Development of the Acoustic Release and the Control unit for the Application in the Shallow Sea

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천해용 음향분리기 및 제어장비 개발

조철현¹⁾* · 김진태²⁾· 김성신¹⁾

Development of the Acoustic Release and the Control unit for the Application in the Shallow Sea

Churl Hyun Jo

_*

, Jin Tae Kim and Sung Shin Kim

(Received 5 April 2016; Final version Received 4 May 2016; Accepted 16 June 2016)

Abstract : An acoustic release is a device used for the deployment and recovery of the oceanographic monitoring instrument. In this study, we designed and manufactured an acoustic release system which can be used in the shallow sea. The system includes the deck acoustic control unit that generates and transmits the release command, and the underwater release unit that receives the acoustic signals, processes them to interpret the release command, and operates the release part. The acoustic release system we developed was tested at a 200 m deep sea. We confirmed the successful functioning of the system.

Key words : Acoustic release, Mooring, Recovery, Monitoring, Shallow sea

요 약 : 음향분리기(acoustic release)는 해양 수중 관측기기의 계류와 회수에 유용하게 사용되는 장비이다. 이 연구에서는 천해역에서 사용될 수 있는 음향분리기를 개발하였다. 개발 내용은 수중에 음향으로 분리명령을 전송하는 선상음향제어장치, 음향신호를 수신하고 이를 처리하여 자신에 해당하는 분리명령을 구분한 후 분리기 구 동작기능을 작동시키는 수중장치이다. 개발된 음향분리기를 수심 200 m 실해역에서 실험하여 기능을 성공적 으로 확인하였다.

주요어 : 음향분리기, 계류, 회수, 모니터링, 천해

1) 지하정보기술(주) 2) KR 테크

*Corresponding Author( 조철현) E-mail; [email protected]

Address; Subsurface Information Technologies, Inc., Seoul, Korea

서 론

음향분리기는 해양 수중 관측기기의 계류와 회수에 유용 하게 사용되는 기본적이고도 범용적인 해양장비로서 해양 자원탐사와 해양자원개발 과정에서도 활용되고 있다. 그 러나 우리나라에서는 음향분리기가 상업적으로 개발되어 있지 않아 전량 수입하고 있어 해양과학발전에 하나의 장 애요인이 되고 있다.

우리나라 음향분리기 개발 연구는 Cheon et al. (1993)에 의해 시작되었다. Cheon의 연구에서는 송수파기 정보 전 달 체계화, 송수파기 특성실험, 압력케이스 및 분리 장치 제 작 및 실험을 수행하였으나 검토 단계에 머물렀으며 제품 화/상업화로 발전되지는 못하였다. 이후 Kim et al. (2004,

2005) 의 연구가 있었으나 이 역시 제품화 연구라기 보다는 이론적 연구에 집중하였다. 한편 Hong et al. (2005)은 해저 면탄성파측정시스템 개발의 과정에서 음향분리기를 개발 하여 탑재한 바 있다. 그러나 여기서 개발한 음향분리기는 전체 시스템의 일부로 배치되어 있어 단독으로 작동하는 독립된 제품으로 사용할 수 없는 한계가 있었다.

이 연구에서는 제품화/상업화를 고려한 음향분리기 개발 의 첫 단계로 천해역에서 응용할 수 있는 음향분리기를 개 발하였다. 이 개발품은 상업화를 위한 초기 모델로서 소형 화, 간단한 작동법, 그리고 편리한 유지보수 등을 염두에 두 고 연구되었다.

장비개발

음향분리기(acoustic release)는 부양기구, 수중 환경 관

측 장비 혹은 해저구조물의 계류와 회수에 유용하게 사용

되는 장비로서 선상의 음향제어장치와 수중의 분리장치로

구성되어 있다. 수중분리기는 수상으로 회수되는 부양체

기술보고

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Fig. 1. Deck unit and the transducer connected to the unit.

Fig. 2. acoustic modem and release control board installed inside of the underwater releaser.

및 관측기기를 무게추와 연결하고 해저면에 배치되어 있다 가, 예정된 시간 경과후 회수 선박이 해당 해역으로 와서 선 상음향제어장치로부터 분리명령을 보내면 무게추 부분을 해제하여 관측기구가 부양기구에 의해 수면으로 떠오르게 하는 기능을 제공한다. 선상음향제어장치에서는 특정 코 드의 음향신호를 생성하고 이를 선상장치에 연결된 트랜스 듀서를 통해 송신한다. 수중음향분리부에서는 음향신호를 수신하고 처리하여 분리명령으로 해석되는 경우, 이를 다 시 운영자에게 알려주는 기능을 한다. 트랜스듀서는 선상 장치와 수중음향분리부에 각각 연결되어 수중음향신호를 송출하고 수신하여 선상장치와 수중음향분리부에 전기적 신호로 변환하여 전달한다. 수중음향분리부는 내압 ․ 방수 용기와 이 안에 내장된 음향모뎀, 분리제어회로, 그리고 연 결/분리기로 구성되어 있다.

