I. 서 론

과학화 전투훈련은 전투형 강군 육성을 목표로 소규모 제대에서 최상위급 제대까지 실전적 훈련이 가능하도록 개발되어 운용되고 있다.^[1] 이러한 과학화 전투훈련은 실제 전장과 최대한 동일한 환경에서 훈련이 실시될 수 있도록 실제 전장과 유사한 다양한 지형과 구조물로 구성된 훈련장에서 실화기와 기동화력이 투입되어 훈련을 실시한다.^[2] 또한 이러한 물리적 환경에 추가적으로 전장과 유사한 소음을 제공하는데, 이는 실제 전투 환경의 모사를 통해 훈련에 참여하는 용사들에게 전장의 공포를 체험할 수 있도록 하고 훈련의 몰입도를 극대화한다.

전투 현장에서 다양한 소음이 발생하지만 가장 큰 영향을 미치는 소음은 직사화기에서 발생하는 총성(muzzle blast)과 탄환비행음(shock wave)이며,^[3,4] 곡사화기에 의해 발생하는 폭발음(explosion sound)이다. 다만 현재 과학화 전투훈련에 반영되어 있는 전장 소음 제공 방식은 몇 가지 개선 사항이 존재하는데, 이는 직사화기의 탄환비행음 관련 소음의 현장감 저하와 곡사화기 폭발음의 미반영 등이다.

이에 본 논문에서는 실 전투 현장에서 발생하는 소음을 최대한 유사하게 모사하는 방법을 제안하며 이를 통해 훈련의 효율을 높이고자 한다.

II. 기존 방식의 개선 방안 도출

현재 과학화 훈련에서 전장 소음은 3가지의 형태로 제공된다. 먼저 총성은 공포탄을 사용하여 훈련이 실시되기 때문에 실 전투 환경과 동일하다. 살상탄과 공포탄의 발생 음압의 차이는 존재하지만 청음 시 큰 차이는 없는 것으로 판단된다.

다음으로 탄환비행음은 훈련하는 용사들이 장착한 다중 통합 레이저 교전 시스템(Multiple Integrated Laser Engagement System, MILES) 장비의 전시창을 통해 제공된다. 다음의 Fig. 1^[5]은 훈련에 참가한 용사들이 착용하는 장비의 예이다.

Fig. 1.

(Color available online) Soldier’s MILES equipment setup.

탄환비행음은 Fig. 1의 장비 중 전시창을 통해서 음향으로 제공되는데 이때 조건은 특정한 MILES 코드(근접탄 코드)^[6]를 수신한 훈련 용사들에게 제공되며 이때 제공되는 음향의 이미지는 다음의 Fig. 2와 같다(보안관계상 가로·세로축 단위 미표기, 이하 그림 동일함).

Fig. 2.

(Color available online) The shock wave provided by the MILES equipment.

이는 다음의 Fig. 3과 같은 실제 탄환비행음과는 확연히 다른 소리임을 알 수 있다.

또한 탄환비행음의 전달 특성은 탄환 궤적으로부터 50 m까지 전파되지만 기존 MILES 장비에서는 사격궤적이 고려되지 않고 피탄자 인근 객체(훈련 용사)로 한정되어 있어 이 또한 실 전투환경과 차이를 가진다.

Fig. 3.

(Color available online) The shock wave occurring in real field environment.

마지막으로 곡사화기의 폭발음을 분석하면 MILES에서 다음의 Fig. 4와 같은 음원을 폭발 지점에서부터 반경 ○○○○ m (보안관계상 세부 거리 미표기) 이내에 위치한 객체(훈련 용사)에게 제공한다. 하지만 실제 K201의 폭발음은 다음의 Fig. 5와 같으며 이 역시 실제 폭발음과는 차이가 있음을 알 수 있다. 또한 기존 MILES 장비에서 제공되는 폭발음은 거리별 감쇠를 적용하지 않고 폭발 지점에서 근접한 객체(훈련 용사)와 원거리에 위치한 객체(훈련 용사) 모두 동일한 음을 제공하여 현실감이 저하된다.

Fig. 4.

(Color available online) The explosion sound provided by the MILES equipment.

Fig. 5.

(Color available online) The explosion sound occurring in real field environment.

