일반물리학실험 | 관의 공명에 의한 음속 측정

 

 

 

TIP

 

 

관 내부에서 일정한 주파수의 음파가 전파될 때 관의 길이의 변화에 따른 음파의 공명현상을 이해하고 그 때의 정상파의 파장을 측정하여 공기 중의 음속을 구한다.

 

 

 

음파란 물체의 진동이 균일하던 매질(공기)에 부분적으로 압력 변화를 일으켜서 종파의 형태로 고막을 진동시키는 것이다. 그리고 음파는 진동 방향과 이동 방향이 같은 방향인 종파이다. 또한 매질속에서 밀함과 소함을 반복하면서 진행한다.

 

정상파란 진폭과 진동수가 같은 두 파가 서로 반대 방향으로 진행하다가 겹쳤을 때 어느 방향으로도 진행하지 않고 제자리에서 진동만 하는 파이다. 정상파가 전혀 진동하지 않는 점을 마디, 최대 진폭으로 진동하는 점을 배라고 한다. 정상파에서 이웃한 마디 또는 배 사이의 거리는 파장의 1/2이 된다. 열린 관에서의 끝 부분은 배가 되어야 한다. 그리고 막힌 관에서의 끝 부분은 더 이상 이동할 곳이 없으므로 마디가 되어야 한다.

 

 

관속에서 음파는 양쪽 끝을 오가며 반사를 여러 번 일으킨다. 이렇게 여러 번 반사되는 동안 서로 중첩되어 일반적으로는 작은 진폭을 보일 것이다. 하지만 모든 반사가 같은 위상을 가지고 있을 때 최대 진폭을 갖게 된다. 이때의 주파수를 공명 주파수라고 한다. 여기서 공명 주파수란 공명을 일으키는 진동계의 파장이다.

 

물질의 상태	종류	속력(m/s)
기체	공기(0 , 1기압)	331
	공기(20 , 1기압)	343
	공기(40 , 1기압)	355
	헬륨	965
	수소	1284
액체	물(0 )	1402
	물(20 )	1482
	바닷물(20 3.5%염도)	1522

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 공명관에 주변 기기를 장치한다.

 

2) 증폭기의 볼륨을 적당하게 조절하여 신호발생기에서 나오는 음을 귀로 잘 들을 수 있게 한다.

 

 

3) 신호발생기의 주파수를 귀로 들을 수 있는 최저값에서부터 점점 올리면서 관속에서 되울리는 소리를 주의 깊게 듣는다.

 

4) 공명이 일어나서 소리가 크게 울리는 지점에서 신호발생기의 주파수를 고정하고 주파수를 기록해 둔다.

 

5) 관 속으로 들어가 있는 마이크에서 측정되는 음압의 크기를 잘 관측할 수 있도록 S-CA의 스코프 보기를 통하여 영역을 잘 조정한 상태에서, 마이크의 위치를 관 속에서 이동시켜 관속의 각 지점에 분포된 음압을 관찰한다.

 

6) 음관의 위치에 따른 음압이 최대가 되는 첫 번째 위치 을 기록하고 마이크를 이동하여 음압이 최대가 되는 두 번째 위치 를 기록한다. 이를 여러 번 반복하여 정확한 위치를 찾는다.

 

7) 신호발생기의 주파수를 더 올려서 또 다른 공명 상태를 찾아서 ①~⑥의 과정을 되풀이한다.

 

8) 양쪽이 열린 관등 다른 경계조건을 갖는 경우에 대하여 ①~⑦의 과정을 반복한다(양쪽이 다 막힌 경우에는 한 쪽의 막힌 부분 안쪽에 소형의 마이크를 넣는다).

 

 

 

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