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문제 정의
- 본 논문에서는 천해 해양환경 조건에서 음향 특성해석의 제한 요소를 해결하기 위하여 서해 중부 연안 해역에서 한국해양과학기술원(KIOST) 해양방위연구센터와 한양대학교 해양음향연구실이 2013년 4월 30일부터 5월 4일까지 천부·중천부 지층탐사와 표층퇴적물 채취 등 집중적인 지질환경특성 조사[6] 및 저주파수 대역의 음파전달 손실,[7]중주파수 대역의 잔향음, 해저면 반사손실,[8,9] 수중소음[10] 등에 대한 음향자료 획득을 목적으로 공동으로 음향실험을 실시하였다.
- 본 논문에서는 한국해양과학기술원과 한양대학교가 2013년 4 ~ 5월 서해 경기만 지역에서 공동으로 수행한 “천해 지질 환경과 음파전달환경과의 상호연계 연구”의 일환으로 주파수 200 ~ 16,000 Hz 대역에서 저주파수 음파전달 손실, 수중소음 공간상관성, 중주파수 잔향음 및 해저면 반사손실에 대한 연구 주제로 실시한 능·수동 음향실험에 대한 개요를 기술하였다.
제안 방법
- 7에서 보여준 3일간의 선박밀도 분포로부터 주변 선박의 다양한 이동경로를 확인할 수 있다. Fig. 8(c)와 같이 3 채널의 수중청음기를 3.5 m간격으로 수직 선배열된 청음기에 해수면 및 해저면에서 발생된 소음 및 주변 선박활동으로부터 측정된 수중소음 자료를 이용하여 수중소음의 방향성을 평가하고 이로부터 실험지역 주변의 사질 퇴척층이 수신된 신호에 미치는 영향을 통계적으로 평가하는 공간 상관성 분석을 실시하였다. 조사선의 발전기가 정지한 경우 실험지역 주변을 항해하는 원거리 선박에서 발생하는 소음의 수평성분이 우세하게 수신되며 실수부와 허수부의 공간 상관성 값에 영향을 준다.
- S3지역은 Fig. 2에서 대규모 모래파 북동 지역에 위치한 수심 43 m의 평탄한 해저면 지역으로 Fig. 8(d)와 같이 정박한 조사선에서 3 채널의 수직선배열 수중청음기와 1개의 무지향성 음원(D-11)을 이용하여 주파수 6 ~ 14 kHz에서 2, 5 ms 정현파 신호에 대한 해저면 잔향음 신호를 측정하였다. 측정된 해저면 잔향음 신호로부터 수평 입사각 28° ~ 69°의 범위에서 계산된 후방산란강도는 -27 ~ -13 dB의 분포를 보였다.
- 5 dB 범위내에 존재하였다.[21] 이와 더불어 측정된 후방산란 강도는 해저 경계면에 의한 산란과 해저면 하부 체적에 의한 산란의 합으로 해저면 후방산란강도를 계산하는 APL-UW 산란모델과 비교하였다. 그 결과 그랩 샘플러로 측정된 퇴적물 밀도와 평균 입자크기를 이용한 모델 예측결과는 실측 결과와 비교하여 유사한 결과를 나타내었다.
- 음원 구동에 사용된 입력에너지는 250 줄(Joule)로 고정하였으며, 신호의 특징은 임펄스 형태의 충격파와 수중에 발생된 기포 신호로 전체 펄스길이는 3 ms, 피크음원레벨212 dB re 1μPa at 1 m, 에너지 스펙트럼밀도레벨(ESD)로 계산된 음원레벨은 173 dB re 1μPa2s (270-790 Hz)로 평가되었다.[7] 거리에 따른 음향신호를 수신하기 위해 사용된 청음기(RESON, TC-4032)배열은 수심 34, 42, 48 m 및 해저면에 수중 계류하였으며, 송신부와 수신부간의 수평 전달거리는 조사선(R/V EARDO)과 해수면에 계류한 부위 상부에 GPS를 부착하여 측정하였다[Fig. 8(a)]. 그림상에 표시된 해저면은 음파전달 실험이 이루어진 북남 측선에 따라 실측한 수심으로 창조와 낙조의 조류 방향에 따라 비대칭적인 모래파가 발달되어 있음을 보여준다.
