코히런스 분석은 두 수신신호의 유사성을 분석하는 방법으로, 수중음향에서는 음파의 시간 및 공간 특성을 나타낼 수 있는 유용한 분석 방법이다. 본 논문에서는 한국해양과학기술원과 한양대학교가 공동으로 수행한 해양음향 실험의 일부로, 3개의 수중청음기로 구성된 수직선배열센서를 이용하여 수중에서 주변 소음을 측정하였다. 조사선 발전기가 작동할 때와 정지했을 때, 총 두 가지 경우에 대하여 주변 소음이 측정되었고 각각에 대한 코히런스 분석을 수행하였다. 조사선 발전기가 작동하는 경우의 코히런스 결과는 조사선 발전기 소음의 전달 손실을 고려하여 계산된 방향 밀도함수를 이용한 코히런스 결과와 비교되며, 조사선 발전기가 정지한 경우인 주변 소음의 코히런스 결과는 해수면 소음원, 해저면 구성성분 및 원거리 선박 소음이 반영된 코히런스 모델 결과와 비교, 분석되어진다.
코히런스 분석은 두 수신신호의 유사성을 분석하는 방법으로, 수중음향에서는 음파의 시간 및 공간 특성을 나타낼 수 있는 유용한 분석 방법이다. 본 논문에서는 한국해양과학기술원과 한양대학교가 공동으로 수행한 해양음향 실험의 일부로, 3개의 수중청음기로 구성된 수직선배열센서를 이용하여 수중에서 주변 소음을 측정하였다. 조사선 발전기가 작동할 때와 정지했을 때, 총 두 가지 경우에 대하여 주변 소음이 측정되었고 각각에 대한 코히런스 분석을 수행하였다. 조사선 발전기가 작동하는 경우의 코히런스 결과는 조사선 발전기 소음의 전달 손실을 고려하여 계산된 방향 밀도함수를 이용한 코히런스 결과와 비교되며, 조사선 발전기가 정지한 경우인 주변 소음의 코히런스 결과는 해수면 소음원, 해저면 구성성분 및 원거리 선박 소음이 반영된 코히런스 모델 결과와 비교, 분석되어진다.
Coherence describing the similarity between physical quantities of two signals is a very useful tool to investigate the temporal and spatial characteristics of signals propagating in underwater acoustic waveguide. Ambient noise measurements were made by the vertical received array consisting of thre...
Coherence describing the similarity between physical quantities of two signals is a very useful tool to investigate the temporal and spatial characteristics of signals propagating in underwater acoustic waveguide. Ambient noise measurements were made by the vertical received array consisting of three hydrophones as part of the KIOST-HYU joint acoustics experiment, and the coherence for the underwater ambient noise was analyzed. In this paper, the coherence results in cases that the generator in the research vessel was off and turned on are presented. The coherence estimated in the case of the generator operation mode are compared to the predictions obtained using the theoretical model with the directional density function dominated by vertical components propagating downward from the ship. In the case of the generator switch-off, the results are compared to the model predictions with directional density function including the effects of sea surface noise and long-distance shipping noise.
Coherence describing the similarity between physical quantities of two signals is a very useful tool to investigate the temporal and spatial characteristics of signals propagating in underwater acoustic waveguide. Ambient noise measurements were made by the vertical received array consisting of three hydrophones as part of the KIOST-HYU joint acoustics experiment, and the coherence for the underwater ambient noise was analyzed. In this paper, the coherence results in cases that the generator in the research vessel was off and turned on are presented. The coherence estimated in the case of the generator operation mode are compared to the predictions obtained using the theoretical model with the directional density function dominated by vertical components propagating downward from the ship. In the case of the generator switch-off, the results are compared to the model predictions with directional density function including the effects of sea surface noise and long-distance shipping noise.
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문제 정의
본 논문에서는 서해의 태안반도 주변의 해역에서 측정된 수중 소음의 공간 코히런스 분석을 수행하였으며, 사질 퇴적층이 우세한 해역의 퇴적층 환경을 잘 반영한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 실험을 통해 공간 코히런스 분석을 통해 실험 해역의 퇴적층 환경을 유추할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 추후에는 다양한 환경에서의 코히런스 실험을 통해 퇴적층 구성 성분에 따른 주변 소음의 공간 코히런스 특성 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것이다.
