I. 서 론

수중 소나에 적용되는 음향센서는 소나가 운용되는 수심, 계절, 지역 등에 따라 다양한 운용환경조건에 노출되므로 이에 대한 안정적인 음향 수신 특성 확보가 요구된다. 특히, 외부 수온에 따른 온도변화는 수중음향센서의 성능에 비교적 큰 영향을 미칠 수 있으므로 이를 고려한 설계 및 검증시험이 필수적으로 요구된다.

수중음향센서의 운용 온도 범위는 음향센서가 운용되는 주변 수온조건에 의해 결정된다. 수중 음향센서가 운용되는 해양의 수온은 기상위성이나 온도센서에 의해 측정되는 해양의 계절별 해수면 온도분포를 통해 추정할 수 있는데, 측정시간, 계절 등에 따라 경향이 바뀌지만 Fig. 1과 같이 일반적으로 –2 °C ~ 35 °C의 수온분포를 가진다고 알려져 있다.^[1,2] 미 국방규격에서도 군사용 소나에 적용되는 수중음향센서의 동작온도를 –2 °C ~ 35 °C로 정의하고 해당 온도범위에서 센서 기능과 성능이 정상적으로 동작해야함을 요구하고 있다.^[3]

Fig. 1.

(a) Global sea surface temperature map in September, 2015 and (b) sea depth temperature profile.^[2]

온도조건에 따른 수동 음향 센서의 수신특성 변화에 대한 연구는 주로 표준 음향센서의 수온 및 수압별 수신감도를 측정하고 그 데이터를 제공하여 다양한 환경조건에서의 음장 측정결과를 보정하는 목적으로 수행되어왔다.^[4-6] 이러한 표준 음향센서는 대부분 구형 또는 원통형 압전세라믹의 간단한 구조로 구성되어 있으므로 그 온도 영향성은 압전소재의 온도별 물성치 변화에 주도적으로 영향을 받는다. 반면에 실제 소나에 적용되는 음향센서의 경우, 압전세라믹 외에 수압을 견디기 위한 몰딩구조, 음장 안정화를 위한 배플 구조, 선체에서 유기되는 소음을 차단하기 위한 차음 구조 등의 다양한 재질 및 구조로 구성된다.^[7-9] 따라서 실제 소나에 적용되는 음향센서의 온도 조건에 따른 수신특성을 분석하기 위해서는 음향 센서의 온도별 수신감도 측정과 더불어 주요 구성재의 온도별 물성변화에 대한 분석이 필요하다.

본 논문에서는 하이드로폰, 반사판, 배플로 구성된 수중음향센서에 대하여 수온변화에 따른 음향 수신 특성 변화를 이론적, 실험적 방법으로 분석하였다. 본 연구진에서는 감응구조에 따라 중‧저주파수용 및 고주파수용 두 가지 음향센서를 설계 및 제작하여 –2 °C ~ 35 °C의 온도범위에서 음향 수신 특성의 온도 영향성을 분석하였다. 먼저, 제안된 음향센서의 주요 구성 소재인 압전세라믹, 몰딩 및 배플 시편의 온도별 물성치 변화를 측정하였고, 음향센서의 온도별 수신감도 변화를 유한요소해석 기법을 통하여 해석하였다. 제작된 두 가지 음향센서의 온도별 수신감도 특성을 측정하기 위하여, 내부 수온 및 수압 조정이 가능한 압력 챔버에 음향센서를 설치하고 챔버 내부 수온을 변화시켜가며 수신감도를 측정하였다.

II. 음향센서 감응 구조

본 논문에서는 선체 부착형 수동 소나에 적용을 위한 중‧저주파 음향센서 및 고주파 음향센서 두 가지 종류의 음향센서에 대하여 온도별 음향 수신 특성을 분석하였다. 음향센서의 기본구조는 Fig. 2와 같이 일반적으로 선체 부착형 음향센서에 사용되는 감응구조^[7-9]를 적용하였고, 세부 형상 및 치수는 본 연구진에서 설계하여 제작하였다. 각 센서는 음파를 전기신호로 변환하는 구형 압전세라믹 소자(하이드로폰), 수압을 견디기 위한 몰딩구조, 음장 안정화를 위한 배플 구조, 선체 유기 진동 및 음향 소음을 차단하는 차음 구조로 구성된다. 구형 압전세라믹 하이드로폰은 일반적으로 높은 신호대 잡음비를 확보할 수 있고, 수압이나 충격 등에 구조적으로 안정적인 특성을 가질 수 있다.^[10] 또한 같은 부피에 대하여 높은 공진주파수를 가질 수 있으므로, 공진주파수 이하의 넓은 주파수 대역에서 평탄하고 안정적인 수신특성 확보가 가능하다.^[10]

Fig. 2.

