[논문]동해에서 난수성 소용돌이의 원거리 음파전달에 미치는 영향

김원기; 조창봉; 박정수; 한주영; 나영남

doi:10.7776/ask.2015.34.6.455

동해에서 난수성 소용돌이의 원거리 음파전달에 미치는 영향
Effects of Warm Eddy on Long-range Sound Propagation in the East Sea 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.6, 2015년, pp.455 - 462

김원기 (국방과학연구소) , 조창봉 (국방과학연구소) , 박정수 (국방과학연구소) , 한주영 (국방과학연구소) , 나영남 (국방과학연구소)

초록
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동해에는 주변 수온보다 온도가 높은 난수성 소용돌이가 자주 발생되는 것으로 알려져 있다. 이러한 난수성 소용돌이의 발생은 음속구조의 변화를 야기해 음전달특성을 변화시키게 되며, 특히 원거리 음전달에 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 본 논문에서는 난수성 소용돌이가 확인되는 2007년 3월 23일의 수온자료를 재분석한 자료를 이용하여 난수성 소용돌이가 원거리 음전달에 미치는 영향을 분석하였다. 연구를 위해 포물선 방정식 모델을 이용해 음파 전달손실과 평균 직접 신호초과 거리를 이용한 탐지거리 성능분포분석을 수행하였다. 분석결과 난수성 소용돌이의 존재는 난수성 소용돌이가 존재하지 않을 때와는 매우 다른 음전달 특성을 보여주고 있으며, 특히 난수성 소용돌이의 경계는 음전달의 제한적인 요소가 될 수 있기 때문에 원거리 음전달에 불리할 것으로 판단된다. 이러한 난수성 소용돌이에 의한 원거리 음전달의 제한은 해저 심도가 낮을수록 더 커지는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that warm eddy is frequently developed through the year in the East Sea. The warm eddy may affect sound propagation due to changes of sound velocity structures in the sea water. To verify the effects of the warm eddy for long-range sound propagation, transmission loss and performance surface, which were used mean direct signal excess range generated by sound propagation modeling using re-analyzed climatology data on March 23th in 2007 were analysed. From these analyses, we found that characteristics of sound propagation in the sea water are changed by the warm eddy, and boundaries of the warm eddy act as a barrier for long-range sound propagation. Furthermore, these disadvantages of the eddy related to sound propagation were increased when the sea bottom depth is shallow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 동해 북부해역에서 난수성 소용돌이가 확인된 2007년 3월 23일의 수온자료를 재분석한 자료를 이용하여 난수성 소용돌이가 존재함에 따라 음파의 원거리 전파 특성이 어떻게 변화하는지를 파악하고자 하였다. 또한 수중 음파전달에 있어 중요한 요소인 해저면의 영향을 함께 고려하여 동해에서의 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 분석을 위해 송신원의 위치를 소용돌이 내부와 외부에 위치시켜 음파전달 모델링을 수행하여 음파전달 특성을 비교하였으며, 평균 직접신호초과거리를 이용하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행함으로써 동해에서 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 공간적으로 파악하고자 하였다.
이러한 국지적 수온변화는 소용돌이 외부와 구분되는 음파 전달 특성을 가지게 될 것이기 때문에 음파의 원거리 전달에 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 본 연구에서는 동해 북부해역에서 난수성 소용돌이가 확인된 2007년 3월 23일의 수온자료를 재분석한 자료를 이용하여 난수성 소용돌이가 존재함에 따라 음파의 원거리 전파 특성이 어떻게 변화하는지를 파악하고자 하였다. 또한 수중 음파전달에 있어 중요한 요소인 해저면의 영향을 함께 고려하여 동해에서의 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 동해에 난수성 소용돌이가 음파의 원거리 전파에 미치는 영향을 해당지역의 해저면 특성과 함께 분석하고자 하였다. 이러한 분석을 위해 2007년 3월 23일의 수온자료를 재분석한 자료를 이용하여 음파전달 모델링을 수행하였고, 공간적 특성을 분석하기 위해 평균 직접 신호초과거리를 이용하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행하였다.

가설 설정

원거리 전파특성을 파악하기 위해 모델링 거리는 100 km로 설정하였다. 해당 지역은 진흙이 우세한 지역임을 가정하여 설정하였다.^[10] Table 1은 음파전달 모델링 변수들을 보여주고 있다.