표층 퇴적물은 자갈에서 펄까지 다양한 퇴적상을 보였으며, 퇴적층 상부에는 사구, 모래파 등의 다양한 크기의 베드폼이 존재했다. 본 논문에서는 여러 목적의 음향실험들 중의 하나로 측정된 주변 소음 측정 실험 자료를 이용하여 표층 퇴적층 성분에 따른 주변 소음의 코히런스 특성을 파악하고자 하였다.
본 논문에서는 자갈펄로 구성된 퇴적층의 단일 정점에서 조사선 발전기가 작동하는 경우와 정지한 경우에 대해 측정된 주변 소음으로부터 코히런스를 계산한 후에 모델과의 비교를 통하여 주변 소음의 공간적 특성을 파악하고자 하였다. 조사선 발전기가 작동할 때의 코히런스 결과는, 조사선 바닥 전체에서 형성된 균일한 음원과 수직선배열센서와의 수평 거리에 따른 전달 손실을 고려한 방향밀도함수를 사용하여 모의한 코히런스 결과와 비교하였으며, 비교 결과는 발전기 소음의 우세한 주파수 대역인 2 kHz 이하에 해당하는 kd ≤ 20에서 매우 유사한 경향을 나타내었다.
가설 설정
등방성 소음장(isotropic noise field)은 수신기를 중심으로 소음원들이 균등하게 분포되어 있다고 가정한다. 이 때의 방향밀도함수 F(θ)는 아래 식과 같이 표현할 수 있으며,
이러한 코히런스 특성을 이론적으로 모델링하기 위하여, 조사선 발전기에 의한 소음은 조사선 바닥 전체가 소음원이고 각각의 점음원에서 발생하는 소음은 균일한 에너지로 전 방향으로 방사된다고 가정하였다. 또한 조사선 주변의 해수면 소음 및 기타 소음은 발전기 소음에 비해 무시 가능하다고 가정하였다. 따라서 이 때의 소음장은 조사선과 수직선배열 센서의 수평거리가 증가함에 따른 전달손실이 고려된 수직방향밀도를 가지게 되므로 수평 거리가 가장 짧을 때 최대값을 가지며, 수평거리가 멀어짐에 따라 전달 손실이 증가하는 방향밀도함수[Fig.
비대칭 소음장의 예로는 등음속을 갖는 심해 환경에서 해수면의 운동으로 발생된 소음이 아랫방향으로만 전파되는 환경을 가정할 수 있다. 이 때, 두 수신기의 수평축을 기준으로 위에서 아래로 향하는 음파만 존재하고, 아래에서 위로 전파되는 음파는 존재하지 않는다고 가정하면 수직방향밀도 함수는 Eq.
9 ∅)와 유사한 퇴적층(6 ∅)의 환경을 모의하였다. 이 모델은 해수면에서 발생한 소음 환경에서의 코히런스를 모의하며, 등음속 구조의 수층과 균질한 퇴적층 환경을 가정한다. 실험 환경에서 선박 소음의 영향은 Reference [8]에서 제시한 방법과 유사하게 Eq.
이러한 코히런스 특성을 이론적으로 모델링하기 위하여, 조사선 발전기에 의한 소음은 조사선 바닥 전체가 소음원이고 각각의 점음원에서 발생하는 소음은 균일한 에너지로 전 방향으로 방사된다고 가정하였다. 또한 조사선 주변의 해수면 소음 및 기타 소음은 발전기 소음에 비해 무시 가능하다고 가정하였다.
제안 방법
따라서 평균 입도 1∅와 2.5∅를 갖는 사질 퇴적층에 대한 모델링을 수행한 후 실측값과 비교하였다(Fig. 12).
(1)에 대입하여 코히런스를 계산하였다. 발전기가 작동하는 경우에는 총 12분동안 수신한 소음 자료를 1 s씩 앙상블 평균하여 코히런스를 계산하였으며, 발전기가 정지한 경우에는 총8분동안 수신한 소음 자료를 1 s씩 앙상블 평균하여 코히런스를 계산하였다.
본 논문에서는 코히런스 분석에 대한 기본적인 이론 및 특성을 확인한 후, 해상실험에서 획득한 소음의 코히런스 분석을 통해 이론적인 코히런스 함수 결과와 비교하였다.
