수중에서 기포의 강한 비선형성을 이용하여 기포막상의 두 입사 음파의 상호작용 영역으로부터 산란된 차주파수 성분 음파의 확인과 두 입사 음파의 전파방향으로 차주파수 음파가 분포하고 있음을 관측하였다 본 논문에서는 기포막을 이용하여 두 입사 음파의 상호작용 영역으로부터 산란된 차주파수 성분 음파의 지향특성을 예측할 수 있음을 제시하였다.
해양음향 토모그래피에 의한 유속측정의 유효성을 검증하기 위하여 1997년 4월 거제도 남쪽해역에서 쌍방향 음파전파 토모그래피 실험을 실시하였다. 이 실험은 해양음향 토모그래피에 의한 실시간 유속관측 시스템을 구축하기 위한 현장 기초실험으로 시도되었다. 실험 당시의 해양물리 환경을 고려하면서 음파 전파시간 차이에 의한 유속측정 결과를 초음파 유속계(ADCP)에 의한 실측유속과 비교 분석하였다. 그 결과 두 실측치는 상관계수 0.943으로써 매우 양호한 상관관계를 보였으며, 해양음향 토모그래피에 의한 방법이 연안해역에서 유속측정 방법으로서 향후 크게 활용될 수 있으리라 판단된다.
수중에서 기포는 비선형성이 강한 음향 산란체로서 수중 기포들로부터 산란된 음파들은 강한 비선형 음향특성을 보인다. 입사 음파의 산란된 음파들은 기본 주파수에서뿐만 아니라 배진동 또는 고차진동 주파수들에서도 관측된다. 서로 다른 주파수의 두 음파가 기포에 입사되는 경우, 산란된 음파들은 입사 음파들의 합 및 차주파수에서도 관측될 수 있다. 본 연구에서는 수중에 형성된 기포막에 두 음파가 입사되는 경우, 기포의 비선형성에 의해 차주파수 음파의 진폭이 증폭되고 두 입사 음파의 전파방향으로 지향성이 나타남을 관측하였다. 산란된 차주파수 음파의 지향성은 일차 음원의 지향성을 사용하여 가상음원에 대한 결맞음 산란특성으로 해석하였다.
동해의 경우 강한 극전선이 존재하여 복부해역과 남부해역의 음속구조는 커다란 차이를 보이고 있다. 이러한 해역에서 평균음속구조를 구하여 표준해양을 설정할 경우 음파 전파경로의 차이가 커지게 된다. 따라서 이러나 해역에서 해양음향 토모그래피를 이용한 해양탐사를 수행하기 위해서는 해역별로 다른 음속구조를 가지는 표준해양의 설정이 필요하며 이를 근거로 음파의 전파경로 및 음속구조를 표준해양으로 설정하여 수온 및 수중음속의 변동량을 역추정하는 방법을 이용하고 있다. 본 연구에서는 인위적인 극전선을 설정하고 해역별 특징을 갖는 표준해양을 설정하여 음파 도달시간의 기준을 설정하고 음속구조의 역추정을 수행하여 기존의 해양음향 토모그래피에 의한 해양탐사 방법과 비교하였다. 그 결과 기존의 해양음향 토모그래피를 이용한 역추정에서는 전선의 형태를 재현하기 위해서 여러 개의 음원과 수신기가 필요하였으나 거리종속 표준해양을 이용할 경우 그 수가 줄어도 가능하고 평균오차고 작아지는 결과를 얻었다.
천해에서 수심과 퇴적물 유형의 변화에 따른 전파손실 양상을 규명하기 위해 한국 동남해역에서 음향실험을 실시하였다. 정해진 경로를 따라서 약 5kts의 속도로 음원기를 예인하고 3개 정점의 해저면에 설치된 수신기에서 동시에 신호를 수신하였다. 음파가 등수심선에 평행하게 진행할 때와 수직으로 진행할 때의 전파손실을 비교해 보면 평행하게 진행할 때 전반적으로 손실이 작다. 이러한 경향은 음원-수신기 사이의 거리가 멀어질 수록 두드러진다. 또한 음파가 등수심선에 수직으로 진행할때 상향조건과 하향조건등 진행하는 방향에 따라서도 전파손실의 차이가 발생하며, 전반적으로 하향조건하에서 손실이 작고 거리에 따라서는 10dB 이상 차이가 발생한다. 그리고 해저 표층 퇴적물이 gravelly sand와 sand-silt-clay로 구성된 두 해역에서의 전파손실에서는 뚜렷한 차이를 발겨하기 어렵다. 한편, 최적 전파 주파수는 대부분 130-255Hz범위에 존재한다.
