1. 서 론
천해(Shallow water)는 일반적으로 수심 200 m 이내 로 해안으로부터 대륙붕단(Shelf break)까지의 수역을
*Corresponding author, E-mail: [email protected] Copyright ⓒ The Korea Institute of Military Science and Technology
말한다. 이러한 해역은 대기와 해양의 상호작용에 민 감하게 반응하며 변동성이 많은 해역이다. 특히 천해 음향학(Shallow-water acoustics)에 있어서 해양매질의 복잡성, 다중경로(Multipath), 심한 경계면 상호작용 등 은 음파전달에 변동을 야기하며 종종 예측하기 어려 운 음향장(Acoustic field)을 형성한다. 그래서 천해에서 음파전달 특성을 파악하는 것은 해군에 있어서 주요 Research Paper 화생방․환경 부문
동중국해 북부해역에서 음파전달 특성의 시공간적 변동성
박경주*,1)․피터추2)
1)해군사관학교 해양학과
2)미 해군대학원 해양학과
Temporal and Spatial Variability of Sound Propagation Characteristics in the Northern East China Sea
Kyeongju Park*,1)․Peter Cheng Chu2)
1)Department of Oceanography, Korea Naval Academy, Korea
2)Department of Oceanography, Naval Postgraduate School, USA
(Received 19 September 2014 / Revised 16 March 2015 / Accepted 20 March 2015)
ABSTRACT
Acoustic propagation in shallow water with changing environments is a major concern of navy. Temporal and spatial variability of acoustic propagation in the northern East China Sea (ECS) is studied, using the 11 years hydrographic data and the Bellhop acoustic model. Acoustic propagation in the northern ECS is highly variable due to extensive interaction of various ocean currents and boundaries. Seasonal variations of transmission loss (TL) with various source depths are highly affected by sharp gradient of sound speed and bottoms interaction.
Especially, various bottom sediment types lead to severely degrading a waterborne propagation with bottom loss. In particular, the highly increased TL near the ocean front depends on the source position, and the direction of sound propagation.
Key Words : Shallow-water Acoustics(천해음향학), Sound Propagation(음파전달), Transmission Loss(전달손실), Variability(변동성), East China Sea(동중국해)
관심분야 중의 하나이다.
동중국해는 수심 200 m 이내의 대륙붕이 전체면적 의 70 % 이상을 차지하며 중국, 대만, 류큐섬(Ryukyu Islands) 및 한국에 의해 둘러싸인 연해이다. 동중국해 의 해류는 동계에는 쿠로시오로부터 분기된 대마난류 (Tsushima Warm Current)가 북상하여 양자강유출수 (Changjiang River Discharge)와 동중국해 해수에 의해 형성된 양자강희석수(Changjiang Diluted Water)를 북쪽 으로 수송하며, 하계의 대마난류는 쿠로시오, 대만난 류 등 여러 해류에 의해 형성되고, 양자강유출수와 만 나 표층순환이 변화된다[6].
동중국해 북부해역은(Fig. 1) 서해와 동해 및 동중국 해와 연결되는 지점으로 다양한 해류가 상접하는 해역 이다. 이 해역에서 상호작용을 하는 해류는 대마난류, 황해난류, 중국대륙연안수, 황해저층냉수 등으로 알려 져 있다[2,7].
하계 동중국해 북부해역의 저층에는 황해저층냉수 기원의 북서저층냉수(North West Cold Current)가 출현 하여 하계순환에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으 며[7], 동계에는 일반적으로 동중국해 동쪽의 고온수와 서쪽의 저온수 영향으로 전선대가 형성된다. Wang 등 (2012)은 동계 동중국해 북부해역 및 황해에 관련된 전선대의 출현에 대하여 분석하였는데 주로 동중국해 북부해역에 나타나는 전선대는 주로 ‘북서-남동’ 방향 으로 형성되며 전선대가 출현할 확률이 최소 70 %라 고 보고하였다[18].
이러한 다양성과 변동성이 높은 동중국해는 천해음향 학 측면에서 연구의 관심대상이 되고 있다. 지난 2001 년 5～6월 동중국해 중부해역(28°-30°N, 126°30'-128°E) 에서 국제음향실험(ASIAEX : Asian Seas International Acoustics EXperiment)이 있었으며, 이를 통해 경계면 산란, 감쇠 및 잔향음, 지음향 역산, 내부파, 음파전달 변동성 등 다양한 분야에 걸쳐 분석되었다[16]. 또한 2008년 8월에는 한미 공동으로 동중국해 북부해역의 제주로부터 남서쪽 100 km 지점(32°40'N 125°26')에서 음향실험(TAVEX : Transverse Acoustic Variability EXperiment)을 통한 음향변동성 연구를 수행한 바 있 다[15].
이 실험들을 통하여 분석 보고된 문헌들은 동중국 해 관련 음향 연구의 많은 부분을 차지하고 있다. 하 지만 대부분의 분석은 단기간의 실험 자료를 바탕으 로 하고 있어 장기간의 자료를 사용하는 것과는 다소 차이가 있을 것으로 본다.
