[논문]여름철 제주 남부해역에서 내부 조석에 의한 음파 전달손실의 시간적 변화 모의실험

김주호; 김한수; 팽동국; 방익찬

doi:10.7776/ask.2015.34.1.012

여름철 제주 남부해역에서 내부 조석에 의한 음파 전달손실의 시간적 변화 모의실험
Simulation of Temporal Variation of Acoustic Transmission Loss by Internal Tide in the Southern Sea of Jeju Island in Summer 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.1, 2015년, pp.12 - 19

김주호 (제주대학교 해양시스템공학과) , 김한수 (제주대학교 해양시스템공학과) , 팽동국 (제주대학교 해양시스템공학과) , 방익찬 (제주대학교 지구해양과학과)

초록
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여름철 제주 남부해역에서 내부조석에 의한 음향특성 변화를 실측 자료와 모의실험을 통해 연구하였다. 이를위해 서귀포 인근 해역의 수심 80 m 내외인 두 정점에서 2009년 7월 27일과 28일에 걸쳐 25시간동안 한 시간 간격으로 수심별 수온을 측정하였다. 그 결과 조석에 의해 해수 상층부의 등수온선이 약 10 m이상 반일주기로 변하는 현상이 관측되었다. 이로 인한 음파전달손실의 시간적 변화를 확인하기 위해 음원을 수심 10 m에 두고 거리 3.8 km 떨어진 두 관측 정점 사이에서 음파전달을 모의하였다. 중심주파수 100 Hz인 1/3 옥타브 밴드의 경우 특정 수심 및 거리에서 반일주기가 지배적 이었으나 1 kHz의 경우는 반일주기 성분이 거의 나타나지 않고 복잡한 변화를 보였다. 음원에서 거리 2.8 km떨어진 지점에서 시간에 따른 전달손실 변화의 표준편차는 중심주파수 100 Hz의 경우 수심에 따라 최대 4.2 dB 였으며, 1 kHz의 경우 최대 3.7 dB인 것으로 나타났다. 탐지성능 60 dB를 고려한 탐지거리를 분석한 결과 두 중심주파수 경우 모두 반일주기 변화가 나타났으며 최대 1.0 km 미만의 변화를 나타냈다. 이러한 결과는 차후 제주 남부해역의 음향 특성 실험 및 연구 수행 시 전달손실의 시변동성에 대해 고려할 필요가 있음을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, temporal variations of acoustic transmission loss (TL) affected by internal tide are studied by computer simulation using oceanic data measured in the southern sea of Jeju Island in summer. Temperature was measured with depth (bottom depth are nearly 80 m) in two sites near Seogwipo coast every one hour for 25 hours during July 27 and 28, 2009. The periodic fluctuation of temperature due to the internal tide was observed and its vertical displacement was more than 10 m. In order to investigate temporal variation of TL by internal tide, acoustic propagation between two measurement sites (3.8 km distance) was simulated with a source depth of 10 m. TL variation for 1/3 octave band of 100 Hz center frequency highly coincided with tidal period but more complex variation with indistinct tidal period was observed for 1 kHz. Maximun standard deviation of TL variation was 4.2 dB for 100 Hz at 2.8 km distance from a source and it was 3.7 dB for 1 kHz. The tidal variation was also shown in detection range and its maximum variance was less than 1 km. These results imply that temporal variation of TL should be considered for acoustic researches at the southern sea of Jeju Island.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 제주 남부 해역에서 해수 유동의 시간적 변화가 조석에 의해 지배적인 영향을 받는다고 할 때, 음향특성의 시변동성에 대한 연구는 그 필요성이 크다고 볼 수 있다. 따라서 본 논문은 여름철 제주 남부해역에서 조석에 의한 음향특성의 시간적 변화를 실측 환경자료와 음파전달 모의실험을 통해 분석해 본다.
본 연구는 음원의 위치가 고정되어 있고 전방향성을 가지며 수신시스템의 수신감도가 일정하다는 가정 하에 순전히 내부조석에 의한 음파전달 변화가 전달손실변화에 미치는 영향에 대해 모의실험을 통해 연구하였다. 따라서 실제 해양에서 음파신호 측정 시 여러 가지 요소로 인한 오차들의 발생 및 변동에 비해 조석에 의한 전달손실 변화의 영향이 미약할 수 도 있다.
이러한 결과의 원인을 분석하기 위해 특정 시간의 거리에 따른 전달손실을 살펴보았다. Fig.
본 논문에 사용된 수온 및 염분 자료는 실측자료이지만 지음향 자료는 문헌을 참고한 자료로서 실제와 다를 수 있는 여지가 있다. 지음향 인자는 전달손실에 적지 않은 영향을 미치는 요소이므로 지음향인자 변화가 결과에 미치는 영향 대해 간단히 살펴보았다. 반일주기 특성이 뚜렷했던 중심주파수가 100 Hz인 경우에 대해 다른 모든 조건은 같게 두고 해저면 음속과 밀도에 변화를 주어 그 차이에 의한 결과 변화를 살펴보았다.

