해양 배경 소음 하의 수신 특성 안정화를 위한 원통형 하이드로폰 배열의 개념 설계 Conceptual Design of Cylindrical Hydrophone Arrays for Stabilization of Receiving Characteristics under Ocean Ambient Noise원문보기
수중 음향 감시 체계는 하이드로폰 배열을 이용하여 적함을 실시간으로 탐지하고 그 위치를 추적하는데, 해저 고정형 센서 배열은 이러한 감시 체계에 있어 중추적 역할을 수행한다. 본 연구에서는 천해 환경을 고려한 해저 고정형 원통형 하이드로폰 배열의 개념 설계를 유한요소해석을 통하여 수행하였다. 해양 배경 소음 하에서의 수신 특성 안정화를 위하여 금속 차단막을 이용한 배경 소음 스펙트럼 준위의 백색화 기법을 제안하였고, 배열 형상 최적화를 통하여 고각 및 방위각 방향의 지향성을 확보하였다. 나아가 소나돔의 형상과 재질에 따른 구조 진동 및 음향 산란 특성을 고찰하였다. 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향적 투명화를 통하여, 해당 주파수 범위에 걸쳐 4 dB 이내의 감도 편차를 갖는 강건한 수신 특성의 하이드로폰 배열을 도출할 수 있음을 보였다.
수중 음향 감시 체계는 하이드로폰 배열을 이용하여 적함을 실시간으로 탐지하고 그 위치를 추적하는데, 해저 고정형 센서 배열은 이러한 감시 체계에 있어 중추적 역할을 수행한다. 본 연구에서는 천해 환경을 고려한 해저 고정형 원통형 하이드로폰 배열의 개념 설계를 유한요소해석을 통하여 수행하였다. 해양 배경 소음 하에서의 수신 특성 안정화를 위하여 금속 차단막을 이용한 배경 소음 스펙트럼 준위의 백색화 기법을 제안하였고, 배열 형상 최적화를 통하여 고각 및 방위각 방향의 지향성을 확보하였다. 나아가 소나돔의 형상과 재질에 따른 구조 진동 및 음향 산란 특성을 고찰하였다. 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향적 투명화를 통하여, 해당 주파수 범위에 걸쳐 4 dB 이내의 감도 편차를 갖는 강건한 수신 특성의 하이드로폰 배열을 도출할 수 있음을 보였다.
An underwater sound surveillance system detects and tracks enemy ships in real-time using hydrophone arrays, in which seabed-mounted sensor arrays play a pivotal role. In this paper the conceptual design of seabed-mounted, cylindrical hydrophone arrays for use in shallow coastal waters is performed ...
An underwater sound surveillance system detects and tracks enemy ships in real-time using hydrophone arrays, in which seabed-mounted sensor arrays play a pivotal role. In this paper the conceptual design of seabed-mounted, cylindrical hydrophone arrays for use in shallow coastal waters is performed via finite element calculations. To stabilize the receiving characteristics under the ocean ambient noise, a technique for whitening the ambient noise spectrum using a metal baffle is proposed. Optimization of the array configuration is performed to achieve the directivity in the vertical and azimuthal directions. And the effects of the sonar dome shape and material on the structural vibration and sound scattering properties are studied. It is demonstrated that a robust hydrophone array, having a sensitivity deviation less than 4 dB over the frequency range of interest, can be obtained through the whitening of the ambient noise, the optimization of the array configuration, and the design of acoustically transparent sonar domes.
An underwater sound surveillance system detects and tracks enemy ships in real-time using hydrophone arrays, in which seabed-mounted sensor arrays play a pivotal role. In this paper the conceptual design of seabed-mounted, cylindrical hydrophone arrays for use in shallow coastal waters is performed via finite element calculations. To stabilize the receiving characteristics under the ocean ambient noise, a technique for whitening the ambient noise spectrum using a metal baffle is proposed. Optimization of the array configuration is performed to achieve the directivity in the vertical and azimuthal directions. And the effects of the sonar dome shape and material on the structural vibration and sound scattering properties are studied. It is demonstrated that a robust hydrophone array, having a sensitivity deviation less than 4 dB over the frequency range of interest, can be obtained through the whitening of the ambient noise, the optimization of the array configuration, and the design of acoustically transparent sonar domes.
