입수 충격 수중 순간 소음에 대한 실험적 연구

정영철,성우제,이근화,김형록,Jung, Youngcheol,Seong, Woojae,Lee, Keunhwa,Kim, Hyoungrok 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.1

본 연구에서는 입수 충격에 의한 수중 순간 소음을 연구하기 위해, 황해에서 발사대를 이용하여 해상 실험을 진행하였다. 해상시험선인 청해호 우현상에서 발사대를 이용하여 실린더 몸체를 수직으로 발사하였으며, 이때 발생하는 소음을 하이드로폰으로 측정하였다. 실험에서는 원통형, 원뿔형, 반구형 두부 형상을 가진 3가지 종류의 실린더 몸체가 사용되었다. 측정된 신호는 시간적으로 확연하게 구분되어 3단계로 전시되었다 : (1) 초기 충돌 및 물체 진동단계, (2) 개방 공동 유동 단계, (3) 공동 붕괴 및 거품 진동 단계. 대부분의 경우, 거품 진동 단계의 파형이 초기 충돌 및 물체 진동 단계에 비해 우세하게 나타났다. 공동이 붕괴되기 시작하는 핀치 오프 시간은 0.18 ~ 0.2 s에 발생하였으며, 평균 거품 지속 시간은 0.9 ~ 1.3 s로 지속되었다. 입수 충격 소음은 100 Hz 이하의 대역에서 에너지가 집중되어 있었으며, 생성되는 소음은 두부 형상, 물체 질량, 발사 속도에 의해 영향을 받았다. 결과적으로, 거품 주파수에서 에너지 스펙트럼 밀도의 크기는 원통형, 원뿔형, 반구형 순으로 나타났으며, 동일 입수체에 대해서는 초기 에너지가 클수록 거품 주파수에서 에너지 스펙트럼 밀도가 크게 나타났다. 최종적으로, 버블이 폭발하는 물리적 현상을 기반으로 모의된 신호와 계측 값간 비교 결과 만족스러운 결론을 얻을 수 있었다. To study the water-entry impact noise, on-board experiment using a small launcher firing various objects was performed in the Yellow Sea. As the launcher fires a cylindrical object from the ship vertically, generated noise is measured with a hydrophone on the starboard of Chung-hae, Marine surveyor. Three types of cylindrical objects, which have noses of flat-faced, conical, and hemisphere, were used during the experiment. The measured noise exhibits a time-dependency which can be divided into three phases: (1) initial impact phase, (2) open cavity flow phase, (3) cavity collapse and bubble oscillation phase. In most cases, the waveform of bubble oscillation phase is dominant rather than that of initial impact phase. Pinch-off time, where a cavity begins to collapse, occurs at 0.18 ~ 0.2 second and the average lasting time of bubble was 0.9 ~ 1.3 second. The energy of water-entry impact noise is focused in the frequency region lower than 100 Hz, and the generated noise is influenced by the nose shapes, object mass, and launching velocity. As a result, energy spectral density on the bubble frequency is higher in the order of flat-faced, conical, hemisphere nose, and the increase of initial energy raises the energy spectral density on the bubble frequency in the cylinder body of same shape. Finally, we compare the measurements with the simulated signals and spectrum based on the bubble explosion physics, and obtain satisfactory agreements between them.

중고주파 해수면 생성 배경소음 모델과 응용

이근화,성우제,Lee, Keunhwa,Seong, Woojae 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.5

해수면 생성 배경소음에 대한 코히런스함수를 계산하기 위한 음선 기반 모델은 거리와 방위각에 대한 이중적분의 형태를 띤다. 이를 수치적으로 계산하기 위한 이론적인 고려사항은 본 저자들의 과거의 연구에서 부분적으로 설명되었으나, 해양 환경에서의 수치 해석은 수행된 적이 없다. 본 연구에서는 천해와 심해 환경에서 수치실험을 수행하였고, 이를 통해 코히런스함수는 해저 퇴적층음속에 의존하며, 심해보다는 천해에서 해저 퇴적층음속에 민감하다는 것을 보였다. 비슷한 경향이 수신기 쌍의 자세가 변하는 경우에도 관찰된다. 추가적으로 소음수신각에 대한 소음인텐서티를 표현하기 위한 후처리 기술이 제안되었다. 이 기술은 Harrison의 준해석적 모델과 비교할 때, 출력 자료의 형식에 대한 음선 기반 모델의 단점을 보완할 수 있을 것이다. Ray-based model for the calculation of the ocean surface-generated ambient noise coherence function has the form of double integral with respect to a range and a bearing angle. While the theoretical consideration about its numerical implementations was partly given in the past work of authors, the numerical results on the ocean environment have not been presented yet. In this paper, we perform numerical experiments for shallow and deep water environments. It is shown that the coherence function depends on the ocean sediment sound speed, and is more sensitive to the ocean sediment sound speed in the shallow water than in the deep water. Similar trend is also observed for varying the orientation of hydrophone pair. In addition, a post-processing technique is proposed in order to plot the noise intensity for the noise receiving angle. This procedure will supplement the weakness of the ray-based model about the output data type compared to the semi-analytic model of Harrison.

