I. 서  론

선박의 수중방사소음에 대한 과학적 연구는 1930년대에 군사적인 목적에서 본격적으로 시작되었다. 제 2차 세계 대전 중에 미국 주도로 여러 선박들의 수중방사소음을 측정했고 선박소음원의 물리적인 기작에 대한 연구^[1]를 수행했다.

1980년대에 Ross^[2,3]는 상선에 대한 수중방사소음 자료를 체계적으로 정리했다. Ross는 상선의 선박방사소음 측정 자료를 수집하여 선박 크기와 마력에 따른 수중방사소음을 분류하고 유용한 경험식을 제시했다.

1990년대로 들어서며 선박의 수중방사소음에 대한 연구는 세 가지 측면에서 새롭게 조명 되었다. 첫 번째는 세계무역량의 급속한 증가이다.^[4] 대륙 간 무역량의 증가에 따라 세계에서 운행하는 상선 척 수는 1960년대에 비해 2배 정도 증가하였다. 이에 따라 현재의 선박에 의한 수중배경소음은 70년대보다 증가했을 것으로 추정된다. 두 번째는 현대 조선기술의 발달이다.^[5] 선박의 크기가 커지고 선박 엔진 및 추진기 기술의 발달에 따라 70년대 만들어진 수중방사소음에 대한 Ross의 경험식의 적합성이 의심받고 있다. 세 번째는 수중배경소음의 증가가 해양생물의 서식 환경에 악영향을 미칠 것이라는 우려의 확산이다.^[6] 군에서 사용하는 저주파 소나와 더불어 상선의 수중방사소음은 해양생물의 생태를 교란시키는 주범으로 의심받고 있다. 이와 같은 이유로 2000년대 들어서며 해양생물, 해양음향, 수중음향학, 조선해양공학 등의 다양한 해양 과학 분야에서 선박의 수중방사소음에 대한 실험적, 분석적 연구가 증가하고 있는 추세이다.

최근까지 국외에서 수행된 수중방사소음에 대한 측정 자료를 살펴보면, 광대역 수중방사소음의 선수-선미 비대칭성이 관찰되는 것을 확인할 수 있다.^[4,7-9] 선박의 광대역 수중방사소음은 대부분 프로펠러 공동의 생성과 붕괴과정에서 발생한다. 여러 저자들에 의하면 해당 주파수 영역에서 선미 쪽의 수중방사소음이 선수 쪽보다 5 dB에서 10 dB정도 크게 관측된다는 것이다. 저자들은 이 비대칭성의 원인으로 선미 쪽에서 발생한 광대역 소음이 선수 쪽에서는 선체에 의해 차단되어 수신되기 때문이라고 설명했다. 다시 말하면, 선체에 의한 선수 쪽의 음향차단효과가 주요 원인이라는 것이다.^[8] 본 연구자들은 이와 같은 수중방사소음의 비대칭성이 과거 국내에서 수행된 MAPLE4 (The 4^th Matched Acoustic Properties and Localization Experiment) 실험^[10]에서도 나타났다는 것을 확인했다.

본 연구에서는 수중방사소음에서 선수-선미의 비대칭성이 나타나는 원인을 찾기 위해, 국내 수중방사소음 실험에서 운용된 선박과 동일한 형상에 대해, 경계요소법을 이용한 수치실험을 수행했다. 수치해석결과로부터 선박방사소음의 방향성을 유추하고, 실험해역과 동일한 해양환경에서 수신신호를 모의했다.

II장에서는 국내외연구 결과를 재검토하고 수중방사소음의 특징을 분석한다. III장에서는 음향경계요소법을 이용한 수치실험을 기술하고, IV장에서는 해양환경에서 선수-선미 비대칭 방향성을 적용한 수신신호 모의결과와 실험결과를 비교한다. V장은 토론 및 요약이다.

II. 선박방사소음의 선수-선미 비대칭 방향성

1987년 Sasajima et al.^[11]는 일본 벳푸 만에서 수심 25 m 깊이에 수중청음기를 설치하고 방위각에 따른 해양조사선의 수중방사소음 준위를 측정했다. 이때 수중방사소음은 주로 프로펠러 의해 발생했다. Fig. 1은 Sasajima et al.의 관측결과를 보여준다. 저자가 그림에 대한 자세한 설명을 하고 있지 않으나, Fig. 1의 결과는 전체 주파수 대역에 따른 소음의 평균값을 그린 것으로 추정된다. 선수방향으로 갈수록 수중방사소음 준위는 낮아지는 것을 확인할 수 있으며 좌현-우현 비대칭성도 관찰되는 것을 볼 수 있다. Sasajima et al.의 실험에서 선수와 선미간의 준위 차이는 약 4 dB였고, 그 원인에 대한 설명은 언급되지 않았다.

