소나

박쥐나 돌고래는 초음파를 발산하여 되돌아오는 신호를 감지하여 물체를 감지한다. 되돌아오는 반사파의 시간차를 인식하여 거리를 파악하는 것이다.

소나도 마찬가지다. 일반적으로는 공기중에서 레이더를 이용하는데, 레이더와 소나의 차이는 전자파냐 음파냐의 차이이다. 물 속에서는 전자파는 주파수가 높아질수록 물에 대한 전파 흡수율이 높아지는 등 여러가지 이유로 인해 적합하지 않다. 그래서 고안한 것이 돌고래처럼 음파를 이용하는 것이다. 음파는 공기중에서는 340m/s 이지만 오히려 물속에서는 1500m/s로 더 빨라진다. 따라서 수중에서 물체를 탐지하는데에 더욱 적합하여 현재는 해군 잠수함, 선박 그리고 민간에서는 낚시하시는 분들도 수심을 체크하는 등 많이 사용되고 있다.

 기본적인 원리는 단순히 음파를 방사하고, 물체에서 되돌아오는 신호를 분석하는 것이다.   

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단순하게 생각하면 우리는 소리의 속력(1500m/s)을 알고있고, 음파를 쏜후 되돌아오기까지의 시간을 체크한다면, 거리는 시간x속력이므로 물체의 거리를 탐지 할  수 있는 것이다.

소나방정식

수중음파의 여러 현상과 특성은 소나장비를 설계/운용하는데 많은 영향을 주는데, 이러한 여러 영향을 소나 매개변수라는 간단한 형태로 연결하여 소나방정식을 구성 할 수 있다. 수신기에 수신되는 많은 음향 중에서 우리가 원하는 부분은 신호음이라 하고 그 외 나머지 음향을 배경음이라고 부른다. 소나의 경우 배경음은 곧 노이즈가 될 것이고, 설계공학자의 목표는 바로 이 신호음 수신효율 , 즉, 신호음 대 배경음의 비율을 크게 하는 것이다.

이제 소나 방정식의 여러 변수들에 대해 간단히 설명할 것이다. 방정식은 SE(Signal Excess) 로 표현되며, SE는 반사되어 돌아오는 파의 측정값이다. SL(Source Level)은 전송된 신호세기의 정도를 나타내고, TL(Transmission Loss), 즉 송신손실 은 파형이 전달되면서 거리에 따라 감소하게 되는 손실이다. TS(Target Strength), 표적강도는 표적에 따라 달라지는 변수인데 표적의 반사효율에 따라 음파의 반사되는 정도가 다르고 이 특성에 관련된 변수이다. NL(Noise Level)은 전송방향의 소음 정도이고, TA(Target Area) 는 첫번째 반사 이후에 발생하여 더해지는 에코에의한 영향이다.

이러한 여러 변수들로 소나방정식을 구성하면 다음과 같다

SE = SL - 2TL + TS -NL + TA

음파가 표적에 도착할때까지 거리에 따른 송신손실이 발생한다. 그리고 표적강도에 따라 다르게 반사가 되며, 첫번째 반사이후에 에코가 발생하여 계속해서 음파가 돌아온다.( 에코에 관한 설명은 나중에 자세히 다룰 것임) 다시 돌아오게 되면서 또다시 거리에 따른 송신손실이 발생하게 되고 전체적이 이 과정동안 배경음(잡음)에 의해 영향을 받게 된다.

물론 소나방정식은 발생 현상을 최대한 단순화 시킨 것이고 실제 수중에서 일어나는 현상들은 훨씬 복잡하며 예측하기 힘들다. 하지만 이러한 가정하에 시스템을 설계하고 신호처리를 하는 것이 소나시스템을 개발하는 것에 아주 큰 도움이 된다.