KR100558902B1

KR100558902B1 - 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향홀로그래피산출방법

Info

Publication number: KR100558902B1
Application number: KR1020040091292A
Authority: KR
Inventors: 김시문; 최영철; 임용곤
Original assignee: 한국해양연구원
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-03-10

Abstract

본 발명은 수중음향 홀로그래피 측정방법에 관한 것으로써 상세하게는 공기와 물간의 접촉면에서의 음향특성을 고려하고, 다수의 수직배열수중음향센서를 이용하여 표면에서의 음압이 0이 된다는 조건을 응용하여 음장을 가시화할 수 있는 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피 산출방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 구성은 소정의 음향을 출력하는 수중음원과, 상기 수중음원에서 발생된 음향을 감지하는 적어도 하나이상의 수직배열센서와, 상기 수직배열센서에서 출력되는 감지신호를 아날로그신호로 변환시키는 다채널컨버터와, 상기 다채널컨버터에서 인가되는 컨버팅된 신호를 분석하여 음압분포를 예측하는 음압분포예측수단과, 상기 음압분포예측수단에서 연산예측된 음압분포를 표시하는 디스플레이를 포함하는 음향 홀로그래피시스템에 있어서, 상기 음압분포예측수단은 물과 공기가 접촉하는 수면에 상기 수중음원과 180도의 위상차를 갖는 가상음원이 존재하므로 상기 수중음원의 음원과 크기가 같고 부호는 반대인 가상음압이 형성됨을 조건으로 하여 실제음원에서 상기 가상음원을 마이너스연산하므로써 음압측정면의 파수성분을 산출하여 실제공간함수의 음압분포를 산출하는 것을 특징으로 한다.

홀로그래피, 수중음향, 반사파, 가상음원

Description

공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피산출방법{Underwater acoustic holography computation method considering reflected waves by air-water interfaces}

도 1은 반사파가 존재하지 않는 공간에서의 음파전달경로를 나타낸 측면도,

도 2는 반사파가 존재하는 공간에서의 음파전달경로를 나타낸 측면도,

도 3은 본 발명에 따른 수중음향 홀로그래피시스템을 나타낸 블럭도,

도 4는 본 발명에 따른 반사파가 존재하는 공간에서의 가상음원 및 가상배열센서를 고려한 음파전달경로를 나타낸 측면도,

도 5a는 수중음향의 실제 음압분포를 나타낸 그래프,

도 5b는 반사파를 고려하지 않은 경우의 예측음압분포를 나타낸 그래프,

도 5c는 본 발명에 따른 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 음장예측방법이 적용되어 반사파를 고려하는 경우의 예측음압분포를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 수중음원 20 : 수직배열센서

30 : 증폭수단 40 : 다채널컨버터

50 : 음압분포예측수단 60 : 디스플레이

일반적으로 음향 홀로그래피란 음원을 둘러싸는 면에서의 음장측정으로 통해서 임의의 위치에서 음향변수값을 예측하는 방법으로 이를 수면아래에서 적용함에 따라 음원에 의해 형성되는 음장을 가시화하게 되며 이때 수면아래에서 음장측정에서는 반사파의 유무를 고려해야된다.

도 1은 반사파가 존재하지 않는 공간에서의 음파전달경로를 나타낸 측면도이고, 도 2는 반사파가 존재하는 공간에서의 음파전달경로를 나타낸 측면도이다.

도 1을 참조하면, 음원(1)은 소정의 음향을 출력하고, 수직배열센서(2)는 상기 음원(1)으로부터 발생된 음향을 감지하여 이를 소정의 측정장치에 전달하게 된다.

이경우에서는 수면아래에서 상기 음원(1)으로부터 발생된 음향을 상기 수직배열센서(2)에서 감지하여 이를 별도의 분석수단에 인가하게 된다. 이때 상기 분석수단은 하기의 수학식 1에 의한 수중공간에서의 음압분포를 연산하게 된다.

는 공간상의 음압이고,

는 X축, Y축, Z축방향의 파수,

는 X축, Y축, Z축방향의 좌표이다.

음향 홀로그래피를 이용한 음장예측방법은 평면파의 조합으로 표현하여 가능하며, 음장의 한주파수성분은 파수성분의 적분형태로 표현이 가능하며 카티잔좌표를 이용할 경우 상기 수학식 1과 같은 방정식이 설정될 수 있다. 여기서 P는 공간상의 음압을 표시하고, 파수

는 한평면에서 음압분포

로부터 하기의 수학식 2에 의해 구해질 수 있다.

따라서 한 평면에서의 음압측정치로부터 수학식 2에 의해 파수성분을 구하면 이를 수학식 1에 대입하여 임의의 위치에서의 음장예측이 가능하다.

그러나 일반적으로 수면아래에서 발생된 음향은 물과 공기의 접촉면에서, 도 2에 도시된 바와 같이, Z축방향의 반사파가 존재하게 되어 소음원이 발생하는 음압과의 중첩에 의해 또 다른 음압이 형성된다. 따라서 종래의 홀로그래피는 양의 Z축방향으로 전파하는 성분만이 존재한다는 가정하에 유도되어 반사파가 존재하지 않는 공간에서만 적용되는 수학식 1로는 적용 될 수 없는 문제점이 있다.

