물리학및실험 | 음파 측정

TIP

 

 

소리센서를 이용하여 소리굽쇠, 악기, 사람 목소리의 파형을 관찰하여, 서로 비교하여 보자.

 

 

 

음파는 탄성체에서 전파되는 파동으로서, 탄성체를 이루고 있는 질점들이 압축되었다가 팽창되었다가 하면서 전파된다. 기체, 액체, 고체 등에서 구성원자들은 서로 탄성을 가지고 있으므로 원칙적으로 음파가 존재할 수 있지만, 보통의 경우 소리라 하여 공기 중에서 우리의 귀로 들을 수 있는 정도의 주파수를 가진 것을 말한다. 사람의 귀는 제한된 진동수의 음파에 반응한다. 사람이 들을 수 있는 진동수 즉, 가청 진동수는 20Hz에서 20kHz 이다.

 

음파를 파형, 진폭 주파수에 따라서 순음과 복합 음으로 분류하는데, 순음이란 그림과 같이 파형이 순수한 정현파이고, 그 진폭과 주파수가 매우 일정한 상태를 유지하는 음을 말한다. 본 실험에서 소리굽쇠를 두들겼을 때 이 파형을 볼 수 있다. 순음은 FFT로 분해했을 때, 단 하나의 기본 주파수만을 가진다.

 

 

이에 비해서 일반적인 음의 파형은 매우 복잡하게 이루어진 복합 음이다. 복합 음은 여러 주파수의 조화파가 섞여 있는데 그 중 기본 주파수가 되는 음이라고 하고, 그 정수배가 주파수를 가진 음을 고조파 또는 배음이라 한다. 복합 음을 FFT로 분해하여 주파수에 대한 음의 진폭으로 나타내면 배음이 많고 적음, 크기에 따라 동일한 기본 주파수로 연주해도 결코 같은 음색으로 들리지 않는 것이 이러한 배음구조의 차이 때문이다.

 

음의 주파수가 높아졌을 때 우리는 높은 음으로 듣게 된다. 피아노의 중앙건반을 두드렸을 때 나는 C음은 그 주파수가 261.63Hz이다. 한편 진동수가 두 배로 되면 한 옥타브 높은음이 되어 다음의 C음은 523.26Hz, 그 다음은 1046.52Hz가 된다. 대부분의 음악은 ‘7음계’를 사용하는데, 이는 13음과 12음정을 갖고 있다. 이 음계에서는 12계단의 등비 배분하므로 한 계단, 즉 반음씩 올라갈 때 마다 주파수가 21/12=1.0595배씩 증가한다. 도 미 솔 화음이 듣기 좋게 들리는 이유는 그 주파수의 비가 1:1.2599로서 정수비4:5:6에 가깝기 때문이다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) Science Workshop interface를 컴퓨터에 연결하고 interface와 컴퓨터를 켜라.

2) 소리 센서의 DIN plug를 Analog Channel A에 연결하라.

3) 바탕화면에서 sound.ds파일을 열어라. Scope display와 FFT display가 함께 열린다.

4) Experiment Setup창에서 Sample Rate가 10000Hz, Med(10X)임을 확인한다.

 

 

2. 실험 종류

1) 소리굽쇠

① 소리굽쇠를 고무막대로 가볍게 두들긴 후 소리센서 앞에 가까이 두고 Start버튼을 눌러 데이터를 측정한다.

② FFT와 Scope창에서 그래프를 관찰하고 정당할 때에 Stop버튼을 눌러 측정을 멈 추어라.

③ FFT창에서 Smart Tool을 이용하여 기본주파수 값(X축 값)을 읽어 데이터 표에 기록한다.

 

 

④ Scope창에 기록된 파형을 그린다.

⑤ 2개의 다른 주파수의 소리굽쇠로 ①～④을 반복하여 데이터 값을 얻는다.

 

2) 리코더 불기

① Start버튼을 누른다.

② 리코더로 ‘도’를 연주하면서 데이터를 측정한다.(이때 소리센서 가까이에서 리코더 를 불어라.)

③ FFT와 Scope창에서 그래프를 관찰하고 정당할 때에 Stop버튼을 눌러 측정을 멈 추어라.

④ FFT창에서 Smart Tool을 이용하여 기본주파수와 배음 주파수 값을 읽어 데이터 표에 기록한다.

⑤ Scope창에 기록된 파형을 그린다.

⑥ ‘레’ ‘미’ ‘파’ ‘솔’ ‘라’ ‘시’ ‘높은 도’까지 연주하면서 실험 과정을 반복하여 데이터 값을 얻는다.

 

3) 음성

① 이번에는 목소리를 측정한다. 같은 높이로 ‘아’ ‘에’ ‘이’ ‘오’ ‘우’소리를 내면서 실험 과정을 반복하여 데이터 값을 얻는다.

② 과정에서 Smart Tool을 사용하여 데이터 값을 적을 때, 상대진폭(Y축) 값도 같이 읽어서 적는다.

 

 

 

[물리학및실험]음파 측정 레포트