음향 센서 SONAR

개요

음성센서 즉 음향 센서는 소리를전기 신호로 변환해 주는 역활을 수행 합니다. 음향을 변환해주는 원리에서는 여러 가지가 있습니다. 종류로는동전형 정전형 압전형 접촉저항형으로의 탄소형등입니다.음성을 이러한 방법등으로 감지하여 전류 또는 전압신호로 변환하는 것입니다. 음향 음성 계측용으로 사용되고 있는 마이크로폰은 대부분이 방식에 있어서는 직류 바이어스 방식의 정전형이며 일부에서 초저주파음 또는 초고음압을 계측합니다.재질은 세라믹 소자를 사용한 압전형이 사용되고 있습니다.음향 센서는 과학기술의 발전으로 산업현장 과 군사목적용 다양한 용도로 사용하는 센서입니다.

내용

음향센서에서 압전형 마이크로폰방식의 경우에는 음향에 대한 물질에 외력을 가하여 변형이 생기면 그 변형에 비례한 전하가 생겨서 전압을 발생하는 방법을 이용한 것은 압전효과라 합니다. 특히 마이크로폰에는 지르콘지탄산연 등의 자기에 의한 소자를 사용하고 있습니다. 세라믹 소자는 바이모르프라고 하는 구조입니다. 굽힘의 응력에 대하여 전하를 발생하도록 설계합니다.세라믹 소자를 사용하는 음향센서의 경우 기계 임피던스가 높은 편입니다.이러한 임피던스가 낮은 공기와 정합을 취하기 위하여 성형된 진동판과 로드를 통해서 소자에 외력을 가하는 구조로 되어 있습니다.세라믹 마이크로폰도 정전형과 같이 그 출력 전압은 진동판의 진동 변위에 비례하는 방식으로 설계합니다. 사용 주파수 범위는 진동계의 공진 주파수 근처보다 낮은 주파수 범위입니다. 또한 전기 임피던스도 정전형과 같이 용량성이 높은 임피던스이며 일반적으로 임피던스 변화 기를 통하여 출력 전압을 발생합니다. 어업이나 군수용으로 사용하는 수중음향센서의 경우 배열 수중음향 센서를 일정한 형태로 배열하여 각각의 수중음향센서의 방향각을 더욱 좁게 하거나 음압을 증가 시킴 Beam Forming의 원리를 사용합니다. 센서에는 서로 다른 위상으로 구동신호를 주게 되고 센서의 일정한 회전 없이도 초음파신호의 전방향 송수신 가능 Beam Steering 원리입니다. 즉 전기적 신호를 음파로 변환하여 음파를 방출.Hydrophone 음파를 수신하여 전기적 신호로 변환 하는 원리 입니다.

소너 SONAR

종 류

음향 센서의 종류에는 Onpilz transducer, Flextensional transducer, Magnetostrictive transducer, FFR transducer 등 다양한 종류가 있습니다. 심해저용으로는 압전형 유연성을 가진소나 변환기의 방식으로 명칭은 다음과 같습니다. Piezoelectric Flextentional Deepwater sonar transducer입니다. 또한 Flextensional transducer 방식의 경우에서는 압전체와 금속층으로 구성되는 센서입니다. 압전체와 금속의 모양 및 종류 그리고 크기에 따라서 음압의 크기와 방향성이 변하게 됩니다 동작형태는 마이크로폰은 음향신호를 변환기를 통하여 전기적인 신호로 변환시켜 주는 것입니다 현재 사용되고 있는 마이크로폰은 콘덴서 마이크로폰. 그리고 압전 마이크로폰과 탄소 마이크로폰 등 여러 가지가 있습니다. 이러한 음향센서의 측정의 기준이 되는 표준은 장소나 시간에 구애받지 않고 여러 가지 다른 조건 하에서도 가급적 일정한 특성이나 양을 가져야 합니다 음향분야의 표준은 마이크로폰의 감도를 정확하게 결정하는 방법에 대한 것으로서 일반적으로 가역교정 방법을 사용하며 이는 국제전기기술위원회인 약칭 IEC의 규격인 IEC 61094-2dp 규정되어 있습니다.

