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ISSN : 2671-9940(Print)
ISSN : 2671-9924(Online)
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology Vol.50 No.3 pp.244-251
DOI : https://doi.org/10.3796/KSFT.2014.50.3.244

Acoustical characteristics of prototype mechanical white noise generator as an underwater sound source

Hyeon-Ok SHIN*
Division of Marine Production System Management, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
Corresponding author : shinho@pknu.ac.kr Tel: 82-51-629-5893, Fax: 82-51-629-5886
June 10, 2014 July 24, 2014 August 13, 2014

Abstract

This paper describes a prototype mechanical white noise generator has a source level of more than 170.0 dB (re 1µPa at 1 m) at the frequency range of 10 Hz to 100 kHz. The results of performance evaluation of the generator are as follows. The average source level of the generator measured by a step of 15°in horizontal (0 to 360。, 25 points) was 185.2 (SD (standard deviation): 2.3) dB (re 1µPa at 1 m). The maximum and minimum source levels were appeared at the frequency range of 2.5 to 5.0 kHz and around 100 kHz, respectively. The average source levels at 0°, 90。, 180。and 270° were 162.9 (SD: 10.6), 168.4 (SD: 10.0), 162.1 (SD: 9.1) and 166.5 (SD: 11.1) dB (re 1µPa at 1 m). The average source level measured by a step of 30° in vertical was 184.9 (SD: 2.2) dB (re 1µPa at 1 m). The relative maximum variation width of the source levels in horizontal and in vertical measurement were less than 7.0 dB and 1.0 dB, respectively.

Mechanical white noise generator , Prototype , Underwater sound source , Source level , Performance evaluation

시험 제작한 기계식 백색소음기 수중음원의 음향적 특성

신 현옥*
부경대학교 해양생산시스템관리학부

초록

    Pukyong National University

    서 론

    바다의 현장에서 소너의 성능을 평가하거나 해저 지 층 속의 오일 탐사를 위해서는 여러 가지의 수중음원이 필요하다. 수중음원은 펄스파를 발생시키는 음원과 연 속파를 발생시키는 음원으로 나눌 수 있다. 산업적으로 중요한 해저 지층 탐사에는 연속파보다는 펄스파를 발 생시키는 음원이 많이 사용된다 (Sun et al., 2005). 수중 음원으로서의 펄스파는 스파크 방전 (Yang et al., 2011; Sun et al., 2005; Buogo and Cannelli, 2002; Chang and Chang, 1985) 및 수중 폭발 (Galkin et al., 2007) 등을 이용 하여 큰 에너지를 발생시키는 경우가 있다. 이 보다 작 은 에너지의 수중음원로도 실용적일 경우에는 전자회 로의 구동을 통하여 수중음원으로서의 펄스파를 발생 (Chang et al., 1988; Lee and Chang, 1987)시키는 경우가 자주 있지만 콘덴서의 방전 (Chang et al., 1993)을 수중 음원으로 이용하기도 한다.

    한편, 수동 소너의 성능 평가에는 연속파를 발생시키 는 음원이 사용된다. 여러 종류의 소너에서 사용할 수 있도록 하려면 넓은 대역의 주파수를 발생시킬 수 있는 음원이 필요하고 아울러 일정 수준이상의 음원음압준 위를 가져야 한다. 넓은 대역의 주파수를 발생시키려면 전자적인 송수파기의 배열을 통하여 만든 광대역 송수 파기를 사용할 수도 있고 기계적으로 소음과 진동을 발 생시키는 백색소음기를 사용할 수도 있다.

    본 연구에서는 10 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 170.0 dB (re 1µPa at 1 m) 이상의 음원음압준위를 갖는 음원의 개발을 목표로 하여 시험 제작한 기계식 백색소 음기 (이하‘소음기’라 한다)의 성능을 측정하고 평가 하였다.