- 고해상도의 수심자료를 바탕으로 실험 해역은 소규모 및 대규모의 모래파가 존재하는 것으로 나타났으며, 천부 및 중천부 지층 탐사를 통해 해저면 하부의 경계면 구조를 파악하였다. 강한 조류와 지형학적 특성에 의해 실험지역의 퇴적층은 지역적으로 뻘층과 모래층으로 구성되었으며, 측정된 음향신호와 실험해역의 지형 및 지질구조를 기초로 음향학적으로 다양한 이론적 해석과 접근을 시도하였다.
- 또한 음향실험과 더불어 실험해역의 지질, 지형, 지층, 기상, 해양물리, 주변 선박통행량 등에 대한 환경 자료를 함께 획득하였다. 고해상도의 수심자료를 바탕으로 실험 해역은 소규모 및 대규모의 모래파가 존재하는 것으로 나타났으며, 천부 및 중천부 지층 탐사를 통해 해저면 하부의 경계면 구조를 파악하였다. 강한 조류와 지형학적 특성에 의해 실험지역의 퇴적층은 지역적으로 뻘층과 모래층으로 구성되었으며, 측정된 음향신호와 실험해역의 지형 및 지질구조를 기초로 음향학적으로 다양한 이론적 해석과 접근을 시도하였다.
- 실험 지역은 경기만을 통행하는 대형 선박, 연안에서 조업활동을 하는 소형 어선, 도서 지역간을 이동하는 여객선과 유람선들로 음향신호에 영향을 주는 선박소음이 우세한 해역이다. 소음준위에 영향을 미치는 선박들에 대한 위치정보(위치, 속력, 침로 등)와 식별정보(해상이동업무식별번호, IMO 번호, 호출 부호, 선명 등) 획득을 목적으로 실험기간 중 조사선에 선박자동식별장치(AIS)를 설치하여 선박정보를 수집하였다. 일반적으로 대형선박에 탑재된 Class A는 국제해사기구(IMO)의 요건에 따라 선박항행 및 식별정보에 대한 정확한 정보를 제공한다.
- 등에 대한 음향자료 획득을 목적으로 공동으로 음향실험을 실시하였다. 실험기간 동안 기상, 해양물리, 실험지역 주변 선박통행량의 자료를 동시에 취득하여 천해음파전달 특성에 영향을 주는 지질학적 요소와 함께 실험지역의 음향자료 해석 및 음향모델 적용의 기초자료로 활용하였다.
- 1에 사각형으로 표시된 실험지역은 2012 ~ 2013년 한국해양과학기술원 정밀 수심조사 자료를 바탕으로 다양한 음향실험이 동시에 이루어 질 수있는 지역으로 선택하였다. 정밀 지질조사 자료항목으로 다중음향측심기(Multi-beam Echo sounder, EM-3002)를 이용한 정밀해저지형 조사와, 천부지층탐사기(Sub-Bottom profiler, Chirp III) 및 중천부지층탐사기(Sparker system, SIG 2 mile)를 이용한 해저면 하부 지층 탐사, 그랩을 이용한 표층퇴적물의 채취 및 분석이 수행되었다.
- 조사지역의 표층퇴적물은 총 15개 정점(G01 ~ G15)에서 그랩 채취기를 이용하여 채취되었으며, 입도분석, 전밀도(bulk density), 함수율 측정을 위해 최표층의 퇴적물은 현장에서 완전 밀봉된 후 실험실로 이동하여 분석되었다. 퇴적상 분류는 Folk(1974) 방법을 적용하였으며,[15] 평균입도, 분급도(sorting), 왜도(skewness), 및 첨도(kurtosis)에 대한 분석을 실시하였다(Table 1).
- 지형 조사시 조사선의 선속은 4 ~ 5 kn를 유지하고 측선간 조사면적은 10 % 이상 겹치도록 하였다. 측정된 수심자료는 수중음파속도 및 선박의 방향과 움직임에 대한 보정 후 당진 검조소의 조위 예보치를 적용하여 약최저저조면(간조선)을 기준으로 보정하였다. 측정된 수심자료를 통하여 실험지역은 해저면상부의 강한 조류에 의해 약 40 m 수심으로 평탄한 지역과 대규모의 해저 모래파가 발달되어 있는 지역임을 알 수 있다.