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문제 정의
II장의 단위 소자 해석 결과를 바탕으로 센서 배열의 개념 설계를 위하여 2차원 및 3차원 모델을 구성하였다. 2차원 해석은 수신 배경 소음 준위의 백색화를 저해하지 않는 범위에서 고각 방향의 지향성을, 3차원 해석은 방위각 방향의 지향성을 얻는 것을 목적으로 한다. 실제 운용 측면에서 원통형 배열 내 모든 하이드로폰에 대해 별개의 채널을 할당하여 신호를 처리하는 방식은 그 계산량이 상당하다.
[7] 본 연구에서는 소나돔의 자세한 설계에 초점을 맞추기보다, 소나돔의 형상 및 재질의 변화가 원통형 센서 배열의 수신감도에 미치는 영향을 살펴보는 것에 중점을 두고자 한다.
다음으로는 소나돔의 재질에 따른 수신 특성의 변화를 살펴보기 위한 해석을 수행하였다. 비교 대상으로는 보편적인 소나돔의 재료로서 CRP와 GRP를 선정하였으며, 앞서 이용한 아치형 소나돔 형상을 고려하였다.
배경 소음의 백색화를 위해 +5 dB/octave의 특성을 갖는 고역 필터(high-pass filter)를 이용하여 전기적으로 배경 소음의 백색화를 구현할 수 있지만, 이 경우 고주파주 성분의 전기 잡음도 함께 증폭되어 탐지 성능을 저하시킨다. 따라서 본 연구에서는 단위 센서 후방에 차단막을 설치하여 기계적으로 배경 소음 준위의 백색화를 구현하는 기법을 고려한다.
이를 위해 더 정밀한 주파수 분석은 물론, 구조 진동의 저감을 위한 추가 설계 요소를 도입해야 한다. 또한 제작 및 운용 측면을 고려하여 교체가 용이한 센서의 고정 구조 및 케이블 구성 등의 추가 요소가 반영된 상세 설계를 수행하고, 다양한 탐지 환경에 대해 작동이 가능한 신호처리 기법을 적용해 보고자 한다.
본 논문에서는 수중 음향 감시 체계에 적용 가능한 해저 고정형 원통형 센서 배열의 개념 설계, 특히 천해 환경 배경 소음 하의 수신 특성 안정화를 위한 3대 요소로서 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향적 투명화에 주안점을 두었다. 해양 배경 소음 신호가 주파수에 따라 일정한 스펙트럼 준위를 갖도록 하는 단위 소자의 목표 감도 특성을 선정하고, 이를 구현하기 위해 센서 후방에 금속 차단막을 배치하는 구조를 제안하여, 주파수가 증가할수록 감도가 약 5 dB/octave로 증가하는 수신 특성을 도출하였다.
본 논문에서는 음향 감시 체계에 적용 가능한 해저 고정형 음향 센서 배열의 개념 설계를 위해 원통형 센서 배열을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 특히, 해양 배경 소음 하에서 앞서 언급한 수신 특성 안정화의 3대 요소인 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향학적 투명화를 구현하는데 주안점을 두었다. II장에서는 배경 소음 준위의 백색화를 위한 차단막의 개념 설계에 대해 기술한다.
가설 설정
2차원 모델에서는 z축 방향으로 유한한 길이의 철제 차단막 및 그와 동일한 길이의 전처리기 형상을 구성하였다. 1차원 해석과 마찬가지로 전처리기는 알루미늄 재질의 케이싱과 내부의 공기 충진부로 구성했으며, 각 하이드로폰은 자유 음장에서의 값을 기준으로 주파수에 따라 일정한 감도를 갖는 점 센서로 가정하고 단일 스테이브의 감도를 상대적으로 계산하였다. 여기서 II장의 1차원 해석으로부터 도출된 10 mm의 철제 차단막 두께와 15 mm의 하이드로폰-차단막 이격 거리를 반영하였으며, 전처리기의 형상으로는 4 mm의 알루미늄 케이싱 두께와 50 mm의 공기 충진부 두께를 선정하였다.
