수중의 구형 탄성 몰수체를 둘러싼 기포층에 의한 삽입손실

이근화,이철원,박철수,Lee, Keunhwa,Lee, Cheolwon,Park, Cheolsoo 한국음향학회 2022 韓國音響學會誌 Vol.41 No.2

Acoustic radiation from a submerged elastic shell with an internal fluid surrounded by the bubble layer is studied with the modal theory. An omni-directional point source located on the center of the internal fluid is used as acoustic noise source. The unknown coefficients of modal solutions are solved using the interface conditions between media. To preserve the stability of the modal solution over wide frequency ranges, the scaled technique of modal solution is used. The bubble layer is modeled with four kinds of bubble distribution; uni-modal distribution, uniform distribution, normal distribution, and power-law distribution, based on the effective medium theory of Commander and Prosperetti. For each bubble distribution, the insertion losses are mainly calculated for the frequency. In addition, the numerical simulations are performed depending in the bubble void fraction, the material property of elastic shell, and the gap between the bubble layer and the elastic shell.

비스듬히 입사하는 음장에 대한 유한 길이의 탄성 원통 쉘의 음향 산란

이근화,변성훈,김시문,Lee, Keunhwa,Byun, Sung-Hoon,Kim, Sea-Moon 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.5

본 연구에서는 무한 유체에 놓여있는 유한 길이의 탄성 원통 쉘에 외부에서 비스듬히 평면파가 입사할 때 발생하는 음향 산란 현상을 이론적으로 연구했다. 유한 길이의 원통 쉘에서는 해석적인 산란 해가 존재하지 않기 때문에, Kirchhoff 가정을 적용한 Ye의 산란 기법[Z. Ye, J. Acoust. Soc. Am. 102, 877-884 (1997)]을 사용했다. 탄성 원통 쉘의 특성은 3차원 탄성파 이론을 적용하여 구현했으며 원통 쉘 내부의 유체를 고려했다. 유도된 해석 해를 이용하여 내부 유체가 산란 음장에 미치는 효과, Rayleigh 변수에 대한 산란 음장, 탄성 재질의 변화에 따른 먼 거리 산란 함수를 살펴보았다. In this study, we theoretically study the acoustic scattering of an obliquely incident plane wave from a finite elastic cylindrical shell. A heuristic scattering method of Ye [Z. Ye, J. Acoust. Soc. Am. 102, 877-884 (1997)] for a finite fluid cylinder is extended into a finite elastic cylindrical shell since no analytic solutions exist in the finite cylinder. The elastic cylindrical shell is modeled with the 3D elastic wave theory considering internal fluid. Using the derived analytic solution, we observe the effect of the internal fluid on the scattering field, the scattering field for the Rayleigh parameter, and the far-field scattering function for the elastic property of the cylindrical shell.

빔 패턴 성능 분석을 이용한 곡면 배열 형상 설계

이근화,신동훈,임준석,홍우영,하용훈,Lee, Keunhwa,Shin, Donghoon,Lim, Jun-Seok,Hong, Wooyoung,Ha, Younghoon 한국음향학회 2021 韓國音響學會誌 Vol.40 No.4

The objective of this study is to optimize the shape of doubly curved surface where a conformal array is equipped. That surface is modeled with a double-ellipsoid solid controlled by four parameters. By analyzing the performance of the conformal array beams with the beam pattern synthesis, two design parameters are determined. Then, we define the weighted object function which is formulated as the sum of sharp indexes for directivity index, the elevation resolution, and the bearing resolution. The direct calculation on all grids is used to evaluate the weighted object function and seek the optimal value of two design parameters when the weightings are given. In the simulation, four kinds of weighting cases are respectively applied to evaluate the weighted object function. The optimal shapes of double-ellipsoid solid are shown in each case. Especially, when the uniform weightings are used, the double-ellipsoid solid with more smooth surface is obtained.

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.

