무기의 탄생;)음향센서

기뢰 K721용 하이드로폰’ 센서 개발의 시초

(38)음향센서<상>

2015. 11. 24   18:37 입력

3000t급 잠수함 장보고-III 소나체계

200여 채널 선배열센서 등 제작 완료

2020년 전력화 목표 ‘순항 중’

 

 

 

기사사진과 설명

국방과학연구소(ADD)가 개발한 수신형 음향센서 시험 장면. ADD제공

 

기사사진과 설명

국방과학연구소(ADD)가 개발한 송신형 음향센서시험 장면. ADD제공

 

 

 

   음향센서는 압전소자를 이용해 물이나 공기 중에서 전기신호를 음향신호로 또는 음향신호를 전기신호로 변환할 수 있는 기기로 소나체계의 핵심 부품이다.

　음향센서 개발 역사는 우리나라 해군의 수중무기체계 개발 역사와 그 궤를 같이 한다고 해도 과언이 아니다.

　1970년대 중반까지 우리나라는 소나용 음향센서뿐만 아니라 각종 수중무기체계를 전량 국외 수입에 의존하고 있었다. 1976년 국방과학연구소(ADD) 6기술연구본부의 모태가 된 진해기계창이 창설되고 나서 바륨 계열(BaTiO3) 및 세라믹 계열(PZT) 소재의 압전재료 제조 기술 개발에 성공함으로써 다양한 종류의 음향센서를 국내 독자 개발할 수 있는 발판을 마련했다.

　1980년대 초반 우리 해군의 대잠전용 구축함 소나에 장착된 음향센서(TR-208)는 전량 미국에서 구매한 것이었고 노후화로 교체가 필요한 상태였지만 수입 지연, 가격 불안정 등으로 적시 조달이 어려웠다.

　이에 ADD는 UQS-1D 소해함 트랜스듀서 개발에 성공한 자신감을 바탕으로 구축함 소나용 트랜스듀서(TR-208)를 1984년부터 약 3년간에 걸쳐 역설계 모방개발했다.

　1980년대 중반 이후부터 수중음향센서 개발을 위한 기초연구와 응용연구 수준의 꾸준한 연구개발을 통해 축적된 기술을 기반으로 가장 먼저 체계개발에 적용하기 위한 음향센서 개발은 해군의 209급 잠수함 또는 수상함에 탑재해 주요 항만 및 해역 방어를 위한 기뢰 K721(잠룡)용 하이드로폰이었다.

　증폭회로를 일체형으로 장착하고 기뢰폭발에 대비한 보호회로를 적용하는 등 자체 기술을 활용, 모방개발에서 벗어난 음향센서 개발의 시초였다.

　1990년대 말 이후부터 수중유도무기인 어뢰, 어뢰음향대항체계, 대잠 탐지소나체계 등의 능동 및 수동 소나 체계 등 다양한 종류의 유도무기 및 탐지소나체계가 본격적으로 국내 개발됨에 따라 고주파 트랜스듀서, 광대역 송신센서, 선배열 하이드로폰 등의 다양한 종류의 음향센서가 개발됐다.

　1998년 개발 완료된 중어뢰체계 백상어에는 톤필즈(Tonpilz)형 고출력 고주파 트랜스듀서가 표적탐지부 음향전환장치 전면에 평면배열돼 장착됐다. 음향센서 개발과 동시에 어뢰 주행 시 발생하는 진동소음을 저감시키기 위한 소음차단 링 구조와 진동 차단을 위한 방진블록 구조도 설계·적용됐다.

　1999년 개발된 한국형 구축함 탑재용 대잠전 소나체계인 예인음탐기체계(TASS)에는 총 120채널의 압전세라믹 하이드로폰이 직경 88㎜의 음향호스에 장착돼 최대 30노트까지 예인이 가능한 선배열 센서가 개발됐다.

　비슷한 시기, 어뢰음향대항체계(TACM: Torpedo Counter Measure System)에 적용된 어뢰 경보체계용 고주파 대역 선배열 음향센서와 부유식 기만기용 광대역·고출력 송신센서 등도 개발됐다.