1996년 Arveson과 Vendittis^[7]는 바하마 근해의 TOTO (Tongue Of The Ocean)지역에 설치된 AUTEC(The Atlantic Undersea Test and Evalulation Center) 측정 시스템을 이용하여 상선인 Overseas Harriette(길이 172.9 m, 폭 22.8 m, 만재흘수 10.2 m)의 3차원 수중방사소음을 측정했다. 그들은 프로펠러 공동소음이 지배적인 340 ~ 360 Hz의 주파수 대역에서 선수/선미 방향의 소음이 선측방향의 소음보다 약간 감소하는 현상을 관찰했다. 그들은 그 원인이선수와 선미방향에서는 각각 선박 및 선미의 기포성 후류에 의한 음향 차단 효과가 발생하기 때문이라고 설명했다.

Trevorrow et al.^[8]은 2008년에 GPS 시스템과 측정자료의 정밀한 음향 교정을 통해 기존실험보다 더욱 정밀한 수중방사소음 측정을 시도했다. CCGS VECTOR (길이 39.7 m, 폭 9.5 m, 흘수 3.5 m)의 이름을 가진 해양조사선이 피측정 선박으로 사용되었다. Fig. 2는 4개의 BURBs(Broadband Underwater Recording Buoys) 시스템으로 측정한 주파수 별 소스레벨을 보여준다. 그들은 Fig. 2의 수백 Hz 대역에서 명백히 수중방사소음의 선수-선미 비대칭성이 관측되었다고 보고하고 있으며 그 차이는 2 ~ 4 dB라고 기술하고 있다. 이와 같은 선수-선미 비대칭성의 원인으로는 Arveson과 Vendittis과 유사하게 선수방향에 대한 선체의 음향 차단효과를 꼽았다.

2011년 McKenna et al.^[2]은 캘리포니아 인근 산타바바라 해협의 수심 570 m에 HARP(High frequency Acoustic Recording Package) 시스템을 설치하고, 해당 항로를 따라 이동하는 총 29척의 상선에 대한 수중방사소음 준위를 20 ~ 1000 Hz 대역에서 측정했다. Fig. 3은 그 중 벌크 선에 대한 시간-주파수 영역 분석 결과를 보여준다. 명확하게 선수-선미 비대칭 특성이 나타난다. McKenna 등에 의하면, 이 비대칭 특성은 실험에 사용된 모든 배에서 공통적으로 나타났으며 선수 쪽이 선미 쪽보다 약 5 ~ 10 dB 낮은 수중방사소음 준위를 보였다고 한다.

유사한 비대칭 특성은 국내 실험^[10]에서도 확인되었다. Fig. 4은 국방과학연구소에서 2004년도에 수행한 MAPLE4 시험에서 얻어진 수중청음기 측정자료이다. 복합 선배열을 이용하여 이동음원으로부터 협대역 신호를 수신하고 있던 중에 우연히 주변 항행 선박의 소음 신호도 동시에 측정되었다. Fig. 4에서 보면 60 ~ 120 Hz 부근에서 선박의 최근접점을 중심으로 뚜렷한 선수-선미 비대칭 문양이 나타난다.

최근에는 한국해양과학기술원 주관으로 한국 근해에서 상선의 수중방사소음 측정이 진행되었다.^[12] 실험에는 한국해양과학기술원에서 자체 개발한 SRH (Self-Recording Hydrophone) 3개로 이루어진 수직 선배열이 사용되었다. 실험해역의 수심에 따른 음속분포는 Fig. 5와 같다. Fig. 6은 해당 선박의 방사소음 수신신호에 대한 시간-주파수 영역 분석 결과를 보여준다. 60 ~ 100 Hz 부근의 광대역 주파수에 대해 명백히 선수-선미 비대칭성이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이때 광대역 소음은 프로펠러 토널 주파수에 대한 조화 분석, 선속에 따른 스펙트로그램 분석을 통하여 프로펠러 공동에 의해 발생하는 것으로 판단되었다.