선박 소음에 의한 에너지는, 본 실험에서 측정된 선박이 존재할 때의 주변 소음 세기를 선박이 존재하지 않을 때의 주변 소음 세기(해수면 소음에 의한 에너지 세기)로 나누어 선박 소음과 해수면 소음에 의한 에너지 세기의 비율을 계산한 후, 이론적 코히런스 모델에서 제시한 해수면 소음에 의한 소음장 (\(|G_p|^2\))에 곱하였다. 이 때 사용된 선박이 존재하지 않을 때의 주변 소음 세기는 한반도 근해의 주변 소음 경험식을 이용하여 계산되었다.
실험은 약 50m 수심에서 총 3개의 수신기(ch. A : TC-4014, Reson, ch. B : TC-4032, Reson, ch. C : Type 8106, B&K)가 3.5 m 간격으로 배열되어 있는 수직선 배열 센서를 사용했으며, 수신기들의 정확한 수심은 각 수신기 상단에 설치된 심도기록계(DR-1050, RBR)를 이용하여 측정하였다[Fig. 5. (a)].
조사선 발전기가 정지한 경우, 즉 실험 해역의 주변 소음을 이용한 코히런스 결과는 해수면 소음장을 모의한 이론적 코히런스 결과와 비교하였다. 원거리 선박 소음에 의한 소음 환경에서의 코히런스 결과는 Deane[25]이 제시한 해수면 소음장 코히런스 모델에 원거리 선박에 의한 영향을 인코히어런트하게 더해 줌으로써 고려하였다. 주변 소음의 코히런스 결과는 원거리 선박 소음에 의한 영향으로 실수부의 전체적인 준위가 높게 형성되어있으며, 그에 비해 허수부는 매우 작은 값을 보였다.
6은 측정된 주변 소음의 파워 스펙트럼 밀도를 나타낸다. 파워 스펙트럼 밀도는 50%의 오버랩, 해닝윈도우, 1/2 Hz 간격의 푸리에 변환을 사용하여 계산되었다. Fig.
대상 데이터
2013년 5월 2일부터 6일까지 서해의 태안반도 기준 서쪽 6km 해역의 경기만 지역에서 한국해양과학기술원과 한양대학교가 공동으로 해양 음향 실험이 실시되었으며, 이와 함께 고정밀 수심자료, 천부 및 중천부 지층 자료, 그랩(grab) 샘플링, 풍향풍속, 수직 음속구조, 선박통행량 등 다양한 해양 환경 자료가 수집되었다.[1] 실험 해역은 20~70m의 수심 분포를 보였으며, 전 수층에서 약 1473m/s의 균일한 수직 음속구조를 형성하고 있었다.
실험 정점에서의 수직 음속 구조는 CTD(Conductivity, Temperature, Depth)를 이용하여 측정되었으며, 측정된 음속은 전 수층에서 약 1473m/s로 일정하였다 [Fig. 5. (b)]. 주변 소음은 조사선의 발전기가 작동할 때와 정지했을 때의 두 가지 경우에 대해 측정되었으며, 조사선 발전기는 전력 공급용 발전기를 의미한다.
주변 소음 측정은 2013년 5월 4일, 서해의 충남 태안군 의항항으로부터 서쪽으로 약 6km 떨어진 정점 (36°52‘8.45“N, 126° 7‘0.30“E)에서 실시되었으며, 실험 정점의 해저면 저질의 주성분은 자갈펄로 분석되었다(Fig. 4).
측정 시 평균 풍속과 평균 유속은 Table 2와 같다. 풍속은 풍향풍속계를 이용하여 5s 간격으로 측정되었으며 유속은 국립해양조사원에서 제공한 유 속 자료를 참고하였다.[20]
데이터처리
조사선 발전기가 정지한 경우, 즉 실험 해역의 주변 소음을 이용한 코히런스 결과는 해수면 소음장을 모의한 이론적 코히런스 결과와 비교하였다. 원거리 선박 소음에 의한 소음 환경에서의 코히런스 결과는 Deane[25]이 제시한 해수면 소음장 코히런스 모델에 원거리 선박에 의한 영향을 인코히어런트하게 더해 줌으로써 고려하였다.
이론/모형
10에서 점선은 해상 상태에 의한 해수면 소음과 선박통행에 따른 선박 소음의 영향을 고려하여 Deane et al. [25]이 제시한 코히런스 모델을 사용하여 예측한 코히런스 곡선이다. 코히런스 모델에 입력된 환경 변수들은 수신기 주변에서 측정된 실험 환경과 같게 설정하였다.