이 연구의 개발 대상은 트랜스듀서를 제외한 선상장치와 수중음향분리부 전체이다. 수중음향분리부의 목표 사양을 최대 수심 200 m 인 천해역 환경에서 최대 계류중량 50 kgf 인 음향분리기로 하였다. 수심 200 m 환경이므로 수중음향 분리기의 내압 ․ 방수 용기는 최대 20 bar의 압력을 견디도 록 설계하였다. 또한 수심 200 m 이내에 배치된 음향분리 기와 통신하기 위한 음향통신거리는 최대 400 m이면 충분 하다. 장착되는 트랜스 듀서의 내압 ․ 방수 기능과 주파수대 역(80 kHz)도 이러한 환경조건에 적합하게 선택하였다.

계류 중량의 의미는 무게추(anchor)의 무게(이하 수중무 게)로 간주할 수 있다. 이 경우 부양기와 관측기 합체의 무 게가 무게추와 거의 유사한 규모까지 계류할 수 있다. 예를 들어 관측기의 무게가 200 kgf, 부양체의 무게가 –240 kgf ( 부력 240 kgf) 라면 이들의 합 무게는 –40 kgf 이다. 무게추 의 무게가 50 kgf 일때 총합의 무게가 10 kgf 이므로 분리하 기 전에는 해저에서 계류가 되며, 분리후에는 수면으로 떠 오르게 되는 것이다.

이 연구에서 개발된 음향분리기를 부분별로 설명하면 다 음과 같다.

선상음향제어장치

수중음향분리부와 통신하는 기능을 한다. 1∼3초 길이 의 PING 신호를 주면 수중음향분리기가 대기상태에서 분 리준비상태로 전이된다. 이때 음향분리기가 보내는 초음 파 응답신호를 가청주파수 대역으로 변환하여 스피커를 통 해 운영자에게 알려준다. 수중음향분리기가 분리준비상태 에 있을 때 분리신호(특정 수중음향분리기와 약속된 코드 의 분리신호)를 전송한다.

선상장치에 연결되는 트랜스듀서는 용이하게 구입할 수 있는 범용제품으로, 공진주파수 80 kHz 출력 10 W 이다.

높은 주파수 성분을 지니고 있어 며 수 백 m 이내 근거리에

서 명확한 신호를 주고 받을 수 있다. Fig. 1에 개발된 선상 음향제어장치와 이에 연결된 트랜스듀서를 나타내었다.

수중음향분리부의 소형음향모뎀

수중음향분리부의 크기를 소형화하기 위한 조건은 내부 에 장착되는 음향모뎀회로와 분리제어회로의 소형화이다.

이 연구에서 개발된 회로의 크기는 48(W) × 91(L) × 5(T) mm 이다.

음향모뎀은 대기회로와 프리앰프, 자료처리회로 등으로 구성되어 있다. 수신되는 음향신호의 크기는 선상장치에 서 발생된 이후 거리에 따라 감소된다. 따라서 대기회로는 평상시 최저전력 상태(대기상태)에 있다가, 프리앰프를 통 해 수신신호를 일정 크기 신호로 만들어 주며, 복조된 상태 에서 신호와 주변에서 발생되는 잡음을 구분하여 선상장치 에서 PING 신호가 들어오면 신호처리 상태로 바꾸어 준다.

음향신호 자료처리회로는, (PING 신호에 의해) 대기상태

에서 활성화 되면, 약 50 ms의 길이로 단순 응답을 트랜스

듀서를 통해 선상음향제어장치로 보내주고 선상장치에서

보내는 분리명령을 기다리고 신호를 해석한다. 일정시간

내에 분리명령으로 해석되는 신호가 도달하지 않으면, 자

체 회로의 전원을 꺼주면서 대기상태로 돌아간다. 이와 달

리 일정시간 내에 분리명령이 도달하면 분리에 필요한 전

원을 ON 시키고 공급하여 분리작업에 들어가게 하며 [전

기분해중]이라는 의미의 PING 신호를 선상음향제어장치

(3)

(a) (b)

Fig. 3. Underwater acoustic releaser (a) transducer, (b) main body with release part.

로 보낸다. 전기분해가 완료되면 [전기분해완료]의미의 PING 신호도 보내어 선상의 운영자가 음향분리기와 연결 된 수중장치의 회수작업에 들어가도록 한다.

수중분리기 내부에 장착된 음향모뎀과 분리제어부의 모 습을 Fig. 2에 나타내었다. 2개의 회로 기판사이에는 9V DC 사각 건전지 2개가 배치되어 음향모뎀과 분리기의 전 력으로 각각 사용하게 하였다.

