소나

최종 수정 2026.03.24

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F70 type frigates (여기서, )에는 가변 심도 소나(VDS) 유형 DUBV43 또는 DUBV43C 예인 소나가 장착되어 있다.]]

![[소련 해군 소해함 T-297의 소나 이미지. 이 함정은 이전에 라트비아의 비르사이티스호였으며, 1941년 12월 핀란드만에서 난파되었다.[^37]]]

소나(sound navigation and ranging 또는 sonic navigation and ranging)는 음파 전파를 이용하여(주로 잠수함 항해에서와 같이 수중에서) 항해하고, 거리를 측정(거리 측정)하고, 수면 위 또는 수면 아래의 다른 선박과 같은 물체와 통신하거나 이를 탐지하는 기술이다.^1

"소나"는 두 가지 유형의 기술 중 하나를 가리킬 수 있다: 수동 소나는 선박이 내는 소리를 청취하는 것을 의미하며, 능동 소나는 음파 펄스를 방출하고 반향을 청취하는 것을 의미한다. 소나는 음향 위치 측정 및 수중 "표적"의 반향 특성 측정 수단으로 사용될 수 있다.[^38] 공중 음향 위치 측정은 레이더가 도입되기 전에 사용되었다. 소나는 로봇 항법에도 사용될 수 있으며,[^2] 소다(상방을 향한 공중 소나)는 대기 조사에 사용된다. 소나라는 용어는 음파를 생성하고 수신하는 데 사용되는 장비를 가리키기도 한다. 소나 시스템에서 사용되는 음향 주파수는 매우 낮은 주파수(초저주파)에서 극히 높은 주파수(초음파)까지 다양하다. 수중 음향에 대한 연구는 수중 음향학 또는 수리 음향학으로 알려져 있다.

이 기술의 최초 기록된 사용은 1490년 레오나르도 다 빈치에 의한 것으로, 그는 물속에 관을 삽입하여 귀로 선박을 탐지하였다.[^3] 이 기술은 제1차 세계 대전 중 잠수함전의 증가하는 위협에 대응하기 위해 개발되었으며, 1918년까지 실용적인 수동 소나 시스템이 사용되었다.^1 현대의 능동 소나 시스템은 음향 변환기를 사용하여 음파를 생성하고, 이 음파가 표적 물체에서 반사된다.^1

역사

일부 동물(돌고래, 박쥐, 일부 땃쥐 등)이 수백만 년 동안 소리를 통신과 물체 탐지에 사용해 왔지만, 인간이 수중에서 소리를 사용한 것은 1490년 레오나르도 다 빈치에 의해 최초로 기록되었다: 관을 물속에 넣고 귀를 대면 선박을 탐지할 수 있다고 하였다.[^3]

19세기 후반에는 수중 종이 등대나 등대선의 보조 장치로 사용되어 위험을 경고하는 역할을 하였다.[^39]

박쥐가 공중 항법에 소리를 사용하는 것과 같은 방식으로 수중에서 소리를 이용한 "반향 위치 측정"의 사용은 1912년의 재난에 의해 촉발된 것으로 보인다.[^40] 세계 최초의 수중 반향 탐지 장치 특허는 타이타닉호 침몰 한 달 후 영국 기상학자 루이스 프라이 리처드슨이 영국 특허청에 출원하였다.[^4] 독일의 물리학자 알렉산더 벰은 1913년에 음향 측심기 특허를 취득하였다.[^41]

캐나다 공학자 레지널드 페센든은 매사추세츠주 보스턴의 서브마린 시그널 컴퍼니에서 근무하면서 1912년에 실험 시스템 제작을 시작하였으며, 이 시스템은 이후 보스턴 항구에서, 그리고 1914년에는 뉴펀들랜드 앞바다 그랜드뱅크스에서 미국 세입국 경비함 마이애미호로부터 시험되었다.[^4][^42] 이 시험에서 페센든은 수심 측정, 수중 통신(모스 부호) 및 반향 탐지를 시연하여 빙산을 탐지하는 데 성공하였다.^43 약 500 Hz 주파수로 작동하는 "페센든 발진기"는 3미터의 파장과 변환기 방사면의 작은 크기(지름이 파장의 절반 미만)로 인해 빙산의 방위를 결정할 수 없었다. 1915년, 몬트리올에서 건조된 영국 H급 잠수함 10척에 페센든 발진기가 장착되어 진수되었다.[^45]

제1차 세계 대전 중 잠수함을 탐지해야 할 필요성은 소리 이용에 대한 더 많은 연구를 촉진하였다. 영국은 수중 청음 장치인 하이드로폰을 초기에 사용하였다. 프랑스의 물리학자 폴 랑주뱅은 러시아 출신 이민자 전기 공학자 콘스탄틴 칠로프스키와 함께 1915년에 잠수함 탐지를 위한 능동 음향 장치 개발에 착수하였다. 이후 압전 및 자왜 변환기가 그들이 사용한 정전 변환기를 대체하였지만, 이 연구는 이후의 설계에 영향을 미쳤다. 경량 음감 플라스틱 필름과 광섬유가 하이드로폰에 사용되었다. 투사기용으로는 터페놀-D와 니오브산마그네슘납(PMN)이 개발되었다.

ASDIC

1944년경의 ASDIC 표시 장치

1916년, 영국 발명연구위원회 산하에서 캐나다 물리학자 로버트 윌리엄 보일은 A. B. 우드와 함께 능동 음향 탐지 프로젝트를 맡아 1917년 중반에 시험용 시제품을 제작하였다. 영국 해군 참모부 대잠수함과를 위한 이 작업은 극비리에 수행되었으며, 석영 압전 결정을 사용하여 세계 최초의 실용적인 수중 능동 음향 탐지 장치를 만들어냈다.[^6]

기밀을 유지하기 위해 음향 실험이나 석영에 대한 언급은 일절 하지 않았으며, 초기 작업을 설명하는 데 사용된 단어("초음파")는 "ASD"ics로 변경되었고, 석영 재료도 변경되었다: "ASD"는 "대잠수함과(Anti-Submarine Division)"를 의미하며, 이로부터 영국식 약어 ASDIC이 탄생하였다. 1939년, 옥스퍼드 영어 사전의 질의에 대한 답변으로 해군성은 "연합 잠수함 탐지 조사 위원회(Allied Submarine Detection Investigation Committee)"의 약자라는 이야기를 지어냈으며, 이는 여전히 널리 믿어지고 있지만,[^5] 해군성 기록 보관소에서 이 이름의 위원회는 발견된 적이 없다.[^6]

1918년까지 영국과 프랑스는 능동 시스템의 시제품을 제작하였다. 영국은 1920년에 ASDIC을 시험하였고 1922년에 생산을 시작하였다. 제6구축함전대는 1923년에 ASDIC 장착 함정을 보유하게 되었다. 1924년에는 포틀랜드에 대잠수함 학교 HMS 오스프리와 4척으로 구성된 훈련 전대가 설립되었다.

제2차 세계 대전이 발발할 무렵, 영국 해군은 다양한 수상함 급별로 5종의 세트를 보유하고 있었으며, 잠수함용 세트도 있어 완전한 대잠수함 체계에 통합되어 있었다. 초기 ASDIC의 효과는 대잠수함 무기로서 폭뢰를 사용함으로써 저해되었다. 이 방식은 공격 함정이 잠수한 표적 위를 지나간 후 함미에서 폭뢰를 투하해야 했기 때문에, 공격 직전 순간에 ASDIC 접촉이 상실되었다. 사실상 사냥꾼이 눈을 감고 사격하는 셈이었으며, 그 동안 잠수함 함장은 회피 기동을 취할 수 있었다. 이 상황은 새로운 전술과 새로운 무기로 개선되었다.

프레데릭 존 워커가 개발한 전술적 개선 사항에는 잠행 공격이 포함되었다. 이를 위해서는 두 척의 대잠수함 함정이 필요했으며, 보통 슬루프나 코르벳이 사용되었다. 하나는 "지시함"으로서 ASDIC으로 목표 잠수함을 추적하고, 다른 함정은 ASDIC을 끄고 5노트로 항해하면서 지시에 따라 공격을 개시하였다. 저속 접근은 잠수함이 폭뢰 투하 시점을 예측할 수 없게 하였다. 어떤 회피 기동이든 지시함이 탐지하였으며, 이에 따라 공격함에 조타 명령이 전달되었다.[^7]

ASDIC 사각지대에 대처하기 위한 새로운 무기는 헤지호그와 이후의 스퀴드 같은 "전방 투사 무기"로, 공격함 전방의 목표물, 즉 아직 ASDIC 접촉이 유지되는 곳으로 탄두를 투사하였다. 이를 통해 단일 호위함이 잠수함에 대해 더 정확한 공격을 할 수 있게 되었다. 전쟁 중의 개발로 영국 ASDIC 세트는 여러 가지 다른 형태의 빔을 사용하게 되었는데, 예를 들어 144형 세트에 부착된 Q 부속 장치는 더 깊은 각도로 정렬되었다. 관절식 변환기를 갖춘 147B형 세트는 운용자가 사각지대를 커버할 수 있게 하였다.[^46] 또 다른 개발품은 수동 소나를 이용하여 목표 잠수함을 스스로 조준하는 FIDO 유도 어뢰였다.

