I. 서 론

수동소나는 전자기파 이용이 제한되는 수중 환경에서 함정의 눈 역할을 하는 중요한 요소이다. 일반적으로 수동소나는 음향 센서를 사용하여 원거리 표적의 신호를 수신하여 탐지하며, 수신된 표적 신호의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)가 높을수록 표적 탐지 성능은 증가한다. 그러나 수중 환경에는 표적 신호 외에도 배경소음 및 다양한 소음들이 존재하는데, 선체부착형 수동 소나센서의 경우 함의 기동 시 발생하는 유동 소음이나 함내 장비로부터 야기되는 선체 구조 진동 유기 소음에 직접적으로 노출되게 된다. 이러한 소음은 음향 센서의 SNR을 감소시키므로 탐지 성능이 저하된다. 따라서 수동 소나센서는 후방(선체)으로부터 전달되는 소음에는 둔감하며, 전방으로부터 입사되는 표적 신호에는 민감하도록 설계되어야 한다.

후방으로부터 들어오는 진동 소음의 영향을 감소시키기 위한 보편적인 방안은 Fig. 1과 같이 음향 센서와 선체 사이에 배플 레이어를 삽입하는 것이다.^[1,2] 여기서 음향 센서가 외부에서 들어오는 음향 신호의 어떠한 물리량을 감지하는지에 따라 두 가지로 구분할 수 있다. 음향 신호의 음압을 감지하는 음압 센서의 경우에는 Fig. 1(a)와 같이 해수 대비 높은 임피던스와 낮은 임피던스 배플을 혼합하는 수동 소나센서의 구조를 갖는다. 높은 임피던스 배플을 음압 센서의 후방에 위치시킴으로써 경계면에서의 음압이 같은 위상으로 반사되고, 입사파와 반사파가 중첩된 전체 음압은 증가한다. 또한 높은 임피던스 배플과 선체 사이에는 낮은 임피던스의 배플을 삽입함으로써 후방에서 들어오는 음파는 반사시킨다. 따라서 읍압 감지식 수동 소나센서의 전방 수신감도는 증가하고 후방 수신감도, 즉 후면 진동 소음에 대한 민감도는 줄어들게 된다. 그러나 높은 임피던스 배플로 인해 수동 소나센서의 중량이 증가하는 문제가 있으며, 배플 두께 대비 파장이 긴 저주파 대역에서는 낮은 임피던스 배플의 영향이 높은 임피던스 배플의 효과보다 지배적으로 나타나면서 전방 수신감도가 후방 수신감도보다 낮아지는 감도 역전 현상이 발생할 수 있다.

Fig. 1.

(Color available online) Schematic configuration of hull mounted passive sonars using (a) pressure hydrophones and (b) accelerometers.

반면에 음파의 입자 속도나 입자 가속도를 감지하는 속도계 또는 가속도계를 활용하는 경우에는 Fig. 1(b)와 같이 낮은 음향 임피던스를 갖는 차음배플만 사용하는 구조로 수동 소나센서를 설계할 수 있다. 낮은 임피던스 배플로 임피던스 부정합을 통해 후방의 진동 소음을 차단하는 동시에 입사파와 반사파의 입자 속도가 동위상으로 중첩되므로^[1] 음압이 아닌 속도나 가속도를 감지하는 센서와 함께 활용할 시 수신감도가 증가하며, 높은 임피던스 배플의 부재로 인해 수동 소나센서의 경량화도 가능하다. 따라서 최근에는 Fig. 1(b)의 구조로 가속도계를 활용하여 음향 신호의 입자 가속도를 감지하는 방식의 수동 소나센서가 연구되고 있다.^[3,4,5,6,7]

