음파

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1. 개요
2. 음파의 특성
3. 음파의 현상
4. 음장의 종류
- 4.1. 자유 음장
- 4.2. 확산 음장
5. 음파의 활용
참조

1. 개요

음파는 원자 및 분자의 움직임을 통해 에너지를 전달하는 기계적 파동으로, 고체, 액체, 기체 매질을 통해 전파된다. 음파는 종파와 횡파의 형태를 가질 수 있으며, 매질의 밀도와 압력에 따라 음속이 달라진다. 음파의 전파는 파동방정식으로 표현되며, 지향각은 파장과 진동자의 크기에 의해 결정된다. 음파는 회절, 반사, 간섭, 굴절 등의 현상을 보이며, 자유 음장, 확산 음장과 같은 음장으로 분류된다. 음파는 의료, 군사, 산업, 생물학 등 다양한 분야에서 활용되며, 초음파를 이용한 진단, 소나, 초음파 센서, 반향정위 등에 사용된다.

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음파
지도 정보
기본 정보
종류	역학파
매질	기체, 액체, 고체
속도	매질의 성질에 따라 다름
파장 범위	넓음 (저주파부터 초음파까지)
주파수 범위	넓음 (저주파부터 초음파까지)
성질	종파, 에너지 전달, 회절, 간섭, 반사, 굴절
특징
매질 필요	반드시 매질 필요
속도 변화	매질의 밀도, 온도, 탄성에 따라 변화
전파 방식	매질 입자의 진동을 통해 전파
에너지 전달	진동 에너지를 전달
감쇠	매질의 마찰, 점성 등으로 인해 감쇠
파동의 특성
파장	파동의 한 주기가 진행하는 거리
진폭	매질 입자의 최대 변위
주파수	단위 시간당 파동의 진동 횟수
속도	파동이 매질을 통해 전파되는 속도
주기	한 번의 진동에 걸리는 시간
발생 원리
매질 진동	매질의 입자들이 진동하면서 발생
압력 변화	매질 내부의 압력 변화가 파동 형태로 전파
물체의 진동	물체의 진동이 주변 매질을 진동시켜 발생
종류
가청음파	인간이 들을 수 있는 주파수 범위의 음파
초음파	가청 주파수보다 높은 주파수의 음파
저주파 음파	가청 주파수보다 낮은 주파수의 음파
응용 분야
음향 기기	스피커, 마이크 등 음향 기기에 활용
의료	초음파 검사, 치료 등에 활용
통신	음파 통신에 활용
탐지	수중 음파 탐지기 등에 활용
음향학	소리 연구 및 분석에 활용
건축	건축 음향 설계에 활용
지구과학	지진파 연구에 활용
비파괴 검사	초음파를 이용한 비파괴 검사에 활용
관련 현상
반사	음파가 장애물에 부딪혀 되돌아오는 현상
굴절	음파가 다른 매질로 진행할 때 방향이 꺾이는 현상
회절	음파가 장애물 뒤로 돌아나가는 현상
간섭	두 개 이상의 음파가 중첩되어 진폭이 커지거나 작아지는 현상
공명	특정 주파수의 음파에 반응하여 진동이 증폭되는 현상
도플러 효과	음원과 관측자의 상대 운동에 따라 주파수가 변하는 현상

2. 음파의 특성

음파는 원자와 분자의 움직임을 통해 에너지를 전달하는 기계적 파동이다. 유체(액체 및 기체)에서는 주로 종파(입자의 움직임이 파동의 전파 방향과 평행) 형태로 전달되지만, 고체에서는 전단 계수가 존재하기 때문에 종파와 횡파(입자의 움직임이 파동 전파 방향에 수직) 모두 발생할 수 있다.^[1]