소나

소나의 영어 명칭은 Sound Navigation and Ranging입니다. 이 의미는 Sound Navigation and Ranging의 약어로 수중에서 중요한 탐지장치로 사용되는 장비입니다. 특정 물체 잠수함등의 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비를 의미하며 음향탐지장비 혹은 음탐기로도 할 수 있습니다 공기 중에서는 음파의 전달 속도에 비할 수 없이 빛의 속도인 Electromagnetic Wave가 보다 빠르고 멀리 전달됩니다. 이러한 전파의 특징 때문에 이를 이용하여 공중지상 및 해상의 물표를 탐지할 수 있는 것이 라이더 RADAR이며 이에 대응되는 수중용 장비가 바로 소나라고 할 수 있습니다 소나에 적용되는 음파는 초속 약 1천5백 m 되는 압력파로서 수중에서 잘 전달되는 특징을 갖고 있습니다 그러므로 현재까지 수중에 존재하는 여러 가지 목표를 능동방식과 수동 방식으로 탐지하는 유일한 수단으로 활용되며 목적 및 용도에 따라 여러 가지 형태의 소나들이 개발되어 운용되고 있습니다. 소나의 역사를 보면 약 15세기에 레오나르도다빈치 Leonardoda Vinci에 의해서. 일정한 튜브 막대기를 물에 넣고서 그 튜브를 통하여 귀로 들으면 먼 거리 배에서 나는 소리를 들을 수 있는 것을 발견하였습니다. 이것이 소나의 시작이라고 할 수 있으며 이것이 수동소나의 기원이입니다. 소나의 발달 과정은 수중음파의 특성의 이해와 원리 그에 따른 변환기센서의 개발 전자장비의 발달등과 밀접한 관계가 있습니다 1820년경에 스위스의 물리학자다니엘 콜라돈 Daniel Colladon 그리고 프랑스의 수학자 찰스 스트름Charles Sturm에 의해 전등 불빛과 수중의 종소리와의 시간차로 수중음파의 속도를 측정한 것을 바탕으로 하여 시초로 오늘날 온도염분도 및 압력에 의해 음속이 변함을 알게 되었습니다. 1880년 자크 Jacques와 피에르 쿠리 Pierre Curie가크리스털에 기계적인 압력을 가하면 크리스탈 양단에 전하가 발생된다는 압전효과 Piezoelectricity을 확인했습니다. 이 무렵 제임스 쥴 James Joule 이 어떤 물질에 자장을 걸면 부피의 변형을 일으킨다는 자왜현상 Magnetostrictive Phenomena과 같은 변환현상을 발견한 것이 현재의 압전 세라믹 소재를 이용한 음향센서의 시작입니다 음향 탐지가 이루어지기 위해서는 탐지 목표물이 방사하는 소음을 일방적으로 듣고 방위를 알아내는 방법과 적절한 음향을 방사하고수중의 물체에 부딪혀 돌아오는 반사음 Echo을 잡아 방위와 거리를 알아내는 방법으로 구분할 수 있습니다이 두 가지 방법의 주요 요소는 음파센서 및 변환된 신호를 운용자가 알 수 있는 방법으로 표출해 내는 신호처리기 즉 전자 장비인데 진공관이 발명되기 전까지는 소나로서 이렇다 할 발전이 없었습니다. 그러나 계속적인 기술 발달로 1912년경에 타이타닉호 가야 간 항해 중 빙산에 충돌하여 침몰된 대참사는 육안으로 볼 수 없는 수중의 장애물을 에코레인 Echo Ranging)에 의해 알아낼 수 있는 능동소나의 필요성을 고조시킨 결정적 계기가 되었습니다 그 이후에 전쟁 즉제 1차 세계대전 발발 후 독일의 전략 잠수함인 U보트에 의한 피해가 급격히 증가함에 따라 잠수함을 발견하여야 하는 긴급한 이유들로 인하여 소나의 연구는 본격적으로 발전하기 시작했습니다. 기술 발달의 역사는 1914년 미국의 페센든 Fessenden 이 가동 선륜형 트랜스듀서 Moving Coil Transducer를 고안하였습니다. 이를 이용하여 검출거리 약 1마일 떨어진 빙산을 탐지하는 데 성공하였습니다.그리고 1918년 프랑스의 랑개빈 Langevin은트랜스듀서와 진공관 증폭기를 이용하여 검출거리 1500m 떨어진 잠수함을 탐지하는데 성공하였습니다. 소나의 기술 발전은 전쟁 즉 제1차 세계대전과 제2차 세계대전 사이는 전쟁에서 비약적으로 발전하였습니다.