인수분해 된 분모를 갖는 두 변수 유리함수 근사에 기반한 3차원 음향 포물선 방정식 제곱근 연산자의 분할기법 제안

이근화,Lee, Keunhwa 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.1

본 연구에서는 두 변수 유리함수 근사법에 기반한 3차원 음향 포물선 방정식의 제곱근 연산자의 새로운 근사식을 제안한다. 이 근사식은 기존의 제곱근 연산자에 대한 근사 연구와 비교해서 두 가지의 장점을 가진다. 첫 번째는 광대역 각도 능력이다. 제안된 식은 방위각 $45^{\circ}$에서 3차원 음향 포물선 방정식의 거리 축으로부터 $62^{\circ}$까지 넓은 각도에 대해 정확도를 가지는데, 이 값은 기존에 연구된 3차원 음향 포물선 방정식 알고리즘의 각도 한계의 약 세 배이다. 두 번째로는 본 근사식의 분모는 수심과 횡 거리에 대한 연산자의 곱으로 표현된다는 점이다. 이러한 분할 형태는 3차원 포물선 방정식을 손쉽게 삼중대각행렬 방정식으로 변환할 수 있다는 점에서 수치해석에서 선호된다. 제안된 식의 성능을 검증하기 위해 위상 오차분석을 통해 타 근사법과의 비교 연구가 수행되었고, 제안된 방법은 가장 우수한 성능을 보였다. In this study, novel approximate form of the square-root operator of three dimensional acoustic Parabolic Equation (3D PE) is proposed using a rational approximant for two variables. This form has two advantages in comparison with existing approximation studies of the square-root operator. One is the wide-angle capability. The proposed form has wider angle accuracy to the inclination angle of ${\pm}62^{\circ}$ from the range axis of 3D PE at the bearing angle of $45^{\circ}$, which is approximately three times the angle limit of the existing 3D PE algorithm. Another is that the denominator of our approximate form can be expressed into the product of one-dimensional operators for depth and cross-range. Such a splitting form is very preferable in the numerical analysis in that the 3D PE can be easily transformed into the tridiagonal matrix equation. To confirm the capability of the proposed approximate form, comparative study of other approximation methods is conducted based on the phase error analysis, and the proposed method shows best performance.

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.

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.

음향 및 롤 센서 데이터에 기반한 해양 소음 분석

이근화(Keunhwa Lee),성우제(Woojae Seong) 한국소음진동공학회 2017 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.4

거리-도플러 추정을 위한 압축 센싱 알고리즘의 계산 성능과 정확도

이현규,이근화,홍우영,임준석,정명준,Lee, Hyunkyu,Lee, Keunhwa,Hong, Wooyoung,Lim, Jun-Seok,Cheong, Myoung-Jun 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.5

In active SONAR, several different methods are used to detect range-Doppler information of the target. Compressive sensing based method is more accurate than conventional methods and shows superior performance. There are several compressive sensing algorithms for range-Doppler estimation of active sonar. The ability of each algorithm depends on algorithm type, mutual coherence of sensing matrix, and signal to noise ratio. In this paper, we compared and analyzed computational performance and accuracy of various compressive sensing algorithms for range-Doppler estimation of active sonar. The performance of OMP (Orthogonal Matching Pursuit), CoSaMP (Compressive Sampling Matching Pursuit), BPDN (CVX) (Basis Pursuit Denoising), LARS (Least Angle Regression) algorithms is respectively estimated for varying SNR (Signal to Noise Ratio), and mutual coherence. The optimal compressive sensing algorithm is presented according to the situation. 능동소나에서는 표적의 거리 도플러 정보를 탐지하기 위해 여러 가지 기법을 사용한다. 그중 압축 센싱을 적용한 기법은 기존의 방식보다 더욱 정밀한 탐지가 가능하며 우수한 성능을 나타낸다. 능동 소나의 거리 도플러 추정에 적용할 수 있는 압축 센싱 알고리즘은 여러 가지 있다. 압축 센싱 알고리즘 마다 계산 성능이 다르며 압축 센싱 알고리즘에 따라 신호 대 잡음비와 센싱 행렬의 코히런스가 거리 도플러 추정에 미치는 영향의 정도가 다르다. 본 논문은 능동 소나의 거리 도플러 추정을 위한 여러 가지 압축 센싱 알고리즘의 계산 성능과 정확도를 비교, 분석하였다. 여러 신호대 잡음비, 상호간섭성 값에 대한 OMP(Orthogonal Matching Pursuit), CoSaMP(Compressive Sampling Matching Pursuit), BPDN(CVX)(Basis Pursuit Denoising), LARS(Least Angle Regression) 알고리즘의 추정 성능을 확인하였으며, 상황에 따른 최적의 압축 센싱 알고리즘을 보인다.

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.