    재료 및 방법

    소음기의 구조

    소음기는 3상 교류모터의 축에 연결된 마찰차 (impact roller)가 톱니형태로 이루어진 소음기의 내벽의 고정자 (stator)와 마찰되면서 소음을 발생시키는 구조로 하였 다 (Fig. 1~Fig. 2). 이 소음기는 20 m이상의 수심에서도 사용할 수 있도록 방수 처리하였다. 소음기는 해상의 선 박에 설치된 제어반을 이용하여 모터의 회전수를 제어 할 수 있으며, 전원은 선박으로부터 공급받도록 설계하 였다. 이 소음기에서 목표로 한 주요 제원은 Table 1에 나타내었다.

    소음기의 음향적 특성 평가

    수중음원으로서의 소음기의 음향적 특성을 평가하기 위하여 (1) 15°간격의 수평방위별 (0~360°, 25점) 음원 음압준위 (source level: SL), (2) 15°간격의 수평방위 (0- 360°, 25점) 및 주파수별 (10 Hz~100 kHz, 17점) 음원음 압준위, (3) 30°간격의 수평방위 (0~360°, 13점) 및 2~3°간격의 부각별 (3~20°, 7점) 음원음압 준위를 측 정하고 분석하였다. 이 실험은 2007년 3월 30일 수심 12 m이상 확보되는 부산시 북항의 항계내에서 바다가 잔 잔할 때에 이루어졌다. 현 에서 사용한 실험 장비는 직 독식 수중음압계 (SW-1020, OKI Electric Industry Ltd., Japan), 수파기 (ST-1020, OKI Electric Industry Ltd., Japan) 및 FFT분석기 (AD-3525, A&D Company Ltd., Japan) 등 이었다. 소음기는 지지대를 이용하여 수면하 5 m층에 내려 상대적인 수평방위를 변화시킬 수 있도록 하였다. 소음기와 수파기의 이격 거리는 5 m로 하였다. 부각 (tilt angle)은 수파기의 수면하 깊이를 조정함으로써 변화시 켰다.

    스펙트럼 준위를 이용한 주파수별 음원음압 준위의 계산

    어떤 수중음이 있을 때 그 수중음이 어떤 주파수로 구 성되어 있으며 탁월한 주파수가 어떤 것인지를 알기 위 해서는 스펙트럼 분석을 할 필요가 있다. 스펙트럼 분석 기를 통하여 구해지는 스펙트럼 준위는 사전에 공학 단 위로 변환시키기 위한 calibration을 해두지 않으면 상대 적으로 나타나는 경우가 많다. 이 연구에서는 상대적으 로 나타나는 스펙트럼 준위를 이용하여 주파수별 수중 음압 준위를 구하는 방법을 검토하였다. 주파수별 수중 음압 준위 는 식 (1)을 이용하여 구하였다.

    SP = MR − 180 − SR + SPL + ASP
    (1)

    여 기 서 , MR은 수 중 음 압 계 의 음 압 측 정 레 인 지 값 (100~180 dB)이며, –180은 이 연구에서 사용한 수중음 압계에서 미리 설정해 둔 수파감도이며 현장에서 수중 소음을 직독할 때 적용되는 값이다. SR, SPL 및 ASP는 각각 수파기의 수파감도 (dB re 1 V/mPa), 파워 스펙트럼 준위 및 조정용 수중음압 준위이다.

    4개의 주요 분석 대상 주파수와 그 주파수별 수파감 도, 흡수감쇠계수, 음압준위 및 음원음압 준위는 Table 2 에 나타내었다. 수파기의 수파감도는 수파기의 주파수 특성곡선에서 읽은 값이며, 흡수감쇠계수 (dB/km)는 Francois와 Garrison (1982)이 제안한 식을 사용하여 계 산한 값이다. 흡수감쇠계수의 계산에서 적용한 수중 음 속은 1500m/s, 수온은 15°C, 염분 농도는 34 psu, 수심은 5 m, pH는 8.0이었디. 음원으로부터 거리 r (m) 만큼 이 격된 곳까지의 음파의 전파손실은 식 (2)를 사용하여 계 산하였다.

