공진주파수 (공진) ? 소리의 공명.공진.강제진동.고유진동.소리의주파수.소리굽쇠의공명.자연에존재하는공명.

소리의공명(resonance)





모든 소리의 근원은 물체의 진동이다.
각 물체가 다른 소리를 낸다는 것은 물체가 고유한 진동수를 가지고 진동을 한다는 것을 의미한다.
철판과 나무 조각을 바닥에 떨어뜨려 보면, 분명히 다른 소리가 난다.
또 큰 종과 작은 종을 쳐보면 작은 종이 큰 종보다 높은 소리가 난다.

여러 개의 유리컵에 물의 높이를 변화시키면 다른 소리를 들을 수 있다.
이런 현상들이 일어나는 이유는 각각의 물체가 다른 진동수를 갖기 때문이다.

공명상자(resonance box)

소리굽쇠

사람의 목소리는 다양한 주파수가 합성된 것인데 비해, 소리굽쇠는 하나의 주파수 소리를 만드는 장치이다.
공명상자(resonance box)는 소리굽쇠의 진동으로 나무상자 안의 공기기둥이 공명을 일으켜 소리를 확대시킨다.
소리굽쇠는 단일 주파수를 만들어 음악이나 기타 소리를 취급하는데 기준이 된다.
각각의 소리 주파수는 물리적 크기나 구조에 따라 다른 주파수를 만든다.

이 때 특정 주파수를 만드는 방법은 소리굽쇠를 망치로 치면 운동에너지가 소리굽쇠의 쇠에 축적된다.
망치의 방향으로 밀리다가 쇠의 압력과 같은 점이 오면 운동에너지는 다시 쇠의 휨 에너지로 축적되고
다시 휨 에너지는 반대방향으로 움직인다.
추가 진동 하듯이 서로 다른 에너지 보존 형태가 반복되면서 공기를 밀고 당김이 반복되면서

소리가 발생하고 공기중으로 전달 된다.
이 때 쇠의 휠대에 축적되는 에너지는 쇠의 무게와 구조 재질에 따라 에너지가 다르게 되고
이것이 물체의 공진 주파수가 된다.
공진은 에너지가 서로 상보되는 형태로 변형되면서 주고 받는다.

소리굽쇠를 망치로 치면 물체의 고유 주파수만이 살아남아 특정 주파수를 만든다.
이것이 공기중으로 전파되고 사람의 귀속으로 전파된다.
고막을 통과하고 결국 달팽이관으로 들어간다.

달팽이관은 바깥의 주파수가 높고 안으로 들어갈수록 주파수가 낮다.

각각의 신경 섬유는 자기 고유의 진동 주파수의 물리적 크기를 전기 신호의 크기로 바꾼다.

달팽이관으로 진동의 에너지가 들어갈 때 안으로 들어가면서 구조적 특성에 따라 위치에 따른 공명을 만든다.
신경세포의 전압 세기로 바꾸어진 신호는 신경섬유를 타고 뇌에 전달된다.
각각의 신경섬유의 크기 신호는 뇌세포의 처리를 거치면 소리로 인식하게 된다.
가청 주파수라고 하는 것은 달팽이관의 센서 능력을 말하는 것이다.

이 구조를 보면 달팽이관 자체가스펙트럼아날라이저 처럼 각 주파수의 세기로 변화하는 기관임을 짐작 할 수 있다.

강제 진동



원래 상태로 돌아오는 성질을 탄성이라 한다.
탄성을 가지고 있는 물체는 외부에서 가해지는 힘이 없어지면 평형점을 중심으로 진동한다.
주기적으로 변하는 힘을 탄성체에 가하면, 물체는 주어진 힘과 같은 진동수로 운동한다.
이것을 '강제 진동'이라 한다.
이 때 힘의 진동수가 물체의 고유 진동수와 같을 필요는 없다.

