한수지 53(2), 209-217, 2020

209Copyright © 2020 The Korean Society of Fisheries and Aquatic Science pISSN:0374-8111, eISSN:2287-8815

Korean J Fish Aquat Sci 53(2),209-217,2020

Original Article

서 론

갑오징어의 갑(cuttlebone)은 어류의 부레(swimbladder)와 같이 해중의 어떤 유영공간에 안정적으로 체류하거나 먹이활동을 하는데 필요한 수중부력을 유지하는 생체기관, 즉, 부력조절기관이다. 수중음향을 이용하여 갑오징어의 생태적인 습성, 크기, 자원분포, 서식환경 등과 같은 정보를 탐지할 때, 갑은 해수나 주변 생체조직과의 음향 임피던스(acoustic impedance)가 매우 다르기 때문에 음향 에너지의 대부분이 이들 갑으로부터 강하게 산란되는 현상이 발생한다. 갑오징어의 갑은 탄산칼슘(calcium carbonate) 재질의 수 많은 다공성의 미소 격실(chamber)로서 구성되어 있다. 이들 격실들은 서로 독립적으로 분포하지만, 이곳에 수용된 액체와 gas는 서로 자유롭게 이동한다(Denton and Gilpin-Brown, 1961a; Denton et al., 1961). 갑오징어는 광에 매우 민감하게 반응하는데, 일반적으로 주간에는 암초 지역에 머물다가 일몰시부터 일출시까지에는 활발

하게 먹이활동을 한다(Denton and Gilpin-Brown, 1961b). 이와 같은 광 반응으로 인해 주간에 저층의 암초지역에 머물 때에는 몸체의 밀도를 증가시키지만, 야간에 먹이활동을 위해 수심이 얕은 수층으로 이동할 때에는 몸체의 밀도를 감소시켜 적정한 부력(중성부력)을 유지한다. 즉, 몸체의 밀도를 증가시키고자 할 때에는 갑 후부(posterior)의 액체로 채워진 공간체적은 늘리고, 전부(anterior)의 gas로 채워진 공간체적을 줄임으로써 부력을 감소시킨다. 그 반대로 몸체의 밀도를 감소시키고자 할 때에는 갑 후부에 채워져 있는 액체를 배출시켜 액체공간은 줄이고, 전부의 gas공간을 증가시켜 부력을 증대시킨다(Denton and Gilpin-Brown, 1961a). 특히, 주간에 해저 부근에서 유영할 때에는 큰 수압을 받게 되지만, 이 때에는 혈액과 갑의 후부 격실에 채워져 있는 액체 상호간에 삼투압 현상이 발생하여 갑의 후부로 액체가 자연스럽게 유입되어 몸체가 무거워 진다(밀도증가). 이와 같은 갑의 후부 영역에 대한 액체의 유입과 유출 작용은 갑 후부의 배쪽에 존재하는 연실세관 표면(siphuncular

갑오징어의 갑에 대한 모델 예측과 측정 반사강도의 비교

이대재*

부경대학교 해양생산시스템관리학부

Comparison of the Model-predicted and Measured Target Strength of Cuttlebones from Golden Cuttlefish Sepia esculentaDae-Jae Lee*Division of Marine Production System Management, Pukyong National University, Busan 48513, Korea

The purpose of this study was to compare the model-predicted and experimentally measured target strength (TS) of golden cuttlefish Sepia esculenta cuttlebones. Ultrasonic signals used to estimate frequency-dependent TS and the speed of sound in cuttlebones were measured by pulse-echo and through-transmission techniques, using a chirp sonar system and an ultrasonic pulser/receiver system under controlled laboratory conditions. The model appeared to slightly underestimate the predicted TS values in the frequency range of 100-160 kHz. However, there was good agreement between the predicted and measured TS values in the frequency range of 160-200 kHz. The significant similarity between the model-predicted and experimentally measured TS values supports the use of the Kirchhoff-ray mode (KRM) model for acoustic scattering analysis of cuttlebones. Accordingly, we concluded that the KRM model can be used as a tool to evaluate the frequency-dependent variability of TS due to changes in golden cuttlefish swim-ming depth.

Keywords: KRM model, Cuttlebone, Target strength, Through-transmission measurement, Frequency dependence

*Corresponding author: Tel: +82. 51. 629. 5889 Fax: +82. 51. 629. 5885E-mail address: daejael@pknu.ac.kr

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Received 6 March 2020; Revised 19 March 2020; Accepted 26 March 2020저자 직위: 이대재(교수)

https://doi.org/10.5657/KFAS.2020.0209Korean J Fish Aquat Sci 53(2), 209-217, April 2020

