[논문]잔향수조 내 수중음원의 음원레벨 추정기법에 관한 실험연구

김국현

doi:10.26748/ksoe.2019.040

잔향수조 내 수중음원의 음원레벨 추정기법에 관한 실험연구
Experimental Study on Source Level Estimation Techniques of Underwater Sound Source in Reverberant Water Tank 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.33 no.4, 2019년, pp.358 - 363

Abstract ▼ AI-Helper

The acoustic power is used as a primary index characterizing underwater sound sources and could be defined by its source level. The source level has been assessed using various experimental techniques such as the reverberation time method and reverberant tank plot method. While the reverberation time method requires reverberation time data extracted in a preliminary experiment in a reverberant water tank, the reverberant tank plot method only needs acoustic pressure data directly obtained at the reverberation water tank. In this research, these experimental techniques were studied in comparative experiments to estimate the source levels of underwater sources in a reverberant water tank. This paper summarizes the basic theories and procedures of these experimental techniques and presents the experimental results for an underwater source in a long cuboid water tank using each technique, along with a discussion.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 잔향시간법 및 잔향수조도법 기반 수중음원에 대한 음원레벨 추정기법에 대한 비교실험연구를 수행하였다. 본 논문에서는 이들 추정기법에 대한 배경이론을 요약하고 기하학적으로 잔향음장(Reverberant sound field) 형성이 용이하지 않은 긴 직육면체 수조 내 수중 음원에 대한 음향실험을 통해 각각의 음원레벨 추정기법의 특성을 고찰한다.
본 연구에서는 잔향 수조 내에 있는 수중 음원의 음원레벨 추정기법에 대한 비교연구를 수행하였다. 이를 위해 본 논문에서는 잔향시간법, 잔향수조도법 등의 이론을 소개하였으며, 잔향 음장 형성이 어려운 긴 직육면체 형상의 수조 내 수중 음원 대 한음향실험을 수행하고 그 결과를 활용해 각각의 음원레벨 추정기법의 특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 잔향시간법 및 잔향수조도법 기반 수중음원에 대한 음원레벨 추정기법에 대한 비교실험연구를 수행하였다. 본 논문에서는 이들 추정기법에 대한 배경이론을 요약하고 기하학적으로 잔향음장(Reverberant sound field) 형성이 용이하지 않은 긴 직육면체 수조 내 수중 음원에 대한 음향실험을 통해 각각의 음원레벨 추정기법의 특성을 고찰한다.

제안 방법

2와 동일하며 송신용 수중청음기의 위치를 고정한 상태에서 Table 2에 나타낸 총 12개 지점에 수신용 수중청음기를 순차적으로 이격시키면서 음향실험을 실시하였다. 각각의 수음기에 대한 음압측정결과를 활용해 1/3 옥타브 주파수 밴드별 잔향수조도를 작성하였으며, 이 중 2.5kHz, 5kHz, 10kHz, 20kHz에 대한 결과를 Fig. 4에 도시하였다. 또한 잔향수조도를 이용해 음향레벨을 산정하였으며, 그 결과를 Fig.
본 연구에서는 각각의 신호를 사용한 잔향시간을 이용해 수중음원의 음원레벨을 추정하고 그 결과를 잔향수조도법에 의한 것과 비교⋅고찰한다.
앞서 언급한 음원레벨 추정기법들의 특성을 관찰하기 위해 긴 직육면체 형상의 수조에서 음향실험을 수행하고 그 결과를 고찰하였다.
잔향수조도법 기반의 음원레벨 산정을 위한 음향실험을 실시하였다. 이 때, 음향실험장치의 구성은 Fig. 2와 동일하며 송신용 수중청음기의 위치를 고정한 상태에서 Table 2에 나타낸 총 12개 지점에 수신용 수중청음기를 순차적으로 이격시키면서 음향실험을 실시하였다. 각각의 수음기에 대한 음압측정결과를 활용해 1/3 옥타브 주파수 밴드별 잔향수조도를 작성하였으며, 이 중 2.
본 연구에서는 잔향 수조 내에 있는 수중 음원의 음원레벨 추정기법에 대한 비교연구를 수행하였다. 이를 위해 본 논문에서는 잔향시간법, 잔향수조도법 등의 이론을 소개하였으며, 잔향 음장 형성이 어려운 긴 직육면체 형상의 수조 내 수중 음원 대 한음향실험을 수행하고 그 결과를 활용해 각각의 음원레벨 추정기법의 특성을 살펴보았다.
잔향수조도법 기반의 음원레벨 산정을 위한 음향실험을 실시하였다. 이 때, 음향실험장치의 구성은 Fig.
잔향시간법 기반의 음원레벨 산정을 위한 음향실험을 실시하였다. 이 때, 송신기(Transmitter)에 백색신호를 발생시킨 상태에서 수신기(Receiver)에서의 음압을 측정하고 그 결과와 Table 1의 잔향시간 데이터를 식 (2)에 대입하여 음원레벨을 산정하였다.
잔향시간법과 잔향수조도법 기반의 음원레벨 산정결과를 비교하였다. 음향실험 시 사용한 송신기 출력이 달라 두가지 방법을 기반으로 추정한 음원레벨의 직접 비교는 무의미하였다.
(2017)의 실험과 동일하게 구성하였다. 주파수 분석은 1/3 옥타브 밴드 중심주파수 기준으로 2.5kHz에서 20kHz 주파수 구간에 대해 수행하였다.

대상 데이터

음향실험은 길이, 폭, 수심이 약 12.5m, 1.8m, 0.7m인 긴 직육면체 형상 수조에서 수행되었다. 사전실험을 통해 구한 음속은 1,515m/s이며, 잔향시간은 Table 1에 정리한 바와 같다.

