[논문]선박 수중방사소음의 셉스트럼 분석을 이용한 음향역산법 연구

박철수; 김건도; 임근태; 문일성

doi:10.7776/ask.2019.38.1.073

초록
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본 논문에서는 선박 수중방사소음의 셉스트럼(cepstrum) 분석을 이용한 음향역산법을 제안하였다. 셉스트럼 분석을 통해 수중 청음기에서 계측된 선박 소음으로부터 직접 도달파와 해수면과 해저면에서 반사파와의 간섭에서 기인한 음파의 다중반사 구조를 추출할 수 있다. 음향학적 역산은 계측 신호의 셉스트럼과 모의 신호의 셉스트럼을 비교하여 최적의 역산인자를 찾는 방식으로 구성되었다. 본 논문에서 제안된 역산기법을 대한해협에서 계측한 선박 수중방사소음 데이터에 적용하여 대상 선박의 음원중심과 수중청음기의 위치를 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an acoustical inversion method using cepstrum analysis of underwater ship noise. Through the cepstrum analysis, multipath structure can be extracted from the recorded ship noise. The multipath structure comes from interferences between a direct arrival and multiple reflections fr...

This paper proposes an acoustical inversion method using cepstrum analysis of underwater ship noise. Through the cepstrum analysis, multipath structure can be extracted from the recorded ship noise. The multipath structure comes from interferences between a direct arrival and multiple reflections from the sea surface and the bottom. The acoustic inversion is the optimization process to find the best parameters which show good correlation between cepstrums of the measured signal and the replica. The inversion method was applied to the underwater ship radiated noise data measured at Straits of Korea in order to estimate the acoustic center of the ship and the hydrophone position. The inversion results showed good agreement with the measured information.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. An example of deployment for the shipping noise measurement.^[4]
그림 Fig. 2. Cepstrum analysis numerical example : (a) half space environment, (b) spectrum of direct arrival and received signals, (c) cepstrum.
그림 Fig. 3. Concept of the acoustic inversion through comparison between (a) cepstrum of measured data and (b) cepstrum of simulated data.
그림 Fig. 4. Definition of the positions which represent surface buoy, hydrophone, ship DGPS and ship acoustic center in 2-D coordinates parallel to the sea surface.
그림 Fig. 5. Definition of two coordinates which shows the relation between (Δx_s, Δy_s) and (Δl_s, Δb_s).
그림 Fig. 6. Description of URN measurement test : (a) test site and (b) measured underwater sound speed profile.
그림 Fig. 7. Cepstrum images of data measured from 01:00 to 04:00 on March 4, 2016.
그림 Fig. 8. Scatter plots of the VFSR search for the cepstrum data of 90 % MCR 1^st run.
표 Table 1. Ship acoustic center positions relative to the ship DGPS and hydrophone position relative to the surface buoy DGPS converted from inversion results. Depths of the acoustic center and the hydrophone are also given in the table.
그림 Fig. 9. Comparison of slant ranges. The blue line is estimated from the DGPS data of ship and surface buoy and the red line is estimated from inversion. Cepstrums are also shown in the figure. Time differences between direct arrival and bottom reflected signal are given as red lines on the cepstrums.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 선박 소음의 셉스트럼 분석을 이용 한 음향학적 역산기법을 제안하였다. 제안된 역산기 법을 왕복 직선 기동을 하는 선박의 수중방사소음 계 측 데이터에 적용하여 선박의 음원중심과 수중 청음 기의 위치를 추정하였으며 추정결과의 타당성을 검 토하였다.
이에 본 논문에서는 비균일 음속에서 음원과 청음 기의 위치를 동시에 추정할 수 있는 음향학적 역산 기법을 제안하였다. 제안된 역산기법을 실측 데이터 에 적용한 후 추정 값과 실제 값을 비교하여 본 기법 의 효용성을 검토하였다.