제2차 세계 대전 초기(1940년 9월), 영국의 ASDIC 기술은 미국에 무상으로 이전되었다. ASDIC과 수중 음향에 대한 연구는 영국과 미국에서 확대되었다. 많은 새로운 유형의 군사용 음향 탐지 장치가 개발되었다. 여기에는 1944년 영국이 하이 티라는 암호명으로 처음 개발한 소노부이, 딥핑/덩킹 소나, 기뢰 탐지 소나가 포함되었다. 이 작업은 핵잠수함에 대응하기 위한 전후 개발의 기초가 되었다.

SONAR

1930년대에 미국 기술자들은 자체적인 수중 음향 탐지 기술을 개발하였으며, 수온약층의 존재와 그것이 음파에 미치는 영향 등 중요한 발견이 이루어졌다.[^47] 미국인들은 자국의 시스템에 RADAR에 대응하는 용어로 프레더릭 헌트가 만든 SONAR라는 용어를 사용하기 시작하였다.

미국 해군 수중음향연구소

1917년, 미국 해군은 J. 워런 호턴의 용역을 처음으로 확보하였다. 벨 연구소에서 휴직하고 그는 기술 전문가로서 정부에 복무하였는데, 처음에는 매사추세츠주 나한트의 실험 기지에서, 이후에는 영국 런던의 미국 해군 본부에서 근무하였다. 나한트에서 그는 당시 현재 전자공학으로 알려진 응용과학 분야의 형성기와 관련된 새로 개발된 진공관을 수중 신호 탐지에 적용하였다. 그 결과, 이전 탐지 장비에 사용되던 탄소 버튼 마이크로폰이 현대 하이드로폰의 전신으로 대체되었다. 또한 이 시기에 그는 예인 탐지 방법을 실험하였다. 이는 그의 장치의 감도가 향상되었기 때문이었다. 이 원리는 현대의 예인 소나 시스템에서도 여전히 사용되고 있다.

영국의 방어 수요를 충족하기 위해 호턴은 영국으로 파견되어 아일랜드해 해저에 잠수함 케이블로 해안 청음소와 연결된 해저 설치형 하이드로폰을 설치하였다. 이 장비가 해저 케이블 부설선에 적재되는 중에 제1차 세계 대전이 끝나 그는 귀국하였다.

제2차 세계 대전 중 호턴은 잠수함, 기뢰, 어뢰를 탐지할 수 있는 소나 시스템을 계속 개발하였다. 그는 1957년 미국 해군 수중음향연구소의 수석 연구 고문으로서 *소나의 기초(Fundamentals of Sonar)*를 출판하였다. 그는 1959년 기술 감독이 될 때까지 이 직위를 유지하였으며, 1963년 정년 퇴직할 때까지 기술 감독직을 수행하였다.[^48][^49]

미국과 일본의 재료 및 설계

1915년부터 1940년까지 미국의 소나 분야에서는 거의 진전이 없었다. 1940년 당시 미국의 소나는 일반적으로 자왜 변환기와 니켈 튜브 배열로 구성되어 있었으며, 이 배열은 직경 1피트의 강철판에 연결되고, 그 뒷면에 구형 하우징 내의 로셸염 결정이 부착되어 있었다. 이 조립체는 선체를 관통하였으며 수동으로 원하는 각도로 회전시켰다. 압전 로셸염 결정은 더 나은 성능 특성을 가졌으나, 자왜 장치가 훨씬 더 신뢰성이 높았다.

제2차 세계 대전 초기 미국 상선 보급 수송의 막대한 손실은 이 분야에서 대규모 최우선 순위 연구로 이어져, 자왜 변환기 성능 향상과 로셸염 신뢰성 개선을 동시에 추구하였다. 인산이수소암모늄(ADP)이 로셸염의 대체재로서 우수한 대안으로 발견되었으며, 최초의 적용은 24 kHz 로셸염 변환기의 교체였다. 9개월 이내에 로셸염은 구식이 되었다. ADP 제조 시설은 1940년 초 수십 명의 인원에서 1942년에는 수천 명으로 성장하였다.

ADP 결정의 초기 응용 중 하나는 음향 기뢰용 하이드로폰이었다. 결정은 5 Hz의 저주파 차단, 항공기에서 투하 시의 기계적 충격 내구성, 인접 기뢰 폭발에 대한 생존 능력을 갖추도록 사양이 정해졌다. ADP 신뢰성의 핵심 특성 중 하나는 영 노화 특성으로, 장기 보관 후에도 결정이 성능 특성을 유지한다는 것이다.

또 다른 응용은 음향 유도 어뢰였다. 수평면과 수직면에 두 쌍의 지향성 하이드로폰이 어뢰 선단부에 장착되었으며, 각 쌍의 차이 신호를 이용하여 어뢰를 좌우 및 상하로 조종하였다. 이에 대한 대응책이 개발되었는데, 목표 잠수함이 발포성 화학물질을 방출하면 어뢰가 더 시끄러운 기포 미끼를 쫓아가는 것이었다. 이에 대한 재대응책은 능동 소나가 장착된 어뢰였다 – 어뢰 선단부에 변환기가 추가되었으며, 마이크로폰이 반사된 주기적 음파 펄스를 청취하였다. 변환기는 동일한 직사각형 결정판으로 구성되어 엇갈린 열로 다이아몬드 형태의 면적에 배열되었다.

잠수함용 수동 소나 배열이 ADP 결정으로 개발되었다. 여러 결정 조립체가 강철 튜브에 배치되고, 피마자유로 진공 충전된 후 밀봉되었다. 이 튜브들은 병렬 배열로 장착되었다.

제2차 세계 대전 종전 시 미국 해군의 표준 주사 소나는 ADP 결정 배열을 사용하여 18 kHz에서 작동하였다. 그러나 더 긴 탐지 거리를 위해서는 더 낮은 주파수의 사용이 필요하였다. 필요한 크기가 ADP 결정으로는 너무 커서 1950년대 초에 자왜 및 티탄산바륨 압전 시스템이 개발되었으나, 균일한 임피던스 특성을 달성하는 데 문제가 있었고 빔 패턴이 저하되었다. 티탄산바륨은 이후 더 안정적인 지르콘산티탄산납(PZT)으로 대체되었고, 주파수는 5 kHz로 낮추어졌다.^50

미국 함대는 수십 년간 AN/SQS-23 소나에 이 재료를 사용하였다. SQS-23 소나는 처음에 자왜 니켈 변환기를 사용하였으나, 이는 수 톤에 달하였고 니켈은 고가이며 전략 물자로 간주되었기 때문에 압전 변환기로 대체되었다. 이 소나는 432개의 개별 변환기로 구성된 대형 배열이었다. 초기에는 변환기의 신뢰성이 낮아 기계적·전기적 고장이 발생하고 설치 후 곧 성능이 저하되었으며, 여러 제조업체에서 생산되어 설계가 다르고 특성 차이가 배열 성능을 저해할 정도였다. 이에 개별 변환기 수리를 허용하는 정책을 포기하고, 밀봉된 비수리형 모듈인 "소모성 모듈 설계"를 채택하여 밀봉 및 기타 부수적 기계 부품의 문제를 해소하였다.^51

제2차 세계 대전 개전 당시 일본 제국 해군은 석영 기반의 투사기를 사용하였다. 이것은 특히 저주파용으로 설계된 경우 크고 무거웠는데, 9 kHz에서 작동하는 91식 세트용 투사기는 직경이 크며 5 kW 출력, 7 kV 출력 진폭의 발진기로 구동되었다. 93식 투사기는 석영의 고체 샌드위치로 구성되어 구형 주철 본체에 조립되었다.

93식 소나는 이후 독일 설계를 따르고 자왜 투사기를 사용하는 3식으로 교체되었다. 투사기는 약 직사각형 주철 본체 내에 두 개의 동일한 독립 직사각형 유닛으로 구성되었다. 노출 면적은 파장의 절반 너비에 파장의 3배 높이였다. 자왜 코어는 4 mm 두께의 니켈 타발판으로 제작되었으며, 이후에는 알루미늄 함량 12.7%에서 12.9% 사이의 철-알루미늄 합금으로 제작되었다. 전력은 3.8 kV에서 2 kW로 공급되었고, 편극은 20 V, 8 A 직류 전원에서 공급되었다.