매질: 음파는 진공에서는 전파되지 않고, 반드시 기체, 액체, 고체 중 어느 하나의 매질을 필요로 한다.
종파와 횡파: 기체 및 액체에서 음파는 종파로 전달된다. 고체에서는 종파 외에 횡파인 전단파도 발생한다.
음속: 음파의 속도는 음속이라고 하며, 매질의 밀도와 압력에 따라 달라진다. 공기 중에서의 음속인 마하는 고도, 온도, 습도 등에 따라 크게 변한다.
음장: 음파가 전파되는 장을 '''음장'''(sound field^영어)^[4]^[5]이라고 한다.
'''자유음장'''(free sound field^영어)^[6]은 소리가 모든 방향으로 균일하게, 반사 없이 전달되는 공간이다. 무향실은 이러한 자유음장의 조건을 갖춘 공간이다.
'''확산음장'''(diffuse sound field^영어)^[7]은 모든 점에서 음향 에너지 밀도가 같고, 모든 방향에서 동일한 확률로 음향 에너지가 전파되는 가상적인 음장이다. 잔향실은 확산음장의 조건을 근사적으로 실현한 공간이다.
지향성: 음파의 지향성은 지향각으로 나타낼 수 있다. 파장이 짧은 초음파는 지향성이 높고, 파장이 긴 가청음은 지향성이 낮다.
음파의 간섭: 음파는 「중첩의 원리」와 「파의 독립성」이라는 성질을 가진다. 같은 방향의 음파는 중첩되어 진폭이 커지고, 서로 부딪혀도 영향을 받지 않고 원래 파형을 유지하며 전파한다.^[10]

2. 1. 음파 방정식

음파 방정식은 음파의 전파를 설명하는 방정식이다. 1차원에서 음압(p)에 대한 음파 방정식은 다음과 같다.^[8]^[9]

:

{ \partial^2 p \over \partial x ^2 } - {1 \over c^2} { \partial^2 p  \over  \partial t ^2 }   = 0

여기서,

$p$ 는 Pa 단위의 음압이다.
$x$ 는 파동의 전파 방향의 위치이며, m 단위이다.
$c$ 는 음속이며, m/s 단위이다.
$t$ 는 시간이며, s 단위이다.

입자 속도(u)에 대한 파동 방정식은 위와 같은 형태를 가지며 다음과 같다.

:

{ \partial^2 u  \over  \partial x ^2 }   -  {1 \over c^2} { \partial^2 u  \over  \partial t ^2 }   = 0

여기서,

$u$ 는 m/s 단위의 입자 속도이다.

손실 매질의 경우에는 주파수에 따른 감쇠 및 위상 속도를 고려하기 위해 더 복잡한 모델을 적용해야 한다. 이러한 모델에는 분수 미분 항을 포함하는 음파 방정식이 포함된다.

x축을 따라 전파하는 음파는 1차원 파동 방정식

:

\left( - \frac{ 1 }{ c^2 } \frac{ \partial^2 }{ \partial t^2 } + \frac{ \partial^2 }{ \partial x^2 } \right) p = 0

을 만족하며, 그 일반해는 f, g를 임의 함수로 하여

:

p ( t, x ) = f ( x - c t ) + g ( x + c t )

로 나타낼 수 있다.^[11] 이를 평면파라 하며, f는 x축 양의 방향으로 전파하는 평면파, g는 음의 방향으로 전파하는 평면파를 나타낸다.^[11] 이 평면파에 대응하는 유체 속도장은

:

v_x ( t, x ) = \frac{ 1 }{ \rho c } f ( x - c t ) - \frac{ 1 }{ \rho c } g ( x + c t )

이다.^[11]

구면좌표계에서의 파동 방정식은 다음과 같다.

:

- \frac{ 1 }{ c^2 } \frac{ \partial^2 }{ \partial t^2 } p + \frac{ 1 }{ r } \frac{ \partial }{ \partial r^2 } ( r p ) = 0

여기서 임의 함수

f

,

g

를 이용하여

:

p ( t, r ) = \frac{ f ( r - c t ) }{ r } + \frac{ g ( r + c t ) }{ r }

으로 표현된다.^[13]

2. 2. 위상

진행파에서 압력과 입자 속도는 위상이 같다. 즉, 두 양 사이의 위상각이 0이다.