입사파로는 0°의 고각으로 입사하는 평면파를 가정하였으며, 주파수 영역에서 해석을 수행하였다.
차단막 앞쪽에 위치한 하이드로폰은 주파수에 따라 일정한 수신 전압 감도(Receiving voltage sensitivity, RVS)를 갖는 점 센서(point sensor)로 가정하였다. 자유 음장에서의 하이드로폰 감도를 기준으로 전체 단위 소자의 상대적인 감도를 계산하는 방법을 취하였다.
자유 음장에서의 하이드로폰 감도를 기준으로 전체 단위 소자의 상대적인 감도를 계산하는 방법을 취하였다. 차단막의 재질로는 Steel AISI 4340을 가정하였다. 전처리기는 차단막의 바로 뒤에 인접하도록 배치하고 알루미늄-공기-알루미늄의 순서로 케이싱 및 공기 충진부를 모델링 하였다.
전처리기는 차단막의 바로 뒤에 인접하도록 배치하고 알루미늄-공기-알루미늄의 순서로 케이싱 및 공기 충진부를 모델링 하였다. 해석 구간의 양 끝단에는 반사가 없는 방사조건을 부여하였고, 양의 x축 방향으로 입사하는 음파를 가정했으며 주파수 영역에서 해석을 수행하였다. 설계 변수로는 철제 차단막의 두께, 하이드로폰과 철제 차단막 간 이격 거리, 전처리기의 알루미늄 케이싱 두께 및 공기 충진부 두께를 선정하였고, 이에 대하여 사례 연구를 수행한 결과를 Fig.
제안 방법
II장의 단위 소자 해석 결과를 바탕으로 센서 배열의 개념 설계를 위하여 2차원 및 3차원 모델을 구성하였다. 2차원 해석은 수신 배경 소음 준위의 백색화를 저해하지 않는 범위에서 고각 방향의 지향성을, 3차원 해석은 방위각 방향의 지향성을 얻는 것을 목적으로 한다.
3 m를 선정하고, 0°의 고각으로 수평 입사하는 평면파를 가정하였다. 계산 과정에서는 수신 빔 형성 등 별도의 신호처리를 포함하지 않았으며, 2차원과 마찬가지로 철제 차단막과 알루미늄 케이싱에 선형 탄성재료 모델을 적용하였다. 입사파의 방위각을 변화시키는 대신 입사 방향을 양의 x축 방향으로 고정한 채 원통면의 둘레 방향을 따라 해당 각도에 위치한 스테이브를 대상으로 감도를 계산하였다.
소나돔 내부의 원통형 센서 배열은 III장의 3차원 해석에 사용한 모델과 같이 500 mm의 개구면에 5개의 센서가 하나의 스테이브를 구성하도록 하였다. 다수의 스테이브를 약 2.3 m의 반경을 갖는 원을 따라 배열하였으며, 해저면에 센서 배열이 배치된 상황을 가정하여 바닥면에 강성 경계 조건을 부여하였다. 입사파로는 0°의 고각으로 입사하는 평면파를 가정하였으며, 주파수 영역에서 해석을 수행하였다.
한반도 주변 해역의 배경 소음 스펙트럼은 앞서 언급한 바와 같이 주파수가 증가함에 따라 약 -5 dB/octave로 감소하는 양상을 보인다. 따라서 수신 배경 소음 준위의 백색화를 위해 수신 감도가 고주파수로 갈수록 약 +5 dB/octave로 증가하는 단위 소자를 설계하도록 한다. Fig.
해양 배경 소음 신호가 주파수에 따라 일정한 스펙트럼 준위를 갖도록 하는 단위 소자의 목표 감도 특성을 선정하고, 이를 구현하기 위해 센서 후방에 금속 차단막을 배치하는 구조를 제안하여, 주파수가 증가할수록 감도가 약 5 dB/octave로 증가하는 수신 특성을 도출하였다. 또한 원통형 배열이 고각 및 방위각 방향으로 양호한 지향성을 갖도록 2차원 및 3차원 해석을 수행하였으며, 소나돔의 형상과 재질이 감도 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 3차원 해석을 수행하였다. 이러한 과정을 통하여 해양 배경 소음 하에서 수신 전압 신호가 해당 주파수 범위에서 4 dB 이내의 편차를 갖도록 원통형 하이드로폰 배열을 설계하였다.