따라서 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 다수의 수직배열센서로 구성되어 반사파의 영향이 큰 수면근처에서도 음향 홀로그래피를 이용하기 위해 표면에서 음압이 0이된다는 조건을 응용하여 음장을 가시화할 수 있는 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피 산출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위한 본 발명의 구성은 소정의 음향을 출력하는 수중음원과, 상기 수중음원에서 발생된 음향을 감지하는 적어도 하나이상의 수직배열센서와, 상기 수직배열센서에서 출력되는 감지신호를 증폭시키는 증폭수단과, 상기 증폭수단에서 증폭된 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키는 다채널컨버터와, 상기 다채널컨버터에서 인가되는 컨버팅된 신호를 분석하여 음압분포를 예측하는 음압분포예측수단과, 상기 음압분포예측수단에서 연산예측된 음압분포를 표시하는 디스플레이를 포함하는 음향 홀로그래피시스템에 있어서, 상기 음압분포예측수단은 물과 공기가 접촉되는 수면을 기준으로 수중음원과 대칭되는 위치에 180도의 위상차를 갖는 가상음원이 존재하고 상기 수중음원과 크기가 같고 부호는 반대인 가상음압이 형성됨을 조건으로 하여 실제음원에서 상기 가상음원을 마이너스연산하므로써 음압측정면의 파수성분을 산출하여 실제공간함수의 음압분포를 산출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 음압측정면의 파수성분은

은 X축, Y축, Z축 방향의 파수,

는 음압측정면의 파수성분,

은 실제음원,

는 측정면의 X좌표,

는 가상음원, D는 원점에서 표면까지의 거리

에 의해 연산되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피시스템을 나타낸 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 수중음원(10)은 소정의 음향을 발생시키고, 수직배열센서(20)는 상기 수중음원(10)에서 발생되는 음향을 감지하고, 증폭수단(30)은 상기 수직배열센서(20)에서 출력되는 감지신호를 증폭하고, 다채널컨버터(40)는 상기 수직배열센서(20)에서 출력되는 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시켜 출력하고, 음압분포예측수단(50)은 상기 다채널컨버터(40)에서 출력되는 신호가 인가되는 수중음원(10)의 실제음원에서 가상음원(80)을 마이너스연산하여 공간상의 주파수성분을 구하고, 연산된 주파수성분을 상술한 수학식 1에 대입하여 실제공간에서의 음압분포를 연산한다. 디스플레이(60)는 상기 음압분포예측수단(50)에서 출력되는 연산결과를 표시한다.

즉, 상기 수중음원(10)은 소정의 음향을 발생시키고, 발생된 음향을 상기 수 직배열센서(20)에서 감지하여 이를 상기 증폭수단(30)에 인가한다. 그러므로 상기 증폭수단(30)은 인가되는 감지신호를 증폭하여 다채널컨버터(40)에 인가하고, 상기 다채널컨버터(40)는 감지신호를 아날로그신호로 변환시켜 이를 음압분포예측수단(50)에 인가한다.

그러므로 상기 음압분포예측수단(50)은 인가되는 실제음원에서 가상음원을 마이너스 연산하게 되며, 이때 고려되는 가상음원은 도 4에 도시된 바와 같다.

도 4는 본 발명에 따른 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피에서 가상음원을 나타낸 측면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 음압분포예측수단(50)은 물과 공기가 만나는 표면에서 수중음원(10)의 실제음원과 180도의 위상차를 갖고, 크기는 갖지만 음의 부호를 갖는 가상음원(80)이 있는것을 조건으로 하여 실제음원에서 가상음원을 마이너스하여 실제공간에서 음압측정면에서의 파수성분을 연산한다.

즉, 본 발명에서는 종래의 기술에서 상술한 바와 같이 표면 반사파가 존재하면 수중음원(10)에서 발생된 음압과의 중첩에 의해 새로운 음압이 형성되므로, 상기 음압분포예측수단(50)은 표면에서 다른 이물질이 존재하지 않으며 파도가 없이 조용한 평면을 갖으므로 표면에서 음압이 0이 된다는 가정을 성립한다. 따라서 본 발명에서는 이러한 가정에 근거하여 가상음원(80)과 가상수직배열센서(90)를 설정하므로써 표면에서 0이되는 음압을 설정하게 된다.

그리고, 상기 음압분포예측수단(50)은 수중 및 표면에서 가로축방향을 X 축, 세로축을 Z축, 평면에서의 수직방향을 Y축이라 설정하고, 아울러 상기 Z축은 X축과 Y축과는 달리 물과 공기의 접촉면을 기준으로 하여 대칭됨에 따라 상기 가상음원(80)에서 음의 부호를 부여한다.