III. 개선 방안의 적용

3.1 개선 방식의 정의

앞 절(2)에서 기술한 기존 MILES의 전장음향 제공 방식에서 다음과 같은 개선점을 도출할 수 있다.^[7]

▪직사화기 탄환비행음 실사격 음향 제공

▪직사화기 탄환비행음 탄환 궤적을 기준으로 이격 거리에 따라 감쇠된 음향 제공

▪곡사화기 폭발음 실사격 음향 제공

▪곡사화기 폭발음 폭발 원점을 기준으로 이격 거리에 따라 감쇠된 음향 제공

상기의 사항을 적용하기 위해서는 실제 탄환비행음과 폭발음의 확보가 필요하며 거리별 감쇠식이 유도되어야 한다.

3.2 음원 확보

음원 확보는 실사격을 통해 진행되었다. 먼저 탄환비행음을 확보하기 위해 경북 포항에 위치한 ○○○사격훈련장(보안관계상 미표기)에서 224발의 음원을 수집하였다. 다음의 Table 1은 탄환비행음 수집을 위한 장비 내역, Fig. 6은 탄환비행음을 수집한 환경, 그리고 Fig. 7은 수집한 음원의 결과이다.

Fig. 6.

(Color available online) Shock wave collection environment.

Fig. 7.

(Color available online) Result of collected shock wave and muzzle blast.

다음으로 K201 폭발음을 확보하기 위해 경기 이천에 위치한 ○○○사격훈련장(보안관계상 미표기)에서 532발의 음원을 수집하였다. 수집 시 사용된 장비는 앞서 제시한 Table 1과 같으며, 수집한 환경은 Fig. 8, 수집한 음원의 결과는 Fig. 9이다.

Fig. 8.

(Color available online) Explosion sound collection environment.

Fig. 9.

(Color available online) Result of collected explosion sound.

3.3 탄환비행음 분석 및 적용

탄환비행음은 탄환이 음속을 유지하는 조건에서 탄환 궤적을 따라 발생한다. 다만 탄환비행음은 특성상 탄환 궤적에서 멀어질수록 급격히 감소하며 통산 50 m를 넘지 못한다고 알려져 있다.^[8] 획득된 탄환비행음의 음압은 평균적으로 3 m에서 약 152 dB 정도로 측정되었다. 이를 다음의 Eq. (1)과 같은 일반적인 음향 감쇠 공식을 적용하면 다음의 Fig. 10과 같은 결과를 얻을 수 있다. 단, Fig. 10에서 X축은 소리가 발생한 지점(0)부터 1,000 m까지의 거리를 나타내며, Y축은 0에서 140 dB까지의 음압 수준을 나타낸다.

TL:TrnasmissionLoss

R:Range(m)

Fig. 10.

(Color available online) The attenuation results of a shock wave, derived using general acoustic attenuation formulas.

Fig. 10에서 기존 감쇠 공식을 적용하면 100 m 이격된 지점에서도 탄환비행음의 청음이 가능하다는 결과가 나온다. 이는 탄환비행음의 특성인 50 m 이격까지 전파라는 명제와 어긋나게 된다.

이를 해결하기 위해서 각 사로별로 측정된 탄환비행음의 평균값을 반영하였다. 다음의 Table 2는 3.2절에서 확보된 탄환비행음의 음압 비율로 3 m 이격 거리에서 측정된 1사로의 평균 음압을 기준으로 하였다.

위의 Table 2의 이격 거리는 3 m 간격으로, 촘촘한 구간 반영이 불가능하며, 이격 거리가 24 m 이상인 구간의 데이터가 존재하지 않는다. 이를 해결하기 위해서 각 사로별로 측정된 탄환비행음의 평균값을 기준으로 비선형 구간 1차 스플라인(Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial, PCHIP) 보간법을 적용하였다. PCHIP 보간법은 각 구간 [xk,xk+1]마다 3차 다항식을 정의하며, 다음의 Eq. (2)와 같이 표현된다.

각 구간 [xk,xk+1]에 대해 정의되는 보간 다항식 pk(x)

ai, bi, ci, di 는 각 구간에서의 보간 계수로 다음과 같다.

hk=xk+1-xk는 보간 구간의 너비이며, mk와 mk+1은 각각 xk,xk+1에서의 도함수이다.

