토요일, 5월 30, 2020
Home > EXPLORE > Standing Wave 그리고 음파 공중부양

Standing Wave 그리고 음파 공중부양

글쓴이 : SOONDORI

파동(음파, 빛)은 무조건 어떤 방향으로든 진행을 하는데 간혹 그렇지 않은 것처럼 보일 때가 있다. 그런 상태의 파동을 정재파(Standing Wave)라고 한다.

예를 들어 하나의 파동(입사파)과 또 다른 그러나 방향은 반대인 파동(반사파)이 서로 만나되 상쇄되어 사라지거나 중첩되며 커지지 않는 경우.

조금만 더. 아래와 같이 양 끝 절단된 원형 관이 하나 있다고 하고 한쪽에서 손으로 파동(=압력)을 만들고 잠시 후 눈치껏 반대편에서 파동을 만들고… 그것을 매우 빠르게 반복하면 안에 있는 공기는 이러지도 저러지도 못하는 상태가 될 것인데…

‘이러지도 저러지도 못하고’는 곧 정재파 현상 즉, 스탠딩 웨이브. ‘눈치껏’은 파동 상쇄나 파동 중첩에 의한 세기의 증가가 생기지 않는 절대 균형점이다.

아무튼… 정재파라는 단어는 안테나, 스피커와 같이 파동을 다루는 오디오 장치들에서 흔히 언급되고 반사계수(Reflection Coefficients), 반사손실(Reflection Loss/Return Loss), 전압 정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio) 등 다양한 용어들이 뒤따른다.

여기서, Γ는 반사계수. Γ = 반사파 전압(또는 전류) ÷입사파 전압(또는 전류)

참고로 정재파 제로 상태의 진행파는 실어보낸 에너지가 거침없이 어디론가 그대로 쭉 달려 나가는 경우.

* 관련 글 : MONOPOLE 안테나 만들기 #1, 기초학습

파동, 압력, 음파, 전자들의 이동, 공기 분자들의 이동, 성긴 공간과 밀도 높은 공간의 교차… 스피커 시스템을 상상하고 엔클로저 공간 내 음파를 공기 분자들의 이동이나 국부적인 공기압력의 변화로 치환하여 생각하면 이해가 쉽다.

그리고… 그런 상상을 자극하는 재미난 실험이 하나 있다.

수십 Khz 초음파 발진기를 아래쪽에, 위쪽에 단순한 반사기를 배치한 다음, 음파 균형점에 도달했을 때 허공에 작은 물체를 놓으면 물체는 그곳에 가만히 있다. 표제부 사진에서처럼 가벼운 개미가 공중에 떠 있는 현상, 그것은 위 원형관을 90도 수직방향으로 바꿔 생각한 결과로서 음파 공중부양(Sound/Ultrasonic/Acoustic Levitation)이라고 한다.

(출처 : https://www.researchgate.net/figure/Distribution-of-sound-pressure-air-particless-velocity-and-levitation-force-in-a_fig1_225697264)

이 공중부양 현상을 가지고 안테나와 스피커를 바라보면 극단의 상상을 해볼 수도 있겠다.

○ 공중부양이 실현되고 있을 때 = 정재파비가 무한대일 때 = 반사계수 1일 때

앰프 볼륨을 최대치로 해도 (원형관 안쪽을 가정) 스피커에서 소리가 나오지 않는다. 스피커를 90도 눕혀도 마찬가지. 안테나는 전파를 방사할 수 없다. 쌍대성 즉, 보내고 받는 것이 똑같다는 안테나의 속성을 생각할 때 튜너가 전파를 받아들일 수도 없다.

○ 공중부양이 100프로 불가한 상태일 때 = 정재파비가 1일 때 = 반사계수 0일 때

스피커 엔클로저 안의 음 즉, 스피커 유닛의 뒷면 음파는 무한의 세계로 달려 나간다. 어디인지는 알 바 없고… 흠음재? 그런 것 생각할 이유도 없음. 안테나는 100% 에너지를 공중에 방사한다. 그 반대의 상황인 수신 모드에서 전파는 거침없이 튜너로 전달된다.

물론 현실에서는 0과 100, ‘무한’이라는 게 없으니까… 많은 이들이 엔클로저 구조를 궁리하고 흡음재 넣고 빼고 더 좋은 안테나를 만드는 소재나 형상을 연구하고 그러는 것. (표제부 사진 출처 : https://www.thisiswhyimbroke.com/ultrasonic-levitation-machine/)


 

댓글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다