이는 이상 기체 법칙을 사용하여 쉽게 증명할 수 있다. 이상 기체 법칙은 다음과 같다.

:

pV = nRT

여기서

$p$ 는 압력(Pascal (unit)|Pa)
$V$ 는 부피(m³)
$n$ 는 몰수(mol)
$R$ 은 기체 상수이며, 값은 $8.314\,472(15)~\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol~K}}$ 이다.

부피

V

를 고려하자. 음파가 부피를 통해 전파됨에 따라 단열 압축과 팽창이 발생한다. 단열 변화의 경우, 유체 덩어리의 부피

V

와 압력

p

사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

:

{ \partial V \over V_m } = { -1 \over \ \gamma } {\partial p \over p_m }

여기서

\gamma

는 단위가 없는 단열 지수이며, 첨자

m

은 해당 변수의 평균값을 나타낸다.

음파가 부피를 통해 전파됨에 따라, 입자의 수평 변위

\eta

는 파동 전파 방향을 따라 발생한다.

:

{ \partial \eta \over V_m } A = { \partial V \over V_m } = { -1 \over \ \gamma } {\partial p \over p_m }

여기서

$A$ 는 단면적(m²)이다.

이 방정식에서 압력이 최대일 때 입자의 평균 위치로부터의 변위는 0에 도달함을 알 수 있다. 앞서 언급했듯이, 오른쪽으로 진행하는 파동의 진동 압력은 다음과 같이 주어진다.

:

p = p_0 \cos(\omega t - kx)

압력이 0일 때 변위가 최대이므로 90도의 위상차가 있으며, 변위는 다음과 같이 주어진다.

:

\eta = \eta_0 \sin(\omega t - kx)

입자 속도는 입자 변위의 1차 미분이다:

u = \partial \eta / \partial t

. 사인 함수의 미분은 다시 코사인 함수를 제공한다.

:

u = u_0 \cos(\omega t - kx)

단열 변화 동안 온도는 다음과 같이 압력에 따라 변한다.

:

{ \partial T \over T_m } = { \gamma - 1  \over \ \gamma } {\partial p \over p_m }

이 사실은 열음향학 분야에서 활용된다.

2. 3. 전파 속도 (음속)

음파의 전파 속도 또는 음향 속도는 전파되는 매질에 따라 달라진다. 일반적으로 음속 ''c''는 뉴턴-라플라스 방정식으로 주어진다.^[4]

:

c = \sqrt{\frac{C}{\rho}}

여기서

''C''는 강성 계수이며, 기체 매질의 경우 체적 탄성률이다.
$\rho$ 는 밀도(kg/m³)이다.

따라서 음속은 재료의 강성(외력에 의한 변형에 대한 탄성체의 저항)이 증가할수록, 밀도가 감소할수록 증가한다.

일반적인 상태 방정식에서, 고전 역학을 사용하면 음속

c

는 다음과 같이 주어진다.

:

c^2 = \frac{\partial p}{\partial\rho}

여기서

p

는 압력이고

\rho

는 밀도이며, 미분은 단열 변화에 대해 이루어진다.

2. 4. 평면파와 구면파

x축을 따라 전파하는 음파는 1차원 파동 방정식을 만족하며, 그 일반해는 임의 함수 f, g를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.^[11] 이를 평면파라 하며, f는 x축 양의 방향으로 전파하는 평면파, g는 음의 방향으로 전파하는 평면파를 나타낸다.^[11]

:

p ( t, x ) = f ( x - c t ) + g ( x + c t )

이 평면파에 대응하는 유체 속도장은 다음과 같다.^[11]

:

v_x ( t, x ) = \frac{ 1 }{ \rho c } f ( x - c t ) - \frac{ 1 }{ \rho c } g ( x + c t )

보다 일반적으로 단위 벡터

\mathbf{n}

방향으로 전파하는 평면파 p 및 대응하는 속도장

\mathbf{v}

는 다음과 같이 주어진다.^[12]