모델링에 사용된 환경 정보는 Buckingham[26]이 제시한 퇴적층 특성 모델로부터 계산되었으며, 1∅에 해 당하는 퇴적층의 음속, 밀도, 감쇠계수는 각각 1746 m/s, 2044 kg/m3, 0.01019의 값을, 2.5∅는 각각 1650 m/s, 1964 kg/m3, 0.007925의 값을 사용하였다.
)에 곱하였다. 이 때 사용된 선박이 존재하지 않을 때의 주변 소음 세기는 한반도 근해의 주변 소음 경험식을 이용하여 계산되었다.[22]
퇴적층의 음속, 밀도, 감쇠계수 β는 각각 1517 m/s, 1525 kg/m3, 0.0057의 값을 사용했으며, 이는 Buckingham[26]이 제시한 퇴적층 특성 모델을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
[1] 실험 해역은 20~70m의 수심 분포를 보였으며, 전 수층에서 약 1473m/s의 균일한 수직 음속구조를 형성하고 있었다. 표층 퇴적물은 자갈에서 펄까지 다양한 퇴적상을 보였으며, 퇴적층 상부에는 사구, 모래파 등의 다양한 크기의 베드폼이 존재했다.
[2] Fig. 6에서 선박소음이 우세한 300 Hz 미만의 주파수 대역에서는, 발전기가 작동할 때에 100 ~ 105 dB, 발전기가 정지한 경우에는 85 ~ 90 dB로 약 15 dB 정도의 소음 준위 차이를 보였다. Arveson과 Vendittis[21]는 선박 발전기에 의한 소음 발생 시, 엔진의 회전수, 종류에 따라 수 Hz 간격으로 토널 성분이 존재한다고 보고한 바 있으며, Fig.
그 결과, 조사 선이 위치하고 있는 해역의 퇴적층과 유사한 평균입도 6∅를 사용하여 예측된 모델링 결과에 비해 비교적 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였다.
[23]에 의해 수평 성분 및 준 수평 성분의 선박 소음이 수직선배열센서에 수신될 때 코히런스의 실수부는 대부분의 주파수 대역에서 진동하지 않고 양의 값을 갖는다고 보고된 바 있으며, Buckingham 과 Jones[24]도 수평 성분이 우세한 환경에서 코히런스의 실수부가 진동하지 않고 양의 값을 갖는다고 보고하였다. 따라서 이와 같은 결과는 소음장이 수평축에 대해 상당히 대칭적인 소음 환경임을 의미하며, 주변 소음 측정 당시 실험 해역에서 많은 선박 운행으로 발생된 수평 성분이 우세한 원거리 선박소음의 영향으로 실수부의 전체적인 준위가 상승된 결과를 나타낸 것으로 판단된다. 또한 실측값의 실수부에서 저주파 대역의 코히런스 값이 1에서 시작해야 하지만, 그보다 낮은 값에서 급격한 상승을 보이는 것은, 음파의 전파와 관련되어 있지 않고, 수신기 주변의 와류로 인한 유체소음의 영향으로 보인다.
또한 본 실험에서 발전기 작동 유무에 따른 주변 소음 측정 시, 해상 상태는 약 1-2에 해당하는 비교적 안정적인 환경이었으며, 발전기가 작동하는 경우에 풍속이 더 낮게 나타났다. 따라서 조사선 발전기 작동 유무에 따른 소음 준위 차이는 해상 상태에 의한 영향보다는 조사선 발전기의 영향이 우세한 것으로 판단할 수 있다.
6의 발전기가 작동하는 경우에도 100 Hz ~ 2 kHz 주파수 대역에서 약 15 Hz 간격으로 토널 성분이 나타난다. 또한 본 실험에서 발전기 작동 유무에 따른 주변 소음 측정 시, 해상 상태는 약 1-2에 해당하는 비교적 안정적인 환경이었으며, 발전기가 작동하는 경우에 풍속이 더 낮게 나타났다. 따라서 조사선 발전기 작동 유무에 따른 소음 준위 차이는 해상 상태에 의한 영향보다는 조사선 발전기의 영향이 우세한 것으로 판단할 수 있다.
수직 성분이 우세한 환경(A>0)에서 실수부와 허수부의 진동폭이 커짐을 확인할 수 있으며, 반대로 수평 성분이 우세 (A<0)해지면 실수부와 허수부 모두 진동폭이 감소하며 0과 교차하는 영점교차점의 위치 kd도 어느 정도 증가하는 것을 알 수 있다.
