Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. September 2020. 390-399
https://doi.org/10.7776/ASK.2020.39.5.390


ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 측정 및 분석방법

  •   2.1 연구해역 및 측정 방법

  •   2.2 주파수대역별 주변 소음 분석

  • III. 결 과

  •   3.1 조석에 따른 주변 소음레벨 변화

  •   3.2 파고에 따른 주변 소음레벨 변화

  •   3.3 풍속에 따른 주변 소음레벨 변화

  •   3.4 강우에 따른 주변 소음레벨 변화

  • IV. 토 의

  • V. 결 론

I. 서 론

제주 해역은 날씨의 변화가 크고 바람이 많다. 최근 이러한 해양 환경을 이용하여 제주 연안을 따라 해양 풍력발전기, 파력 발전기 등 친환경 발전기들이 설치되고 있다. 따라서 해상에 풍력 및 파력발전기를 건설할 때 발생하는 소음과 운용할 때 발생하는 소음에 대한 영향을 파악해야 한다. 발전기에 의한 소음을 측정하여 그 영향을 확인하기 위해서는 발전기가 설치되는 해역의 주변 소음 측정이 선행적으로 이루어져야 한다. 또한 관심 해역의 해양 환경에 따른 다양한 소음원을 확인하고 장기적인 측정에 의한 소음의 변화를 평가할 필요가 있다.

해양에서의 주변 소음은 다양한 소음원에 의해 발생되며 심해와 천해에서 발생하는 소음은 해양 특성에 따라 주요 소음원이 다르다.[1] 특히 천해에서는 하루에 두 번씩 바뀌는 조석 차, 바람에 의한 파랑, 강수량, 수중 생물, 선박을 비롯한 인간 활동 등의 요인에 따라 수중 소음 레벨의 변화가 매우 크다. 이러한 주변소음원별로 주파수 특성이 다르며 해역에 따라서도 변동이 크다.[2,3,4] 세계적으로 많은 해역에서 수중 소음 연구가 선행되어 왔으나, 연근해역의 특성에 따라 주변 소음 차이가 크며 제주 해역에서 체계적으로 장기간에 걸친 측정과 분석을 한 결과가 논문으로 보고된 바는 없다.

수중에서의 주변소음에 대한 최초의 연구는 제2차 세계대전 중 Knudsen et al.[5]이 100 Hz ~ 25 kHz 구간에서 측정하였다. 그러나 100 Hz 이하의 저주파 대역에서 발생하는 소음과 20 kHz 이상의 고주파 대역에 발생하는 영향을 확인하지는 않았다. Wenz[6]는 조석에 영향을 받는 100 Hz 미만의 저주파 대역부터 25 kHz 이상의 고주파 대역에 영향을 미치는 비, 생물 소음까지 전 주파수 대역에서 다양한 소음원에 대한 대양에서 주변소음 곡선을 제시하였다. 그러나 이 연구는 비교적 깊은 수심의 대양에서 이루어졌기 때문에 해상 풍력 및 파력 발전기가 설치되는 제주 연해와 해양환경의 특성이 다르다. Choi et al.[7]은 한반도 주변 해역에서 9년 동안 200 m 이내의 수심인 천해에서 표층, 중층, 저층으로 나누어 1년 ~ 2년에 걸쳐 각 회당 24 h 동안 매 시간당 10 min씩 측정을 하여 소음의 평균 레벨을 확인하였다. 그러나 이러한 분석 방법은 하루에 2번 주기인 조석, 낮과 밤의 차이 등 시간에 따른 수중소음레벨 변화를 장기적으로 확인하기에 어려움이 있다. 또한 측정 시에 선박을 이용하였기 때문에 선박에 의한 소음이 측정될 가능성이 있다.