본 논문에서는 가속도계 기반의 선체부착형 수동 소나센서를 제작하여 높은 임피던스 배플 없이도 기존의 음압 센서 기반의 소나센서보다 우수한 저주파 대역 차음 성능을 구현할 수 있음을 확인하였다. 단계별 검증을 위하여 먼저 단일 가속도계를 설계, 제작하여 공기중 가속도 감도 시험을 수행하였다. 이후 다수의 가속도계를 1개의 채널로 연결한 후 수밀 몰딩된 가속도계 배열을 설계, 제작하여 수중 수신감도를 측정하였다. 또한 배플이 포함된 가속도계 기반의 소나센서에 대한 설계 및 제작을 수행하고 전후방 수신감도 시험을 통해 성능을 검증하였다. 각 제작 단계별로 상용 다중물리 유한요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 수신감도를 예측하고 시험 결과와 비교하였다. 마지막으로 가속도계 기반 소나센서가 음압 하이드로폰을 적용한 소나센서에 비해 저주파 대역의 전후방 수신감도 차이가 개선됨을 확인하였다.

II. 단일 가속도계 제작 및 검증

본 연구에서는 비교적 단순한 구조를 가지며 가속도 감도가 높은 압축형 가속도계를 선정하였다. 일반적인 상용 압축형 가속도계와 유사한 구성으로, Fig. 2(a)와 같이 하부 베이스와 압전 세라믹, 질량체가 중앙의 볼트를 통해 전응력이 인가된 상태로 체결되어 하우징으로 덮인 형태이다. 베이스와 하우징은 전체적인 밀도의 감소를 위해 알루미늄을, 질량체는 감도 확보를 위해 밀도가 비교적 높은 황동 재질을, 압전 세라믹은 수신용으로 적합한 PZT-5 계열을 적용하였다. 중앙에 4개의 링형 세라믹을 적층하였고, 각 세라믹은 수신 전압감도를 높이기 위하여 모두 동일한 방향으로 분극되었다. 전기적 잡음을 최소화하기 위하여 세라믹을 두 개씩 묶어 중간층을 접지로, 양 끝단을 각각 양극과 음극으로 연결하여 3상 신호를 구성하였다. 단일 가속도계의 크기는 최대 수신 주파수의 파장 대비 1/10 미만으로 음향 반사 및 회절 영향을 최소화하여 축방향 음파 입자 가속도 성분을 최대한 정확하게 수신할 수 있도록 설계하였다. 설계된 가속도계는 Fig. 2(b)와 같이 제작되었다. 질량체, 세라믹 스택, 베이스가 잘 정렬되도록 편심을 최소화하고 전응력 볼트로 조립한 후, 하우징을 베이스에 용접하였다. 용접은 하부 베이스와 하우징이 최대한 단단하게 연결되어 원치 않는 모드의 영향이 없도록 6개의 지점에 적용되었다.

Fig. 2.

(Color available online) (a) Configuration and (b) fabrication of a single accelerometer.

제작된 단일 가속도계의 주파수에 따른 공기중 가속도 감도를 Fig. 3(a)와 같이 진동 시험기(9110D, The Modal Shop, Cincinnati, OH, USA)를 이용하여 측정하였다. 선정된 진동 시험기는 제작된 가속도계의 수신 주파수 대역 전체에 대한 측정이 가능하다. 제작된 가속도계는 수중 적용을 위해 우레탄 몰딩이 필요하기 때문에 진동시험기 장착을 위한 별도 고정부 구조를 갖지 않으며, 얇은 양면 테이프를 이용해 진동시험기 기초대에 부착한 조건에서 측정하였다. 시험 결과의 신뢰도를 확보하기 위하여, Fig. 3(b)의 유한요소 모델을 통해서도 공기중 가속도 감도를 산출하였다. 세라믹 영역은 COMSOL내 압전재료 모델을, 나머지 영역에는 선형 탄성재료 모델을 적용하였다. 전극은 구리 평판을 적용하였으나 실제 두께가 0.5 mm 이하로 매우 얇다고 가정하여 해석 모델링에는 포함하지 않았다. 가진면을 제외한 외부 면에는 자유 경계조건을 적용하였다. 가속도 감도는 베이스 하부 면에 축방향으로 1 g의 가속도를 인가했을 때 세라믹에서 발생되는 출력 전압의 크기로 계산되었다.