따라서 장기간에 걸쳐 관측된 자료를 바탕으로 음 파전달 변동성을 분석하는 것도 의미가 있을 것으로 본다.
본 연구에서는 동중국해 북부해역에서 지난 11년 동안 관측된 해양물리 자료를 이용하여 천해환경에서 음파전달 특성의 시공간적 변동성을 전반적인 관점에 서 알아보고자 한다.
논문의 구성은 2장에서 자료와 방법에 대하여 기술 하고 3장에서는 연구해역의 음속변화에 대하여 정리 하였다. 그리고 4장에는 음향모델을 이용, 전달손실을 계산하여 계절별 변화, 주파수에 따른 변화, 해저면 구성성분에 따른 변화 및 전선대 존재시 음파전달 변 화에 대하여 분석하였다.
2. 자료 및 방법
동중국해 북부해역의 음파전달 특성의 시공간적 변 동성 분석에 사용된 수온 및 염분 자료는 국립수산과 학원(NFRDI : National Fisheries Research and Development Institute)에서 동중국해 북부해역을 대상으 로 관측한 자료중 2002∼2012년까지 11년간의 자료이 다. 자료는 3개 정선(315, 316, 317(124°00'～127°30' E, 31°30'～32°30' N))의 32개 정점에서 매년 2월, 5월, 8 월에 관측된 CTD(Conductivity Temperature and Depth) 자료이다(Fig. 1).
Fig. 1. The northern East China Sea with study area.
Arrow means direction of sound transmission.
(Oblique: L316 st15→19, Across: L315 st15→
L317 st19, Along: L315 st18→L317 st16)
사용된 수온 및 염분 자료는 표준수심(0, 10, 20, 30, 50, 75, 100 m) 별로 정리된 자료이며, 해양자료센터 (KODC : Korea Oceanographic Data Center)에서 온라인 으로 제공하고 있다[10].
연구해역의 음속자료는 32개 정점의 수온, 염분 및 수심 자료를 Mackenzie 공식[12]에 적용하여 계산되었으 며, 자료에 대한 내삽은 Monotone Cubic Hermite 방법 을 사용하여 왜곡을 최소화 하였다[4].
음속자료는 계절별로 평균하여 음속변화 분석 및 음향모델(Acoustic model)의 입력자료로 활용하였고, 모델은 음선이론(Ray theory) 기반의 고주파 거리종속 환경에 적합한 모델로 알려져 있는 Bellhop[3,14]을 사용 하였으며 이를 통해 전달손실(TL : Transmission Loss) 을 계산하였다. 계절별(춘계, 하계, 동계) 분석을 위해 정선 316의 4개 정점(15～18)자료가 사용되었으며, 주 파수에 따른 변화를 보기위해 4개의 주파수(600, 1000, 2000, 9000 Hz)가 적용되었다. 또한 천해에서 음파전 달 양상은 해저면 등 경계면의 특성에 따라 영향을 많이 받게 되는데, 연구해역의 해저면 구성성분은 주 로 Clay, Silt 또는 Sand로 구성되어 있으며, 이를 고려 하여 다양한 해저면 구성성분에 따른 전달손실 계산 을 위해 지음향(Geoacoustic) 자료[5,8,11,13]
를 Table 1과 같이 정리하였다.
Table 1. Geoacoustic parameters for different bottom types
Bottom type
Density (g/cm3)
Compressional Attenuation
(dB/λ)
Sound speed (m/s)
Clay 1.5 0.2 1500
Clay-silt 1.6 0.5 1515
Sand-silt-clay 1.7 0.8 1530
Silt 1.7 1.0 1575
Sand 1.9 0.8 1650
Coarse Sand 2.0 0.7 1800
전선대(Water front)에 따른 음파전달 특성 변화를 분석하기 위해서 Fig. 1에서 보는 바와 같이 음원위치 와 음파 송신방향을 전선대/양쯔뱅크를 기준하여 3가 지 경우(45°, 90°, 평행)로 구분하였고, 음속은 해당 경 로상의 정점 음속자료를 사용하였다.
3. 수중음속의 변화 특성
3.1 음속의 수평변화국립수산과학원의 동중국해 관측선인 정선 315, 316, 317에서 11년 기간에 대한 수심별 평균수온과 음속의 수평분포를 나타내었다(Fig. 2, 3). 그림의 위쪽부터 아 래로 수심 10, 30 및 50 m에 대한 분포를, 그림의 좌 측에서 우측으로는 춘계, 하계 및 동계에 대한 분포를 표현하고 있다. 수중음속은 수온, 염분 및 압력의 함수 로서 일반적으로 수온의 영향을 가장 많이 받는다[12].
