The acoustic power is used as a primary index characterizing underwater sound sources and could be defined by its source level. The source level has been assessed using various experimental techniques such as the reverberation time method and reverberant tank plot method. While the reverberation time method requires reverberation time data extracted in a preliminary experiment in a reverberant water tank, the reverberant tank plot method only needs acoustic pressure data directly obtained at the reverberation water tank. In this research, these experimental techniques were studied in comparative experiments to estimate the source levels of underwater sources in a reverberant water tank. This paper summarizes the basic theories and procedures of these experimental techniques and presents the experimental results for an underwater source in a long cuboid water tank using each technique, along with a discussion.
The acoustic power is a major acoustical characteristic of an underwater vehicle and could be measured in a reverberant water tank. In order to obtain accurate measurement results, the acoustic field formed by the sound source should be investigated quantitatively in the reverberant water tank. In this research, the acoustic field of a reverberant water tank containing an underwater sound source has been analyzed by using an acoustic radiosity method one of the numerical analysis methods suitable for the acoustic analysis of the highly diffused space. The source level of the underwater sound source and acoustical properties of the water tank input to the numerical analysis have been estimated by applying the reverberant tank plot method through a preliminary experiment result. The comparison of the numerical analysis result with that of the experiment has verified the accuracy of the acoustic radiosity method.
천해에서의 음파는 긴 지연시간을 가지는 다중경로를 통해 전달되며 이러한 특성은 통신에서 Inter-Symbol Interference(ISI)을 야기하기 때문에 성능을 악화시킨다. 본 논문에서는 잔향음 우세 환경에서의 통신성능을 분석하고 다중경로 지연시간과의 상관관계를 파악하기 위해 5 × 5 × 5 m3 수조에서 다양한 심볼 전송속도(100 sym/s to 8000 sym/s)를 갖는 Binary Phase-Shift Keying(BPSK) 신호를 이용하여 실험을 수행하였다. 제어가능한 수조 환경에서의 음향 채널은 수조 내 경계면 및 벽면에서의 다중반사로 인해 밀집한 다중경로 특성을 가지며 약 40 ms 이하의 최대 초과 지연과 8 ms 이하의 Root Mean Squared(RMS) 지연확산을 보였다. 본 논문에서는 4가지 통신 복조 기법을 이용하여 Bit Error Rate(BER) 성능과 출력 Signal-to-Noise Ratio(SNR) 성능을 분석하며 잔향음 우세 환경에서의 심볼 시간과 RMS 지연확산의 비율인 Symbol interval to Delay spread Ratio in reverberant environment(SDRrev)을 정의하여 통신성능이 보장될 수 있는 기준 심볼 전송속도를 제시한다.
Underwater acoustic power should be measured in a free field, but it is not easy to implement. In practice, the measurement could be performed in a reverberant field such as a water-filled steel tank and concrete tank. In this case, the structure and the acoustic field are strongly or weakly coupled according to material properties of the steel and water. So, characteristics of the water tank must be investigated in order to get the accurate underwater acoustic power. In detail, modal frequencies, mode shapes of the structure and frequency response functions of the acoustic field could represent the characteristics of the reverberant water tank. In this paper, the structure-acoustic coupling has been investigated on a reverberant water tank numerically and experimentally. The finite element analysis has been carried out to estimate the structural and acoustical modal parameters under the dry and water-filled conditions, respectively. In order to investigate the structure-acoustic coupling effect, the numerical analysis has been performed according to the structure stiffness change of the water tank. The acoustic frequency response functions were compared with the numerical analysis and acoustic exciting test. From the results, the structural modal frequencies of the water-filled condition have been decreased compared to those of the dry condition in the low frequency range. The acoustic frequency response functions under the coupled boundary conditions showed different patterns from those under the ideal boundary conditions such as the pressure release and rigid boundary condition, respectively.
The directivity of an underwater sound source should be measured in an acoustically open field such as a calm sea or lake, or an anechoic water tank facility. However, technical difficulties arise when practically implementing this in open fields. Signal processing-based techniques such as a sound intensity method and near-field acoustic holography have been adopted to overcome the problem, but these are inefficient in terms of acquisition and maintenance costs. This study established a simple directivity estimation technique with data acquisition, filtering, and analysis tools. A numerical simulation based on an acoustic radiosity method showed that the technique is practicable for sound source directivity estimation in a diffused reverberant acoustic field like a reverberant water tank.
In order to understand the underwater noise source factor of the linear pump type forced ejection system, a reduced-model compressed water experiment device was developed. The reduced-model compressed water experiment device consists of a reverberation tank, a linear pump type forced ejection device, and an underwater vehicle. The underwater noise source was selected from the hydraulic ram moving speed, the hydraulic ram/piston pipe spacing, the ejection pipe inlet/water ram area ratio, and the number of water ram inlets. The underwater vehicle was ejected into the reverberation tank by the device. The source level was derived from the measured sound pressure. The source level tends to increase as the hydraulic ram/piston tube spacing and the hydraulic ram moving speed increase. The source level tended to increase as the area ratio was increased, but the level was weak. The number of water ram inlet did not affect the source level.
Underwater radiated noise is an important characteristic in the naval weapon systems. It is difficult to measure the radiation efficiency of underwater vehicle, such as UUV(unmanned underwater vehicle) and underwater weapons in real operation environment. In this study, acoustic radiation efficiency of a circular cylindrical structure is measured in the laboratory-water tank. The radiation efficiency is compared with the numerical results and it is found that they are in a good agreement. Therefore, the measurement method can be applied effectively for predicting the underwater radiation noise and effectiveness of radiation reduction means.
Underwater sound speed is an important analysis parameter on an estimation of the underwater radiated noise (URN) emitted from vessels. This paper aims to present an underwater sound speed measurement procedure using a cross-correlation of time-domain acoustic signals and validate the procedure through an experiment in a reverberant water tank. For the purpose, time-domain acoustic signals transmitted by a Gaussian pulse excitation from an acoustic projector have been measured at 20 hydrophone positions in the reverberant water tank. Then, the sound speed in water has been calculated by a linear regression using 190 cross-correlation cases of distances and time lags between the received signals and the result has been compared with those estimated by the existing empirical formulae. From the result, it is regarded that the presented experimental procedure to measure an underwater sound speed is reliably applicable if the time resolution is sufficiently high in the measurement.
최근 수중 음향 통신의 필요성과 음성 및 고해상도 영상 데이터와 같은 다양한 데이터 전송의 요구가 증가되고 있다. 수중 음향 통신 시스템의 성능은 수중채널의 특성에 영향을 받으며, 특히 잔향 및 다중경로 (Multi-path)로 인한 지연확산은 데이터 전송 시 인접심벌간의 간섭 (Inter Symbol Interference : ISI)을 발생시켜 통신의 성능을 저하시킨다. 본 논문에서는 수중 채널에서 지연 확산에 강한 성능을 나타내는 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기법을 연구하였다. 또한 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio)이 높은 경우 발생하는 성능저하를 극복하기 위해 클리핑 기법을 적용하였다. 실제 수중 채널을 모의하는 모델 및 수조에서의 실험을 이용하여 수중 음향 통신의 성능을 확인하였다. 그 결과 클리핑 기법을 이용한 다중 반송파가 가장 낮은 비트 오차율을 나타내였으며, 단일 반송파를 이용한 전송이 가장 높은 비트 오차율을 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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