같은 진동수를 갖는 한쌍의 소리 굽쇠와 다른 진동수를 갖는 소리 굽쇠 하나를 준비한다.
같은 진동수를 같는 소리 굽쇠 중 한 개를 어느 정도 떨어뜨려 놓고 소리굽쇠를 쳐본다.
그러면 소리 굽쇠는 고유 진동수로 진동하기 시작하고 이 진동은 공기를 통해 전파하면서

다른 소리 굽쇠를 강제 진동시킨다.
같은 진동수를 가진 소리 굽쇠는 진동하지만 다른 진동수를 가진 소리 굽쇠는 거의 진동하지 않는다.

길이가 다른 여러 진자들을 같은 축에 매달아 놓고 이들 중 1개를 진동시키면 다른 것들도 진동한다.
왜냐하면 진자들은 같은 축에 매달려 있기 때문이다. 그러나 모두 같은 폭으로 진동하는 것은 아니다.
진자의 진동수는 진자의 길이에 의존하므로 이들 중 길이가 같은 진자가 가장 큰 진폭으로 진동한다.
이와 같이 강제 진동의 진동수와 물체의 고유 진동수가 같아지면 진폭이 커지는 데, 이를 '공명(공진)'이라 한다.

공명과 에너지

일반적으로 외부에서 진동계를 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때

그 고유진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다.

소리를 포함해 보통의 역학적 진동, 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어나는 현상이며

전기적·기계적 공명일때는 공진(共振)이라고도 한다.
또 진동체가 서로 연결되어 있는 경우, 양쪽 진동수가 같으면 공명에 의해 에너지를 서로 교환하기 쉽게 된다.

공명을 이용하면 약한 힘을 되풀이함으로써 큰 진동을 얻을 수 있는데,

공명이 일어나는 모양은 진동에 대한 저항의 크기에 따라 다르다.
보통 저항이 커서 진동이 잦아들기 쉬운 진동계에서는 공명할 때 진폭이 비교적 작게 증가하지만,
진동체의 고유진동수와 외부 힘의 진동수에 큰 차이가 있어도 공명에 가까운 진동을 한다.

이에 비하여, 저항이 작아서 진동이 잦아들기 어려운 진동계에서는

진동수에 근소한 차이만 있어도 공명 때보다 진폭의 증가가 훨씬 작고, 대신 공명 때의 진폭은 매우 커진다.

공명은 진폭의 제곱에 비례하므로 진폭이 커진다는 것은 공명 조건에서 에너지가 가장 효율적으로 전달된다는 것을 의미한다.
또 공명에 의한 진동폭의 증가는 주기적으로 변하는 외부의 힘과 진동하는 물체의 속도 방향와 관련된다.

강제 진동수와 고유 진동수가 다르면 물체의 진동은 각 주기 안에서 힘과 속도 방향이 반대이기 때문에
공명현상이 일어나지 않는다.
즉 공명 현상이 일어난다는 것은 힘과 속도의 방향이 같아서 연속적으로 물체를 운동 방향으로 밀어내기 때문에
진동폭이 커짐을 의미한다.

공명의 핵심은 바로 에너지의 축적이다.
공명은 서로 다른 성질의 에너지 축적 소자가 존재해야 한다.
위의 3가지를 적절히 연결하면 바로 공명이 된다.

소리굽쇠 추 운동
운동에너지 속도 에너지
쇠 휨 복귀 에너지 위치 에너지(중력)
공기를 밀고 당김 공기의 저항

예를 들면, 진동수가 같은 소리굽쇠를 접근시켜서 한쪽을 때리면 거기에 따라 다른 쪽 소리굽쇠도 울리기 시작하는데,

이것은 공기를 매개로 해서 일어나는 소리굽쇠의 공명현상이다.
또 공명상자에서 소리가 강해지는 현상이나,

동조회로를 이용해 특정한 파장의 전파를 선택적으로 검출할 수 있는 것도 모두 공명에 의한 것이다.

자연속에 존재하는 공명

1. 유리잔의 공명 주파수를 알아서 스피커에서 같은 주파수를 울리면 유리잔이 공명을 하게 된다.
이렇게 계속전달되는 공명주파수 에너지가 유리잔에 축적되면유리잔이 떨리면서 드디어 쨍그랑!

따라서 신호발생기에서 공명주파수를 찾아 스피커에서 소리를 들려 주면 된다.
볼륨이 커서 스피커 소리가 크면 에너지가 크겠지만 물체의 공명 주파수와 맞지 않으면 유리잔은 깨지지 않는다.