일본 제국 해군의 수동 하이드로폰은 동코일 설계, 로셸염 압전 변환기, 탄소 마이크로폰을 기반으로 하였다.[^8]

변환기의 후속 발전

자왜 변환기는 제2차 세계 대전 후 압전 변환기의 대안으로 추구되었다. 니켈 권취 링 변환기는 고출력 저주파 운용에 사용되었으며, 직경이 최대에 달하여 아마도 역대 최대의 개별 소나 변환기였을 것이다. 금속의 장점은 높은 인장 강도와 낮은 입력 전기 임피던스이지만, 전기적 손실이 있고 PZT보다 결합 계수가 낮다. PZT의 인장 강도는 사전 응력을 가함으로써 높일 수 있다.

다른 재료도 시도되었다. 비금속 페라이트는 낮은 전기 전도도로 인한 낮은 와전류 손실이 유망하였고, 메트글라스는 높은 결합 계수를 제공하였지만, 전반적으로 PZT에 열등하였다. 1970년대에 희토류와 철의 화합물이 우수한 자기-기계적 특성을 가진 것으로 발견되었으며, 바로 터페놀-D 합금이었다. 이는 예를 들어 자왜-압전 혼합 변환기 같은 새로운 설계를 가능하게 하였다. 이러한 개선된 자왜 재료 중 가장 최근의 것은 갈페놀이다.

다른 유형의 변환기로는 가변 자기 저항(또는 가동 전기자, 또는 전자기) 변환기가 있는데, 여기서 자기력이 간극 표면에 작용하며, 동코일(또는 전기 역학) 변환기는 기존 스피커와 유사하다. 후자는 매우 낮은 공진 주파수와 그 이상에서의 평탄한 광대역 특성으로 인해 수중 음향 교정에 사용된다.[^52]

능동 소나

능동 소나의 원리

능동 소나는 음향 송신기(또는 투사기)와 수신기를 사용한다. 두 장치가 같은 위치에 있으면 단일 정적(monostatic) 운용이다. 송신기와 수신기가 분리되어 있으면 이중 정적(bistatic) 운용이다.[^53] 송신기(또는 수신기)가 더 많이 사용되고 역시 공간적으로 분리되어 있으면 다중 정적(multistatic) 운용이다. 대부분의 소나는 동일한 배열을 송신과 수신에 함께 사용하는 단일 정적 방식으로 운용된다.[^54] 능동 소노부이 필드는 다중 정적으로 운용될 수 있다.

능동 소나는 흔히 "핑(ping)"이라 불리는 음향 펄스를 생성한 후 펄스의 반사(에코)를 청취한다. 이 음향 펄스는 일반적으로 신호 발생기, 전력 증폭기, 전기-음향 변환기/배열로 구성된 소나 투사기를 사용하여 전자적으로 생성된다.[^55] 변환기는 음향 신호("핑")를 송수신할 수 있는 장치이다. 빔형성기는 보통 음향 에너지를 빔으로 집중시키는 데 사용되며, 이 빔은 필요한 탐색 각도를 커버하도록 조향될 수 있다.

일반적으로 전기-음향 변환기는 톤필츠(Tonpilz) 유형이며, 전체 시스템의 성능을 최적화하기 위해 가장 넓은 대역폭에서 최대 효율을 달성하도록 설계가 최적화될 수 있다. 때로는 음향 펄스가 폭발물, 에어건 또는 플라즈마 음원을 사용하는 화학적 방법 등 다른 수단으로 생성될 수도 있다.

물체까지의 거리를 측정하기 위해 펄스 송신부터 수신까지의 시간을 측정하고, 알려진 음속을 이용하여 거리로 변환한다.[^56] 방위를 측정하기 위해서는 여러 개의 수중 청음기를 사용하여 각 청음기에 도달하는 상대적 시간 차이를 측정하거나, 수중 청음기 배열을 사용하여 빔형성이라는 과정을 통해 형성된 빔들의 상대적 진폭을 측정한다. 배열을 사용하면 공간 응답이 줄어들기 때문에 넓은 범위를 커버하기 위해 다중 빔 시스템이 사용된다.[^57]

목표 신호가 존재하면 잡음과 함께 신호 처리 과정을 거치게 되는데,[^58] 단순한 소나의 경우 이는 단지 에너지 측정일 수 있다. 그런 다음 출력을 필요한 신호 또는 잡음으로 판별하는 일종의 결정 장치에 전달된다. 이 결정 장치는 헤드폰을 쓴 조작원이거나 디스플레이일 수 있다. 더 정교한 소나에서는 이 기능이 소프트웨어로 수행될 수 있다. 목표물을 분류하고 위치를 특정하며 속도를 측정하기 위한 추가적인 처리 과정이 수행될 수 있다.

펄스는 일정한 주파수이거나, 수신 시 펄스 압축을 가능하게 하는 주파수 변조(처프) 신호일 수 있다. 단순한 소나는 일반적으로 목표물 이동에 의한 도플러 변화를 커버할 만큼 충분히 넓은 필터와 함께 전자를 사용하고, 더 복잡한 소나는 일반적으로 후자의 기법을 포함한다. 디지털 처리가 가능해진 이후 펄스 압축은 보통 디지털 상관 기법을 사용하여 구현되었다. 군용 소나는 전방위 커버를 제공하기 위해 다중 빔을 갖는 경우가 많은 반면, 단순한 소나는 좁은 호만을 커버하지만 기계적 스캔으로 비교적 느리게 빔을 회전시킬 수 있다.

특히 단일 주파수 송신이 사용될 때, 도플러 효과를 이용하여 목표물의 반경 방향 속도를 측정할 수 있다. 송신 신호와 수신 신호 간의 주파수 차이를 측정하여 속도로 변환한다. 도플러 편이는 수신기나 목표물의 운동 모두에 의해 발생할 수 있으므로, 탐색 플랫폼의 반경 방향 속도를 고려해야 한다.

유용한 소형 소나 중 하나는 외관이 방수 손전등과 유사하다. 머리 부분을 물속에 넣고 버튼을 누르면 장치가 목표물까지의 거리를 표시한다. 또 다른 변형은 어군 탐지기로, 소형 디스플레이에 어군을 보여준다. 은밀성을 위해 설계되지 않은 일부 민간용 소나는 보트 주변 지역의 3차원 디스플레이를 갖추어 능동 군용 소나에 근접하는 성능을 보인다.

능동 소나가 변환기에서 해저까지의 거리를 측정하는 데 사용될 때 이를 음향 측심이라 한다. 유사한 방법이 파도 측정을 위해 상방을 향하여 사용될 수도 있다.

능동 소나는 또한 두 소나 변환기 사이, 또는 수중 청음기(수중 음향 마이크)와 투사기(수중 음향 스피커)의 조합 사이의 수중 거리를 측정하는 데에도 사용된다. 수중 청음기/변환기가 특정 질의 신호를 수신하면 특정 응답 신호를 송신하여 응답한다. 거리를 측정하기 위해 하나의 변환기/투사기가 질의 신호를 송신하고, 이 송신과 다른 변환기/수중 청음기의 응답 수신 사이의 시간을 측정한다.

시간 차이에 수중 음속을 곱하고 2로 나누면 두 플랫폼 사이의 거리가 된다. 이 기법은 여러 변환기/수중 청음기/투사기와 함께 사용될 때, 수중에서 정지 및 이동 물체의 상대적 위치를 계산할 수 있다.

전투 상황에서 능동 펄스는 적에 의해 탐지될 수 있으며, 잠수함이 스스로 접촉을 탐지할 수 있는 최대 거리의 두 배 거리에서 잠수함의 위치를 노출시키고, 송출되는 핑의 특성에 기반하여 잠수함의 정체에 대한 단서를 제공한다. 이러한 이유로 능동 소나는 군용 잠수함에서 자주 사용되지 않는다.

매우 지향성이 높지만 효율이 낮은 유형의 소나는 어업, 군사, 항만 보안 분야에서 사용되며, 비선형 소나로 알려진 물의 복잡한 비선형 특성을 이용하는데, 이때 가상 변환기는 파라메트릭 배열이라 한다.

아르테미스 프로젝트

아르테미스 프로젝트는 1950년대 후반부터 1960년대 중반까지 수행된 실험적 연구 개발 프로젝트로, 해양 감시에 사용될 수 있는 저주파 능동 소나 시스템의 음향 전파와 신호 처리를 조사하기 위한 것이었다. 부차적 목표는 고정 능동 해저 시스템의 공학적 문제를 검토하는 것이었다.[^59] 수신 배열은 버뮤다 앞바다 플랜태저넷 뱅크의 경사면에 설치되었다. 능동 음원 배열은 개조된 제2차 세계대전 유조선에서 전개되었다.[^60] 아르테미스의 요소들은 주요 실험이 종료된 후에도 실험적으로 사용되었다.