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surface)을 통해서 일어난다. 따라서, 갑오징어의 갑은 어류의 부레와 달리 수심(압력)의 변화에 기인하는 체적의 변화가 전혀 발생하지 않는 매우 견고한 부력조절장치이다. 즉, 부력은 갑의 내부에 존재하는 수많은 다공성 격실들에 수용되어 있는 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 조절된다(Denton and Gilpin-Brown, 1961a; Denton et al., 1961).어류의 음향반사강도에 대한 부레의 영향에 대해서는 많은 연구자들에 의해 활발한 연구가 수행되어 왔다(Foote, 1980; Foote, 1985; Foote and Ona, 1985; Finny et al., 2006; Sunardi et al., 2008; Lee, 2015a, 2015b; Lee et al., 2015; Lee, 2016). 그러나, 갑오징어의 음향산란특성에 대해서는 연구가 거의 수행되어 있지 않다(Lee, 2019). 다만, Lee and Demer (2014)는 70 및 120 kHz의 주파수에서 갑오징어 활어에 대한 음향반사강도를 보고한 바 있다. 또한, Lee (2016)는 같은 주파수에서 갑오징어의 음향반사강도에 대한 갑의 영향을 분석, 고찰한 바 있다.본 연구에서는 갑의 수많은 다공성 미소 격실에 수용된 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 갑오징어의 몸체 밀도가 조절되는 점에 주목하여 먼저 액체 및 gas가 수용되어 있는 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 변동특성을 정량적으로 분석, 고찰하였다. 또한, 초음파 pulser-receiver 시스템을 이용하여 갑을 투과한 초음파 신호를 측정하여 음속을 산출하고, 이것을 바탕으로 KRM (Kirchhoff-ray-mode) 모델(Clay and Horne, 1994)에 의한 반사강도의 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 이렇게 얻어진 반사강도의 수치계산 결과와 100-200 kHz 주파수 범위에 대하여 측정한 실험결과를 비교, 분석하였다.

재료 및 방법

실험장치 및 갑오징어 갑의 형태학적 특성

본 연구에서는 먼저 활어 상태의 갑오징어(갑장 165 mm, 체중 475 g)를 0.02%의 MS-222 (sigma chemical, Canada) 용액 속에 수용하여 마취시킨 후, 기포가 혼입되지 않도록 갑(길이 162.0 mm, 폭 58.4 mm, 높이 18.9 mm, 무게 33.6 g)을 주의 깊게 적출하였다. 이렇게 적출된 갑에 대한 음향산란신호의 시간-주파수 응답특성은 Lee et al. (2015)가 실험적으로 설계한 100-220 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 chirp 어군탐지 시스템을 사용하여 측정하였다. 즉, 실험은 갑을 투명 아크릴 수조(L×B×D, 1.8×1.2×1.2 m)에 설치한 음향변환기의 음축상 약 1.2 m 거리에 나이론 monofilament (Ø=0.3 mm)를 사용하여 현수시키고, 갑의 등 방향으로 음파가 입사되도록 자세를 제어하면서 수행하였다. 이 때, chirp echo 신호는 ±45° pitch 각 범위(+, posterior up; -, posterior down)에 대하여 +45°, 0°, -45°의 순서로 약 1°간격으로 측정하였다. 각 자세각에 대한 chirp echo 신호는 대역필터와 전치증폭기(VP2000, RESON, Denmark)를 통해 필터링 및 증폭한 후, 디지털 오실

로스코프(DS1530, EZ, Korea) 및 스펙트럼 분석기(LSA-30, LIG Nex1, Korea)를 사용하여 실시간으로 수록하였다.한편, 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 응답특성과 갑에 대한 음파의 진행속도(음속)를 측정하기 위한 실험장치는 Fig. 1과 같다. Fig. 1에서 초음파 펄스 신호의 송신과 수신은 NDT (non-destructive testing) pulser-receiver system (5052UA, Para-metrics, USA)을 사용하여 수행하였다. Fig. 1에서 송파기에 공급되는 초음파 펄스신호는 peak 진폭 약 -100 V 전후의 spike pulse 신호로서, 그 펄스신호의 반복주기, damping 정도, 송신출력 등은 실험조건에 따라 변경하였다. 또한, 수파기에 수신되는 초음파 신호는 수신부의 초단부에서 적정하게 감쇠와 이득 레벨을 조정한 후, 0.03 MHz의 고역필터(high pass filter)와 약 120 μs의 시간 gate 회로를 통과시켜 목적하는 신호만을 추출하여 출력시켰다. 이렇게 추출된 초음파 신호는 디지털 오실로스코프(DS1530, EZ, Korea)와 스펙트럼 분석기(LSA-30, LIG Nex1, Korea)를 사용하여 실시간으로 수록 및 분석하였다. 본 연구에서 KRM 모델에 의한 반사강도의 수치 시뮬레이션은 Fig. 1의 실험장치를 사용하여 측정한 음속 데이터를 이용하여 수행하였다. 먼저, 갑의 각 부위에 대한 echo 신호의 응

Fig. 1. Experimental setup for measuring the echo (200 kHz, TX1 and RX1) and penetration signals (400 kHz, TX2 and RX2) at different dorsal positions of cuttlebone. The linear scanning was achieved at 2.5 mm spacing using the ball screw carriage system operating by a PC-based DC motor driving system. The ultrasonic signals were measured using an ultrasonic pulser/receiver sys-tem, a spectrum analyzer and a digital storage oscilloscope. The received signals were stored on computer and USB memory for off-line analysis.