Fig. 3.

(Color available online) (a) Measurement setup and (b) Finite Element Model (FEM) for sensitivity of a single accelerometer and (c) comparison of measurement and FEM results.

시험과 해석 결과를 Fig. 3(c)에 비교하였으며, 시험 결과는 실선으로, 해석 결과는 점선으로 표시하였다. 가로축은 가속도계 소나센서가 수신하고자 하는 음향 신호의 주파수 대역 최대값 f₀로 정규화하여 나타내었다. 시험 결과는 제작된 4개의 가속도계에 대한 평균값을 나타내었으며, 각각의 가속도계는 수신 주파수 전체 대역 내에서 최대 3.5 % 이내의 감도 편차를 가지므로 거의 동일하다고 간주하였다. 제작된 가속도계의 감도는 유한요소해석을 통해 계산된 결과와 유사하게 측정되었다. 해석으로 계산된 가속도 감도는 약 163 mV/g이며, 수신 주파수 대역 내에서 거의 일정한 값을 갖는다. 측정 결과는 0.5 f₀ 이하 주파수까지 약 180 mV/g 로 해석 결과와 1 dB 이내로 유사한 감도가 나왔지만, 주파수가 높아지면서 평탄도가 유지되지 않고 최대 수신 주파수 f₀에서 215 mV/g로 약 2.5 dB 높게 나타났다. 본 논문의 가속도계는 수중 음파 입자가속도 수신을 위하여 하우징과 베이스를 최대한 넓고 얇게 제작하였으며, 별도의 고정용 구조물 없이 양면테이프로 진동 시험기에 부착된 조건에서 측정되었다. 이러한 조건으로 인해 공진 주파수가 낮아진 것^[8]이 오차의 원인으로 추정되었고, 공기중 진동 시험과 달리 고정 조건이 변경된 가속도 센서의 수중 음향 수신시험에서는 관심 주파수 대역에서 선형적으로 증가하는 수신감도 특성을 가지는 것을 확인하였다.

III. 가속도계 배열 제작 및 검증

일반적으로 음향 센서는 지향성 등 사용자가 원하는 성능을 확보하기 위하여 여러 개의 단일 센서들을 배열로 구성하여 사용한다. 또한 배열을 하나의 채널로 연결할 경우에는 단일 센서 대비 높은 감도, 낮은 잡음 등의 효과를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 단일 가속도계 4개를 y축 방향으로 선형 배열하여 하나의 채널로 구성하였으며, 모든 가속도계는 x축으로 눕혀서 가속도를 수신하는 축의 방향이 음파의 수신방향과 일치하도록 배치된다. 4개의 가속도계는 2개씩 직렬로 연결되었고, 직렬 연결된 두 쌍은 서로 병렬로 연결하였다. 가속도계 배열을 수중에서 사용하기 위해 외부에 폴리우레탄 몰딩을 통해 수밀과 절연을 구현하였다. 폴리우레탄 몰딩의 굽힘파 영향을 최소화하기 위하여 가속도계 사이의 몰딩부는 배선에 필요한 최소한의 직경으로 얇게 설계하였다.

Fig. 4.

(Color available online) Configuration of an accelerometers array.

제작된 가속도계 배열의 음향 수신감도 측정은 Fig. 5(a)와 같은 구성으로 음향수조 환경에서 수행되었다. 음향 신호는 표준 송신기(ITC1007, Gavial ITC, Santa Barbara, CA, USA)를 이용하여 송신하였다. 파형 발생기(PXIe-5433, NI, Austin, TX, USA)에서 사인파 송신 신호를 생성하였고, 전력 증폭기(L20, Instrument Inc., San Diego, CA, USA)를 통해 증폭되어 표준 송신기에 인가되었다. 원거리장에서 음압을 측정하기 위해 가속도계 배열을 표준 송신기로부터 5 m 거리에 위치시켰다. 수신된 신호는 전치 증폭기(2692D, Brüel & Kjær, Nærum, Denmark)와 필터(3944, Krohn-Hite, Brockton, MA, USA)를 통해 증폭 및 필터링되어 PC까지 전송되었다. PC에서는 아래의 Eq. (1)을 통해 수신 전압감도(Receiving Voltage Sensitivity, RVS)를 계산한다.