:

p ( t, x ) = f ( \mathbf{n} \cdot \mathbf{x} - c t ) , \ \ \mathbf{v} = \frac{ \mathbf{n} }{ \rho c } p ( t, x )

특히, x축 양의 방향으로 전파하는 단색 평면파는 다음과 같이 쓸 수 있다.^[12]

:

p ( t, x ) = | P | \cos \{ k ( x - c t ) + \phi_0 \} = \mathrm{Re} \left\{ P e^{i k ( x - c t )} \right\}

여기서

\phi_0

는 음파의 위상에 관한 상수이며,

P = | P | e^{i \phi_0 }

는 복소 진폭이다.^[12] 또

k

는 음파의 파수이며, 파장

\lambda

및 각진동수

\omega

와 다음과 같은 관계가 있다.^[12]

:

k = \frac{ 2 \pi }{ \lambda } = \frac{ \omega }{ c }

좌표 원점에서 구면대칭으로 퍼져나가는 음파는 구면파를 형성한다.^[13] 이는 구면좌표계에서의 파동 방정식의 해로 표현된다.

:

p ( t, r ) = \frac{ f ( r - c t ) }{ r } + \frac{ g ( r + c t ) }{ r }

f

는 외향 구면파,

g

는 내향 구면파이다. 이 중 내향 구면파는 인과율 때문에 자연적으로 발생하지 않으며, 음향학에서는 주로 외향 구면파만 다룬다.^[13] 대응하는 속도장은 동경 성분

v_r = \mathbf{v} \cdot \mathbf{e}_r

만이

0

이 아니며,

f

의 원시 함수

F

를 이용하여 다음과 같이 표현된다.^[14]

:

v_r = \frac{ 1 }{ \rho c } \left[ - \frac{ F ( r - c t ) }{ r^2 } + \frac{ f ( r - c t ) }{ r } \right]

특히 파수

k

의 외향 단색 구면파에 대해서는, 복소 진폭을 이용하여 다음과 같이 표현된다 (

A

는 상수).^[14]

:

\hat{p} ( t, r ) = A \frac{ e^{i k r} }{ r } , \ \ \hat{v}_r = \frac{ 1 }{ \rho c } \left( 1 - \frac{ 1 }{ i k r } \right) \hat{p} ( t, r )

그 시간 평균한 강도는 다음과 같으며, 역제곱의 법칙에 따라 감쇠한다.^[14]

:

I = \frac{ 1 }{ 2 } \mathrm{Re} \left( \hat{p} \hat{v}_r^* \right) = \frac{ 1 }{ 2 \rho c } \frac{ | A |^2 }{ r^2 }

3. 음파의 현상

음파는 탄성파의 일종으로, 회절, 반사, 간섭과 같은 현상을 보인다. 공기 중의 소리는 진행 방향과 같은 방향으로 진동하는 종파이기 때문에 편광되지 않는다.

음파는 진공에서는 전파되지 않고, 기체, 액체, 고체 등의 매질을 통해서만 전달된다. 기체와 액체에서는 매질에 전단탄성이 없기 때문에 밀도 변화파인 종파 형태로 전파된다. 고체에서는 밀도 변화파 외에 횡파인 전단파(ねじれ波)도 발생한다.

음파의 속도는 음속이라고 하며, 매질의 밀도와 압력에 따라 달라진다. 공기 중에서의 음속인 마하 속도는 고도, 온도, 습도 등 기상 조건에 따라 크게 변한다.

음파가 전파되는 장을 '''음장'''(sound field^영어)이라고 한다.^[4]^[5] 음장은 일반적으로 음압과 입자 속도(매질 입자가 진동하는 속도)로 표현된다.