사람의 목소리로 유리잔의 공명주파수를 만들어 유리잔을 깰 수 있다.

사람의 목소리는 다양한 주파수를 만들 수 있으므로 감각적으로 유리잔의 공명 주파수를 느낄 수 있다.
이 주파수 소리를 계속 낼 수 있고, 또 깨질 때까지 같은 주파수 목소리를 내야 하는 일이므로 어려운 일이다.

이렇게 하여 가수 김종서는 유리잔을 목소리로 깰 수 있었다.

중국 "분수어세(噴水魚洗)" 는 두 개의 손잡이가 달린 구리 냄비이다.
물을 넣고 손잡이를 양 손의 손바닥으로 빠르게 문지르면,

구리 냄비는 '붕붕'이라는 음을 내면서, 물이 진동하기 시작하여 드디어 수면 위에 물보라를 분출한다.
물이 높게 분출하는 요령은 적당량의 물을 넣는 것이고, 손잡이를 문지르는 손의 동작이다.
숙련자가 되면 물보라의 높이는 1m 가까이 된다.
물이 분출하는 것은 구리냄비의 고유주파수와 마찰에 의한 잔동수가 일치하여 공진현상이 일어나고

물의 진동이 정상파(定常波)가 되기 때문이다.
정상파는 파행이 일정하기 때문에 공급되는 에너지는 진폭의 증대에 소비된다.
공명(공진)은 떨어진 장소에서도 에너지를 전달하기도 한다.

2.SBS(순간 포착 세상에 이런 일이) 제 319 회

인천 송도의 한 건물 옥상 위의 국기대가 저절로 흔들린다.
강한 태풍으로 건물의 간판이 부숴질 때도, 국기대만은 조금의 미동도 없었는데,
그런 국기대가 이상하게도 밤이 되면, 바람이 불지 않아도 저절로 흔들린다.
게다가 국기대는 사람이 손으로 흔드는 것보다 훨씬 더 세게 흔들린다.

기이한 현상으로 동네에서 ‘도깨비 자리’로 불리 우는 건물이 되었다.

더 놀라운 것은 세 개의 국기대 중, 한 개의 국기대만 흔들린다는 것이다.

이 현상은 그 지역에 시간대별로 주기적으로 부는 바람의 고유 진동수와 일치하는 고유 진동수를 가진 국기대가

서로 공명(공진) 현상을 일으키는 것으로 확인되었다.

3. 고층건물이나 교량, 기다란 회전체 등에서 공진이 일어나면 큰 이상진동이 생겨 파괴되는 경우도 있다.
교각도 바람소리의 공명현상을 피해서 지어지는데 그 이유는 바람이 불면서 주위 환경과 부딪치면서 소리가 나게 된다.
다리의 고유 진동수와 바람이 다리를 흔드는 진동수가 일치할 때, 다리의 진동이 커져서 다리가 붕괴될 수도 있다.

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1831년 영국의 한 보병 부대는 맨체스터 근처에 있는 현수교를 지나가게 되었는데

우연히 다리 고유의 진동수에 맞춰 발맞추어행진하는 바람에 다리가 무너진 일이 있다.
행진하는 군인의 규칙적인 발걸음이 다리의 고유 진동수중 하나와 같아 진폭이 커져 커다란 진동이 생겼기 때문이다.
그러므로 공명을 아는 군인들은 다리를 건널 때 발을 맞추지 않는다.

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1940년 7월 1일 개통된 워싱톤 주의 세계에서 세 번째로 긴 현수교인 타코마 협교(Tacoma Narrows)는

완공4개월 만에 ‘산들바람’으로 볼 수 있는 시속 70km의 가벼운 돌풍에 의해 거대한 철 구조물이무너졌다.

당시만 해도 신공법이었던 현수교(Suspension Bridge)로 건설된 이 다리가 탄생했을 때

사람들은 세상에서 가장 아름다운 다리라고 격찬했었다.
미국 현대 엔지니어링 기술의 자존심을 건 건축물이었던 만큼, 시속 190km 속도의 초강풍에도 견딜 수 있도록 설계되었다

다리가 흔들리는 진동수와 바람의 진동수가 공명하면서 진동폭이 점점 커져 끝내 무너지게 된 것이다.