　2004년 개발된 신형 경어뢰 체계 청상어에도 Tonpilz형 고출력 고주파 트랜스듀서가 표적탐지부 음향전환장치 전면에 평면배열돼 장착됐다.

　백상어용 센서와의 큰 차이점은 어뢰가 수중으로 입수할 때 트랜스듀서가 받는 충격하중을 견딜 수 있는 중립면 지지형 구조로 설계됐다는 것이다.

　또 그해에는 주요 항만의 외해, 수로 및 내항 주변 해저에 수중음향센서를 고정해 잠수함 등의 수중침투를 상시 감시할 수 있는 항만감시체계(HUSS)가 개발됐는데 여기서는 총 120채널의 압전세라믹 하이드로폰이 해저매설 및 해저장기동작을 보장할 수 있는 구조로 길이 400m의 선배열센서가 개발됐다.

　2005년에는 한국형 원거리 수중 조기경보체계를 위한 저주파 예인음탐기체계 백룡(ULTASS: Ultra Low-Frequency Towed Array Sonar System)이 개발됐는데 여기서는 채널수가 256채널로 증가하고 총 길이가 900m 이르는 예인 선배열센서가 개발됐다.

　2012년에 개발된 선저고정형 음탐기체계에는 2004~2006년 진행된 다중상태 음향탐지기술 개발 과정에서 확보된 중주파수 대역의 Tonpilz형 고출력 트랜스듀서가 선저에 원통형으로 배열돼 장착됐다.

　2020년 전력화를 목표로 지난 2009년 개발에 착수한 3000t급 잠수함 장보고-III 소나체계는 현재 선측배열센서(Flank Array) 등을 포함해 잠수함 선체에 부착되는 700여 채널의 능·수동배열센서와 잠수함에서 예인되는 200여 채널의 선배열센서 등이 제작완료돼 통합시험 중이다.

　특히 각 배열센서는 음향성능뿐만 아니라 수중폭발, 충격, 절연 및 부식 방지 등의 장기 내구성 및 내환경 특성을 고려한 최적화 구조가 적용됐다.

　더불어 수직 지향성과 자체소음 저감을 위해 다수의 하이드로폰을 선배열해 채널을 구성했으며 진동소음 차단용 다층구조 배플 형상이 적용됐다.

　또 대규모 센서 채널의 물리적 연동 구조 최적화를 위해 각 배열센서는 저잡음, 고속 통신모듈이 내장된 디지털센서 형태로 설계됐고 이를 통해 선체에 부착되는 모든 배열센서가 시간 동기화된 전용 통신망에 실시간 연동되도록 개발됐다.

　장보고-III 선도함 탑재용 소나체계 시제의 제작은 내년에 착수할 예정이다. 

 

- 국방과학기술지식대백과사전

  음향탐지센서 [Sound Detection Sensor] 

 

 

수중에서 음파를 사용해 표적물을 탐지하는 장치로 능동 소나(Active Sonar)는 음파를 송신하고 표적에서 반사돼 돌아오는 반향음(echo)을 수신해 표적을 탐지·식별하는 방식이고, 수동 소나(Passive Sonar)는 표적이 발생시키는 소음만 듣고 표적을 탐지하는 방식이다.

　수중 음향 센서는 차기 잠수함(장보고-Ⅲ) 음탐기 사업과 국방 수중통신·탐지 특화연구센터의 연구를 통해 개발이 추진되고 있다. 능동 예인음탐기체계(TASS) 기술 개발 연구 결과를 활용해 능·수동 복합 예인 배열 소나 개발을 추진하고 있다.

　민수 및 방산 분야에서 트랜스듀서의 재료로 쓰이는 압전세라믹-폴리머 복합 재료의 제품화 연구가 활발히 진행되고 있으며 국내외적으로 압전세라믹-폴리머 복합 재료 및 응용술에 대한 기초연구가 완성 단계에 이르러 현재는 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.