'''자유음장'''(free sound field^영어^[6])은 소리가 모든 방향으로 균일하게, 반사 없이 전달되는 공간이다. 무향실은 자유음장의 조건을 만들기 위해 벽, 천장, 바닥을 소리 흡수 재료로 덮은 공간이다.
'''확산음장'''(diffuse sound field^영어^[7])은 모든 지점에서 음향 에너지 밀도가 같고, 모든 방향에서 동일한 확률로 음향 에너지가 전파되는 가상적인 음장이다. 잔향실은 확산음장의 조건을 만들기 위해 모든 면을 반사성으로 마감한 공간이다.

음파의 거동은 파동방정식으로 표현할 수 있다.^[8]^[9]

음파는 지향성을 가지는데, 이는 지향각으로 나타낼 수 있다. 지향각은 파장과 진동자의 크기에 따라 결정된다. 파장이 짧은 초음파는 지향성이 높고(지향각이 작음), 파장이 긴 가청음은 지향성이 낮다(지향각이 큼).

음파는 「중첩의 원리」와 「파의 독립성」이라는 성질을 가진다. 같은 방향의 음파가 겹치면 진폭이 더해지고(중첩의 원리), 서로 부딪혀도 영향을 받지 않고 원래 파형을 유지하며 전파한다(파의 독립성).^[10]

3. 1. 반사

수면파와 마찬가지로 음파에도 규칙적인 반사 현상이 있다. 산에 올라가서 큰 소리를 지르면 여러 방향에서 같은 소리가 연달아 되돌아오는데, 이는 멀리 있는 산, 가까이에 있는 골짜기 등에서 반사된 음파가 다시 되돌아오기 때문이다. 이것을 메아리라고 부른다.

반사가 규칙적인 것은 간단한 실험으로 확인할 수 있다. 작은 스피커가 달린 고무 마개를 긴 유리관 A의 한쪽 끝에 끼워 넣고 다른 쪽 끝을 수직으로 세운 판자를 향해서 고정한다. 다음에는 스피커에 저주파 발진기를 연결하고 가능한 한 진동수가 높은 소리를 내게 한다. 그리고 판자에서 반사된 소리를 다른 유리관 B를 통해서 듣는다. 유리관 B의 방향을 여러 가지로 변화시키면 가장 크게 들리는 방향이 발견된다. 이때의 유리관 A와 B의 방향이 판자면에 대해서 어떤 관계를 이루고 있는가를 조사하면 된다. 이 실험으로 음파의 반사도 수면파의 경우와 마찬가지로 반사의 법칙(입사각=반사각)에 따라 행해지고 있음을 알 수 있다. 스피커 소리의 진동수를 크게 하는 이유는 파장을 짧게 해서 회절을 작게 하기 때문으로, 진동수가 작아지면 유리관 B의 방향이 넓은 범위로 흩어진다. 또한 스피커를 유리관 A에 넣는 이유는 스피커에서 나오는 음파를 유리벽으로 반사시켜 한 방향으로 고르게 나아가게 하기 때문이다.

옥내에서는 소리가 잘 들리지만 옥외에서는 같은 소리라도 작아져서 잘 들리지 않는 일을 자주 경험한다. 옥내에서는 직접 귀에 도달하는 음파 외에 주위의 벽에 반사된 소리도 더해져서 들리지만, 옥외에서는 직접 귀에 들리는 음파뿐이므로 옥내보다도 소리가 작아진다.

반사를 이용하여 소리가 먼 곳까지 도달하도록 연구된 것이 메가폰이다. 메가폰의 내벽은 음파를 반사하여 좁은 방향으로 모아서 내보내는 작용을 한다. 또한 약한 음파라도 반사를 이용해서 좁은 장소에 모으면 강해진다. 새 소리나 벌레 소리 등을 녹음할 때에 사용하는 집음 마이크는 이와 같은 작용을 한다.

음파는 고체 표면에서 반사될 수 있다. 진행파가 반사되면, 반사파는 입사파와 간섭하여 근거리장에서 정재파를 생성한다. 그 결과, 근거리장의 국소 압력은 두 배가 되고, 입자 속도는 0이 된다.

