[논문]중고주파 해수면 생성 배경소음 모델과 응용

이근화; 성우제

doi:10.7776/ask.2016.35.5.340

중고주파 해수면 생성 배경소음 모델과 응용
Mid-high frequency ocean surface-generated ambient noise model and its applications 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.35 no.5, 2016년, pp.340 - 348

이근화 (세종대학교 국방시스템공학과) , 성우제 (서울대학교 조선해양공학과)

초록
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해수면 생성 배경소음에 대한 코히런스함수를 계산하기 위한 음선 기반 모델은 거리와 방위각에 대한 이중적분의 형태를 띤다. 이를 수치적으로 계산하기 위한 이론적인 고려사항은 본 저자들의 과거의 연구에서 부분적으로 설명되었으나, 해양 환경에서의 수치 해석은 수행된 적이 없다. 본 연구에서는 천해와 심해 환경에서 수치실험을 수행하였고, 이를 통해 코히런스함수는 해저 퇴적층음속에 의존하며, 심해보다는 천해에서 해저 퇴적층음속에 민감하다는 것을 보였다. 비슷한 경향이 수신기 쌍의 자세가 변하는 경우에도 관찰된다. 추가적으로 소음수신각에 대한 소음인텐서티를 표현하기 위한 후처리 기술이 제안되었다. 이 기술은 Harrison의 준해석적 모델과 비교할 때, 출력 자료의 형식에 대한 음선 기반 모델의 단점을 보완할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ray-based model for the calculation of the ocean surface-generated ambient noise coherence function has the form of double integral with respect to a range and a bearing angle. While the theoretical consideration about its numerical implementations was partly given in the past work of authors, the numerical results on the ocean environment have not been presented yet. In this paper, we perform numerical experiments for shallow and deep water environments. It is shown that the coherence function depends on the ocean sediment sound speed, and is more sensitive to the ocean sediment sound speed in the shallow water than in the deep water. Similar trend is also observed for varying the orientation of hydrophone pair. In addition, a post-processing technique is proposed in order to plot the noise intensity for the noise receiving angle. This procedure will supplement the weakness of the ray-based model about the output data type compared to the semi-analytic model of Harrison.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

으로부터 1 kHz에서 20 kHz의 중고주파 소나에서 사용가능한 중고주파 음선기반모델을 유도하고 근사해석을 수행했다. 본 연구에서는 Lee와 Seong의 소음코히런스함수에 대한 일반적인 공식을 이용하여 다양한 해양환경에 대해 수치해석을 수행했다.
그래서 소나배열 연구자들에게 유용한 해양소음의 방향성을 보여주지 못했다. 본 연구에서는 음선기반모델의 산출결과에 대한 후처리를 통해 해양소음의 방향성을 도시하는 기법을 제안한다.
본 연구에서는 중고주파 해수면 배경소음 예측모델 소개했다. 또한 해당 모델을 수치적으로 구현할 때의 고려사항에 대해 서술하고 천해 및 심해 환경에 대한 수치해석을 수행했다.
본 절에서는 천해와 심해에서 해저퇴적층의 음속이 달라질 때 코히런스함수의 변화를 관찰했다. 천해는 수심 60 m의 Pekeris 도파관을 가정했고, 심해는 수심 2000 m의 동해여름음속을 갖는 해양환경을 가정했다.
우선 청음기 쌍의 자세각의 변화에 따른 특성을 살펴본다. Fig.