본 연구의 목적은 제주 연해에서 주변소음을 측정하고 조석, 바람, 파고, 강수량에 의한 소음원을 주파수 구간별로 나누어 분석하여, 각 주파수 구간에서 해양 환경 변화에 따른 소음의 변화 정도를 확인하는 것이다. 제주 연안 수심 20 m인 두 지점에 계류하여 연속적으로 3개월과 1개월동안 측정하였기 때문에 단 주기부터 장 주기까지 조석의 주기 별 소음의 크기를 확인할 수 있고, 바람, 파고, 강수량의 변화에 따른 소음 레벨의 크기를 확인할 수 있으며 시간에 따른 해양 생물들의 소음 특성을 확인할 수 있다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 음향 신호 측정 방법, 해양환경 정보 획득 방법, 그리고 음향 자료 분석 방법에 대해 소개한다. 3장에서는 주파수 구간 별로 조석, 파랑, 풍속, 강수 등 날씨정보와 그에 따른 소음 자료 처리 결과를 정리하였고, 4장에서는 결과를 바탕으로 주 내용을 토의하였으며 마지막으로 결론을 맺는다.

II. 측정 및 분석방법

2.1 연구해역 및 측정 방법

수중 주변 소음 측정은 다음과 같은 방법으로 실시하였다. 측정 해역은 Fig. 1에 보듯이 제주도 서부지역 한경면 해역(W, 수심 20 m)에서 2019년 9월 11일 ~ 2019년 12월 15일까지 90일 동안, 동부지역 구좌읍 해역(E, 수심 20 m)에서 1월 11일 ~ 2월 9일까지 30일, 총 120일 동안 측정하였다. 이 때 W에서는 매시간당 10 min씩 하루에 240 min, E에서는 매 15 min당 5 min씩 하루에 480 min씩 총 36000 min 분량의 자료를 수집하였다. 주변 소음 측정에 사용된 수중청음기(SM3M, Wildlife Acoustics, Maynard, MA, USA)는 무지향성으로써, 주파수 2 Hz ~ 80 kHz까지 측정 가능하다. 수중 청음기는 Fig. 2와 같이 W, E지점 모두 수심 20 m지점 현무암질 암반에 고정하여 바닥으로부터 10 m 위에 위치시켰다.

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Fig. 1.

(Color available online) The location of the hydrophone installation. Hankyung-myeon area in the western region of Jeju Island (W: 33°19'48.9"N 126°08'59.7"E); Gujwa-eup area in the eastern region of Jeju Island (E: 33°32'09.0"N 126°51'41.8"E); (⊗: Go-San Regional Meteorological Office, ⊕: Sung-San Regional Meteorological Office, ⊙: meteorological tower (wind speed), ◆: tidal station, ◇: wave station).

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Fig. 2.

(Color available online) Schematic diagram of the installation of a hydrophone (SM3M, Wildlife Acoustics) at a water depth of 20 m.

기상자료는 조위(모슬포 조위관측소: 33°12'50.8"N 126°15'04.5"E), 파고(수중청음기에서 100 m 이내, 선박해양플랜트연구소), 풍속(고산 기상대: 33°17'37.8"N 126°09'46.2"E, 해상 기상탑: 33° 34' 36.3252'' N, 126° 47' 14.3526''E), 강수(고산 기상대: 33°17'37.8"N 126°09'46.2"E, 성산 기상대: 33°23'12.4"N 126°52'48.7"E)를 취득하였다. 측정 기간 중 W지점에서 17호 태풍 ‘타파’(2019. 09.22, 최대풍속 35 m/s, 중심기압 970 hPa), 18호 태풍 ‘미탁’(2019.10.02, 최대풍속 27 m/s, 중심기압 985 hPa) 총 두번의 태풍이 지나갔다.