위의 수식을 토대로 탄환비행음의 이격 거리에 따른 감쇠를 추정하면 다음의 Fig. 11과 같다. 이때 Fig. 11에서 X축은 소리가 발생한 지점(0)부터 120 m까지의 거리를 나타내며, Y축은 0에서 160 dB까지의 음압 수준을 나타낸다.

Fig. 11.

(Color available online) Acoustic attenuation results incorporating shock wave characteristics.

위의 Fig. 10과 Fig. 11을 중첩하면 다음의 Fig. 12와 같다. 이때 Fig. 12에서 X축은 소리가 발생한 지점(0)부터 120 m까지의 거리를 나타내며, Y축은 0에서 160 dB까지의 음압 수준을 나타낸다. 또한 일반적인 감쇠는 파란색 선으로 표시되며, 측정 기반 감쇠는 빨간색 선으로 표시된다. 이를 통해 측정값 기반 감쇠를 적용한 탄환비행음이 실제 탄의 탄환비행음을 모사할 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 12.

(Color available online) Comparison of general attenuation of shock wave and measurement based attenuation results.

위의 Fig. 11에서 구한 탄환비행음을 탄환 궤적에 매핑하면 다음의 Fig. 13과 같다. 이때 Fig. 13에서 X축은 탄도 궤적을 따라 이동한 거리를 나타내며, Y축은 탄도의 궤적으로부터의 측면 거리를 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 탄환 궤적(X = 0)을 중심으로 강한 탄환 충격파의 음파가 발생한 뒤, 좌우로 전파되는 과정에서 급격히 감쇠됨을 알 수 있다.

Fig. 13.

(Color available online) Propagation of shock waves along the trajectory of a bullet.

다만 탄환 궤적에 인접한 탄환비행음의 최대 음압은 약 152 dB이나 이는 스피커나 이어폰 등으로 제공할 수 없는 음압의 크기이다. 과학화 전투훈련에 참여하는 훈련 용사에게 골전도 이어폰을 통해 탄환비행음을 제공하기 위해 실제 최대 음압을 출력 최대 음압에 매핑하여 제공해야 한다. 현재 적용되는 골전도 이어폰의 최대 출력 음압은 105 dB이므로 이를 사상하여 감쇠 계수 0.69를 다시 적용하였다. 다음의 Fig. 14는 Fig. 13의 데이터를 전체적으로 감쇠하여 골전도 이어폰을 통해 훈련 용사에게 전달되는 탄환 궤적 기준 이격 거리에 따른 조정된 탄환비행음의 음압을 표현한 것이다. X축은 탄도 궤적을 따라 이동한 거리를 나타내며, Y축은 탄도의 궤적으로부터의 측면 거리를 나타낸다.

Fig. 14.

(Color available online) Propagation of shock waves along the adjusted trajectory of a bullet.

3.4 폭발음 분석 및 적용

폭발음은 곡사화기에 의해 발생되는 전장 소음으로 수집된 532발의 음원을 분석하여 다음 Fig. 15와 같은 특성을 파악하였다. 즉 K201의 폭발음의 음압 크기는 200 m에서 약 130 dB에서 150 dB 구간에 존재하며 평균 음압은 약 135 dB이다.

Fig. 15.

(Color available online) Distribution of K201 explosion sound.

다만 해당 음압은 200 m 이격된 거리에서 측정된 값으로 폭발 원점에서의 음압 크기는 Eq. (1)을 역 계산하여 1 m에서 약 180 dB로 추정할 수 있다. 이를 토대로 거리별 전달되는 음압의 크기를 구하면 다음의 Fig. 16과 같다. 이때 X축은 원점에서부터 좌우 각각 2,000 m까지의 거리를 나타내며, Y축은 원점에서 상하 각각 2,000 m까지의 거리를 나타낸다.

Fig. 16.

(Color available online) Propagation of explosion sound over distance.