    TL = 20 log r + α r × 10 − 3
    (2)

    동일 음에 대한 스펙트럼 분석시 주파수 범위를 0~100 kHz로 하면 10~800 Hz에 대한 스펙트럼 준위를 구할 수 없었기 때문에 동일한 조건에서 0~2 kHz에 대 한 분석을 1회 더 실시하였다. 스펙트럼 분석기의 주파 수 대역을 2 kHz로 하면 대역을 100 kHz로 설정하였을 때 보다 주파수별 스펙트럼 준위가 감소하였다. 대역의 차이 따른 스펙트럼 준위의 차 즉 BL은 BL=10 log (100000/2000)≒16.99 dB이었으며, 10~800 Hz의 주파 수별 스펙트럼 준위에는 이 값을 적용하여 보상하였다.

    수중음압계에서 지시하는 실효치 음압 준위는 주파 수에 대한 구분 없이 실효치 음압의 최대값을 지시한다. 스펙트럼 분석기 상의 최대값은 이 연구에서 지정한 분 석 대상 주파수일 경우도 있지만 그렇지 않은 경우도 있 다. 스펙트럼 분석기 상의 최대값이 분석 대상 주파수가 아닌 경우에는 수중음압을 조정할 필요가 있었다. 조정 용 수중음압 준위 는 식 (3)으로부터 구하였다.

    ASP = SPL max A − SPL max B
    (3)

    단, SPLmaxA 및 SPLmaxB는 각각 스펙트럼 분석기 상의 최 대 스펙트럼 준위 및 이 연구의 17개 분석 대상 주파수 중의 최대 스펙트럼 준위이다. 상대적 수평방위 120° 인 경우의 SPLmaxA 및 SPLmaxB는 각각 –12.19 dB (1.75 kHz) 및 –15.40 dB (2.5 kHz)이었다. 수중음압 준위 SP 의 최대값은 수중음압계의 지시값보다 ASP 만큼 감소 한 값으로 나타나도록 하였다. ASP는 상대적 수평방위 별 측정값에서 대부분 다르게 나타난다.

    분석 대상 주파수별 음원음압 준위 SL은 식 (4)로부터 구하였다.

    SL = SP + TL
    (4)

    결 과

    수평방위별 음원음압 준위

    시험 제작한 소음기를 사용하여 15°간격으로 측정한 상대적 수평방위별 (0~360°) 평균 음원음압 준위는 Fig. 3과 같다. 0°는 소음기 몸체의 머리 (뚜껑) 분이 수파기를 향하였을 때를 가리킨다. 상대적인 수평방위 별 평균 음원음압 준위의 최대값 및 최소값은 각각 176.1 및 163.3 dB (re 1 µPa at 1 m)이었으며, 25개 수평방 위별 음원음압 준위 전체에 대한 평균값은 170.7 (SD: 3.6) dB (re 1 µPa at 1 m)이었다. SD는 표준편차를 나타 낸다. 이 백색소음기의 음원음압 준위는 상대적인 수평 방위 30~345°의 범위에서 평탄 (–12.0 dB)한 것으로 나타났다.

    수평방위 및 주파수별 음원음압준위

    시험 제작한 소음기에 대하여 15°간격의 상대적 수평 방위 (0~360°, 25점) 및 주파수별 (10 Hz~100 kHz, 17 점) 음원음압 준위를 측정한 결과는 Table 3과 같다. 총 425개 측정점에 대한 음원음압 준위의 최대값 및 최소 값은 각각 189.0 (210°, 2.5 kHz) 및 146.6 dB (re 1 µPa at 1 m) (360°, 50 Hz)이었으며, 평균값은 170.6 (SD : 9.2) dB (re 1 µPa at 1 m)이었다.