연구 해역의 지리적 특징으로 W 지점은 반경 3 km 이내 지방어항(자구내포구, 신창포구) 2곳, 1.5 km 어촌정주항(용수포구) 1곳 그리고 500 m 이내에 파력발전소(2019년 9월 ~ 10월: 가동 안함, 11월 ~ 12월: 간헐적으로 가동함)가 있다. E 지점은 직선거리 반경 1 km 이내 지방어항 (세화포구) 1곳, 해수욕장 (세화해수욕장)이 있다.

2.2 주파수대역별 주변 소음 분석

해양 환경은 공간과 시간, 날씨, 주변 환경 등 많은 요인에 영향을 받는다. 이러한 주변소음에 영향을 주는 소음원은 방사하는 주파수 대역이 모두 다르기 때문에 기존 연구[6,7]에서 제시한 웬즈 곡선(Wenz curve)[6]과 Choi et al.[7]의 근사식을 참고하여 주파수대역별 주요 소음원을 Table 1과 같이 분류하였다. 선박소음의 경우 대체로 수 십 Hz부터 1 kHz 이하의 주파수대역에 영향을 미친다.[6] 그러나 본 논문의 연구해역은 수심이 20 m 이내로 대부분의 선박은 중소형 어선이다. 중소형 어선의 주요 주파수는 250 Hz ~ 1000 Hz이기에[8] Table 1에서 선박소음은 100 Hz 이상에서만 고려하였다.

Table 1.

Noise sources according to frequency ranges.

Frequency range Main sound source
1 Hz ~ 100 Hz Earthquakes, Tide, Current, Wave
100 Hz ~ 1 kHz Ships, Wave, Wind
1 kHz ~ 10 kHz Wind, Rain
10 kHz ~ 48 kHz Rain, Biologics, Thermal

수중 주변 소음 음향 신호는 wav 파일형식으로 샘플링 주파수는 한경면 해역(W)에서 192 kHz(2019년 9월 11일 ~ 2019년 10월 25일), 96 kHz(2019년 11월 1일 ~ 2019년 12월 15일), 구좌읍 해역(E)에서는 192 kHz (2020년 1월 11일 ~ 2020년 2월 9일)로 수집하였다. 분석 프로그램은 Matlab 2019b(MathWorks, Natick, Massachusetts, USA)를 사용하였고 수중 청음기의 수신감도, 이득을 보상하여 W 지역에서의 자료 2160개와 E지역에서의 자료 2880개를 분석하였다. wav 파일의 전압신호에서 DC성분을 제거하고 압력신호로 변환 후 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density, PSD) [dB re μPa2/Hz]를 계산하였다. 다음 과정으로 수중 청음기의 주파수 특성을 보정하고 각 소음원의 주파수 구간을 적분한 뒤 주파수 구간으로 나누어 평균 파워 스펙트럼(Mean Power Spectrum, Mean PS)[dB re μPa2/Hz]로 나타내었다.

III. 결 과

본 연구는 측정 장소 별 전체 측정 기간동안 스펙트럼을 구하여 분석한 후에, 수중 주변소음에 영향을 미치는 조석, 파고, 바람 그리고 강우의 관계를 분석하였다. 조석과 파고는 저주파대역에, 바람과 비는 중, 고주파대역에서 분석하였다.

Fig. 3은 두 지점에서 전체 측정기간 동안 관측된 수중소음 스펙트럼으로 평균과 25 %, 75 % 구간을 나타내었고, 웬즈곡선에서 최소값과 최대값도 함께 그려 비교할 수 있도록 하였다. 이 때 생물소음(딱총새우, 돌고래 등)과 선박소음 등 인위적 소음원은 제거하지 않고 분석하였다. 한경면 해역(W)이 구좌읍 해역(E)보다 주변소음레벨이 25 Hz에서 18.7 dB, 100 Hz에서 11.7 dB, 1 kHz 이상에서 약 5 dB 높은 것으로 보아 서쪽 연해가 측정기간은 다르지만 더 시끄러운 환경이라고 할 수 있다. 수 kHz 대역 까지는 웬즈 곡선내의 소음이 측정되었으나 그 이상 고주파대역에서는 소음레벨이 10 dB까지 높게 측정이 되었다. 고주파대역의 높은 소음레벨은 딱총새우를 비롯한 생물 소음이라고 할 수 있다.

