위해 수신한 음파신호를 신호분석기에 의하여 1/3 옥타브대역 (octave band)으로 63~2000 Hz 범위의 16개 중심주파수에서 음향에너지 플럭스밀도(acoustic energy flux density)의 분석값을 구하였다. 이때 이러한 분석값은 다중경로(multipath)에 따른 음파전파의 영향을 충분히 고려할 수 있도록 약 3.2초 동안 신호분석기에서 적분하여 얻어지도록 하였다. 그 다음 수신기의 수신감도, 측정용 증폭기의 이득 및 주파수의 대역폭 등을 고려하여 각각의 중심주파수에서 음향에너지 플럭스밀도의 수신레벨을 산출하였다.
- 3(c)는 난수성 소용돌이가 수중음 속에 미치는 영향을 알아보기 위해 소용돌이의 가장자리인 정점 EC9에서의 음속을 기준으로 각 정점에서의 음속과의 차를 구하여 나타낸 것이다. 즉 여기에서는 각 정점에서의 수심별 음속으로부터 정점 EC9에서의 수심별 음속을 뺀 값을 음속차로 하였다.
- 난수성 소용돌이가 존재하는 동해 중부해역에서 1996년도 10월 하순에 수중음파 전파실험을 실시하였다. 해수면의 수온분포를 나타내는 인공위성 사진으로부터 난수성 소용돌이의 대략적인 위치를 확인한 후 소용돌이를 관통하도록 정선을 설정하였으며, 이 정선의 전체거리는 약 150 km가 되도록 하였다. Fig.
대상 데이터
- 난수성 소용돌이가 존재하는 동해 중부해역에서 1996년도 10월 하순에 수중음파 전파실험을 실시하였다. 해수면의 수온분포를 나타내는 인공위성 사진으로부터 난수성 소용돌이의 대략적인 위치를 확인한 후 소용돌이를 관통하도록 정선을 설정하였으며, 이 정선의 전체거리는 약 150 km가 되도록 하였다.
- 소용돌이의 가장자리 부근인 정점 EC9에 위치시킨 연구선에서 해수중에 수신기를 설치하면, 정점 EC9로부터 정점 EC5의 방향으로 정선을 따라 이동하면서 미리 정한 위치에 폭발성 음원을 투하하여 해수중에서 폭발시킴으로써 전파하는 수중음파를 수신해 전파실험을 실시하였다. 음원으로는 TNT 약 0.82 kg이 장전된 SUS(signals underwater sound)를 사용하였다. 이러한 음원을 약 2.
- 동해 중부해역에 난수성 소용돌이가 존재할 때 이것이 음파전파에 미치는 영향을 파악하기 위해 음파전파 수치 모델을 사용하여 해수중 저주파 음파의 전파특성을 조사 하였다. 음파전파 수치모델의 계산결과를 검증하는 데에는 1996년도 10월중에 실시한 수중음파 전파실험의 측정 결과를 사용하였다. 먼저 그 당시에 관측된 난수성 소용돌이의 특성 및 해양환경에 대해 수온 및 수중음속의 분포를 중심으로 고찰하였다.
이론/모형
- 해수중을 전파하는 수중음파의 전파특성을 조사하기 위해 거리종속 음향모델(range-dependent acoustic model)인 HARCAM(Hodgson And RAM Composite Acoustic Model)을 사용하여 음선을 계산하였고, 저주파 수중음파의 전파 손실을 계산하였다. 이때 수치모델의 입력자료로서 수중음속은 실제로 관측된 자료를 사용하였다.
성능/효과
- 이것은 난수성 소용돌이에 의해 해수중 음속변동을 많이 일으키는 부분에서 소용돌이의 유무에 의한 음파굴절의 변동이 심하게 발생하기 때문으로 생각된다. 결론적으로 음파의 전파경로도인 음선도에 의하면, 난수성 소용돌이는 음파굴절에 영향을 미치고 있었고, 따라서 수중음파의 전파에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 난수성 또는 냉수성 소용돌이가 음파 수렴대에 미치는 영향에 관한 타 연구자들의 연구결과에 의하면, 소용돌이는 음속구조를 변동하게 하여 음파굴절에 영향을 미쳐서 음파 수렴대의 위치, 간격 및 폭 등을 약간 변동시키는 것으로 보고되고 있다(Lawrence 1983; Mellberg et al.