    Fig. 4는 17개의 주파수에 대하여 측정한 평균 음원음 압 준위를 나타낸 것이다. 주파수별 평균 음원음압 준위 의 최대값 및 최소값은 각각 183.3(2.5 kHz) 및 157.5 dB(re 1 µPa at 1 m)(100 kHz)이었으며, 17개 주파수별 음 원음압 준위 전체에 대한 평균값은 170.7(SD: 8.1) dB(re 1 µPa at 1 m)이었다. 이 백색소음기는 800 Hz~30 kHz 의 주파수 범위에서 평탄(–12 dB)한 것으로 나타났다.

    주파수에 따른 수평적 지향성 패턴

    주파수별 음원음압 준위에서 최대값을 나타낸 2.5 kHz에 대하여 백색소음기의 지향성 패턴을 나타내면 Fig. 5와 같다. 음원음압 준위의 최대값과 최소값은 각각 189.0 및 174.5 dB(re 1 µPa at 1 m)이었으며, 평균값은 183.3(SD: 3.6) dB(re 1 µPa at 1 m)이었다.

    가장 낮은 주파수와 가장 높은 주파수를 포함하는 4개 의 주파수 (10 Hz, 1 kHz, 20 kHz 및 100 kHz)에 대한 지향 성 패턴은 Fig. 6에 나타내었다. 10 Hz, 1 kHz, 20 kHz 및 100 kHz에 대한 변동폭(=최대값－최소값)은 각각 26.3 dB, 13.5 dB, 14.9 dB 및 22.6 dB이었으며, 평균값은 각각 160.9, 181.5, 172.9 및 157.5 dB(re 1 µPa at 1 m)이었다.

    부각별 음원음압 준위

    시험제작한 소음기에 대하여 30°간격의 상대적 수평 방위 (0~360°, 13점) 및 2~3°간격의 부각별 (3~20°, 7 점) 음원음압 준위를 측정한 결과는 Table 4와 같다. 총 91점의 부각 및 상대적 수평 방위별 음원음압 준위에서 최대값 및 최소값은 각각 188.5(수평방위 120°, 부각 3~20°) 및 181.0 dB(re 1 µPa at 1 m)(360°, 20°)이었으 며, 평균값은 186.1(SD: 2.3) dB(re 1 µPa at 1 m)이었다.

    Fig. 7은 3~20°의 부각에 대하여 측정한 평균 음원음 압 준위를 나타낸 것이다. 부각별 평균 음원음압 준위의 최대값 및 최소값은 각각 186.3(부각 3°및 9°) 및 185.9 dB(re 1 µPa at 1 m)(18°및 20°)이었으며, 7개 부각별 음 원음압 준위 전체에 대한 평균값은 186.1(SD: 0.2) dB(re 1 µPa at 1 m)이었다. 이 소음기는 3~20°의 부각 범위에 서 평탄(–3 dB)한 것으로 나타났다.

    부각에 따른 수평적 지향성 패턴

    4개의 부각 (3°, 9°, 15°및 20°)에 대한 백색소음기 의 수평적 지향성 패턴은 Fig. 8에 나타내었다. 3°, 9°, 15° 및 20°의 부각에 대한 변동폭(=최대값－최소 값)은 각각 7.0°, 7.0°, 7.0°및 7.5°이었으며, 평균값은 각각 186.3, 186.3, 186.0 및 185.9 dB(re 1 µPa at 1 m)이 었다.