이 또한 폭발음의 최대 음압은 약 180 dB이나 이는 스피커나 이어폰 등으로 제공할 수 없는 음압의 크기로 과학화 전투훈련에 참여하는 훈련 용사에게 골전도 이어폰을 통해 폭발음을 제공하기 위해 실제 최대 음압을 출력 최대 음압에 매핑하여 제공한다. 따라서 현재 적용되는 골전도 이어폰의 최대 출력 음압을 고려하여 감쇠 계수 0.58을 적용하였다. 다음의 Fig. 17은 골전도 이어폰을 통해 훈련 용사에게 전달되는 폭발 지점 기준 이격 거리에 따른 조정된 폭발음의 음압이다. 그림에서 X축은 원점에서부터 좌우 각각 2,000 m까지의 거리를 나타내며, Y축은 원점에서 상하 각각 2,000 m까지의 거리를 나타낸다.

Fig. 17.

(Color available online) Propagation of explosion sound adjusted over distance.

3.5 개선 방안 적용 시스템 설계

개선된 방안을 적용하기 위해 다음의 Fig. 18과 같은 시스템을 구성하였다.

Fig. 18.

(Color available online) Results of battlefield acoustic design.

먼저 직사화기의 사격이나 곡사화기 폭발이 발생하면 해당 발사정보는 통제기가 수신하여 직사화기의 사격인 경우에는 사격궤적을 3차원으로 연산한 후 사격 궤적과 자기 위치 간 이격 거리를 연산하여 이에 맞는 탄환비행음을 골전도 이어폰을 통해 제공한다. 곡사화기의 경우에는 타격 지점으로부터 자기 위치까지의 이격 거리를 연산한 후 이에 맞는 폭발음을 골전도 이어폰을 통해 제공한다.

3.6 개선 방안 적용 시스템 제작 및 실험

개선된 방안을 적용할 수 있는 장비 4종을 제작하였다. 제작 장비 중 사격모의기는 사격 시 사격 정보를 전파하는 장비이며, 통제기는 수신된 사격 정보를 토대로 피해처리를 연산하는 장비이고, 골전도 이어폰은 탄환비행음이나 폭발음 등의 음향을 청각으로 제공한다. 다음의 Fig. 19는 제작된 장비 4종이다.

Fig. 19.

(Color available online) Equipments designed for testing purposes.

제작된 장비 4종, 6품목을 가지고 자체 실험을 실시하였다. 실험은 모의총과 사격모의기를 통해 사격을 실시하였다. 먼저 사격이 되면 발사정보가 통제기로 전파되며 통제기는 피해처리 및 전장음향 제공 여부를 판단하게 된다. 이때 탄환 궤적상에 위치한 피격자는 탄환비행음이 청취되지 않고 “사망” 이라는 음성 메시지만 청취되며, 탄환 궤적상에 위치하지 않은 미피격자는 탄환비행음이 청취된다. 이는 Figs. 20, 21, 22와 같은 실험을 통해 피격자는 탄환비행음 등 전장 소음이 청취되지 않았음을 확인하였고, 미피격자는 탄환비행음이 청취됨을 확인하였다.

Fig. 20.

(Color available online) Experimental environment: Shooter, victim, and non victim.

Fig. 21.

(Color available online) Positions of the equipped victim and non victim.

Fig. 22.

(Color available online) Experimental environment: Shooter, victim, and non victim (viewed from the reverse direction).

IV. 결론 및 향후 계획

구현된 시스템을 통해 실 전투환경에서 발생하는 전장 소음 중 탄환비행음과 폭발음을 실제와 유사하게 제공할 수 있음을 확인하였다. 구현된 시스템의 특징은 다음과 같다.

▪직사화기 탄환비행음 실사격 음향의 특성을 반영하여 제공

▪직사화기 탄환비행음 탄환 궤적을 기준으로 이격 거리에 따라 감쇠된 음향 제공

▪곡사화기 폭발음 실사격 음향의 특성을 반영하여 제공

▪곡사화기 폭발음 폭발 원점을 기준으로 이격 거리에 따라 감쇠된 음향 제공

구현된 시스템은 실제 전투훈련 환경에서 입증시험이 곧 실시될 예정이며, 이를 통해 과학화 전투훈련에 참여한 훈련 용사들의 의견을 청취할 예정이다. 아울러 K201 외의 곡사화기(예: K-9자주포, 박격포 등) 음향을 수집·분석하여 반영할 예정이며, 훈련에 필수적으로 이용되는 지뢰에 대한 음향 또한 반영할 계획이다.