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Fig. 3.

(Color available online) Mean PSD during the whole measurement period. Sampling frequency (W9-10, E1-2: 192 k/ W11-12: 96 k); window function: Hanning window; window size (W9-10, E1-2: 217/ W11-12: 216).

3.1 조석에 따른 주변 소음레벨 변화

Fig. 4(a)는 25 Hz ~ 100 Hz 구간의 평균파워 스펙트럼(Mean PS)으로 나타내어 일별 시간에 따라 주변소음레벨의 변화를 나타내었고 (b)는 Mean PS값과 Mean PS에서 조석주기(간조, 만조)를 제거한 포락선을 나타내어 달의 위상변화와 주변소음레벨의 변화를 나타낸 그림이다. 측정하는 90일 동안 두 번의 태풍과 여섯 번의 물 때 주기가 있고 조석에 따른 소음레벨 변화는 15일의 물때주기에 따른 사리와 조금, 하루의 조석주기에 따른 간조와 만조에 따라 소음레벨의 변화가 있다. Fig. 4(a)와 (b)을 보면 같은 간조라도 물때에 따라 변화량이 다른 것을 확인할 수 있는데 사리(9월 27일)와 조금(10월 13일)의 첫 번째 간조 때 소음레벨의 차이는 10 dB정도를 보인다. (b)에서 상부 포락선은 물때주기에 영향을 미치는 달의 위상이 삭, 망일 때 주변소음레벨은 증가했으며, 하부 포락선은 달의 위상변화 보다는 바람에 의한 파랑, 너울 등 해상상태와 관련성이 있다. Fig. 5에서 간조와 만조에 따른 소음레벨 변화는 간조의 경우 만조 때 보다 평균 10 dB 더 높은 것을 확인할 수 있고 측정 기간동안 조석에 의한 수중 주변소음레벨이 증가함을 보였다. Fig. 4(c)와 (d)는 수중 주변소음(25 Hz ~ 100 Hz 구간)과 조위를 각각 FFT하여 일주기로 나타내었고 각각의 일주기가 일치함을 보인다. Fig. 4(a)는 간조와 만조 때 PS[dB re μPa2/Hz] 변화를 뚜렷하게 보여주는데, 간조의 경우 만조 때 보다 약 15 dB 높다. Fig. 4(c)와 (d)는 측정 해역에서 발생하는 일조부등을 보여주고 반일주조 성분이 우세함을 잘 보여준다.

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Fig. 4.

(Color available online) Ambient noise level due to tide in area W. (a) Mean PS by hour and day. Day in x-axis (W9-10 : 9/11 ~ 10/25, W11-12: 11/1 ~ 12/15), and hour in y-axis: (00:00 ~ 24:00), colorbar: mean PS over 25 Hz ~ 100 Hz band, x symbols: low tide time, * symbols: high tide time, (b) mean PS by hour with peak envelope smoothed by 6 hours. (c) FFT of mean PS by hour in (b), (d) FFT of tide variation measured at the Moseulpo tidal station (○: Full moon, ●: New moon, ↑: Typhoon).

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Fig. 5.

(Color available online) Comparison of ambient noise levels at low tide and high tide. (a) Ambient noise level changes over time; (b) The quartile of the ambient noise level at low tide and high tide.

