음파 전달에 물리적 현상의 이해와 효과적인 수중음향 전달

본문내용

현실에 존재하는 실 주벽처럼 형, 성질이 복잡하게 변화되는 조건에서는 매우 곤란한 문제가 된다. 그런데 파장에 비해 큰 실내 공간에서는 그 주벽이 복잡하더라도 파동성을 무시한 기하음향학에 의해 매우 단순 명쾌하게 음장을 해석할 수 있다.
3) 실내의 고유진동
실내음장을 파동으로 취급할 때 가장 중요하며 기본적인 성질은 실내의 고유 진동모드이며 이에 대한 충분한 이해가 필요하다. 먼저 간단한 1차원 파동인 폐관의 음장을 생각해 보자.
x=0와 x=ℓ 인관의 끝단은 모두 강체의 벽면으로 막혀 있다.
이러한 관내 음장은 1차원평면파동으로 +x 방향과 -x 방향으로 진행하는 성분이 있게 되므로 관내 속도장을 표시하면
여기서 A와 B는 +x및 -x방향으로 진행하는 속도 퍼텐셜을 나타낸다. 경계조건은 양단이 강체이므로 이 경계면에서 속도가 영이어야 한다.
즉 따라서 이 두 조건으로부터
따라서 (m= 0, 1, 2, 3...) 이므로로부터
이 주파수를 고유 주파수 또는 이 주파수에서 공진이 발생하므로 공진 주파수라고 한다. 이 때의 파장 λm 을 생각하면
이 된다. 즉 관의 길이가 반파장의 정수배에 해당하는 주파수가 고유 주파수이다. 여기서 m=0에서는 진동이 없지만, m=1에서 무한대까지 무수한 고유 진동이 있다는 것을 알 수 있다.
일반 실내에서는 3차원 공간 중의 음파를 생각해야 한다.
그 속도 퍼텐셜 는 1차원 경우와 유사한 3차원의 파동 방정식을 풀어서 구한다.
여기서 c는 음속이다. 여기서 가장 단순한 경우로 실모서리를 원점으로, 위의 그림처럼 각 변의 길이가 의 정육면체을 생각한다면 그 주벽이 모두 강벽의 경우 경계조건은 벽면 상에서 벽에 수직 방향의 입자속도가 0이 된다. 또 3개의 변수가 분리되므로 1차원 경우와 같은 식으로 풀 수 있어 이 조건으로 고유 주파수를 구한 결과는
단는 제 각기 0, 1, 2, 3.......이 되며, 또 음압 진폭의 정재파는 다음과 같다.
3) 실내 벽면의 흡음의 영향
지금까지는 이론을 간단하게 하기 위하여 실내벽면은 모두 강체이며 완전 반사면으로 가정하였다. 그러나 실제는 다소의 흡음이 발생한다. 벽으로 흡음되는 경우 고유진동수는 대개 약간 낮아지며 실내음압을 스펙트럼으로 나타냈을 때 공진 주파수에서 발생하는 음압의 봉우리는 낮아져서 평탄한 형태이다. 이것은 벽면흡음이 일종의 감쇄효과를 유발하기 때문이다. 특히 주파수 영역에서 평탄한 실내음압을 얻고 싶은 경우 실내의 고유 진동수에서 효과적인 흡음재료나 구조를 선정해야 한다.
3. 결론
실내에 스피커를 위치하게 되었을 때 관련된 양은 정상파의 파동의 진폭이다. 그것의 압력이 마루에 있다면 음원은 대부분 고유상태로 진동할 것이다. 반대로 골에 있다면 고유상태는 조용하게 남아 있을 것이다. 모든 상태는 빈 실내공간의 모서리들에서 최대치를 갖는다. 그러므로 그 곳에 놓여진 스피커들은 모두 고유 진동수를 가지게 될 것이다. FEMLAB 의 시뮬레이션 결과를 이용하여 최대 고유상태가 빈 실내공간에서 고유상태와 유사함을 볼 수 있다. 진동수를 더 높일수록 실내 공간 안에 다른 가구들의 위치상태가 더 중요한 문제가 될 있을 것이다.
이 시뮬레이션의 결과는 엄격히 말하면 완벽히 단단한 벽들을 가진 방과 소리를 흡수하지 않는 가구들에만 적용된다고 말 할 수 있다. 하지만 스피커들이 방의 코너에 위치되어 있는 상태에서는 많은 고유진동을 발생시킬 수 있고 그 결과 실제 거주공간에 많은 소리로 가득 채울 수 있게 된다.
이것은 공기 중에서만 적용이 되는 것이 아니라 일정 공간에 있는 수중에서도 그대로 적용이 되는 것을 알았고, 간섭과 회절 등을 통해 수영장에 음의 고유진동을 살펴 볼 수 있었다.

키워드

음파,   음향,   방사,   간섭,   산란