- 대상해역의 수심은약 1500~2200 m의 범위이었고, 대상으로 한 난수성 소용돌이는 수평방향으로 반경 약 75 km까지 해수중 음속분포에 영향을 미쳤으며, 수직방향으로 해수면으로부터 약 400 m까지 영향을 미쳤다. 그 결과 난수성 소용돌이가 있는 경우와 없는 경우에 대해 음파전파 경로인 음선의 분포는 약간 다르게 나타났다. 이러한 현상은 난수성 소용돌이의 가장자리로부터 난수성 소용돌이의 중심을 향해 수중음파가 전파하는 경우보다 난수성 소용돌이의 중심으로부터 난수성 소용돌이의 가장자리를 향해 수중음파가 전파하는 경우에서 더욱 현저하였다.
- 음원수심 244 m인 경우가 음원수심 18 m인 경우보다 난수성 소용돌이의 유무에 따른 수중음파 전파 손실의 차가 크게 변동하였다. 그리고 난수성 소용돌이의 가장자리로부터 난수성 소용돌이의 중심을 향해 수중음파가 전파할 때보다 난수성 소용돌이의 중심으로부터 난수성 소용돌이의 가장자리를 향해 수중음파가 전파할 때 전파손실의 차가 크게 변동하였다.
- 즉 음원수심 244 m 및 수신기수심 180 m의 경우가 전파손실의 측정값 및 계산값이 가장 작게 분포하여 음파 전파가 가장 양호하였고, 음원수심 18 m 및 수신기수심 30 m의 경우가 전파손실의 측정값 및 계산값이 가장 크게 분포하여 음파전파가 가장 불량하였다. 그리고 소용돌이의 내부로부터 소용돌이의 외부를 향해 수중음파가 전파하는 경우의 전파손실 측정값 및 계산값은 소용돌이의 외부로부터 소용돌이의 내부를 향해 수중음파가 전파하는 경우의 전파손실 측정값 및 계산값보다 대체로 약간 작게 나타나는 경향을 보였다.
- 10의 전파손실 분포도에서도 음원수심 18 m일 때 모든 수중음파는 해저면에서 반사하면서 전파하였으나, 음원수심이 244 m일때 대부분의 수중음파는 해저면에서 반사하는 일이 없이 해수중에서 굴절하면서 전파하였다. 따라서 음원수심 18 m일 때에는 모든 수중음파가 해저면과 상호작용을 하므로 해저손실을 입으면서 전파하여 전파손실이 크게 분포하였지만, 음원수심 244 m일 때에는 일부분의 수중음파가 해저면과 상호작용이 없이 해저손실을 입지 않고 전파하여 전파손실이 비교적 작게 분포하였다.
- 6에 의하면, 전파손실 계산값의 분포는 측정값의 분포와 대체로 일치하는 경향을 보였다. 따라서 음파전파 수치모델에 의한 전파손실 계산값이 유효함을 확인할 수 있었다. 그러나 부분적으로 전파손실의 계산값이 측정값과 일치하지 않는 경우도 있었다.
- 즉 수심 약 0~400 m의 범위 이내에서는 난수성 소용돌이가 있는 경우의 수중음파 전파손실은 소용돌이가 없는 경우의 전파손실보다 대체로 크게 나타났으나, 수심 약 400~800 m의 범위 이내에서는 난수성 소용돌이가 있는 경우의 수중음파 전파손실은 소용돌이가 없는 경우의 전파손실보다 대체로 작게 나타났다. 또한 소용돌이의 가장자리로부터 소용돌이의 중심을 향해 수중음파가 전파할 때보다 소용돌이의 중심으로부터 소용돌이의 가장 자리를 향해 수중음파가 전파할 때 전파손실의 차가 크게 변동하였다.