8(b)는 둥근 형태의 아치(arch)형 소나돔이며 그림 중앙의 사각형은 원통형 센서 배열을 나타내고 있다. 먼저 형상에 의한 영향만을 고려하기 위하여 소나돔 재질은 CRP(Carbonfiber Reinforced Plastic)로 통일하였으며, 하단에서 약 3.1 m, 상단에서 약 2.3 m의 반경을 갖고 약 0.63 m의 높이와 20 mm의 두께를 갖는 형태로 모델링하였다. 소나돔 내부의 원통형 센서 배열은 III장의 3차원 해석에 사용한 모델과 같이 500 mm의 개구면에 5개의 센서가 하나의 스테이브를 구성하도록 하였다.
해석 구간의 양 끝단에는 반사가 없는 방사조건을 부여하였고, 양의 x축 방향으로 입사하는 음파를 가정했으며 주파수 영역에서 해석을 수행하였다. 설계 변수로는 철제 차단막의 두께, 하이드로폰과 철제 차단막 간 이격 거리, 전처리기의 알루미늄 케이싱 두께 및 공기 충진부 두께를 선정하였고, 이에 대하여 사례 연구를 수행한 결과를 Fig. 3에 도시하였다.
63 m의 높이와 20 mm의 두께를 갖는 형태로 모델링하였다. 소나돔 내부의 원통형 센서 배열은 III장의 3차원 해석에 사용한 모델과 같이 500 mm의 개구면에 5개의 센서가 하나의 스테이브를 구성하도록 하였다. 다수의 스테이브를 약 2.
수신 감도 계산을 위해 2차원 스테이브 모델을 자유 음장 내에 위치시키고 x축 방향으로 입사하는 평면파를 가정한 후 주파수 영역 해석을 수행하여 수신 감도를 예측하였고, 고각 방향의 지향성 계산을 위하여 1° 간격으로 입사 고각을 변화시키면서 그 결과를 도출하였다.
6과 같이 다수의 스테이브가 원통형 배열을 이루면서 철제 차단막과 전처리기가 원통형 껍질의 형태를 가지는 3차원 모델을 구성하였다. 원통형 센서 배열이 해저면에 고정된 상황을 가정하여 강성 경계(rigid boundary) 조건이 부여된 바닥면에 센서 배열을 배치하였다. 원통형 배열의 반경으로는 2.
여기서 II장의 1차원 해석으로부터 도출된 10 mm의 철제 차단막 두께와 15 mm의 하이드로폰-차단막 이격 거리를 반영하였으며, 전처리기의 형상으로는 4 mm의 알루미늄 케이싱 두께와 50 mm의 공기 충진부 두께를 선정하였다. 위의 조건들을 고정한 채 철제 차단막 및 전처리기의 길이, 즉 개구면의 길이를 300, 400, 500 mm로 변화하면서 사례 연구를 수행하였다. 센서 간의 이격 거리를 100 mm 로 일정하게 유지하면서 300 mm 개구면의 경우 3개, 400 mm의 경우 4개, 500 mm의 경우 5개의 센서를 배치하였다.
따라서 차단막 앞쪽에 위치한 하이드로폰에 형성되는 음압 크기는 주파수가 높아질수록 증가하게 되므로, 자유음장에서의 수신 감도가 주파수에 따라 일정한 하이드로폰을 사용하더라도 단위 소자의 최종 감도는 주파수에 따라 증가하는 양상을 보인다. 이러한 개념의 타당성을 검증하고 이를 바탕으로 목표 수신 감도 특성(+5 dB/octave)을 부여하는 차단막의 개념 설계를 위하여 Fig. 2와 같이 1차원 모델을 구성하였다.
또한 원통형 배열이 고각 및 방위각 방향으로 양호한 지향성을 갖도록 2차원 및 3차원 해석을 수행하였으며, 소나돔의 형상과 재질이 감도 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 3차원 해석을 수행하였다. 이러한 과정을 통하여 해양 배경 소음 하에서 수신 전압 신호가 해당 주파수 범위에서 4 dB 이내의 편차를 갖도록 원통형 하이드로폰 배열을 설계하였다.