제안 방법

2007년 3월 23일의 재분석 수온자료를 이용하여 해당지역에 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 어떠한 영향을 미치는지를 확인하기 위해 음파전달 모델링을 수행하였다. 모델링을 위해 저주파 음파전달에 적합한 것으로 알려져 있는 포물선 방정식을 기반으로 하는 RAMGEO 모델을 이용하였다.
또한 수중 음파전달에 있어 중요한 요소인 해저면의 영향을 함께 고려하여 동해에서의 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 분석을 위해 송신원의 위치를 소용돌이 내부와 외부에 위치시켜 음파전달 모델링을 수행하여 음파전달 특성을 비교하였으며, 평균 직접신호초과거리를 이용하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행함으로써 동해에서 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 공간적으로 파악하고자 하였다.
송신원이 소용돌이 내부와 외부에 있을 때의 음파 전달특성을 비교하기 위해 소용돌이 외부지점인 OP 지점에 송신원이 위치한 경우와 CP지점에 송신원이 있는 경우의 음파전달 특성을 비교하였다(Fig. 7).각각의 음파전달 방향은 정북방향에서부터 시계방향으로 140°와 320°로 해저면의 심도 및 형태가 동일하지 않아 정확한 비교는 어려울 수 있으나 난수성 소용돌이가 존재할경우인 Fig.
동해에서의 음파전달은 난수성 소용돌이의 영향뿐만 아니라 해저면의 특성도 매우 큰 영향을 미친다는 것을 음파전달 모델링을 통해 확인할 수 있는데, 동해는 매우 다양한 심도분포를 보이고 있기 때문에 동해에서 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 공간적으로 파악할 필요가 있다. 이러한 연구를 위해 평균 직접 신호초과거리를 이용하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행하였다.^[11] 본 연구에서는 총 76지점에 대해서 평균 직접신호초과거리를 계산하였다.

대상 데이터

1은 본 연구의 연구지역인 동해 북부해역의 수심정보를 보여주고 있다. 연구지역의 수심은 대체로 1,000 m 내외로 북동쪽에 일본분지가 일부 포함되어 있다.

데이터처리

본 연구에서는 동해에 난수성 소용돌이가 음파의 원거리 전파에 미치는 영향을 해당지역의 해저면 특성과 함께 분석하고자 하였다. 이러한 분석을 위해 2007년 3월 23일의 수온자료를 재분석한 자료를 이용하여 음파전달 모델링을 수행하였고, 공간적 특성을 분석하기 위해 평균 직접 신호초과거리를 이용하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행하였다.

이론/모형

2007년 3월 23일의 재분석 수온자료를 이용하여 해당지역에 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 어떠한 영향을 미치는지를 확인하기 위해 음파전달 모델링을 수행하였다. 모델링을 위해 저주파 음파전달에 적합한 것으로 알려져 있는 포물선 방정식을 기반으로 하는 RAMGEO 모델을 이용하였다.^[9] 비교 분석을 위해 송신원의 위치는 소용돌이의 심도가 가장 깊은 지점(CP)과 소용돌이 외부 지역(OP)에 위치시켰으며, 송신원의 주파수와 심도는 각각 300 Hz와 15 m이다.

성능/효과

8은 심도별 탐지거리 성능분포를 보여주고 있다. 결과를 보면 소용돌이 경계를 따라 평균 직접 신호 초과거리가 짧은 것을 알 수 있다. 반면에 소용돌이 내부에서는 신호초과거리가 크게 나타나고 있다.
이것은 혼합층의 속도와 두께변화에 기인한다고 판단할 수 있다. 두 결과를 보면, 송신원의 위치가 소용돌이 내부에 있을 때와 외부에 있을 때 원거리 음파 전달특성이 달라지는 것을 뚜렷이 확인할 수 있다.
따라서 소용돌이 내부에서 경계를 통과하는 전파하는 음파는 원거리 전달에 불리할 것으로 판단된다. 등고선으로 표시한 수온과 탐지거리 성능분포 결과를 보면, 각 심도에서의 소용돌이 중심이 아닌 소용돌이가 가장 깊은 심도인 지역에 그 중심이 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 소용돌이의 북동쪽과 남서쪽 경계에서 평균 신호초과거리가 낮게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 현상은 얕은 수심에서 더 뚜렷이 확인되고 있다.
2와 3과 같이 난수성 소용돌이의 발달은 뚜렷한 국지적 수온구조변화를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서 수온에 영향을 받는 음속구조변화가 발생하여 수중 음파전달특성이 변화할 것으로 판단되며, 특히 원거리 음파전달에 큰 영향을 줄 것으로 예상된다.
5(a)를 보면 소용돌이 경계, 즉 40 ~ 50 km를 기준으로 전파특성이 매우 달라지는 것을 알 수 있다. 소용돌이 외부에서는 수렴대의 형성이 잘 되는 것을 확인할 수 있는 반면에 음파가 소용돌이 내로 들어가게 되면 수렴대의 형성이 약화됨을 확인할 수 있고 수렴대의 간격 또한 좁아지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 수렴대의 심도가 음파가 소용돌이 내로 진입한 후에는 좀 더 깊어지는 것을 확인할 수 있다.
2는 2007년 3월 23일의 수온자료를 재분석한 자료로서 해수면의 수온분포를 보여주고 있다. 수온자료를 보면 수온이 약 14℃로 주변보다 높게 나타나고 있는 난수성 소용돌이가 발달하고 있는 것을 확인할 수 있다. Fig.
평균 직접 신호 초과거리를 이용한 탐지거리 성능분포 분석결과를 보면 음파는 소용돌이 내부에서는 음파전달에 불리 하게 작용하지 않지만, 음파가 소용돌이 경계를 만나게 되면 음파전달이 불리해지는 것을 알 수 있었다. 이러한 소용돌이에 의한 불리한 음파전달특성은 해저면의 특성으로 인해 소용돌이 북동쪽과 남서쪽에서 더욱 강하게 나타나고 있어 원거리 음파전달에 매우 불리할 것으로 판단된다.
또한 송신원이 외부에 있을 경우가 소용돌이 내부에 있을 경우보다 상대적으로 원거리 음파 전달이 유리한 것으로 분석되었다. 평균 직접 신호 초과거리를 이용한 탐지거리 성능분포 분석결과를 보면 음파는 소용돌이 내부에서는 음파전달에 불리 하게 작용하지 않지만, 음파가 소용돌이 경계를 만나게 되면 음파전달이 불리해지는 것을 알 수 있었다. 이러한 소용돌이에 의한 불리한 음파전달특성은 해저면의 특성으로 인해 소용돌이 북동쪽과 남서쪽에서 더욱 강하게 나타나고 있어 원거리 음파전달에 매우 불리할 것으로 판단된다.

