1. 서 론

최근 위험유해물질(Hazardous and Noxious Substances, HNS) 의 해상 운송량이 지속적으로 증가되면서 선박사고로 인한 유출사고 사례가 증가하고 있다. 위험유해물질은 소량의 유 출로도 해양생태계와 인체에 치명적인 피해를 발생시킬 가 능성이 있기 때문에 운송관리 및 유출 시 대응방안에 대한 중요성이 부각되고 있다. 국제적으로 위험유해물질 유출에 대한 대응방법을 마련하기 위해 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)는 2000년 3월 OPRC(Oil Pollution Preparedness, Response and Cooperation)-HNS 의정서를 채택하 였으며, 이 의정서는 2007년 6월 국제적으로 발효되었다(Lee and Oh, 2014; Park et al., 2016). 더불어 위험유해물질에 의한 해양오염을 최소화하기 위해 사고대응체계 구축에 대한 연 구도 전 세계적으로 활발히 수행되고 있다. 유럽표준분류기 준(The Standard European Behaviour Classification, SEBC)에 따 르면 화학물질은 물리, 화학적 거동에 따라 가스, 가스/용해, 증발, 증발/용해, 부유/증발, 부유/증발/용해, 부유, 부유/용해, 용해/증발, 용해, 침강/용해, 침강으로 구분된다(ITOPF, 2014). 이처럼 다양한 물리적 성질을 갖는 위험유해물질이 해양에 유출되었을 때 효과적인 대응전략을 수립하기 위해서는 거 동특성에 따른 분류가 중요하고 분류된 특성에 적합한 대처 방법이 강구되어야한다. 특히 침강형 물질들은 유출되어 해 저면 상부에 침적되므로 인공위성을 이용한 광학 관측기법 이나 레이더를 활용한 원격탐사기법의 적용이 어렵기 때문 에 사고규모 예측 및 효과적인 사고대응에 많은 어려움이 존재한다. 그러므로 해저에 침적된 위험유해물질을 효과적 으로 탐지하기 위해서는 수중음향을 이용한 원격탐사기법 의 적용이 요구된다. 표적 음향 탐지 연구는 주로 군사적인 목적으로 잠수함, 기뢰 등의 매질이 단단한 고체에 집중되 어 수행되었으며, 최근에는 내부파(internal wave), 냉수괴, 소 용돌이(eddy) 등과 같이 해수의 물성 변화가 음파전달양상 및 음향 탐지 성능에 미치는 영향에 대한 연구도 수행되고 있다. 방제 및 환경모니터링 목적의 음향 탐지사례는 대부 분 유류사고 발생 시, 방제 및 사후관리 모니터링을 위해 음 향탐사장비가 활용된 사례들(API, 2016; Madsen, 2007; Parthiot el al., 2004)뿐이다. OPRC의정서 정의에 따르면 유류는 위험 유해물질과 구분되며 국내 법률상으로도 관리, 대응방안에 차이점을 갖는다. 또한 위험유해물질과 물성의 차이를 보이 며 음향학적 특성도 상이할 것으로 예측된다. 반면 저층 침 적 위험유해물질의 실해역 탐지사례는 확인된 바 없었으며, 1983년 미국에서 출원된 특허(Meyer et al., 1983)는 저층 침적 위험유해물질의 두께 추정기법에 대한 내용으로 출원되었 고 사염화탄소의 유무에 따른 경계면 반향신호의 도달시간 차를 이용하여 두께를 추정하는 알고리즘을 제시하였다.

본 논문에서는 위험유해물질이 사용되었을 때 발생 가능 한 관리의 제한사항들과 처리의 위험성 때문에 위험유해물 질과 유사한 임피던스를 갖는 대체물질을 이용하여 반사손 실 측정실험이 수행되었다. 반사손실은 수평입사각이 90°인 경우에서 측정되었으며 물과 대체물질로 사용된 피마자유 의 음속과 밀도값으로 계산된 모의결과와 비교, 검증되었다. 대체물질로 사용된 피마자유는 대표적인 저층 침적 위험유 해물질로 구분되는 클로로폼(Chloroform)과 유사한 임피던스 를 갖는 것으로 알려져 있다. 두 물질의 임피던스는 약 1.45 ~ 1.46 × 106 Pa·m/s이며, 클로로폼의 음속과 밀도는 30 °C에서 약 958 m/s, 1.52 g/cm³, 피마자유의 음속과 밀도는 20 °C에서 약 1540 m/s, 0.95 g/cm³이다(Kinsler et al., 2000; Kannappan et al., 2002). 음향 탐지 실험은 물만 채워진 경우와 일부 물을 피마자유로 교체한 경우로 구분하여 수행되었으며 경계면 에서 반사된 신호를 측정하고 분석하였다. 또한 문헌조사에 서 수집된 클로로폼의 음속과 밀도 정보를 이용하여 해저에 위험유해물질이 침적된 경우의 반사손실을 모의하고 해저 면 반사손실 모의결과와 비교를 통해 음향 탐지 가능성을 확인하였다.