트랜스폰더

이것은 특정 자극을 수신하면 즉시(또는 지연 후) 수신된 신호 또는 미리 정해진 신호를 재송신하는 능동 소나 장치이다. 트랜스폰더는 해저 장비를 원격으로 작동시키거나 회수하는 데 사용될 수 있다.[^61]

성능 예측

소나 목표물은 발신기를 중심으로 한 구면에 비해 작다. 따라서 반사된 신호의 출력은 매우 낮으며, 원래 신호보다 수 자릿수 작다. 반사 신호가 동일한 출력이더라도 다음 예시(가상의 값 사용)가 문제를 보여준다: 소나 시스템이 1 m에서 10,000 W/m2 신호를 발신할 수 있고, 0.001 W/m2 신호를 탐지할 수 있다고 가정하자. 100 m에서 신호는 역제곱 법칙에 의해 1 W/m2가 된다.

전체 신호가 10 m2 목표물에서 반사되면, 발신기에 도달할 때 0.001 W/m2가 되어 겨우 탐지 가능하다. 그러나 원래 신호는 3000 m까지 0.001 W/m2 이상을 유지한다. 100~3000 m 사이에 있는 유사하거나 더 우수한 시스템을 사용하는 10 m2 목표물은 펄스를 탐지할 수 있지만, 발신기에 의해 탐지되지는 않는다. 에코를 포착하려면 탐지기가 매우 민감해야 한다. 원래 신호가 훨씬 강력하기 때문에 소나 범위의 두 배보다 훨씬 먼 거리에서도 탐지될 수 있다(예시에서와 같이).

능동 소나는 두 가지 성능 제한이 있다: 잡음에 의한 것과 잔향에 의한 것이다. 일반적으로 둘 중 하나가 지배적이므로 두 효과를 처음에는 별도로 고려할 수 있다.

잡음 제한 조건에서의 초기 탐지:[^9] SL − 2PL + TS − (NL − AG) = DT, 여기서 SL은 음원 수준, PL은 전파 손실(때로는 전달 손실이라 함), TS는 목표 강도, NL은 잡음 수준, AG는 수신 배열의 배열 이득(때로는 지향성 지수로 근사), DT는 탐지 문턱값이다.

잔향 제한 조건에서의 초기 탐지(배열 이득 무시): SL − 2PL + TS = RL + DT, 여기서 RL은 잔향 수준이며, 나머지 요소는 위와 같다.

잠수부용 휴대형 소나

*LIMIS(흡착 기뢰 영상 소나)는 잠수부가 사용하는 휴대형 또는 ROV 장착형 영상 소나이다. 이 이름은 저시정 수중에서 흡착 기뢰를 찾기 위한 순찰 잠수부(전투 프로그맨 또는 소해 잠수부)를 위해 설계되었기 때문에 붙여졌다. *LUIS(렌즈형 수중 영상 시스템)는 잠수부가 사용하는 또 다른 영상 소나이다. *잠수부용으로 단순히 거리만 표시하는 손전등 형태의 소형 휴대형 소나가 있거나 있었다. *INSS(통합 항법 소나 시스템)

상향 탐지 소나

상향 탐지 소나(ULS)는 해수면을 향해 위쪽으로 향하는 소나 장치이다. 하향 탐지 소나와 유사한 목적으로 사용되지만, 해빙의 두께, 거칠기 및 밀집도 측정,[^62][^63] 또는 거친 바다에서 기포 기둥으로부터의 공기 혼입 측정과 같은 고유한 용도가 있다. 흔히 해저에 계류되거나 약 100m의 일정 수심에서 팽팽한 줄 계류에 매달려 부유한다. 잠수함, 자율 수중 무인기(AUV), 아르고 부표와 같은 부표에서도 사용될 수 있다.[^64]

수동 소나

수동 소나는 송신 없이 청취만 한다.[^10] 주로 군사 분야에서 사용되지만, 다양한 수중 환경에서 어류의 존재/부재 연구를 위한 탐지 등 과학 분야에서도 활용된다 – 수동 음향학 및 수동 레이더도 참조. 가장 넓은 의미에서 이 용어는 원격으로 생성된 소리를 포함하는 거의 모든 분석 기법을 포괄할 수 있지만, 일반적으로 수중 환경에 적용되는 기법으로 한정된다.

음원 식별

수동 소나는 탐지된 소리의 출처를 식별하기 위한 다양한 기법을 보유하고 있다. 예를 들어, 미국 함정은 보통 60헤르츠(Hz) 교류 전력 시스템을 운용한다. 변압기나 발전기가 선체로부터 적절한 진동 절연 없이 장착되거나 침수되면, 권선에서 발생하는 60 Hz 소리가 잠수함이나 함정에서 방출될 수 있다. 이는 해당 함정의 국적 식별에 도움이 될 수 있는데, 모든 유럽 잠수함과 거의 다른 모든 국가의 잠수함이 50 Hz 전력 시스템을 사용하기 때문이다. 간헐적 음원(예: 렌치가 떨어지는 소리)은 "과도 신호"라 불리며, 수동 소나로 탐지될 수 있다. 비교적 최근까지 숙련되고 훈련된 운용자가 신호를 식별했지만, 현재는 컴퓨터가 이를 수행할 수 있다.

수동 소나 시스템은 대규모 음향 데이터베이스를 보유할 수 있지만, 최종적으로는 소나 운용자가 수동으로 신호를 분류하는 것이 일반적이다. 컴퓨터 시스템은 이러한 데이터베이스를 활용하여 함정의 종류, 행동(즉, 함정의 속도, 발사된 무기의 종류 및 가장 효과적인 대응책), 심지어 특정 함정까지 식별하는 데 자주 사용된다.

잡음 제한

차량에 탑재된 수동 소나는 차량 자체가 발생시키는 잡음으로 인해 대개 심각하게 제한된다. 이러한 이유로 많은 잠수함은 무소음 대류를 이용하여 펌프 없이 냉각할 수 있는 원자로, 또는 역시 무소음으로 작동할 수 있는 연료전지나 배터리를 운용한다. 함정의 프로펠러 또한 최소한의 잡음을 방출하도록 설계되고 정밀하게 가공된다. 고속 프로펠러는 종종 물속에 미세한 기포를 생성하며, 이 공동현상은 독특한 소리를 낸다.

소나 수중 청음기는 함정이나 잠수함 자체에서 발생하는 잡음의 영향을 줄이기 위해 선체 뒤에서 예인될 수 있다. 예인 장치는 수온약층 위 또는 아래에서 예인될 수 있어 수온약층에 대한 대응에도 효과적이다.

대부분의 수동 소나 표시 장치는 2차원 폭포형 디스플레이였다. 디스플레이의 수평 방향은 방위각이다. 수직 방향은 주파수이며, 때로는 시간이다. 또 다른 표시 기법은 방위각에 대한 주파수-시간 정보를 색상으로 구분하는 것이다. 보다 최근의 디스플레이는 컴퓨터에 의해 생성되며, 레이더 방식의 평면 위치 표시기(PPI) 디스플레이를 모방한다.

성능 예측

능동 소나와 달리, 단방향 전파만 관여한다. 사용되는 신호 처리 방식이 다르기 때문에 최소 탐지 가능 신호 대 잡음비도 달라진다. 수동 소나의 성능을 결정하는 방정식은 다음과 같다.[^65][^9] SL − PL = NL − AG + DT, 여기서 SL은 음원 수준, PL은 전파 손실, NL은 잡음 수준, AG는 배열 이득, DT는 탐지 임계값이다. 수동 소나의 성능 지수는 다음과 같다. FOM = SL + AG − (NL + DT).

성능 요인

소나의 탐지, 분류 및 위치 측정 성능은 환경과 수신 장비, 그리고 능동 소나의 경우 송신 장비 또는 수동 소나의 경우 표적 방사 소음에 따라 달라진다.

음파 전파

소나 작동은 음속의 변화, 특히 수직면에서의 변화에 영향을 받는다. 음파는 해수보다 담수에서 더 느리게 전파되지만, 그 차이는 작다. 음속은 물의 체적 탄성률과 질량 밀도에 의해 결정된다. 체적 탄성률은 온도, 용해된 불순물(보통 염분), 그리고 압력의 영향을 받는다. 밀도의 영향은 작다. 음속(피트/초 단위)은 대략 다음과 같다:

4388 + (11.25 × 온도(°F)) + (0.0182 × 깊이(피트)) + 염분(천분율)

이 경험적으로 도출된 근사 방정식은 일반적인 온도, 염분 농도 및 대부분의 해양 깊이 범위에서 상당히 정확하다. 해양 온도는 깊이에 따라 변하지만, 30~100미터 사이에서 흔히 수온약층이라 불리는 뚜렷한 변화가 나타나며, 이는 따뜻한 표층수와 나머지 해양을 구성하는 차갑고 정적인 심층수를 구분한다. 이는 소나를 방해할 수 있는데, 수온약층의 한쪽에서 발생한 음파가 수온약층을 통과하면서 굴절되는 경향이 있기 때문이다.