    고 찰

    백색소음기 음원에 대한 스펙트럼

    시험 제작한 백색소음기의 발생음을 현장에서 스펙 트럼 분석한 일례는 Fig. 9와 같다. 백색소음기의 상대적 수평방위는 120°이었다. Fig. 9의 (a) 및 (b)는 각각 동일 음에 대하여 스펙트럼 분석기의 주파수 범위를 0~2 kHz 및 0~100 kHz로 설정하여 분석한 것이다. 이와 같 이 스펙트럼 분석을 2회에 걸쳐 실시한 것은 상대적으 로 저주파수인 10 Hz에서 고주파수인 100 kHz에 걸친 17개(10 Hz, 25 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 300 Hz, 800 Hz, 1.0 kHz, 2.5 kHz, 5.0 kHz, 8.0 kHz, 18.0 kHz, 30.0 kHz, 50,0 kHz, 70.0 kHz, 80.0 kHz 및 100.0 kHz)의 분석 대상 주파수에 대한 스펙트럼 준위를 구하기 위함이었다. 0~100 kHz 의 주파수에서 이 파워 스펙트럼 준위는 공학단위로 변 환하기 전의 값이다. 공학단위로 변환한 주파수별 파워 스펙트럼 준위는 공학단위로 변환하기 전의 주파수별 스펙트럼 준위에 당해 주파수별 수중청음기의 수파감 도를 빼 줌으로써 구할 수 있다.

    결 론

    본 연구에서는 10 Hz~100 kHz의 주파수 범위에서 170.0 dB (re 1 µPa at 1 m) 이상의 음원음압준위를 갖는 음원의 개발을 목표로 하여 소음기를 시험제작하고 그 성능을 평가한 결과를 요약하면 다음과 같다.

    (1) 15°간격으로 측정한 수평방위별 (0~360°, 25점) 음원음압준위는 179.5~187.0 (평균 M=185.2, 표준편차 σ=2.3) dB (re 1 µPa at 1 m)이었다. (2) 15°간격으로 측정 한 주파수별 음원음압준위에서는 주로 2.5~5 kHz에서 최대값이 나타났고, 최소값은 10 Hz 주변이나 100 kHz 주변에서 나타났다. 0°, 90°, 180°, 270°에서의 음원음압 준위는 각각 144.9~180.9 (M=162.9, σ=10.6), 155.1~ 184.1 (M=168.4, σ=10.0), 150.6–177.0 (M=162.1, σ= 9.1), 149.5–184.0 (M=166.5, σ=11.1) dB (re 1 µPa at 1 m) 이었다. (3) 30°간격으로 측정한 부각별 음원음압준위에 서 음원음압준위는 평균 184.9 dB (σ=2.2)이었다. 상대 적인 수평방위에 따른 음원음압준위의 변동폭은 최대 7.0 dB이었고, 부각에 따른 변동폭은 1.0 dB이하였다.

    Figure

    KSFT-50-244_F1.gif

    Structure of a prototype white noise generator.

    KSFT-50-244_F2.gif

    Schematic drawing of the stator (a) and impact roller (b) of the white noise generator.

    KSFT-50-244_F3.gif

    Measured source levels (SL) of a prototype white noise generator by relative horizontal direction.

    KSFT-50-244_F4.gif

    Measured source levels SL of the prototype white noise generator by frequency.

    KSFT-50-244_F5.gif

    Horizontal directivity pattern of the prototype white noise generator at 2.5 kHz.

    KSFT-50-244_F6.gif

    Horizontal directivity patterns of the prototype white noise generator at the frequency of (a) 10 Hz, (b) 1 kHz, (c) 20 kHz and (d) 100 kHz.

    KSFT-50-244_F7.gif

    Measured source levels of the prototype white noise generator by tilt angle.

    KSFT-50-244_F8.gif

    Horizontal directivity patterns of the prototype white noise generator by tilt angle of (a) 3 degrees, (b) 9 degrees, (c) 15 degrees and (d) 20 degrees.

    KSFT-50-244_F9.gif

    An example of power spectrum level of the prototype white noise generator measured during the relative horizontal direction of the generator was 120°. The frequency range of (a) is 0 to 2.0 kHz, (b), 0 to 100 kHz.

    Table

    Target specifications of the white noise generator

    An example of calculated source level from power spectrum levels measured during the relative horizontal direction was 120

    Measured source levels (SL, dB re 1 µPa at 1 m) of the prototype white noise generator by relative horizontal direction and frequency

    Measured source levels (SL, dB re 1 µPa at 1 m) of the prototype white noise generator by relative horizontal direction and tilt angle

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