2. 피마자유 음향 탐지 수조 실험

피마자유 음향 탐지 실험은 아크릴로 가공된 소형수조 (0.25 × 0.25 × 0.68 m)에서 두 가지 경우에 대해 수행되었다. 첫 번째는 음향센서를 기준으로 담수만 0.35 m 채워진 소형 수조에서 물과 공기의 경계면에서 반사 된 기준신호 (reference signals)를 측정하였으며(Fig. 1(a)), 두 번째는 첫 번 째 실험환경에서 0.1 m의 물을 피마자유로 교체 후 물과 피 마자유 경계면 반사 신호와 피마자유와 공기 경계면에서 반 사 된 신호를 측정하였다(Fig. 1(b)). 클로로폼의 밀도는 물보 다 커 침강하는 반면 피마자유의 밀도는 물보다 작으므로 물위에 층을 이루며 부유된다. 그러므로 센서를 바닥면에 위치시킨 후 표층을 지향하여 물과 피마자유의 경계면 신호 를 측정하였다. 음향 센서는 7°의 빔폭(3-dB down point)을 갖 는 200-7G(Simrad)가 단상태로 사용되었으며 건축용 단열재 (벽산, 아이소핑크)를 완충제로 사용하여 센서를 고정하였 다. 송신신호는 주파수 200 kHz, 25 μs의 신호길이를 갖는 정 현파를 사용하였다. 음향센서는 송신신호가 경계면에 수직 으로 입사되도록 설치되었으며 빔폭이 7°이므로 첫 번째 실 험환경을 기준으로 물과 공기의 경계면에 약 4 cm의 지름에 해당하는 면적으로 입사된다. 송신 빔패턴을 고려했을 때 주엽과 첫 번째 부엽의 반사 신호의 도달시간은 약 30 μs의 차이를 보이지만 에너지의 상대적인 차이(약 17 dB)를 고려 했을 때 부엽의 반향신호는 무시 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 2에서 점선은 물만 0.35 m 채워진 경우의 수신준위이 며 실선은 물 0.1 m를 피마자유로 교체한 경우의 수신준위를 나타낸다. 총 두께는 0.35 m로 동일하지만 피마자유층 유무 에 따른 수신준위의 변화를 정량적으로 비교하기 위해 두 경우 모두 물만 0.35 m 채워진 경우에 물과 공기 경계면 반 사 신호의 수신준위로 정규화 하여 표현되었다. 물만 채워 진 경우, 물과 공기 경계면에서 반사된 신호는 약 0.47 ms 이 후에 수신되었다. 또한 물 0.1 m를 피마자유와 교체하여 수 행된 실험의 경우, 약 0.35 ms 이후부터 물과 피마자유 경계 면 반사 신호가 물과 공기의 경계면에서 반사 된 신호보다 약 31 dB 작은 크기로 수신되는 것을 확인할 수 있다. 실험 은 2017 년 8 월 한양대학교 수조실험실에서 이틀 동안 총 6 회 반복 수행되었으며 각 회마다 30 핑의 신호를 송수신하 였다. 물은 25.2 ~ 25.4 °C, 피마자유는 24.9 ~ 25.6 °C의 온도변 화가 발생되었으며 온도변화에 따라 각각 2회씩 측정되었다 (Table 1). 물과 피마자유의 음속은 식(1), (2)와 같이 경험식 으로 예측가능하며 여기서 C_w, C_o는 물과 피마자유의 음 속, T_w, T₀는 물과 피마자유의 온도를 의미한다(Grosso and Mader, 1972; Timme, 1972). Fig. 3은 식(1), (2)로부터 계산된 온도변화에 따른 음속을 나타낸다.