데이터처리

음향실험 시 사용한 송신기 출력이 달라 두가지 방법을 기반으로 추정한 음원레벨의 직접 비교는 무의미하였다. 따라서 실제 송신기 음원레벨 대비 음원레벨 추정결과의 정확도를 식 (8)의 전주파수 대역에 대한 평균제곱오차(Mean square error, MSE)로 평가하였다.

성능/효과

잔향시간법의 경우, 선형주사신호와 로그주사신호에 대한 잔향시간을 적용할 때 음원레벨은 유사한 경향성을 보였다. 고주파 수대역에서는 비교적 정확한 음원레벨 산정 결과를 보였으나 저주파수 대역에서는 오차가 커짐을 확인하였다. 한편, 백색신호에 대한 잔향시간을 적용할 때, 고주파수 대역에서 타 결과와 부합성이 매우 높게 나타났으나 저주파수 대역에서는 잔향시간을 도출할 수 없었으며, 음원레벨 산정 또한 불가능하였다.
저주파수 대역에서는 잔향시간법 대비 우수한 성능을 보인 반면, 주파수가 증가할수록 오차가 증가하였다. 그럼에도 불구하고 각각의 추정기법에 대한 음원레벨 추정 성능을 전체 주파수 대역에 대해 평균제곱오차로 비교할 때, 잔향수조도법이 가장 우수한 성능을 보였다.
잔향수조도법의 경우, 수음점 위치별 측정 음압 데이터를 활용하여 잔향 시간 데이터 없이 음원레벨을 산정하였다. 저주파수 대역에서는 잔향시간법 대비 우수한 성능을 보인 반면, 주파수가 증가할수록 오차가 증가하였다. 그럼에도 불구하고 각각의 추정기법에 대한 음원레벨 추정 성능을 전체 주파수 대역에 대해 평균제곱오차로 비교할 때, 잔향수조도법이 가장 우수한 성능을 보였다.
고주파 수대역에서는 비교적 정확한 음원레벨 산정 결과를 보였으나 저주파수 대역에서는 오차가 커짐을 확인하였다. 한편, 백색신호에 대한 잔향시간을 적용할 때, 고주파수 대역에서 타 결과와 부합성이 매우 높게 나타났으나 저주파수 대역에서는 잔향시간을 도출할 수 없었으며, 음원레벨 산정 또한 불가능하였다. 잔향수조도법의 경우, 수음점 위치별 측정 음압 데이터를 활용하여 잔향 시간 데이터 없이 음원레벨을 산정하였다.

후속연구

이는 송신용 수중청음기와 수신용 수중청음기 사이의 거리를 수중청음기 고정용 지그를 기준으로 산정하였기 때문인 것으로 판단되며, 상호상관함수(Cross correlation function) 기반 음속 측정기법 (Kraftmakher, 2014)등 보다 정밀한 거리 측정 도구 적용으로 개선 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음향 파워란 무엇인가?	음향 파워(Acoustic power)는 잠수정과 같은 수중 음원(Underwater sound source)의 특성을 나타내는 주요 지표이다(Robinson et al., 2014).
	잔향시간 측정 시 어떤 음원을 이용하는가?	, 1986) 이 때, 해당 잔향수조는 확산음장(Diffused acoustic filed) 특성을 보여야 하며, 잔향시간 산정을 위한 예비시험이 요구된다. 참고로, 잔향시간 측정은 선형주사신호(Linear sweep signal), 로그주사신호(Logarithmic sweep signal), 백색신호(White signal)등 다양한 음원을 이용한다(Kang and Jung, 2018). 한편, 잔향수조도법은 잔향시간 데이터 없이 확산음장 형성 여부에 상관없이 수조 내 수중음원의 음원레벨을 산정할 수 있는 실험 기법이며(Hazelwood and Robinson, 2007; Kim et al.
	잔향 수조와 같은 잔향 공간(Reverberant space)에서의 음향파워 측정기법으로는 어떤 것들이 있는가??	잔향수조와 같은 잔향공간(Reverberant space)에서의 음향파워 측정기법으로는 직접방법(Direct method)과 비교방법(Comparison method)이 있다(ISO, 2010). 직접방법의 경우, 측정된 수중음원의 음압으로부터 음향파워를 직접 산정하는 방법이며, 비교방법은 기준음원(Reference sound source)을 작동시킬 때 잔향수조에 형성되는 음압과 미지의 수중음원을 작동시킬 때 잔향수조에 형성되는 음압의 비로부터 미지의 수중음원의 음향파워를 산정하는 방법이다.

참고문헌 (10)

Cochard, N., Lacoume, J.L., Arzelies, P., Gabillet, Y.. Underwater acoustic noise measurement in test tanks. IEEE journal of oceanic engineering, vol.25, no.4, 516-522.

상세보기
10.1109/OCEANSE.2007.4302295
2010
The Accuracy of Analyzing Reverberation Time Kang 349 2018
Acoustic Power Measurement of Underwater Noise Source in Reverberant Water Tank. Kim 411 2017
Kinsler 1982
Kraftmakher 2014
Sound Source Performance Measurement Take in Reverberant Tank with Reverberation Method. Li 1 2014
Good Practice Guide No.133 - Underwater Noise Measurement. Robinson 2014
Takahashi, Sumio, Kikuchi, Toshiaki, Ogura, Akiteru. Measurements of Underwater Sound Absorption Coefficient by the Reverberation Method. Japanese journal of applied physics. Part 1, Regular papers & short notes, vol.25, no.suppl1, 112-.

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