가설 설정

이 때,  와 는 각각     와    를 의미한다. 선박의 음원중심 과 청음기의 수심을 각각 와 라 할 때, 경사거리 ()는   mod     이 된다.
[11]은 셉스트럼 분석을 통해 수 심 약 30 m의 천해에서 계측된 선박소음의 직접 도달 파와 해수면 반사파의 도달시간 차이를 계산한 후 기하학적 관계로부터 선박과 청음기의 경사거리를 추정하였다. 이 때, 수중 음속과 음원의 깊이 그리고 청음기의 깊이는 모두 일정하다고 가정하였다. An 과 Chen[12]은 수치시험을 통해 직접 도달파와 반사파 의 도달시간 차이를 이용한 음원과 청음기 사이의 경사거리 추정에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

3 kHz ~ 10 kHz의 주파수대역을 대상으로 셉스트 럼 분석을 수행하였다. 일반적인 선박(특히 상선) 수 중방사소음의 특성을 살펴보면 저주파 대역에서는 기계류에 의한 소음과 프로펠러의 캐비테이션에 기 인한 유체 소음이 혼재되어 있고, 고주파 대역에서 는 주로 프로펠러 캐비테이션 소음이 지배적이다.
반면에 직 접 도달파와 해수면 반사파의 경우 두 신호의 도달 시간차는 약 100 샘플(5 ms에 해당함) 이내였으나 이 미지 상에서는 잡음이 많아서 해당 피크가 명확히 식별되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 직접 도달 파와 해저면 반사파에 의한 성분을 이용하여 음향역 산을 수행하였다. 한편, 약 02:55 경에 대상선에 의한 것과는 확연히 다른 반사패턴이 발생하였는데 이는 계측 해역 인근을 지나간 다른 선박의 수중방사소음 에 의한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 역산인자를 수중청음기와 선박의 음원중심 위치로 한정하였다. 그러나 제안된 역산기 법은 수층의 음속분포와 수심, 해저면 지음향 인자 등 다양한 환경인자의 역산에 활용될 수 있으며 이 에 대한 후속 연구를 진행할 예정이다.
계측시험은 총3시간에 거쳐 진행 되었으며 이 동안에 선박은 60 % MCR(Maximum Continuous Rating), 75 % MCR 그리고 90 % MCR로 왕복 기동을 하였다. 수중방사소음 계측을 위한 수중청음기는 수심 24 m, 52 m, 90 m의 세곳에 설치되었고, 이 중 90 m에 설치 된 청음기를 사용하여 셉스트럼 분석과 역산을 수행 하였다. 계측된 데이터는 60 kHz의 샘플링 주파수로 이산화 된 후 저장되었다.

대상 데이터

2016년 3월 대한해협[Fig. 6(a)]에서 10,000 TEU급 컨테이너 선박을 대상으로 수중방사소음 계측시험 을 수행하였다. 계측 대상선의 제원은 길이 308 m, 폭 49 m이며 시험 당시 선미 흘수는 10 m였다.
일반적인 선박(특히 상선) 수 중방사소음의 특성을 살펴보면 저주파 대역에서는 기계류에 의한 소음과 프로펠러의 캐비테이션에 기 인한 유체 소음이 혼재되어 있고, 고주파 대역에서 는 주로 프로펠러 캐비테이션 소음이 지배적이다. [1] 본 연구에서는 상선의 주 소음원인 캐비테이션 소음 에 집중하기 위해 3 kHz 이상의 고주파 대역을 대상 으로 하였다. 셉스트럼 분석에서는 주파수 대역이 넓을수록 신호의 분해능이 높아진다.
6(a)]에서 10,000 TEU급 컨테이너 선박을 대상으로 수중방사소음 계측시험 을 수행하였다. 계측 대상선의 제원은 길이 308 m, 폭 49 m이며 시험 당시 선미 흘수는 10 m였다. 계측시험 이 수행된 해역은 수심 110 m로 일정하였으며, 동일 해역에서 계측된 수심에 따른 음속분포는 Fig.