여기서 RX는 수신전압 준위, TL은 거리에 따른 감쇠, TX는 송신전압 준위, M은 증폭비, TVR은 프로젝터의 송신 전압감도(Transmitting Voltage Response, TVR)이며 모두 데시벨(dB) 스케일로 표현된다.

Fig. 5.

(Color available online) (a) Measurement setup and (b) FEM for sensitivity of an accelerometers array and (c) comparison of measurement and FEM results.

시험 결과와의 비교를 위하여 Fig. 5(b)와 같이 유한요소 모델을 통해 수중 수신감도 성능 해석을 수행하였다. 가속도계 배열은 별도로 고정되지 않으며, 외부 경계면은 음향 반사가 없도록 완전정합층(Perfectly Matched Layer, PML) 조건을 주었다. 또한 1 μPa 의 평면파가 외부에서 센서 방향으로 수직 입사하도록 음장 조건을 설정하였고, 수신된 전압의 크기를 통해 음향 수신감도를 산출하였다.

시험과 해석을 통해 도출된 가속도계 배열의 음향 수신감도 결과를 Fig. 5(c)에 나타내었으며, 가로축은 f₀로 정규화하였다. 측정 결과를 실선으로, 유한요소 모델로 예측된 결과를 점선으로 도시하였다. 0.2 f₀ 이하 주파수에서는 파장 대비 음향수조 크기의 한계로 인해 시험이 불가능하였다. 측정된 수신감도 결과는 해석 결과와 2 dB 이내의 오차로 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 두 결과가 모두 주파수에 따라 선형적으로 증가하는데, 이는 가속도계가 음파의 입자 가속도를 감지하기 때문이다. 이러한 경향은 평면파에 대한 일반적인 식 Eqs. (2)와 (3)으로부터 설명이 가능하다.

여기서 p는 음압, 𝜌는 매질의 밀도, c는 음속, 𝜔는 각주파수이며, u와 a는 각각 음파의 입자 속도와 입자 가속도이다. Eq. (3)에서 보이는 것처럼 동일한 크기의 음압에 대하여 입자 가속도는 주파수에 비례하기 때문에, 입자 가속도를 측정하는 가속도계의 음향 수신감도는 주파수에 따라 증가하는 개형으로 나타나게 된다.

IV. 가속도계 배열이 적용된 수동 소나센서 제작 및 검증

가속도계가 적용되는 수동 소나센서는 높은 임피던스의 배플 레이어가 없으며, 낮은 임피던스의 차음배플과 가속도계 배열의 조합만으로 구성된다. 본 논문에서는 차음배플을 포함하는 가속도계 기반 소나센서의 모듈 단위 형상을 Fig. 6과 같이 설계하였다. 차음배플은 깊이에 따른 수압 조건에서의 형상, 차음 특성, 조립부 치수 등의 유지를 위하여 고강도 평판 사이에 차음 레이어가 존재하는 형태이다. 고강도 평판의 재료는 유리섬유 복합소재를 적용하였으며, 두께는 최대 주파수 기준으로 파장의 약 0.01배 수준으로 얇게 하여 차음 특성에 미치는 영향을 최소화하도록 설계하였다. 차음 재료는 폴리우레탄에 기공재를 혼합하여 약 600 kg/m³의 밀도와 300 m/s의 음속을 가진다. 차음 재료의 두께는 최대 주파수 f₀에서 계산된 파장의 약 0.5배가 되도록 설정하였다. 중앙에는 실제 함정 또는 시험 치구 등의 구조물에 조립하기 위한 설치부 4개소가 존재한다. 3장에서 설계된 가속도계 배열을 수평 방향으로 등간격 배치하여 하나의 모듈을 4개의 채널로 구성하였으며, 채널 간격은 중심 주파수의 반파장이 되도록 설계하였다. 실제 제작 시에는 모드 영향 최소화 및 수신감도 안정화를 위하여 가속도계 배열과 차음배플 사이의 모든 연결부에는 댐핑 재질을 적용하여 접착하였으며, 차음배플의 설치부 4개소에도 구조물의 진동 전달 최소화를 위하여 댐핑 재질의 방진 마운트 구조가 적용되었다.

