[논문]KRM 모델을 이용한 전갱이의 다주파수 음향산란특성

황강석; 윤은아; 이경훈; 이형빈; 황두진

doi:10.3796/ksft.2015.51.3.424

KRM 모델을 이용한 전갱이의 다주파수 음향산란특성
Multifrequency acoustic scattering characteristics of jack mackerel by KRM model 원문보기

한국어업기술학회지 = Journal of the Korean Society of Fisheries Technology, v.51 no.3, 2015년, pp.424 - 431

황강석 (국립수산과학원 자원관리과) , 윤은아 (전남대학교 해양기술학부) , 이경훈 (전남대학교 해양기술학부) , 이형빈 (국립수산과학원 자원관리과) , 황두진 (전남대학교 해양기술학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was focused on acoustic scattering characteristics of jack mackerel (Trachurus japonicus) at frequency 38, 70, and 120 kHz by Kirchhoff-ray mode (KRM) model. The body length (BL) of 16 individuals ranged in 12.2~22.0 cm ($mean{\pm}S.D.$: $17.8{\pm}3.2cm$) and the swimbladder length ranged in 4.2~8.6 cm ($mean{\pm}S.D.$: $6.6{\pm}1.6cm$) and the swimbladder cross section ranged in $1.7{\sim}6.6cm^2$ ($mean{\pm}S.D.$: $3.8{\pm}1.6cm^2$). This result shows that results correlate well between the BL and the length and cross section of swimbladder. The swimbladder angle ranged in $7{\sim}12^{\circ}$ and the maximum TS values ranged in $-16{\sim}-5^{\circ}$ at tilt angle. The averaged TS-to-BL relationship were $TS_{38kHz}=20{\log}_{10}BL-65.33$ ($R^2=0.66$), $TS_{70kHz}=20{\log}_{10}BL-65.90$ ($R^2=0.67$), and $TS_{120kHz}=20{\log}_{10}BL-66.65$ ($R^2=0.65$). These results can be used fundamental data in order to estimate distribution and biomass of jack mackerel by using hydro-acoustic method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 음향산란이론 모델을 이용하여 우리나라의 상업 어종인 전갱이의 주파수별 자세각 및 체장 의존성에 따른 TS의 변동 특성에 대하여 분석하였다.
본 연구에서는 음향모델을 이용하여 전갱이의 자세 각과 어체 크기에 따른 TS를 파악하였다. 이러한 결과를 검증하고 자원량 추정에 대한 정량적인 요소를 확립하기 위해서는 추가적으로 직접적인 방법인 현수법 (ex situ)과 자유유영상태 (in situ)에 대한 TS 변동값을 파악할 필요가 있는 것으로 판단된다.
일반적으로 부레를 가지고 있는 어류의 TS는 약 90~95%가 부레의 영향이 크므로 부레의 특징을 파악하는 것이 중요하다 (Foote, 1980). 본 연구에서는 체장 12.2~22.0 cm인 전갱이 16개체에 대해 X-ray 촬영을 하여 부레의 형상을 파악하였다. 체장과 부레의 길이 관계식은 SL=0.

제안 방법

KRM 모델을 이용하여 주파수 38, 70, 120kHz에 대한 전갱이의 음향산란특성을 파악하였다. 모델에 사용된 전갱이의 체장은 12.
KRM 모델을 이용한 전갱이의 TS는 음향자원 조사에서 주로 사용한 38, 120 kHz 주요 주파수와 최근 관심도가 높아지는 70 kHz 대역의 3주파수를 대상으로 자세각을 –90~90°까지 1°간격으로 계산하였다.
또한, TS는 최대 값과 평균값을 평가하였으며, 평균값은 다음식 (12)와 (13)에 나타낸 바와 같이 일반적인 어류의 평균 자세각과 표준편차를 각각 –5°, 15°로 가정하여 확률밀도함수 (Probability density function, PDF)로 구하고, 1°마다 계산된 각 자세각의 TS는 산란단면적으로 바꾸어 자세각 –5±15°의 확률밀도함수와 각각을 곱한 후 그 합으로 평균 TS를 계산하였다.
뿐만 아니라, 본 연구에서는 전갱이의 평균 TS를 일반적인 어류의 자세각 (–5±15°)을 확률밀도함수로 계산하였다.
KRM 모델에 사용된 전갱이가 자연 상태와 유사하게 부레의 형상을 유지하도록 드라이아이스와 알코올을 이용하여 급속 냉동을 시킨 후 실험실로 운반하였다. 음향산란모델을 수행하기 위해서는 어류의 체형과 부레가 필요하기 때문에 급속 냉동시킨 어류의 측면과 배면을 Fig. 1과 같이 X-ray 촬영을 하였다. 촬영된 X-ray 사진은 디지타이징 소프트웨어를 이용하여 어류의 측면과 배면 방향의 몸체와 부레를 0.
1과 같이 X-ray 촬영을 하였다. 촬영된 X-ray 사진은 디지타이징 소프트웨어를 이용하여 어류의 측면과 배면 방향의 몸체와 부레를 0.2 mm간격의 슬라이드로 나누어 체형 좌표를 묘사하였다. Table 1은 KRM 모델에 사용된 16 개체 전갱이의 체장과 가랑이 체장을 나타낸 것이다.
하지만, 현수법과 prolate spheroid model (PSM)로 주파수 50 kHz에 대한 전갱이의 3D TS를 계측하였고, 자세각 0°에서 최대 TS 값을 나타내었다.