갑오징어의 갑에 대한 모델 예측과 측정 반사강도의 비교 211

답패턴은 192-208 kHz의 주파수 범위에서 동작하는 -3 dB 점에 대한 지향각이 약 10°, 방사면의 직경이 13 mm인 PVDF (polyvinylidene difluoride) 초음파 진동자(ATK 200, Airmar Technology Corporation, USA) 2개(TX1, RX1)를 나란히 설치하여 수록하였다. 이 때, echo 신호의 측정위치는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 PC-based DC motor carriage system에 장착되어 있는 초음파 진동자를 갑의 뿔쪽(posterior)으로부터 머리쪽(anterior)을 향하여 2.5 mm 간격으로 이동시키면서 설정하였고, PVDF 진동자의 방사면과 갑의 등쪽 면(dorsal shield)과의 간격은 150 mm이었다.한편, 갑의 음속을 측정하기 위한 시편(sample)은 갑장 235

mm, 체중 1020 g의 갑오징어 활어로부터 주의 깊게 추출한 갑(길이 221 mm, 폭 79 mm, 두께 20.8 mm, 무게 95.9 g)을 가공하여 제작하였다. 갑의 배쪽에는 두부쪽로부터 후부쪽(뿔 쪽)을 향해 만곡형의 홈(골)이 생성되어 있으므로, 이 홈까지 가공하여 평편한 시편을 만들어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 길이 112 mm, 폭 36 mm, 두께 16 mm의 시편을 제작하였다. 이렇게 제작된 갑을 대상으로 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 직접파(direct wave)와 투과파(penetration wave)를 각각 측정하였다. 이들 초음파 펄스신호의 측정은 400 kHz에서 동작하는 방사면의 직경이 19 mm인 수중 NDT용 초음파 진동자(Gamma, KBA, USA) 2개(TX2, RX2)를 Fig. 1에서와 같이 서로 마주보도록 설치한 후 수행하였다. 이 때, 음축을 서로 공유하고 있는 2개 진동자의 간격은 300 mm이었고, 진동자의 방사면과 갑의 등쪽 면과의 간격은 150 mm이었다. 또한, 초음파 신호는 갑의 뿔 쪽으로부터 약 80 mm 지점에서 수록하였다.본 연구에서는 echo 응답특성과 음속측정에 사용한 주파수를 서로 달리하였다. 그 이유는 먼저 echo 응답특성의 경우, 현용 어군탐지 시스템의 상한 주파수가 약 200 kHz인 점을 고려하여 이 주파수대를 만족하는 side lobe가 적극 억제된 PVDF 진동자를 선택하여 사용하였다. 이에 반해 음속을 측정하기 위해서는 갑 샘플에 대한 직접파와 투과파의 시간차(위상차)를 측정해야 하므로, 가능한 한 이들 두 신호의 식별 분해능을 높일 목적으로 200 kHz보다 더 높은 400 kHz의 주파수에서 동작하는 수중 NDT용 진동자를 선택하여 사용하였다. 또한, 갑의 밀도는 아르키메데스(Archimedes)의 원리를 이용하여 측정하였고, KRM 모델을 이용하여 갑의 반사강도를 계산할 때, 갑의 뿔에 대한 영향은 고려하지 않았다. 이 때문에 실험수조에서 갑의 음향반사강도를 측정할 때에도 뿔을 제거한 상태로 수행하였다. 갑오징어의 갑이 존재할 때와 존재하지 않을 때, 송신펄스 신호의 도착시간을 각각 τs , τr , 수중음속을 vr , 또한, 수중에 놓인 갑의 두께를 d라 하면, 갑을 투과하여 진행하는 음파의 진행속도, 즉, 갑의 음속 vs는 다음 식에 의해 구할 수 있다(Alves et al., 1996).

vs= 1 ……………………(1)1

vr - (τr - τs)

d

실험당시 수조의 수온은 13.5°C이었다. 또한, 갑의 음속추정과 KRM 모델의 수치계산에서 필요한 담수에 대한 수중음속은 실험수조의 수온을 Bilaniuk and Wong (1993)에 의한 근사식에 대입하여 구하였는데, 그 계산치는 약 1460 m/s이었다(Zhou et al., 2016).한편, 본 연구에서 사용한 음향변환기의 원거리 음장한계(far

field) r은 방사면의 직경이 a, 작동 주파수의 파장이 λ일 때,

r = 4a2 ……………………… (2)