음선 모델에 적용된 이층 해저 바닥 모델의 유효성

이근화,성우제,Lee, Keunhwa,Seong, Woojae 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.6

음선 모델링에서 다층 해저 바닥을 고려하는 경험적 방법 중 하나는 단일층 가정으로써, 다층 구조에 대한 평면파 반사계수를 사용하는 것이다. 본 연구자는 이층 해저 바닥에 대해 단일 층 가정의 유효성을 조사하고, 음속비, 송수신 거리 당 층 두께, 1차 반사파의 스침각의 함수로 표현되는 간단한 부등식 조건을 얻었다. 부등식 조건으로부터, 단일 층 가정이 실제 해양 환경의 중주파수 음선 모델링에 적용될 수 있음을 보였다. 마지막으로 한국 동해와 유사한 해양환경에 대해 수치실험을 수행하였다. 다층 해저 바닥에 대한 평면파 반사계수를 적용한 기하학적 빔 모델을 이용하여 비상관 전달손실을 계산하고, 서울대학교에서 개발한 포물선 방정식 패키지인 SNUPE 2.0의 결과와 비교하였다. A heuristic method treating a layered ocean bottom in a ray modeling is to use the plane wave reflection coefficient for multiple-layered structure, named an one-layer assumption in this paper. We examine the validity of one-layer assumption in the case of two-layered ocean bottom, and obtain a simple inequality condition depending on the sound speed ratio, the ratio of layer thickness to source-receiver range, and the grazing angle of first reflected ray. From this inequality condition, it is shown that an one-layer assumption can be applicable to ray propagation problems at mid frequencies. Finally, numerical experiments are performed in the ocean environment similar to the East Sea in Korea. Incoherent transmission loss is calculated by the geometrical beam model with the plane wave reflection coefficient for multiple-layered ocean bottom and compared with the result of SNUPE 2.0, which is a parabolic equation package developed in Seoul National University.

도플러 효과를 기반으로한 내부 소음원의 3차원 위치 추정

배정호,성우제,이근화,Bae, Jung-Ho,Seong, Woojae,Lee, Keunhwa 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.4

본 연구는 해상 운항체에서 발생하는 소음원의 위치를 3차원적으로 추정하는 방법에 대해 다루었다. 해상 운항체인 선박이나 잠수함의 내부에 존재하는 소음원과 같이 근접이 어려운 경우라도 상대적으로 이동한다면 외부의 수중청음기에 수신된 신호는 도플러 효과가 발생한다. 본 연구에서는 이동 물체에 의한 도플러 효과를 바탕으로 소음원의 3차원 위치 추정 알고리즘을 제안하였다. 해상 운항체의 알고 있는 위치에 추가의 음원을 설치하여 예상되는 도플러 중심의 범위와 최단 접근점의 범위를 점차 줄여가며 최소자승법을 통하여 내부 소음원의 위치를 추정하였다. 알고리즘을 통해 계산한 값과 이론값을 비교하여 효용성을 입증하였으며, 수치시험을 통해 고정된 두 개의 외부 수중청음기와 음원 역할을 하는 수중체에 고정시킨 한 개의 신호발생기로 도플러 효과를 기반으로한 소음원의 3차원 위치 추정이 가능함을 증명하였다. This study deals with a method to localize a noise source occuring in a marine vehicle in a 3D environment. Even when access to the noise source is limited for a marine vehicle, such as a ship or a submarine in operation, the signal received on a hydrophone located elsewhere contains Doppler effected noise by moving relatively. This study suggests noise localization algorithm in 3D based on Doppler effect by moving marine vehicle. Using a known source mounted on the vehicle, the noise source was estimated by reducing the range of Doppler center and closest point of approach via the least square method. The algorithm was verified through various simulations and it was shown that the noise could be localized in 3D based on Doppler effect by employing two fixed hydrophones located at the vehicle's exterior points and a known reference signal generator located somewhere on the vehicle.