　음향센서 재료의 경우는 민수 분야의 수준이 다소 앞서 있기 때문에 민수 분야에서 선행된 상용화 흐름에 동조해 방산 분야에 적용하기 위한 제품화 기술들이 개발되고 있다.

군사용 음향센서 기술력 선진국과 ‘어깨’

<39> 음향센서 <하>

2015. 12. 01   18:06 입력 | 2015. 12. 01   18:35 수정

송신센서·하이드로폰·트랜스듀서

음향센서, 소나시스템 핵심 부품

300kHz 이상 초고주파 대역

송수신 센서용 소자 개발

 

 

기사사진과 설명

3000t급 잠수함 장보고-III 상상도. 2020년 전력화를 목표로 지난 2009년 개발에 착수한 장보고-III 소나체계는 현재 선측배열센서 등을 포함해 잠수함 선체에 부착되는 700여 채널의 능·수동배열센서와 잠수함에서 예인되는 200여 채널의 선배열센서 등이 제작 완료돼 통합시험을 하고 있다. 유용원의 군사세계 제공

 

 

음파, 수중에서 유일한 탐지 수단

공기 중에서 물체를 탐지하기 위한 수단으로는 전자기파를 이용한 레이더 시스템이 널리 사용되고 있다.

　하지만 수중에서는 전자기파가 멀리 전파되지 못하기 때문에 음파가 거의 유일한 탐지 수단이고 이를 이용한 시스템이 소나다. 음향센서는 소나 시스템의 핵심 부품으로 전기신호를 음향신호로 또는 음향신호를 전기신호로 변환하는 장치다.

　음향센서는 기본적으로 음파를 발생시키고 동시에 수신이 가능하다.

　주로 사용하는 기능에 따라 음파를 발생시키기만 하는 센서를 송신센서(projector), 음파를 감지하기만 하는 센서를 하이드로폰(hydrophone), 송수신을 동시에 하는 센서를 트랜스듀서(transducer)로 구분한다.

　음향센서는 적용되는 무기체계에 따라 그 종류와 형태가 다양하며 요구되는 성능 및 규격이 모두 다르다.

　소나체계의 탐지성능은 탐지거리에 달려 있다. 따라서 음향센서의 성능은 음파를 얼마나 멀리 송신할 수 있느냐 또는 얼마나 낮은 음압을 수신할 수 있느냐에 달려있다. 즉 송신 및 수신 감도가 핵심 요구 사양 가운데 하나다.



음향센서, 무기체계마다 성능·규격 모두 달라

　그뿐만 아니라 표적의 위치를 판단하기 위해 음파를 원하는 방향으로 송신하거나 표적으로부터 수신한 음파의 방향을 구분할 수 있는 성능, 즉 지향성이 중요한 요구 성능이다.

　이런 지향성을 크게 하기 위해 여러 개의 음향센서를 목적에 따라 선형, 평면형, 원통형, 구형, 컨포멀형, 일반 3차원형 등 다양한 형태로 배열해 설계하게 되는데 이러한 배열 센서는 출력의 크기뿐만 아니라 지향성도 증가하며 동시에 주변 환경으로부터 전달되는 다양한 소음을 줄이는 효과를 가져온다.

　그동안 압전재료의 성능을 향상시키거나 다른 변환 개념을 이용한 음향센서 기술 개발 노력이 꾸준히 진행돼 왔다.

　국방과학연구소(ADD)는 그중에서도 특히 압전재료와 폴리머재료를 구조적으로 융합시킨 복합재료 음향센서의 응용연구를 2011년부터 2013년까지 주관해 수행했다.

　이 연구에서는 향후 소요가 추진 중인 무인잠수정 소나시스템에 적용할 목적으로 1-3형 압전-폴리머 복합재료 음향센서가 개발됐다. 또한 이 연구를 통해 ADD는 300kHz 이상 초고주파 대역의 송수신 센서용 소자를 제조하는 공정을 개발하고 음향센서 시제작 및 성능시험을 통해 적용 가능성을 확인했다.