λ

에 의해 구할 수 있다(Foote, 2014). 200 kHz PVDF 진동자의 외경은 16 mm로서, 수중음속을 1460 m/s로 했을 때, 원거리 음장한계 r은 r =7.01 cm 이었다. 또한, 400 kHz NDT 수침용 진동자의 외경은 19mm (0.75 inch)로서, 그 원거리 음장한계 r은 r =19.89 cm이었다. 따라서, 본 연구의 갑에 대한 echo 응답특성과 음파의 진행속도의 측정에 대한 실험조건은 이들의 원거리 음장한계를 모두 만족하였다.한편, 본 연구에서 사용한 초음파 pulser-receiver 시스템의 수신응답특성, 즉, 송파와 수파 진동자 사이의 음향 경로상에 갑오징어의 갑이 존재하지 않을 때의 FOM (figure of merit) 응답특성 Vr1 (ω)는

Vr1 (ω)= t (ω) VT (ω) L (ω) VR (ω) ………… (3)

에 의해 구할 수 있다(Stanton and Chu, 2008). 여기서, ω는 각주파수(ω= 2πf )로써, f는 주파수이다. 또한, Vt (ω)는 송신펄스신호의 주파수 응답특성, VT (ω)와 VR (ω)는 각각 송파와 수파 진동자의 주파수 응답특성, L(ω)는 송파와 수파 진동자 사이의 음향 경로상에 대한 확산 및 흡수감쇠를 나타내는 주파수 응답특성이다. 본 연구에서는 송파와 수파 진동자 사이의 거리가 300 mm로서 매우 짧기 때문에 L (ω)의 영향은 무시하였다. 한편, 송신과 수신 진동자 사이의 음향 경로상에 갑오징어의 갑이 존재할 때의 수신응답특성 Vr2 (ω)는

Vr2 (ω)=Vt (ω) VT (ω) VC (ω) L (ω) VR (ω)……… (4)

에 의해 구할 수 있다. 여기서, VC (ω)는 초음파 펄스 신호가 음향 경로상에 존재하는 갑오징어의 갑을 투과(penetration)하여 진행할 때 발생하는 주파수 의존적인 초음파 감쇠 스펙트럼이다. 따라서, 갑오징어의 갑에 대한 초음파 감쇠 진폭의 주파수 의존성 VC (ω)는 (3)식과 (4)식으로부터

VC (ω)=Vr2 (ω)/ Vr1 (ω) ……………… (5)

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에 의해 구할 수 있다.

송파 및 수파 진동자의 FOM 응답특성

본 연구에서 갑오징어의 갑에 대한 echo 응답특성과 갑을 투과하는 초음파의 진행속도(음속)를 측정하는데 사용한 송·수신 시스템의 FOM 응답특성은 Fig. 3과 같다. 즉, Fig. 3의 a와 b는 각각 pulse-echo 측정 시스템과 through-transmission 측정 시스템에 대한 시간-주파수 응답특성으로서, 이들 FOM 특성에는 주파수 스펙트럼과 시간파형을 함께 나타내었다. 먼저, Fig. 3a의 갑에 대한 echo 응답특성을 측정할 때의 송·수신 시스템의 -3 dB 점에 대한 주파수 응답범위는 192-208 kHz이었다. 또한, Fig. 3b에서 갑의 음속을 측정할 때의 송·수신 시스템의 -3 dB 점에 대한 주파수 응답범위는 399.9-405.8 kHz이었다.

KRM 모델에 의한 갑 반사강도의 수치 시뮬레이션

갑오징어의 갑에 대한 음향반사강도의 수치 시뮬레이션에 사용한 갑의 형상패턴은 Fig. 4와 같다. Fig. 4는 Clay and Horne (1994)이 제시한 KRM 모델에 입력된 갑의 xyz 좌표 시스템을 나타낸 것이다. Fig. 4a는 등쪽에서 본 갑의 실제적인 형상패턴이고, Fig. 4b는 갑의 길이방향에 대한 횡단면을 갑을 추출한 갑오징어의 측면에 중첩시켜 나타낸 모식도이다. 또한, Fig. 4c는 Fig. 4a에 나타낸 갑의 등쪽 방향에 대한 사진촬영 이미지를 스캔닝하여 얻어진 갑의 xy 좌표이고, Fig. 4d는 Fig. 4b에 나타낸 갑의 횡단면에 대한 사진촬영 이미지를 스캔닝하여 얻어진 갑

의 xz 좌표이다.이렇게 얻어진 갑오징어의 갑의 xyz 좌표로부터 얻어진 갑장, 갑폭 및 갑의 최대 두께는 각각 162.0 mm, 58.4 mm 및 18.9 mm이었고, 그 공중 무게는 33.6 g이었다. 또한, 이들 xyz 좌표, 갑의 밀도 및 음속 등의 데이터로부터 추정된 갑의 반사강도 예측치는 100-200 kHz 주파수 범위에서 측정한 반사강도의 주파수 의존성과 비교, 분석하였다.

