소 나 <수중표적 탐지에 활용>

소 나

<수중표적 탐지에 활용>

진공관 발명으로 획기적 발전 / 목적·용도에 따라 형태 다양

소나란 Sound Navigation and Ranging의 약어로서 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비를 의미하며 음향탐지장비 혹은 음탐기로도 불리운다.

공기중에서는 음파보다 전자파(Electromagnetic Wave)가 보다 빠르고 멀리 전달되기 때문에 이를 이용하여 공중, 지상 및 해상의 물표를 탐지할 수 있는 것이 레이더(RADAR)이며 이에 대응되는 수중용 장비가 바로 소나이다.

소나에 적용되는 음파는 초속 약 1천5백m 되는 압력파로서 수중에서 잘 전달되는 성질을 갖고 있다. 그러므로 현재까지 수중에 존재하는 여러 가지 목표를 능동 및 수동 방식으로 탐지하는 유일한 수단으로 활용되며 목적 및 용도에 따라 여러 가지 형태의 소나들이 개발되어 운용되고 있다.

소나의 역사는 15세기에 레오나르도다빈치(Leonardoda Vinci)가 「튜브 막대기를 물에 꽂고 귀로 들으면 먼거리 배에서 나는 소리를 들을 수 있다」고 한데서 시작되며 이것이 수동소나의 기원이 된다. 소나의 발달과정은 수중음파 특성의 이해, 센서의 개발, 전자장비의 발달등과 밀접한 관계가 있다. 1827년 스위스의 물리학자 다니엘 콜라돈(Daniel Colladon)과 프랑스의 수학자 찰스 스트름(Charles Sturm)에 의해 전등 불빛과 수중의 종소리와의 시간차로 수중음파의 속도를 측정한 것을 시초로 오늘날 온도, 염분도 및 압력에 의해 음속이 변함을 알게 되었으며 1880년 자크(Jacques)와 피에르 쿠리(Pierre Curie)가 크리스탈에 기계적인 힘(압력)을 가하면 크리스탈 양단에 전하가 발생된다는 압전효과(Piezoelectricity)와 이 무렵 제임스 쥴(James Joule)이 어떤 물질에 자장을 걸면 모양(부피)의 변형을 일으킨다는 자왜현상(Magnetostrictive Phenomena)과 같은 변환현상을 발견한 것이 현재의 압전 세라믹 소재를 이용한 음향센서의 효시가 된다.

음향탐지가 이루어지기 위해서는 탐지 목표물이 방사하는 소음을 일방적으로 듣고 방위를 알아내는 방법과 적절한 음향을 방사하고 수중의 물체에 부딪혀 돌아오는 반향음(Echo)을 잡아 방위와 거리를 알아내는 방법으로 구분된다. 이 두가지 방법의 주요요소는 음파, 센서 및 변환된 신호를 운용자가 알 수 있는 방법으로 표출해 내는 신호처리기, 즉 전자 장비인데 진공관이 발명되기 전까지는 소나로서 이렇다할 발전이 없었다. 그러나 1912년에 타이타닉호가 야간 항해중 빙산에 충돌하여 침몰된 대참사는 육안으로 볼 수 없는 수중의 장애물을 에코레인징(Echo Ranging)에 의해 알아낼 수 있는 능동소나의 필요성을 고조시킨 결정적 계기가 되었으며 제1차 세계대전 발발후 독일의 U-보트에 의한 피해가 급격히 증가함에 따라 이에 대처하기 위한 소나의 연구가 활발해졌다. 예로써 1914년 미국의 R.A. 페센든(Fessenden)이 가동 선륜형 트랜스듀서(Moving Coil Transducer)를 고안하여 약 1마일 떨어진 빙산을 탐지하는데 성공하였으며 1918년 프랑스의 랑개빈(Langevin)이 자신이 고안한 트랜스듀서와 진공관 증폭기를 이용하여 1천5백m 떨어진 잠수함을 탐지하는데 성공한 것을 들 수 있다. 이때까지가 소나의 역사에서 볼 때 여명기에 해당한다.

잠수함 위협 증대로 기술개발 박차 / 디지털化로 時·空間 신호처리 가능

제1차 세계대전과 제2차 세계대전 사이는 전쟁에서 얻어진 경험을 바탕으로 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 노력이 집중되어 상당한 진전을 본 시기이다. 두드러진 성과로는 음파전달 매질에 관한 특성의 이해, 센서의 발달 및 전자공학의 발달에 힘입어 탐지 자료를 전시할 수 있는 혁신적인 지시방식의 출현이다. 그럼에도 불구하고 당시의 소나성능은 매우 미흡한게 사실이었다. 그러나 더 큰 문제는 성능이 지역에 따라, 시간에 따라 매우 불규칙하게 변하는데 그 원인조차 규명되지 못한데 있었다. 1938년 미국의 스필한스(Spilhans)가 고안해 낸 수직수온측정기(일명 BT : Bathyhermograph)를 이용하여 깊이에 따른 온도 측정과 더불어 깊이에 따른 온도 기울기가 음의 전달특성을 좌우하게 되어 탐지 불능대가 생김을 알아낸 것이 이 문제를 해결하는 결정적인 계기가 되었다. 이와 같이 수중의 음파전달 특성이 매우 난해하고 전달과정의 환경에 크게 지배를 받는 것을 알게 되어 미국의 경우 여러분야의 과학자들로 대단위 연구팀을 구성하고 이론정립은 물론 이에 대한 이용법 등을 연구하게 되었다.