내압용기

내압용기는 스테인레스 스틸(SUS 304)과 HDPE로 제작 하였다. SUS 재질로는 중간 몸체를 구성하며 내경 70 mm, 외경 80 mm, 길이 155 mm이다. HDPE 재질로는 상하 양 덮개를 구성하며 외경 90 mm이다. 용기의 총 길이는 245 mm 이며 무게는 2.1 kg이다. 방수를 위해 SUS부와 HDPE 부가 접촉하는 양 부위 각각에 O-ring을 2개씩 배치하였다.

내압용기에는 음향모뎀, 분리제어회로, 배터리가 내장된 다. 외부에는 상부에 음향트랜스듀서, 하부에 분리기가 장 착된다. Fig. 3에 내압용기의 모습을 나타내었다.

분리기

음향분리기의 분리기작은 전기분해식, 전기용융식, 고 토크 모터에 의한 기계적 고리 풀림 방식 등이 있다. 본 연구 에서는 고장의 위험이 가장 적고 유지보수가 간단한 전기 분해식으로 분리기를 개발하였다. 전기분해식 분리기는 해수에 녹이 발생하지 않는 금속판 혹은 금속선에 (+) 극을 연결하고 그 근처에 음극판을 설치한 후 직류전류를 흘려 주면 바닷물이 전해질이 되어 금속판/금속선을 분해함으 로써 이들이 개방되도록 하는 원리이다. 효율적인 분리기 제작을 위해 전기분해선은 직경 1 mm의 SUS 304선을 채 택하였다. 이 재질의 인장강도는 53 kgf/mm

²

이므로 1개 분 해선의 인장력은 약 41.6 kgf/mm

²

이 된다. 이때 충분한 분 리중량을 확보하기 위해서 지렛대의 원리를 이용하여 분해 선의 인장강도보다 약 2배 이상의 인장강도를 보이도록 개 발하였다. 따라서 본 분리기가 달 수 있는 앵커의 최대 중량

은 83 kg이다. 한편 분리시간을 단축시키기 위해 분해선의 대부분을 절연시키고 일부분만을 노출시켜 분해작용이 소 규모로 노출된 부분에 국한되도록 하였다. 이에 따라 5∼

10 분 가량 소요 되었된 기존의 전기분해식 분리기에 비해 본 연구에서 개발한 분리기는 3분이내의 분리시간을 보이 게 되었다.

내압용기에 장착된 전기분해식 분리기의 모습을 Fig.

3(b) 에 나타내었다. 수중음향분리기 재사용시 SUS 304 재 질의 전기분해선을 교체하여야 한다. 이를 위해서는 분해 선 양단이 위치하는 부분의 나사를 풀고 조임으로써 수행 할 수 있다. 육상 실험실내에서는 용이한 작업이지만 해상 소형 선박에서 교체하는 경우에는 어려운 작업일 수 있으 므로 향후에는 탈착식으로 개선할 필요가 있다. 배터리를 교체하는 경우에는 내압용기를 분해하여야 하는 다소 복잡 한 과정을 거쳐야 하므로 이 역시 간단한 작업으로 가능하 도록 하는 것이 현장 사용의 편리성 증진을 위해 필요하다.

장비실험

개발된 음향분리기의 성능을 검증하기 위해서 실내시험 과 실해역시험을 수행하였다.

실내 분해실험

실내 전기분해시험은 전기분해식 분리부가 예상대로 전

기분해되는지 확인하기 위하여 수행하였다. 소형용기에

바닷물을 채운 상태에서 분리부를 넣고 전기를 공급하여

분리기가 전기분해되는 과정을 살펴보았다(Fig. 4(a)). 전

기공급은 건전지와 동일하게 9VDC룰 공급하였다. (+)전

극은 전기분해가 될 금속선(Fig. 4(b))의 붉은 커버로 감싸

진 철선부분에 연결되어 있고, (–)극은 주변의 틀에 연결되

어 있다. 직류 전류가 공급되면 전기분해가 일어나서 (+)전

극의 금속이온은 분해되고 전극 주변에서는 수소와 염소

가스가 발생한다(Fig. 4(c)). 전선이 완전히 분해되어 분리

기가 개방되는데 소요되는 시간은 3분 이내였다.

(4)

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4. (a) small plastic pot for the electrolysis test, (b) release before the electrolysis, c) stainless steel on the electrolytic erosion, and (d) release after the electrolysis.

Fig. 5. Communication test site. Geumjin Port in Eastern coast Korea (Based on Daum Map).

Fig. 6. Field test site located 8.5km northeast of Geumjin Port in Eastern coast Korea (Based on Google Earth).