Fig. 6.

(Color available online) Configuration of an accelerometer-based sonar sensor.

차음배플이 포함된 가속도계 기반 소나센서의 음향 수신감도 시험은 앞서 Fig. 5(a)에서 언급된 가속도계 배열의 수신감도 측정과 동일한 구성으로 수행되었다. 회절 영향이 최소화된 조건에서 특성을 확인하기 위하여, 3개의 차음배플이 수평 방향으로 배열된 조건에서 중심부 채널의 수신감도를 측정하였다. 또한 시험과 동일한 조건에서 가속도계 기반 소나센서 성능 분석을 위한 유한요소 해석 모델을 Fig. 7(a)와 같이 구성하였다. 연산량 절감을 위하여 좌우 대칭 조건과 음향 반사가 발생하지 않도록 PML 경계 조건을 설정하였으며, 전방에서 1 μPa의 평면파가 입사할 때 발생하는 전압의 크기를 통해 수신감도가 계산되었다. 메쉬의 크기는 각 영역별로 최대 주파수에서 파장의 1/6 이하로 선정하였다.

Fig. 7.

(a) FEM for sensitivity of an accelerometer-based sonar sensor and (b) measurement result compared with the FEM results.

측정한 수신감도 결과와 해석 결과를 Fig. 7(b)에 비교하였다. 가로축은 f₀로 정규화하였으며, 실선과 점선은 각각 측정과 해석 결과를 나타낸다. 마찬가지로 0.2 f₀ 이하 주파수에서는 파장 대비 수조의 크기가 작아 측정이 불가능하였다. 하지만 시험이 가능한 0.2 f₀ 이상의 주파수 범위에서는 측정된 수신감도가 해석 결과와 거의 일치하고 있다. 기본적으로 입자 가속도를 감지하기 때문에 가속도계 배열과 마찬가지로 주파수에 따라 감도가 증가하는 경향이 나타난다. 차음배플의 구조적 모드로 인해 저주파에서 약간의 감도 불안정성이 존재하나, 그 영향이 크지 않아 안정적인 수신이 가능한 것으로 판단된다.

측정된 음향 수신감도는 0.2 f₀에서 1.0 f₀까지의 대역에서 대략 –195 dB에서 –182 dB까지의 값을 가진다. 한편 Fig. 5(c)에서 나타낸 차음배플이 없는 가속도계 배열만의 수신감도는 동일한 주파수 범위에서 –200 dB에서 –186 dB의 값을 갖는데, 이로부터 가속도계 기반의 소나센서의 수신감도가 차음배플과의 조합으로 인하여 4 dB 이상 증가함을 알 수 있다. 이는 서론에서 언급된 것과 같이 입자 가속도를 감지할 경우 차음배플에서 반사파와 입사파가 같은 위상으로 중첩됨으로써 나타나는 현상이다. 이로부터 제작된 가속도계 기반의 소나센서에서 음파의 입자 가속도 수신과 차음배플의 전방신호 증폭 메커니즘이 잘 구현되고 있음을 알 수 있다.