Configuration of the acoustic sensors: (a) low mid frequency acoustic sensor (b) high frequency acoustic sensor.

Fig. 2는 본 논문에서 검토한 (a) 중‧저주파 대역의 음향센서 감응구조 및 (b) 고주파 대역의 음향센서 감응구조를 나타낸다. 중‧저주파 음향센서는 주로 금속재질의 음향 임피던스가 높은 배플에 인접하게 하이드로폰을 배치하여 반사파의 보강간섭으로 중‧저주파 대역 음향신호 수신감도를 증폭시키는 구조를 가지고 있다. 또한 반사판과 선체 사이에 차음재 역할을 하는 음향 임피던스 낮은 배플을 설치하여 선체로부터 유기되는 진동 및 음향 소음을 차단한다. 고주파 대역의 음향센서는 낮은 음향 임피던스 배플과 설계주파수의 1/4 파장 간격으로 하이드로폰을 배치하는 구조를 가지고 있다. 입사된 음향신호와 저임피던스 배플에서 반사된 반사신호는 설계주파수 대역에서 보강간섭이 발생하여 수신감도를 증폭한다. 배플 뒤 지지판(고임피던스 배플)을 통하여 센서를 구조적으로 지지하고 충격으로부터 보호한다. 본 논문에서 설계한 음향센서의 층의 두께 및 주파수를 각 센서의 설계주파수 파장(λ)의 배수로 표현 하였다. Table 1은 각 음향센서의 구성 재질 및 그 재질의 음향 임피던스 값을 나타낸다.

Table 1. Materials used in the acoustic sensors and their acoustic properties.^[10]

III. 음향센서 온도별 음향 수신 특성 분석

제안된 음향센서의 주요 구성 소재인 구형 압전세라믹, 몰딩 및 저임피던스 배플 시편의 온도별 물성치 변화를 측정하여 각 소재별 음속변화의 수신감도 영향성을 분석하였다. 고임피던스 배플의 경우, 금속재질로 구성되어 온도에 대한 물성치 변화가 작으므로^[11,12] 수신감도 온도 영향성이 미미하다고 판단되어 본 논문의 분석범위에서 제외하였다. Fig. 3은 소재 시편의 온도별 물성을 측정하기 위한 셋업을 나타낸다. 온도조건은 –2 °C, 15 °C, 35 °C로 시험을 수행하였으며, 온도 챔버 내 시편을 설치하고 챔버온도를 시험온도로 한 시간 이상 유지 후, 소재 물성을 측정하였다. 구형 압전세라믹은 임피던스 분석기로 어드미턴스를 측정하였고, 몰딩 및 배플 시편은 초음파 프로브를 이용하여 음속을 측정하였다.

Fig. 3.

Measurement set-up for temperature dependent material properties of the acoustic sensor materials.

3.1 압전세라믹 온도별 물성치 변화 영향성

압전세라믹 소재의 온도별 물성치 변화는 기존 몇몇 연구진에 의해 수행되어 발표된 바 있다.^[13,14] 이에 따르면 일반적으로 압전상수 및 유전율은 온도에 비례하여 증가하는 특성을 나타낸다.