5의 실선)을 채택하였다. 이를 연직 방향의 배열 축에 대해 회전시켜 Fig. 6과 같이 다수의 스테이브가 원통형 배열을 이루면서 철제 차단막과 전처리기가 원통형 껍질의 형태를 가지는 3차원 모델을 구성하였다. 원통형 센서 배열이 해저면에 고정된 상황을 가정하여 강성 경계(rigid boundary) 조건이 부여된 바닥면에 센서 배열을 배치하였다.
입사각을 고각 방향으로 1° 간격으로 증가시키면서 단일 스테이브를 통해 감지되는 전기신호의 크기를 정규화하여 나타냈다.
계산 과정에서는 수신 빔 형성 등 별도의 신호처리를 포함하지 않았으며, 2차원과 마찬가지로 철제 차단막과 알루미늄 케이싱에 선형 탄성재료 모델을 적용하였다. 입사파의 방위각을 변화시키는 대신 입사 방향을 양의 x축 방향으로 고정한 채 원통면의 둘레 방향을 따라 해당 각도에 위치한 스테이브를 대상으로 감도를 계산하였다. 해석은 주파수 영역에서 수행되었으며, 이를 통해 음의 x축 방향을 기준으로 각각 0°, 45°, 90°, 180°의 방위각에 위치하는 네 개의 스테이브에 대해 계산된 수신 감도 결과를 Fig.
차단막의 재질로는 Steel AISI 4340을 가정하였다. 전처리기는 차단막의 바로 뒤에 인접하도록 배치하고 알루미늄-공기-알루미늄의 순서로 케이싱 및 공기 충진부를 모델링 하였다. 해석 구간의 양 끝단에는 반사가 없는 방사조건을 부여하였고, 양의 x축 방향으로 입사하는 음파를 가정했으며 주파수 영역에서 해석을 수행하였다.
지금까지 2차원 해석을 통하여 단일 스테이브의 고각 방향의 지향성을 살펴본 반면, 원통형 배열의 방위각 방향의 지향성을 알아보기 위해서 3차원 해석을 수행하였다. 원통형 센서 배열은 축대칭의 구조를 가지고 있기 때문에 전체적인 센서 배열의 관점에서는 방위각 방향으로의 변화가 없다.
센서 간의 이격 거리를 100 mm 로 일정하게 유지하면서 300 mm 개구면의 경우 3개, 400 mm의 경우 4개, 500 mm의 경우 5개의 센서를 배치하였다. 철제 차단막과 전처리기의 알루미늄 케이싱에 대해서는 COMSOL에 포함된 선형 탄성 재료 모델을 적용하여 음향-구조 연성 해석을 수행하였다. 수신 감도 계산을 위해 2차원 스테이브 모델을 자유 음장 내에 위치시키고 x축 방향으로 입사하는 평면파를 가정한 후 주파수 영역 해석을 수행하여 수신 감도를 예측하였고, 고각 방향의 지향성 계산을 위하여 1° 간격으로 입사 고각을 변화시키면서 그 결과를 도출하였다.
본 논문에서는 수중 음향 감시 체계에 적용 가능한 해저 고정형 원통형 센서 배열의 개념 설계, 특히 천해 환경 배경 소음 하의 수신 특성 안정화를 위한 3대 요소로서 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향적 투명화에 주안점을 두었다. 해양 배경 소음 신호가 주파수에 따라 일정한 스펙트럼 준위를 갖도록 하는 단위 소자의 목표 감도 특성을 선정하고, 이를 구현하기 위해 센서 후방에 금속 차단막을 배치하는 구조를 제안하여, 주파수가 증가할수록 감도가 약 5 dB/octave로 증가하는 수신 특성을 도출하였다. 또한 원통형 배열이 고각 및 방위각 방향으로 양호한 지향성을 갖도록 2차원 및 3차원 해석을 수행하였으며, 소나돔의 형상과 재질이 감도 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 3차원 해석을 수행하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 음향 감시 체계에 적용 가능한 해저 고정형 음향 센서 배열의 개념 설계를 위해 원통형 센서 배열을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 특히, 해양 배경 소음 하에서 앞서 언급한 수신 특성 안정화의 3대 요소인 배경 소음 준위의 백색화, 배열 형상 최적화 및 소나돔의 음향학적 투명화를 구현하는데 주안점을 두었다.
