$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

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 Noise 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.3, 2015년, pp.200 - 209  

노응휘 (연세대학교 기계공학부) ,  이훈기 (연세대학교 기계공학부) ,  엄원석 (연세대학교 기계공학부) ,  장우석 (LIG넥스원)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

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.
  • 원통형 배열의 반경으로는 2.3 m를 선정하고, 0°의 고각으로 수평 입사하는 평면파를 가정하였다.
  • 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.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

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.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (7)

  1. G. M. Wenz, "Acoustic ambient noise in the ocean: spectra and sources," J. Acoust. Soc. Am. 34, 1936-1956 (1962). 

  2. 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). 

  3. C. H. Sherman and J. L. Butler, Transducers and Arrays for Underwater Sound (Springer, New York, 2007), pp. 27-28. 

  4. 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). 

  5. D. T. Blackstock, Fundamentals of Physical Acoustics (Wiley, New York, 2000), pp. 495-506. 

  6. 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). 

  7. 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). 

저자의 다른 논문 :

섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로