Fig. 3의 검정, 회색실선은 온도변화에 따른 피마자유와 담수의 음속변화를 나타내며 검정, 회색점선은 각각의 밀도 변화를 나타낸다. 일반적으로 물은 온도가 높아짐에 따라 음속이 빨라지는 반면 피마자유의 음속은 온도가 높아지면 서 감소하고 두 매질의 밀도는 온도가 높아짐에 따라 감소 한다. 온도변화에 따라 피마자유와 물의 밀도가 동일한 경 향을 나타내며 음속은 반대양상을 보이는 이유는 식(3)으로 부터 해석된다(Potter et al., 2016).

식 은 이론적인 매질의 (3) 음속을 표현하며, 매질의 음속은 체적탄성률(K)의 제곱근에 비례하고, 밀도(ρ)의 제곱근에 반비례한다. 일반적인 액체는 온도가 증가함에 따라 밀도가 감소하고 체적탄성률도 감소한다. 이때 일정한 체적탄성률 을 가정하면 밀도 감소에 따라 음속은 증가하게 된다. 하지 만 온도변화에 따라 조사된 체적탄성률의 감소량은 밀도감 소량에 비해 매우 크기 때문에 음속은 감소하게 된다. 또한 물의 경우, 예외적으로 50 °C 이하에서 온도가 증가함에 따라 체적탄성률에 영향을 미치는 분자운동이 활발해져 체적탄성 률이 증가하게 된다. 50 °C 이상에서는 분자간 거리가 멀어지 면서 활발한 분자운동에도 불구하고 체적탄성률이 감소하게 된다. 그러므로 피마자유는 온도가 증가함에 따라 음속이 감 소하지만 물의 음속은 증가한다. 경계면에서 반사된 신호의 도달시간을 이용하여 물과 피마자유의 음속을 계산하고 경 험식 음속과 비교한 결과는 Table 1과 같다. 물과 피마자유 경계면에서 반사된 신호의 도달시간과 왕복거리를 이용하 여 물의 음속을 먼저 계산하고 물과 피마자유 공기의 경계 면 반사 신호와 피마자유와 공기의 경계면에서 반사된 신호 의 도달시간차, 피마자유의 두께를 이용하여 피마자유의 음 속을 계산하였다. 반사 신호의 도달시간 기준점은 배경소음 보다 높은 준위의 신호가 수신되는 시점으로 판단하여 반사 신호의 최대 피크 점으로부터 여덟 번째 빠른 피크 점에 해 당하는 시간을 기준으로 설정하였다. Table 1에서 측정된 음 속의 오차범위는 적용된 피크 점 기준 ± 1 4 주기(1.25 μs)로 계산되었으며 상대적으로 두꺼운 물에 비해 얇은 두께의 피 마자유에서 계산된 음속이 큰 오차범위를 갖는다.

Fig. 4(a), (b)는 물 0.25 m와 피마자유 0.1 m가 채워진 경우 의 반사 신호를 나타내며, 약 0.334, 0.468 ms의 점선은 경험 식의 음속을 이용하여 계산된 각각의 경계면 반사 신호 도 달시간을 의미한다. 원형심볼(◯)은 경계면 반사 신호의 최 대 피크 점을 기준으로 여덟 번째 이전 피크 점을 나타내며 경험식을 이용하여 계산된 도달시간과 유사함을 확인하였 다. Fig. 4(c)는 0.25 m의 물과 0.1 m의 피마자유가 채워진 경 우와 물만 0.35 m 채워진 경우의 수신신호를 물만 0.35 m 채 워진 경우의 반사 신호를 기준으로 정규화 된 결과를 나타 낸다. 경계면 반사 신호가 여덟 번째 피크값 이후부터 배경 소음보다 높은 준위로 수신됨을 확인할 수 있다. 측정된 음 속과 경험식 음속의 오차는 Set 1, 2가 Set 3 ~ 6에 비해 크게 발생되었는데, 이는 Set 1, 2가 실험이 시작되고 비교적 빠른 시간에 수행되었기 때문에 상대적으로 급격한 온도변화가 발생되는 불안정한 환경에서 측정된 반면 Set 3 ~ 6은 20시간 이상의 시간차를 두고 측정됨에 따라 발생된 차이로 판단된 다. 또한 실험종료 후 마이크로피펫과 저울을 이용하여 피 마자유와 물의 밀도를 측정한 결과는 Table 2와 같다. 해당 온도에서 각각 회 10 측정된 평균값을 나타낸다. 3장에서 모 의된 반사계수는 실측된 음속과 밀도, 경험식으로부터 계산 된 음속과 밀도를 사용하여 두 경우로 수행되었다.