4. TV 코렐 접시 광고

다른 접시는 깨졌는 데, 유독 광고 회사의 접시만 깨지지 않았던 이유는 가수의 목소리와 그 접시만 서로공명 현상이

일어나지 않았기 때문이다.

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5. 주파수 맞추기

공명(공진)현상은 악기, 기계, 전기, 전자회로, 특히 전파를 이용하는 무선기기 등에서 중요한 역할을 한다.
여기서 라디오의 주파수를 맞춘다는 것이 바로 공명. TV의 채널을 바꾸는 것도 같은 원리다.
가정에 있는 라디오 또는 텔레비젼 수신기에는 코일과 축전기로 연결된 회로가 있는데 이것을 '동조회로'라고 한다.
우리가 채널을 맞춘다는 것은 TV내부의 회로 진동수를 방송국의 전파 진동수와 일치시키는 일종의 공명이다.
이러한 공명 현상을 이용해 각 방송국마다 고유의 주파수를 결정하는 것이다.

같은 주파수를 지닌 음파가 겹치면, 어떤 때는 음파의 압축부와 압축부가 겹쳐서 소리가 강해지고,
어떤 때는 압축부와 팽창부가 겹쳐서 소리가 약해진다. 이것을 '소리의 간섭'이라고 한다.

소리가 울리는 현상은 진동수가 약간 다른 두 소리의 간섭에 의한 것이며,
1초 동안의 울림수는 두 소리의 주파수의 차이와 같아진다.

소리의 공명(共鳴)이란 물체가 스스로 낼 수 있는 소리의 주파수 즉 고유진동수와 같은 주파수의 소리를 만나

저절로 울리는 현상을 말한다.

6.극장이나 스튜디오에서 속이 빈 공명기를 벽면에 배치해 놓는 것은 공명흡수 현상을 이용하여 특정한 주파수의 음을

흡수하기 위한 것이다.

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7.외부에서 전해지는 같은 진동수의 소리에 의해 진동이 커지는 원리는 추의 왕복 운동 원리와 같다.
추가 앞으로 나아갈 때 반대로 밀면 추의 진동폭이 좁이잔다.
추가 앞으로 나아갈 때 같은 방향으로 밀면 진동폭이 커진다.
그네는 움직이는 방향과 같은 방향으로 밀어줘야 한다.
즉 앞으로 나올때는 앞으로, 뒤로 갈때는 뒤로 당겨줘야 점점 큰 진폭으로 움직이는 그네를 볼 수 있다.
그러면 그네를 멈추기 위해서는 어떻게 해야 할까?
그네가 움직이고 있는 방향과 반대로 살짝 건드리기만 해도 쉽게 멈춘다.
왜냐하면 힘과 속도 방향이 반대이기 때문이다.

8.공명을 이용하면 소리가 한결 아름답게 울리므로, 악기는 떨림이 생긴 부분에서 몸체로 진동이 전해져 공명하도록 한다.
바이올린의 통은 공명상자가 아니고, 현의 진동을 판의 진동으로 바꾸어 소리를 확대시키는 장치이다.

관악기는 관구를 세게 불어 공기의 소용돌이를 일으키거나, 관구 가까이에 단 리드를 불어서 공기를 진동시켜
이것을 관 안의 기주(氣柱)에 공명시켜서 소리를 내는 구조로 되어 있다.

9.음식을 데우거나 요리하는데 사용되는 전자레인지도 공명 현상을 이용한 예이다.
전자레인지는 파장이 약 1.2 ㎝인 마이크로파를 방출해 음식 속의 물분자를 진동시킨다.
음식물 속의 물분자가 공명 현상에 의해 맹렬히 진동하면 분자 운동으로 발생하는 열에너지가
음식물의 온도를 높이면서 데워지거나 조리된다.
그러나 수분이 부족한 음식은 전자레인지로 데우거나 조리할 수 없다.