결과 및 고찰

갑오징어 갑에 대한 부위별 echo 응답특성

갑오징어 갑의 부위에 따른 echo 응답신호의 변동특성을 나타낸 결과는 Fig. 5와 같다. Fig. 5는 Fig. 1과 Fig. 2b에 나타낸 초음파 펄스신호의 scan path를 따라 갑의 뿔쪽(후부)으로부터 두

Fig. 2. (a) Diagram showing the distribution of fluid and gas spaces within the cuttlebone determining the density of cuttlefish (Denton and Gilpin-Brown, 1961c). The cuttlefish controls the buoyancy, by balancing the hydrostatic pressure of the sea and by changing the relative volumes of gas space and liquid, using an osmotic mechanism acting across the siphuncular surface of the cuttlebone. (b) Linear echo scanning at different positions of the gas and liquid regions distributing in the cuttlebone. The pulse-echo measure-ments were performed at 2.5 mm spacing considering the overlap between two adjacent measurements.

(a)

(b)

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(b)

(c)

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(b)

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Fig. 3. FOM (Figure of Merit) ultrasonic signals obtained by through-transmission measurements using a pair of 200 kHz PVDF transducer (a) and a pair of 400 kHz NDT transducer (b) connected to a Panametrics pulser-receiver system (5052 UA), respectively.

(a)

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부쪽(전부)을 향하여 2.5 mm 간격으로 측정한 echo 신호의 변동특성을 나타낸 결과이다. Fig. 5에서 scan path 번호 0 (zero)는 PVDF 진동자의 위치가 뿔쪽의 가장 가장자리(posterior 끝단)에 있을 때이고, 30은 갑의 dorsal shield의 중앙부에 있을 때이며, 60은 두부쪽의 가장자리(anterior 끝단)에 위치할 때이다. 또한, Fig. 5의 echogram은 Fig. 4a의 공진 주파수 200 kHz의 펄스신호가 scan path 0번부터 60번까지의 각 부위에 입사했을 때, 이들 부위로부터 산란된 echo 응답을 나타낸 것이다. Fig. 5에서 a는 시간응답패턴이고, b는 주파수 응답패턴을 나타낸 결과이다. 실험에 사용한 갑은 갑오징어 활어(마취상태)로부터 추출한 직 후, 실험수조로 옮겨 echo 응답을 측정하였기 때문에 Fig. 2a의 후부쪽(뿔쪽, 0부터 20부근까지의 영역)의 격실에는 액체가, 두부쪽(20부근부터 그 이후의 영역)의 격실에는 gas가

수용되어 있는 상태였다고 판단된다. 만일, 이들 다공성 격실에 수용된 액체와 gas의 상대적인 비율에 의해 갑의 밀도(또는 부력)가 결정된다면, 액체와 gas로 채워진 각 부위에서의 echo 응답특성은 서로 다른 패턴을 나타낼 것이라는 점에 주목하여 분석을 수행하였다. 그 결과, Fig. 5a에서 알 수 있는 바와 같이, 액체로 채워져 있는 후부쪽에서는 gas로 채워져 있는 두부쪽에 비해 상대적으로 매우 낮은 레벨의 echo 응답특성을 나타내었다. 또한, 액체와 gas로 채워진 격실의 경계역(intermediate chamber)으로 판단되는 scan path 25번 부근에서는 매우 강한 echo 응답특성을 나타내었다. 특히, Fig. 5a의 echo 응답에 대한 echogram 형상패턴이 갑오징어 갑의 형상과 매우 유사한 윤곽패턴으로 나타나고 있는 것으로부터 본 연구에서 얻어진 실험결과는 갑의 음향산란특성을 매우 잘 반영

Fig. 4. (a) Photograph of the intact cuttlebone extracted from a live golden cuttlefish (Sepia esculenta), (b) View of midsagittal sec-tion through the central line of cuttlebone, (c) The x-y-z coordi-nates (blue section) for the KRM (Kirchoff-ray-mode) modelling of cuttlebone were obtained by digitizing the blue outlines of the cuttlebone marked in (a) and (b). The speed of sound in the cuttle-bone measured in Fig. 1 was used in the KRM model.

(a)

(b)

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(b)

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Fig. 5. Two-dimensional presentations of the time (a) and frequen-cy response characteristics (b) of the echo signals measured by pulse-echo technique along the horizontal scanning path of Fig. 1 and Fig. 2 with a pair of 200 kHz PVDF transducer. The significant differences in the echo amplitudes in the posterior region (filled with liquid) and the anterior region (filled with gas to counteract the heavy weight of the body and tentacles) were observed.