해안가 통신실험

수중에서 음향통신기능을 검증하기 위해서 해안가에서 실험을 수행하였다. 이번 음향분리기 개발연구에서는 수 심 200 m 이내에서 작동되는 장비를 개발하고자 하였으므 로 해안가 통신실험 거리는 200∼300 m로 설정하였다. 수 심방향으로 통신시험을 수행하는 것은 실험과정을 살펴보 기도 어렵고 비용도 많이 소요되므로 수평방향으로 제어기 와 분리기를 이격시키도록 하였다. 실험은 강릉시 금진항 에서 수행되었다. 해안가에서 선상장치와 음향분리기를 수평으로 약 280 m 이격시켜 놓고 통신 시험을 수행하였다

(Fig. 5). 이 실험에서 통신성능 및 실해역에서 분리기능을 확인하였다. 수심이 깊은 해역에서 해수면에 위치한 제어 기로부터 해저면에 위치한 음향분리기까지 수직방향으로 음향이 전달되는 경우는 음향에너지가 3차원적으로 감쇄 되지만, 수심이 낮은 해역에서 제어기와 분리기가 수심에 비해 매우 먼 거리를 두고 수중에 위치하는 경우에는 해수 와 해저면 사이의 큰 음향임피던스 차이로 인해 음향에너 지는 해표면 도파관(surface duct) 경로를 따라 2차원적인 감쇄에 가깝게 감쇄되므로, 수평방향으로 송-수신기를 배 열하는 통신실험은 에너지 전달 감쇄를 검증하는 차원에서 는 다소 부족한 면이 있다. 그러나 해안가라는 매우 낮은 수 심에서는 음파 전달시 다중반사 등의 현상에 의해 신호처 리에는 매우 불량한 조건이 된다. 따라서 본 실험은 충분히 실제 상황을 보수적으로 반영할 수 있을 것으로 판단되었다.

실해역 동작실험

실내시험과 해안가 통신시험을 성공적으로 수행한 후, 수심 200 m 해역에서 종합적인 시스템 동작을 확인하였다.

투하해역은 강릉시 금진항에서 동북쪽으로 약 8.5 km 떨어

진

북위 37°42.0305' , 동경 129°07.2106' , 수심 203 m 해역 이다

(Fig. 6).

시험 일시는 2014년 8월 28일 이었다. 시험체 구성은 부양체로 유리기포강화플라스틱(syntactic foam) 을 사용하였으며, 여기에 radio beacon, flash, 깃발을 장착 하고 약 15 kg 의 철재를 관측기를 대신하여 부양체에 달아 놓았다. 분리기 하부에는 20 kg의 철재를 앵커로 달아 놓게 하였다. 이들 실험체의 투하와 회수에 필요한 무게와 부력 계산을 Table 1에 정리하여놓았다. 이러한 실험체의 총 중 량은 공기중에서 72.8 kg이며 수중 무게는 5.3 kg으로 해수 에 투하하면 해저면으로 가라 앉는 것으로 계산되었다. 또 한 음향분리기 작동에 의해 앵커가 분리된 이후 실험체의

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Table 1. Weight and buoyancy calculation for the filed acoustic release (AR) test

Part weight in air

(kg)

Buoyancy (kg)

weight in water

(kg) Remark

Canister of the release 2.7 1.3 1.4

Electric circuit 0.1 0 0.1

Batteries 0.1 0 0.1

Dummy weight for monitoring device 15 1.8 13.2 theoretical calculation

Flasher 1.7 0.7 1.0 specification

Radio Beacon 1.6 0.6 1.0 specification

Buoy(Syntactic foam) 31.6 60.7 –29.1 specification

Drop weight(anchor) 20.0 2.4 17.6 theoretical calculation

AR+Devices+Buoy+Anchor 72.8 67.5 5.3 > 0 to sink

AR+Devices+Buoy 52.8 65.1 –12.3 < 0 to float

after release w/o anchor

(a) (b)

(c) (b)

Fig. 7. Field experiment. (a) the test assembly, (b) the deployment, (c) the release command from deck acoustic control unit, and (d) the recovered test assembly on the surface of the sea.

수중 무게는 –12.3 kg가 되어 수면위로 떠오르게 됨을 예측 하였다. 이를 기반으로 수행한 실해역 종합 시험은 부이, 모 니터링 장비, 음향분리기, 앵커 등을 조립하고 수심 200 m 해역에 투하한 후, 충분한 시간 후에 음향을 이용 분리기와 앵커를 분리하고 수면에 떠오른 부이와 관측장비를 회수하 는 과정(Fig. 7)으로 수행되었다. 실해역실험은 수심 200 m 해역에서 투하된 음향분리기가 선상에서 보내는 음향신호 에 의해 분리되어 수면으로 떠오르게 하는 목적을 성공적 으로 달성하였다.

요약 및 결론