Fig. 2. Seasonal horizontal variations of temperature at depth 10, 30 and 50 m. The first column, spring;
the second column, summer; the third column, winter
Fig. 2, 3에서 볼 수 있듯이 연구해역의 수심별 수온 수평분포는 음속의 수평분포와 유사한 양상을 보이고 있으며, 특히 중국대륙 연안수, 대마난류계수 및 하층 냉수대의 유입과 관련되는 변화 양상을 짐작할 수 있다.
Fig. 3. Seasonal horizontal variations of sound speed at depth 10, 30 and 50 m. The first column, spring; the second column, summer; the third column, winter
춘계는 서부해역의 중국대륙 연안수의 세력이 우세 하며 동부해역의 대마난류계수와 경계를 이루고 있고, 저층까지 유사한 형태의 수평분포를 보였다. 하계는 태양의 가열로 인해 표층 부근의 음속이 높게 분포하 고 있으며, 저층에는 냉수대의 영향으로 음속이 낮은 값을 보이며 30 m 층의 분포에는 북쪽으로부터 냉수 대가 파고드는 듯한 모양을 보이고 있다.
황해저층냉수는 황해 중앙골을 따라 남하하며, 장 등(2011)은 이 냉수대를 새롭게 정의하여 북서저층냉 수(수온 13.2 °C 이하, 염분 32.6∼33.7 psu, 밀도 24.7
～25.5 σt)라 명하고, 하계 동중국해 북부해역까지 저 수온을 보이며 확장하는 것을 관측자료 분석을 통하 여 밝혔다. 동계는 중국대륙 연안수와 대마난류계수의 영향으로 인해 ‘북서-남동’ 방향으로 뚜렷한 경계를 보이고 있으며, 전선대가 형성된 것으로 보인다. 동중 국해 북부해역의 중앙부에서는 냉수대와 난수대가 경 계를 이루며 13 °C 등온선을 중심으로 0.05 °C/km의 강한 수온전선대가 남동-북서 방향으로 형성되는 것 으로 알려져 있으며[19], 또한 양쯔강 북동쪽의 양쯔뱅 크의 끝단 50～70 m의 등수심선에서 북서-남동 방향 으로 전선대가 형성되며, 전선대가 안정적으로 출현할 확률이 70 % 이상으로 알려져 있다[18].
3.2 음속의 수직변화
3.2.1 계절별 변화 및 표준편차
Fig. 4는 계절별 전달손실 변화 분석에 사용된 정선 316에 대한 계절별 평균음속의 수직분포와 수평경사도 및 11년 기간의 음속 표준편차를 나타내고 있다.
Fig. 4. Seasonal vertical variations of sound speed(first row), seasonal horizontal gradient(second row).
The third row shows standard deviations during 11 years period.(left column, spring; center, summer; right, winter)
춘계에는 연안쪽의 저층냉수와 동부해역의 대마난 류계수의 영향으로 경계를 이루고 있다. 경계면 부근 에서는 음속의 수평경사도가 높게 나타났으며, 정점 14～18 사이의 수심 60 m 이내에서 음속변화의 편차 가 높게 나타났다.
하계 해수면은 태양의 가열로 인해 높은 음속을 보 이고 약 20 m 이심에서는 상대적으로 태양열의 영향 을 덜 받고 또한 낮은 수온으로 인하여 음속이 급격 히 감소하는 양상을 보이고 있다. 특히 음속이 낮은 해수의 경계부분(정점 15, 18)에서는 음속의 수평경사 가 높게 나타난다. 음속 변화는 주로 정점 13～18 사 이의 수심 20～80 m 부근에서 높게 나타났다.
동계의 음속은 거의 전수심대에서 혼합층(MLD : Mixed Layer Depth) 발달로 인한 음향층심도(SLD : Sonic Layer Depth)가 형성되어 있으며 중국대륙 연안 수와 대마난류계수의 경계가 뚜렷이 나타나고 있다.
음속의 수평경사나 표준편차도 경계면 부근에서 높게 나타남을 볼 수 있다.
3.2.2 계절별 음속 수직 프로파일
정선 316의 정점 15～18에 대하여 11년간의 음속 수직 프로파일을 계절별로 충첩하여 나타내었다(Fig.
5). 정점 구간은 앞에서 언급한 계절별 음속변화가 높 은 지역에 해당된다. 춘계는 해표면 가열의 증가로 인 해 약한 수온약층이 형성되는 시기이며, 정점 15에서 는 약한 부음속경사(Nagative gradient)를 보이고, 나머 지 정점에서는 약 30 m 이심에서 약한 양음속경사 (Positive gradient)를 보인다.
Fig. 5. Seasonal sound speed profiles at station 15～
18 of line 316 over a 11 year period
하계에는 강한 수온약층이 형성되어 있고 수심이 얕 은 정점 17, 18에서 더 발달해 있으며 전체적으로 강
한 부음속경사를 보인다. 또한 수심 10 m에서의 음속 의 변화 폭이 12 m/s로 사계절 중 가장 작지만, 수심 30 m에서는 45 m/s로 가장 넓은 범위의 음속변화를 보이고 있다. 이러한 음속구조는 음파의 심한 하향 굴 절을 초래할 수 있다. 동계에는 표층에서 저층까지 음 속이 거의 일정한 양상을 보여 원거리 음파전달을 예 상할 수 있다.