다음으로는 소나돔의 재질에 따른 수신 특성의 변화를 살펴보기 위한 해석을 수행하였다. 비교 대상으로는 보편적인 소나돔의 재료로서 CRP와 GRP를 선정하였으며, 앞서 이용한 아치형 소나돔 형상을 고려하였다. 나머지 조건을 이전과 동일하게 유지한채 주파수 영역에서 해석을 수행한 결과를 Fig.
1차원 해석과 마찬가지로 전처리기는 알루미늄 재질의 케이싱과 내부의 공기 충진부로 구성했으며, 각 하이드로폰은 자유 음장에서의 값을 기준으로 주파수에 따라 일정한 감도를 갖는 점 센서로 가정하고 단일 스테이브의 감도를 상대적으로 계산하였다. 여기서 II장의 1차원 해석으로부터 도출된 10 mm의 철제 차단막 두께와 15 mm의 하이드로폰-차단막 이격 거리를 반영하였으며, 전처리기의 형상으로는 4 mm의 알루미늄 케이싱 두께와 50 mm의 공기 충진부 두께를 선정하였다. 위의 조건들을 고정한 채 철제 차단막 및 전처리기의 길이, 즉 개구면의 길이를 300, 400, 500 mm로 변화하면서 사례 연구를 수행하였다.
그러나 각각의 스테이브마다 하나의 채널을 가지고 있으며, 단일 스테이브만을 고려할 경우에는 차단막 등의 구조로 인해 축대칭으로 볼 수 없으므로 입사파의 방위각에 따라 감도의 차이가 존재한다. 이에 대한 해석을 위하여 먼저 2차원 해석으로부터 도출한 500 mm길이의 개구면에 5개의 센서가 배치되는 스테이브모델(Fig. 5의 실선)을 채택하였다. 이를 연직 방향의 배열 축에 대해 회전시켜 Fig.
이론/모형
IV장에서는 소나돔의 음향적 투명화에 대해서 논의하고, V장에서는 전체적인 결론을 내린다. 본 논문의 모든 시뮬레이션은 유한요소해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics(이하 COMSOL)를 이용하여 수행되었다.
성능/효과
Fig. 7(a)로부터 음원이 입사하는 방향을 기준으로 스테이브의 방위각이 작을수록 감도가 크게 나타나는 경향을 확인할 수 있다. 90° 이상의 방위각에서는 입사파가 공기층을 직접적으로 투과하기 어렵기 때문에 매우 낮은 감도가 나타난다.
2차원 해석과 마찬가지로 차단막 및 전처리기에 의한 구조 진동 및 음향 간섭에 의해 수신 감도 그래프의 개형이 1차원 해석의 결과처럼 부드러운 형태로 나타나지 않았지만, 전체적으로는 본 연구에서 목표로 하는 +5 dB/octave의 수신 감도 경향성을 확보할 수 있었다.
[4] 선형 배열에서는 축을 포함하는 평면상에서 기본적으로 지향성이 나타나며, 개구면(aperture) 크기가 커지거나 주파수가 높아질수록 더 좁은 빔 폭을 갖는다.[5] 빔 폭이 좁을수록 스테이브에 수직한 방향, 즉 상대적으로 작은 고각에서 들어오는 신호를 더 크게 감지할 수 있다. 단일 스테이브를 하나의 채널로 구성함으로써 신호처리를 통한 고각 방향으로의 빔 조향이 불가능하다는 단점이 있지만, 천해 환경에서는 탐지하고자 하는 적함이 수심에 비해 상대적으로 전방의 먼 거리에 있기 때문에 고각 방향 빔 조향의 필요성이 크지 않다.
