[논문]갑오징어의 갑에 대한 모델 예측과 측정 반사강도의 비교

이대재

doi:10.5657/kfas.2020.0209

갑오징어의 갑에 대한 모델 예측과 측정 반사강도의 비교
Comparison of the Model-predicted and Measured Target Strength of Cuttlebones from Golden Cuttlefish Sepia esculenta 원문보기

한국수산과학회지 = Korean journal of fisheries and aquatic sciences, v.53 no.2, 2020년, pp.209 - 217

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to compare the model-predicted and experimentally measured target strength (TS) of golden cuttlefish Sepia esculenta cuttlebones. Ultrasonic signals used to estimate frequency-dependent TS and the speed of sound in cuttlebones were measured by pulse-echo and through-transmission techniques, using a chirp sonar system and an ultrasonic pulser/receiver system under controlled laboratory conditions. The model appeared to slightly underestimate the predicted TS values in the frequency range of 100-160 kHz. However, there was good agreement between the predicted and measured TS values in the frequency range of 160-200 kHz. The significant similarity between the model-predicted and experimentally measured TS values supports the use of the Kirchhoff-ray mode (KRM) model for acoustic scattering analysis of cuttlebones. Accordingly, we concluded that the KRM model can be used as a tool to evaluate the frequency-dependent variability of TS due to changes in golden cuttlefish swimming depth.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Experimental setup for measuring the echo (200 kHz, TX1 and RX1) and penetration signals (400 kHz, TX2 and RX2) at different dorsal positions of cuttlebone.
그림 Fig. 2. (a) Diagram showing the distribution of fluid and gas spaces within the cuttlebone determining the density of cuttlefish (Denton and Gilpin-Brown, 1961c). The cuttlefish controls the buoyancy, by balancing the hydrostatic pressure of the sea and by changing the relative volumes of gas space and liquid, using an osmotic mechanism acting across the siphuncular surface of the cuttlebone. (b) Linear echo scanning at different positions of the gas and liquid regions distributing in the cuttlebone. The pulse-echo measurements were performed at 2.5 mm spacing considering the overlap between two adjacent measurements.
그림 Fig. 3. FOM (Figure of Merit) ultrasonic signals obtained by through-transmission measurements using a pair of 200 kHz PVDF transducer (a) and a pair of 400 kHz NDT transducer (b) connected to a Panametrics pulser-receiver system (5052 UA), respectively.
그림 Fig. 4. (a) Photograph of the intact cuttlebone extracted from a live golden cuttlefish (Sepia esculenta), (b) View of midsagittal section through the central line of cuttlebone, (c) The x-y-z coordinates (blue section) for the KRM (Kirchoff-ray-mode) modelling of cuttlebone were obtained by digitizing the blue outlines of the cuttlebone marked in (a) and (b). The speed of sound in the cuttlebone measured in Fig. 1 was used in the KRM model.
그림 Fig. 5. Two-dimensional presentations of the time (a) and frequency response characteristics (b) of the echo signals measured by pulse-echo technique along the horizontal scanning path of Fig. 1 and Fig. 2 with a pair of 200 kHz PVDF transducer. The significant differences in the echo amplitudes in the posterior region (filled with liquid) and the anterior region (filled with gas to counteract the heavy weight of the body and tentacles) were observed.
그림 Fig. 6. (a) Pulse response obtained from through-transmission measurement through water only (reference material) at 400 kHz, (b) Pulse response obtained from through-transmission measurement with a cuttlebone in the acoustic path (test sample) at 400 kHz. The speed of sound in cuttlebone was determined using the time difference between both pulse responses.
그림 Fig. 8. Frequency-dependent variation of the target strength pattern obtained from the broadband acoustic backscattering measurements for a cuttlebone (length 162.0 mm, weight 33.6 g) of golden cuttlefish Sepia esculenta. The target strength was measured as a function of pitch angle and frequency with significant responses at posterior down (-45°), dorsal (0°) and posterior up (+45°) operations.
그림 Fig. 7. (a) Comparison of frequency response characteristics obtained from through-transmission measurements through water only (reference material, solid line) and with a cuttlebone in the acoustic path (test sample, dashed line) at 400 kHz, (b) The relative penetration attenuation through the cuttlebone was then calculated from the difference between the spectrum patterns of (a).
그림 Fig. 9. Comparison of the target strength estimates obtained from the broadband acoustic backscattering measurements and the simulated predictions based on the Kirchhoff-ray-mode model of a cuttlebone (length 162.0 mm, weight 33.6 g) of golden cuttlefish Sepia esculenta.