4. 음파전달 특성 변화
4.1 계절에 따른 음파전달 변화Fig. 6은 계절별 음파전달 변화 특성을 파악하기 위 해 Bellhop 모델의 입력자료로 사용한 춘계, 하계 및 동계 음속구조를 나타내고 있다. 계절별 4개의 정점 (15～18) 자료가 포함되어 있다.
Fig. 6의 첫 번째 행의 역경사(Upslope) 환경은 깊 은 수심쪽에서 음파를 송신(정점 15 → 18)하는 경우이 며, 4개의 정점이 포함되어 있다. 순경사(Downslope) 환경은 역경사와 반대의 경우이다. 해저면 구성성분은 모두 Clay이다.
Fig. 6. Vertical sound speed at station 15～18 of line 316 for input data of acoustic model(left column, spring; center, summer; right, winter)
Fig. 7은 음원 수심을 10, 30, 50, 70 m로 각각 설정 하고 주파수 1000 Hz 음원으로 음파를 송신했을 때의 계절별 음파 전달손실을 나타내고 있다.
춘계는 음원이 10, 30 m 위치할 경우 약한 수온약 층으로 인해 음파는 송신 초기부터 대부분 해저면 쪽 으로 굴절되며, 해저면과 가까운 수심(50, 70 m)에 음 원이 위치할 경우는 음속구조와 해저면 반사의 영향 으로 음파전달이 비교적 양호하게 전달되고 있다.
하계에는 음원 수심을 상층부터 하층까지 변화 시
켜도 전체적인 음속구조가 심한 부음속경사이므로 모 든 음파는 해저면 쪽으로 굴절되어 에너지 손실이 많 아져 원거리 음파전달이 되지 않는 특성을 보이고 있 다. 음원을 해저면 가까이 위치시켜도 해저면 반사로 인한 부분이 거의 없는 것으로 보아 Clay로 구성된 해저면의 감쇠 영향이 상당히 큼을 짐작할 수 있다.
하지만 해저면 구성성분이 달라질 경우는 음파의 해 저면 반사손실(Reflection loss) 변화로 인해 음파전달 양상은 달라질 것으로 생각된다.
동계에는 대부부분의 해역에 SLD가 형성되어 있으 므로 표층도파관(Surface duct) 효과를 보이며 전체적 으로 양호한 음파전달 특성을 보인다. 하지만 해저면 과 가까운 깊은 수심에서는 음속 경사도와 해저면의 영향으로 상층보다는 좋지 않은 음파전달을 보이고 있다.
Fig. 7. Seasonal variations of transmission loss with upslope bottom at source depth 10, 30, 50 and 70 m.(left column, spring; center, summer; right, winter)
Fig. 8은 정점 18 → 15 방향으로 음파를 방사하는 경 우의 전달손실을 나타내며, 해저면은 순경사이다. 음원 의 수심이 30, 50 m 일 때 춘계의 경우는 양호한 음 파전달을 보였으나 하계에는 불량하게 나타났다. 이는 음속 경사도와 해저면의 복합적인 영향이 음파전달에 영향을 미친 것으로 보인다. 동계의 경우 음원수심이 10, 30 m에서는 음파전달이 양호하나 해저면과 가까운 50 m에서는 초기 해저면 반사손실이 상대적으로 많은 것으로 보인다.
Fig. 8. Seasonal variations of transmission loss with downslope bottom at source depth 10, 30 and 50 m.(left column, spring; center, summer; right, winter)
4.2 전달손실의 연변화(동계)
Fig. 9는 음파전달의 연변화를 보기위해 동계환경을 대상으로 정선 316의 정점 15～18 구간(역경사)에서 전달손실을 계산한 것이다. 1000 Hz의 음원으로 수심 30 m에서 음을 송신하여 수신기 수심 30 m에서 음을 수신한 경우이며, 해저면 구성성분은 Clay이다.
Fig. 9의 상부 그림은 동계 11년 기간(2002～2012년) 동안의 전달손실 값 중 수신기 수심 30 m에서의 손실 값만을 별도로 중첩하여 나타낸 것이다. 평균값(검정 선)을 기준으로 변화 폭이 상당히 큼을 볼 수 있으며, 최대 변화 폭은 45.4 dB를 보였다.
2007년과 2011년의 전달손실 값은 다른 연도와 비 해 변화의 폭이 크게 나타났다. 이와 관련하여 해당연 도의 정점별 수온구조를 확인해본 결과, 2007년은 정 점 15와 16에서 혼합층이 형성되어 있으나 정점 17 (약 54 km 지점)에서는 수온약층(약 20～60 m 사이) 존재하고 있었다. 2011년도는 음원이 위치한 정점 15 에서 수온약층(약 10～40 m)이 형성되어 있으며 정점 16에도 수심 50 m 이심에서 수온이 감소하는 형태의 구조를 보였다.