제2차 세계대전 기간 중에 잠수함의 위협이 크게 증대되어 이에 따른 소나의 의존도가 크게 높아졌으며 아울러 기술도, 한단계 높아졌다.

레이더와 같이 지향성 빔을 만들어 3백60도 소인하면서 탐지하는 소나가 개발되었는가 하면, 소나의 이론 및 실제상 중요한 센서 감도의 정의 및 교정법 개발, 표적반사 강도, 수중잔향소음과 같은 음향적인자 등이 규명되었으며 요즈음 스텔스(Stealth)화로 일컬어지는 음파반사 억제 재질의 개발 등이 이에 해당된다. 이때야 비로소 소나의 형식을 갖추게 되었으며 「SONAR」란 용어가 탄생되었다.

제2차 세계대전이 끝난 후에 PZT 계열의 압전소자 적용으로 감도가 향상된 센서가 적용되고 전자공학의 발달에 힘입어 다양하고 복잡한 배열센서의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 현대 소나의 면모를 갖추어 발전을 거듭하고 있다. 1970년대까지가 아날로그 회로에 기반을 둔 것이라면 1980년대 이후는 특히 디지털 기술의 급속한 발전과 더불어 시·공간적 신호처리를 가능하게 함으로써 다양한 용도의 소나가 출현하였음은 물론 보다 많은 정보를 수집·분석하고 이에 대응하는 사격통제가 이루어질 수 있도록 장비 구성이 복잡화됨과 동시에 통합체계화 되고 있다.

출력 주파수 지향성에 따라 성능 결정 / 음파 송수신 표적의 방향 거리 탐지

육상이나 공중에서는 육안, 레이더, 레이저 또는 적외선등으로 표적을 탐지하나 수중에 있는 표적을 탐지할 때는 소나를 사용한다. 소나(SONAR : Sond Navigation And Ranging)는 함정이 안전한 항해를 하게 하고 위협이 되는 적의 수중 물체를 찾아내는 역할을 하는 해군의 필수 음향 장비다. 소나의 작동 원리는 퀴리부인이 발견한 압전현상을 이용하는 것이다. 압전현상을 나타내는 결정이나 세라믹에 흐르는 전류의 세기를 일정한 주파수로 변화시켜주면 이들이 진동하면서 같은 주파수의 음파를 발생한다. 반대로 외부에서 음파를 받으면 전기에너지를 발생시키므로 이 전기신호를 분석하면 음파의 성분을 찾아낼 수 있다. 이렇게 음파를 송·수신 할 수 있는 장비를 소나라 부른다. 수상함정에서 발생한 음파가 표적에서 반사되어 되돌아 오는 신호로서 적 잠수함이나 기뢰 등을 탐지하는 장비를 능동소나라 부르며 표적의 방향과 거리를 알 수 있다. 잠수함이 항해할 때 엔진이나 프로펠러에서 내는 소음을 먼 거리에서 수신하여 잠수함을 찾아내는 수동소나는 표적의 종류를 식별할 수 있다.

소나의 성능을 결정하는 요소는 출력, 주파수 및 지향성 등이다. 출력을 높이기 위해서는 압전효과가 큰 음향소자를 사용하고 전기적으로 신호를 크게 증폭시키는 방법이 있으나 이 방법은 여러 가지 물리적 제한이 따른다. 낮은 주파수를 사용하면 음파가 멀리까지 전달되므로 소나의 탐지거리를 증가시킬 수 있으나 해상도가 저하되어 표적 식별이 어렵고 소나의 크기가 커지므로 무게가 증가되어 함정에서 운용할 때 기동성이 제한된다. 부설된 기뢰나 공격해 오는 어뢰와 같이 수백미터 이내의 가까운 거리에 있는 표적을 탐지할 때는 100Khz 이상의 고주파소나를 사용하고, 잠수함과 같은 원거리의 큰 표적은 5Khz∼20Khz 사이의 저주파 소나를 사용한다. 소나의 크기가 크고 고주파를 사용하면 음파를 집속하여 송·수신하는 지향성이 좋아져서 표적의 위치를 정확히 찾을 수 있다.

능동소나는 함정 앞부분에 설치하여 운용하는 함정소나, 함정 뒷부분에서 케이블로 예인하면서 사용깊이를 조절할 수 있는 가변심도 소나(VDS)가 있고 수동소나는 항공기에서 투하하는 음향부표(Sonobuoy), 함정에서 케이블로 예인하는 예인선배열(TASS), 함정의 선체 주위에 부착하는 선체 부착소나(Flank Array)와 해저 수 백킬로미터에 걸쳐 부설하는 해역감시음향체계(SOSUS)등이 있다.

그러면 소나는 수중에 있는 모든 표적을 쉽게 찾아낼 수 있는가? 음파는 해양에서 전달될 때 전달속도가 달라져서 굴절이 일어나며 흡수, 반사에 의해 전달과정에서 많은 에너지를 잃게 된다. 따라서 소나 자체의 성능이 우수할 경우에도 해역의 음파전달조건이 나쁘면 탐지거리가 짧아지며 특히 음파가 통과하지 않는 음영구역이 나타날 경우에는 가까운 거리에서도 표적탐지가 어렵다. 잠수함의 추진소음이 작아지거나 선체표면에 음파를 흡수하는 코팅을 했을 경우에도 탐지거리는 현격하게 줄어든다.

소나의 탐지능력 강화와 이를 회피하기 위한 창과 방패의 경쟁은 끝없이 계속될 것이다.