Engineering/물리학

물리학실험 | Resonance Tube

곰뚱 2022. 9. 17.

 

 

 

TIP
 
 

본 실험은 공명관과 오실로스코프를 이용하여 소리의 파형을 알아보고 폐관과 개관의 공진주파수와 정상파의 파형을 알아보고 궁극적으로 소리의 속도를 구해보는 실험이다.

 

 

 

음파(Sound wave)

매질을 통해 에너지가 전달될 때 매질의 움직임이 에너지의 이동방향과 수직인 경우(횡파, transverse wave)평행인 경우(longitudinal wave) 두 가지가 나타난다. 음파는 의 형태를 띤 파동이다.

 

주변에서 소리를 내는 스피커를 관찰하여 음파를 분석해볼 수 있다, 스피커가 소리를 낼 때 내부의 진동판이 진동을 한다. 진동판이 앞으로 움직이면 그 영역 공기의 밀도가 높아지고(기체분자 충돌이 세지고) 뒤로 움직이면 진동판이 있던 영역 공기 밀도가 낮아진다(기체분자 충돌이 약해든다). 소리는 이 공기 밀도의 반복적인 변화로 발생한다. 공기 밀도가 높은 부분을 밀하다고 하고 낮은 부분을 소하다고 하며 이러한 형태의 파동(종파)을 소밀파라고도 한다.

 

즉 음파는 공기 밀도가 높은 부분()과 낮은 부분()이 반복적으로 생기고 퍼져나가면서 에너지를 전달하는 파동이다. 공기 밀도의 변화는 그 영역에서 압력의 변화로도 볼 수 있어 음파는 공기 압력의 변화로 에너지가 전달되는 파동이라고도 할 수 있다. 보통 진동수는 202Hz, 파장은 0.01717m, 공기 중 속력은 340m/s2이다. 또한 일상에서 귀를 막거나 물속에서 약간의 소리가 들리는 걸 경험할 수 있는데 이는 음파의 매질이 꼭 공기일 필요가 없기 때문이다. 매질이 종파의 형태로 진동하고 파동의 진동수와 파장이 위의 조건을 만족한다면 고체, 액체매질에서도 소리는 전달된다. 매질인 분자들이 진동하는 정도에 따라 파동의 전달이 달라지므로 매질에 따른 파동(음파)의 속력은 기체>액체>고체 순이다.

 
 

공명주파수와 정상파

음파가 관을 통해서 전달되는 경우 관의 다른 쪽 끝에서 다시 반사되어 반대방향으로 다시 돌아가게 되어, 관내부에서는 원래의 전파되어 가는 음파와 반사파들이 서로 간섭을 일으키게 된다. 특히 관의 길이(L)와 음파의 파장(λ)이 적당한 조건 아래에서는 관내부의 모든 음파들이 동일한 위상을 가지고 투과하는 경우가 생기게 된다. 이러한 경우를 정상파(standing wave)가 형성되었다고 말하는데, 이때의 음파의 진동수를 공명주파수(resonance wave)라고 하며, 이는 관의 기하학적인 요소에 의해 결정된다. 이 실험에서는, 공명관내에서 정상파를 만든 뒤, microphone을 이용하여 정상파의 특성을 관찰한다.

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실험 방법

실험 1 : 관의 공명진동수

1) 공명관과 오실로스코프, function generator를 설치한다.(Fig2)

 

2) functional generator에 연결된 스피커에서 적당한 소리가 나오게 한다.

 

3) 적당한 위치에 마이크를 위치시키고 진동수를 증가시키면서 오실로스코프 화면을 관찰한다.

 

4) 오실로스코프에 나타난 마이크 신호가 최대가 될 때의 진동수를 기록한다.

 

5) 마이크 신호가 최대가 되는 진동수를 5개 찾는다. (공진주파수)

 

6) 위의 과정을 폐관과 개관에서 한 번씩 실험한다.

 

 

실험 2 : 관속에서의 정상파

1) 실험 1 번과 마찬가지로 장치들을 (Fig2)처럼 설치한다.

 

2) 앞서 구한 공진주파수중 하나에 주파수를 맞춘다.

 

3) 마이크에 위치를 움직여가면서 오실로스코프에 나온 Amplitude을 보며 nodeantinode간의 간격을 측정한다.

 

4) 위 과정을 개관, 폐관의 각 공진주파수에 대해 반복한다.

 

실험 3 : 관의 길이와 공명모드

1) 실험 1번과 마찬가지로 장치들을 (Fig2)처럼 설치한다.

 

2) 관의 길이를 피스톤을 이용하여 바꾸어가면서, 공진주파수를 찾는다.

 

3) 공진주파수인 상태에서 마이크를 이동해 가면서 오실로스코프에 node가 나타나고 다음 node가 나타날 때까지의 거리를 측정한다.

 
 
 
 

[일반물리학실험]Resonance Tube

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[물리학실험]Resonance Tube 레포트

1. 실험 목적 가. 본 실험은 공명관과 오실로스코프를 이용하여 소리의 파형을 알아보고 폐관과 개관의 공진주파수와 정상파의 파형을 알아보고 궁극적으로 소리의 속도를 구해보는 실험이다.

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