　최근 ADD는 한·영 국제공동연구를 통해 무인잠수정 탑재 기뢰탐지 소나체계에 적합한 압전 단결정(PMN-PT) 응용 톤필즈(Tonpilz)형 고출력 고주파 음향센서와 배열센서 기술을 개발하고 각종 시험을 통해 기뢰탐지 소나 체계에 적용 가능성을 확인했다.

　이에 따라 압전 단결정 응용 군사용 음향센서 기술은 우리나라가 최소한 선진국과 동등 이상의 수준을 확보해 관련 연구를 선도할 수 있게 됐다.

　　

모방개발 당시 자체적 기본설계 능력조차 부족

　1984년에 시작한 구축함 소나용 트랜스듀서(TR-208)의 모방개발 당시는 자체적으로 기본설계를 할 능력조차 부족했다. 그래서 해군정비창(당시 공창)에서 노후됐거나 폐기된 TR-208 트랜스듀서를 여러 개 구한 다음 조심스럽게 분해해 그대로 제작했다.

　개발 초기 TR-208 트랜스듀서의 내부 구조에 관한 도면이 없어서 기계톱으로 견본품 TR-208 트랜스듀서를 잘라 구조를 확인하기도 했다.

　견본품 분해를 여러 번 하다보니 샌드위치형 진동체의 한쪽 부분인 전면추와 압전 세라믹의 접합 부분이 조금씩 다른 것이 발견됐다. 어떤 것은 반원 모양의 홈통이 전면추에 있고 어떤 것은 없었다.

　도대체 이 홈통을 무슨 이유로 만들었는지는 아무도 몰랐다. 견본품의 제작 일련번호를 살펴보니 후기에 만들어진 것은 홈통이 있고, 전기에 만들어진 것에는 없었다. 그래서 우리도 우선 적용하고 보자는 의견에 따라 전면추에 홈통을 설치했다.

　홈통의 정체는 1년여가 지난 1985년 초 확보한 TR-208 트랜스듀서의 미해군 사양서를 통해 확인됐다.

　그것은 트랜스듀서 사용 시 온도 변화에 따라 발생할 수 있는 내부 결로 현상을 방지하기 위해 트랜스듀서를 조립할 때 내부 공기를 제거하고 건조 질소를 삽입하기 위한 것이었다.

　이 밖에도 트랜스듀서 내부의 고무 부품을 개발하기 위해 견본의 고무 재질을 칼로 베어내 불을 붙인 후 냄새를 맡고 재를 비벼 고무의 종류를 알아내야 했던 일, 음향센서 재료를 특징짓는 재료의 음속이나 음향 임피던스 관련 이야기를 전혀 알아듣지 못하는 재료 생산·판매 업체 종사자들, 현실을 도외시한 무지한 접근 방식, 진동체의 조립에 소요되는 에폭시를 조사하던 중 그 종류가 너무나 많아서 놀랐던 일 등 트랜스듀서 진동체 개발에는 많은 웃지 못할 일들이 있었다.

 

[국방과학기술지식대백과사전]

 

수중음향센서 기술(Underwater Acoustic SensorTechnology)

 

수중감시를 위해 음파를 송수신할 수 있는 능·수동의 음향센서를 설계하는 기술로 센서로부터 감지되는 음향신호를 보다 정밀하게 송수신하기 위해서 다수의 음향센서를 배열하는 기술까지 포함한다.

　음파를 이용한 수중음향센서인 소나는 압전재료의 압전현상(piezoelectric effect)을 기반으로 한다. 압전현상은 특정한 소재에 기계적인 힘(압축력 또는 인장력)을 인가하면 전압이 발생하고, 역으로 소재의 양단에 전압의 극성을 바꿔서 인가하면 소재가 수축과 팽창을 하는 현상을 말한다.

　이러한 압전현상을 갖는 소재를 압전재료라고 하며, 가장 일반적으로 사용하는 것은 압전세라믹 소재다. 압전재료의 압전현상을 이용해 수중에서 전기적 에너지를 음향에너지로 변환하거나 역으로 음향에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기능을 갖는 센서가 수중음향센서다.