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10.세탁기 통이 멈출 때 쿵쿵거리는 소리의 정체
세탁기의 경우 탈수할 때, 세탁통이 돌면서 회전속도에 따라 세탁기에 규칙적인 충격을 가하게 된다.
통이 빠르게 돌 때는 세탁기의 고유진동수와 달라 별다른 영향을 주지 못하다가

속도가 줄어들면서 어느 순간 고유진동수와 일치하게 되어 공명이 일어나 흔들리는 것이다.
이처럼 공명은 일정한 진동수에는 민감하게 반응하지만 그 범위를 크게 벗어나면 반응자체가 없어지기도 한다.

11.개인마다 소리를 감지하는데 필요한 소리의 크기인 청력 역치가 다르며,
음악과 같은 복합음을 분석하는 능력의 차이도 다르다.
인간의 귀로 들을 수 있는 음의 주파수역은 30 - 20,000 Hz 정도이며,
보통 나이가 들면서 고음역을 들을 수 있는 능력이 떨어지게 된다.
박쥐나 개 등의 동물은 사람에 비하여 훨씬 높은 음역의 소리를 들을 수 있다.

정해진 주파수를 가진 빛만 인식할 수 있는 동물의 눈이라든가，
일정한 영역의 음파에만 반응을 하여 소리를 듣는 동물의 귀는 미세한 신호에 반응하는 공명기관이다.
동물마다 들을 수 있는 소리와 볼 수 있는 빛이 조금씩 다르다.

12.현대 의학과 공명. 자기공명 단층촬영장치인 'MRI'

핵자기공명은 1964년에 발견된 이후 화학적, 의학적인 분야에 적용돼 왔다.
물질은 원자로 이루어져 있으며 원자는 핵과 전자들로 구성돼 있다.
원자들이 자기장 속에 있으면 회전하고 있는 전자 때문에 에너지차가 생기고 이에 비례하는 진동수가 결정 된다.

물질에 전자기파가 들어와서 결정된 진동수와 공명이 일어나면 전자기파는 흡수되고높은 에너지를 갖게 된다.
이것을 핵자기공명이라고 한다.

물질 내의 수소 원자는 외부 자기장 뿐만 아니라 주변 원자의 자기장에 의해서도 영향받는다.
같은 종류의 핵이더라도 조금씩 다른 공명 주파수를 보인다.
따라서 공명 진동수를 연구하면 물질 내의 여러 구조에 대해서 알 수 있다.

핵자기공명 현상을 의학적인 분야에 응용한 장치가 자기공명 단층촬영장치인 'MRI'다.
이것은 X선을 사용하지 않고 인체의 단면 사진을 찍는 장치인데 X선 단층 촬영보다 더 높은 해상도를 가진다.

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인체의 대부분은 물（H₂O）로 이루어져 있다.

신체 검사를 하고 있는 사람의 몸에 자기장을 걸어주면
몸 안에 있는 수소 원자는 공명 현상에 의해 외부의 전자기파로부터 특정 진동수의 에너지를 흡수한다.
흡수된 에너지가 다시 낮은 상태로 될 때까지의 시간은 질병을 가진 세포에 따라서 다르므로 질병에 대한정보를 제공한다.
이것은 방사선을 쓰지 않고 고주파의 전자기파를 사용하므로 인체 세포에 거의 무해하다는 장점을 가지고 있다.

13.양자역학적으로 한 분자가 2가지 이상의 결합구조를 가질 수 있다.
한 화학구조만으로는 그 분자를 충분히 나타낼 수 없을 때, 이 분자는 그 구조들 사이에서 공명하고 있다고 한다.
W.하이틀러 등이 공유결합을 설명하기 위해서 도입한 개념을 L.폴링이 분자의 문제까지 발전시켜 적용한 것이다.
예를 들면, 염화수소 HCl의 진짜 분자구조는 공유결합에 의한 H－Cl, 이온결합에 의한 H+Cl-와 H-Cl+ 등

세 구조의 공명에 의한 구조로 이루어져 있다.
이들 세 구조가 동등하게 기여하는 것이 아니라 '한 벌의 중첩된 구조로 되어 있다'고 한다.

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