- 1987) 등에서 음파전파에 미치는 소용돌이의 영향에 관한 연구가 활발히 수행되었다. 이들 결과에 의하면, 난수성 또는 냉수성 소용돌이는 음파전파 양상을 크게 변경시킬 정도로 음파전파에 지대한 영향을 미쳤고, 특히 음파 수렴대(convergence zone)의 위치, 간격 및 폭 등 수렴대의 특성에 큰 영향을 미쳤으며, 전파손실(propagation loss)의 분포를 상당한 정도로 변경시켰다. 그러나 이러한 연구들의 대부분은 수심이 5000 m 이상인 해역에서 수행되었기 때문에 해저로부터의 음파반사를 고려할 필요가 없이 해수중에서 굴절하면서 전파하는 음파만을 고려하는 전파환경에서 수행되었으므로 울릉도 주변해역의 전파환경과는 다른 환경이었다.
- 전체적으로 해수면으로부터 수심 약 400 m까지에서는 정점에 따라 음속구조가 서로 다르게 나타나고 있었는데, 이것은 난수성 소용돌이의 영향에 의한 것으로 생각된다. 즉 난수성 소용돌이의 중심 부근으로 갈수록 동일한 수심에서 수중음속은 증가하는 경향을 나타내었다.
- 전체적으로 해수면으로부터 수심 약 400 m까지에서는 정점에 따라 음속구조가 서로 다르게 나타나고 있었는데, 이것은 난수성 소용돌이의 영향에 의한 것으로 생각된다. 즉 난수성 소용돌이의 중심 부근으로 갈수록 동일한 수심에서 수중음속은 증가하는 경향을 나타내었다. 그리고 수심 약 400 m부터 해저면까지의 사이에서는 정점에 관계 없이 음속구조가 거의 동일하게 나타나고 있었다.
- 특히 음원수심 244 m인 경우 해수면으로부터 수심 약 400 m의 범위 이내에서는 전파손실의 차가 양으로 분포 하는 영역이 넓게 나타났으나, 수심 약 400~800 m의 범위이내에서는 전파손실의 차가 음으로 분포하는 영역이 넓게 나타났다. 즉 수심 약 0~400 m의 범위 이내에서는 난수성 소용돌이가 있는 경우의 수중음파 전파손실은 소용돌이가 없는 경우의 전파손실보다 대체로 크게 나타났으나, 수심 약 400~800 m의 범위 이내에서는 난수성 소용돌이가 있는 경우의 수중음파 전파손실은 소용돌이가 없는 경우의 전파손실보다 대체로 작게 나타났다. 또한 소용돌이의 가장자리로부터 소용돌이의 중심을 향해 수중음파가 전파할 때보다 소용돌이의 중심으로부터 소용돌이의 가장 자리를 향해 수중음파가 전파할 때 전파손실의 차가 크게 변동하였다.
- 0 m/s이었다. 즉 음속차의 최대값은 소용돌이의 중심 부근으로 갈수록 깊은 수심에서 나타났으며, 또한 음속차의 최대값도 점점 커지는 경향을 보였다.
- 이들 그림에 의하면, 전파손실의 측정값 및 계산값은 음원 수심 및 수신기수심이 깊어질수록 작아지는 경향을 보였다. 즉 음원수심 244 m 및 수신기수심 180 m의 경우가 전파손실의 측정값 및 계산값이 가장 작게 분포하여 음파 전파가 가장 양호하였고, 음원수심 18 m 및 수신기수심 30 m의 경우가 전파손실의 측정값 및 계산값이 가장 크게 분포하여 음파전파가 가장 불량하였다. 그리고 소용돌이의 내부로부터 소용돌이의 외부를 향해 수중음파가 전파하는 경우의 전파손실 측정값 및 계산값은 소용돌이의 외부로부터 소용돌이의 내부를 향해 수중음파가 전파하는 경우의 전파손실 측정값 및 계산값보다 대체로 약간 작게 나타나는 경향을 보였다.
- 10에 의하면, 난수성 소용돌이의 유무에 따라 전파손실의 분포가 약간 다르게 나타났다. 특히 이러한 현상은 Fig. 7 및 Fig. 8의 결과와 같이 소용돌이의 가장자리로부터 소용돌이의 중심 부근을 향해 수중음파가 전파할 때보다 소용돌이의 중심 부근으로부터 소용돌이의 가장자리를 향해 수중음파가 전파할 때 더욱 현저하였다. 그리고 동일한 조건일 때 음원수심 244 m인 경우가 음원 수심 18 m인 경우보다 이러한 현상이 더욱 현저하게 나타났다.
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