후속연구

동해에서의 음파전달은 난수성 소용돌이의 영향뿐만 아니라 해저면의 특성도 매우 큰 영향을 미친다는 것을 음파전달 모델링을 통해 확인할 수 있는데, 동해는 매우 다양한 심도분포를 보이고 있기 때문에 동해에서 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 공간적으로 파악할 필요가 있다. 이러한 연구를 위해 평균 직접 신호초과거리를 이용하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행하였다.
^[4-6] 국내의 경우 동해에 많이 발달하는 난수성 소용돌이에 대한 해양학적 연구는 많이 진행되어 온 반면에^[7,8] 동해에 존재하는 소용돌이에 의한 음파전달특성변화와 관련된 연구는 제한적으로 진행되어 왔다. 따라서 동해에 발달하는 난수성 소용돌이의 해양학적 특성을 고려한 음파전달 특성변화 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것이다.
마지막으로 동해에서 발생하는 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 보다 정확하게 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 송신원의 위치뿐만 아니라 실제 소나 운용심도를 고려했을 때의 소용돌이의 영향을 추가적으로 분석해야할 것으로 생각되며, 보다 다양한 해양환경자료에 대한 분석 등이 추가적으로 진행되어야 할 것으로 생각된다.
마지막으로 동해에서 발생하는 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 보다 정확하게 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 송신원의 위치뿐만 아니라 실제 소나 운용심도를 고려했을 때의 소용돌이의 영향을 추가적으로 분석해야할 것으로 생각되며, 보다 다양한 해양환경자료에 대한 분석 등이 추가적으로 진행되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양환경 특성 변화가 수중 음파전달에 미치는 영향을 파악 할 필요가 있는 이유는?	이 음속구조는 해수의 수온, 염분 및 압력에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.[1] 해수의 특성을 변화시키는 해양환경변화는 음속구조에 큰 영향을 주기 때문에 수중 음파전달에 많은 영향을 미치게 된다.[2] 따라서 해양환경 특성 변화가 수중 음파전달에 미치는 영향을 파악할 필요가 있다.
	수중에서의 음파전달 특징은 무엇에의해 달라지는가?	수중에서의 음파전달은 음속구조에 의해 그 특성이 달라진다. 이 음속구조는 해수의 수온, 염분 및 압력에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
	동해에서의 음파전달은 '난수성 소용돌이의 영향뿐만 아니라 해저면의 특성도 매우 큰 영향을 미친다는 것'을 무엇을 통해 알 수 있는가?	동해에서의 음파전달은 난수성 소용돌이의 영향뿐만 아니라 해저면의 특성도 매우 큰 영향을 미친다는 것을 음파전달 모델링을 통해 확인할 수 있는데, 동해는 매우 다양한 심도분포를 보이고 있기 때문에 동해에서 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향을 공간적으로 파악할 필요가 있다. 이러한 연구를 위해 평균 직접 신호초과거리를 이용 하여 탐지거리 성능분포 분석을 수행하였다.

참고문헌 (11)

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P. J. McDowell, Environmental and Statical Performance Mapping Model for Underwater Acoustic Detection Systems, (Ph.D. thesis, University of New Orleans, 2010).

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표제어: PCR

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