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 갑에 대한 음향산란특성은 갑오징어가 체류하는 수심에 대한 갑의 밀도 변화와 밀접한 관계가 있다. 또한, 갑의부력은 배쪽의 다공성 격실들에 수용되어 있는 액체와 gas의 상대적인 비율 등에 의해 결정되는 음향학적 요소이지만, 본 연구에서는 이에 대한 문제를 고려하지 않았다. 특히, 갑의 부력조절은 중간영역의 연실세관 표면을 통해 이루어지는 삼투현상에 의한 액체의 교환(Denton et al.
본 연구에서는 갑의 수많은 다공성 미소 격실에 수용된 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 갑오징어의 몸체 밀도가 조절되는 점에 주목하여 먼저 액체 및 gas가 수용되어 있는 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 변동특성을 정량적으로 분석, 고찰하였다. 또한, 초음파 pulser-receiver 시스템을 이용하여 갑을 투과한 초음파 신호를 측정하여 음속을 산출하고, 이것을 바탕으로 KRM (Kirchhoff-ray-mode) 모델(Clay and Horne, 1994)에 의한 반사강도의 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
또한, 갑오징어의 갑은 마치 스폰지(sponge)의 내부구조와 같이 수많은 다공질의 격실층으로서 구성된 생체조직이기 때문에 음파가 갑을 투과할 때에는 음파의 감쇠가 필연적으로 발생한다. 본 연구에서는 이와 같은 음파의 감쇠를 정량적으로 고찰하기 위하여 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 초음파 펄스신호의 주파수 응답특성으로부터 갑에 대한 초음파 감쇠를 추정하였는데, 그 결과는 Fig. 7과 같다. Fig.