가설 설정

(2)에서 r에 대한 적분은 수신 각인 θr에 대한 적분으로 치환 할 수 있을 것이다.
2는 Pekeris 도파관의 환경에서 청음기 쌍의 자세각과 d/λ에 따른 코히런스함수의 변화를 그린 것이다. Pekeris 도파관은 수심 100 m의 진흙퇴적층으로 가정했고, 청음기 쌍은 수심 30 m에 놓여있다고 생각했다. Fig.
또한, 해수면 소음원은 해수면에 가까운 수심에 분포하고 있다고 생각했다. 그 결과로서 해수면 소음원에서 상향되는 음장과 하향되는 음장은 마치 하나의 dipole 음장처럼 거동한다고 가정했다. 물론 수식 상으로는 굳이 dipole 음원으로 취급하지 않고 monopole 음원으로 취급해도 아무런 문제가 없다.
본 절에서는 천해와 심해에서 해저퇴적층의 음속이 달라질 때 코히런스함수의 변화를 관찰했다. 천해는 수심 60 m의 Pekeris 도파관을 가정했고, 심해는 수심 2000 m의 동해여름음속을 갖는 해양환경을 가정했다. 해저퇴적층은 진흙, 모래, 굵은 모래로 가정했으며, 각각의 음속은 1490 m/s, 1690 m/s, 1890 m/s이다.
천해는 수심 60 m의 Pekeris 도파관을 가정했고, 심해는 수심 2000 m의 동해여름음속을 갖는 해양환경을 가정했다. 해저퇴적층은 진흙, 모래, 굵은 모래로 가정했으며, 각각의 음속은 1490 m/s, 1690 m/s, 1890 m/s이다. 해저 퇴적층 감쇠계수는 0.

제안 방법

Eq.(2)를 수치적으로 풀기 위해서는 우선 이중 적분을 합 연산자로 이산화를 하고, 음선모델을 이용해 각각의 이산화 된 소음원 위치로부터 청음기 쌍의 중심까지 음선 특성을 각각 계산한다. 그리고 계산된 값을 이용하여 최종적으로 ‘이중적분과 음선 합’에 대한 삼중 합 연산을 수행하면 된다.
본 연구에서는 Eq.(2)를 지배식으로 삼아 수치해석을 수행했다. Eq.
Eq.(2)의 계산이 끝난 후에 전체 거리와 방위각 격자에 대해 저장된 파일을 읽어서 음선 이력별로 음선정보를 분류하고 그룹화했다. 예를 들어, 해수면을 1번 맞은 이력을 갖는 음선들끼리 같은 그룹으로 묶고, 해수면 1번 및 해저면 1번을 맞은 음선들끼리 같은 그룹으로 묶는 것을 뜻한다.
Cron과 Sherman^[5]이 반무한영역의 해양환경에서 소음코히런스함수를 유도하고 해석적인 식을 얻어낸 이래로, 국외의 많은 연구자들이 준해석법, 정상모드법, 파수적분법, 포물선방정식법을 이용하여 일반적인 해양환경에서 소음코히런스함수 모델을 연구했다.^[2] 그중에 본 연구의 주제와 가장 가까운 중고주파 모델은 Harrison의 준해석법 모델^[6]이다.
본 연구에서는 중고주파 해수면 배경소음 예측모델 소개했다. 또한 해당 모델을 수치적으로 구현할 때의 고려사항에 대해 서술하고 천해 및 심해 환경에 대한 수치해석을 수행했다.
본 연구에서는 후처리 과정을 통해 각도에 따른 상대적인 소음준위의 변화를 얻었다. 우선 Eq.
4는 천해에서 d/λ와 해저퇴적층 음속에 대한 코히런스함수의 결과를 보여준다. 수치결과와의 비교를 위해 반무한영역에 대한 Cron과 Sherman의 해석적인 결과^[5]와 등방성 소음원에 대한 결과를 추가했다. Fig.
하지만 수치적으로 음선을 추적할 때 소음원의 깊이가 해수면에 매우 가깝다면, ‘소음원에서 수신원에 직접 도달하는 음선’과 ‘소음원에서 해수면을 맞고 수신원에 도달하는 음선’간의 도달시간의 차이가 도달 시간의 수치 오차보다 더 작아지는 경우가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 소음원을 dipole 음원으로 취급하였다. 그에 따라 음선추적에서 얻어지는 음선 중에 소음원으로부터 해저면으로의 하향 되는 음선만을 계산에 사용했다.
4와 같다. 추가로 청음기 쌍의 수심에 따른 효과를 보기 위해 수심을 30 m 및 200 m로 변화시켰다. 상대적인 소음인텐서티는 II절에서 서술한 후처리 과정을 통해 얻었다.
추가적으로 해저 퇴적층 감쇠계수의 영향을 살펴보았다. 해양환경은 해저퇴적층의 영향이 크게 나타났던 천해환경의 모래 해저퇴적층으로 설정하였고 감쇠계수를 0.
해양환경은 해저퇴적층의 영향이 크게 나타났던 천해환경의 모래 해저퇴적층으로 설정하였고 감쇠계수를 0.1 , 0.3, 0.5 dB/λ로 변화시켜가며 관찰하였다.