이러한 수온구조가 형성되어 있는 역경사 환경에서 음파를 송신할 경우 하향 굴절로 인해 해저면 반사손 실의 영향이 크게 나타난다. 2007년과 2011년을 제외 한 다른 연도의 수온구조는 대체로 혼합층이 형성되 어 있어 양호한 음파전달 양상을 보였다.
11년 기간의 전달손실 값의 표준편차는 Fig. 9의 하 부 그림에서 볼 수 있는데, 표준편차에 대한 평균값은 8.2 dB, 최대 19.7 dB의 편차를 보였다. 동계 북상하는
대마난류수와 중국대륙 연안수의 연변화가 음파전달 의 변화에 미치는 영향이 매우 큼을 알 수 있다.
Fig. 9. Anual variations for winter transmission loss with 1000 Hz source depth of 30 m and receiver depth 30 m over a 11 year period.
Black line(upper panel) is mean values. Lower panel is standard deviation corresponds to the upper panel
4.3 주파수에 따른 음파전달 변화
계절별 전달손실 계산시 적용한 춘계환경을 대상으 로 음원을 50 m에 위치시키고 3개의 주파수(600, 2000, 9000 Hz)에 전달손실을 계산하였다(Fig. 10). 600 Hz의 저주파 음원의 경우 음파전달 에너지 손실이 가장 적 으며 원거리 전파를 보이고 있다. 반면 9000 Hz의 고 주파에서는 에너지의 감쇠가 많아 원거리 전파가 되 지 않는다. 해수중 음파전달은 흡수와 산란의 연속으 로 거리에 따라 음파강도(Sound intensity)가 감소하며 주파수 의존성이 있어 고주파일수록 감쇠량이 증가한
다[1,17]. 또한 해수면 및 해저면과의 상호작용으로 에너
지의 손실이 발생하며 고주파일수록 손실량이 많은 것 으로 알려져 있다[1].
Fig. 10. The comparisons of transmission loss for various frequency at source depth of 50 m during spring condition.(left column, 600 Hz;
center, 2000 Hz; right, 9000 Hz)
4.4 해저면 구성성분에 따른 음파전달 변화
동중국해 북부해역의 해저면 구성성분은 주로 Clay, Silt 또는 Sand로 구성되어 있으며, 연구해역에서 음파 전달 변화를 분석하는 해당 정점 구간의 해저면은 주 로 Clay로 구성되어 있다[11,13]. 해저면 지음향 관련 자 료는 해밀턴 등이 제시한 자료를 참고하고 연구해역 의 해저면 구성성분 분포를 고려하여 모델 입력자료 로 활용하였다(Table 1).
특히, 천해환경에서는 해저면이 음파전달에 큰 영향 을 미치므로 정확한 지음향 자료의 모델 입력이 필요 하다. 동계환경에서 음원 수심 50 m, 주파수 1000 Hz 및 Table 1의 자료를 적용하여 음파 전달손실을 산출 하였으며(Fig. 11), Fig. 11의 위에서 아래쪽 끝으로 갈 수록 해저면내 매질의 밀도와 음속이 높아지는 지음 향 자료가 입력되어 있다.
동계의 음파전달은 상향 굴절되는 음은 표층도파관 효과로 인해 해저면의 영향을 거의 받지 않으나, 하향 굴절되는 음파는 해저면의 영향을 많이 받게 된다. 대 략 40 km 이내 거리에서 해저면과의 상호작용이 많아 보이며, 이 구간에서의 전달손실은 해저면 구성성분에 따라 많은 차이를 나타내고 있다.
밀도와 음속이 가장 큰 Coarse sand 해저면의 경우 전달손실 값이 가장 낮게 나타났다. 이는 해저면 반사 계수(Reflection coefficient)와 관련이 있으며 반사계수 는 매질의 밀도 및 음속과 상관성이 높다. 해저면 구 성성분에 따라 반사계수는 변화되며, 반사계수가 높을 수록 해저면 반사손실(Reflection loss)은 감소한다[1].
Fig. 11. Variations of transmission loss for six bottom types at source depth of 50 m during winter (from top left to bottom right; clay, clay-silt, sand-silt-clay, silt, sand and coarse sand.)
Fig. 12는 6가지 해저면 구성성분별 음파의 해저면 입사각에 따른 반사계수를 나타낸 것이다.
반사계수가 가장 낮은 해저면 구성성분은 Clay 이며, 이 경우에 음파전달 손실 값이 가장 높게 나타났다 (Fig. 12). 음파가 해저면에 수직으로 입사한다고 가정 할 경우, Clay 해저면에 대한 반사계수는 0.2, 반사손 실은 약 14dB 이며, Coarse sand 경우는 반사계수 0.4, 반사손실은 7.7 dB로 나타나 반사계수가 높은 Coarse sand 해저면의 경우가 Clay 경우 보다 해저면 반사손 실이 상당히 작아 수중 음파전달에 유리함을 알 수 있다.