(a)

(b)

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(b)

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(b)

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하고 있다고 판단된다.Fig. 5b의 수신 주파수 응답특성에 있어서는 Fig. 3a의 송신 주파수 응답특성과 유사하게 200 kHz를 중심으로 강한 응답특성을 나타내었다. 특히, 액체와 gas가 각각 수용되어 있는 dorsal shield의 각 부위에 대한 주파수 응답특성에는 뚜렷한 변화가 관찰되지 않았다. 일반적으로 갑오징어의 갑은 성장하는 동안 탄산칼슘 재질의 판막(lamellae)이 연속적으로 생성, 축적되면서 점차 성장하는데, 이 성장과정은 수온과 밀접한 관계가 있다(Le Goff et al., 1998). 이 때문에 갑오징어 개체의 성장 단계에 따라 갑의 내부구조에 대한 격실의 분포, 크기, 재질특성 등에는 약간의 차이가 있을 것으로 생각된다. 이 때문에 Fig. 5에 나타낸 갑의 부위별 음향산란특성의 변동패턴에 있어서도 성장단계에 따라 약간의 차이가 있을 것으로 판단된다. 특히, 갑의 등쪽 껍질층은 표피층(periostracum), 중간층(ostracum) 및 내피층(flat hypos-tracum) 등의 3층 구조로 형성되어 있기 때문에(Le Goff et al., 1998), 주위 매질, 즉, 해수나 외투 근육, 또한, 배쪽의 석회질의 다공조직과 음속 및 밀도 contrast가 매우 커서 갑으로부터의 음향산란은 주로 이곳으로부터 생성되는 것으로 판단된다. 또한, 갑의 등쪽 표피층과 배쪽의 석회질층 상호간에 매우 복잡한 echo 신호의 보강 및 상쇄간섭 때문에 Fig. 5a에 나타낸 바와 같이 부위에 따라 서로 다른 음향산란특성을 나타내는 것으로 판단된다. 한편, 갑오징어의 갑에 대한 음속을 측정하기 위해 Fig. 1에 나타낸 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 직접파와 투과파를 측정한 결과는 Fig. 6과 같다. Fig. 6에서 a는 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때의 직접파 신호이고, b는 음파의 경로상에 갑이 존재할 때의 투과파 신호를 나타낸 것이다. Fig. 6a에서 갑오징어의 갑이 존재하지 않을 때, FOM 송신펄스 응답신호에 대한 peak 진폭의 출현시간 τr 는 τr =137.1 μs이었다. 반면, Fig. 6b에서 음파 경로상에 갑오징어의 갑이 존재할 때, 갑을 투과한 펄스 응답신호에 대한 peak 진폭의 출현시간 τs는 τs =135.0 μs이었다. 이들 직접파와 투과파에 대한 peak 진폭의 출현시간을 바탕으로 (1)식을 이용하여 갑오징어 의 갑에 대한 음속 vs를 추정하였는데, 그 결과는 vs=1806.1 m/s이었다. 이 때, 수중에서의 음속 vr은 vr=1460 m/s, 음향경로상에 놓인 갑오징어 갑의 두께 d는 d =16 mm이었다. 갑오징어의 갑을 투과하는 초음파의 진행속도는 갑의 미세 내부구조(다공성 격실), 밀도, 수온 등과 밀접한 관계가 있다.일반적으로 어떤 재질의 탄성적인 성질은 그 재질의 밀도보다 음속에 더 큰 영향을 미치기 때문에 음파는 액체나 gas에서보다 탄성적인 강체(solid)에서 더 빠른 속도로 진행하는 특성이 있다. 이 때문에 Fig. 6에 나타낸 직접파와 투과파 신호를 이용하여 추정한 갑의 음속은 강체에서 보다는 느리고 액체나 기체에서보다는 빠른 값을 나타내었다. 이 결과는 갑의 내부 미세구조가 다공성의 탄산칼슘 재질의 미세 격실의 집합체인 것과 밀접

한 관계가 있는 것으로 판단된다.또한, 갑오징어의 갑은 등쪽을 둘러싸고 있는 등껍질과 배쪽에 분포하는 수 많은 석회질의 다공성 격실(ventral phragmo-cone)로서 구성된다(Le Goff et al., 1998). 이 때문에 갑에 대한 재질 구성은 음파가 입사하는 전단부에는 견고한 재질이, 후단부에는 부드러운 재질이 상하로 적층되어 있는 구조이기 때문에 음파의 진행속도는 이들의 구조와 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 또한, 갑오징어의 갑은 마치 스폰지(sponge)의 내부구조와 같이 수많은 다공질의 격실층으로서 구성된 생체조직이기 때문에 음파가 갑을 투과할 때에는 음파의 감쇠가 필연적으로 발생한다. 본 연구에서는 이와 같은 음파의 감쇠를 정량적으로 고찰하기 위하여 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않을 때와 존재할 때에 대한 초음파 펄스신호의 주파수 응답특성으로부터 갑에 대한 초음파 감쇠를 추정하였는데, 그 결과는 Fig. 7과 같다. Fig. 7a에서 실선은 Fig. 3b의 초음파 펄스신호가 수중으로 송신될 때, 음파의 경로상에 갑이 존재하지 않는 상황하에서 측정한 직접파 신호의 주파수 스펙트럼 패턴이고, 점선은 음

Fig. 6. (a) Pulse response obtained from through-transmission measurement through water only (reference material) at 400 kHz, (b) Pulse response obtained from through-transmission measure-ment with a cuttlebone in the acoustic path (test sample) at 400 kHz. The speed of sound in cuttlebone was determined using the time difference between both pulse responses.