- 해저면 하부 지층구조를 조사하기 위한 천부 및 중천부 지층탐사는 Fig. 2에 표시된 전체 9개의 측선(L1 ~L9)에 대하여 음향실험과 동시에 수행되었다. 대규모의 모래파가 발달되어 있는 S1 지역은 1 kHz미만 대역의 저주파수 음파 전달손실 실험을 수행한 지역이다.
대상 데이터
- Geography of study area between Ul Island and Taean Penisula in the southern Gyeonggi Bay. Experimental site is located at approximately 6.5 km off the western coast of Taean Penisula.
- 황해 경기만 지역은 남서-북동방향의 강한 조석에 의해 다양한 해저면 형태가 발달되어 있는 지역이다. Fig. 1에 사각형으로 표시된 실험지역은 2012 ~ 2013년 한국해양과학기술원 정밀 수심조사 자료를 바탕으로 다양한 음향실험이 동시에 이루어 질 수있는 지역으로 선택하였다. 정밀 지질조사 자료항목으로 다중음향측심기(Multi-beam Echo sounder, EM-3002)를 이용한 정밀해저지형 조사와, 천부지층탐사기(Sub-Bottom profiler, Chirp III) 및 중천부지층탐사기(Sparker system, SIG 2 mile)를 이용한 해저면 하부 지층 탐사, 그랩을 이용한 표층퇴적물의 채취 및 분석이 수행되었다.
- 2는 연구지역 3×3 km(9 km2)에 대한 측정된 고해상도(1×1 m) 정밀지형자료로서 실험해역이 35 ~ 55 m의 수심 분포를 이루고 있음을 보여준다. 고해상도의 수심자료는 2012년 5월 KIOST 조사선 장목호 선체에 부착된 다중음향측심기로 획득되었다. 지형 조사시 조사선의 선속은 4 ~ 5 kn를 유지하고 측선간 조사면적은 10 % 이상 겹치도록 하였다.
- 일반적으로 중주파수 대역의 해저면 반사손실은 수 m 내의 하부 지층구조에 영향을 받는다. 따라서 해저면 반사실험 이후 스파커 및 첩소나를 이용하여 하부 지층구조에 대한 자료를 획득하였다. Fig.
- 본 논문에서는 한국해양과학기술원과 한양대학교가 2013년 4 ~ 5월 서해 경기만 지역에서 공동으로 수행한 “천해 지질 환경과 음파전달환경과의 상호연계 연구”의 일환으로 주파수 200 ~ 16,000 Hz 대역에서 저주파수 음파전달 손실, 수중소음 공간상관성, 중주파수 잔향음 및 해저면 반사손실에 대한 연구 주제로 실시한 능·수동 음향실험에 대한 개요를 기술하였다. 또한 음향실험과 더불어 실험해역의 지질, 지형, 지층, 기상, 해양물리, 주변 선박통행량 등에 대한 환경 자료를 함께 획득하였다. 고해상도의 수심자료를 바탕으로 실험 해역은 소규모 및 대규모의 모래파가 존재하는 것으로 나타났으며, 천부 및 중천부 지층 탐사를 통해 해저면 하부의 경계면 구조를 파악하였다.
- 5km 지점이며, 한국해양과학기술원에서 수행하는 연구사업의 일환으로 획득한 고정밀 수심자료를 기준으로 구역을 선정하였다. 실험 지역은 본문 2.2에서 기술한 내용과 같이 해저면 상부의 강한 조석으로 대규모의 모래파가 존재하는 S1지역과 해저면 하부에 O(1) m 두께의 층이 존재하는 자갈뻘 지역인 S2그리고 조류에 의해 상부층이 삭박되어 평탄한 수심 분포를 나타내는 S3지역과 같이 다양한 형태의 베드폼이 형성된 지역이다.
- 실험지역은 대형 및 소형 선박의 이동이 많은 항로 지역으로 Fig. 7에서 보여준 3일간의 선박밀도 분포로부터 주변 선박의 다양한 이동경로를 확인할 수 있다. Fig.
- 연구 지역은 경기만 태안반도에서 서쪽으로 6.5 km떨어진 지역으로 해침성 모래퇴적물 상부에 자갈에서 뻘까지 다양한 퇴적상이 나타나며, 외해 지역은 주로 모래가 우세한 퇴적상을 보이는 것으로 보고되고 있다(Fig. 1).[11] 수심의 변화는 20 ~ 70 m까지 분포를 보이고, 조석은 반일주조형의 최대조차 6.