Fig. 12. Reflection coefficient for six bottom sediment types. Theta is incident angle
특히, 계절중 음파전달 조건이 가장 좋지 않은 천해 하계절의 경우 음파가 대부분 하향 굴절되는 특성을 보이므로 해저면의 영향을 가장 많이 받을 수 있는 계절이다. Fig. 13은 하계환경에서 음원 수심을 50 m 로 설정하고 전달손실을 계산한 결과이다. 해저면 반 사계수가 높을수록 양호한 음파전달 양상을 보여주고 있다.
Fig. 13. Variations of transmission loss for six bottom types at source depth of 50 m during summer (from top left to bottom right; clay, clay-silt, sand-silt-clay, silt, sand and coarse sand.)
Fig. 14는 6가지 해저면 형태를 고려한 상황에서 음 원의 수심변화(30, 50 m)에 따른 동하계 전달손실 양
상을 보여주고 있다. 동계에는 음원 수심이 깊을 경우 해저면 구성성분별 전달손실 변화폭이 감소하였지만 전체적인 경향은 유사하다. 하계는 동계보다 해저면에 더 민감하게 반응을 나타내고 있으며, 음원수심이 깊 을 때 더 양호한 음파전달을 보였다. 계절별로 음원의 수심 변화에 따라 해저면이 음파전달에 미치는 영향 이 큼을 알 수 있다.
Fig. 14. Variations of transmission loss for six bottom types with change 1000 Hz source depth of 30 and 50 m during winter and summer. The receiver depth at 50 m
4.5 거리 독립/종속 환경에서 음파전달 변화
동계 동중국해 북부해역에는 양쯔뱅크 끝단 등수심 선을 따라 ‘북서-남동’ 방향으로 전선대가 형성된다.
전선대로 인한 음파전달 변화를 보기위해 전선대를 중심으로 음원의 위치와 음파 송신방향(Fig. 1)을 다르 게 하여 계절별 음파전달 양상을 알아보고, 거리독립 및 거리종속환경에 대한 음파전달 변화를 비교하였다.
첫 번째 음원은 정선 316의 정점 15에서 19 방향으 로(동 → 서, 양쯔뱅크/전선대에 약 45°, 역경사 해저면), 두 번째 음원은 정선 315의 정점 15에서 정선 317의 19 방향으로(북동 → 남서, 양쯔뱅크/전선대에 약 90°, 역경사 해저면), 마지막 음원은 정선 315의 정점 18에 서 정선 317의 정점 16 방향으로(북서 → 남동, 양쯔뱅 크/전선대에 거의 평행, 해저면 거의 평탄) 설정하여 1000 Hz의 음원으로 수심 30 m에서 음파를 송신하였 으며 해저면 구성성분은 Clay이다.
Fig. 15는 세 방향에 대한 계절별 전달손실을 나타 내고 있다. 그림의 첫 번째 행은 춘계에 해당되며, 양 쯔뱅크와 전선대에 평행한 방향으로 음파를 송신한 경우는 양호한 음파전달을 보인 반면 다른 방향은 그 렇지 않았다. 하계에는 강한 수온약층으로 인해 모든 방향에서 음파가 해저면으로 굴절되어 대부분 에너지
가 손실되는 특성을 나타내었다. 동계의 경우는 춘계 와 하계에 비하여 모든 방향에서 양호한 음파전달 흐 름을 볼 수 있지만, 전선대로 인하여 방향별 전달손실 은 차이를 보이고 있다.
Fig. 15. Seasonal effects in TL for three different direction of source transmission at source depth of 30 m with 1000 Hz source. In the first column, oblique bank; in the second column, across bank; in the third column, along bank
Fig. 16에서는 전선대 존재 유무에 따른 음파전달 손 실을 비교하였다. 거리독립환경은 음원이 위치한 지점 에서의 음속을 거리에 따라 동일하게 적용하였고, 거 리종속환경은 각 정점의 음속자료가 사용되었다.
전선대가 없는 거리독립환경에서는 세 방향 모두 상 당히 양호한 음파전달을 보였다. 전선대가 존재하는 거리종속환경에서는 상대적으로 전달손실이 높게 나타 났으며, 특히 양쯔뱅크 및 전선대를 약 45°와 90° 방향 으로 통과하는 경우에는 뱅크 및 전선대와 평행한 경 우보다 음파전달이 불량하게 나타났다.
음파가 전선대에 약 45°로 송신된 경우는 약 50 km 부근에서, 전선대에 90° 방향으로 송신한 경우는 약 70 km 부근에서 전달손실 값이 높아지는 것을 볼 수 있 다. 이 지점들은 각 송신방향에서 볼 때 냉수대와 난 수대가 상접해 있는 경계의 중심 부근으로 볼 수 있 다. 전선대와 평행한 방향으로 음파를 송신한 경우는 전선대의 영향을 거의 받지 않고 또한 해저면이 거의 평탄하므로 다른 두 경우보다 양호한 음파전달을 보인 것으로 생각된다.