감쇠는 반사파의 세기가 반사 물질로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하게 만든다. 반사파의 세기가 입사파의 세기에 비해 감소함에 따라 간섭 또한 감소한다. 그리고 간섭이 감소함에 따라 음압과 입자 속도 간의 위상차도 감소한다. 반사 물질로부터 충분히 멀리 떨어진 곳에서는 더 이상 간섭이 남아 있지 않다. 이 거리에서 원거리장이라고 말할 수 있다.

반사량은 반사 강도와 입사 강도의 비율인 반사 계수로 나타낸다.

:

R = \frac{ I_{\text{reflected}} }{ I_{\text{incident}} }

3. 2. 굴절

음속은 공기의 온도에 따라 달라지기 때문에, 온도 차이가 있는 경계면에서 음파가 굴절한다. 온도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 음파가 입사하면 경계면에서 굴절되고, 입사각이 너무 크면 전반사가 일어나 굴절이 나타나지 않는다. 반대로 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 음파가 진행하면 경계에서 멀어지는 방향으로 굴절하며, 이 때는 전반사가 일어나지 않는다.^[1]

온도가 연속적으로 변하는 공기 중에서는 음파의 경로가 곡선으로 나타난다. 맑은 날 낮에는 지면 근처 공기가 뜨거워 음파가 위쪽으로 휘어지고, 밤에는 지면 근처 공기가 차가워 음파가 아래쪽으로 휘어져 멀리까지 소리가 전달된다. 여름철 호수나 강가에서 먼 곳의 소리가 잘 들리는 이유도 수면 근처 공기가 차가워 음파가 수면 쪽으로 휘어지기 때문이다.^[1]

바람의 영향으로도 음파의 파면이 흐트러져 굴절 현상이 나타난다. 바람이 불어오는 쪽에서는 소리가 잘 들리고, 반대쪽에서는 잘 들리지 않는다. 지면 근처에서는 바람이 장애물 때문에 느려져 음속이 낮아지므로, 음파의 파면이 바람 방향으로 흩어지게 된다. 따라서 바람을 따라 진행하는 음파는 지면을 따라 진행하고, 바람과 반대 방향으로 진행하는 음파는 위쪽으로 흩어진다.^[1]

3. 3. 회절

음파는 장애물을 만나면 그 뒤로 돌아가는 회절 현상을 보인다. 음파의 파장은 수면파의 파장에 비해 길기 때문에 회절 정도가 크다. 담장 너머로 소리가 들리거나, 옆방의 소리가 창문을 통해 들리는 것은 회절 현상 때문이다. 음파는 얇은 벽을 통과하기도 하고 반사하여 진로를 바꾸기도 하므로 회절 실험을 할 때 특히 이런 점에 주의해야 한다. 담장 너머로 들리는 소리도 담장에 접근할수록 잘 들리는데, 이는 담장을 통과했기 때문일 것이다. 회절에 의해 들리는 소리는 담장에서 적당한 거리로 떨어져야 잘 들린다. 또 옆방에서 나는 소리도 복도 쪽 창문을 닫으면 회절뿐 아니라 복도의 벽에 반사된 소리까지 더해지므로, 바깥쪽 창문을 열었을 때보다도 크게 들린다.

3. 4. 간섭

어떤 음파가 진행 도중 다른 음파와 마주치게 되면 매질의 변위가 바뀐다. 그 때문에 소리가 들리지 않거나 크게 들리는 변화가 나타난다. 두 개의 작은 스피커 S1과 S2를 적당한 간격을 두고 책상 위에 놓고, 하나의 저주파 발진기에 연결한 다음 동시에 같은 진동수의 소리를 연속해서 내게 한다. 스피커 전방 S1S2에 평행인 직선 P1P2 위를 조용히 걸으면서 소리의 변화를 관찰하면, P1에서 P2로 걸어가는 동안 소리가 작아지기도 하고 커지기도 하는 현상이 몇 번씩 되풀이되는 것을 알 수 있다. 저주파 발진기를 조절해서 소리의 진동수를 바꾸면 소리가 변화하는 위치가 달라진다. 소리가 작게 들리는 위치를 선정하고, 그곳에서 스피커에 접근하는 방향으로 똑같이 소리가 작게 들리는 위치를 찾아가 보면 한 개의 곡선(쌍곡선)이 얻어진다. P1P2의 다른 위치에서 똑같이 되풀이하면 S1과 S2 사이에서 생기는 몇 개의 곡선을 얻을 수 있다. 이것은 파동의 간섭에서 나타난 곡선과 같으므로 음파에도 간섭 현상이 있다는 것을 알 수 있다. 또 이와 같은 간섭 실험에서 음속이나 음파의 진동수 등도 구할 수 있다.^[1]

