(38)음향센서<상>

2020년 전력화 목표 ‘순항 중’

   음향센서는 압전소자를 이용해 물이나 공기 중에서 전기신호를 음향신호로 또는 음향신호를 전기신호로 변환할 수 있는 기기로 소나체계의 핵심 부품이다.

　음향센서 개발 역사는 우리나라 해군의 수중무기체계 개발 역사와 그 궤를 같이 한다고 해도 과언이 아니다.

　1970년대 중반까지 우리나라는 소나용 음향센서뿐만 아니라 각종 수중무기체계를 전량 국외 수입에 의존하고 있었다. 1976년 국방과학연구소(ADD) 6기술연구본부의 모태가 된 진해기계창이 창설되고 나서 바륨 계열(BaTiO3) 및 세라믹 계열(PZT) 소재의 압전재료 제조 기술 개발에 성공함으로써 다양한 종류의 음향센서를 국내 독자 개발할 수 있는 발판을 마련했다.

　1980년대 초반 우리 해군의 대잠전용 구축함 소나에 장착된 음향센서(TR-208)는 전량 미국에서 구매한 것이었고 노후화로 교체가 필요한 상태였지만 수입 지연, 가격 불안정 등으로 적시 조달이 어려웠다.

　이에 ADD는 UQS-1D 소해함 트랜스듀서 개발에 성공한 자신감을 바탕으로 구축함 소나용 트랜스듀서(TR-208)를 1984년부터 약 3년간에 걸쳐 역설계 모방개발했다.

　1980년대 중반 이후부터 수중음향센서 개발을 위한 기초연구와 응용연구 수준의 꾸준한 연구개발을 통해 축적된 기술을 기반으로 가장 먼저 체계개발에 적용하기 위한 음향센서 개발은 해군의 209급 잠수함 또는 수상함에 탑재해 주요 항만 및 해역 방어를 위한 기뢰 K721(잠룡)용 하이드로폰이었다.

　증폭회로를 일체형으로 장착하고 기뢰폭발에 대비한 보호회로를 적용하는 등 자체 기술을 활용, 모방개발에서 벗어난 음향센서 개발의 시초였다.

　1990년대 말 이후부터 수중유도무기인 어뢰, 어뢰음향대항체계, 대잠 탐지소나체계 등의 능동 및 수동 소나 체계 등 다양한 종류의 유도무기 및 탐지소나체계가 본격적으로 국내 개발됨에 따라 고주파 트랜스듀서, 광대역 송신센서, 선배열 하이드로폰 등의 다양한 종류의 음향센서가 개발됐다.

　1998년 개발 완료된 중어뢰체계 백상어에는 톤필즈(Tonpilz)형 고출력 고주파 트랜스듀서가 표적탐지부 음향전환장치 전면에 평면배열돼 장착됐다. 음향센서 개발과 동시에 어뢰 주행 시 발생하는 진동소음을 저감시키기 위한 소음차단 링 구조와 진동 차단을 위한 방진블록 구조도 설계·적용됐다.

　1999년 개발된 한국형 구축함 탑재용 대잠전 소나체계인 예인음탐기체계(TASS)에는 총 120채널의 압전세라믹 하이드로폰이 직경 88㎜의 음향호스에 장착돼 최대 30노트까지 예인이 가능한 선배열 센서가 개발됐다.

　비슷한 시기, 어뢰음향대항체계(TACM: Torpedo Counter Measure System)에 적용된 어뢰 경보체계용 고주파 대역 선배열 음향센서와 부유식 기만기용 광대역·고출력 송신센서 등도 개발됐다.

　2004년 개발된 신형 경어뢰 체계 청상어에도 Tonpilz형 고출력 고주파 트랜스듀서가 표적탐지부 음향전환장치 전면에 평면배열돼 장착됐다.

