글쓴이 : SOONDORI
“전자적 방법으로 사운드 특질을 달리하는 것 말고, 물리적 수단으로도 다양한 변화를 줄 수 있다.” 누가 그렇게 이야기하면, 그냥 끄떡끄떡. 대충 그럴 법하니까.
○ 다음은 구조물에 의한 High Pass, Low Pass, Band Pass 필터 효과를 담보하는 방법. (원문 : Acoustic High-Pass Low-Pass and Band-Stop Filters)
1) Low Pass Filter
음향 저역 통과 필터는 덕트에 팽창 챔버를 삽입하여 제작할 수 있습니다. 팽창 챔버는 머플러의 간단한 모델 역할을 하며, 건축 음향학에도 응용됩니다(건물 HVAC 시스템의 플레넘 챔버가 팽창 챔버입니다). 두 접합부에서 발생하는 모든 입사파와 반사파를 추적하여 음향 전력 전달 계수를 다음과 같이 도출할 수 있습니다.
그림 3(a)는 이 실험에서 사용할 것과 유사한 크기의 팽창 챔버에 대한 이 계수를 보여줍니다. 모든 입사 전력이 필터를 통과하는 주파수가 있고, 최소한의 전력만 통과하는 주파수도 있습니다. 완전한 전달을 위한 주파수는 머플러 챔버 내에 정상파가 형성되는 것과 일치합니다.
저주파 한계(kl << 1)에서 팽창 챔버는 음향 컴플라이언스 C의 측분기로 취급될 수 있습니다. C= V/ p c² 여기서 체적 V = S² L²입니다. 이 저주파 한계에서, 식 (5)의 음향 전력 전달 계수의 측분기 근사는 다음과 같습니다.
이러한 저주파 근사화는 그림 3(b)에 나타나 있습니다. 팽창 챔버는 저주파는 통과시키고 고주파는 차단하는 것처럼 보입니다. 따라서 이를 “저역 통과” 필터라고 합니다.
2) High Pass Filter
음향 고역 통과 필터는 덕트에 “T” 접합부 또는 짧은 측지관을 삽입하는 것만으로 간단히 구성할 수 있습니다. 측지관의 반경과 길이가 덕트 내 평면파의 파장보다 작으면 측지관 개구부의 음향 임피던스는 다음과 같습니다.
첫 번째 항은 측지관 개구부에서 발생하는 소리의 방사를 나타내고, 두 번째 항은 측지관 개구부에서 유체의 질량 부하를 나타냅니다. 저주파의 경우, 음향 전력 전달 계수(필터를 통과하는 소리 에너지의 양을 나타냄)는 다음과 같이 유도할 수 있습니다.
이 실험에서 접할 수 있는 측지관의 투과 전력은 그림 2에 나와 있습니다. 이 음향 필터는 저주파는 차단하고 고주파는 통과시키므로 “고역 통과” 필터라고 합니다. 저주파 에너지는 측지관에서 방사되는 것이 아니라 음원으로 반사된다는 점을 아는 것이 중요합니다.
3) Band Stop Filter
위 그림과 같이 공동이 측면 가지에 부착되어 있으면 측면 가지는 질량(관성)과 컴플라이언스를 모두 갖습니다. 이러한 음향 시스템을 헬름홀츠 공명기라고 합니다. 이는 단순한 질량-스프링 시스템(사탕병에 바람을 불어 소리를 내본 적이 있나요?)과 매우 유사하게 거동합니다. 이 공명기는 반지름 a와 면적 Sb를 갖는 목, 유효 목 길이 Leff = L + 1.7a, 그리고 공동 부피 V를 갖습니다. 이 공동은 주파수,
그리고 공진 과정에서 이 주파수의 에너지를 흡수합니다. 음향 주기의 한 부분 동안 공진기에 흡수된 모든 에너지는 주기 후반에 파이프로 반환됩니다. 위상 관계는 모든 흡수기 에너지가 소스로 다시 반환되도록 합니다. 즉, 덕트로 보내지지 않습니다. 시스템에서 에너지가 제거되지 않고 반환되기 때문에 분기 임피던스 Rb의 실수부는 0입니다. 임피던스의 허수부는 공진기의 컴플라이언스와 관성으로 표현할 수 있습니다. Xb = p(w L_eff / Sb – c^2 / wV), 따라서 음향 전력 전달 계수는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
w = w0일 때 전송 전력은 0입니다.
식 (7)에서, 이는 공진기의 공진 주파수이며, 모든 에너지는 음원 쪽으로 반사됩니다. 172Hz로 조율된 헬름홀츠 공진기의 이 전달 전력은 그림 4에 나와 있습니다. 이 필터는 공진 주파수 주변의 대역 내 소리는 차단하고 다른 모든 주파수는 통과시킵니다. 따라서 이 필터를 “대역 차단” 필터라고 합니다. 필터의 대역폭은 공진기 내부에 다공성 흡수 재료(강모)를 추가하여 증가시킬 수 있습니다.
○ 다음은 조금 더 복잡한 것을 다루는 어떤 연구 논문의 일부.
“… (a) HR 어레이를 활용한 가변 음향 노치 필터의 개념도. (b) 가압된 공기에 의해 막이 변형되어 발생하는 HR 챔버 크기 변화. HR의 공진 주파수는 양압과 음압이 각각 가해질 때 상하로 변한다. (c) 공기압이 튜브를 통해 마이크로채널에 가해지는 제안된 장치의 개략도. (d) 공동과 마이크로채널 층의 확대도. (e) 마이크로채널 층의 전체 모습…” (출처 : https://www.researchgate.net/figure/a-Concept-sketch-of-a-tunable-acoustic-notch-filter-utilizing-the-HR-array-b-The-HR_fig1_365219111)
복잡 다단한 마이크로 형상이 음을 달리하여, 사람 목소리, 모터 돌아가는 소리, 강아지 짖는 소리 등을 여하히 만지작거릴 수 있다고.
참으로 멋진 세상이다.
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