제안 방법

1과같다. Fig. 1에서 초음파 펄스 신호의 송신과 수신은 NDT (nondestructive testing) pulser-receiver system (5052UA, Parametrics, USA)을 사용하여 수행하였다. Fig.
5 mm spacing using the ball screw carriage systemoperating by a PC-based DC motor driving system. The ultrasonicsignals were measured using an ultrasonic pulser/receiver system, a spectrum analyzer and a digital storage oscilloscope. Thereceived signals were stored on computer and USB memory foroff-line analysis.
이 때, chirp echo 신호는±45° pitch 각 범위(+, posterior up; -, posterior down)에 대하여 +45°, 0°, -45°의 순서로 약 1°간격으로 측정하였다. 각 자세각에 대한 chirp echo 신호는 대역필터와 전치증폭기(VP2000,RESON, Denmark)를 통해 필터링 및 증폭한 후, 디지털 오실로스코프(DS1530, EZ, Korea) 및 스펙트럼 분석기(LSA-30,LIG Nex1, Korea)를 사용하여 실시간으로 수록하였다.
본 연구에서는 echo 응답특성과 음속측정에 사용한 주파수를 서로 달리하였다. 그 이유는 먼저 echo 응답특성의 경우, 현용어군탐지 시스템의 상한 주파수가 약 200 kHz인 점을 고려하여 이 주파수대를 만족하는 side lobe가 적극 억제된 PVDF 진동자를 선택하여 사용하였다. 이에 반해 음속을 측정하기 위해서는 갑 샘플에 대한 직접파와 투과파의 시간차(위상차)를 측정해야 하므로, 가능한 한 이들 두 신호의 식별 분해능을 높일 목적으로 200 kHz보다 더 높은 400 kHz의 주파수에서 동작하는 수중 NDT용 진동자를 선택하여 사용하였다.
또한, 수파기에 수신되는 초음파 신호는 수신부의 초단부에서 적정하게 감쇠와 이득레벨을 조정한 후, 0.03 MHz의 고역필터(high pass filter)와 약120 μs의 시간 gate 회로를 통과시켜 목적하는 신호만을 추출하여 출력시켰다.
6 g이었다. 또한, 이들 xyz 좌표,갑의 밀도 및 음속 등의 데이터로부터 추정된 갑의 반사강도 예측치는 100-200 kHz 주파수 범위에서 측정한 반사강도의 주파수 의존성과 비교, 분석하였다.
만일, 이들 다공성 격실에 수용된 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 갑의 밀도(또는 부력)가 결정된다면, 액체와 gas로 채워진 각 부위에서의 echo 응답특성은 서로 다른 패턴을 나타낼 것이라는 점에 주목하여 분석을 수행하였다. 그 결과, Fig.
먼저, 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 응답패턴은 192-208 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 -3 dB 점에 대한 지향각이 약 10°, 방사면의 직경이 13 mm인 PVDF(polyvinylidene difluoride) 초음파 진동자(ATK 200, AirmarTechnology Corporation, USA) 2개(TX1, RX1)를 나란히 설치하여 수록하였다.
본 연구에서는 echo 응답특성과 음속측정에 사용한 주파수를 서로 달리하였다. 그 이유는 먼저 echo 응답특성의 경우, 현용어군탐지 시스템의 상한 주파수가 약 200 kHz인 점을 고려하여 이 주파수대를 만족하는 side lobe가 적극 억제된 PVDF 진동자를 선택하여 사용하였다.
본 연구에서는 먼저 활어 상태의 갑오징어(갑장 165 mm, 체중 475 g)를 0.02%의 MS-222 (sigma chemical, Canada) 용액 속에 수용하여 마취시킨 후, 기포가 혼입되지 않도록 갑(길이 162.0 mm, 폭 58.4 mm, 높이 18.9 mm, 무게 33.6 g)을 주의 깊게 적출하였다. 이렇게 적출된 갑에 대한 음향산란신호의 시간-주파수 응답특성은 Lee et al.