3. 물과 피마자유 경계면 반사손실

3.1 물과 피마자유 경계면 반사손실 측정

물과 피마자유 경계면에서 발생되는 반사손실을 계산하기 위한 소나방정식은 식(4)와 같이 전개할 수 있다. SL (Source Level)은 음원 준위, TL (Transmission Loss)는 음원으로부터 물과 피마자유 경계면까지 거리에 따른 전달손실, SPL (Sound Pressure Level)은 수신음압준위, RL (Reflection Loss)는 물과 피마자유 경계면에서 발생되는 반사손실을 의미한다.

실험이 수행된 소형수조는 근접장(near-field)환경에 해당하 며 근접장에서는 거리에 따른 전달손실의 변동성 및 음원준 위 측정의 부정확성이 크다. 이를 개선하기 위해 SL - 2TL 값을 물과 피마자유 경계면까지의 거리와 동일한 0.25 m에 물과 공기 경계면 반사신호의 수신준위로 대체하여 계산하 였다. 물과 공기의 임피던스차이가 매우 크기 때문에 수면 에서 반사계수(R)는 1로 전반사를 가정할 수 있으므로 SL - 2TL값을 물만 0.25 m 채워진 경우에 물과 공기의 경 계면에서 반사된 신호의 수신음압준위로 대체할 수 있다. Fig. 5는 물만 0.25 m 채워진 경우(점선)와 물 0.25 m, 피마자 유 0.1 m가 함께 채워진 경우(실선, Set 1)의 수신준위를 물만 0.25 m 채워진 경우에 물과 공기의 경계면 반사 신호의 수신 음압준위로 정규화하여 표현되었다. 약 0.37 ms에 점선으로 표현된 신호가 물만 채워진 경우의 물과 공기 경계면 반사 신호이므로 해당신호의 준위가 SL - 2TL 를 대체하는 값으 로 사용되었다. Set 1의 경우에는 물과 피마자유 경계면에서 반사된 신호의 수신음압준위가 물과 공기의 경계면에서 반 사된 신호의 수신준위보다 약 33.3 dB 낮게 수신되었으며 이 값은 반사손실을 의미한다. 6회 측정된 반사손실값의 평균 은 33.9 dB이며 0.6 dB의 표준편차를 보였다.

3.2 물과 피마자유 경계면 반사손실 측정값과 모의결과 비교

서로 다른 두 매질의 경계면에 음파가 입사되었을 때 반 사, 굴절, 산란 등의 음파간섭 현상들이 발생된다. 이러한 현 상들은 두 매질의 음속과 밀도 비율에 따라 변화된다. 두 매 질의 경계면에서 발생되는 반사손실은 매질의 음속과 밀도, 수평입사각에 따라 변화하며 두 매질이 유체인 경우, 레일리 반사계수를 이용하여 계산될 수 있다. 물에서 피마자유로 입 사될 때의 반사계수를 R 라고 정의했을 때 반사계수는 피마자 유의 임피던스(Z o = ρ o c o ), 물의 임피던스(Z w = ρ w c w ), 수평입 사각(θ 1 )과 반사각(θ₂ 의 관계식 ) (R = Z o sin θ 2 − Z sin θ 1 Z o sin θ 2 + Z w sin θ 1 ) 으로 정리될 수 있다. 이때 20log|R|을 반사손실로 정 의한다(Jensen et al., 1993).