간섭은 두 개 이상의 파동이 합쳐져 새로운 파동 패턴을 만드는 현상이다. 음파의 간섭은 두 개의 스피커가 같은 신호를 전송할 때 관찰할 수 있다. 특정 위치에서는 보강 간섭이 발생하여 국부적인 음압이 두 배가 된다. 그리고 다른 위치에서는 상쇄 간섭이 발생하여 국부적인 음압이 0 파스칼이 된다.^[2]

3. 5. 정상파

정상파는 공명기에서 발생할 수 있는 특별한 종류의 파동이다. 공명기에서는 입사파와 반사파의 중첩이 발생하여 정상파가 생성된다. 정상파에서 압력과 입자 속도는 90도 위상차를 갖는다.

양 끝이 막힌 관을 공명기로 생각할 수 있다. 이 공명기는 다음과 같은 주파수에서 고유 모드를 갖는다.

:

f = \frac{Nc}{2d}\qquad\qquad N \in \{1,2,3,\dots\}

여기서,

$c$ 는 소리의 속도(m/s)이다.
$d$ 는 관의 길이(m)이다.

양 끝단에서는 입자 변위가 없으므로 입자 속도가 0이 된다. 그러나 입사파와 반사파의 간섭으로 인해 압력은 양 끝단에서 두 배가 된다. 압력이 최대인 양 끝단에서 속도는 0이므로, 둘 사이에는 90도의 위상차가 있다.

3. 6. 흡수

음파는 흡수될 수 있다. 흡수량은 흡수 계수로 나타내며, 다음 식으로 주어진다.

:

\alpha = 1 - R^2

$\alpha$ 는 단위가 없는 흡수 계수이다.
$R$ 는 단위가 없는 반사 계수이다.

종종 재료의 음향 흡수는 데시벨(dB)로 나타낸다.

3. 7. 다층 매질

음파가 불균질 매질을 통과할 때, 불순물이나 서로 다른 재료의 층 사이의 계면에서 회절을 일으킨다. 이는 빛이 브래그 거울에서 굴절, 흡수 및 투과되는 현상과 매우 유사하다. 주기적인 매질을 통한 음파 전파의 개념은 음향 메타물질 공학에서 큰 성공을 거두었다.^[2]

다층 재료에서의 음향 흡수, 반사 및 투과는 전달행렬법으로 계산할 수 있다.^[3]

4. 음장의 종류

음파가 전파되는 장(場)을 '''음장'''(sound field^영어^[4]^[5])이라고 한다. 음장은 음압과 입자 속도(매질 입자가 진동하는 속도)로 기술한다. 음장의 종류에는 자유 음장과 확산 음장이 있다.

4. 1. 자유 음장

자유 음장(free sound field^영어^[6])은 어떤 점에서 발생한 소리가 모든 방향으로 균질하게, 또 반사되지 않고 전달되는 공간을 말하며, JIS에서는 “등방성, 균질 매질에서 경계의 영향을 무시할 수 있는 음장”으로 정의된다^[4]등방성, 균질 매질에서 경계의 영향을 무시할 수 있는 음장.. 무향실은 자유 음장의 조건이 실현되도록 벽, 천장, 바닥의 모든 방향의 면이 소리를 흡수하는 재료로 덮인 실이다^[4]경계에 입사한 모든 소리가 흡수됨으로써 내부에서 자유음장의 조건이 성립하는 실. ..