5(b)는 0°의 고각으로 입사하는 평면파에 대해 계산된 단일 스테이브의 수신 감도 결과이다. 고각 방향의 지향성을 얻기 위해 선배열을 구성하였음에도, 약 +5 dB/octave로 증가하는 목표 감도 특성이 그대로 유지됨을 확인하였다. 부분적으로 목표 감도를 벗어나는 부분은 철제 차단막과 알루미늄 케이싱의 탄성을 고려함으로써 발생하는 구조 진동의 영향으로 볼 수 있다.
가장 낮은 주파수를 제외하고는 방위각 0°로 입사파를 마주하고 있는 스테이브의 감도가 더 높게 계산된다. 따라서 낮은 주파수에서는 방위각 방향의 탐지 정확도가 다소 저하되나, 그 외의 모든 주파수에 대해서는 음원이 위치한 방향에서 스테이브의 감도가 크게 나타나기 때문에 이를 이용하여 적함 위치의 방위각을 추정할 수 있음을 확인하였다.
지금까지의 1차원 해석 결과로부터, 본 연구에서 목표로 하는 수신 감도 특성을 만족시키기 위해서는 전처리기 설계보다 철제 차단막의 두께와 하이드로 폰-차단막 간 이격 거리가 더 중요한 설계 변수로서 작용함을 알 수 있다. 또한 10 mm의 철제 차단막 두께와 15 mm의 하이드로폰 이격 거리에 대하여 약 +5 dB/octave 기울기의 수신 감도 특성을 1차원 모델에 대해 도출할 수 있었다.
지금까지의 1차원 해석 결과로부터, 본 연구에서 목표로 하는 수신 감도 특성을 만족시키기 위해서는 전처리기 설계보다 철제 차단막의 두께와 하이드로 폰-차단막 간 이격 거리가 더 중요한 설계 변수로서 작용함을 알 수 있다. 또한 10 mm의 철제 차단막 두께와 15 mm의 하이드로폰 이격 거리에 대하여 약 +5 dB/octave 기울기의 수신 감도 특성을 1차원 모델에 대해 도출할 수 있었다.
하이드로폰과 차단막 간 이격 거리는 15 mm이고, 전처리기 알루미늄 케이싱의 두께는 4 mm, 공기 충진부의 두께는 50 mm로 고정하였다. 철제 차단막의 파장 대비 두께가 증가할 경우, 상대적으로 차단막 전면에 의한 반사 효과가 중요해짐에 따라 수신 감도가 상승하는 경향이 나타났으며, 특히 고주파수의 경우 음압 배가(pressure doubling) 효과에 의해 감도가 6 dB 상승함을 확인하였다. Fig.
[6] 본 연구에서는 해석의 복잡성 및 계산량의 한계로 인해 이러한 PU 적층 모델의 해석을 다루지는 않았으나, 수신 특성 안정화 향상을 위한 노력으로서 추후에 이러한 방법들을 고려할 필요가 있다. 한편 소나돔 설계의 음향 투과 성능은 통상적으로 2 dB이하의 손실을 목표로 하고 있으며, 위의 해석 결과로부터 소나돔 유무에 따른 수신 감도를 비교했을 때 형상에 관계없이 소나돔에 의한 수신 감도의 저하가 일반적인 목표치를 만족하고 있음을 알 수 있다.
10의 실선 그래프는 이전과 마찬가지로 소나돔이 없는 경우이며, 두 종류의 파선은 각각 아치형 소나돔의 재질로서 CRP와 GRP를 이용한 경우를 나타내고 있다. 형상에 따른 감도 변화와 마찬가지로 전체적인 경향은 목표 수신 특성과 유사한 형태를 보이고 있지만, 두 재료 모두에 대해 소나돔의 구조 진동 및 음향 간섭에 의한 수신 특성의 불안정성이 부분적으로 나타났다. 소나돔의 재질에 따른 수신감도의 차이가 거의 없기 때문에, 음향학적 측면에서는 CRP와 GRP가 비슷한 특성을 가지고 있다고 할 수 있다.