수행된 실험환경은 센서의 고정 및 피마자유의 두께 조절 을 위해 수평입사각과 반사각이 90°으로 고정된 제한적 환 경이었다 물과 피마자유의 . 음속과 밀도는 측정된 값과 경 험식으로부터 계산된 값이 각각 적용되었고 측정횟수에 따 른 물과 피마자유 경계면 반사손실 측정 및 모의 결과는 Fig. 6과 같다. 물과 피마자유 경계면 반사손실 측정 및 모의 결과는 온도에 따라 변화되었다. 하지만 물과 피마자유의 온도변화가 크지 않았기 때문에 온도변화에 따른 측정된 반 사손실의 명확한 변화는 확인하기 어려웠다. 측정횟수에 따 른 반사손실 측정결과는 경험식으로부터 계산된 임피던스 를 반영한 모의결과와 2 dB 이하의 작은 차이만을 보인 반면 측정된 임피던스를 반영한 모의결과와는 Set 1, 2에서 7.0, 7.8 dB의 큰 차이를 보였고 Set 3 ~ 6은 경험식의 임피던스를 이용하여 모의한 결과와 유사한 경향을 나타냈다. Set 1, 2에 서 모의결과간의 차이는 측정된 피마자유 음속과 경험식기 반 음속의 차이로 인해 발생되었으며, 이는 II 장에서 언급 된 내용처럼 사용된 물과 피마자유는 실험수행에 앞서 상온 에서 장시간 보관하며 일정한 온도의 안정적인 상태를 유지 하였지만 실험이 시작되고 두 매질이 섞이면서 발생되는 급 격한 온도변화가 음속 측정값의 오차로 반영되었기 때문에 실험이 수행되고 20시간 이상 안정화가 진행된 Set 3 ~ 6에 비해 온도변화가 빠르게 발생된 Set 1, 2에서 모의결과간의 오차가 비교적 크게 발생된 것으로 판단된다.

Fig. 6에서 측정값의 오차는 각각의 실험횟수에서 측정된 30 ping의 수신음압준위의 표준편차와 SL - 2TL값 적용 시 물의 온도가 25.2 °C인 경우의 1회 측정값만 사용함에 따라 발생되는 오차를 모의하여 고려되었다. 측정된 임피던스를 적용한 반사손실 모의결과의 오차는 Table 1, 2에서 계산된 밀도와 음속의 오차에 따라 발생되는 반사손실을 모의하여 계산되었다.

3.3 물과 클로로폼 경계면 반사손실 모의

3.1장과 3.2장을 통해 대체물질의 반사손실 측정결과와 모 의결과가 유사한 경향을 나타냄을 확인하였다. 본 연구의 목표는 저층 침적 위험유해물질의 음향 탐지 가능성 확인이 므로 3.3장에서는 물과 저층 침적 위험유해물질로 구분되는 클로로폼의 경계면에서 반사손실을 0 ~ 90°의 수평입사각에 따라 모의하였다. 조사된 클로로폼의 음속(c, 958 m/s), 밀도 (ρ, 1.52 g/cm³), 감쇠계수(α, 0.138 dB/λ)(Uchida., 1968)를 대입 하여 수평입사각에 따른 반사손실을 모의하고 다양한 해저 면 구성성분(모래, 실트, 점토)의 반사손실 모의결과와 비교 하였다(Fig. 7). 해수에 비해 비교적 음속이 빠른 모래층에서 는 임계각 이하에서 전반사되며 임계각 이상에서는 수평입 사각이 증가함에 따라 반사손실이 증가된다. 비교적 해수와 유사한 음속을 갖는 실트질에서는 수평입사각이 증가함에 따라 반사손실값이 증가되며 일정값으로 수렴하는 경향을 보인다. 해수에 비해 비교적 음속이 느린 점토질의 경우 특 정각도에서 입사된 에너지가 모두 투과되는 전투과각(angle of intromission)이 발생되며 전투과각을 경계로 이하에서는 수평입사각이 증가함에 따라 반사손실이 증가, 이상에서는 수평입사각이 증가함에 따라 반사손실이 서서히 감소되며 일정값에 수렴하는 양상을 나타낸다. 반면 모의된 클로로폼 의 반사손실은 수평입사각이 증가함에 따라 지속적으로 증 가하며 수평입사각 90°에서 약 36.5 dB의 최대값을 보인다. 이는 기존에 알려진 다양한 해저면 구성성분들은 반사손실 특성(임계각, 전투과각 발생)과는 다른 특성을 보이며, 해저 면과 구분되는 클로로폼의 음향 탐지 가능성을 확인하였다.