소나 시뮬레이터용 거리 종속 음선 모델 개발

정영철,이근화,성우제,김형록,Jung, Young-Cheol,Lee, Keunhwa,Seong, Woojae,Kim, Hyoung-Rok 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.3

소나 시뮬레이터에 적용되는 음파 전달 알고리즘은 빠른 계산 성능이 요구되며, 한국 해양 환경의 특성을 고려하여 거리와 깊이 방향의 환경 의존성을 구현할 수 있어야 한다. 이러한 요구사항을 충족하는 음파 전달 알고리즘은 음선 모델이며, 본 논문에서는 거리 종속 해양환경의 음선 알고리즘을 개발하였다. 본 알고리즘에서는 사각 격자법과 층법으로 음선을 추적하여 음속 구조의 깊이 방향 의존성을 고려하였으며, 거리 방향은 split-step 개념을 적용하여 음속구조의 거리 방향 의존성을 구현하였다. 고유음선은 음선 묶음의 보간법을 통해 계산되었으며, 가우시안 보간 함수가 적용되었다. 소나의 시계열 수신 신호는 음원 신호와 고유 음선 주파수 해의 푸리에 변환을 이용하여 모의되었다. 최종적으로 제안된 음파 알고리즘을 검증하기 위해 Pekeris 도파관, 쐐기, 심해의 환경에서 전달손실 결과를 BELLHOP, SNUPE, KRAKEN, OASES 등 검증된 모델의 결과와 비교하였으며, 결과적으로 만족스런 결론을 얻을 수 있었다. Sound propagation algorithm for a sonar simulator is required to run in real-time and should be able to model the range and depth dependence of the Korean ocean environments. Ray model satisfies these requirements and we developed an algorithm for range-dependent ocean environments. In this algorithm, we considered depth-dependence of sound speed through rays based on a rectangular cell method and layer method. Range-dependence of sound speed was implemented based on a split-step method in the range direction. Eigen-ray is calculated through an interpolation of ray bundles and Gaussian interpolation function was used. The received time signal of sonar was simulated by Fourier transform of eigen-ray solution in the frequency domain. Finally, for the verification of proposed algorithm, we compared the results of transmission loss with other validated models such as BELLHOP, SNUPE, KRAKEN and OASES, for the Pekeris waveguide, wedge, and deep ocean environments. As a result, we obtained satisfactory agreements among them.

에너지 플럭스 모델을 활용한 해저 잔향음 신호 모의

정영철,이근화,성우제,김성일,Jung, Young-Cheol,Lee, Keun-Hwa,Seong, Woojae,Kim, Seongil 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.1

능동소나 시뮬레이터에서 실제와 유사하고 실시간 운용 가능토록 설계하는데 가장 제한적인 요소는 잔향음이다. 잔향음 모의는 계산시간이 많이 소요되어 시뮬레이터에 반영하고 실시간으로 신호를 생성하는데 한계가 있었다. 본 연구에서는 Harrison의 에너지 플럭스 해저 잔향음 모델을 기반으로 함정 기동에 따른 도플러 효과와 자기회귀 모델을 적용하여 해저 잔향음 시계열 신호를 모의하였다. 최종적으로 해군연구국 잔향음 워크숍-I 11번 문제와 동해 해양환경을 토대로 모의 한 결과, 실제와 유사한 특징의 해저 잔향음 신호를 생성할 수 있었다. Ocean reverberation is the most limiting factor in designing realistic and real-time system for sonar simulator. The simulation for an ocean reverberation requires a lot of computational loads, so it is hard to embed program and generate real-time signal in the sonar simulator. In this study, we simulate a time-domain bottom reverberation signal based on Harrison's energy-flux bottom reverberation model by applying Doppler effects as ship maneuvering and autoregressive model. Finally, the bottom reverberation signal with realistic characteristics could be generated for the simulation of ONR reverberation modeling workshop-I problem XI and East Sea ocean environments.

광대역 선박방사소음의 선수-선미 비대칭 방향성

이근화,김민규,성우제,Lee, Keunhwa,Kim, Minkyu,Seong, Woojae 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.5

본 논문에서는 프로펠러 공동에 의해 발생하는 광대역 선박방사소음의 방향성에 대한 연구를 수행했다. 국외 및 한국 근해에서 측정된 선박방사소음 자료의 조사를 통해 국내외 실험 자료에서 공통적으로 수중방사소음의 선수-선미 비대칭 방향성이 관찰되는 것을 재확인했다. 이 비대칭의 원인을 찾기 위해, 국내의 수중방사소음 측정에 사용된 상선과 동일한 형상에 대해 경계요소법을 이용한 수치해석을 적용했다. 수치해석 결과는 선박에 의한 소음의 회절효과가 선박방사소음에서 선수-선미의 비대칭 방향성이 나타나는 주된 원인이라는 것을 강하게 시사한다. In this paper, we perform a study on the directionality of broadband ship radiation noise, mainly resulting from propeller cavitation. By examining a few foreign studies for ship radiation noise and domestic data measured in Korean waters, it is reconfirmed that the asymmetric directionality of the ship radiation noise at bow and stern aspect is observed commonly. In order to explore the reason of this asymmetric directionality, a numerical analysis, based on the acoustic boundary element method, is applied into the geometric form equal to the commercial ship used in the domestic experiment. The numerical result demonstrates that the diffraction of the propeller cavitation noise by ship is a primary cause of the bow-stern asymmetry in the directionality of ship radiation noise.

