헬름홀츠 공명기 정의 (Helmholtz resonator Definition)
헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)는 공기 질량의 공진 주파수와 구조물의 공진 주파수가 일치할 때, 구조물 내부의 공기 진동이 증폭되는 현상을 이용한 소리 차단 장치입니다. 헬름홀츠 공명기는 일반적으로 구멍이 뚫려있는 상자 모양의 장치로, 상자 내부의 공기 질량과 상자의 크기, 구멍의 크기와 위치 등의 요소가 공진 주파수를 결정하게 됩니다.
헬름홀츠 공명기는 주로 저주파수 범위에서 효과적이며, 스튜디오, 콘서트 홀, 영화관 등에서 사용되며, 일부 차량 내부 소음 차단 장치에도 적용되고 있습니다.
헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)
로마 시대의 유적지에서도 발견된다는 헬름홀쯔(Helmhoitz: 1821 - 1894 독일의 물리학자) 공명기는 주변에서 방음 재료로 활용되는 위 그림과 같은 유공흡음판의 원리가 된다. 로마 사람들은 목이 이는 항아리에 재료를 넣어서 불필요한 저역대의 울림을 제거했다. BC 79년 로마의 건축가인 비트루비루스의 건축물에서 사용된 것이 현재 가장 오래된 공명기라고 합니다.
음료수병 입구에 입을 대면 병의 크기와 깊이에 따라 다른 소리가 납니다. 공기의 이동이 병 입구에서 발생하면서 병 속의 공기에 영향을 주어 공명이 생겨 특정한 주파수의 소리로 만들어지는데, 이 공명된 소리는 유일한 출구인 입구 쪽으로 용수철효과를 일으키며 병의 바깥쪽으로 나가게 됩니다. 오카라나 또는 항아리 드럼 같은 경우 이 공명 주파수의 증폭 효과를 이용한 것입니다. 흡음에는 이 증폭 효과가 아닌 소멸 효과를 일으켜야 하는데, 여기에는 약간의 과학 지식이 필요합니다. 사실 알고 보면 별것이 아닌데, 공명통이 되는 병 안에 흡음재가 되는 천이나 유리솜 같은 재료를 넣어 놓고 위와 똑같은 작용으로 공명된 소리를 만들면, 발생되는 소리가 병 안의 흡음재를 통해 열에너지로 바뀌게 되는 현상이 일어납니다.
위 그림은 유공흡음판의 측면도입니다. 합판이나 석고보드에 일정한 길이를 두고 1mm 정도의 구멍을 뚫어 놓고 뒤에 흡임재(유리솜과 같은 것)를 놓은 다음, 벽과의 사이에 공기층을 두고 설치됩니다. 이를 통해, 어떤 주파수가 흡음되는지 다음 공식을 통해 알 수 있습니다.
예를 들어, 직경이 5mm, 간격이 100mm, 벽체 간격이 200mm, 깊이가 25mm 라면 소멸되는 주파수는 155Hz가 됩니다. (54.140은 초당 소리의 속도인 340을 mm로 바꾼 340,000mm 나누기[2 x 원주율]의 값입니다. 이것 역시 공식에 따라 정의된 값입니다. 어떤 공간에 온도가 다르면 소리의 속도도 다르니 참고해주세요.)
흡음재가 어떤 것인지 궁금했던 분들에게 도움이 되었으면 좋겠습니다. 참고로, 유공 흡음판과 뒷 벽 사이의 공기층이 중요하며, 시공 후 페인팅 과정에서 구멍이 막혀 효과가 나타나지 않는 경우가 있으니 유의해주세요.
요약
헬름홀쯔 공명기 (Helmholtz resonator)
- 정의: 어떤 주파수 대역을 선택적으로 흡수할 수 있는 기구
- 구성 요소: 넥(Neck), 몸통(Body), 구멍(Hole)
- 동작 원리: 몸통과 넥의 공조 진동을 이용하여 특정 주파수의 에너지를 흡수하거나 방출
- 활용 예시: 차량 머플러, 음향기기, 연주기 등
참고서적 : 장호준 음향시스템핸드북
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