본 연구에서는 한국 동해 대륙붕 해역에서의 주요 해양현상인 수직 수온구조의 단기변동, 수온전선, 그리고 내부파의 변동을 분석하고 이들 변화에 따른 음파의 음장변화를 고찰하였다. 한국 동해항 근해에서 수온의 수직적 변화는 계절적인 변화 이외에 약 2주간의 짧은 기간에도 매우 극적인 변화가 존재함이 실측자료를 통해 밝혀졌다. 1999년 관측된 CTD 자료를 바탕으로 음장 변화를 살펴본 결과 주파수 1kHz, 음원수심 $30{\cal}m$ 인 경우 수신기 수심에 따라 최소 3dB, 최대 10dB까지 차이를 가져올 수 있음을 알 수 있었다. 한국 동해에서 연안과 외해 사이에는 수온전선이 매우 자주 발달하며 여름에 가장 강한 것으로 알려져 있다. 동해항 근해에는 대표적인 수괴인 대마난류수와 북한한류수가 공존하며 이들의 상대적인 세력 변화 때문에 수은(음속)이 거리에 따라 급격하게 변하는 수온전선이 발달할 수 있다. 저주파수 대역 (200Hz)에 대한 간단한 시뮬레이션 결과는 수온전선이 정상적인 분포에 비해서 거리에 따라 7dB 정도의 큰 전파손실을 초래할 수 있음을 보인다. 한국 동해 연안에도 내부파가 존재한다는 사실이 최근 3년간의 연구 결과 밝혀졌다. 내부파는 외해에서 발생하여 대륙단을 거쳐 대륙붕으로 진행해 오면서 내부파 군 (Packets)으로 분산된다. 수직적 변화가 전체 수층의 $14\%$를 차지하는 간단한 형태의 내부파를 가정하여 음장변화를 시물레이션 한 결과 주파수 1 kHz, 음원수심 $20{\cal}m$인 경우 내부파는 수렴구역 형성을 현저하게 방해하여 최대 5dB까지의 차이를 유발하였다. 추후 이에 대한 연구는 내부파 전체의 시,공간적 분포 특성이 구체적으로 규명되면 보다 정확한 음장변화 추정이 이뤄져야 할 것으로 보인다. 또한 내부파와 음파의 상대적인 진행 방향에 따라 음장변화가 크게 다를 것이 예상되므로 이를 규명하기 위해서는 궁극적으로 3차원적인 음장분포 연구가 필요하다. 음향센서를 해저면에 매설할 경우 수충의 수온변화와 센서 주변의 수온변화 사이에는 어느 정도의 시간지연이 존재하게 되므로 이에 대한 영향을 규명하는 것도 센서의 성능예측을 위해서 필요하리라 사료된다.
본 연구에서는 복잡한 형상을 가진 음원으로부터 방사하는 음장을 등가음원법 (equivalent source method)을 이용하여 재구성한다. 일반적인 등가음원법의 기본 원리는 진동하는 물체의 표면 또는 내부에 등가음원을 분포시켜서 등가음원의 강도를 계산하는 방법이다. 각 등가음원의 강도는 음원의 경계 조건이나 측정된 음장 음압을 통해서 구할 수가 있으며 사용된 등가음원의 차수, 개수 그리고 위치 등은 고려되어야 할 중요한 변수들이다. 기존의 HELS (Helmholtz equation least square) 방법은 한 곳의 위치에 다양한 차수로 이루어진 등가음원을 사용하여 각 차수의 계수를 구하는 방법으로써 구형에 가까운 음원에 대해서 좋은 결과를 보이나 음장의 결과가 최대 차수의 선택에 따라서 큰 오차를 유발하는 문제점이 있다. 따라서 정규화 기법을 사용하여 음장을 재구성하기 위해 필요한 등가음원의 최적 차수를 구하고, 음원 내부에 최적 차수로 이루어진 등가음원을 여러 개의 점에 위치시켜서 재구성 정확도를 향상시켰다. 정규화된 등가음원법의 타당성 검증을 위하여 표면 일부가 진동하는 구에 대한 수치 해석 및 청소기 모델에 대한 음장 재구성 실험 을 수행하였다.
잔향실의 내부 음장을 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 벽면의 흡음률이 동일한 경우는 음향 임피던스의 실수항과 허수항의 변화, 즉 위상의 변화에 따른 음장의 변화가 없다. 2) 5각 형태의 잔향실은 벽면의 흡음률 변화에 따른 음장의 변화가 없다. 3) 4각 형태의 잔향실은 5각 형태의 잔향실보다는 음장이 불균일하며 벽면의 흡음률이 증가함에 따라 음압레벨이 표준편차가 커진다.