3.2 파고에 따른 주변 소음레벨 변화

한경면 해역(W)은 파력발전시험장과 직선거리 200 m 이내에 위치하여 파고에 따른 주변소음 레벨 변화를 뚜렷하게 볼 수 있다. Fig. 6(a)는 11월 1일 ~ 12월 15일까지 30일 동안 시간에 따른 소음레벨(25 Hz ~ 1 kHz)을 나타낸다. 해상상태가 잔잔할 때와 파고가 높을 때 최대 20 dB 이상의 차이가 있다. Fig. 6(b)를 보면 파고와 주변소음레벨 관계를 확인할 수 있는데, 파고가 높은 날과 주변소음이 높은 날이 일치하였고 파고가 높을수록 주변소음 레벨도 높게 측정되었으며 특히 파고가 1 m 이상일 때 주변소음 레벨과 밀접한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. Fig. 6(c)은 파고별 주변소음이며 선박소음이 없는 5개의 스펙트럼을 평균하였다. 파고에 의한 영향은 고주파보다 저주파에서 영향이 컸다. 200 Hz 이하에서는 파고 구간별 5 dB 이상, 200 Hz ~ 1 kHz에서는 약 3 dB, 1 kHz 이상에서는 2 dB 이내의 주변소음레벨의 차이가 있다.

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Fig. 6.

(Color available online) Ambient noise level over 25 Hz ~ 1 kHz frequency band due to wave height in W11-12. (a) Mean PS by day in x-axis (11/1 ~ 12/15), hour in y-axis (00:00 ~ 24:00), colorbar: mean PS over 25 Hz ~ 1 kHz band, (b) Mean PS and mean wave height by hour, (c) underwater ambient noise level for wave height zones (sampling frequency: 96k, window function: Hanning window, window size: 216).

3.3 풍속에 따른 주변 소음레벨 변화

Fig. 7(a), (b)는 한경면 해역(W), (c)는 구좌읍 해역(E)의 데이터를 나타낸다. 상단의 그림은 시간과 일별에 따른 수중소음레벨을 나타내고 하단의 그래프는 수중소음레벨과 풍속 데이터를 나타내었다. Fig. 7(a)을 보면 W에서 바람이 가장 강하게 불었던 10월 2일은 풍속 14.5 m/s로 관측되었고 수중소음레벨은 84 dB로 측정되었다. 풍속이 1 m/s 이하로 약한 날에는64 dB까지 낮아지는 것을 확인하였다. Fig. 7(c)의 E지점은 풍속 21 m/s로 바람이 가장 강했던 1월 17일에 84 dB, 5 m/s이하로 풍속이 비교적 약한 날에는 최소 58 dB까지 측정되었다. 두 지역 모두 공통적으로 바람이 약한 날에 어업활동이 활발하여 선박소음이 자주 측정되었으며 항구와 가까이 있는 E지점에서 선박소음이 더 많이 측정되었다.

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Fig. 7.

(Color available online) Ambient noise level over 100 Hz ~ 1 kHz frequency band and wind speed. Mean PS over 100 Hz ~ 1 kHz band by day in x-axis (9/11 ~ 2/9), and by hour in y-axis (00:00 ~ 24:00), and daily wind speed (a) W09-10: 09/11 ~ 10/25, (b) W11-12: 11/01 ~ 12/15, (c) E01-02: 01/11 ~ 02/09, colorbar: mean PS, left-y-axes: mean PS in dB re μPa2/Hz, right-y-axes: wind speed in m/s.

Fig. 8은 풍속 구간별 주변소음 차이를 알아보기 위해 풍속별 빈도수를 나눠 분석한 W지역과 5 m/s 구간으로 나눠 분석한 E지역자료이다. Fig. 8(a)는 풍속 구간을 4개로 나누었는데 각 풍속구간의 데이터 개수는 270±30개이고 전체 데이터 개수는 1080이다. Fig. 8(b)는 풍속구간의 크기를 균등하게 맞추지 않고 5 m/s로 나누어 분류하였다. Fig. 8(c)는 Choi et al.[7]의 연근해 스펙트럼 공식을 계산한 값이다. 풍속에 따른 주변소음은 300 Hz ~ 1 kHz 구간에서 Choi et al.[7]의 값 변화량과 유사했다. 100 Hz ~ 1 kHz 구간에서 두 지역 모두 변화가 최대 20 dB, 1 kHz ~ 10kHz에서 최대 5 dB(W), 10 dB(E)로 작은 폭의 변화량을 확인하였고 저주파대역보다 고주파대역에서 변화량이 큰 Choi et al.[7]의 공식과 대조되는 결과를 보였다. 300 Hz 미만에서 풍속의 증가에 따라 소음레벨이 증가하는 것은 바람에 의한 파도 즉, 파랑에 의한 영향으로 예상되며 향후 원인규명이 필요하다.[9] 2 kHz 이상의 고주파에서는 딱총 새우의 우세한 소음으로 풍속에 따른 차이가 측정되지 않았다.