수온약층은 얕은 연안 해역에서도 나타날 수 있다. 파도의 작용은 종종 수층을 혼합하여 수온약층을 제거한다. 수압 또한 음파 전파에 영향을 미치는데, 높은 압력은 음속을 증가시키고 이로 인해 음파가 음속이 높은 영역에서 벗어나는 방향으로 굴절된다. 굴절의 수학적 모델은 스넬의 법칙이라 불린다.

음원이 깊고 조건이 적합하면, '심해 음파 통로'에서 전파가 일어날 수 있다. 이는 통로 내 수신기에 극히 낮은 전파 손실을 제공한다. 이는 경계면에서의 손실 없이 통로 내에서 음파가 갇히기 때문이다. 적합한 조건 하에서 '표면 덕트'에서도 유사한 전파가 일어날 수 있다. 이 경우 표면에서 반사 손실이 발생한다.

천해에서의 전파는 일반적으로 표면과 해저에서의 반복적인 반사에 의해 이루어지며, 이 과정에서 상당한 손실이 발생할 수 있다.

음파 전파는 표면과 해저에서의 흡수뿐만 아니라 물 자체에서의 흡수에도 영향을 받는다. 이 흡수는 주파수에 따라 달라지며, 해수에서는 여러 가지 다른 메커니즘이 작용한다. 장거리 소나는 흡수 효과를 최소화하기 위해 저주파를 사용한다.

바다에는 원하는 표적 반향이나 신호 특성을 방해하는 많은 소음원이 존재한다. 주요 소음원은 파도와 선박이다. 수신기가 물속을 이동하는 것 또한 속도에 따른 저주파 소음을 유발할 수 있다.

산란

능동 소나를 사용할 때, 해저와 수면뿐만 아니라 바다 속의 작은 물체들로부터도 산란이 발생한다. 이는 주요 간섭 원인이 될 수 있다. 이러한 음향 산란은 안개 속에서 자동차 헤드라이트의 빛이 산란되는 것과 유사하다: 고강도 펜슬 빔은 안개를 어느 정도 관통하지만, 광폭 빔 헤드라이트는 원치 않는 방향으로 많은 빛을 방출하며, 그 빛의 상당 부분이 관찰자에게 되돌아와 산란되어 표적에서 반사된 빛을 압도한다("화이트아웃"). 유사한 이유로 능동 소나는 산란을 최소화하기 위해 좁은 빔으로 송신해야 한다.

![Bubble clouds shown under the sea. From ref.^11 ] 물체(기뢰, 파이프라인, 동물성 플랑크톤, 지질학적 특징, 어류 등)로부터의 소나 산란은 능동 소나가 이들을 탐지하는 방법이지만, 이 능력은 허위 표적 또는 '클러터'로부터의 강한 산란에 의해 가려질 수 있다. 기포가 발생하는 곳(쇄파 아래,[^12] 선박 항적 내, 해저 침출 및 누출에서 방출되는 가스[^13] 등)에서 기포는 강력한 클러터 원인이 되며, 표적을 쉽게 은폐할 수 있다. TWIPS(쌍 반전 펄스 소나)[^14]^15는 현재 이 클러터 문제를 극복할 수 있는 유일한 소나이다. ![Comparison of Standard Sonar and TWIPS in finding a target in bubbly water. Adapted from ref.^14 ] 이는 최근 많은 분쟁이 연안 해역에서 발생했으며, 기뢰의 존재 여부를 탐지하지 못하는 것이 군함에 위험과 지연을 초래하고, 분쟁이 종료된 후에도 오랫동안 해당 지역을 지원하려는 지원 호송단과 상선에도 위험과 지연을 초래하기 때문에 중요하다.^14

표적 특성

잠수함과 같은 능동 소나 표적의 음파 반사 특성은 표적 강도로 알려져 있다. 복잡한 점은 고래, 항적, 어군, 암석 등 바다 속의 다른 물체로부터도 반향이 얻어진다는 것이다.

수동 소나는 표적의 방사 소음 특성을 탐지한다. 방사 스펙트럼은 연속 소음 스펙트럼과 분류에 사용할 수 있는 특정 주파수에서의 피크로 구성된다.

대응 수단

능동(동력식) 대응 수단은 공격받는 함정이 소음 수준을 높이고, 큰 허위 표적을 제공하며, 함정 자체의 신호 특성을 은폐하기 위해 발사할 수 있다.

수동(즉, 비동력식) 대응 수단은 다음을 포함한다:

  • 소음 발생 장치를 방진 장치에 장착하는 것.
  • 잠수함 선체에 흡음 코팅을 하는 것, 예를 들어 무반향 타일.

군사적 응용

현대 해전에서는 수상 함정, 항공기, 고정 시설에서 능동 및 수동 소나를 광범위하게 사용한다. 제2차 세계대전에서 수상함이 능동 소나를 사용한 반면, 잠수함은 적군에게 자신의 존재와 위치가 노출될 위험 때문에 능동 소나 사용을 피했다. 그러나 현대 신호 처리 기술의 출현으로 수동 소나가 수색 및 탐지 작전의 주요 수단으로 활용될 수 있게 되었다. 1987년 일본 기업 도시바의 한 사업부가 소련에 기계를 판매한 것으로 알려졌는데[^66], 이 기계를 통해 잠수함 프로펠러 블레이드를 정밀 가공하여 소음이 획기적으로 줄어들었고, 이로 인해 신세대 잠수함의 탐지가 더욱 어려워졌다.

잠수함이 방위를 파악하기 위해 능동 소나를 사용하는 것은 극히 드문 일이며, 잠수함의 사격통제팀에 양질의 방위 또는 거리 정보를 반드시 제공하지도 않는다. 그러나 수상함에서의 능동 소나 사용은 매우 일반적이며, 잠수함이 자신의 위치를 은폐하는 것보다 적 잠수함의 위치를 파악하는 것이 전술적으로 더 중요한 상황에서 사용된다. 수상함의 경우, 소나를 발신하는 주변의 모든 함정이 그 방사를 탐지할 수 있으므로 위협 세력이 이미 위성 데이터로 해당 함정을 추적하고 있다고 가정할 수 있다. 신호를 수신하면 사용된 소나 장비(보통 주파수로)와 그 위치(음파의 에너지로)를 쉽게 식별할 수 있다. 능동 소나는 특정 거리의 표적을 탐지할 수 있다는 점에서 레이더와 유사하지만, 동시에 발신자가 훨씬 더 먼 거리에서 탐지될 수 있게 하므로 바람직하지 않다.

능동 소나는 운용자의 존재와 위치를 노출하고 표적의 정확한 분류를 허용하지 않기 때문에, 고속 플랫폼(항공기, 헬리콥터)과 소음이 큰 플랫폼(대부분의 수상함)에서 사용되지만 잠수함에서는 거의 사용되지 않는다. 수상함이나 잠수함에서 능동 소나를 사용할 때는 일반적으로 탐지 위험을 최소화하기 위해 간헐적으로 매우 짧은 시간 동안만 작동시킨다. 따라서 능동 소나는 보통 수동 소나의 보조 수단으로 간주된다. 항공기에서는 능동 소나가 일회용 소노부이 형태로 사용되며, 항공기의 초계 구역이나 적의 소나 접촉 가능 지점 부근에 투하된다.

수동 소나에는 여러 가지 장점이 있으며, 가장 중요한 것은 무소음이라는 점이다. 표적의 방사 소음 수준이 충분히 높으면 능동 소나보다 더 긴 탐지 거리를 가질 수 있으며, 표적의 식별도 가능하다. 모든 동력 물체는 어느 정도의 소음을 발생시키므로, 방출되는 소음 수준과 해당 지역의 주변 소음 수준, 그리고 사용되는 기술에 따라 원칙적으로 탐지가 가능하다. 간단히 말해, 수동 소나는 이를 사용하는 함정 주위를 "본다". 잠수함에서 함수 장착 수동 소나는 함정 정렬을 중심으로 약 270° 방향을 탐지하고, 선체 장착 배열은 양쪽으로 각각 약 160°를, 예인 배열은 360° 전방위를 탐지한다. 사각 지대는 함정 자체의 간섭으로 인해 발생한다.

