소나(SONAR) 이야기

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2014. 4. 4.

 

 

 

 

 

 

소나 (SONAR, Sound navigation and ranging, 소나)는 수중을 전파하는 음파를 이용하여 수상 선박이나 잠수함 , 수중이나 해저 물체를 수색, 탐지, 측거하는 장치이다. 초음파(ultrasound 또는 ultrasonic)송신기라고도 불린다. 수중 측정 적용 음파 발신 장치와 청음 장치의 조합으로 진동자 및 감지기를 중심으로 한 탐지 시스템 전체를 가리킨다. 일반적으로 초음파를 사용 음파를 발사하여 물체로부터의 반사에 의해 거리와 방위를 탐지하지만 반사가 아닌 수중의 물체가 발하는 소리를 탐지 · 측정하는 타입도 있다.

군용품으로 스스로 음파를 방출 모드 나 스스로는 음파를 발산 않고 청음하는 모드를 조합한 복잡한 대규모 수중 측정으로 장치에서 레저 용을 포함한 간단한 어군 탐지기 (SONAR, Sound navigation and ranging)까지 다양한 수중 음파 탐지기가 존재 한다 수심을 측정하는데 사용되기도 하며 선박의 항해 속도를 측정하는 도플러 소나도 존재 한다.

 

 

sonar_drawing

 

소나는 "Sound navigation and ranging"(음파 항해 및 범위)의 머리글자를 딴 영문 명칭 "SONAR"에 근거한다 영국에서는 1 차 세계 대전 때 영국 해군의 대잠 기술 전문가 및 과학자들에 의한 위원회 "ASDIC"(Anti-Submarin Detection Information Comittiee 대잠 탐지 정보위원회)에서 소나 장치가 그위원회의 이름으로 불리고 있던 적도있어 영국과 독일은 ASDIC이라고 불리는 경우가있다.

또한 레이더 (Radar) 가 전파송신기 라고도 불리듯이 소나를 초음파 송신기라고도 할수있다. 레이더가 전자파 (Electromagnetic wave)를 사용하여 파악하는 반면 소나는 초음파를 사용하여 파악할수있다.

 

 

fishfinder

 

어군 탐지기(fishfinder)

음파 기술은 민생 용도로도 어군 탐지기로 보급되고 있으며 해마다 정확성과 분석 기술이 크게 진보하며 소형화 되고있다. 어군 탐지기로 소나를 고무 보트에 탑재 할경우 디지털로 해석하는 유형까지 존재한다 이 외에도 고래를 위한 것은 고래 탐지 기계라고도 한다.

 

 

Sonar_Principle_EN 수중 음파 탐지기의 원리

 

역사

돌고래, 박쥐와 같은 동물들이 통신이나 물체 탐지를 위해 음파를 사용한 지는 수 백만 년 전부터이다. 처음으로 인간에 의해 수중에서 음파가 사용된 것은 1490년에 레오나르도 다빈치가 나팔 파이프와 청진기를 붙인 것 같은 기구를 만들어 작은 배 위에서 수중에 동의를 펴고 멀리 갈레온의 수중 소리를 듣고 음파는 수중 쪽이 공기보다 잘 전해지는 것을 확인하고 있다.

 

 

U 보트

 

1912년의 타이타닉 (RMS Titanic)호 침몰사고에 따라 해상에 떠있는 먼 곳의 빙산을 어떻게 든 조기에 발견하는 것이 요구되었다 타이타닉의 건조 국이었던 영국 뿐만 아니라 많은 희생자를 낸 이후에도 해상 교통을 이용해야했던 미국과 프랑스에서도 새로운 기술의 개발이 요구 되었다.

1914년에는 미국의 과학자 훼센덴이 활성 음파 탐지기의 원형이 되는 장치를 개발하고 2 마일 대상 빙산의 발견에 성공했다 그의 장치는 동적 스피커 의 가동 코일 과 같은 원리로 변형기 (송수신기)를 만들고, 1100Hz의 가청음에 의한 음향 빔을 한 방향으로 내버려 반향 파를 수신하는 것이었다 이 해에 제 1 차 세계 대전이 시작되면서 대전 후반에는 점차 유럽 각국의 선박에 독일 해군 의 잠수함 U 보트(U-boat; 1차 세계 대전 에서 차 세계 대전 시기의 독일 의 잠수함 의 총칭이다.) 에 의한 피해가 나오게 된다.