마지막으로 가속도계 기반 소나센서의 수신 특성 및 차음 성능을 기존의 음압 감지 방식과 비교하기 위하여, 음압 하이드로폰을 적용한 소나센서 모듈에 대해서도 제작 및 시험을 수행하였다. 음압 하이드로폰은 가속도계와 비슷한 크기의 구형 압전 세라믹을 사용하였으며, 가속도계와 같은 위치에 하이드로폰을 놓고 동일한 재료와 형상으로 몰딩하여 음압 하이드로폰 배열을 제작하였다. 배플 레이어 구조는 Fig. 1(a)에서 기술된 것처럼 낮은 임피던스 배플과 하이드로폰 사이에 높은 임피던스 배플을 추가하였다. 낮은 임피던스 배플은 Fig. 6의 가속도계 기반 소나센서에서 사용한 것과 동일한 것을 그대로 사용하였으며, 높은 임피던스 배플은 스틸 평판을 적용하였다. 스틸 평판의 면적은 차음배플과 동일하며 두께는 최대 주파수 f₀에서 스틸의 음속 기준으로 파장의 0.02배로 설정하였다. 높은 임피던스 배플의 추가로 인하여 단위 모듈의 중량은 약 40 kg 증가하였으며, 낮은 임피던스 배플만이 존재하는 가속도계 기반 소나센서 구성에 비해 4배 정도 무거워진다.

제작된 음압 하이드로폰 기반 소나센서의 수신감도 측정 및 유한요소 해석 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 가로축은 f₀로 정규화되었고, 실선과 점선은 각각 측정과 해석 결과이다. 측정과 해석은 모두 가속도계 기반 소나센서와 동일한 조건으로 수행되었다. 측정이 가능한 주파수 대역 내에서는 시험 결과와 해석 결과가 잘 일치하고 있다. 수조 크기의 문제로 0.2 f₀ 이하의 주파수 범위에서는 측정이 불가능했으나, 해석 결과로부터 수신감도 널(null) 개형이 0.1 부근에서 나타날 것으로 예상된다. 스틸 배플의 경우 음속이 매우 높으므로 0.2 f₀ 이하의 주파수에서는 파장 대비 스틸의 두께가 0.004 이하가 되어 해수와 임피던스 차이가 있다고 하더라도 대부분 투과된다. 반면 차음배플의 경우 음속이 매우 낮기 때문에 같은 주파수에서 파장 대비 두께가 0.1 이상으로 반사의 영향이 나타나게 된다. 그 결과 저주파 대역에서는 높은 임피던스 배플보다 낮은 임피던스 배플에 의한 반사 효과, 즉 음압의 상쇄가 더 지배적으로 나타나고, 점차 주파수가 올라갈수록 높은 임피던스 배플에 의한 중첩 효과가 발생하면서^[9] 수신감도의 널 개형이 나타나게 된다. 이러한 널 현상은 음압 감지식 소나센서의 저주파 탐지 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있으며, Fig. 7에서 보였던 것처럼 음압이 아닌 입자 가속도 감지식 가속도계 기반 소나센서를 통해 개선될 수 있다.

Fig. 8.

Measurement and FEM results for sensitivity of a pressure hydrophone-based sonar sensor.

차음 성능의 비교를 위하여 전후방 수신감도 차이에 대한 시험을 수행하였다. 소나센서 단위에서 전방 수신감도는 전방 표적신호에 대한 민감도를 의미하므로 높을수록 유리하며, 후방 수신감도는 후면 소음에 대한 민감도를 의미하므로 낮을수록 유리하다. 따라서 전후방 수신감도의 차이는 후방 진동소음에 비해 전방 표적신호를 얼마나 잘 수신하는지를 의미하는 소나센서의 중요한 성능 지표이다. 후방 수신감도는 Fig. 6에서 보인 수동 소나센서를 180° 회전시켜 표준 송신기가 배플의 후방에 위치하도록 조정한 후, 전방 수신감도와 동일한 시험 환경 및 절차를 통해 측정되었다. 전후방 감도 차이는 데시벨로 표현된 전방 수신감도에서 후방 수신감도를 뺀 값으로 계산되었다.