본 논문에서는 온도별 구형 압전세라믹의 어드미턴스 커브로 부터 커패시턴스($C_f$), 공진주파수($f_r$), 반공진주파수($f_{\alpha }$)를 계산하고, 이론식을 이용하여 압전세라믹의 압전상수 및 유전율 변화를 계산하였다. 반지름이 $\alpha$, 두께가 t 이고 반구 직렬 연결 구형 압전세라믹의 공진주파수, 커플링상수 및 커패시턴스는 각각 Eqs. (1) ~ (3)과 같이 표현된다.^[10]

여기서 $s_c^E=(s_{11}^E+s_{12}^E)/2$, ${\epsilon }_{33}^T$는 유전율, $d_{31}$은 압전상수를 나타낸다. 온도별 어드미턴스 커브의 커패시턴스, 공진주파수 및 반공진주파수로부터 위의 수식을 이용하여 유전율, 컴플라이언스, 압전상수를 계산할 수 있다. 구형 압전세라믹의 수신감도는 Eq. (4)와 같이 나타낼 수 있으므로 이를 통하여 압전 물성치 변화에 따른 수신감도 영향성을 확인할 수 있다.

Fig. 4는 –2 °C, 15 °C, 35 °C의 온도조건에서 측정된구형 압전세라믹의 어드미턴스 그래프이다. 이를 통하여 계산한 압전세라믹의 온도별 물성치 및 수신감도 변화는 Table 2와 같다. 측정결과 온도가 올라감에 따라 공진주파수, 반공진 주파수는 감소, 커패시턴스가 증가하는 경향을 확인하였고, 이에 따른 구형 압전세라믹 하이드로폰의 수신감도 변화는 최대 0.2 dB 수준으로 확인되었다.

Fig. 4.

Admittance curves of PZT hydrophone sphere with temperature change: -2 °C, 15 °C, 35 °C.

Table 2. Piezoelectric coefficient, dielectric constant, and sensitivity of the spherical hydrophone with temperature change: -2 °C, 15 °C, 35 °C.

3.2 몰딩 / 배플 온도별 물성치 변화 영향성

폴리머 재질의 온도에 따른 물성치 변화는 온도-주파수 이동계수(${\alpha }_T$)로 정의할 수 있는데, 이는 Eq. (5)의 WLF(Williams-Landel-Ferry) 수식에 의해 다음과 같이 표현된다.^[15,16]

여기서 $T$, $T_0$는 각각 분석온도 및 기준온도를 의미하고, $C_1$, $C_2$는 온도 변환 계수로서 폴리우레탄 재질의 온도 변환계수는 기존의 몇몇 연구진에 의해 발표된 바 있다.^[15,16] 이에 따르면 온도가 증가할수록 이동계수가 증가하고 음속은 느려지는 경향을 확인할 수 있다.

Table 3은 –2 °C, 15 °C, 35 °C의 온도조건에서 몰딩 소재인 폴리우레탄과 저임피던스 배플 소재인 불코란 시편의 음속측정결과를 나타낸다. 시험 온도범위에서 폴리우레탄은 약 10 %, 불코란의 경우 약 5 % 수준의 음속 변화를 확인하였다.

Table 3. Sound speed of polyurethane and vulkollan with temperature change: -2 °C, 15 °C, 35 °C.

측정한 폴리우레탄 및 불코란 온도별 음속 변화 물성치를 이용하여 온도에 따른 음향센서의 수신감도 변화를 유한요소해석 모델로 계산하였다. Fig. 5는 COMSOL Multipysics 프로그램을 이용하여 작성된 (a) 중‧저주파용 음향센서 및 (b) 고주파용 음향센서의 유한요소해석 모델이다. 기본적인 감응 구조는 Fig. 2와 같은 구조로 모델링 되었고, 세부형상은 센서의 운용환경 및 요구조건에 따라 설계 및 모델링되었다. 음향센서에 평면파를 입사하여 수신감도를 해석하였고, 매질의 경계면에서 반사파가 발생하지 않는 방사조건으로 경계조건을 모델링하였다.

Fig. 5.

Finite element model: (a) low⋅mid frequency sensor, (b) high frequency sensor.

Fig. 6은 (a) 중‧저주파용 음향센서 및 (b) 고주파용 음향센서에 대하여 폴리우레탄 온도별 음속변화를 적용한 수신감도 해석결과이다. 해석된 수신감도 곡선에서 확인되는 피크 및 골은 배플 및 기타 센서 구조물 등의 진동 모드에 의해 발생한 것으로 판단된다. 해석결과 온도가 상승할수록, 즉 폴리우레탄의 음속이 감소할수록 각 음향센서 동작주파수의 고주파 대역에서 수신감도 하락이 확인되었다. 고주파대역의 수심감도는 중‧저주파용 음향센서가 최대 1.5 dB, 고주파용 음향센서가 최대 3.9 dB 감소하였다.