특정 방향에서 신호가 탐지되면(즉, 그 방향에서 무언가가 소리를 내고 있다는 것이며, 이를 광대역 탐지라 한다) 수신된 신호를 확대하여 분석(협대역 분석)할 수 있다. 이는 일반적으로 푸리에 변환을 사용하여 소리를 구성하는 여러 주파수를 표시하는 방식으로 수행된다. 모든 엔진은 고유한 소리를 내므로 물체를 식별하는 것은 간단하다. 고유한 엔진 소리의 데이터베이스는 음향 정보(ACINT)로 알려진 것의 일부이다.

수동 소나의 또 다른 용도는 표적의 궤적을 파악하는 것이다. 이 과정을 표적 운동 분석(TMA)이라 하며, 그 결과인 "해"는 표적의 거리, 침로, 속력이다. TMA는 서로 다른 시점에 소리가 오는 방향을 표시하고, 그 운동을 운용자 자신의 함정 운동과 비교하여 수행된다. 상대 운동의 변화는 몇 가지 한계 사례에 대한 가정과 함께 표준 기하학적 기법을 사용하여 분석된다.

수동 소나는 은밀하다. 첨단 전자 부품이 필요하다. 일반적으로 탐지 능력을 향상시키기 위해 배열 형태로 고성능 함정에 배치된다. 수상함과 잠수함이 이를 사용한다. 또한 항공기와 헬리콥터에서도 주로 "기습 효과"를 위해 사용되는데, 잠수함이 수온약층 아래에 숨을 수 있기 때문이다. 잠수함 함장이 자신이 혼자라고 판단하면, 함정을 수면 가까이 올려 탐지가 더 쉬워지거나, 더 깊고 빠르게 이동하여 더 많은 소음을 발생시킬 수 있다.

군사적 소나 응용 사례는 아래에 제시되어 있다. 다음 절에 제시된 많은 민간 용도도 해군 용도에 적용될 수 있다.

대잠전

가변심도 소나와 윈치

최근까지 함정 소나는 보통 선체 중앙부 또는 함수에 장착된 선체 부착 배열로 제작되었다. 초기 사용 직후 유동 소음을 줄이는 수단이 필요하다는 것이 밝혀졌다. 최초의 것은 골조 위에 캔버스로 만들어졌고, 이후 강철 재질이 사용되었다. 현재 돔은 보통 강화 플라스틱이나 가압 고무로 제작된다. 이러한 소나는 주로 능동 방식으로 운용된다. 재래식 선체 부착 소나의 예로는 SQS-56이 있다.

함정 소음 문제로 인해 예인 소나도 사용된다. 이들은 수중 더 깊은 곳에 배치할 수 있다는 장점이 있지만, 천해에서의 사용에는 제한이 있다. 이를 예인 배열(선형) 또는 2/3D 배열을 갖춘 가변심도 소나(VDS)라 한다. 문제는 이를 전개/회수하는 데 필요한 윈치가 크고 비싸다는 것이다. VDS 장비는 주로 능동 방식으로 운용되고, 예인 배열은 수동 방식이다.

현대의 능동-수동 함정 예인 소나의 예로는 탈레스 수중시스템(Thales Underwater Systems)이 제작한 소나 2087이 있다.

어뢰

현대 어뢰에는 일반적으로 능동/수동 소나가 장착된다. 이는 표적에 직접 유도하는 데 사용될 수 있지만, 항적 추적 어뢰도 사용된다. 음향 유도 어뢰의 초기 예로는 마크 37 어뢰가 있다.

어뢰 대응 수단은 예인형 또는 자유형이 있다. 초기 예로는 독일의 지크린데(Sieglinde) 장치가 있었고, *볼트(Bold)*는 화학적 장치였다. 널리 사용된 미국 장치로는 예인형 AN/SLQ-25 닉시(Nixie)가 있었으며, 이동식 잠수함 시뮬레이터(MOSS)는 자유형 장치였다. 닉시 체계의 현대적 대안으로는 영국 해군의 S2170 수상함 어뢰 방어 체계가 있다.

기뢰

기뢰에는 필요한 표적을 탐지, 위치 파악 및 식별하기 위한 소나가 장착될 수 있다. 그 예로 CAPTOR 기뢰가 있다.

대기뢰전

대기뢰전(MCM) 소나는 때때로 "기뢰 및 장애물 회피 소나(MOAS)"라고도 불리며, 소형 물체를 탐지하는 데 사용되는 특수 소나이다. 대부분의 MCM 소나는 선체 부착형이지만 일부는 VDS 설계이다. 선체 부착형 MCM 소나의 예로는 Type 2193이 있으며, SQQ-32 기뢰 탐색 소나와 Type 2093 체계는 VDS 설계이다.

잠수함 항법

잠수함은 수중에서 레이더를 사용할 수 없으므로 수상함보다 소나에 더 크게 의존한다. 소나 배열은 선체 부착형이거나 예인형일 수 있다. 일반적인 장착 구성에 대한 정보는 과 에 제시되어 있다.

항공기

![[AN/AQS-13 H-3 시킹에서 전개 중인 디핑 소나]]

헬리콥터는 능동-수동 소노부이 배치장을 전개하거나 AQS-13과 같은 디핑 소나를 운용하여 대잠전에 활용할 수 있다. 고정익 항공기도 소노부이를 투하할 수 있으며, 더 긴 체공 시간과 더 많은 투하 능력을 갖추고 있다. 소노부이 또는 디핑 소나의 처리는 항공기 내에서 또는 함정에서 수행될 수 있다. 디핑 소나는 일일 조건에 적합한 깊이까지 전개할 수 있다는 장점이 있다. 헬리콥터는 AQS-20A와 같은 예인 소나를 사용한 대기뢰전 임무에도 활용되어 왔다.

수중 통신

전용 소나를 함정과 잠수함에 장착하여 수중 통신에 사용할 수 있다.

해양 감시

미국은 1950년에 미국전화전신회사(AT&T)와 함께 음향감시체계(SOSUS)라는 기밀 명칭의 수동 고정 해양 감시 체계를 시작했으며, 산하 벨 연구소의 연구와 웨스턴 일렉트릭의 제조 부문이 개발 및 설치를 계약받았다. 이 체계는 심해 음향 채널이라고도 알려진 SOFAR 채널을 활용했는데, 여기서 음속 최소치가 도파관을 형성하여 저주파 음향이 수천 마일을 전파한다.[^17][^18][^67][^68] 제안된 체계가 장거리 잠수함 탐지에 매우 유망하여 해군은 즉각적인 구현 조치를 명령했다.[^19]

NAVFAC 당직실의 각 배열 빔별 로파그램 기록기

1951년 시험 배열 설치에 이어 40개 소자 규모의 원형 운용 배열이 설치된 후 1958년까지 대서양, 이어서 태평양에 *시저 계획(Project Caesar)*이라는 비기밀 명칭으로 체계가 설치되었다. 최초의 체계는 해군시설(NAVFAC)로 지정된 기밀 해안 기지에서 종단되었으며, 기밀 임무를 은폐하기 위해 "해양 연구"에 종사하는 것으로 설명되었다. 이 체계는 배열을 대양 분지에 설치할 수 있는 더 진보된 케이블과 개량된 처리 장치로 여러 차례 업그레이드되었다.[^17][^69]

요격 소나

이것은 적의 능동 소나 송신을 탐지하고 위치를 파악하기 위해 설계된 소나이다. 그 예로 영국 잠수함에 장착된 Type 2082가 있다.

민간 응용 분야

어업

어업은 수요가 증가하고 있는 중요한 산업이지만, 심각한 자원 문제로 인해 세계 어획량은 감소하고 있다. 이 산업은 지속 가능한 수준에 도달할 때까지 전 세계적으로 통합이 계속되는 미래에 직면해 있다. 그러나 어선단의 통합은 센서, 측심기, 소나 등 정교한 어군 탐지 전자 장비에 대한 수요를 증가시키고 있다. 역사적으로 어민들은 어류를 찾고 포획하기 위해 다양한 기법을 사용해 왔다. 그러나 음향 기술은 현대 상업 어업 발전의 가장 중요한 원동력 중 하나였다.

어류의 공기로 채워진 부레는 해수와 밀도가 다르기 때문에, 음파는 물속에서와 어류를 통과할 때 서로 다르게 전달된다. 이러한 밀도 차이를 통해 반사된 음파를 이용하여 어군을 탐지할 수 있다. 음향 기술은 수중에서 소리가 공기 중보다 더 멀리, 더 빠르게 전달되기 때문에 수중 응용 분야에 특히 적합하다. 오늘날 상업 어선은 어류를 탐지하기 위해 거의 전적으로 음향 소나와 측심기에 의존한다. 어민들은 또한 능동 소나와 음향 측심 기술을 사용하여 수심, 해저 윤곽 및 해저 구성을 파악한다.

