북스힐 - 물리2 음파 측정

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북스힐 - 물리2 음파 측정에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

으로 높은 음이 나오게 된다. 이에 반해 ‘오’는 ‘이’에 비해 상대적으로 낮은 음이 발성된다.
높은 음이 생성되면 파형이 복잡해진다는 이론을 알고 있다면 같은 사람이 같은 톤으로 말하려고 노력해도 특정 발음에 따라 파형이 다르게 나오다는 것을 알 수 있다.
7. 결과 및 토의
- 이번 실험은 소리센서를 이용하여 소리굽쇠와 리코더, 사람 목소리의 파형을 측정하여 비교하는 실험이었다.
일단, 소리굽쇠의 주파수는 부드러운 곡선의 형태를 가지는데 부드러운 곡선의 형태를 가지는 이유는 음파를 파형, 진폭 주파수에 따라서 순음과 복합음으로 분류하는데서 그 이유를 찾을 수 있다. 순음이란, 파형이 순수한 정현파(Sine Wave)이고, 그 진폭과 주파수가 매우 일정한 상태를 유지하는 음을 말한다. 복합음은 여러 주파수의 파가 섞여 있는데 그 중 가장 낮은 음을 기본음이라고 하고, 그 정수배가 주파수를 가진 음을 배음이라 한다.
위의 내용을 종합해보면 소리굽쇠는 순음을 가지므로 정현파가 나오고, 리코더와 음성은 복합음을 가지므로 복잡한 형태의 파형이 나온다.
이번 실험과정에서 이해를 돕기 위해 복잡한 파형이라는 용어대한 정의가 필요할 것 같다. 전자장비는 물론이고 각종 소음을 내는 음악기구, 스피커 등에서도 고주파 대역에서는 이득값이 상승하기 때문에 그에 따르는 잡음(노이즈)가 발생한다.
전자공학에서는 이 잡음을 없애기 위해 각종 제어장치를 사용하여 이득값을 낮추거나 저역통과 필터 같은 장치를 통해 고주파대역은 차단하고 저주파대역만 통과시키는 작용을 시행한다. 물리학에서도 마찬가지로 고주파(리코더에서 고음, 육성에서 고음) 음이 발생해서 이론적으로는 깔끔한 정현파에 약간의 잡음이 발생하여 복잡한 파형이 발생하게 된다. 이런 기본적인 지식을 바탕으로 실험에 임하면 전반적인 흐름과 데이터 결과에 대한 이해를 하는데 큰 도움이 될 것이다.
첫 번째 실험에서 소리굽쇠의 주파수를 700, 900, 1100Hz 로 두고 실험을 하였다.
허나 결과값은 각각 658, 906, 1100Hz 로 약간의 오차가 발생하였다. 특히 700Hz 소리굽쇠 에서는 오차가 크게 나왔다. 그 이유는 여러 가지가 있겠지만 그 중에서도 가장 큰 비중은 소리굽쇠에 있다고 생각한다. 실험을 하면서 센서가 제대로 작동이 되지 않아 센서를 여러 개 교차한 후에 실험을 하였는데 특정 소리굽쇠에서만 오차가 유독 크게 나온 걸 보면 그 원인을 소리굽쇠에서 찾을 수 있다.
700, 900, 1100Hz 소리굽쇠로 세 가지 기준을 잡긴 했지만 저주파 일수록 소리가 사람 귀에 잘 들리지 않아서 더 낮은 소리굽쇠를 두드려 봤는데 역시 저주파로 내려갈수록 사람이 인식하기 힘든 소리가 들렸다. 하지만 첫 번째 실험에서의 오차는 들리지 않는 소리 때문이 아니고 소리굽쇠의 고장으로 인한 음파 전달이 제대로 이루어지지 않았다. 쉽게 말해서 소리굽쇠를 두드리면 먹히는 소리가 들렸다. 그 때문에 42Hz 의 오차가 발생한 것 같다.