그러므로 상기 음압분포예측수단(50)은 가상음원(80)에서 실제음원에 대하여 역위상을 갖고 부호가 반대인 X축과 Y축은 동일부호를 부여하고 Z축은 음의 부호를 갖는 조건을 설정하므로써 상기 반사파에 의한 중첩성분을 실제음원(10)에서 마이너스 시킴에 따라 반사파가 중첩되지 않는 실제공간에서의 음압분포를 예측할 수 있게 된다. 이는 하기의 수학식 3에 나타낸 바와 같다.

은 X축, Y축, Z축 방향의 파수,

는 음압측정면의 파수성분,

은 음원에 의해 형성되는 측정음압,

는 측정면의 X좌표,

는 가상음원에 의해 형성되는 음압, D는 원점에서 표면까지의 거리

상기 수학식 3은 음압측정면의 주파수성분, 즉 실제공간에서의 파수성분을 연산하는 수식으로써 실제음원(10)에서 반사파에 의한 중첩되는 부분을 고려하여 가상음원(80)을 설정하고, 상기 가상음원(80)을 마이너스 연산하므로써 산출된다. 여기서 상기 가상음원(80)의 Z축은 수면아래에서의 Z축과는 180도 위상차가 나므로 마이너스부호가 부여되고, 실제음원(10)에서 가상음원(80)까지의 거리(2D)에서 마이너스 연산됨에 따라 상기와 같은 수학식 3이 완성된다.

그러므로 상기 음압분포예측수단(50)은 상술한 바와 같이 공간에서의 파수성 분을 산출하면, 산출된 음압측정면의 파수성분을 상술한 수학식 1에 대입하므로써 실제 공간에서의 음압분포가 연산된다. 그리고 상기 음압분포예측수단(50)은 상기와 같은 수학식 1 및 3에 의해 연산된 공간에서 표현되는 예측음압을 상기 디스플레이(60)수단에 인가하고, 상기 디스플레이(60)수단은 이를 표시한다.

도 5a 내지 도 5c는 각 조건하에서의 음압분포측정결과를 나타낸 그래프로써 도 5a는 실제음압분포를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 반사파를 고려하지 않은 경우의 예측음압분포를 나타낸 그래프이고, 도 5c는 본 발명에 따른 반사파를 고려하는 경우의 예측음압분포를 나타낸 그래프이다.

도 5a에 도시된 실제음압분포는 반사파가 전혀 발생되지 않는 실험환경에서측정된 그래프로써 도 5b에 도시된 반사파를 고려하지 않은 예측음압분포와는 세로축(K×Z)에서 +2.6파이(Pi)부근에서

음압분포가 다르게 형성되며, 도 5c의 본 발명에 따른 반사파를 고려한 경우의 예측음압분포와는 거의 동일하게 나타난다.

즉, 도 5b의 반사파를 고려하지 않은경우와 본 발명이 적용된 도 5c의 반사파를 고려한 경우는 상술한 도 5a의 실제음압과 비교하여 세로축(K×Z)에서 +2.6파이부근의 음압분포가 도 5b와는 다르고, 도 5c와는 동일하게 형성됨을 알 수 있다.

본 발명은 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피 산출방법은 반사파가 존재하는 공간에서도 수중 소음원 및 수중음장의 특성분석이 용이하며 임의의 위치에서의 음향변수예측이 가능하여 3차원에서의 음장가시화가 가능하므로 표면반사파의 영향을 줄이기 위해 깊은 수조를 이용하여 깊은 곳에서 측정을 하여야 하는 시간과 노력 및 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims

소정의 음향을 출력하는 수중음원(10)과, 상기 수중음원(10)에서 발생된 음향을 감지하는 적어도 하나이상의 수직배열센서(20)와, 상기 수직배열센서(20)에서 출력되는 감지신호를 증폭시키는 증폭수단(30)과, 상기 증폭수단(30)에서 증폭된 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키는 다채널컨버터(40)와, 상기 다채널컨버터(40)에서 인가되는 컨버팅된 신호를 분석하여 음압분포를 예측하는 음압분포예측수단(50)과, 상기 음압분포예측수단(50)에서 연산예측된 음압분포를 표시하는 디스플레이(60)를 포함하는 음향 홀로그래피시스템에 있어서, 상기 음압분포예측수단(50)은

물과 공기가 접촉되는 수면을 기준으로 수중음원(10)과 대칭되는 위치에 180도의 위상차를 갖는 가상음원(80)이 존재하고 상기 수중음원(10)의 실제음압과 크기가 같고 부호는 반대인 가상음압이 형성됨을 조건으로 하여 실제음원에서 상기 가상음원(80)을 마이너스연산하므로써 음압측정면의 파수성분을 산출하여 실제공간함수의 음압분포를 산출하는 것을 특징으로 하는 공기.물 접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피 산출방법.
제 1 항에 있어서, 상기 음압측정면의 파수성분 연산은

은 X축, Y축, Z축 방향의 파수,
는 음압측정면의 파수성분,
은 음원에 의해서 형성되는 음압,
는 측정면의 X좌표,
는 가상음원에 의해서 형성되는 음압, D는 원점에서 표면까지의 거리

에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 공기. 물접촉면의 반사파를 고려한 수중음향 홀로그래피 산출방법.