어군 탐지 소나의 선실 표시 장치

eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp, Simrad 등의 회사들은 심해 상업 어업을 위한 다양한 소나 및 음향 장비를 제조한다. 예를 들어, 그물 센서는 다양한 수중 측정을 수행하고 그 정보를 선박에 탑재된 수신기로 전송한다. 각 센서는 특정 기능에 따라 하나 이상의 음향 변환기를 장착하고 있다. 데이터는 무선 음향 원격 측정을 통해 센서에서 전송되며, 선체에 장착된 수중 청음기가 이를 수신한다. 아날로그 신호는 디지털 음향 수신기에 의해 복호화되고 데이터로 변환된 후, 고해상도 모니터에 그래픽으로 표시하기 위해 선교 컴퓨터로 전송된다.

음향 측심

음향 측심은 선박과 보트 아래의 수심을 측정하는 데 사용되는 과정이다. 능동 소나의 한 유형인 음향 측심은 음향 펄스를 해저로 직접 하향 송신하여 해저에 부딪혀 원래 선박으로 되돌아오는 반사파가 돌아오기까지의 시간을 측정하는 것이다. 음향 펄스는 변환기에 의해 방출되며, 이 변환기가 반사 에코도 수신한다. 수심 측정은 물속에서의 음속(평균 초속 1,500미터)에 송신과 반사파 수신 사이의 시간을 곱하여 계산한다.[^70]

수중 음향이 어업에 가져다주는 가치는 음향 측심기와 유사한 방식으로 작동하지만, 초기 음향 측심기 모델과 기능이 약간 다르기 때문에 다른 명칭이 부여된 기타 음향 장비의 개발로 이어졌다.

그물 위치 탐지

그물 측심기는 선박 하부가 아닌 그물의 상부 줄에 변환기가 장착된 음향 측심기이다. 그러나 변환기에서 표시 장치까지의 거리가 일반 음향 측심기보다 훨씬 멀기 때문에 여러 가지 개량이 이루어져야 한다. 두 가지 주요 유형이 있다. 첫 번째는 케이블 방식으로, 신호가 케이블을 통해 전송된다. 이 경우, 작업의 각 단계에서 케이블을 감고, 풀고, 보관하기 위한 케이블 드럼이 필요하다. 두 번째 유형은 Marport의 Trawl Explorer와 같은 무선 그물 측심기로, 그물과 선체에 장착된 수신 수중 청음기 사이에서 신호가 음향으로 전송된다. 이 경우 케이블 드럼은 필요 없지만 변환기와 수신기에 정교한 전자 장치가 필요하다.

그물 측심기의 화면은 음향 측심기의 선체 장착 변환기가 보여주는 수심이 아니라, 해저(또는 수면)로부터 그물까지의 거리를 표시한다. 그물의 상부 줄에 고정되어 있어 하부 줄이 보통 화면에 나타나므로 그물의 성능을 파악할 수 있다. 그물로 들어오는 어류도 관찰할 수 있어, 최대한 많은 어류를 포획하기 위한 미세 조정이 가능하다. 그물 안의 어류량이 중요한 다른 어업에서는 그물의 코드엔드(끝자루) 여러 위치에 어획량 감지 변환기가 장착된다. 코드엔드가 채워짐에 따라 이 어획량 감지 변환기가 하나씩 작동하며, 이 정보가 음향으로 선박 선교의 표시 모니터에 전송된다. 그러면 선장이 그물을 끌어올릴 시기를 결정할 수 있다.

다중 소자 변환기를 사용하는 현대의 그물 측심기는 음향 측심기보다는 소나에 더 가깝게 기능하며, 초기 그물 측심기가 사용했던 수직 방향의 시야만이 아닌 그물 전방 영역의 단면을 보여준다.

소나는 방향 탐지 기능을 갖춘 음향 측심기로, 선박 주위의 어류나 기타 물체를 표시할 수 있다.

원격 조종 잠수정 및 무인 잠수정

소형 소나는 원격 조종 잠수정(ROV)과 무인 잠수정(UUV)에 장착되어 탁한 환경에서의 운용을 가능하게 한다. 이러한 소나는 잠수정 전방을 탐색하는 데 사용된다. AN/BLQ-11 장기 기뢰 정찰 체계는 기뢰 대응 목적의 무인 잠수정이다.

차량 위치 탐지

비콘 역할을 하는 소나는 항공기가 해상에 추락할 경우 위치를 파악할 수 있도록 항공기에 장착된다. 단기선 및 장기선 소나가 위치 파악에 사용될 수 있으며, LBL 등이 그 예이다.

시각 장애인을 위한 보조 기구

2013년 미국의 한 발명가가 초음파 센서와 햅틱 피드백 시스템을 장착한 "거미 감각" 바디수트를 공개했다. 이 장치는 착용자에게 다가오는 위협을 경고하여, 눈을 가린 상태에서도 공격자에게 대응할 수 있게 해준다.[^71]

과학적 응용

생물량 추정

능동 소나 기술을 사용하여 어류 및 기타 해양·수중 생물을 탐지하고, 개체의 크기나 총 생물량을 추정한다. 음파 펄스는 주변 매질과 밀도가 다른 모든 물체에서 반사된다. 여기에는 어류, 보다 구체적으로는 어류의 공기로 채워진 부레가 포함된다.[^20] 이러한 반향은 어류의 크기, 위치, 개체수 및 행동에 대한 정보를 제공한다. 이는 부레가 있는 어류(예: 청어, 대구, 명태)에 특히 효과적이며, 부레가 없는 어류(예: 상어, 고등어, 넙치)에는 덜 유용하다.[^72] 수층 데이터는 일반적으로 해저면이나 물체 탐지 데이터와는 다른 방식으로 처리되며, 이 데이터 유형은 전문 소프트웨어로 처리할 수 있다.[^20]

파랑 측정

해저면이나 플랫폼에 장착된 상향식 음향 측심기는 파고와 주기를 측정하는 데 사용될 수 있다. 이를 통해 특정 위치의 해수면 상태에 대한 통계를 도출할 수 있다.

유속 측정

수중 유속을 측정할 수 있도록 특수한 근거리 소나가 개발되었다.

해저면 유형 평가

해저면을 예를 들어 니질(뻘), 사질(모래), 자갈 등으로 분류할 수 있는 소나가 개발되었다. 음향 측심기와 같은 비교적 단순한 소나도 부가 모듈을 통해 해저면 분류 시스템으로 업그레이드할 수 있으며, 이를 통해 반향 매개변수를 퇴적물 유형으로 변환한다. 다양한 알고리즘이 존재하지만, 모두 반사된 측심 펄스의 에너지나 형태 변화에 기반한다. 보정된(과학용) 음향 측심기와 파라메트릭 분석 또는 퍼지 논리 분석을 활용하면 고급 기질 분류 분석이 가능하다.

수심 측량

![Graphic depicting [hydrographic survey ship conducting multibeam and side-scan sonar operations]]

사이드스캔 소나는 해저면 바로 위에서 소나를 이동시켜 해저 지형(수심) 지도를 작성하는 데 사용될 수 있다. GLORIA와 같은 저주파 소나는 대륙붕 규모의 광역 조사에 사용되었으며, 고주파 소나는 소규모 지역의 보다 정밀한 조사에 사용된다.

대형 수상 선박에 선체 장착된 멀티빔 음향 측심기는 거의 실시간으로 수심 데이터를 띠 형태로 생성한다. 한 가지 예로, 제너럴 인스트루먼트(General Instrument)의 "시빔(Seabeam)" 시스템은 용골을 따라 배치된 투사기 배열을 사용하여 부채꼴 빔으로 해저면에 음파를 조사한다. 선체 횡방향으로 장착된 수중청음기 배열의 신호를 처리하여 투사기 빔과 직각으로 교차하는 다수의 가상 부채꼴 빔을 합성한다.

소나 영상

소나 데이터를 이용한 2차원 및 3차원 영상 생성.

천부지층 탐사

해저면 상부 지층의 단면을 제공하기 위해 강력한 저주파 음향 측심기가 개발되었다. 가장 최근의 장비 중 하나는 인노마(Innomar)의 SES-2000 콰트로(quattro) 다중 변환기 파라메트릭 천부지층탐사기(SBP)로, 예를 들어 푸크만(Puck Bay)에서 수중 고고학 목적으로 사용되었다.[^73]

해저면 가스 누출 탐지

가스 기포는 다양한 원인에 의해 해저면 또는 그 근처에서 누출될 수 있다. 이러한 기포는 수동 소나[^21]와 능동 소나[^13] 모두로 탐지할 수 있다(개략도[^21]에서 각각 노란색과 빨간색 시스템으로 표시).

