공진(resonance)은 어떤 시스템이 특정한 주파수의 외력을 받을 때, 시스템 내부의 진동이 크게 증폭되는 현상을 말합니다. 이는 시스템의 고유진동수와 주파수가 일치할 때 일어나며, 시스템의 진동이 크게 증폭되기 때문에 음향적으로 매우 큰 영향을 미칩니다.
음향학에서 공진은 예를 들어, 악기의 공명(resonance)이나 건물의 공명 등의 현상을 설명하는 데 사용됩니다. 악기의 경우에는 고유진동수와 악기 내부의 공기 질량, 악기의 형태 등에 따라 특정한 주파수에서 공진이 일어나며, 이를 바탕으로 악기의 음색이 결정됩니다.
건물의 경우에는 건물의 크기, 형태, 재료 등이 고유진동수를 결정하며, 특정한 주파수에서 건물 내부의 공기나 구조물의 진동이 증폭되어 큰 소리를 발생시키는 경우가 있습니다. 이러한 공진은 건물의 안정성 문제를 일으킬 수 있기 때문에, 공사나 설계 시에는 반드시 고려되어야 하는 중요한 요소 중 하나입니다.
공진 (Resonance) : 레저넌스
위 그림과 같이 두 벽 사이에서 발생되는 소리가 있을 때, 특정한 주파수 대역은 계속해서 반대편 벽으로 반사되어 에너지가 소멸될 때까지 반사되게 됩니다. 이 특정한 주파수 대역은 두 벽 사이의 거리에 따라 결정됩니다. 이전에 이야기한 대로 소리는 1초에 340m를 이동하며, 1Hz의 주기를 가지므로, * 20Hz의 경우 17m의 주기를 가지게 됩니다. 따라서 17m 간격으로 마주보는 벽면은 10Hz, 20Hz, 40Hz, 80Hz 등 다양한 주파수의 공진을 나타내게 됩니다
계속 해서 정재파,룸모드 와함께 공진에대해서 알아보도록 하겠습니다.
* 20Hz의 주기는 1초에 20번 진동하는 것을 의미합니다. 이때, 소리의 속도가 1초에 340m 이동한다는 것을 고려하면, 20Hz의 주파수는 1초에 20번 진동하므로, 한 번의 진동이 일어날 때 소리는 340m/20 = 17m 만큼 이동하게 됩니다. 따라서, 20Hz의 경우 17m의 주기를 가지게 됩니다. 이를 요약하자면, 20Hz의 주기는 소리가 한 번 진동할 때 이동하는 거리를 의미합니다.
*다만, 온도나 습도 등에 따라 소리의 속도가 약간 다를 수 있습니다.
정재파(Standing Wave) : 스탠딩 웨이브
정재파(Standing Wave)란, 두 개 이상의 파동이 서로 상쇄하여 중심축을 기준으로 고정된 국지적인 진폭을 갖는 파동으로, 고정된 노드와 진동하는 안티노드를 갖습니다. 이는 한쪽에서 파동이 반사되어 돌아와 다른 파동과 겹쳐졌을 때, 서로 상쇄하여 고정된 진폭을 갖는 현상입니다. 소리의 경우, 정재파는 공간에서 발생하며, 일정한 주파수에서 일어납니다. 이러한 정재파 현상은 공간에서 공진 현상을 일으켜, 원음보다 큰 음량의 소리를 만들어 냅니다.
이 공진을 일으키는 파형을 정재파(Standing Wave) 라고 합니다. 만일 이 정재파와 같은 주파수의 소리가 발생하게 되면 그 공간에서의 해당 대역의 소리는 원음보다 큰 음량의 소리가 되게 됩니다. 발생한 소리의 주파수 절반 파장부터 공진이 시작된다는데 주의하셔야 해요. 구체적으로 위 그림에서 17m의 거리를 갖는 두 벽에서의 공진은 20Hz부터 시작되지 않습니다. (그림내 공식의 F는 주파수, D는 거리)
음향이론7.소리의 성질 (nature of sound) 굴절/회절/반사/흡음률/확산 (chikichikipark.com)
방향성을 지닌 소리의 경우, 입사각과 반사각을 고려하면서 공진이 없을 것이라고 생각할 수도 있지만, 소리의 지향성은 의외로 특정한 방향성만을 가지기 어려워서 (회절에 대한 공부한 것은 위의링크참조 ) 공진이 존재합니다.
공진은 이미 짐작하고 있는 바와 같이 주로 저음에서만 발생합니다. 이는 파장의 길이와 관련되어 있기 때문입니다다. 또한, 마주보는 두 벽뿐만 아니라 마주 보는 천장과 바닥에서도 발생합니다.