- 천해역 음파전달 특성을 파악하기 위한 음향실험위치는 경기만 지역으로 태안반도로부터 서쪽 6.5km 지점이며, 한국해양과학기술원에서 수행하는 연구사업의 일환으로 획득한 고정밀 수심자료를 기준으로 구역을 선정하였다. 실험 지역은 본문 2.
이론/모형
- 6는 조사기간 동안 관측된 풍향·풍속과 측정된 풍속에 따른 해수면 거칠기 스펙트럼으로부터 계산된 실효치 파고의 값을 나타낸다. 본 논문에 사용된 해수면 스펙트럼 모델은 해수면 거칠기 정보를 예측하는데 일반적으로 사용되는 Pierson-Moskowitz 모델을 사용하였다.[16] Fig.
- 측정된 후방산란강도는 사질 퇴적층에서 일반적으로 사용되는 람베르트법칙(Lambert’s law)의 비례상수(μ) 값인 -20.2 dB를 포함하는 -24.5 ~ -18.5 dB 범위내에 존재하였다.
- 조사지역의 표층퇴적물은 총 15개 정점(G01 ~ G15)에서 그랩 채취기를 이용하여 채취되었으며, 입도분석, 전밀도(bulk density), 함수율 측정을 위해 최표층의 퇴적물은 현장에서 완전 밀봉된 후 실험실로 이동하여 분석되었다. 퇴적상 분류는 Folk(1974) 방법을 적용하였으며,[15] 평균입도, 분급도(sorting), 왜도(skewness), 및 첨도(kurtosis)에 대한 분석을 실시하였다(Table 1). 관심해역의 표층퇴적물 퇴적상은 퇴적물 분류표에 따라서 모래자갈(sG), 자갈모래(gS), 자갈뻘(gM), 약자갈모래[(g)S], 모래(S) 그리고 뻘모래(mS)로 나타나고 있다.
성능/효과
- [16] Fig. 6(a)은 측정 당시의 풍속으로 0.1 ~ 13.0 m/s 내에서 변동하였으며, 남서풍 또는 서풍이 우세하게 나타났다. Fig.
- 전체 선박 중 Class A를 탑재한 선박은 약 58 %, Class B는 약 42 %의 분포를 나타냈다. Class A를 탑재한 선박 중 화물선 및 유조선이 약 71 %로 우세한 분포를 보였으며, 소형선박에서 주로 탑재한 Class B 선박중 국적을 알 수 없는 선박 및 Class A 분류내에서 선박정보를 제공하지 않는 선박이 약 56 %로 다수 존재하였다. 수중 소음 측정 시간 동안 측정위치를 기준으로 반경 10 km내에 통행하는 대표적인 선박들은 화물선 4척, 유조선 2척, 예인선 1척, 유람선 3척, 어선 4척 외 무명의 소형선박 4척이 항해 중으로 나타났으며, 원거리 및 근거리에서 이동하는 선박에 의해 측정된 수중소음의 시·공간적인 변화가 나타날 것으로 판단된다.
- 3(a)는 남쪽에서 북쪽방향으로 L7 측선에 따른 하부지층 구조로 표층에 발달되어 있는 중·대규모 비대칭적 형태의 모래파 구조를 잘 반영하고 있다. Fig. 2에 표시한 L7 측선에 따른 수심자료와 지층탐사로 측정된 표층 수심자료의 비교를 통해 대부분에 모래파의 마루 및 골의 위치가 일치함을 확인하였으며, 이로부터 연구지역에 형성된 모래파의 형태는 2012년 5월 고해상도 수심측정 이후 음향실험이 이루어진 2013년까지 큰 변동이 없는 것으로 판단된다. Fig.
- 따라서 전 수층에 대한 평균 수온 및 염분은 각각 6.8 °C, 31.2 psu의 값을 가지고, 평균음속은 1473 m/s로 계산되었다.
- 따라서 지질학적으로 표층퇴적물의 평균입도는 5.9∅ 값을 나타내지만 음향학적으로 해저면에 반사되는 음파에 영향을 미치는 지질상태와는 상이할 수도 있을 것으로 판단된다.
