동중국해의 해양 환경 변동 특성에 의한 음파 전달 변동 및 잔향음 경향 변화

Abstract

실제 해양환경의 변동에 의하여 계측 음향 데이터의 변동이 일어난다. 해양 환경의 영향에 따른 음향 변동을 명확히 규명하여, 음향학을 이용한 해양 현상의 원격 탐사 기법 발전에 기여하고, 수중 감시 체계 및 소나 체계 운영 시 실효성을 높일 수 있다. 본 논문은 동중국해에서 수행된 Shallow-water Acoustic Variability Experiment (SAVEX15) 자료를 이용하여 해양환경의 변화에 의한 음향 변동 및 잔향음 경향에 대해 연구한 결과를 수록하였다. 천해 환경 조건에서 수중음향채널(underwater sound channel)의 관측은 전세계적으로 희귀한 현상이며, 최소 음속이 수층 중앙의 채널 축에서 관측된다. 채널 축에 음원이 위치한 경우, 경계면에서 반사를 통해 전파되는 음선과 채널 내에서 굴절을 통해 전파되는 음선이 동시에 관찰된다. 이를 통해 채널 내에 에너지의 집속 현상이 일어날 수 있으나, 고주파 음향 에너지가 시간에 따라 채널 내에 집중되거나 산개되는 현상도 관찰되었다. 이러한 음향 변동이 유속, 내부 고립파 및 내부 조석파로 인한 상대 음속, 수신기의 위치 변동 및 음속 변동으로 인해 발생한다고 가정하고, 각각에 의한 고주파 음향 신호의 변동을 분석하였다. 시간-파면(timefront)의 계측결과와 음선 추적기법을 이용한 모의 결과를 정성적으로 비교하였으며, 도달 신호를 이용한 음향 파라미터들의 경향 변화를 통하여 음향 변동을 정량적으로 분석하였다. 조류의 유향과 유속 변화로 인해 계류한 수직선배열이 기울고, 상대 음속이 변화한다고 가정하였다. 주기적인 유향과 유속 변화를 이용해 시간-파면 그래프의 곡률 변화와 신호 선단부(leading edge)의 도달 시간 변동의 주기성을 설명할 수 있다. 내부 고립파가 존재하는 경우, 위치에 따라 음속이 거리 종속적으로 변동한다고 가정하여 모의하였다. 수온 계측 자료를 통해 추정한 내부 고립파의 위치를 반영하여 모의한 시간-파면을 계측 결과와 정성적으로 비교하였다. 또한 도달 신호의 도심(centroid)과 사분위수 범위(interquartile range)를 이용하여 시간에 따른 도달 시간의 변동을 정량적으로 확인하였다. 정성적 분석을 통해, 내부 고립파가 수직 선배열 근방에 위치하였을 때, 에너지의 집속 지점이 아래로 이동하고, 내부 고립파의 위치에 따라 채널 하단부에 집속된 음향 에너지가 이른 시간에 도달하는 현상이 나타난다. 정량적인 분석을 통해, 내부 고립파에 의해 채널 축 근방의 음향 에너지가 산개되고, 채널 상단부와 하단부에서 에너지의 집속 정도 및 집속된 에너지의 도달 시간 변동을 확인하였다. 내부 조석파는 수중음향채널 하단부 채널 크기의 주기적인 변화를 유발함을 가정하였다. 내부 조석파에 의해 변화한 채널 크기로 인해 채널 하단부의 음향 에너지의 집속 정도가 주기적으로 바뀌며, 내부 조석파의 음향 변동에 미치는 영향을 수중음향채널 하단부의 등온선의 경향과 도달 신호의 도심 경향 사이 유사성을 통해 확인할 수 있다. 한편, 수중음향 채널이 존재하는 천해 환경에서 음원이 채널 축에 있을 때, 내부 고립파에 의한 해저면 잔향음 경향의 변화에 대해 연구를 수행하였다. 내부 고립파가 존재하지 않을 때, 이러한 환경에서는 작은 발사각의 굴절 성분들이 해저면에 도달 하지 않기 때문에 잔향음이 일반적인 등속 천해 환경에 비해 작게 나타난다. 하지만 내부 고립파로 인해 작은 발사각의 고립된 모드 에너지가 해저면과 상호작용하는 모드 에너지로 전환될 수 있다. 이로 인해, 내부 고립파 존재 시, 위치에 따라 잔향음이 증가하는 경향이 변화함을 연성모드법을 이용하여 수치적으로 모의하고, 연성모드 방정식을 이용하여 모의 결과의 타당성을 보였다. 또한 내부 고립파 관련 파라미터들에 대한 민감도 해석을 수치적 기법을 이용하여 음원과 수신기가 적절한 위치에 있을 때, 내부 고립파의 진폭이 클 때, 적절한 파장을 지닐 때, 내부 고립파 군의 배치에 따라 잔향음이 증가할 수 있음을 보였다.