데이터처리

본 논문에서는 선박 소음의 셉스트럼 분석을 이용 한 음향학적 역산기법을 제안하였다. 제안된 역산기 법을 왕복 직선 기동을 하는 선박의 수중방사소음 계 측 데이터에 적용하여 선박의 음원중심과 수중 청음 기의 위치를 추정하였으며 추정결과의 타당성을 검 토하였다. 검토결과 제안된 역산기법을 통해 선박의 음원중심과 청음기와의 경사거리, 해수면 부이 고정 라인의 경사각도, 그리고 최소근접거리 도달시간 등 을 추정할 수 있었으나, 추정 정확도는 다소 떨어지는 것으로 분석되었다.
이에 본 논문에서는 비균일 음속에서 음원과 청음 기의 위치를 동시에 추정할 수 있는 음향학적 역산 기법을 제안하였다. 제안된 역산기법을 실측 데이터 에 적용한 후 추정 값과 실제 값을 비교하여 본 기법 의 효용성을 검토하였다.

이론/모형

Eq. (3)에서 은 음선기반 모델인 BELLHOP[13]을 사용하여 계산하였 다. 이 때, 역산인자 벡터(  )는 (, , , ) 으로 정의하였다.
Eq. (3)의 목적함 수를 최소로 하는 최적 인자를 찾기 위해 광역 최적화 기법의 일종인 VFSR(Very Fast Simulated Reannealing) 알고리즘[14]을 적용하였다.

성능/효과

제안된 역산기 법을 왕복 직선 기동을 하는 선박의 수중방사소음 계 측 데이터에 적용하여 선박의 음원중심과 수중 청음 기의 위치를 추정하였으며 추정결과의 타당성을 검 토하였다. 검토결과 제안된 역산기법을 통해 선박의 음원중심과 청음기와의 경사거리, 해수면 부이 고정 라인의 경사각도, 그리고 최소근접거리 도달시간 등 을 추정할 수 있었으나, 추정 정확도는 다소 떨어지는 것으로 분석되었다. 이러한 부정확성은 단일 청음기 활용에 따른 한계로부터 기인하며 청음기의 개수가 늘어날수록 추정 정밀도가 향상될 것으로 판단된다.
9에는 기동 조건 별 셉스트럼과 역산결과 추정된 직접 도달파와 해저면 반사파의 도달시간 차이(그림에서 빨간 선) 를 비교하여 나타내었다. 비교 결과 추정된 도달시 간 차이는 셉스트럼에서 직접 도달파와 해저면 반사 파의 상호작용에 해당하는 첫 번째 피크 성분과 잘 일치하는 것이 확인되었다.
그림에서 표시된 바 와 같이 각 시험조건의 시간 대역에서 명확한 다중 반사 이미지를 확인할 수 있다. 선박과 수중청음기 의 위치를 고려할 때, 직접 도달파와 해저면 반사파 의 상호작용이 가장 지배적인 성분이 되며, 그림으 로부터 선박이 계측 해역에 도달하였을 때에는 두 신호의 도달 시간차에 해당하는 피크 성분과 그 조 화 성분들이 명확히 관측됨을 알 수 있다. 반면에 직 접 도달파와 해수면 반사파의 경우 두 신호의 도달 시간차는 약 100 샘플(5 ms에 해당함) 이내였으나 이 미지 상에서는 잡음이 많아서 해당 피크가 명확히 식별되지 않았다.