이처럼 음파가 전선대를 통과할 시 전달손실이 값 이 높아지고 음파전달이 불량하게 나타나는데, 이는 음속의 경사도와 음파 굴절이 상호 밀접한 관련이 있
기 때문이다. 음파는 스넬의 법칙에 근거하여 음속이 느린 쪽으로 굴절한다. 전선대는 온수대와 냉수대 사 이에 존재하는데 음파가 이러한 경계를 진행하게 되 면 결국 음파의 굴절로 인해 음에너지의 손실을 초래 하게 된다.
Fig. 16. Effects of water front on transmission loss for three different case with 1000 Hz source at depth of 3 m during winter. Direction of sound transmission is same in Fig. 14
Fig. 17은 Fig. 15에서 수신기 수심이 20 m 일때의 전달손실 값을 나타내고 있다. 음파 송신 초기 해저면 영향을 많이 받는다고 생각되는 부분을 제외한 나머 지 거리(약 10 km～)에 대하여 전달손실 값 차이를 계산해 보았다. 음파가 전선대를 45° 방향으로 통과시 는 평균 8.2 dB, 최대 31.8 dB, 전선대를 90° 방향으로 가로지를 경우는 평균 12.7 dB, 최대 40.2 dB 차이를 보였으며, 음파 송신이 전선대와 평행한 경우는 평균 2.8 dB, 최대 18.4 dB의 전달손실 값 차이를 보였다.
Fig. 17. Effects of water front on transmission loss for three different case with 1000 Hz source at depth of 30 m and receiver depth of 20 m during winter
동계 동중국해 북부해역에 형성되는 전선대는 음파 전달손실에 큰 영향을 미침을 알 수 있으며, 전선대 형성 위치를 기준으로 하여 음원의 위치와 음파 송신 방향에 따라 음파전달 변화 양상에 큰 차이를 보였다.
5. 결론 및 고찰
동중국해 북부해역 대상, 장기간의 음속자료를 토대 로 천해에서 음파전달 특성의 시공간적 변동에 대하 여 알아보았다.
음파전달의 계절 및 연변화, 주파수에 따른 변화, 해저면 구성성분에 따른 변화 및 전선대 존재 유무 에 따른 변화에 대하여 전반적인 양상 위주로 분석하 였다.
해양환경 변화가 복잡한 천해 환경에서의 음파전달 은 주로 해저면 등 경계면에 의한 영향이 크게 나타 났으며, 특히 전선대가 존재하는 경우 음원의 위치와 송신방향에 따라 음파전달 변화에 많은 영향을 주는 것으로 나타났다.
계절별 음파전달 특성 변화를 보면, 동계에는 SLD 의 발달로 다양한 음원수심에서도 전반적으로 양호한 음파전달을 보였으며, 역경사 해저면의 경우가 더 양 호한 음파전달을 보였다. 하계에는 강한 수온약층으로 인해 음파의 하향 굴절이 우세하여 송신 초기 근거리 에서 대부분의 에너지가 손실되는 양상을 보였다. 하 지만 해저면 구성성분에 따라 달라질 수 있다. 춘계에 는 주로 중간 수심이하, 즉 역경사 해저면의 경우 수 심 50 m 이하, 순경사의 경우 30 m 이하에서 비교적 양호한 음파전달을 보였다. 또한 동계 11년 간의 연변 화에서는 최대 19.7 dB의 전달손실 표준편차를 보여 변화가 많음을 알 수 있으며, 이는 대마난류수와 중국 대륙 연안수의 연변화가 동계 음파전달에 미치는 영 향이 큼을 보여준다.
춘계의 해양환경에서 음원을 50 m에 위치시키고 주 파수별 전달손실을 계산한 결과 저주파(600 Hz) 음원 의 경우가 거리에 따른 에너지 손실이 가장 적어 양 호한 음파전달을 보였다. 반면 9000 Hz의 고주파 음 원의 경우는 거리에 따른 에너지 손실이 상당히 크게 나타나 원거리 전파가 되지 않았다. 특히 천해의 경우 는 경계면 영향을 많이 받으므로 주파수 의존성이 있 는 경계면 손실을 고려하면 고주파 음원의 사용은 원 거리 음파전달에 더욱 불리하다.
해저면 구성성분을 6가지 형태로 구분하여 음파전 달과의 연관성을 파악한 결과 해당 구성성분의 반사 계수가 낮을수록 전달손실이 높게 나타났다. 이는 해 저면 반사계수가 낮을수록 해저면 반사손실은 증가 하기 때문이며 결과적으로 음파전달은 불량하게 나타 난다.