머리전달함수(Head-Related Transfer Function, HRTF)를 이용한 영상 음원법(Image Model Method, IMM)을 적용하여 3차원 음장을 제어하기 위한 요소결정 방법을 제안한다. 제어 요소들은 직방체 내부에서의 음 에너지에 관한 이론을 토대로 결정하였다. 각 제어요소를 3차원 음장 모델에 적용하고, 헤드폰을 사용하여 청취자에 의한 심리음향 실험한 결과, 제어된 음장에서는 음상의 두외 정위, 거리감, 공간감이 실내에서와 같이 자연스럽게 형성됨을 나타냈다.
본 연구에서는 압전세라믹스와 금속판으로 구성된 음향트랜스듀서를 모델로 설정하고, 원형평판으로부터 방사되는 내부음장과 트랜스듀서의 외부로 방사되는 음향특성을 수치 해석하였다. 음향트랜스듀서의 내부 유니트를 요소 분할하며 경계조건을 적용시키고, 유한요소법을 이용하여 내부의 음장 분포와 음압 변화량을 가시화하였다. 그리고 트랜스듀서 외부로 방사되는 음압은 가상경계면 외부를 요소분할한 후 다양한 주파수에서 음압 기울기와 등압선을 수치해석하였다.
본 연구에서는 무한 유체에 놓여있는 유한 길이의 탄성 원통 쉘에 외부에서 비스듬히 평면파가 입사할 때 발생하는 음향 산란 현상을 이론적으로 연구했다. 유한 길이의 원통 쉘에서는 해석적인 산란 해가 존재하지 않기 때문에, Kirchhoff 가정을 적용한 Ye의 산란 기법[Z. Ye, J. Acoust. Soc. Am. 102, 877-884 (1997)]을 사용했다. 탄성 원통 쉘의 특성은 3차원 탄성파 이론을 적용하여 구현했으며 원통 쉘 내부의 유체를 고려했다. 유도된 해석 해를 이용하여 내부 유체가 산란 음장에 미치는 효과, Rayleigh 변수에 대한 산란 음장, 탄성 재질의 변화에 따른 먼 거리 산란 함수를 살펴보았다.
유체로 채워진 원통형 압전진동자 내부에서 중심축으로 집속되는 음파에 대해 진동자 내부에 삽입된 동심원의 고체튜브가 음장분포에 미치는 영향을 해석하였다. 원통형 압전진동자의 내부로부터 방사된 음파는 유체매질을 지나 고체튜브의 벽면에서 반사 및 투과를 하여 중심축에 집속된다. 이때 고체튜브의 음향임피던스 및 두께 등에 의해 중심에 집속되는 음장 분포가 변한다. 이를 이론적으로 해석하기 위하여 각 매질에 대한 전달행렬을 도출하였고 이를 적용하여 중심축에서의 음압수준을 이론적으로 해석하였다. 여러 가지 두께를 갖는 아크릴 튜브에 대해서 중심축 상에서 측정한 음압수준의 변화는 이론해석의 결과와 잘 일치하였으며 중심에 형성되는 음압은 고체튜브의 두께에 따라 매우 민감하게 변화함을 확인하였다.
위성체는 발사체에 탑재되어 임무수행을 위한 우주설정궤도로 이동하게 된다. 이 과정중 발사체에서 분사되는 방대한 양의 추진제, 고속 추진에 따른 페어링 외기의 동압 변화등은 위성체가 안치되어 있는 페어링 내부에 수천 Hz의 주파수 대역에 걸쳐 130 ~ 150 dB에 이르는 음장을 형성한다. 이러한 페어링 내부의 고에너지 음장은 위성체 구조물 및 탑재물의 기계적인 진동을 유발하여, 물리적인 파손을 일으키거나 주요 기능에 중대한 결합을 유발 시킬 수 있다. 이에 따라 위성체는 개발단계에서부터 소음환경에 대한 검증시험을 수행하게 된다. 지상에서의 검증시험은 잔향실과 음향 모듈레이터로 구성되어 있는 음향챔버 시스템을 이용하여 수행된다. 음향 모듈레이터는 기화된 고압의 대용량 질소가를 이용하여 발사체에서 생성되는 고 에너지의 소리를 발생하게 된다. 본 논문에서는 음향환경 시험용 음향 모듈레이터에 대한 분석, 시험을 바탕으로 작동 원리 및 음향특성 분석을 수행하였다.
서기 771년(신라, 혜공왕 7년)에 주조된 성덕 대왕 신종은 지면으로부터 약 50cm 떨어지게 설치되어 있으며 지면에 울림통을 가지고 있다. 이 울림통은 일종의 공명기의 역할을 하여 종 내부와 함께 성덕 대왕 신종의 고유한 소리 특성에 영향을 줄 것이라 예측되어 왔다.[1, 2, 3]. 본 논문에서는 이를 규명하기 위한 내부 음장의 3차원 측정 실험을 소개하고 있으며 울림통이 종소리에 끼치는 영향을 단순하나 물리적 현상을 대표하는 모델을 이용하여 설명하고 있다. 이러한 해석 방법을 기초로 하여 새로운 울림통의 크기를 제안하고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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