이론/모형

Eq.(2)에서 이중적분은 거리와 방위각을 균일격자로 나누어서 구분구적법을 이용하여 계산했다. 일반적인 해양환경에서는 거리와 방위각에 따라 Eq.
[2] 그중에 본 연구의 주제와 가장 가까운 중고주파 모델은 Harrison의 준해석법 모델^[6]이다. Harrison의 모델은 기본적으로 음선법에 기반을 두고 유도된 모델이다.

성능/효과

우선 Eq.(2)를 계산하는 과정 중에 각각의 거리와 방위각 격자에서 생성되는 음선정보와 이력을 모두 저장했다. 참고로 Eq.
본 연구에서는 수중감쇠계수를 고려하는 경우 약 100 km의 상한한계에서 Eq.(2)의 수치해가 안정적인 것을 확인했다. Eq.
각각의 음선그룹에 대해 이와 같은 과정을 반복하면 결국 Eq.(2)의 전체 커널은 균등한 수신 각에 대한 함수로 주어진 각각의 m번째 커널의 합으로 계산할 수 있다. 다음 절부터는 수치해석을 통해 Eq.
^[1] 중고주파수 소나에서 관심 있는 대역인 1 kHz 이상의 영역에서는 해양파에 의한 해수면 소음이 지배적인 것으로 알려져 있다.^[2] 해양파에 의한 해양배경소음의 에너지는 대부분 해수면 근처의 넓은 영역에서 해양파에 의한 기포의 생성과 소멸에 의해 생성된다. 그렇기 때문에 물리적으로 해양 생성 배경소음원은 해수면 근처에서 수평 방향으로 넓게 분포해 있다고 생각할 수 있을 것이다.
음선 기반의 중고주파 해수면 배경소음 모델은 기존의 준해석법 모델에 비해 복잡한 해양환경에 적용할 수 있는 범용성을 가지나, 대신에 수신각에 대한 소음인텐서티를 보여주지는 못했다. 본 연구에서는 음선기반 수치모델에서도 후처리 과정을 통해 수신각에 대한 소음인텐서티를 계산할 수 있음을 보였다. 수치해석 결과는 Cron과 Sherman의 해석해와 비교하여 동일한 결과를 주는 것을 확인했다.
본 연구에서는 음선기반 수치모델에서도 후처리 과정을 통해 수신각에 대한 소음인텐서티를 계산할 수 있음을 보였다. 수치해석 결과는 Cron과 Sherman의 해석해와 비교하여 동일한 결과를 주는 것을 확인했다. 또한 수치해에 나타나는 여러 가지 특징은 해양환경의 음향학적 특성과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
소음원-수신원 역전원리는 음파의 선형성에 대한 가정으로부터 자연스럽게 도출되는 결과로 소음원과 수신원의 위치를 서로 바꿔도 동일한 결과를 얻는다는 것을 말한다. 해양 도파관에 대해서도 소음원-수신원 역전원리가 성립한다는 것이 증명이 되었으며, 본 연구에서 사용된 음선이론 또한 음선크기와 도달시간 등의 음선 물리량들이 모두 역전원리를 만족한다. 소음원-수신원 역전원리를 이용하면 ‘다중 소음원-단일 수신원’의 문제는 ‘단일 소음원-다중 수신원’의 문제로 치환할 수 있다.