 

 

SchemaPiezo 압전 소자 가 변형 된 경우 전압 이 발생한다

 

1917년에는 프랑스 · 파리 공과 대학의 란쥬 반 박사가 결정(quartz)의 압전 효과 (piezoelectric effect)에 의한 고성능 변형기를 개발하고 진공관 식 앰프 와 함께 실용적인 액티브 소나를 만들었다. 란쥬 반 박사의 소나 장비는 100kHz의 초음파를 직경 200mm의 진동자에서 방사하여 예리한 빔을 형성하는데 성공했다 이 장비는 프랑스 해군의 관심을 끌고 1918년에는 1500m 대상 잠수정을 발견하였다 19172월부터 독일 해군은 U 보트의 무제한 잠수함 작전을 시작했다 이것은 영국에 가는 배는 중립국 선박에도 공격을 가하는 것이며 영미 해군은 이때부터 각국에서 실용 단계에 들어간 서치 라이트(Searchlight)형이라고도하는 액티브 소나를 선단 호위 구축함 과 프리깃에 탑재하고 U 보트의 공격에 대항했다. 탐조등 형식의 액티브 소나는 란쥬 반 박사가 만든 크리스탈 압전 효과에 의한 트랜스 듀서와 같은 것으로 초음파를 좁은 빔 모양으로 방사하는 구조였기 때문에 돌리기기구를 갖춘다하여 거리뿐만아니라 방위와 깊이까지 탐지 할수있었다. 그러나 현재의 소나 기술적 과제도 크고 실용성은 부족했다.

차 세계 대전때 독일 해군이 다시 U 보트를 사용하기 시작하면서 유럽 각국과 미국을 포함한 연합국은 서치 라이트 형 액티브 소나와 레이더 그리고 신개발 대잠 무기 대잠 박격포로 다시 U 보트와 대결했다 미 해군은 대전 말기가 되면서 근거리 탐지용의 30kHz와 원거리 탐지용의 14kHz2 종류의 액티브 소나를 대잠용 함정에 탑재 할수있게되었다.

이윽고 대전 때 소나의 발견 결과가 브라운관에서 구상되고 청음 장치와 완전히 분리된 후에도 초음파송신기 와 청음기 시스템을 소나라고 불리게 되었다.

주로 군사 무기로 발전 해왔다 소나도 전자 기술의 발전에 의해 소형 · 경량 · 저가로 되어, 소비자의 사용하기 쉬운 제품이 등장하여 고무 보트에 실어 레저 낚시 등에 간편하게 사용할 수있다.

 

 

VFPt_Solenoid_correct2.

 

원리

수중의 전파 특성

음파에 의한 종파의 진동, 수중 음파는 수중에서는 공기 중보다 장거리까지 닿는다. 수평뿐만 아니라 수직으로도 전파 해저면에서는 파도가 반사되어 수중의 부유물에서도 비교적 작은 것까지 반사된다.

예를 들어 전파는 해수 중에서는 급속하게 감소하기 때문으로 관측 · 측정에 유용하다 바닷물은 소금 등의 전해질이 풀린 전해액이기 때문에 전파가 입사하면 에너지가 소비되고 급속하게 감소한다. 또한 빛 바닷물이나 호수, 하천수 등 자연수는 부유물을 많이 포함하고 빛이 산란하여 흡수되기 때문에 유효 거리는 고작 15-100 m 인 데다 광선은 굴절을 받는다.

수중의 종파이다 수중 음파는 빛이나 전파에 비해 감쇠가 작아 멀리까지 전파한다. 예를 들어 주파수 10kHz의 초음파라면 10km 이상 떨어진 장소에서도 탐지가 가능하다. 그러나 유사한 원리를 가진 레이더 와 달리 자연수를 전달 매질로 하고 있기 때문에 불안정 요소가 많은 온도 차이가 큰 해수 덩어리의 경우 고체와 같은 반응을 보이는 경우가 있다.

 

 

Sonar_(3_types) 3 종류의 수중 음파 탐지기

 

음파는 공기보다 물이 더 전파 속도가 빠르다 공중의 음속은 약 340m / s이지만 수중에서는 약 1500m / s이며 4 배 이상 빨리 전파한다 이것은 원거리의 물체를 탐지하는 경우는 매우 중요하다. 예를 들어 1km 앞에 있는 물체를 탐지하려고하는 경우 왕복 2km를 음파가 전파 시간은 공중에서는 약 5.9 초이지만 수중에서는 약 1.3 초이다. 1 초라도 빨리 목표를 발견하고자 군사 용도로 이 차이는 중요하다.

수중 음파의 속도는 수온, 압력, 염분 농도 등에 변화한다. 심도가 깊어지면 수온이 내려가 늦어진다 더 깊어지면 수온은 그다지 떨어지지 않지만 압력이 증가하므로 빨라진다. 바다속에서는 종종 심도 1000m 부근이 가장 수중 음파의 속도가 느려 1470m / s 정도가 된다. 음파가 1000m 부근을 수평 방향으로 나아갈 때, 다소 상하 대각선 방향으로 진행 음파도 완만 한 굴절을 일으켜 원래 1000m 부근에 굽힘 리턴된다. 이 효과에 의해 수중 음파는 1000m 부근에서 수평 방향으로 전파가 현저하게 좋은것은 놀라운 일이며 멀리 음파가 닿는다. 이것은 그레이 데드 광섬유의 효과와 동일하다