III. 경계요소법을 이용한 수중방사소음 방향성 모의

위에서 기술한 선수-선미의 비대칭 방향성의 원인을 수치적으로 입증하기 위해 II절의 한국해양과학기술원의 실험에 사용된 선박에 대해 수치해석을 수행했다. 경계요소법 프로그램인 SYSNOISE을 수치해석에 사용했다. 선박의 기하학적 형상은 Fig. 7(a)와 같다. 길이는 240 m이고 흘수깊이까지만 고려했다. 전체 기하학적 형상은 29911개의 경계요소로 분할되었으며 외부 경계에 대해 사각과 삼각요소가 사용되었다. 해석에 사용된 소음의 주파수 대역은 50 ~ 100 Hz로 설정하였다. 이와 같은 주파수 범위를 사용한 이유는 해당 영역이 일반적인 상선의 광대역 소음이 지배적인 영역이고, 본 실험 자료에서도 신호대잡음비가 높게 관찰되는 영역이기 때문이다. 한편, 본 연구에서 수치해석을 위해 획득한 상선의 기하학적 자료는 경계요소 크기조절이 불가능한 mesh 자료로 주어졌기 때문에, 수치안정성을 위해 최대주파수는 부득이 100 Hz로 제한하였다. 프로펠러 공동소음을 모의하기 위해 Fig. 7(b)처럼 프로펠러 위치에 의 단극자 음원을 놓았다. 여기서 A는 소음원의 세기, R은 소음원으로부터 공간의 특정 위치까지의 거리, k는 소음원의 파장을 의미한다. 수신음장은 프로펠러의 수심과 동일한 수심을 갖는 수평면에서 측정되었다[Fig. 7(c)]. 여기서 해수면에 의한 음원의 거울반사효과는 특별히 반영하지 않았다.

Fig. 8은 50 ~ 100Hz 사이에서 선정된 4개의 주파수에 대한 전체음장분포를 보여준다. 선미 쪽의 방사소음장은 방위각에 대해 구형확산을 하는 경향을 보이나, 선수 쪽의 방사소음장은 선체에 의한 소음장의 회절에 의해 뚜렷한 간섭패턴을 보인다. 선수 쪽 방향에서는 선미 쪽보다 약한 음장이 관측되며 선수로부터 ± 30도 부근에는 음장의 넓은 골이 발생한다. 이러한 특징은 저주파 음향 회절에서 관찰되는 전형적인 특징이다.

Fig. 9에서는 Fig. 8에서 도시한 값을 사용하여 방향성 인자를 산출했다. 50 ~ 100 Hz 사이의 영역에서 선수 방향의 준위는 선미 방향의 준위에 비해 약 6 dB 낮은 것을 확인할 수 있다. 실선은 4개의 주파수에 대한 자료를 이용해 회귀분석을 통해 얻어진 통계적 평균값을 의미한다. 이와 같은 결과는 II절에서 관찰된 결과와 정성적으로 일치한다. 한편, 동일한 형상의 선박을 이용한 한국해양과학기술원의 실해역 실험결과에서는 위의 주파수 대역에서 선수 쪽 방향은 선미 쪽에 비해 4 ~ 8 dB의 낮은 준위를 보였다. 이 결과는 수치해석결과와 평균적으로 유사하나, 주파수 별 변동 특성 등의 정량적인 부분에서는 다소 차이를 보인다.

IV. 수중방사소음 수신신호 모의

본 절에서는 선수-선미의 비대칭 방향성이 수중청음기의 수신신호에 미치는 영향을 분석하기 위해, 한국해양과학기술원이 실험을 실시한 해양과 유사한 환경에서 모의실험을 수행하였다.

모의 실험에 사용된 수중방사소음원은 프로펠러 공동소음을 비롯하여, 프로펠러, 선박, 엔진의 협대역 소음, 해양환경소음, 수신기 주위의 유체소음을 고려하여 생성하였으며, 모의실험에 사용된 음파 전달 알고리즘은 Reference [13]에 서술되어 있다. 모의 해양환경은 수심 100 m이며 해저면은 실트로 가정하여 해저면 밀도는 1.7 g/cm³, 음속은 1575 m/s로 설정하였다.

선박소음원의 수심은 10 m로 잡았고 수신기는 수심 20 m, 50 m, 80 m에 각각 설치되어 있는 것으로 설정하였다. 수중 음속은 Fig. 5와 동일하게 설정하였다.