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Fig. 8.

(Color available online) Underwater ambient noise level for each wind speed section. (a) W09-12: 09/11 ~ 12/10, (b) E01-02: 01/11 ~ 02/09; (c) Ambient noise level for each wind speed section calculated from the reference paper (Choi et al.[7]), sampling frequency: 96 k (W11-12), 192 k (W09-10, E01-02), window function: Hanning window; window size: 216 (W11-12), 217 (W9-10, E1-2).

3.4 강우에 따른 주변 소음레벨 변화

구좌읍 해역(E)에서 측정기간 동안 일 강수량 5 mm 이상인 날은 총 5일이고 1월 27일은 일 강수량 40 mm로 가장 많이 비가 온 날이다. Fig. 9는 비가 가장 많이 온 1월 27일(a)과 비가 오지 않고 바람도 가장 약한 1월 31일(b)과 비교하였다. 시간대는 선박소음이 적은 00:00 ~ 00:05 시간의 측정 자료를 사용하여 자료를 비교하였다. Fig. 9의 위 그림을 보면 비는 수 초 ~ 수십 초 동안 불규칙적으로 넓은 주파수범위에 영향을 미치는 것을 보여준다. Fig. 10은 E지역에서 30일동안 측정한 데이터의 평균값과 일 강수량이 5 mm 이상 기록된 날에서 강우가 확인되는 2시간동안 데이터의 평균값을 나타내었다. Fig. 10의 빨간 박스안을 보면 비가 영향을 주는 주파수 범위는 10 kHz이상 고주파영역으로 20 kHz에서 5 dB, 30 kHz에서 10 dB, 40 kHz에서 17 dB 이내로 변화를 보였다.

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Fig. 9.

(Color available online) Spectrogram of rainy and clear days in site E. (a) rainy day (date: 1/27; daily precipitation: 39.7 mm; average wind speed: 21.2 m/s); (b) clear day (date: 1/31; daily precipitation: 0.0 mm; average wind speed: 9.7 m/s).

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Fig. 10.

(Color available online) Ambient noise level due to rainfall during rainy days. Averaged day and time: 1/14 - 08:00 ~ 10:00, 1/22 - 18:00 ~ 20:00, 1/25 - 17:00 ~ 19:00, 1/27 - 08:00 ~ 10:00; sampling frequency: 192 k, window function: Hanning window; window size: 217.

IV. 토 의

제주 연해에 풍력 및 파력 발전기가 설치되는 수심 20 m 지역에서 4개월 동안 정점 계류하여 수중소음을 측정하였다. 주파수 구간별 주변소음레벨을 분석하였으며, 100 Hz 이하에서는 조석, 25 Hz ~ 1 kHz 에서는 파고와 바람, 10 kHz 이상에서는 강수와 생물소음이 주요 소음원임을 확인하였다. 제주 연해 두 정점에서 처음으로 장기간 계류 측정하여 분석한 수중 주변소음 결과는 큰 의미를 가지며, 향후 제주 연해 개발을 위한 기준을 제공할 것이다.