4. 2. 확산 음장

확산 음장(diffuse sound field^영어^[7])은 모든 점에서 음향 에너지 밀도가 같고, 모든 방향에서 동일한 확률로 음향 에너지가 전파하는 가상적인 음장이다.^[7] 즉, 확산 음장에서는 모든 점에서 유효 음압의 크기가 같고, 음향 강도의 시간 평균은 0이 된다. 잔향실은 확산 음장의 조건을 근사적으로 실현하기 위해 모든 방향의 면을 반사성으로 마감한 실이다.^[7]

5. 음파의 활용

의료 분야에서는 산부인과나 내과에서 태아 진단 및 장기 검사에 의료용 초음파 센서를 사용하여 환자의 체내를 간편하게 영상화할 수 있다. 또한 결석 등을 개복 수술 없이 음파를 이용한 충격파로 파쇄하여 체외 배출을 용이하게 할 수 있다.^[1]

군사 목적이나 어업에서는 소나라고 불리는 수중 음파를 사용하여 수중의 적 잠수함이나 어군을 탐지한다.^[2]

초음파 센서는 모든 물류 관련 현장에서 물체의 유무를 쉽게 감지할 수 있기 때문에 사용되고 있다. 제조업이나 보수 관련 산업에서는 초음파를 이용한 탐상 검사가 이루어지고 있다. 또한 SAW 필터(표면탄성파 필터)라고 불리는 전자 부품도 있다.^[3]

돌고래를 포함한 일부 고래류는 멜론 기관이나 멜론체라고 불리는 머리 부분의 조직을 음파 렌즈로 이용하여 지향성을 가진 수중 초음파의 송수신에 이용하고 있다. 이와 같이 음파를 사용하여 주변 환경을 인지하는 방법을 반향정위나 에코로케이션(Echolocation)이라고 부른다. 한편, 향유고래 등은 초저주파 수중 음파를 멀리 떨어진 무리와의 대화나 노래에 사용한다.^[4]

박쥐는 입에서 초음파를 방출하면서 반사음으로 주변 상황을 파악하여 어둠 속에서도 비행할 수 있다. 먹이인 곤충의 위치를 알 수도 있다.^[5]

분무된 용융 입자에 입자 크기에 따른 고유 진동수의 주파수 음파를 쏘임으로써 입자 크기를 일정하게 맞출 수 있다.^[6]

음파 부유로에서는 부유 상태에서의 재료 보관에 사용된다. 전자기 부유로에서는 부유할 수 없는 산화물 등의 비도전성 재료의 부유가 가능해진다.^[7]

참조

_[1] 저널 Ultrasonic Spectroscopy: Applications in Condensed Matter Physics and Materials Science https://www.cambridg[...] Cambridge University Press 2017-06-09
_[2] 뉴스 Sound ideas https://physicsworld[...] 2005
_[3] 서적 Phononic Crystals: Artificial Crystals for Sonic, Acoustic, and Elastic Waves https://books.google[...] Walter de Gruyter GmbH & Co KG 2015-09-14
_[4] 웹사이트 IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 801-23-27: "sound field" https://www.electrop[...] 2024-12-28
_[5] 서적 基礎音響学講談社サイエンティフィク
_[6] 웹사이트 IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 801-23-28: "free sound field" https://www.electrop[...] 2024-12-28
_[7] 웹사이트 IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 801-23-31: "diffuse sound field" https://www.electrop[...] 2024-12-28
_[8] 서적 基礎音響学講談社サイエンティフィク
_[9] 서적 機械音響工学森北出版
_[10] 문서
_[11] 문서
_[12] 문서
_[13] 문서
_[14] 문서
_[15] 저널 Ultrasonic Spectroscopy: Applications in Condensed Matter Physics and Materials Science https://www.cambridg[...] Cambridge University Press 2017-06-09

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