모의 실험은 Fig. 10과 같은 기동 시나리오에서 수행되었다. 피측정 선박의 속력은 13.5 kn이고 수신기와의 최근접점 거리는 154 m로 설정하였다. 선수-선미의 방향성을 적용하기 위해 음향경계요소법에서 얻어진 수치결과를 이용하여(Fig. 9의 가는 실선) 방위각에 따른 방향성을 보상했다. 한편 본 시나리오에서 선박의 기동에 따른 도플러효과의 영향은 미미하다는 것을 언급한다. 도플러효과는 소음의 주파수변이와 크기변이로 나타나는데 일반적으로 해양 시나리오에서는 Mach수가 작기 때문에 주파수변이는 1 Hz 이하이며 크기변이는 무시할 만한 수준이다.

Fig. 11은 수심 20 m의 수신신호에 대해 방향성을 보상한 경우와 보상하지 않은 경우에 대한 시간-주파수 결과를 보여준다. Fig. 11의 물결무늬패턴은 수중도파관에 의한 음파 정상모드의 간섭 때문에 생성된다. 그림에서 선박이 수신기에 근접할 때 수신 준위가 강하게 나타나고 음선간섭패턴이 U자 패턴으로 형성되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11(a)에서처럼 소음원의 방향성을 적용하지 않았을 때는, 수신기 최근접점 통과 전후의 수신준위가 거의 비슷하게 나오는 것을 확인할 수 있다. 그러나 방향성 인자를 소음원에 적용하면 Fig. 6의 실 계측결과와 유사하게, 수신기의 최근접점 통과시점을 기준으로 앞보다 뒤에 수신준위가 강하게 나타나는 비대칭 방향성이 뚜렷이 Fig. 11(b)에 나타난다. Fig. 11(b)에서 시간에 따른 선수와 선미간의 준위 차이는 Fig. 9의 방향성 인자로부터 결정된다. Fig. 11(a)와 11(b)의 차이를 분명하게 드러내기 위해, Fig. 11(b)의 계산에 적용된 시간에 따른 방향성인자의 크기를 Fig. 12에 도시했다. Fig. 12는 수신기와 선박의 각도에 따른 방향성인자의 크기를 나타낸다. 앞 절에서 서술한 가정에 따라 방향성인자는 주파수에 대해서 동일하게 적용되었다. 선수-선미의 비대칭 방향성 인자를 적용하는 경우, 실제 계측 값과 유사한 무늬가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

V. 결론 및 토론

국내외의 프로펠러에서 기인하는 광대역 수중방사소음에 대한 측정자료를 살펴보면 공통적으로 선수-선미의 비대칭 방향성이 나타난다. Arveson과 Vendittis^[7]는 이 비대칭 방향성이 선박에 의한 음향차단효과 때문에 발생한다는 가설을 제시했다.

본 논문에서는 수치 해석적으로 선박 수중방사소음에서 관찰되는 선수-선미의 비대칭 방향성의 원인을 분석했다. 소음원은 프로펠러 공동의 생성과 붕괴에서 발생하는 단극자 음원으로 가정하고, 실제 국내실험에 사용된 선박에 대해 음향경계요소법을 적용하여 수중방사소음을 계산했다. 계산결과를 보면, 대략 60 ~ 100 Hz의 주파수 구간에서 선수-선미 간에 약 6 dB의 방향성 인자의 크기 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 동일선박의 실해역 측정자료와 평균적으로는 유사한 값이다. 결론적으로 이러한 비대칭은 선체에 의한 선미소음장의 회절효과 때문에 발생한다고 판단할 수 있다.

본 연구에서는 수치해석결과 및 실험 자료간의 정성적인 분석을 진행하였고 일부 정량적인 비교도 하였으나, 배의 크기 또는 형상, 소음 주파수 대역 등에 대한 엄밀한 정략적 분석은 수행하지 못했다. 현실적으로 선박의 소음 정보를 공개하는 것에 대한 선주들의 부정적인 인식, 선박의 도면 또는 소음 측정 자료의 부족, 실 해역 실험의 어려움 등으로 좋은 품질의 자료 확보가 용이하지 않았기 때문이다.

향후에는 수조실험 및 수치해석 시뮬레이션을 통해 부족한 자료를 보강하는 방법을 통해 정량적 분석에 대한 연구를 발전시켜 나갈 생각이다. 특히 방사음장의 간섭으로 인해 선수 근처에 발생하는 음영구역에 대한 이론적 해석 및 실험적 관찰에 집중할 예정이다.