가설 설정

측정된 자료는 다음과 같은 근거로 내부조석의 주기적 변화가 관찰된 것으로 판단된다. (i) 두 정점에서 수온의 변동은 조석에 의한 해수면 변동의 주기와 위상이 거의 일치한다. (ii) 등수온선 변동의 진폭은 해수면 변동에 비해 크며 최대 약 10 m 이상 변화하여 내부조석의 특성을 잘 나타낸다.
7 km 떨어진 r_m까지는 수심 60 m까지 점점 감소하다가 다시 증가한다. 선형 보간법(linear interpolation)을 이용해 세 점을 잇는 해저면을 구성하였으며, 해수면과 해저면 모두 매끄러운 표면을 갖는다고 가정하였다. 해당 정점의 해저성분은 소량자갈함유 니질모래(slightly gravelly muddy sand)이며 조성자료를 기반으로 밀도 ρ_b는 1800 kg/m³, 음속 c_b는 1650 m/s, 감쇠계수 α₁는 0.
음원은 수심 10 m에 있다고 가정하였으며 시간에 따른 수온변화가 뚜렷했던 A2 정점으로부터 A1 정점으로 음파가 전달된다고 가정하였다. 또한 내부조석에 의한 음파전달 변화가 소나 탐지결과에 미치는 영향을 알아보기 위해 탐지성능 60 dB에 대한 탐지거리의 시간변화를 살펴보았다.
해당 정점의 해저성분은 소량자갈함유 니질모래(slightly gravelly muddy sand)이며 조성자료를 기반으로 밀도 ρb는 1800 kg/m3, 음속 cb는 1650 m/s, 감쇠계수 α1는 0.8 dB/λ로 가정하였다.

제안 방법

54° E 이다. CTD(Conductivity-Temperature-Depth profiler)를 이용하여 2009년 7월 27일과 28일, 이틀에 걸쳐 25시간 동안 1시간 간격으로 수온과 염분을 측정하였다. A1 정점에서는 한국 표준시간(Korea Standard Time, KST)으로 7월 27일 오전 10시부터 28일 오전 11시 까지, A2 정점에서는 7월 27일 오후 1시부터 28일 오후 3시까지 각각 측정되었다.
0 dB/λ으로 선형적으로 증가하도록 두어 반무한 공간(half space)을 형성하였다.^[17]수온 수직분포도 해저면의 경우와 같이 보간법을 이용하여 두 정점사이의 연속적인 수온변화를 고려하였다.
[19]의 연구 방법을 참고하여 소음원이 표층 부근에 위치하는 두 가지 경우를 고려하였으며 200 Hz 미만의 영역에 해당하는 수중 소음을 모의하기 위해 100 Hz를, 200 Hz 이상의 영역을 위해 1 kHz를 음원의 중심주파수(f_c)로 각각 선정 하였다. 또한 1/3 옥타브 밴드 분석을 위해 옥타브 양 단 # 사이를 선형 균등하게 24개로 주파수로 나누어 모델링을 수행한 후 주파수 및 공간 평균 전달 손실을 계산하였다.
[7-12] 본 논문은 이전 연구들의 연구방법들을 참고하여 제주 남부해역에서 조석에 의한 수온 변화 와이로 인한 음파 전달손실의 시간변화를 분석하였다. 이를 위해 전달손실 변화의 거리 별, 수심 별, 음원의 주파수 별 주기 및 변화량 그리고 전달손실 변화에 의한 탐지거리 변화를 분석하였다.
또한 1/3 옥타브 밴드 분석을 위해 옥타브 양 단 # 사이를 선형 균등하게 24개로 주파수로 나누어 모델링을 수행한 후 주파수 및 공간 평균 전달 손실을 계산하였다.
음원은 수심 10 m에 있다고 가정하였으며 시간에 따른 수온변화가 뚜렷했던 A2 정점으로부터 A1 정점으로 음파가 전달된다고 가정하였다. 또한 내부조석에 의한 음파전달 변화가 소나 탐지결과에 미치는 영향을 알아보기 위해 탐지성능 60 dB에 대한 탐지거리의 시간변화를 살펴보았다.
지음향 인자는 전달손실에 적지 않은 영향을 미치는 요소이므로 지음향인자 변화가 결과에 미치는 영향 대해 간단히 살펴보았다. 반일주기 특성이 뚜렷했던 중심주파수가 100 Hz인 경우에 대해 다른 모든 조건은 같게 두고 해저면 음속과 밀도에 변화를 주어 그 차이에 의한 결과 변화를 살펴보았다. 이때 Fig.
^[7-12]본 논문은 이전 연구들의 연구방법들을 참고하여 제주 남부해역에서 조석에 의한 수온 변화 와이로 인한 음파 전달손실의 시간변화를 분석하였다. 이를 위해 전달손실 변화의 거리 별, 수심 별, 음원의 주파수 별 주기 및 변화량 그리고 전달손실 변화에 의한 탐지거리 변화를 분석하였다.
전달손실 변화를 살펴보기위해 측정된 자료를 통해 계산된 음속 수직분포와 문헌자료 등의 해저지형 및 지음향인자를 이용하여 음파전달 모의실험을 수행하였다.^[15,16] 음파전달 모델은 RAM모델을 사용하였다.
제주 남부 해역 음향 특성의 시간변화를 관찰하기 위해 서귀포 인근 해역의 두 정점을 선정하여 수온과 염분을 측정하였다(Fig. 1). 편의상 두 정점을 A1, A2라 할 때 A1과 A2의 위-경도는 각각 32.