음압 하이드로폰 기반 소나센서와 가속도계 기반 소나센서에 대한 후방 수신감도와 전후방 수신감도 차이의 측정 결과를 Fig. 9에 나타냈다. 검은색은 음압 하이드로폰, 빨간색은 가속도계 기반 소나센서의 값이다. Fig. 9(a)의 후방 수신감도는 두 가지 타입의 소나센서 모두 배플의 차음 효과로 인해 Figs. 7과 8의 전방 수신감도 대비 낮게 나타났다. 저주파에서는 입자 가속도를 수신하는 가속도계가 음압 하이드로폰 대비 수신감도 자체가 낮고 높은 임피던스 배플의 효과도 미미하기 때문에, 낮은 임피던스 배플의 차음 효과가 동일하게 작용하더라도 가속도계 기반 소나센서의 후방 수신감도가 더 낮은 값을 갖는다. 고주파로 갈수록 음압 하이드로폰은 높은 임피던스 배플의 차음 효과가 더해진다. 그 결과 0.6 f₀ 이상의 높은 주파수에서는 음압 하이드로폰의 후방 수신감도가 더 낮게 나타난다.

Fig. 9.

(Color available online) Measurement of (a) rear sensitivities and (b) difference between front and rear sensitivities of pressure hydrophone-based and accelerometer-based sonar sensors.

후면 진동소음 대비 전방 표적신호의 수신 성능을 의미하는 전후방 수신감도 차이를 Fig. 9(b)에 비교하였다. 0.6 f₀ 이하에 해당하는 낮은 주파수에서는 가속도계 소나센서가 음압 하이드로폰 소나센서보다 전후방 수신감도 차이가 크고, 반대로 0.6 f₀ 이상의 높은 주파수에서는 음압 하이드로폰 소나센서가 전후방 감도 차이가 크다. 저주파에서는 낮은 임피던스 배플의 영향이 크기 때문에, 음압 감지 소나센서의 전방 감도는 널 효과로 인해 저하되고 가속도 감지 소나센서의 전방 감도는 중첩 효과로 증가하여 더 우수한 전후방 감도 차이 성능을 갖게 된다. 반대로 고주파에서는 높은 임피던스 배플의 효과가 더해져 음압 감지 소나센서의 전방 감도는 증가하고 후방 감도는 감소하면서, 가속도계 감지 소나센서보다 우수한 전후방 감도 차이를 보인다. 본 논문의 선체부착형 소나센서가 저감하고자 하는 후면 진동소음은 주로 수백 Hz의 낮은 주파수 대역으로 0.3 f₀ 이하 대역에 포함된다. 이러한 저주파 대역에 분포하는 후면소음 영향을 저감하기 위해서 가속도계 기반의 소나센서를 적용할 경우, 무거운 배플 구조물 없이도 음압 하이드로폰 기반 소나센서 대비 개선된 후면소음 차단 성능을 구현할 수 있음을 보였다.

V. 결 론

본 연구에서는 입자가속도를 감지하는 가속도계 기반의 선체부착형 수동 소나센서를 제안하였다. 가속도계 기반 소나센서는 기존의 음압 하이드로폰 기반 소나센서와 달리 후방의 진동소음 차단을 위해 음향 임피던스가 높은 고중량의 스틸 배플이 요구되지 않는다. 또한 기존 음압센서 기반 소나센서에서 나타나는 저주파 대역의 전후방 감도 역전 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 본 연구에서는 단일 가속도계부터 가속도계 배열 및 배플 구조를 포함하는 수동 소나센서 모듈 단위까지 각 단계별로 유한요소 해석을 통해 수신 성능을 예측하였고, 제작과 시험을 통해 그 성능을 검증하였다. 또한 스틸 배플과 차음배플을 모두 포함하는 음압 하이드로폰 기반 소나센서와의 비교를 통해, 후면 진동소음이 영향을 미치는 낮은 주파수 대역에서 가속도계 기반 소나센서의 더 우수한 차단 성능 확인하였다.