SONAR 용어의 유래

1938년 미국의 스필한스 Spilhans의 의하여 낸수직수온측정기를 깊이에 따른 온도 측정과 더불어 깊이에 따른 온도 기울기가 음의 전달 특성을 좌우하게 되어 탐지 불능대가 생김을 알아냈습니다. 따라서 이러한 문제를 해결하는 결정적인 계기가 되었습니다이와 같이 수중의 음파전달 특성이 매우 난해하고 전달과정의 환경에 크게 지배를 받는 것을 알게 되었습니다. 제2차 세계대전 기간 중에 잠수함의 위협이 크게 증대되어 이에 따른 소나의 의존도가 크게 높아졌으며 아울러 기술도 한 단계 높아지게 되었습니다. 라이더와 같이 지향성 BEAM을 만들어 3백60도로 탐지하는 소나가 발명되었고 소나의 이론 및 실제상 중요한 센서 감도의 정의 및 교정법등도 개발 되었습니다.강도수중 잔향소음과 같은 음향적 인자 등이 규명되었고 현대 기술중의 핵심 기술인 스텔스 Stealth 화로 일컬어지는 음파반사 억제 재질의 개발 등이 이루어 졌습니다.이렇게 기술발전을 가져 오면서  현대적의미의 소나의 형식을 갖추게 되었습니다.이렇게 하여 SONAR란 용어가 탄생되었습니다. 제2차 세계대전이 끝난 후에 PZT 계열의 압전소자 적용으로 감도가 향상된 센서가 적용되기 시작했습니다.

전기 및 전자공학의 발달에 힘입어 다양하고 복잡한 배열센서의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 소나도 개발되면서 소나의 면모를 갖추어 발전을 현재까지 지속하고 있습니다. 1970년대 까지의 음향센서에서는 변환 방식이 아날로그 회로에 기반을 둔 것이었습니다.그 이후 1980년대 이후에서는 공학 기술의 발전으로 디지털 기술의 급속한 발전 하였습니다.즉 시간과 공간적 신호처리를 가능하게 함으로써 다양한 용도의 소나가 출현하였습니다. SONAR는 함정이 안전한 항해를 하게 하고 위협이 되는 적의 수중 물체를 찾아내는 역할을 하는 해군의 필수 음향 장비가 된 것입니다 수상함정에서 발생한 음파가 표적에서 반사되어 되돌아오는 신호로서 적국의 잠수함이나 또는 부설되어진 기뢰 나 장애물등을 탐지하는 장비를 능동소나라 부르며 표적의 방향과 거리를 알 수 있게 되었습니다. 잠수함이 항해할 때 엔진이나 프로펠러에서 소음이 발생합니다.이렇게 잠수함에서 내는 소음을 먼 거리에서 수신하여 잠수함을 찾아내는 수동소나는 표적의 종류까지 식별할 수 있습니다. 소나의 성능을 결정하는 요소는 출력주파수 및 지향성 등입니다.출력을 높이기 위해서는 압전효과가 큰 음향소자를 사용하고 전기적으로 신호를 크게 증폭시키는 방법이 있으나 이 방법은 여러 가지 물리적 제한이 따른다낮은 주파수를 사용하면 음파가 멀리까지 전달되므로 소나의 탐지거리를 증가시킬 수 있으나 해상도가 저하되어 표적 식별이 어렵고 소나의 크기가 커지므로 무게가 증가되어 함정에서 운용할 때 기동성이 제한되는 것입니다.

전략무기 드론

 

부설된 기뢰나 공격해 오는 어뢰와 같이 수백미터 이내의 가까운 거리에 있는 표적을 탐지할 때는100Khz 이상의 고주파소나를 사용하고잠수함과 같은 원거리의 큰 표적은 그 특성 주파수 영역의 5Khz20Khz 사이의 저주파 소나를 사용 소나의 크기가 크고 고주파를 사용하면 음파를 집속하여송.수신하는 지향성이 좋아져서 표적의 위치를 정확히 찾을 수 있습니다 능동소나는 함정 앞부분에 설치하여 운용하는 함정소나 함정 뒷부분에서 케이블로 예인하면서 사용깊이를 조절할 수 있는가변심도 소나VDS가 있고 수동소나는 항공기에서투하하는 음향부표Sonobuoy,함정에서 케이블로 예인하는 예인선배열TASS,함정의 선체 주위에 부착하는선체 부착소나Flank Array와 해저 수 백킬로미터에 걸쳐 부설하는해역감시음향체계(SOSUS)등이 있습니다잠수함의 추진소음이 작아지거나 선체표면에 음파를 흡수하는코팅을 했을 경우에도 탐지거리는 현격하게 줄어 들수 있습니다.소나의 탐지능력 강화와 이를 회피하기 위한 감시용 창과 방어기술의 경쟁은 끝없이 현재에도 지속되고 있습니다.

잠수함 추적 음향센서.pdf

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소나 관련 항해통신기술 일부 인용자료. 잠수함 추적 음향 센서 자료 인용합니다