 

 

 

 

종류

소나 사용법으로 액티브 (Active : 자연) 타입과 패시브 (Passive : 수동) 유형으로 나눌 수있다. 일반적으로 음파라고 부르는 것은 대부분이 '액티브 소나'이다. "패시브 소나 '는 군사용 소나로 액티브 모드와 패시브 모드를 가지는 것이 수동으로 사용되고 있거나 측정으로 전용 청음 기능 만 갖춘 진정한 패시브 소나를 가리키는 경우가 있다 . 송수신기 인 트랜스 뒤서도 군사용은 대부분이 1 차원이나 2 차원으로 배열되어 소​​나 배열되어 어로 용도에서도 2 차원 소나 배열은 그만큼 보편화 되었다.

 

 

 

 

액티브 소나

액티브 소나의 원리는 메아리 와 같다. 스스로 음파를 내고 그 음파가 반사되어 돌아올 때까지의 시간 차이에서 목표까지의 거리를 아는 것이 원칙이다.

소나는 수정 진동자에 교류 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 초음파를 수중에 방사하여 물체를 명중 반사되어 돌아온 초음파를 진동자로 수신하여 전기 신호를 얻어 발신에서 수신까지의 시간 차이와 수중의 초음파의 전파 속도에서 물체까지의 거리를 산정한다.

음파에 의한 거리 측정은 한 방향으로 낸 음이 크게 반사되어 T 초 후에 관찰 된 (에코가 돌아왔다)하면 음파의 왕복을 고려하여

물체까​​지의 거리 = (음속 × T) / 2

로 요구된다 예를 들어 음파를 360도 사방에 걸쳐 방사 에코를 기록하면 수중 음파를 반사하는 모든 물체를 탐지 할수있다. 이 원리는 레이더 와 같다.

액티브 소나는 아래를 보기위한 에코 · 측심기 "(Echo sounder)와 가로보기 위한 '사이드 스캔 소나'(Side scan sonar), 전방 혹은 주위를 보기위한"오부스타쿠루 · 아보이단스 소나 "(Obstacle avoidance sonar : 장애물 회피 소나) 등으로 분류 할수있다. 군용 액티브 소나는 액티브 모드뿐만 아니라 수동 모드에 따라 청음 만 수행 패시브 소나를 겸하는 것이 대부분이다.

특징 :

스스로 소리를 발하는 때문에 적의 패시브 소나로 탐지 될 위험이 높은

소리를 발하지 않는 적이라도 탐지 할수있는 가능성이 높고 원거리에서도 가능성이 있다

 

 

sonar_generic

 

에코 사운 더

음파를 직하 방향으로 발사하는 음파 탐지기에서 어군 탐지기와 중용 고도계 등이 있다. 또한 체내를 보기 위해 쓰는 초음파 기계도 넓은 의미에서는 이것에 분류된다. 기본적으로 음의 발사 방향으로 밀도 차이가 있는 물체가 있는지 없는지를 확인하는 것만으로 가장 단순한 부류에 들어가지만 최근에는 초음파를 백 방향 이상으로 제어 ( 위상 배열 레이더 와 같은 원리)하고 직하를 잘게 탐사 할수있다 "다중 빔 음향 측심기 조치"도 보급하고 있다. 또한 극단적 인 저주파을 높은 음량으로 사용하여 해저 아래에 소리를 관통시켜 해저 지층 탐사를 하는 '사부보토무 프로파일 러'도있다. 고래 의 좌초 사건이 빈발했을 때 저주파 액티브 소나 (LFAS)가 문제가 된 적이 있었지만 이것이 원인이었을 가능성이 있다.

 

오부스타쿠루 · 아보이단스 소나(Obstacle avoidance sonar)

에코 사운을 전방에 고정하거나 회전 장치가 달린 받침대에 장착하여 회전 할 수 있도록 한 것으로, 기본적으로 에코 사운 더와 같다. 소나의 원점은 이것이다. 해상을 빠르게 이동하고 장애물의 조기 발견이 필요하다 수중익선 에 표준으로 장착되어있다. 그러나 고래 등의 해양 생물과 유목과의 접촉이 끊이지 않는 것은, 해면 부근 파도 등의 영향으로 꾸준한 반향이 되돌아 오지 않기 때문이다.

 

 

 

 

수중 음파의 속도가 수압이나 온도에 의해받는 영향 <br /> 수압과 온도의 차이에 의해 수중 음파의 전파 속도에 차이가 생긴다.

 

 

 

 

쉐도우 영역이 생기는 구조 <br /> 수중의 온도 구배와 압력 차이에 의한 음속의 차이에 따라 수중 음파의 전달 경로는 복잡하게 구부리기 위하여 활성 음파에 의해 음파를 발사해서 부분적으로 도달 할 수없는 영역이 생긴다.