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

갑오징어의 갑에 대한 모델 예측과 측정 반사강도의 비교 215

파의 경로상에 갑(두께 16.0mm)이 존재할 때, 투과파 신호의 주파수 스펙트럼 패턴이다. 또한, Fig. 7b는 이들 직접파와 투과파의 주파수 스펙트럼 패턴을 이용하여 (5)식으로부터 추정한 갑에 대한 음파의 감쇠특성을 나타낸 것이다. Fig. 7의 a와 b는 각각 390-420 kHz의 주파수 범위에 대한 스펙트럼과 음파의 투과손실(penetration attenuation)을 각각 나타낸 것이다. 먼저 Fig. 7b에서 두께가 16.0 mm인 갑 시편을 통과하여 진행하는 초음파의 투과손실은 주파수에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 실험에 사용한 초음파 진동자의 공진 주파수(403.443 kHz)에 대한 직접파 스펙트럼의 진폭은 56.8 dB이었고, 투과파 스펙트럼의 진폭은 21.35 dB로서, 이들 값으로부터 추정한 갑에 의한 초음파 감쇠량은 -35.45dB이었다. 이와 같은 갑오징어의 갑에 대한 음파의 감쇠패턴은 배쪽 부위에 존재하는 수많은 다공성의 미세 격실과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 즉, 갑의 배쪽 부위의 다공성 조직은 성장하는 동안 연속적으로 석회질(칼슘) 격실이 층상구조로 새롭게 생성되고, 그

석회질 층(lamellae matrix)의 밀도는 약 2.72 g/cm3 정도이다(Sarin et al., 2011). 이들 석회질층은 갑 주위의 생체조직과의 밀도 contrast가 매우 커서 음파의 감쇠 및 산란현상에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 특히, 배쪽의 두부 근방에 존재하는 석회질층은 성장해 감에 따라 새롭게 생겨나는 영역으로서, 이곳에는 gas만을 포함하는 영역(smooth area)이다. 반면, 후부쪽의 뿔(rostrum) 근방에 존재하는 빗살 무뉘의 석회질층은 갑오징어의 성장 초기단계에서 생성된 연실세관 영역(siphuncular region or striated area)으로서, 액체(fluid) 만을 포함하는 영역이다. 또한, 이들 두 영역 사이의 중간부위에는 액체와 gas가 함께 존재하는 다공성 조직이 존재한다(Le Goff et al., 1998). 이 때문에 이들 gas 영역, 액체 영역, 또한, gas와 액체가 공존하는 배쪽의 석회질 영역들은 음파의 전반과 투과를 차단하는 장벽 역할을 하는 관계로 갑에 있어서 음파의 투과손실, 즉 감쇠가 크게 나타난 것으로 판단된다.

모델 예측과 측정 반사강도의 비교

갑오징어의 갑은 몸체의 육질조직이나 주변을 둘러싸고 있는 해수와의 음향 임피던스 차, 즉, 밀도 및 음속 contrast가 매우 다르기 때문에 음향 에너지의 대부분이 이들 갑으로부터 강하게 산란된다. 본 연구에서는 이와 같은 갑에 대한 주파수 의존적인 음향산란특성을 수치 시뮬레이션을 통해 분석할 목적으로 KRM 모델에 의한 반사강도의 수치 계산결과와 실험수조에서 추정한 측정결과를 비교, 고찰하였는데, 그 결과는 Fig. 8 및 Fig. 9와 같다. 먼저, Fig. 8은 실험수조에서 100-200 kHz 주

Fig. 7. (a) Comparison of frequency response characteristics ob-tained from through-transmission measurements through water only (reference material, solid line) and with a cuttlebone in the acoustic path (test sample, dashed line) at 400 kHz, (b) The relative penetration attenuation through the cuttlebone was then calculated from the difference between the spectrum patterns of (a).

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

Fig. 8. Frequency-dependent variation of the target strength pattern obtained from the broadband acoustic backscattering measure-ments for a cuttlebone (length 162.0 mm, weight 33.6 g) of golden cuttlefish Sepia esculenta. The target strength was measured as a function of pitch angle and frequency with significant responses at posterior down (-45°), dorsal (0°) and posterior up (+45°) opera-tions.