Fig. 6.

Simulated RVS curves with respect to the temperature dependent material properties of polyurethane: (a) low⋅mid frequency sensor, (b) high frequency sensor.

이러한 변화는 센서 내부 음파전달의 매질 역할을 하는 몰딩재의 음속 변화로 인해 하이드로폰과 인접한 배플의 보강 및 상쇄 간섭 주파수가 이동한 현상으로 설명이 가능하다. 중‧저주파용 음향센서는 고임피던스 배플과 인접하게 배치하여 저주파대역에서 입렵된 음파와 배플 반사파의 보강간섭으로 수신감도가 최대 6 dB 증폭되고, 배플과 하이드로폰 간격이 파장의 1/4이 되는 지점에서 수신감도 상쇄간섭이 일어난다. 따라서 온도가 증가하여 음속이 감소할 경우, 파장이 감소하고 이에 따른 상쇄간섭 발생 주파수가 감소하게 된다. Fig. 6(a)에서 상쇄간섭 발생 주파수(~7.5)가 감소에 따라 고주파 대역의 수신감도가 감소하는 것을 확인 할 수 있다.

고주파 대역의 음향센서는 저임피던스 배플과 하이드로폰 간격이 파장의 1/4이 되는 지점에서 보강간섭으로 수신감도가 최대 6 dB 증폭되고, 파장의 1/2이되는 지점에서 상쇄간섭이 발생한다. 따라서 중‧저주파용 음향센서와 동일하게 온도가 증가하여 음속이 감소할 수록 파장이 감소하고 이에 따른 상쇄간섭 발생 주파수가 감소하게 된다. Fig 6(b)에서 상쇄간섭 발생 주파수(~20)의 감소에 따라 고주파 대역의 수신감도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7은 (a) 중‧저주파용 음향센서 및 (b) 고주파용 음향센서의 저임피던스 배플인 불코란의 온도별 물성치 변화에 따른 수신감도 해석결과이다. 해석결과 배플 음속 변화에 의한 수신감도 변화는 구동주파수 대역의 저주파 영역에서 미세하게 확인되지만 그 변화 크기가 미약하여 온도영향성은 미미함을 확인하였다.

Fig. 7.

Simulated RVS curves with respect to the temperature dependent material properties of vulkollan (a) low⋅mid frequency sensor, (b) high frequency sensor.

IV. 음향센서 온도별 음향 수신 특성 측정

4.1 음향센서 온도별 음향 수신 특성 측정 셋업

실제 제작된 중‧저주파용 음향센서 및 고주파용 음향센서에 대하여 온도변화에 따른 수신감도 변화 특성을 측정하였다. Fig. 8은 온도변화에 따른 음향센서 음향 수신 특성을 측정하기 위한 시험 구성도이다. 시험을 위한 압력챔버의 직경은 1200 mm, 높이는 2350 mm이며, 압력챔버의 측면부분은 수압에 대한 구조 강도를 확보하고 음향 투과손실이 최소화 되도록 20 mm 두께의 CRP 재질 음향창이 적용되었다. 요구되는 온도조건별 수신감도 시험을 수행하기 위하여 압력챔버 내부에 음향센서를 설치하고, 온/냉수 공급장치를 압력챔버에 연결하여 압력챔버 내부의 수온이 안정화 되도록 내부 물을 순환시켜주었다. 온도조건은 온/냉수 공급장치의 온도조절 제한에 의하여 7 °C, 17 °C, 26 °C의 세 가지 온도조건에서 시험을 수행하였다.

Fig. 8.

Experimental set-ups for temperature dependent RVS measurement of acoustic sensors.

수신감도 특성 시험을 위하여 압력챔버에 설치된 음향센서와 표준송신기가 간격 5.04 m, 수심 5.2 m를 만족하도록 압력챔버 및 표준송신기를 수조에 설치하였다. 함수발생기에서 생성된 펄스 신호를 증폭하여 표준송신기로 송신하였고, 압력챔버를 투과한 음향신호를 음향센서에서 측정하여 수신감도를 계산하였다.

