이봉 입도 분포 다공성 매질에서 고주파 감쇠 특성 연구

Abstract

본 논문에서는 이봉 입도 분포(bimodal grain size distribution)를 가지는 다공성 매질(porous medium) 해저퇴적물의 고주파 영역 음향 물성(acoustic properties)을 계측하였다. 측정된 결과를 입자 크기 및 주파수에 대해 분석하고 다공성 매질 음향 모델(acoustic model)과 비교하였다. 또한 고주파 영역 분산 특성을 설명하는 음파 전달 모델(wave propagation model)을 개발하였다. 본 연구의 실험에서는 기존 음향 모델이 연속체(continuum) 및 산란체(scatterer) 관점에서 해석한 것과 달리 연속체와 산란체가 혼재하는 매질에서 음파 전달 특성을 규명하기 위해 단봉 입도 분포(unimodal grain size distribution)를 가지는 매질을 인위적으로 혼합하여 이봉 입도 분포를 가지는 혼합 매질을 만들어냈다. 음향 실험의 주파수 범위는 400-1100 kHz 이고 총 다섯 종류의 유리구슬(glass beads) 매질에 대해 P파(compressional wave) 위상속도(phase speed)와 감쇠계수(attenuation coefficient)를 측정하였다. P파 위상속도 실험 결과는 음 분산(negative dispersion) 경향이 나타났고 입자 크기가 커질수록 위상속도가 감소하는 정도를 확인하였다. P파 감쇠계수의 경우 입자 크기에 따라 주파수의 1승부터 4승까지 비례하였다. 감쇠계수는 입자 크기가 클수록 중주파에서 낮게 고주파에서 높게 나타났다. 본 실험 결과의 음파 전달 메커니즘 해석을 위해 기존 음향 모델과 데이터를 직접 비교하였다. Biot 모델, Buckingham의 Grain-Shearing (GS) 모델, 다중 산란(multiple scattering) 모델 등의 예측 결과를 본 실험 결과인 P파 위상속도 및 감쇠계수와 각각 비교하였다. 이봉 입도 분포 혼합 매질에 대해서는 모델-데이터 비교 검증 결과를 바탕으로 매질의 입도 분포를 고려한 Biot 모델과 QCA (Quasi-Crystalline Approximation) 다중 산란 모델을 결합한 새로운 Broadband 모델이 개발되었다. Broadband 모델에 공기방울에 의한 산란 효과를 추가해 본 실험의 이봉 입도 혼합 매질의 감쇠계수 결과와 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 기존의 이론이 연속체 관점과 산란체 관점에 국한해 다공성 매질을 설명한 것과 달리 연속체와 산란체가 공존하는 현상을 규명하였다. 또한 입자 분포에 따른 다공성 매질의 고주파 감쇠 현상을 설명할 수 있는 새로운 음향 모델을 개발해 해저퇴적물의 음향 특성 예측을 위한 학문적 근거를 제공하였다.