룸모드 (Room Mode)
amroc - THE Room Mode Calculator (amcoustics.com)
amroc - THE Room Mode Calculator
The bolt area was a nice way to find room ratios when computers were not widely available. Richard Henry Bolt created this diagram to indicate an accumulation of good room ratios. Instead of calculating each mode (by hand) to see the mode distribution, one
amcoustics.com
룸모드(Room Mode)란, 방 안에서 발생하는 공명 현상 중 하나로, 방의 크기와 형태에 따라 발생하는 일정한 주파수 대역에서 발생하는 공명 현상을 말합니다. 일반적으로 방의 면이나 모서리에서 반사된 파동이 서로 상쇄되어 고정된 진폭을 갖는 파동이 생기게 되는데, 이 파동이 일정한 주파수 대역에서 발생하면, 룸모드가 발생하게 됩니다. 이 공명 현상은 하나의 주파수 대역에서 큰 진폭을 갖는 소리를 만들어 내며, 방 안에서 소리의 품질과 양을 왜곡시키는 원인 중 하나입니다. 따라서, 룸모드를 줄이기 위해서는 방의 크기와 형태, 재질 등을 고려하여 적절한 음향 처리가 필요합니다.
이 공진의 부분은 3차원적인 입체 공간에서 더 부각되어 발생하는 것을 룸모드 (Room Mode)라 부릅니다. 위에 글에서 다룬 두 벽 사이에서 발생하는 공진이 하나 이상의 벽을 통해 반사되면 해당 공간에서 증폭 또는 감소할 주파수 대역이 발생합니다.앞서 설명된 간단한공진 주파수 공진과는 다르게 복잡한 공식이 사용되어 설명되고 있습니다. 공학적인 접근을 위한 글이 아니기 때문에, 해당 공간 내의 룸 모드를 계산하기 위해 위 링크 사이트를 방문해보세요
먼저, 위와 같은 육면체 공간을 생각해 보세요. 여기에는 축(Axial), 측선(Tangential), 사선(Oblique) 모드가 존재합니다. 축 모드는 육면체의 마주 보는 두 벽에서만 발생하는 공진 현상이며, 위 글에서 이야기한 두 벽은 위/아래, 그리고 앞/뒤 벽입니다. 측선 모드는 축 모드가 2개 이상인 경우 발생하며, 그림에서 화살표로 표시된 것과 같이 4면을 통해 더해진 길이의 두 배에 해당하는 공진 현상이 발생합니다. 마지막으로 사선 모드는 아래 그림과 같이 사선으로 전달되는 소리가 전체 6면을 거쳐 전달될 때 발생하는 공진 현상을 말합니다. 여기서 O으로 표시된 부분은 벽에 반사되는 부분입니다.
Room Modes
Room Modes Your basic rectangular room is going to encourage certain frequencies with wavelengths that are related to the dimensions of the room. There are two mechanisms at work here. In rooms with highly reflective walls, the sound pressure wave along ce
artsites.ucsc.edu
만약 더 복잡한 공식과 이론을 공부하고 싶다면, 위에 있는 링크를 참조해보세요. 여기서는 룸 모드가 왜 필수적으로 발생하게 되는지, 발생할 경우 어느 주파수 대역에서 발생하는지 (위 링크에서 해당 크기를 입력하면 답이 나옵니다), 그리고 발생했을 때 어떻게 해결하면 되는지에 대해서만 이해하시면 됩니다. 룸 모드를 피하기 위한 가장 쉬운 방법은 공간에서 앞서 말한 세 가지 모드의 발생 요건을 없애는 것입니다. 또한, 이미 정해진 공간에서 룸 모드에 의한 공진을 제거하는 방법 역시, 필요할 경우 계산을 통해 발생할 공진 주파수를 예측하여 내부 구조를 변경하는 것이 완전한 해결책입니다.
용어 정의
| 정재파 | 서로 상쇄하여 중심축을 기준으로 고정된 국지적인 진폭을 갖는 파동으로, 공간에서 공진 현상을 일으키며 주로 저음에서 발생함. 마주 보는 두 벽뿐만 아니라 마주 보는 천장과 바닥에서도 발생할 수 있음. |
| 공진 | 주파수가 일치하여 파동이 서로 강화되는 현상으로, 공간에서 발생하는 경우 공간 내부의 특정 주파수 대역에서 큰 진폭을 갖는 소리를 만들어냄. |
| 룸모드 (Room Mode) | 방의 크기와 형태에 따라 발생하는 일정한 주파수 대역에서 발생하는 공명 현상으로, 방의 면이나 모서리에서 반사된 파동이 서로 상쇄되어 고정된 진폭을 갖는 파동이 생기게 됨. 축, 측선, 사선 모드가 존재하며 발생할 경우 해당 주파수 대역에서 증폭 또는 감소할 소리가 발생함. 방의 크기와 형태, 재질 등을 고려하여 적절한 음향 처리가 필요함. |
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참고서적: 장호준 음향시스템 핸드북
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