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군사용 음향센서 기술력 선진국과 ‘어깨’

이석종 기사입력 2015. 12. 01   18:35

<39> 음향센서 <하>

송신센서·하이드로폰·트랜스듀서

음향센서, 소나시스템 핵심 부품

300kHz 이상 초고주파 대역

송수신 센서용 소자 개발

 

 


 

 

음파, 수중에서 유일한 탐지 수단

공기 중에서 물체를 탐지하기 위한 수단으로는 전자기파를 이용한 레이더 시스템이 널리 사용되고 있다.

 하지만 수중에서는 전자기파가 멀리 전파되지 못하기 때문에 음파가 거의 유일한 탐지 수단이고 이를 이용한 시스템이 소나다. 음향센서는 소나 시스템의 핵심 부품으로 전기신호를 음향신호로 또는 음향신호를 전기신호로 변환하는 장치다.

 음향센서는 기본적으로 음파를 발생시키고 동시에 수신이 가능하다.

 주로 사용하는 기능에 따라 음파를 발생시키기만 하는 센서를 송신센서(projector), 음파를 감지하기만 하는 센서를 하이드로폰(hydrophone), 송수신을 동시에 하는 센서를 트랜스듀서(transducer)로 구분한다.

 음향센서는 적용되는 무기체계에 따라 그 종류와 형태가 다양하며 요구되는 성능 및 규격이 모두 다르다.

 소나체계의 탐지성능은 탐지거리에 달려 있다. 따라서 음향센서의 성능은 음파를 얼마나 멀리 송신할 수 있느냐 또는 얼마나 낮은 음압을 수신할 수 있느냐에 달려있다. 즉 송신 및 수신 감도가 핵심 요구 사양 가운데 하나다.



음향센서, 무기체계마다 성능·규격 모두 달라

 그뿐만 아니라 표적의 위치를 판단하기 위해 음파를 원하는 방향으로 송신하거나 표적으로부터 수신한 음파의 방향을 구분할 수 있는 성능, 즉 지향성이 중요한 요구 성능이다.

 이런 지향성을 크게 하기 위해 여러 개의 음향센서를 목적에 따라 선형, 평면형, 원통형, 구형, 컨포멀형, 일반 3차원형 등 다양한 형태로 배열해 설계하게 되는데 이러한 배열 센서는 출력의 크기뿐만 아니라 지향성도 증가하며 동시에 주변 환경으로부터 전달되는 다양한 소음을 줄이는 효과를 가져온다.

 그동안 압전재료의 성능을 향상시키거나 다른 변환 개념을 이용한 음향센서 기술 개발 노력이 꾸준히 진행돼 왔다.

 국방과학연구소(ADD)는 그중에서도 특히 압전재료와 폴리머재료를 구조적으로 융합시킨 복합재료 음향센서의 응용연구를 2011년부터 2013년까지 주관해 수행했다.

 이 연구에서는 향후 소요가 추진 중인 무인잠수정 소나시스템에 적용할 목적으로 1-3형 압전-폴리머 복합재료 음향센서가 개발됐다. 또한 이 연구를 통해 ADD는 300kHz 이상 초고주파 대역의 송수신 센서용 소자를 제조하는 공정을 개발하고 음향센서 시제작 및 성능시험을 통해 적용 가능성을 확인했다.

 최근 ADD는 한·영 국제공동연구를 통해 무인잠수정 탑재 기뢰탐지 소나체계에 적합한 압전 단결정(PMN-PT) 응용 톤필즈(Tonpilz)형 고출력 고주파 음향센서와 배열센서 기술을 개발하고 각종 시험을 통해 기뢰탐지 소나 체계에 적용 가능성을 확인했다.

 이에 따라 압전 단결정 응용 군사용 음향센서 기술은 우리나라가 최소한 선진국과 동등 이상의 수준을 확보해 관련 연구를 선도할 수 있게 됐다.

  

모방개발 당시 자체적 기본설계 능력조차 부족

 1984년에 시작한 구축함 소나용 트랜스듀서(TR-208)의 모방개발 당시는 자체적으로 기본설계를 할 능력조차 부족했다. 그래서 해군정비창(당시 공창)에서 노후됐거나 폐기된 TR-208 트랜스듀서를 여러 개 구한 다음 조심스럽게 분해해 그대로 제작했다.

 개발 초기 TR-208 트랜스듀서의 내부 구조에 관한 도면이 없어서 기계톱으로 견본품 TR-208 트랜스듀서를 잘라 구조를 확인하기도 했다.

 견본품 분해를 여러 번 하다보니 샌드위치형 진동체의 한쪽 부분인 전면추와 압전 세라믹의 접합 부분이 조금씩 다른 것이 발견됐다. 어떤 것은 반원 모양의 홈통이 전면추에 있고 어떤 것은 없었다.

 도대체 이 홈통을 무슨 이유로 만들었는지는 아무도 몰랐다. 견본품의 제작 일련번호를 살펴보니 후기에 만들어진 것은 홈통이 있고, 전기에 만들어진 것에는 없었다. 그래서 우리도 우선 적용하고 보자는 의견에 따라 전면추에 홈통을 설치했다.

 홈통의 정체는 1년여가 지난 1985년 초 확보한 TR-208 트랜스듀서의 미해군 사양서를 통해 확인됐다.

 그것은 트랜스듀서 사용 시 온도 변화에 따라 발생할 수 있는 내부 결로 현상을 방지하기 위해 트랜스듀서를 조립할 때 내부 공기를 제거하고 건조 질소를 삽입하기 위한 것이었다.

 이 밖에도 트랜스듀서 내부의 고무 부품을 개발하기 위해 견본의 고무 재질을 칼로 베어내 불을 붙인 후 냄새를 맡고 재를 비벼 고무의 종류를 알아내야 했던 일, 음향센서 재료를 특징짓는 재료의 음속이나 음향 임피던스 관련 이야기를 전혀 알아듣지 못하는 재료 생산·판매 업체 종사자들, 현실을 도외시한 무지한 접근 방식, 진동체의 조립에 소요되는 에폭시를 조사하던 중 그 종류가 너무나 많아서 놀랐던 일 등 트랜스듀서 진동체 개발에는 많은 웃지 못할 일들이 있었다.

 

[국방과학기술지식대백과사전]

 

수중음향센서 기술(Underwater Acoustic SensorTechnology)

 

수중감시를 위해 음파를 송수신할 수 있는 능·수동의 음향센서를 설계하는 기술로 센서로부터 감지되는 음향신호를 보다 정밀하게 송수신하기 위해서 다수의 음향센서를 배열하는 기술까지 포함한다.

 음파를 이용한 수중음향센서인 소나는 압전재료의 압전현상(piezoelectric effect)을 기반으로 한다. 압전현상은 특정한 소재에 기계적인 힘(압축력 또는 인장력)을 인가하면 전압이 발생하고, 역으로 소재의 양단에 전압의 극성을 바꿔서 인가하면 소재가 수축과 팽창을 하는 현상을 말한다.

 이러한 압전현상을 갖는 소재를 압전재료라고 하며, 가장 일반적으로 사용하는 것은 압전세라믹 소재다. 압전재료의 압전현상을 이용해 수중에서 전기적 에너지를 음향에너지로 변환하거나 역으로 음향에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기능을 갖는 센서가 수중음향센서다.

국방기술품질원 제공


이석종 기자 < seokjong@dema.mil.kr >
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