[22] 이 경험식에 의하면 이번 주변 소음 측정 실험 환경과 같은 해상 상태에서의 스펙트럼 준위는 300 Hz 이하의 주파수 대역에 대하여, 선박 통행이 많은 곳에서는 약 80 dB, 선박 통행이 적은 곳에서는 65 ~ 70 dB를 나타낸다. 이 경험식을 근거로 이번 실험 해역은 선박통행량이 많은 해역에 해당하며, 실제 실험 당시의 AIS(Auto Identification System) 자료에서도 다수의 선박이 통행 중이었음을 확인할 수 있다(Fig. 7).
이러한 차이는 수직선배열센서의 기울어짐에 의해 발생한 것으로 판단되며, Table 1에서 계획 수심과 실제 수심을 이용하여 계산하면 수직선배열센서가 약 16° 기울어져 있을 가능성이 있음을 확인하였다.
조사선 발전기가 작동할 때의 코히런스 결과는, 조사선 바닥 전체에서 형성된 균일한 음원과 수직선배열센서와의 수평 거리에 따른 전달 손실을 고려한 방향밀도함수를 사용하여 모의한 코히런스 결과와 비교하였으며, 비교 결과는 발전기 소음의 우세한 주파수 대역인 2 kHz 이하에 해당하는 kd ≤ 20에서 매우 유사한 경향을 나타내었다.
(a)]. 주변 소음 측정 당시 심도기록계에 의한 각 수신기의 간격은 처음에 설치 시 고정된 수신기 수심과 비교했을 때 약 1.2 - 1.6 m 정도 차이를 나타내는 것을 확인하였다(Table 1).
원거리 선박 소음에 의한 소음 환경에서의 코히런스 결과는 Deane[25]이 제시한 해수면 소음장 코히런스 모델에 원거리 선박에 의한 영향을 인코히어런트하게 더해 줌으로써 고려하였다. 주변 소음의 코히런스 결과는 원거리 선박 소음에 의한 영향으로 실수부의 전체적인 준위가 높게 형성되어있으며, 그에 비해 허수부는 매우 작은 값을 보였다. 이와 같은 결과는 실험해 역의 소음장이 수평축에 대한 대칭성이 우세한 수평적 전달 특성을 갖는 소음장임을 의미한다.
측정 해역의 표층 입도는 그랩 샘플링을 이용하여 분석한 결과 평균입도 # , d는 입자의 직경(mm), d0는 기준 길이(1 mm)]를 갖는 자갈펄로 분석되었다(Table 3).
후속연구
본 논문에서는 서해의 태안반도 주변의 해역에서 측정된 수중 소음의 공간 코히런스 분석을 수행하였으며, 사질 퇴적층이 우세한 해역의 퇴적층 환경을 잘 반영한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 실험을 통해 공간 코히런스 분석을 통해 실험 해역의 퇴적층 환경을 유추할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 추후에는 다양한 환경에서의 코히런스 실험을 통해 퇴적층 구성 성분에 따른 주변 소음의 공간 코히런스 특성 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비대칭성분과 관련해 비대칭 소음장의 예로는 무엇이 있는가?
비대칭 소음장의 예로는 등음속을 갖는 심해 환경에서 해수면의 운동으로 발생된 소음이 아랫방향으로만 전파되는 환경을 가정할 수 있다. 이 때, 두 수신기의 수평축을 기준으로 위에서 아래로 향하는 음파만 존재하고, 아래에서 위로 전파되는 음파는 존재하지 않는다고 가정하면 수직방향밀도 함수는 Eq.
코히런스 분석에서 확인할 수 있는 사항은?
코히런스 분석은 두 수신기에 수신된 신호의 상관관계를 정량화하는 것을 의미하며, 이 분석 방법을 이용하여 음파 전달에 따른 해양환경의 특성을 확인할 수 있다. 코히런스는 분석 방법에 따라 공간 코히런스(spatial coherence)와 시간 코히런스(temporal coherence)로 나눌 수 있다.
코히런스 분석은 무엇인가?
코히런스 분석은 두 수신신호의 유사성을 분석하는 방법으로, 수중음향에서는 음파의 시간 및 공간 특성을 나타낼 수 있는 유용한 분석 방법이다. 본 논문에서는 한국해양과학기술원과 한양대학교가 공동으로 수행한 해양음향 실험의 일부로, 3개의 수중청음기로 구성된 수직선배열센서를 이용하여 수중에서 주변 소음을 측정하였다.
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