밀물과 썰물은 달의 공전에 의한 천체의 인력작용으로 인해 하루에 두 번 주기로 반복하면서 시간에 따라 수심과 유속에 영향을 미친다. 하루에 두 번 주기로 반복하지만 같은 만조라도 해수면의 높이가 다른데, 이것은 일조부등에 의해 나타나는 현상으로 반일주조와 일주조의 합성에 의해 나타나는 현상이다. 이러한 조석의 특징은 연구 결과에 잘 나타나 있다. 조석이 소음에 주로 영향을 미치는 주파수 대역은 25 Hz ~ 100 Hz로 저주파 대역이며 달의 삭망 주기에 맞게 수중주변소음레벨의 변화가 확인되었고 조위가 낮을 때 소음레벨이 높고, 조위가 높을 때 소음레벨이 낮았다. 이와 같은 조위에 따른 주변소음레벨 결과는 Willis et al.[10]의 연구에서도 확인되었다. 조류가 가장 약한 간조와 만조 때 주변소음이 최대 최소로 측정된 이 결과는 조류에 의한 유동소음이라고 볼 수는 없으며, 원인분석을 위한 향후 연구가 필요하다. 이 때 조류의 세기와 방향을 같이 측정하여 수중주변소음 레벨과 비교 및 분석할 필요성이 있다.

파랑은 바람과 밀접한 관련이 있다. 일반적으로 바람이 강할수록 파고는 높고 바람이 약하면 파고가 낮다. 마찬가지로 파랑과 바람에 의한 수중 주변소음레벨도 밀접한 관련성이 보인다. 두 요인으로 인해 영향을 미치는 주파수 대역도 많이 겹치는데 파랑에 의해 주로 영향을 미치는 주파수 대역은 25 Hz ~ 1 kHz대역 중 저주파 대역이고, 바람에 의해 영향을 미치는 주파수 대역은 100 Hz ~ 1 kHz대역에서 넓은 영역에 영향을 미치며 그 이상의 고주파 영역에도 영향을 미친다. 웬즈 곡선[6]에서 바람은 100 Hz ~ 10 kHz사이에서 풍속에 따라 1 kHz 기준 45 dB ~ 80 dB 변화를 보이지만 본 연구에서는 1 kHz 기준 변화폭이 가장 큰 E지역에서 55 dB ~ 70 dB의 변화를 보였다. 이와 같은 이유로 측정해역마다 기후, 수심 등 환경의 차이가 있기 때문이다. 좀 더 자세한 변화를 관찰하기 위해 파고와 풍속구간을 4분위로 나누어 확인하였다. 파랑은 100 Hz 근처에서 변화폭이 크고 풍속의 경우 100 Hz ~ 1 kHz에 걸쳐 넓은 주파수 대역에서 영향을 미쳤다. 그리고 파랑의 경우 각 파고에 따른 변화가 뚜렷하게 보이는 반면 풍속구간에서는 5 m/s 이하의 바람에서는 2 dB 이내로 변화가 적었다. 이번 측정에서는 바람에 의한 주변소음 변화가 2 kHz 이하에서 변화가 컸으나 이 결과는 Choi et al.[7]에서 보듯이 200 Hz 이상 고주파에서 바람에 의한 영향이 큰 결과와 다르다. 2 kHz 이상의 고주파에서는 생물소음이 우세하여 바람에 따른 변화를 볼 수 없었으며 300 Hz 이하에서는 파랑의 영향으로 생각된다. 하지만 이 결과에 대해서는 확인을 위해서 새로운 측정도 필요하고 그 원인을 더 체계화해서 연구할 필요가 있다. 특히 해상풍력 발전기 설치를 할 예정이어서 이 부분에 대한 향후 연구는 매우 중요하다.