후속연구

해양소음간섭법에 사용하는 소음교차상관함수는 본 연구주제인 코히런스함수와 푸리에 변환 쌍을 이룬다. 따라서 주파수 영역의 코히런스함수에도 해양소음간섭법에서 개척한 여러 응용분야들을 적용할 수 있을 것이다. 궁극적으로 해수면 생성 배경소음 코히런스함수는 소나를 이용하는 플랫폼에 별다른 비용 없이 주변 환경정보를 제공하는 유용한 수단이 될 것이라 생각한다.
2에서 실수부보다는 허수부가 청음기 쌍의 자세에 따라 뚜렷하게 위상반전을 하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 코히런스함수를 이용하여 자세각을 추정하는 문제를 풀 때 응용할 수 있을 것이다. 또한, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 영역의 코히런스함수에도 해양소음간섭법에서 개척한 여러 응용분야들을 적용할 수 있는 이유는?	최근 미국에서는 해양소음간섭법[9]을 발전시켜 지음향 역산이나 음향측심에 활용하고 있다. 해양소음간섭법에 사용하는 소음교차상관함수는 본 연구주제인 코히런스함수와 푸리에 변환 쌍을 이룬다. 따라서 주파수 영역의 코히런스함수에도 해양소음간섭법에서 개척한 여러 응용분야들을 적용할 수 있을 것이다.
	해양배경소음의 발생 원인은?	해양배경소음은 난류에 의한 변동, 선박 항행, 해양 생물 등의 다양한 원인에 의해 발생한다.[1] 중고주파수 소나에서 관심 있는 대역인 1 kHz 이상의 영역에서는 해양파에 의한 해수면 소음이 지배적인 것으로 알려져 있다.
	해양파에 의한 해수면 소음이 지배적인 것으로 알려져 있는 주파수 대역은?	해양배경소음은 난류에 의한 변동, 선박 항행, 해양 생물 등의 다양한 원인에 의해 발생한다.[1] 중고주파수 소나에서 관심 있는 대역인 1 kHz 이상의 영역에서는 해양파에 의한 해수면 소음이 지배적인 것으로 알려져 있다.[2] 해양파에 의한 해양배경소음의 에너지는 대부분 해수면 근처의 넓은 영역에서 해양파에 의한 기포의 생성과 소멸에 의해 생성된다.

참고문헌 (9)

W. M. Carey and R. B. Evans, Ocean Ambient Noise: Measurement and Theory (Springer, New York, 2011), pp. 1-9.
P. Ferat and J. Arvelo, "Mid to high-frequency ambient noise anisotropy and notch-filling mechanisms," in Proc. HFOAC, 497-507 (2004).
M. J. Buckingham, "On the two-point cross-correlation function of anisotropic, spatially homogeneous ambient noise in the ocean and its relationship to the Green's function," J. Acoust. Soc. Am. 126, 3562-3576 (2011).
F. B. Jensen, M. B. Porter, W. A. Kuperman, and H. Schdmidt, Computational Ocean Acoustics, 2nd Edition (Springer, New York, 2011), pp. 661-704 and 147-148.
B. F. Cron and C. H. Sherman, "Spatial correlation functions for various noise models," J. Acoust. Soc. Am. 34, 1732-1736 (1962).

상세보기
C. H. Harrison, "Formulas for ambient noise level and coherence," J. Acoust. Soc. Am. 99, 2055-2066 (1996).

상세보기
K. Lee and W. Seong, "Ray-based model for spatial coherence of ocean surface-generated noise and its approximation in a triplet array," IEEE J. Ocean. Eng. to be published. Available: http:/dx.doi.org/10.1109/JOE.2016.2550280.

상세보기
D. R. Barclay and M. J. Buckingham, "The depth-dependence of rain noise in the Philippine Sea," J. Acoust. Soc. Am. 133, 2576-2585 (2013).

상세보기
L. A. Brooks and P. Gerstoft, "Ocean acoustic interferometry," J. Acoust. Soc. Am. 121, 3377-3385 (2007).

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표제어: PCR

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