![Active (red) and passive (yellow) sonar detection of bubbles from seabed (natural seeps and CCSF leaks) and gas pipelines, taken from ref.^21 ] 메탄과 이산화탄소의 자연 누출이 발생한다.[^13] 가스 배관에서 누출이 발생할 수 있으며, 탄소 포집·저장 시설(CCSF; 예: 추출된 대기 중 탄소를 저장하는 폐유정)에서 누출이 발생하는지 탐지하는 것이 중요하다.[^22][^23][^24][^25] 가스 누출량의 정량화는 어려우며, 능동 및 수동 소나를 사용하여 추정할 수 있지만, 소나 데이터로부터 이러한 추정을 할 때 내재된 가정들 때문에 그 정확성에 의문을 제기하는 것이 중요하다.[^21][^26]

합성 개구 소나

다양한 합성 개구 소나가 실험실에서 제작되었으며, 일부는 기뢰 탐색 및 수색 시스템에 실용화되었다. 그 작동 원리에 대한 설명은 합성 개구 소나 항목에서 제공된다.

파라메트릭 소나

파라메트릭 음원은 물의 비선형성을 이용하여 두 고주파 간의 차이 주파수를 생성한다. 가상의 종단발사(end-fire) 배열이 형성된다. 이러한 투사기는 넓은 대역폭, 좁은 빔 폭의 장점이 있으며, 완전히 개발되고 정밀하게 측정되면 명확한 부엽(sidelobe)이 없다: 파라메트릭 배열 참조. 주요 단점은 불과 몇 퍼센트에 불과한 매우 낮은 효율이다.[^74] P.J. Westervelt는 관련 경향을 요약하고 있다.[^75]

외계 환경에서의 소나

능동 및 수동 소나의 사용이 다양한 외계 환경에 대해 제안되었다.[^27] 한 가지 예로 타이탄이 있는데, 능동 소나는 탄화수소 바다의 깊이를 측정하는 데 사용될 수 있고,[^76] 수동 소나는 메탄 강우를 탐지하는 데 사용될 수 있다.[^28]

지구와 외계 환경의 차이를 적절히 고려하지 않은 제안은 잘못된 측정 결과로 이어질 수 있다.[^29]^30^32[^34]

생태적 영향

해양 포유류에 대한 영향

![A [humpback whale ]] 연구에 따르면 능동 소나의 사용은 해양 포유류의 대규모 좌초를 유발할 수 있는 것으로 나타났다.[^35] 좌초 사고에서 가장 흔한 피해종인 부리고래는 중주파 능동 소나에 매우 민감한 것으로 밝혀졌다.[^77] 대왕고래와 같은 다른 해양 포유류도 소나 음원으로부터 도주하는 행동을 보이며,[^78] 해군 활동이 돌고래 대규모 좌초의 가장 유력한 원인으로 제시되기도 했다.[^79]

일부 연구에 자금을 지원한 미 해군은 이러한 연구 결과가 소나에 대한 행동 반응만을 보여줄 뿐 실질적인 피해를 입증하지는 않는다고 밝혔으나, "새로운 연구 결과를 고려하여 해양 포유류 보호 조치의 효과를 평가할 것"이라고 했다.[^35] 미 해군의 소나 사용에 관한 2008년 미국 대법원 판결에서는 소나가 해양 포유류에 피해를 주거나 사망에 이르게 했다는 것이 확정적으로 입증된 사례가 없었다고 언급했다.^80

고래와 돌고래 같은 일부 해양 동물은 포식자와 먹이를 탐지하기 위해 때때로 생체 소나라고 불리는 반향정위 체계를 사용한다. 남부 캘리포니아 해역에서 대왕고래에 대한 소나의 영향을 조사한 연구에 따르면, 중주파 소나 사용이 고래의 섭식 행동을 방해하는 것으로 나타났다. 이는 소나로 인한 섭식 방해와 양질의 먹이 서식지로부터의 이탈이 수염고래의 채이 생태, 개체 적합도 및 개체군 건강에 이전에 기록되지 않은 상당한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.[^81]

소나가 사용된 해군 훈련과 관련된 부리고래 대규모 좌초에 대한 증거 검토가 2019년에 발표되었다. 이 검토에서는 중주파 능동 소나의 영향이 쿠비에부리고래에게 가장 강하게 나타나지만 개체 또는 개체군에 따라 차이가 있다고 결론지었다. 개별 동물의 반응 강도는 이전에 소나에 노출된 경험이 있는지에 따라 달라질 수 있으며, 좌초된 고래에서 감압병 증상이 발견되었는데 이는 소나에 대한 반응의 결과일 수 있다고 제시했다. 또한 이전에 여러 차례 대규모 좌초가 보고되었던 카나리아 제도에서는 소나를 사용하는 해군 훈련이 해당 해역에서 금지된 이후 더 이상 대규모 좌초가 발생하지 않았음을 언급하며, 대규모 좌초가 계속 발생하는 다른 해역으로도 이 금지 조치를 확대할 것을 권고했다.[^82][^83]

어류에 대한 영향

저주파 소나는 일부 어류의 청각 역치에 일시적이고 미미한 변화를 일으킬 수 있다.[^84][^85]

주파수와 해상도

소나의 주파수는 초저주파에서 메가헤르츠 이상까지 다양하다. 일반적으로 낮은 주파수는 더 긴 탐지 거리를 가지며, 높은 주파수는 더 나은 해상도와 주어진 지향성에 대해 더 작은 크기를 제공한다.

합리적인 지향성을 달성하기 위해 1 kHz 미만의 주파수는 일반적으로 큰 크기가 필요하며, 보통 예인 배열로 구현된다.[^36]

저주파 소나는 대략 1–5 kHz로 정의되지만, 일부 해군에서는 5–7 kHz도 저주파로 간주한다. 중주파는 5–15 kHz로 정의된다. 또 다른 분류 방식에서는 1 kHz 미만을 저주파로, 1–10 kHz를 중주파로 간주한다.[^36]

미국의 제2차 세계 대전 시대 소나는 비교적 높은 20–30 kHz의 주파수에서 작동하여, 합리적으로 작은 변환기로 지향성을 달성했으며, 일반적인 최대 작전 거리는 2,500야드였다. 전후 소나는 더 긴 거리를 달성하기 위해 더 낮은 주파수를 사용했다. 예를 들어 SQS-4는 10 kHz에서 작동하여 최대 5,000야드의 거리를 가졌다. SQS-26과 SQS-53은 3 kHz에서 작동하여 최대 20,000야드의 거리를 가졌으며, 이들의 돔 크기는 약 60피트 인원수송정 정도로, 재래식 선체 소나의 크기 상한이었다. 선체에 걸쳐 펼치는 등각 소나 배열로 더 큰 크기를 달성하는 것은 지금까지 효과적이지 못했으며, 더 낮은 주파수의 경우 선형 배열이나 예인 배열이 사용된다.[^36]

일본의 제2차 세계 대전 소나는 다양한 주파수 범위에서 작동했다. 91식은 30인치 수정 발진기를 갖추고 9 kHz에서 작동했다. 93식은 더 작은 수정 발진기를 갖추고 17.5 kHz(5형은 16 또는 19 kHz 자기변형 방식)에서 1.7~2.5킬로와트의 출력으로 작동했으며, 최대 6 km의 거리를 가졌다. 후기의 3식은 독일 설계의 자기변형 변환기를 사용하여 13, 14.5, 16 또는 20 kHz(모델별)에서 작동했고, 쌍 변환기를 사용했다(1형은 단일 변환기 3개 사용). 출력은 0.2~2.5킬로와트였다. 간이형은 14.5 kHz 자기변형 변환기를 0.25 kW로 사용했으며, 발진기 대신 축전기 방전으로 구동되었고, 최대 2.5 km의 거리를 가졌다.[^8]

소나의 해상도는 각도 기반이며, 더 멀리 떨어진 물체는 가까운 물체보다 낮은 해상도로 영상화된다.

또 다른 자료에서는 측면주사 소나의 주파수별 거리와 해상도를 나열하고 있다. 30 kHz는 1,000–6,000m 거리에서 낮은 해상도를, 100 kHz는 500–1,000m에서 중간 해상도를, 300 kHz는 150–500m에서 높은 해상도를, 600 kHz는 75–150m에서 높은 해상도를 제공한다. 장거리 소나는 수중의 비균질성에 의해 더 큰 악영향을 받는다. 일부 환경, 특히 해안 근처의 얕은 수역은 많은 지형지물이 있는 복잡한 지형을 가지고 있어, 그러한 곳에서는 더 높은 주파수가 필요하다.[^86]

같이 보기

    • , 소나 물리학자

부연 설명

각주

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수산 음향학 참고 자료

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외부 링크

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