동계절 전선대 존재시 음원의 위치와 송신방향에 따 른 음파전달 변화를 분석한 결과 음파를 전선대와 양 쯔뱅크에 90° 방향으로 송신시 전선대가 없을 경우 대 비 손실 값이 평균 12.7 dB 차이로 가장 높게 나타났 으며, 다음으로 45° 방향이며 평행한 방향에서는 상대 적으로 적은 2.8 dB의 전달손실 차이를 보였다. 이는 송신방향별 음속의 경사도와 해저면의 영향을 받은 것 으로 판단된다.
본 연구는 이어도가 포함된 동중국해 북부해역에서 의 음파전달 변동 양상을 이해하고, 해군의 수중음향 탐지시스템을 운용하는데 있어 유용한 자료로 활용될 것으로 생각된다.
후 기
본 연구는 STX장학재단의 지원을 받아 수행되었습 니다. 지원에 감사드립니다.
References
[1] Burdic, W. S., Underwater Acoustic System Analysis, Prentice-Hall, Inc., Second Edition, pp.
120-130, 1991.
[2] Chen, C., R. C. Beardsley, R. Limeburner, H. Yu and K. Kim, “Comparison of Winter and Summer Hydrographic Observation in the Yellow and East China Sea and Adjacent Kuroshio During 1986,”
Cont. Shelf Res., 14, pp. 909-929, 1994.
[3] Etter, P. C., “Review Article, Advanced Applications for Underwater Acoustic Modeling,” Hindawi Publishing Corporation Advances in Acoustics and Vibreation, Article ID 214839, 2012.
[4] Fritsch, F. N. and R. E. Carlson, “Monotone Piecewise Cubic Interpolation,” SIAM J. Numer.
Anal., 17, pp. 238-246, 1980.
[5] Hamilton, E. L., “Geoacoustic Modeling of the Sea Floor,” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 68(5), pp. 1313- 1340, 1980.
[6] Ichikawa, H. and R. C. Beardsley, “The Current System in the Yellow and East China Seas,” J.
Oceangr. Soc. Japan, 58, pp. 77-92, 2002.
[7] Jang, S. T., J. H. Lee, C. H. Kim, C. J. Jang and Y. S. Jang, “Movement of Cold Water Mass in the Northern East China Sea in Summer,” J. Ocean.
Soc. Kor., 16(1), pp. 1-13, 2011.
[8] Jensen F. B. and W. A. Kuperman, “Optimun Frequency of Propagaion in Shallow Water Environments,” J. Acoust. Soc. Am., Vol. 73(3), pp.
813-819, 1983.
[9] Jensen, F. B., William A. Kuperman, Michael B.
Porter and Henrik Schmidt, Computaional Ocean Acoustics, 2nd edition, Springer, New York, pp.
3-54, 2011.
[10] Korea Oceanographic Data Center, http://kodc.nfrdi.re.kr/page?id=obs_04_01
[11] Liu, J. P., A. C. Li, K. H. Xu, D. M. Velozzi, Z.
S. Yang, et al., “Sedimentary Features of the Yangtze River-Derived Along-Shelf Clinoform Deposit in the East China Sea,” Continental Shelf Research, Vol. 26, pp. 2141-2156, 2006.
[12] Mackenzie, K. V., “Nine-Term Equation for the Sound Speed in the Oceans,” J. Acoust. Soc. Am., 70(3), pp. 807-812, 1981.
[13] Miller, J. H., Louis R. Bartek, Gopu R. Potty, Dajun Tang, Jungyul Na and Yiquan Qi, “Sediments in the East China Sea,” IEEE, J. Oceanic Eng., Vol.
29(4), pp. 940-951, 2004.
[14] Porter, M. B, The BELLHOP Manual and User’s Guide: PRELIMINARY DRAFT, Heat, Light, and Sound Research, Inc. La Jolla, CA, Jan. 31, 2011.
[15] Smith, C. M., “Effects of Propagating Internal Waves on Shallow-Water Acoustic Propagation During the Transverse Acoustic Variability Experiment of 2008,” MS thesis, Penn State Univ., PA, 2010.
[16] Tang, D., Steven R. Ramp, Peter H. Dahl et al.,
“Proceedings, The Asian Seas International Acoustics Experiment(ASIAEX) International Symposium, Chengdu, China, October 14-18, 2002,” Applied Phys. Lab. Univ. Washington, Tech. Rep. APL-UW TR 0201, Dec. 2002.
[17] Thorp, W. H., “Analytic Description of the Low- Frequency Attenuation Coefficient,” J. Acoust. Soc.
Am., Vol. 42, p. 270, 1967.
[18] Wang, F., C. Liu and Q. Meng, “Effect of the Yellow Sea Warm Current Fronts on the Westward Shift of the Yellow Sea Warm Tongue in Winter,”
Cont. Shelf Res., 45, pp. 98-107, 2012.
[19] 장이현, 김상우, 고우진, 야마다 게이꼬, 서영상,
“동중국해 북부해역 수온, 염분 변동 특성,” 한국 환경과학회 봄 학술발표회지, 제16권, pp. 331-335, 2007.