　백상어용 센서와의 큰 차이점은 어뢰가 수중으로 입수할 때 트랜스듀서가 받는 충격하중을 견딜 수 있는 중립면 지지형 구조로 설계됐다는 것이다.

　또 그해에는 주요 항만의 외해, 수로 및 내항 주변 해저에 수중음향센서를 고정해 잠수함 등의 수중침투를 상시 감시할 수 있는 항만감시체계(HUSS)가 개발됐는데 여기서는 총 120채널의 압전세라믹 하이드로폰이 해저매설 및 해저장기동작을 보장할 수 있는 구조로 길이 400m의 선배열센서가 개발됐다.

　2005년에는 한국형 원거리 수중 조기경보체계를 위한 저주파 예인음탐기체계 백룡(ULTASS: Ultra Low-Frequency Towed Array Sonar System)이 개발됐는데 여기서는 채널수가 256채널로 증가하고 총 길이가 900m 이르는 예인 선배열센서가 개발됐다.

　2012년에 개발된 선저고정형 음탐기체계에는 2004~2006년 진행된 다중상태 음향탐지기술 개발 과정에서 확보된 중주파수 대역의 Tonpilz형 고출력 트랜스듀서가 선저에 원통형으로 배열돼 장착됐다.

　2020년 전력화를 목표로 지난 2009년 개발에 착수한 3000t급 잠수함 장보고-III 소나체계는 현재 선측배열센서(Flank Array) 등을 포함해 잠수함 선체에 부착되는 700여 채널의 능·수동배열센서와 잠수함에서 예인되는 200여 채널의 선배열센서 등이 제작완료돼 통합시험 중이다.

　특히 각 배열센서는 음향성능뿐만 아니라 수중폭발, 충격, 절연 및 부식 방지 등의 장기 내구성 및 내환경 특성을 고려한 최적화 구조가 적용됐다.

　더불어 수직 지향성과 자체소음 저감을 위해 다수의 하이드로폰을 선배열해 채널을 구성했으며 진동소음 차단용 다층구조 배플 형상이 적용됐다.

　또 대규모 센서 채널의 물리적 연동 구조 최적화를 위해 각 배열센서는 저잡음, 고속 통신모듈이 내장된 디지털센서 형태로 설계됐고 이를 통해 선체에 부착되는 모든 배열센서가 시간 동기화된 전용 통신망에 실시간 연동되도록 개발됐다.

　장보고-III 선도함 탑재용 소나체계 시제의 제작은 내년에 착수할 예정이다. 

 

- 국방과학기술지식대백과사전

  음향탐지센서 [Sound Detection Sensor] 

수중에서 음파를 사용해 표적물을 탐지하는 장치로 능동 소나(Active Sonar)는 음파를 송신하고 표적에서 반사돼 돌아오는 반향음(echo)을 수신해 표적을 탐지·식별하는 방식이고, 수동 소나(Passive Sonar)는 표적이 발생시키는 소음만 듣고 표적을 탐지하는 방식이다.

　수중 음향 센서는 차기 잠수함(장보고-Ⅲ) 음탐기 사업과 국방 수중통신·탐지 특화연구센터의 연구를 통해 개발이 추진되고 있다. 능동 예인음탐기체계(TASS) 기술 개발 연구 결과를 활용해 능·수동 복합 예인 배열 소나 개발을 추진하고 있다.

　민수 및 방산 분야에서 트랜스듀서의 재료로 쓰이는 압전세라믹-폴리머 복합 재료의 제품화 연구가 활발히 진행되고 있으며 국내외적으로 압전세라믹-폴리머 복합 재료 및 응용술에 대한 기초연구가 완성 단계에 이르러 현재는 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.

　음향센서 재료의 경우는 민수 분야의 수준이 다소 앞서 있기 때문에 민수 분야에서 선행된 상용화 흐름에 동조해 방산 분야에 적용하기 위한 제품화 기술들이 개발되고 있다.

국방기술품질원 제공