갑오징어의 갑은 몸체의 육질조직이나 주변을 둘러싸고 있는 해수와의 음향 임피던스 차, 즉, 밀도 및 음속 contrast가 매우 다르기 때문에 음향 에너지의 대부분이 이들 갑으로부터 강하게 산란된다. 본 연구에서는 이와 같은 갑에 대한 주파수 의존적인 음향산란특성을 수치 시뮬레이션을 통해 분석할 목적으로 KRM 모델에 의한 반사강도의 수치 계산결과와 실험수조에서 추정한 측정결과를 비교, 고찰하였는데, 그 결과는 Fig. 8및 Fig. 9와 같다. 먼저, Fig.
이 때, chirp echo 신호는±45° pitch 각 범위(+, posterior up; -, posterior down)에 대하여 +45°, 0°, -45°의 순서로 약 1°간격으로 측정하였다.
또한, 갑의 밀도는 아르키메데스(Archimedes)의 원리를 이용하여 측정하였고, KRM 모델을 이용하여 갑의 반사강도를 계산할 때, 갑의 뿔에 대한 영향은 고려하지 않았다. 이 때문에 실험수조에서 갑의 음향반사강도를 측정할 때에도 뿔을 제거한 상태로 수행하였다.
이렇게제작된 갑을 대상으로 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 직접파(direct wave)와 투과파(penetrationwave)를 각각 측정하였다. 이들 초음파 펄스신호의 측정은 400kHz에서 동작하는 방사면의 직경이 19 mm인 수중 NDT용 초음파 진동자(Gamma, KBA, USA) 2개(TX2, RX2)를 Fig. 1에서와 같이 서로 마주보도록 설치한 후 수행하였다. 이 때, 음축을 서로 공유하고 있는 2개 진동자의 간격은 300 mm이었고, 진동자의 방사면과 갑의 등쪽 면과의 간격은 150 mm이었다.
또한, 초음파 pulser-receiver 시스템을 이용하여 갑을 투과한 초음파 신호를 측정하여 음속을 산출하고, 이것을 바탕으로 KRM (Kirchhoff-ray-mode) 모델(Clay and Horne, 1994)에 의한 반사강도의 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 이렇게 얻어진반사강도의 수치계산 결과와 100-200 kHz 주파수 범위에 대하여 측정한 실험결과를 비교, 분석하였다.
03 MHz의 고역필터(high pass filter)와 약120 μs의 시간 gate 회로를 통과시켜 목적하는 신호만을 추출하여 출력시켰다. 이렇게 추출된 초음파 신호는 디지털 오실로스코프(DS1530, EZ, Korea)와 스펙트럼 분석기(LSA-30, LIGNex1, Korea)를 사용하여 실시간으로 수록 및 분석하였다.
이를 위해 본 연구에서는 길이112 mm, 폭 36 mm, 두께 16 mm의 시편을 제작하였다. 이렇게제작된 갑을 대상으로 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 직접파(direct wave)와 투과파(penetrationwave)를 각각 측정하였다. 이들 초음파 펄스신호의 측정은 400kHz에서 동작하는 방사면의 직경이 19 mm인 수중 NDT용 초음파 진동자(Gamma, KBA, USA) 2개(TX2, RX2)를 Fig.
그 이유는 먼저 echo 응답특성의 경우, 현용어군탐지 시스템의 상한 주파수가 약 200 kHz인 점을 고려하여 이 주파수대를 만족하는 side lobe가 적극 억제된 PVDF 진동자를 선택하여 사용하였다. 이에 반해 음속을 측정하기 위해서는 갑 샘플에 대한 직접파와 투과파의 시간차(위상차)를 측정해야 하므로, 가능한 한 이들 두 신호의 식별 분해능을 높일 목적으로 200 kHz보다 더 높은 400 kHz의 주파수에서 동작하는 수중 NDT용 진동자를 선택하여 사용하였다. 또한, 갑의 밀도는 아르키메데스(Archimedes)의 원리를 이용하여 측정하였고, KRM 모델을 이용하여 갑의 반사강도를 계산할 때, 갑의 뿔에 대한 영향은 고려하지 않았다.
즉, 실험은 갑을 투명 아크릴 수조(L×B×D, 1.8×1.2×1.2 m)에 설치한 음향변환기의음축상 약 1.2 m 거리에 나이론 monofilament (Ø=0.3 mm)를 사용하여 현수시키고, 갑의 등 방향으로 음파가 입사되도록 자세를 제어하면서 수행하였다.