후속연구
이를 해결하기 위해서는 진동 감쇠재 역할을 하는 PU(polyurethane) 재료를 소나돔 표면에 적층함으로써 투과 성능 면에서 약간의 손해를 봄과 동시에 진동의 영향을 감소시키는 방안을 적용할 수 있다.[6] 본 연구에서는 해석의 복잡성 및 계산량의 한계로 인해 이러한 PU 적층 모델의 해석을 다루지는 않았으나, 수신 특성 안정화 향상을 위한 노력으로서 추후에 이러한 방법들을 고려할 필요가 있다. 한편 소나돔 설계의 음향 투과 성능은 통상적으로 2 dB이하의 손실을 목표로 하고 있으며, 위의 해석 결과로부터 소나돔 유무에 따른 수신 감도를 비교했을 때 형상에 관계없이 소나돔에 의한 수신 감도의 저하가 일반적인 목표치를 만족하고 있음을 알 수 있다.
향후에는 철제 차단막, 알루미늄 케이싱 및 소나돔의 구조 진동으로 인해 발생하는 부분적인 수신 불안정성에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 이를 위해 더 정밀한 주파수 분석은 물론, 구조 진동의 저감을 위한 추가 설계 요소를 도입해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양 배경 소음의 주파수 특성은 무엇인가?
해양 배경 소음은 선박, 바람, 파도, 강우 및 수중 생물 등에 의하여 발생되는데, 음향 센서 배열의 탐지 성능 저하를 유발하므로 음향 감시 체계의 설계 및 제작에 있어 반드시 고려되어야 한다. 일반적으로 해양 배경 소음의 주파수 특성은 Wenz[1]의 “Rule of fives”에 의하여 기술되는데, 주파수가 두 배 될 때마다 소음 레벨이 5 dB 가량 감소(-5 dB/octave)하는 경향을 보인다. Choi et al.
음향 센서 배열은 어떻게 분류할 수 있는가?
따라서 센서 배열의 지향성 확보를 위한 배열 형상 최적화를 수신 특성 안정화의 두 번째 요소로 꼽을 수 있다. 음향 센서 배열은 선형, 원형, 평면형 및 원통형 배열 등으로 분류된다. 그 중 원통형 배열은 여러 개의 원형 배열이 축 방향을 따라 수직으로 나열되어 있는 형태를 말한다.
수중 음향 감시 체계는 주로 어떤 역할을 수행하는가?
수중 음향 감시 체계(underwater sound surveillance system)는 음향 수신 센서를 이용하여 적함의 침입을 감지하고 그 위치를 추적하는 일종의 경보장치라고 할 수 있다. 이러한 음향 감시 체계는 주로 외해를 대상으로 적 잠수함, 수상함, 반잠수정 등을 조기에 탐지하는 역할을 수행한다. 음향 감시 체계의 일환으로 다수의 하이드로폰과 이를 연결하는 케이블을 해저 면에 설치하여 운용하는 해저 고정형 음향 센서 배열을 주로 이용한다.
참고문헌 (7)
G. M. Wenz, "Acoustic ambient noise in the ocean: spectra and sources," J. Acoust. Soc. Am. 34, 1936-1956 (1962).
B. K. Choi, B. C. Kim, C. S. Kim, and B. N. Kim, "Analysis of dependence on wind speed and ship traffic of underwater ambient noise at shallow sea surrounding the Korean peninsula" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 22, 233-241 (2003).
C. H. Sherman and J. L. Butler, Transducers and Arrays for Underwater Sound (Springer, New York, 2007), pp. 27-28.
D. C. Bertilone, D. S. Killeen, and C. Bao, "Array gain for a cylindrical array with baffle scatter effects," J. Acoust. Soc. Am. 122, 2679-2685 (2007).
D. T. Blackstock, Fundamentals of Physical Acoustics (Wiley, New York, 2000), pp. 495-506.
W. J. Jung, S. J. Han, W. H. Kim, K. K. Shin and J. J. Jeon, "A Study on the Measurement and Analysis Method for the Acoustic Transmission Loss of the Material for the Acoustic Window of Sonar Dome," Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 16, 729-738 (2006).
Y. S. Seo, M. W. Kang, K. K. Shin and J. J. Jeon, "Acoustic performance study of FRP acoustic window," Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 21, 890-896 (2011).
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