대상 데이터

모델에 사용된 전갱이의 체장은 12.2~22.0cm (mean±S.D.: 17.8±3.2cm), 부레의 길이는 4.2~8.6cm (mean±S.D.: 6.6±1.6 cm), 부레의 단면적은 1.7~6.6cm2 (mean±S.D.: 3.8±1.6cm2)으로 체장이 커질수록 부레의 길이와 단면적도 커졌다.
KRM 모델로 TS를 계산하기 위해서는 대상 어류에 대한 몸체의 음속, 밀도, 부레의 음속, 밀도 및 해수의 음속, 밀도의 파라미터가 필요하다. 본 연구에서는 Clay and Horne (1994)의 연구 결과를 인용하여 어체의 음속은 1,570 m/s, 밀도는 1,070 kg/m³, 부레의 음속은 345 m/s, 밀도는 1.24 kg/m³, 해수의 음속은 1,490 m/s, 밀도는 1,030 kg/m³을 음향 모델에 사용하였다 (Table 2).

이론/모형

4. Estimated target strength pattern according to tilt angle of jack mackerel calculated by KRM model.
전갱이의 TS를 추정하기 위하여 Kirchhoff-ray mode (KRM) 모델 (Clay and Horne, 1994)을 이용하였다. KRM 모델은 어류의 부레와 체형을 실린더 혹은 원뿔모양으로 근사하여 이들의 부피의 합으로 계산된다.

성능/효과

16개체 전갱이의 부레 기울기의 범위는 7~12°이었고, 최대 TS는 38kHz의 경우 자세각 –15~–5°에서–44.3~–32.0dB, 70kHz의 경우 자세각 –11 ~ –7°에서–41.5~–32.0dB, 120kHz의 경우 자세각 –16 ~ –7°에서–40.4 ~ –31.0dB으로 자세각이 Head-down일 때 가장 높은 값을 나타내었다 (Fig. 5).
또한, in situ에서 주파수 38kHz를 이용하여 계측한 Chilean jack mackerel의 사이즈와 TS 관계식은 TS=11.28log10FL–49.0으로 나타났다.
또한, 부레의 높이는 0.60~1.69cm (mean±S.D.:1.09±0.28cm), 부레의 폭은 0.52~1.15cm (mean±S.D.:0.84±0.20cm)로 부레의 형태는 폭보다 높이가 더 높은 특징을 보였고, 부레의 길이가 증가하면 부레의 높이와 폭이 증가하는 경향을 나타내었다 (Fig. 3).
또한, 어체 크기와 평균 TS의 관계식은 38 kHz에서 20log10BL–65.33 (R2=0.66), 70kHz에서 20log10BL–65.90 (R2=0.67), 120kHz에서 20log10BL–66.65 (R2=0.65)으로 주파수 차이가 크게 나타나지 않았다.
본 연구에서 사용된 전갱이 부레의 기울기는 7~12°사이이었고, 최대 TS는 38 kHz에서 자세각 –15~–5°, 70 kHz에서 자세각 –11~–7°, 120 kHz에서 자세각 –16~–7°에서 나타나, 부레가 수평일 때 TS가 높게 나타났다.
본 연구에서는 주파수 38, 70, 120 kHz에서 모두 전갱이의 어체 크기가 커짐에 따라 최대 TS와 평균 TS도 높아지는 경향을 나타내었다. 본 연구와 동일 어종 전갱이의 어체 크기에 따른 TS의 연구 결과는 Lee (2005), Kurnia et al.
본 연구의 기준화 평균 TScm는 38kHz에서 –65.33dB, 70kHz에서 –65.90dB, 120kHz는 –66.65dB으로 본 연구 결과와 2.9~3.5dB 차이가 나타났다.
부레의 기울기는 7~12°이었고, 전갱이의 TS값은 자세각 –16~–5°에서 최대값으로 나타났으며, 부레가 수평일 때 최대 TS값을 나타내었다.
뿐만 아니라, 각 주파수별 TS를 체장의 2승에 비례한다는 가정하에 계산한 기준화 최대 TS (TScm)가 38kHz에서 –61.38 dB (R2=0.61), 70kHz에서 –60.07dB (R2=0.67), 120kHz에서 –59.75 dB (R2=0.60)로 계산되었고, 38 kHz에서 가장 낮은 값을 보이며, 고주파로 갈수록 높아지는 것을 알 수 있었다.
체장과 부레의 길이 관계식은 SL=0.483BL–1.9516으로 체장이 커질수록 부레의 길이가 증가하였고, 체장에 대한 부레 길이의 비 (SL/BL)는 0.32~0.41이었으며, 부레의 폭보다는 높이가 더 큰 형태를 보였다.