대상 데이터

1에서 초음파 펄스 신호의 송신과 수신은 NDT (nondestructive testing) pulser-receiver system (5052UA, Parametrics, USA)을 사용하여 수행하였다. Fig. 1에서 송파기에 공급되는 초음파 펄스신호는 peak 진폭 약 -100 V 전후의 spikepulse 신호로서, 그 펄스신호의 반복주기, damping 정도, 송신출력 등은 실험조건에 따라 변경하였다. 또한, 수파기에 수신되는 초음파 신호는 수신부의 초단부에서 적정하게 감쇠와 이득레벨을 조정한 후, 0.
본 연구에서 KRM 모델에 의한 반사강도의 수치 시뮬레이션은 Fig. 1의 실험장치를 사용하여 측정한 음속 데이터를 이용하여 수행하였다. 먼저, 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 응답패턴은 192-208 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 -3 dB 점에 대한 지향각이 약 10°, 방사면의 직경이 13 mm인 PVDF(polyvinylidene difluoride) 초음파 진동자(ATK 200, AirmarTechnology Corporation, USA) 2개(TX1, RX1)를 나란히 설치하여 수록하였다.
48 g/cm³)가 서로 다르다(Denton and Gilpin-Brown, 1961b). 본 연구에서는 활어 위판장에서 구입한 갑오징어 활어를 마취시킨 상태에서 갑을 적출하여 실험에 사용하였다.
갑의 배쪽에는 두부쪽로부터 후부쪽(뿔 쪽)을향해 만곡형의 홈(골)이 생성되어 있으므로, 이 홈까지 가공하여 평편한 시편을 만들어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 길이112 mm, 폭 36 mm, 두께 16 mm의 시편을 제작하였다. 이렇게제작된 갑을 대상으로 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 직접파(direct wave)와 투과파(penetrationwave)를 각각 측정하였다.
한편, 갑의 음속을 측정하기 위한 시편(sample)은 갑장 235mm, 체중 1020 g의 갑오징어 활어로부터 주의 깊게 추출한 갑(길이 221 mm, 폭 79 mm, 두께 20.8 mm, 무게 95.9 g)을 가공하여 제작하였다. 갑의 배쪽에는 두부쪽로부터 후부쪽(뿔 쪽)을향해 만곡형의 홈(골)이 생성되어 있으므로, 이 홈까지 가공하여 평편한 시편을 만들어야 한다.

데이터처리

본 연구에서는 Fig. 8의 ±15°범위의 자세각에 대한 평균 반사강도의 주파수 의존성 패턴을 추출하여 KRM 모델에의한 수치 시뮬레이션 결과와 비교, 분석하였는데, 그 결과는Fig.

이론/모형

이에 반해 음속을 측정하기 위해서는 갑 샘플에 대한 직접파와 투과파의 시간차(위상차)를 측정해야 하므로, 가능한 한 이들 두 신호의 식별 분해능을 높일 목적으로 200 kHz보다 더 높은 400 kHz의 주파수에서 동작하는 수중 NDT용 진동자를 선택하여 사용하였다. 또한, 갑의 밀도는 아르키메데스(Archimedes)의 원리를 이용하여 측정하였고, KRM 모델을 이용하여 갑의 반사강도를 계산할 때, 갑의 뿔에 대한 영향은 고려하지 않았다. 이 때문에 실험수조에서 갑의 음향반사강도를 측정할 때에도 뿔을 제거한 상태로 수행하였다.
본 연구에서는 갑의 수많은 다공성 미소 격실에 수용된 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 갑오징어의 몸체 밀도가 조절되는 점에 주목하여 먼저 액체 및 gas가 수용되어 있는 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 변동특성을 정량적으로 분석, 고찰하였다. 또한, 초음파 pulser-receiver 시스템을 이용하여 갑을 투과한 초음파 신호를 측정하여 음속을 산출하고, 이것을 바탕으로 KRM (Kirchhoff-ray-mode) 모델(Clay and Horne, 1994)에 의한 반사강도의 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 이렇게 얻어진반사강도의 수치계산 결과와 100-200 kHz 주파수 범위에 대하여 측정한 실험결과를 비교, 분석하였다.
6 g)을 주의 깊게 적출하였다. 이렇게 적출된 갑에 대한 음향산란신호의 시간-주파수 응답특성은 Lee et al. (2015)가 실험적으로 설계한 100-220 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 chirp 어군탐지 시스템을 사용하여 측정하였다. 즉, 실험은 갑을 투명 아크릴 수조(L×B×D, 1.