이론/모형

[15,16] 음파전달 모델은 RAM모델을 사용하였다.^[17] 수온 측정 시 함께 측정된 A1, A2 두 정점의 평균 수심 d_A1,d_A2는 각각 74.
2는 측정 시간 동안 해수면 변동과 수심 40 m 이내의 등수온선 변화를 나타낸 그림이다. 해수면 변동은 서귀포 항 내의 조위관측소 기준으로 예측된 값으로 국립해양조사원에서 제공하고 제주특별자치도 해양수산연구원 해양수산자원연구과에서 관리하는 서귀포지역 조석예보표를 참고하였으며^[13] 등수온선 변화는 CTD를 이용해 측정된 자료이다.

성능/효과

(i) 두 정점에서 수온의 변동은 조석에 의한 해수면 변동의 주기와 위상이 거의 일치한다. (ii) 등수온선 변동의 진폭은 해수면 변동에 비해 크며 최대 약 10 m 이상 변화하여 내부조석의 특성을 잘 나타낸다.^[14]
이 경우 음원 근방 1 km 이내를 포함한 공간에서 시간변화에 따른 음파전달 변화를 비교적 잘 관찰 할 수 있다. 27일 15시경 해저면 방향으로 굴절 되어 반사되는 음파와 함께 보강 간섭을 일으켜 특정 공간에서 비교적 낮은 전달손실을 나타내고 있던 음파가 6 시간 후에는 굴절이 약화되고 일부 음파는 표층채널을 통해 빠져나가면서 해수층의 전반적인 간섭패턴이 변화되고 에너지가 고루 분산되는 것을 확인할 수 있다. 이 점은 수심이 10 m이고 거리가 약 1 km, 2 km, 3 km인 곳에서 잘 관측 된다.
[5] 수온의 변화는 음파전달에 직접적으로 영향을 미치므로, 제주 남부해역에서 조석에 의한 해수 유동이 음향특성의 변화에 어느 정도 영향을 줄 것으로 예상할 수 있다.
같은 방법으로 중심주파수가 1 kHz 인 경우를 살펴보면 음원으로부터 1.4 km 떨어진 지점에서는 수심에 따라 최대 2.2 dB, 최소 1.3 dB의 표준편차를, 2.8km 떨어진 정점에서는 수심에 따라 최대 3.7 dB, 최소 1.0 dB의 표준편차를 갖는 변화가 확인되었다[Fig. 8(a), (b)].
여름철 제주 남부해역은 조석에 의한 수온의 시변동성이 크게 나타나는 특징이 있으므로 이에 상응하여 음향특성의 시변동이 발생하게 된다. 본 연구의 결과에 의하면 음원이 수층 상부에 위치할 경우 전달손실이 조석과 같은 반일주기의 주기적 특성을 나타내는 것이 확인되었다. 전달손실의 변화량은 중심주파수 100 Hz 인 음파의 경우 2.
시간에 따른 전달손실 변화량을 정리하여 각 주파수 별 전달손실 변화의 최대/최소 표준편차를 기준으로 Table 1에 나타내었다. 여기서 최대 최소 전달손실의 차이를 살펴보면 음원 중심주파수 100 Hz의 경우 수심에 따라 2.1 ~ 15.2 dB, 1 kHz의 경우 3.7 ~ 17.0dB로 나타나 본 연구에서 측정한 내부 조석과 같은 해양 변화가 발생할 경우 약 12시간 안에 약 2.1 ~ 17.0dB의 전달손실 차이가 발생할 수 있음을 나타낸다.
0 dB로 나타났다. 전달손실의 시간적 변화는 탐지성능에 영향을 미치게 되는데, 100 Hz 와 1 kHz인 경우 모두 조석과 같은 반일주기 특성이 나타나며 최대 탐지거리 변화는 약 1 km 이내로 나타났다.