먼저 자유음장조건에서 측정된 음향센서 수신감도와 챔버 내부 설치 상태에서 측정된 수신감도를 비교하여 음향챔버의 투과 특성을 확인하였다. Fig. 9는 (a) 중‧저주파 음향센서 및 (b) 고주파 음향센서의 자유음장 수신감도 및 챔버 내 수신감도 측정결과이다. 중‧저주파 음향센서의 챔버 내 수신감도는 저주파 대역에서 챔버의 지지 구조물들에 의한 반사파가 간섭되어 수신감도의 피크 및 골이 형성됨을 알 수 있다. 중주파 이후 대역에서는 반사파에 의한 간섭 현상이 사라지고, 챔버 음향창의 투과손실에 의해 챔버 내 수신감도가 주파수가 높아질수록 자유음장 수신감도 대비 단순 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 고주파 음향센서의 챔버 내 수신감도는 압력챔버 음향창의 공진현상에 의해 주기적인 피크 및 골이 형성되는 것이 확인된다. Fig. 9(c)는 Fig. 9(a) 및 (b)의 측정결과를 통하여 산출된 압력챔버 투과손실 측정값과 이론적인 투과손실 계산값을 나타낸다. 투과손실 측정값은 두 가지 센서의 자유음장 수신감도와 챔버 내 수신감도 차이로 계산되었고, 이론적인 투과손실은 CRP(음향임피던스 36 MRayls 가정) 20 mm 두께 무한 평판의 수직입사 평면파의 이론적인 투과손실을 계산하였다. 그래프를 통해 알 수 있듯이, 투과손실 측정값과 이론값의 피크 및 골의 크기의 차이는 있지만, 위치 유사성은 확인되었다.

Fig. 9.

Transmission characteristics of the acoustic chamber: (a) free-field rvs and in-chamber rvs of lowmid frequency sensors (b) free-field RVS and In-chamber RVS of high frequency sensors (c) theoretical and measured transmission loss of the acoustic chamber.

Fig. 10은 온도변화에 따른 (a) 중‧저주파 음향센서, (b) 고주파 음향센서의 수신감도 측정결과이다. 측정된 수신감도는 Fig. 9(c)에서 계산한 음향챔버 투과손실을 이용하여 보정되었다. 측정결과 두 가지 음향센서 모두 온도가 상승할수록 고주파대역 수신감도가 하락하는 것을 확인하였다. 중‧저주파 센서의 최대 수신감도 변화량은 약 1.5 dB, 고주파 센서의 최대 수신감도 변화량은 약 2.3 dB로 측정되었다. 이는 3절의 해석결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 온도가 증가하면서 몰딩재 음속이 감소하고, 상쇄간섭 주파수의 하락으로 고주파 대역 수신감도가 하락하였음으로 판단된다. 압전세라믹의 물성치 변화에 의한 수신감도 변화는 전주파수 대역에서 균일한 변화가 예측되는데, 3절에서 예측한바와 같이 물성치 변화의 영향이 미미하므로(0.2 dB 변화) 그 영향성이 측정결과에서는 확인되지 않는다.

Fig. 10.

Measured RVS curves with respect to temperature change: (a) lowmid frequency sensors (b) high frequency sensors.

V. 결 론

본 논문에서는 소나에 적용되는 수중음향센서의 운용 온도 조건 범위에서 수신감도 변화 특성을 이론적, 실험적 방법으로 분석하였다. 제안된 수중음향센서의 주요 구성 소재인 압전세라믹, 몰딩, 배플 소재의 온도별 물성치를 측정하였고, 이를 통하여 음향센서의 온도별 음향 수신 특성을 분석하였다. 압전세라믹 및 배플의 온도별 물성변화는 센서의 수신감도 변화에 거의 영향을 끼치지 않는 것을 확인하였고, 몰딩재인 우레탄의 온도별 음속변화가 음향센서 배플에 의한 보강 및 상쇄간섭 주파수를 이동시켜 온도별 수신감도 변화가 발생함을 확인하였다. 온도조절이 가능한 음향챔버를 이용하여 음향센서의 온도별 수신감도 변화를 측정하였고, 몰딩재의 음속변화에 의한 음향 수신특성 분석결과와 유사한 측정결과를 확인하였다.