후속연구

본 연구에서는 역산인자를 수중청음기와 선박의 음원중심 위치로 한정하였다. 그러나 제안된 역산기 법은 수층의 음속분포와 수심, 해저면 지음향 인자 등 다양한 환경인자의 역산에 활용될 수 있으며 이 에 대한 후속 연구를 진행할 예정이다.
그런데 두 신 호의 상관관계를 기반으로 한 역산에서는 분해능이 너무 높아도 역산의 결과가 좋지 않은 경향이 있었 다. 본 연구에서는 3 kHz ~ 10 kHz 대역이 역산에 적합 한 것으로 판단되었으나, 선박 수중방사소음의 셉스트럼 분석에서 주파수 대역의 영향에 대한 추가 연 구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 음원과 청음기의 위치를 추정하기 위해 널리 사용된 방법은?	수중 음원과 청음기의 위치를 추정하기 위해 정합 장처리 또는 지음향학적연산 기법이 널리 활용되었 다. [6,7] 그러나 두 신호처리기법(특히 정합장처리)은 청음기배열을 활용하는 것이 일반적이며 Fig.
	VFSR알고리즘은 무엇인가?	Eq. (3)의 목적함 수를 최소로 하는 최적 인자를 찾기 위해 광역 최적화 기법의 일종인 VFSR(Very Fast Simulated Reannealing) 알고리즘[14]을 적용하였다.
	DGPS로 부터 경사거리를 추정하는데 존재하는 문제점은?	1과 같이 계측 대상 선박 의 음원중심 위치와 수중 청음기를 고정하는 해수면 부이에 설치된 두 개의 DGPS(Dynamic Global Positioning System)로부터 추정하는 것이 일반적이다. [3] 그런데 문제는 선박에서의 음원중심의 위치를 정의 하는 것이 쉽지 않고(실제로 각 계측표준에서 제시 하는 선박의 음원중심 위치가 서로 다름), 조류 등의 영향에 따라 청음기의 실제위치와 해수면 부이의 위 치는 상이하게 된다는 것이다. ISO 17208-1:2016(E)[3] 에 따르면 선박의 최소근접거리에서 경사거리  의 오차는 10 % 이내여야 하며 청음기 고정라인의 경사각도(drift angle)가 5° 이상인 경우 경사각도를 고려하여 경사거리를 재산정하여야 한다. 정확한 경 사각도 및 경사거리의 산정을 위해서는 수중 음원과 청음기의 위치를 알아야 한다.

참고문헌 (16)

IMO MEPC.1/Circ.833, Guidelines for the Reduction of Underwater Noise from Commercial Shipping to Address Adverse impacts on Marine Life, 2014.
IWC Scientific Committee. "Report of the workshop on acoustic masking and whale population dynamics," International Whaling Commission, IWC/SC/66B/REP 10, Rep., 2016.
ISO 7208-1:2016(E), Underwater acoustics -Quantities and procedures for description and measurement of underwater sound from ships -Part 1: Requirements for precision measurements in deep water used for comparison purposes, 2016.
DNVGL-RU-SHIP Pt.6 Ch.7, Rules for classification: Ships, 2017.
BV NR614, Underwater Radiated Noise (URN), 2014.
A. Tolstoy, Matched Field Processing for Underwater Acoustics (World Scientific, NJ, 1993), pp. 1-10.
C. Park, W. Seong, P. Gerstoft, and W. S. Hodgkiss, "Time-domain geoacoustic inversion of short-range acoustic data with fluctuating arrivals" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 32, 308-316 (2013).

원문보기 상세보기
R. B. Randall, "A history of cepstrum analysis and its application to mechanical problems," Mechanical Systems and Signal Processing, 97, 3-19 (2017).

상세보기
B. P. Bogert, M. J. R. Healy, and J. W. Tukey, "The quefrency analysis of time series for echoes: cepstrum, pseudo-autocovariance, cross-cepstrum, and saphe cracking," Proc. the Symposium on Time Series Analysis, 209-243 (1963).
P. O. Fjell, "Use of the cepstrum method for arrival times extraction of overlapping signals due to multipath conditions in shallow water," J. Acoust. Soc. Am. 59, 209-211 (1976).

상세보기
G. V. Krishnakumar, M. Padmanabham, B. Sudhakar, C. Pavani, and M. Naik, "Transiting ship's slant range estimation using single hydrophone in shallow waters," Proc. Underwater Technology, 1-3 (2015).
L. An and L. Chen, "Underwater acoustic passive localization base on multipath arrival structure," Proc. Inter-noise (2014).
M. Porter, "The BELLHOP manual and user's guide," HLS Research, 2011.
L. Ingber, "Very fast simulated reannealing," Math. Comput. Modeling, 12, 967-993 (1989).

상세보기
D. C. Kim, G. Y. Kim, H. I. Yi, Y. K. Seo, G. S. Lee, J. H. Jung, and J. C. Kim, "Geoacoustic provinces of the South Sea shelf off Korea," Quaternary International, 263, 139-147 (2012).

상세보기
Ocean buoy data of Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, www.khoa.go.kr, 2016.

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