빗방울이 수면에 충돌할 때 1차적으로 소음이 발생하고 이로 인해 물속에 갇힌 기포의 진동으로 2차적으로 소음이 발생한다. 비가 내릴 때 호수에서 수중소음레벨을 측정한 Nystuen[11]의 연구는 비에 의한 수중소음레벨의 피크 주파수가 15 kHz 부근이고, 7.0 mm/h 이하의 강수량이 적을 때 측정한 Scrimger et al.[12]와 실험실 수조에서 자유낙하하는 물방울에 의한 수중소음의 파형을 연구한 Prosperetti et al.[13]에서 강우에 의한 수중소음에 영향을 주는 피크 주파수 대역은 13 kHz ~ 15 kHz구간이었다. 위의 연구는 한국 동해에서 측정한 Choi et al.[7] 연구에서 피크 주파수가 일치하였다. 그러나 본 연구에서 강우에 의한 수중소음레벨변화가 있는 주파수 구간은 20 kHz 이상의 고주파 대역이며 피크 주파수 대역은 더 높은 수파수대역으로 예상된다. 폭우의 경우 1 kHz ~ 50 kHz의 모든 주파수 대역에서 비가 내리지 않을 경우보다 20 dB ~ 30 dB 높게 나타나는 연구결과가 있다.[14]

Fig. 10에서 4 kHz ~ 18 kHz구간에서 맑은 날이 비 오는 날보다 수중 주변소음레벨이 5 dB 이내로 높게 역전되는 현상은 딱총새우에 의한 영향으로 추정되며, Kim et al.[14]의 연구에서 딱총새우는 2 kHz ~ 20 kHz의 주파수 대역에서 스펙트럼 레벨이 우세하게 나타난 결과와 일치하였으며 딱총새우 소리를 제거한 스펙트럼 결과는 웬즈 곡선과 유사하였다. 향후 장기간 관측 및 체계적인 연구를 통해 딱총새우와 다른 생물에 의한 연구와 분석이 필요하다.

V. 결 론

해양 환경변화에 따른 수중 주변소음의 특성을 밝히기 위하여 수심이 20 m인 제주 연해 두 곳에 수중 청음기를 중층에 계류하여 총 4개월 동안 측정하였다. 해상 환경변화 인자는 크게 조석, 파랑, 바람 그리고 강우 총 네 가지로 구분하여 주파수 구간에 따라 영향을 분석하였고 그 결과 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다. 조석에 따른 수중소음레벨의 변화는 25 Hz ~ 100 Hz의 주파수 대역에서 간조와 만조, 달의 삭, 망 주기와 일치하였다. 파랑은 25 Hz ~ 1000 Hz의 저주파대역에서 중주파대역까지 변화를 보였다. 바람에 의한 변화는 파랑에 의해 영향을 받는 주파수 대역과 대부분 겹쳤지만 더 높은 주파수 대역인 100 Hz ~ 1000 Hz 구간에서 영향이 있었다. 4 kHz 이상에서는 딱총새우 소리에 의해서 10 dB 이내로 높게 측정이 되었다. 강우에 의한 변화는 20 kHz 이상의 고주파대역에서 변화를 보였다.

본 연구는 제주 연해에서 해양 환경에 따른 수중소음을 연구한 첫 연구이며, 이를 통해 향후 풍력 및 파력발전기가 설치, 운용 될 때 발생하는 소음의 정도를 평가할 때 유용하게 사용될 수 있다. 향후 연구에서는 조류, 풍속, 강수량 등 측정해역에의 시간별 정확한 데이터를 수집하여 비교할 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 해양수산부의 해양청정에너지기술개발사업 “파력발전 실해역 시험장 구축”과제조사, 2019년도 제주대학교 기초과학연구소 자율 운영 중점 연구지원사업에서 수행된 기초연구사업(2019R1 A6A1A1007987)의 지원으로 수행되었으며 연구비 지원에 감사드립니다.

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B. C. Kim, B. K. Choi, H. C. Song, and S. K. Byun, "Measurements of oceanic ambient noise generated by rainfall" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 13, 49-56 (1994).
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