이대재216

파수 범위에 대하여 측정한 갑의 반사강도에 대한 주파수 및 자세각 의존성을 나타낸 결과이다. Fig. 8에서 종축은 ±45°범위의 자세각(+, posterior up; 0°, dorsal aspect; -, posterior down)이고, 횡축은 주파수(kHz)이다. 또한, 우측에는 반사강도의 컬러 막대 바(bar)를 함께 나타내었다. Fig. 8에서 알 수 있는 바와 같이 갑의 반사강도에 대한 자세각 및 주파수 의존성 패턴은 자세각 0°를 기준으로 좌우 대칭적으로 매우 선명하게 기록되었다. 본 연구에서는 Fig. 8의 ±15°범위의 자세각에 대한 평균 반사강도의 주파수 의존성 패턴을 추출하여 KRM 모델에 의한 수치 시뮬레이션 결과와 비교, 분석하였는데, 그 결과는 Fig. 9와 같다.일반적으로 갑에 대한 음향산란특성은 갑오징어가 체류하는 수심에 대한 갑의 밀도 변화와 밀접한 관계가 있다. 또한, 갑의 부력은 배쪽의 다공성 격실들에 수용되어 있는 액체와 gas의 상대적인 비율 등에 의해 결정되는 음향학적 요소이지만, 본 연구에서는 이에 대한 문제를 고려하지 않았다. 특히, 갑의 부력조절은 중간영역의 연실세관 표면을 통해 이루어지는 삼투현상에 의한 액체의 교환(Denton et al., 1961), 즉, 액체를 후부영역으로 공급하거나, 또는 이 영역으로부터 액체를 배출 시킴으로써 이루어진다(Denton and Gilpin-Brown, 1961a; Denton and Gilpin-Brown, 1961c). 이 때문에 갑의 밀도, 즉 부력의 조절상태에 따라 Fig. 9에 나타낸 echo 응답특성의 주파수 의존성에도 변화가 있을 것으로 판단되지만, 여기서는 이에 대한 영향은 무시하였다.특히, Fig. 9는 갑오징어의 부력조절장치인 갑의 수많은 미세 격실에 액체와 gas가 서로 독립적으로 채워져 있는 생체조직인 점에 주목하여 먼저 갑에 대한 음속을 측정하고, 이 값을 KRM 모델에 적용하여 반사강도의 수치 시뮬레이션을 수행한 결과를 측정치와 비교, 분석한 것이다.

Fig. 9에서 알 수 있는 바와 같이 100-160 kHz의 주파수 구간에서는 수치 시뮬레이션에 의한 예측 반사강도가 수조실험에 의한 측정 반사강도 보다 상대적으로 낮은 경향을 나타내었다. 그러나, 160-200 kHz의 주파수 구간에서는 수치 시뮬레이션 결과와 측정 반사강도의 패턴이 서로 잘 일치하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 현상은 본 연구에서 KRM 모델에 적용한 갑의 밀도 차이에 기인하는 현상으로 판단된다. 갑은 부력조절 생체조직이기 때문에 최소 부력을 유지할 때의 밀도(0.71 g/cm3)와 최대 부력을 유지할 때의 밀도(0.48 g/cm3)가 서로 다르다(Denton and Gilpin-Brown, 1961b). 본 연구에서는 활어 위판장에서 구입한 갑오징어 활어를 마취시킨 상태에서 갑을 적출하여 실험에 사용하였다.이들 갑을 대상으로 아르키메데스(Archimedes)의 기법에 따라 측정된 갑의 밀도는 약 0.477 g/cm3로써, Denton and Gilpin-Brown (1961b)이 보고한 최대 부력을 유지할 때의 밀도와 일치한다. Sarin et al. (2011)에 따르면, 갑의 내부 격실을 구성하는 lamellae 판과 pillar 격벽의 간격은 각각 425-475 μm, 130-170 μm 정도이고, 갑에 대한 체적밀도와 다공성은 각각 0.23 g/cm3, 91.4% 정도이다. 한편, Jia et al. (2008)은 갑에 대한 비중과 다공성은 각각 0.19 및 93.0% 정도라고 보고한 바 있는데, 본 연구의 갑에 대한 밀도의 측정결과는 이들 값보다는 컷다. 이와 같은 여러 연구자들의 갑에 대한 체적 밀도와 다공성 등을 종합적으로 고찰해 볼 때, Fig. 9의 수치 시뮬레이션 결과와 측정 반사강도 패턴 사이의 차이는 이들 갑의 구조적인 재질특성과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 따라서, KRM 모델에 대한 수치 시뮬레이션을 수행할 때, 배쪽의 두부 근방에 위치하는 gas만을 수용하는 영역과 후부쪽 뿔 근방에 위치하는 액체만을 수용하는 영역, 또한, 이들 두 영역 사이의 액체와 gas가 함께 존재하는 중간 영역에 대한 밀도와 음속의 추정치를 더욱 세분화하여 적용하면 갑의 측정 반사강도에 더 잘 부합되는 KRM 모델에 의한 예측 반사강도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 향후에는 이와 같은 점에 주목하여 Fig. 9에 나타낸 100-200 kHz의 주파수 범위에 대한 예측 반사강도를 측정 반사강도에 더 정량적으로 수렴시키기 위한 이론적 및 실험적 연구를 수행할 예정이다.

사 사

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의하여 연구되었음.

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Fig. 9. Comparison of the target strength estimates obtained from the broadband acoustic backscattering measurements and the simulated predictions based on the Kirchhoff-ray-mode model of a cuttlebone (length 162.0 mm, weight 33.6 g) of golden cuttlefish Sepia esculenta.

갑오징어의 갑에 대한 모델 예측과 측정 반사강도의 비교 217

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