- 그 결과 그랩 샘플러로 측정된 퇴적물 밀도와 평균 입자크기를 이용한 모델 예측결과는 실측 결과와 비교하여 유사한 결과를 나타내었다. 또한 다중음향측심기로부터 취득한 정밀해저지형 자료로부터 APL-UW산란모델의 입력인자인 해저면 거칠기 인자를 추정하였으며, 이를 적용한 모델 예측결과가 평균 입자크기만을 적용한 경우에 비해 잘 일치하는 경향을 보였다(자세한 결과는 Reference [19] 참조).
- 22dB/m/kHz의 값이다. 실험지역의 지질자료를 입력인자로 계산된 해저면 반사손실 결과와 수평입사각 별로 측정된 반사손실은 최대 12 dB의 차이를 보였다.[17] Table 1에서 G04 지역의 표층퇴적물 자료를 살펴보면 Silt와 Clay의 함량 이외에 약 40 % 정도의 퇴적물이 자갈과 모래질로 이루어져 있어 퇴적물의 분급도가 4.
- 음원 구동에 사용된 입력에너지는 250 줄(Joule)로 고정하였으며, 신호의 특징은 임펄스 형태의 충격파와 수중에 발생된 기포 신호로 전체 펄스길이는 3 ms, 피크음원레벨212 dB re 1μPa at 1 m, 에너지 스펙트럼밀도레벨(ESD)로 계산된 음원레벨은 173 dB re 1μPa2s (270-790 Hz)로 평가되었다.
- 4는 S2 지역에서 음향실험이 이루어진 남북방향 측선 L9에 대하여 평균 수층음속으로 보정된 천부지층결과이다. 음향실험이 이루어진 650 ~ 950 m 구역의 평균 수심은 51 m이며 해저면 하부 약 2 m에 평탄한 해저지층이 확인되었다. 하지만 950 m 이후 구역에서는 상층부에 퇴적된 저질이 조류에 의해 삭박되어 사라지는 형태를 보인다.
- 조사지역을 기준으로 서편에 높은 선박밀도는 대형선박이 통행하는 항로이며, 대부분의 선박이 인천항과 평택항을 출·입항하며, 태안반도 기준 약 3km 내의 높은 선박밀도는 연안부근에서 조업하는 어선 및 대산항을 목적지로하는 선박의 활동으로 나타났다.
- 6(b)에서 S1, S2, S3구간은 각각 음파전달 손실, 해저면 반사 및 수중소음, 잔향음 신호를 측정한 시간대역이다. 중주파수 대역의 잔향음 및 해저면 반사 실험기간 동안 풍향은 남서풍 계열로 0.5 ~ 6 m/s 풍속이 관측되었고, 평균 0.1 m의 미만의 실효치 파고로 예측되었다. S1 지역에서 광대역 음원 신호를 이용한 음파전달 실험시 풍속은 3.
- 측정된 수심자료는 수중음파속도 및 선박의 방향과 움직임에 대한 보정 후 당진 검조소의 조위 예보치를 적용하여 약최저저조면(간조선)을 기준으로 보정하였다. 측정된 수심자료를 통하여 실험지역은 해저면상부의 강한 조류에 의해 약 40 m 수심으로 평탄한 지역과 대규모의 해저 모래파가 발달되어 있는 지역임을 알 수 있다. 이러한 모래파는 평탄한 해저 경계면과는 달리 수층에서 전파되는 음파의 전달 특성에 직접적인 영향을 주며, 음파의 반사 및 산란 특성에 영향을 미치는 지질학적 변수로 작용한다.
- 측정된 해저면 잔향음 신호로부터 수평 입사각 28° ~ 69°의 범위에서 계산된 후방산란강도는 -27 ~ -13 dB의 분포를 보였다.
- 1 %의 범위로 분포한다. 퇴적물의 전밀도는 해수를 포함하는 퇴적물의 밀도로서 조사지역의 전밀도는 1.6 ~ 2.2 g/cm3의 범위로 분포하는 것으로 측정되었다.
- 퇴적물의 평균입도 분포는 G04지역의 5.9∅를 제외하고 -0.60~1.43∅로서 왕모래에서 중사까지 분포하고 있으며, 북동지역에는 자갈의 함량이 증가하고 남동지역에는 점토와 뻘의 함량이 증가하는 양상을 보이고 있다(Fig. 5).
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