후속연구

본 논문에 사용된 수온 및 염분 자료는 실측자료이지만 지음향 자료는 문헌을 참고한 자료로서 실제와 다를 수 있는 여지가 있다. 지음향 인자는 전달손실에 적지 않은 영향을 미치는 요소이므로 지음향인자 변화가 결과에 미치는 영향 대해 간단히 살펴보았다.
또한 해양 환경 측정은 현실적, 환경적 제약이 크므로 연속적인 조사가 어려운 측면이 있으므로 특별한 목적의 연구를 위한 실험이 아니고서는 일회성으로 그치는 경우가 많으나, 물리량의 시변동성이 큰 해역, 특히 천해 환경이며 조석의 영향이 큰 해역에서의 음향특성 분석은 내부조석에 의한 음파전달 시변동성의 영향을 고려해야 할 필요성이 있다고 생각된다. 본 논문의 결과는 조석이 나타나는 해역의 음향특성 분석 시 해수의 물리적 시변동성을 고려할 필요성에 대한 근거자료로서 뿐만 아니라 차후 제주 남부해역의 음향특성에 대한 연구자료로서 활용될 수 있을 것이다.
따라서 실제 해양에서 음파신호 측정 시 여러 가지 요소로 인한 오차들의 발생 및 변동에 비해 조석에 의한 전달손실 변화의 영향이 미약할 수 도 있다. 특히 수온변동이 적은 수층 하부에 소음원이 위치하는 경우 조석의 영향이 본 논문의 경우에 비해 미약할 수 있을 것으로 보이며 이에 대한 추가적인 분석이 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해수의 수온변화는 어떻게 발생하나?	한편, 해수의 수온변화는 태양의 일사량 변화 이외에도 조석에 의한 수층의 수직운동으로 인해 발생하는데, 제주 남부해역에 위치한 이어도에서는 조석에 의한 수온의 일변화가 수온약층이 발달하는 10 ~20 m 사이에서 크게 나타나며, 5월 이후부터 증가하여 여름철에 가장 큰 변화폭을 나타난다.[5] 수온의 변화는 음파전달에 직접적으로 영향을 미치므로, 제주 남부해역에서 조석에 의한 해수 유동이 음향특성의 변화에 어느 정도 영향을 줄 것으로 예상할 수 있다.
	제주도에 영향을 미치는 복잡한 해수 유동 중 조석의 유동방향은?	이 중 조석은 제주해역을 포함한 남해의 해수 유동을 일으키는 가장 큰 기작 중의 하나이다.[1-3] 제주도의 북쪽에는 북에서 동으로 이어지는 수심 100 m 이상의 넓은 골이 형성되어 있는데, 조석파는 이 골을 남동에서 북서 방향으로 진행한다. 일반적으로 조석의 크기는 제주 북부보다 남부에서 다소 크게 나타나는데, 특히 서귀포에서 최대 조차를 나타낸다.
	제주도 주변 해역의 특징은?	제주도 주변 해역은 한국남해와 황해 그리고 동중국해와 접하고 있으며 대마난류, 조석, 저염분수 유입 등에 의한 복잡한 해수 유동이 존재하는 해역이다. 이 중 조석은 제주해역을 포함한 남해의 해수 유동을 일으키는 가장 큰 기작 중의 하나이다.

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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].

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