위험유해물질 누출사고가 발생된 경우에는 위험유해물질 이 해저면에 일정 두께로 침적되거나 일부 해저면으로 스며 드는 등 복잡한 환경에서 탐지가 수행되어야 한다. 이러한 환경을 가정하여 추가로 모래층위에 클로로폼이 0.05, 0.1, 0.5, 1 m 두께로 침적된 4가지 환경에서 반사손실을 모의하 였다. 사용된 주파수는 단일층 반사계수 모델과 동일하게 200 kHz를 적용하였고, Fig. 8은 이층 구조 레일리 반사계수 모델을 이용하여 계산된 반사손실 모의결과를 나타낸다. 이 층 구조 레일리 반사계수는 서로 다른 세 매질 사이에 두 개 의 경계면이 존재할 때 두 경계면에 의해 발생되는 반사손 실을 계산하기 위한 모델이며, 식(5)로 표현된다.

이때 R₁₂은 첫 번째 매질에서 두 번째 매질로 음파가 입 사될 때 매질의 경계면 반사계수, R₂₃는 두 번째 매질에서 세 번째 매질로 음파가 입사될 때 매질의 경계면 반사계수 이다. k₂는 두 번째 매질의 음속과 주파수에 따른 감쇠계수 가 고려된 파수, θ₂는 0 ~ 90°의 수평입사각으로 음파가 입사 되었을 때 상부경계면에서의 굴절각, h는 두 번째 매질층의 두께를 의미한다. 침적 두께가 1 m 미만에서는 클로로폼과 모래층의 간섭에 의해 수평입사각이 증가함에 따라 반사손 실이 진동하면서 증가하는 경향을 보인다. 그리고 침적 두 께가 1 m 이상에는 상부에 침적된 클로로폼의 영향만 존재 하며 진동 없이 수평입사각에 따라 반사손실이 증가하는 양 상을 보인다. 저층 침적 위험유해물질은 다양한 형태와 두 께로 해저에 침적되므로 추후 위험유해물질 유출사고에 적 용하기 위해서는 주파수와 침적 두께에 따른 음향특성 고려 도 필요 할 것으로 판단된다.

4. 결론 및 토의

유출사고 발생 시 물질의 종류에 따라 다양한 특성을 갖 는 위험유해물질의 효과적인 방제, 관리를 위해 물질의 거 동특성이 고려된 적합한 탐사기법이 적용되어야 한다. 특히 해저면 상부에 침적된 위험유해물질은 광학탐지기법 적용 에 한계가 있으므로 수중음향을 이용한 탐지기법 개발이 요 구된다. 본 논문에서는 저층 침적 위험유해물질의 음향 탐 지 가능성을 확인하기 위해 200 kHz 고주파 능동소나를 이용 하여 저층 침적 위험유해물질과 유사한 임피던스를 갖는 대 체물질의 반사손실을 측정하였으며 모의결과와 비교를 통 해 피마자유의 음향학적 특성을 확인, 검증하였다. 서로 다 른 두 매질의 임피던스 차이에 의해 물과 피마자유 경계면 에서 약 33.9 dB의 반사손실이 발생되었으며 조사된 물과 피 마자유의 밀도를 이용하여 수평입사각이 90°인 환경에서 모 의 된 반사손실 결과가 측정결과와 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. 기존에 다양한 입도의 해저면 및 고체물질의 음향특성 연구는 비교적 많이 수행되었으며 선행연구결과 를 토대로 검증이 수행되었다. 반면 화학물질의 음향 탐지 연구는 매질의 음속과 밀도를 이용한 이론적인 접근만 수행 되었으며 비교적 연구사례가 부족하고 관련 자료의 획득이 매우 제한적이다. 특히 음속과 감쇠계수는 밀도에 비해 활 용범위가 협소하기 때문에 자료획득의 제한성이 크다.

추후 다양한 저층 침적 위험유해물질에 대한 음속, 밀도, 감쇠계수의 조사 및 측정을 기반으로 반사손실, 후방산란강 도와 같은 음향학적 특성에 대한 연구가 수행되어야 한다. 더불어 저층 침적 위험유해물질 누출사고 대응기술 개발의 측면에서 실해역의 환경변동성이 고려된 음향탐지 기법 및 알고리즘의 개발이 필요하다.