첫 번째 실험인 소리굽쇠를 통해 큰 틀에서 소리굽쇠는 순음가지므로 정현파를 생성한다는 것이고 작은 틀에서 보면 소리굽쇠는 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 대역이 20Hz~20KHz 인데 700Hz 이하로 내려가면 고무망치와 소리굽쇠의 약한 충돌로는 음을 쉽게 느끼기 힘들다는 것을 알 수 있었다.
두 번째 실험은 리코더의 각 음에 따른 기본주파수와 1~5 고조파까지의 주파수를 알아보는 실험이었다. 리코더 실험에서 유의 사항은 첫 번째 소리굽쇠에서는 기계음이이기 때문에 사람의 힘에 의해 특별히 조절해야 될 요소가 없었지만 리코더 실험에서는 사람의 일정한 호흡량을 통해 리코더에서 음이탈 현상이 생기지 않도록 유의해야 하는 점이었다. 음이탈 현상으로 인해 특정 대역에서만 잡음이 심하게 생기는 현상이 나타나기 때문이다. 실험에 임하기 전에 공학도이기 때문에 당연히 음역대가 높아질수록 주파수도 상승할 것이라는 것을 알 수 있었고 예비 레포트를 작성하면서도 또 한번 알 수 있었으며 결과 데이터를 보아도 음이 높아질수록 주파수대역 또한 상승하였다. 음이 높아지면 주파수대역이 높아진다. 이는 즉 Scope 파형이 ‘도’에서는 매끄러운 정현파를 나타내지만 높은 음으로 가면 갈수록 대체적으로 매끄럽지 못한 복잡한 파형이 나타낸다는 것을 알 수 있다.
두 번째 실험인 리코더를 통해 일정한 호흡량을 전제로 실험이 이루어진다면 고음으로 올라갈수록 주파수 대역도 높아진다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다.
세 번째 실험은 우리의 음성을 통해 주파수대역을 알아보고 상대진폭과 그에 따르는 Scope파형을 알아보는 실험이었다. 정확한 결과값과 특정 발음에 따르는 주파수 변화를 알아보기 위해 여러 번 실험을 하는 중에 재미있는 결과를 볼 수 있었다.
한 사람이 같은 톤으로 다른 발음을 실험 하던 중에 마지막 단어에서 침을 한 번 삼키고 발성을 했는데 30Hz 정도 음이 올라갔다. 당연한 결과인 것은 누구나 알 수 있지만 음성에서 목을 한번 가다듬은 정도로 30Hz나 올릴 수 있다는 것이 놀라운 사실 이었다. 그리고 세 번째 실험에서는 상대진폭이 이라는 것이 존재했다. 이 값은 FFT1 파형에서 y축 값을 읽는 것인데 각각의 단어에 따라 간격이 다르다는 것을 나타내는 것이었다. 우리 조의 실험에서 기본 주파수는 ‘에’에서 유독 주파수 값이 크게 나왔는데 이도 역시 사람의 인위적인 조절에 의해 실험이 이루어지다 보니 나타난 주파수의 상승으로 보여진다. 조교님께서 같은 음으로 발음하면 특정 발음에서 음이 상승하는 것이 나올 수 있고 그는 목소리가 아닌 발음 따라 달리 나타나는 현상 때문이라고 설명해 주셨는데 최대한 동일한 조건으로 실험을 임하였기에 우리 조에서는 그 발음이 ‘에’였다는 것에 주목할 필요가 있다.
3장 음파측정을 마치면서 느낀 것은 이번 실험에서 오차의 존재는 기계적인 부분도 있지만 사람의 인위적인 공급이 일정하지 않았다는 것에서 큰 비중을 차지한다.
대체적으로 잘 이루진 실험이라 생각하고 이번 실험을 통해 소리센서를 이용한 소리굽쇠, 리코더, 사람 목소리의 파형을 관찰하고 기본진동수와 배음들 사의 관계를 알 수 있었다.

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