후속연구

65)으로 주파수 차이가 크게 나타나지 않았다. 본 연구 결과는 음향조사기법을 이용하여 우리나라 주변 해역에 회유하는 전갱이 어족자원의 분포 밀도 및 현존량을 파악하는 기초 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 음향모델을 이용하여 전갱이의 자세 각과 어체 크기에 따른 TS를 파악하였다. 이러한 결과를 검증하고 자원량 추정에 대한 정량적인 요소를 확립하기 위해서는 추가적으로 직접적인 방법인 현수법 (ex situ)과 자유유영상태 (in situ)에 대한 TS 변동값을 파악할 필요가 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1990년대 이후의 전갱이류의 어업 생산량은?	우리나라에서 전갱이는 대부분 대형선망 어업에서 어획되고, 전갱이류의 어업 생산량은 1970년대에 1만톤 미만으로 저조하였으나, 1980년대 이후 4만톤 정도로 증가하였다. 1995년에는 1만 2천톤으로 급감하는 어획 변동을 보였고, 2011년에는 4만톤으로 증가하다 2013년에는 1만 5천톤 정도로 감소하여 어획량의 변동이 크다. 전갱이는 우리나라 총허용어획량 (Total allowable catch, TAC) 어종 가운데 하나로서, 전갱이를 지속적으로 이용하기 위해서는 적절한 자원 관리와 현존량 평가가 필요하다.
	전갱이는 무엇인가?	전갱이 (Jack mackerel, Trachurus japonicus)는 농어목, 전갱이과에 속하는 어류로서 우리나라 전 연안에 서식하고, 상업적으로 중요한 어종이다 (Huh and Cha, 1998). 우리나라에서 전갱이는 대부분 대형선망 어업에서 어획되고, 전갱이류의 어업 생산량은 1970년대에 1만톤 미만으로 저조하였으나, 1980년대 이후 4만톤 정도로 증가하였다.
	일반적으로 어류의 TS값은 무엇에 따라 변화하는가?	일반적으로 어류의 TS값은 생물학적으로 사이즈, 유영자세각, 부레의 유무 및 형태와 물리학적으로 사용주 파수, 체내 음속, 체내 밀도 등에 따라 변화한다 (Mukai and Iida, 1996; Sawada et al., 2002).

참고문헌 (14)

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Lee DJ. 2005. Fish length dependence of acoustic target strength for 12 dominant fish species caught in the Korean waters at 75 kHz. J Kor Soc Fish Tech 41, 296-305. (doi: 10.3796/KSFT.2005.41.4.296)

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Mukai T and Iida K. 1996. Depth dependence of target strength of live kokanee salmon in accordance with Boyle's law. ICES J Mar Sci 53, 245-248. (doi: 10.1006/jmsc.1996.0029)

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Sawada K. 2002. Study on the precise estimation of the target strength of fish. Bull Fish Res Agen 11, 47-122.
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