해양환경에서 2차원 유사 스펙트럴 모델링을 이용한 시간 영역 음 전달 해석

김기산,이근화,성우제,Kim Keesan,Lee Keunhwa,Seong Woojae 한국음향학회 2004 韓國音響學會誌 Vol.23 No.8

본 논문에서는 시간영역에서 음파 전달 모델링을 위해 엇갈림 격자에서 유사 스펙트럴 유한 차분 알고리듬을 기반으로 한 전산조직을 개발하였다. 유한 차분 근사는 기하학적으로 복잡한 매질에서 모델링을 가능하게 하고, 엇갈림 격자는 정규 격자에 비해 훨씬 정확한 해를 제공한다. 유사 스펙트럴 방법은 파수 영역에서 파수에 음압의 푸리에 변환을 곱한 후 이를 역푸리에 변환하므로서 공간 도함수를 구하는 방법이다. 이 방법은 매우 안정적이며, 메모리와 계산시간을 감소시키는 장점을 지니고 있다. 무한 및 반무한 영역에서 이 알고리듬에 의한 결과가 해석해와 잘 일치함을 확인하였고, 무한영역과 Pekeris도파관, 거리종속 해양환경에서 시간영역 모델링을 수행하여 스냅사진을 얻어내었으며 이 스냅사진을 통해 복잡한 해양환경에서 신호의 전파 양상을 파악할 수 있었다. A computer code that is based on the Pseudo-spectral finite difference algorithm using staggered grid is developed for the wave propagation modeling in the time domain. The advantage of a finite difference approximation is that any geometrically complicated media can be modeled. Staggered grids are advantageous as it provides much more accuracy than using a regular grid. Pseudo-spectral methods are those that evaluate spatial derivatives by multiplying a wavenumber by the Fourier transform of a pressure wave-field and performing the inverse Fourier transform. This method is very stable and reduces memory and the number of computations. The synthetic results by this algorithm agree with the analytic solution in the infinite and half space. The time domain modeling was implemented in various models. such as half-space. Pekeris waveguide, and range dependent environment. The snapshots showing the total wave-field reveals the Propagation characteristic or the acoustic waves through the complex ocean environment.

동해 해역에서 해저면 잔향음 및 통계적 특징

정영철,이근화,성우제,김성일,Jung, Young-Cheol,Lee, Keun-Hwa,Seong, Woojae,Kim, Seongil 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.1

본 연구에서는 2015년 8월, 동해 동남방 해역에서 수행된 해양 잔향음 빔 데이터를 분석하였다. 잔향음 데이터는 이동하는 연구선에 의해 예인된 LFM (Linear Frequency Modulation) 음원과 삼중선 배열을 통해 수집되었으며, 신호처리 과정을 거친 이후 해저지형, 음원/수신기 수심, 음속구조에 따른 잔향음 준위의 변화를 분석하였다. 추가로 해저 잔향음의 확률적 특성을 해석하기 위해 셀 평균화 알고리즘이 적용된 정규화 데이터가 활용되었고, 모멘트 추정기법을 통해 형상 모수를 추정하여 해저 산란체의 확률적 특징을 확인하였다. 또한, 콜모고로프 스미르노프 검정 기법을 이용하여 데이터가 레일레이 분포와 K 분포 확률에 일치하는지를 분석하였다. 결과적으로 해저 지형에 따른 잔향음의 거리종속 특성과 음원/수신기 수심에 따른 시간 지연 및 세기 변화를 확인하였고, 잔향음에서 레일레이 확률분포와 유사한 특성을 관찰할 수 있었다. In this study, we analyzed the beam time series of ocean reverberation which was conducted in the eastsouthern region of East Sea, Korea during the August, 2015. The reverberation data was gathered by moving research vessel towing LFM (Linear Frequency Modulation) source and triplet receiver array. After signal processing, we analyzed the variation of ocean reverberation level according to the seafloor bathymetry, source/receiver depth and sound speed profile. In addition, we used the normalized data by using cell averaging algorithm and identified the statistical characteristics of seafloor scatterer by using moment estimation method and estimated shape parameter. Also, we analyzed the coincidence of data with Rayleigh and K-distribution probability by Kolmogorov-Smirnov test. The results show that there is range dependency of reverberation according to the bathymetry and also that the time delay and the intensity level change depend on the depths of source and receiver. In addition, we observed that statistical characteristics of similar Rayleigh probability distribution in the ocean reverberation.

비선형 내부파가 존재하는 천해채널 환경에서의 잔향음 수치해석

박중용(Jungyong Park),성우제(Woojae Seong),추영민(Youngmin Choo),안상겸(Sangkyum An) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4