해양에서 내부파 (internal wave)는 수직적으로 밀도가 크게 다른 두 층의 경계면에서 생성되는데, 일반적으로 경계면은 수온약층 (thermocline)에 해당된다. 본 연구에서는 간단한 단주기(하나의 주기만을 갖는)내부파를 가정하고 이 내부파에 의해서 야기될 수 있는 저주파 (100-400 HZ) 전파손실의 변동 정도를 모델링을 통해 추정하였다. 내부파의 파장은 1Km이고 진폭은 25m이며 수심 50-100m 사이에 존재하는 것으로 가정하였다. 전파손실 계산은 PE (parabolic equation) 기법을 도입한 모델을 이용하였다.수층의 두께는 2000m로 균일하고 퇴적층 및 기반암층의 두께는 각각 500m로 가정하였다. 모델링 결과 단주기 내부파의 1 파장이 진행하는 동안 고정된 수신 깊이별로 20km 거리에서 10 dB 이상의 큰 변동이 야기 될 수 있음을 확인하였다. 이는 내부파 내에서 큰 굴절을 변화로 인한 음파의 산란 때문으로 볼 수 있다. 실제 해양에서는 내부파가 단주기 파동 형태로 나타나기 보다는 여러 주기의 파동이 중첩되어 나타나므로 정확한 내부파 영향을 추정하기 위해서는 보다 실제에 가까운 내부파를 모델링할 필요가 있다.
비균질한 천해에서의 저주파 수중음파의 전파 특성을 수치모델을 이용 분석하였다. 특히 전파매질의 비균질성이 독특한 대한해협의 겨울철 해수특성을 고려하여 음속의 수평변화, 저질두께 및 감쇠계수의 변화, 수심의 변화등 천혜의 독특한 환경 변화요인을 거의 망라한 경우를 모델로 삼았다. 음원과 수신기의 수심을 수면가까이에 둔 경우소위Mode function의 수심에 따른 특성에 의한 손실이 일반적인 손실원인보다 크게 나타났으며 Adiabatic approximation을 이용한 Mode coupling효과는 High Mode의 감쇠특성에 의해 천해에서의 모델 적용 가능성을 보여주었다.
천해 해저 퇴적물의 특성은 수 미터 깊이에서도 변할 수 있다. 퇴적층에서의 음속 뿐만 아니라 감쇠계수도 퇴적물의 성분과 특성 자체에 의해서 결정되므로 감쇠계수는 퇴적층 깊이에 따라 가변적이라고 여기는 것이 합리적이다. 본 연구에서는 포물선 방정식 기법을 도입한 음향모델을 이용하여 퇴적층 종파 감쇠계수의 변화가 100-805 Hz 대역 음파의 전파에 미치는 영향을 고찰하였다. 대상 해역은 해저면이 사질로 구성되어 있고, 수심과 최적층의 깊이는 각각 40 m, 10m이다. 감쇠계수가 퇴적층 깊이에 따라 일정하게 또는 가변적으로 가정함에 따라 음파의 전파손실은 15 km 거리에서 10dB 까지 차이가 발생한다. 모델에 의하여 계산된 전파손실은 감쇠계수를 퇴적층 깊이에 따라 변하게 할 경우 실측된 전파손실과 잘 일치한다.
본 연구는 음향학적 기법을 이용하여 지반의 투수계수를 산정하는 새로운 방법을 제시하였다. 연구를 위하여 Biot의 특성 진동수(Characteristic Frequency) 와 지반의 투수계수의 연관성이 포화된 지반에서만 나타나는 것을 확인할 수 있도록 음파의 감쇠 및 전파속도 특성을 포화된 시료와 건조된 시료에 대하여 측정/비교 하였다. 본 연구에서의 시험결과는 특성 진동수는 포화된 지반에서만 나타나며, 음파의 감쇠 특성으로 부터 얻은 특성 진동수와 전파속도 특성으로 부터 얻은 특성 진동수가 서로 매우 유사한 범위를 나타내었다. 한편 음파의 전파속도로 부터 얻은 결과가 감쇠 특성으로부터 얻은 결과보다 판독성이 좀 더 좋은 것으로 나타났다. 또한 본 시험결과를 동일한 시료에 대한 정수위 투수시험결과와 비교했을때 서로가 합리적으로 상응하는 결과를 나타내었으며, 본 연구에서 사용된 음향학적 기법이 사질토 또는 실트질 사질토의 투수계수를 구할 수 있는 비파괴 시험으로 사용될 수 있는 가능성을 보여 주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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