성능/효과

만일, 이들 다공성 격실에 수용된 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 갑의 밀도(또는 부력)가 결정된다면, 액체와 gas로 채워진 각 부위에서의 echo 응답특성은 서로 다른 패턴을 나타낼 것이라는 점에 주목하여 분석을 수행하였다. 그 결과, Fig. 5a에서 알 수 있는 바와 같이, 액체로 채워져 있는 후부쪽에서는 gas로채워져 있는 두부쪽에 비해 상대적으로 매우 낮은 레벨의 echo응답특성을 나타내었다. 또한, 액체와 gas로 채워진 격실의 경계역(intermediate chamber)으로 판단되는 scan path 25번 부근에서는 매우 강한 echo 응답특성을 나타내었다.
9에서 알 수 있는 바와 같이 100-160 kHz의 주파수 구간에서는 수치 시뮬레이션에 의한 예측 반사강도가 수조실험에 의한 측정 반사강도 보다 상대적으로 낮은 경향을 나타내었다. 그러나, 160-200 kHz의 주파수 구간에서는 수치 시뮬레이션 결과와 측정 반사강도의 패턴이 서로 잘 일치하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 현상은 본 연구에서 KRM 모델에 적용한 갑의 밀도 차이에 기인하는 현상으로 판단된다.
9의 수치 시뮬레이션 결과와 측정 반사강도 패턴 사이의 차이는 이들 갑의 구조적인 재질특성과 밀접한관계가 있는 것으로 판단된다. 따라서, KRM 모델에 대한 수치시뮬레이션을 수행할 때, 배쪽의 두부 근방에 위치하는 gas만을 수용하는 영역과 후부쪽 뿔 근방에 위치하는 액체만을 수용하는 영역, 또한, 이들 두 영역 사이의 액체와 gas가 함께 존재하는 중간 영역에 대한 밀도와 음속의 추정치를 더욱 세분화하여적용하면 갑의 측정 반사강도에 더 잘 부합되는 KRM 모델에의한 예측 반사강도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 향후에는이와 같은 점에 주목하여 Fig.
0 mm인 갑 시편을 통과하여 진행하는 초음파의 투과손실은 주파수에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 실험에 사용한 초음파 진동자의 공진 주파수(403.443 kHz)에 대한 직접파 스펙트럼의 진폭은 56.8 dB이었고, 투과파 스펙트럼의 진폭은 21.35 dB로서, 이들 값으로부터추정한 갑에 의한 초음파 감쇠량은 -35.45dB이었다. 이와 같은 갑오징어의 갑에 대한 음파의 감쇠패턴은 배쪽 부위에 존재하는 수많은 다공성의 미세 격실과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.
또한, 액체와 gas로 채워진 격실의 경계역(intermediate chamber)으로 판단되는 scan path 25번 부근에서는 매우 강한 echo 응답특성을 나타내었다. 특히, Fig. 5a의 echo 응답에 대한 echogram 형상패턴이 갑오징어 갑의 형상과 매우 유사한 윤곽패턴으로 나타나고 있는 것으로부터 본 연구에서 얻어진 실험결과는 갑의 음향산란특성을 매우 잘 반영하고 있다고 판단된다.

후속연구

따라서, KRM 모델에 대한 수치시뮬레이션을 수행할 때, 배쪽의 두부 근방에 위치하는 gas만을 수용하는 영역과 후부쪽 뿔 근방에 위치하는 액체만을 수용하는 영역, 또한, 이들 두 영역 사이의 액체와 gas가 함께 존재하는 중간 영역에 대한 밀도와 음속의 추정치를 더욱 세분화하여적용하면 갑의 측정 반사강도에 더 잘 부합되는 KRM 모델에의한 예측 반사강도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 향후에는이와 같은 점에 주목하여 Fig. 9에 나타낸 100-200 kHz의 주파수 범위에 대한 예측 반사강도를 측정 반사강도에 더 정량적으로 수렴시키기 위한 이론적 및 실험적 연구를 수행할 예정이다.

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Zhou C, Wang Y, Qiao C and Dai W. 2016. Calibration method of an ultrasonic system for temperature measurement. PLoS ONE 11, 1-11. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0165335.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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