Ch. 17 음파 (Sound Wave)

Ch. 17 음파(Sound Wave) • 음파는 종파 • 매질을 통과 할 때 속력은 매질의 특성에 의존 공기들이 파동의 운동방향에 따라 밀도와 압력의 변화를 일으키며 진동 사인형 파동; 압력의 변화 • 주파수 범위에 따른 분류 • 가청주파수(audible waves); 20Hz ~ 20,000Hz • 극저음파(infrasonic wave); 예) 지진파 • 초음파(ultrasonic wave);

종파의 생성과 진행;피스톤이 기체를 압축하여 오른쪽으로 이동 매질 안에서 음파의 속력 17.1 음파의 속력(Speed of Sound Waves)

Ex) echolocation(반향위치결정) • Echolocation waves emitted by whales have frequencies of about 200,000Hz (a) What is the wavelength of the whale’s echolocation wave? (b) If a obstacle is 100m from the whale, how long after the whale emits a wave as its reflection detected? Sol) The speed of longitudinal (sound) wave in sea water

공기를 통해 진행하는 소리의 음파와 매질의 온도 의존성 331m/s; 0도의 공기 중의 음속

17.2 주기적인 음파(Periodic sound wave) • 압축성 기체로 채워진 관; 피스톤의 압축(밀)과 팽창(소)의 반복

미소 부피요소의 변위 변위진폭(displacement amplituce) • 기체 압력의 변화량 압력진폭(Pressure amplitude) 압력파와 변위파의 위상차 90도

종파를 주기 T 의 1/8 간격으로 나타내었다 단순 조화 운동하는 피스톤 한 파장 l만큼 떨어져 있는 매질 속의 두 입자 • 스피커에 의한 펄스는 공기와 같은 매질에 밀과 소를 형성한다. 펄스가 형성되기 시작하면 사인형태의 패턴이 만들어진다 교란되지 않은 유체 원통: 단면적 S, 길이 Dx, 부피 SDx 음파에 의해 원통의 왼쪽 끝이 y1 만큼 이동하고 ... … 오른쪽 끝이 y2 만큼 이동한다 교란된 유체 원통의 부피는 S(y2-y1) 이다 입자는진폭 A 로 진동 주기 T 동안 파동은 파장 l 만큼 이동

음파를 나타내는 여러 가지 방법 파장 l t = 0 일 때 위치 x에대한 변위 y 의 그래프 압력진폭 y < 0인 곳에서, 입자들은 왼쪽으로 이동한다 y > 0인 곳에서, 입자들은 오른쪽으로 이동한다 이동하지 않은입자 A: 변위진폭 B: 부피탄성률 t = 0 일 때 유체 내 입자들의 변위를 보여주는 그림 소: 입자들이 서로 멀어져서 압력이 가장 낮다 이동한입자 밀: 입자들이 모여서 압력이 가장 높다 t = 0 일 때 위치 x 에대한 압력 p 의 그래프

17.3 주기적인 음파의 세기(Intensity of Periodic Sound Wave)

공기층; 평균운동E=평균위치E • 한 파장에 대한 전체 역학적 에너지 • 일률 • 음파의 세기 ※파동의 세기(intensity) I :파동이 진행하는 방향에 수직인 단위 면적 A를 통하여 진행하는 파동에 의해 전달되는 에너지 비율

구면파(Spherical wave) 소리가 파원에서 동일하게 모든 방향으로 퍼져나가는 파원 단일 음원에서 발생하는 음파는 모든 방향으로 균일하게 전파되므로 구면파를 형성한다 • 평면파(Plane wave); 파원으로 부터 멀리 떨어진 파면  평면으로 근사

예제 17.2 가청 한계 1000Hz 진동수에서 인간의 귀로 들을 수 있는 가장 미약한 소리는 약 1.00×10-12W/m2정도의 세기에 해당하는데, 이를 가청 문턱이라 한다. 이 진동수에서 귀가 견딜 수 있는 가장 큰 소리는 1.00W/m2정도의 세기에 해당하며, 이를 고통 문턱이라 한다. 이러한 두 한계에 해당하는 압력 진폭과 변위 진폭을 구하라. 풀이 음속 공기의 밀도 같은 방법으로 고통 문턱의 경우

데시벨단위(Sound level in Decibel) • 소리준위 예) 고통문턱; 가청문턱; 0dB

소리의 크기와 주파수(Loudness and Frequency ) • 소리의 세기에 대한 심리적 반응의 크기 ● 0dB ~ 10-12 W/m2 (1000Hz; 표준기준주파수) 100Hz, 30dB ~ 1000Hz, 0dB; 심리적으로 간신히 들리는 소리로 같으나 물리적으론 다른 소리 (30dB ≠ 0dB) • 주파수와 소리준위의 범위; 하얀색 부분 인간이 들을 수 있는 주파수와 소리준위 • 가청주파수; 20Hz ~ 20,000Hz

여러가지 음원의 주파수와 소리준위의 범위 표준기준주파수

[G]12-3 The Ear and Its Response; Loudness

Outer ear: sound waves travel down the ear canal to the eardrum, which vibrates in response Middle ear: hammer, anvil, and stirrup transfer vibrations to inner ear Inner ear: cochlea transforms vibrational energy to electrical energy and sends signals to the brain

The ear’s sensitivity varies with frequency. These curves translate the intensity into sound level at different frequencies.

17.4 도플러 효과(The Doppler effect) 자동차가 경적을 울리며 지나갈 때 정지해 있는 사람이 듣는 경적 진동수는 자동차가 접근하면 실제보다 높아지고, 멀어지면 낮아진다.

Doppler 효과의 개념적 이해 1; 물방개 • 물방개가 일정한 진동수로 물장구를 칠 때  정지상태 • 파동의 속력보다 느리게 움직이는 경우; 같은 시간에 A보다 B에서 지나가는 파동의 수가 많다. 즉 진동수가 크진다.

Doppler 효과의 개념적 이해 2; 보트와 수면파 • 정지상태인 보트를 향해 진행하는 파도(T=3; 3초마다 파도가 보트를 친다) (b) 보트는 파도의 진행방향과 반대 방향 (c) 보트가 파도의 진행방향과 동일한 방향

음파와 관측자 • 음원; 정지(공기의 매질에 대해) 관측자; 로 가까워질 때 관측자에 대한 음속 주파수(관측자) * 음원, 관측자 정지

음원; 정지(공기의 매질에 대해) 관측자; 로 멀어질 때 관측자에 대한 음속 주파수(관측자)

(2) 음원; 이동, 관측자; 정지 주파수(A관측자); 시간 간격 T(주기)동안 음원은 거리 만큼 진행하여 파장은 이 거리만큼 짧아 진다.

주파수(B관측자) • 기억 (1) 관측자 정지, 음원이 이동 (2) 음원과 관측자가 이동

충격파(Shock Waves) 음원의 속력 > 음속  충격파형성

[G]12-9 Applications: Sonar, Ultrasound, and Medical Imaging Sonar(Sound Navigation And Ranging :수중음파탐지기) is used to locate objects underwater by measuring the time it takes a sound pulse to reflect back to the receiver. Similar techniques can be used to learn about the internal structure of the Earth. Sonar usually uses ultrasound waves, as the shorter wavelengths are less likely to be diffracted by obstacles.

Ultrasound is also used for medical imaging. Repeated traces are made as the transducer is moved, and a complete picture is built.

Ordinary ultrasound gives a good picture; high-resolution ultrasound is excellent.

m10-34 • m09-34

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