[공학] 생활 속에서의 소음 이야기

smartcucum (48)in #kr • 6 years ago (edited)

안녕하세요 @smartcucum 입니다!!

이번 주에 @beoped 님께서
너무 흥미로운 이야기를 해주셨어요!
그렇다고 제가 직접
이 문제를 직접 풀 수 있는 건 아니구요. ㅎㅎ

제가 배운 내용 중에 해결할 수 있는
몇 가지 실마리를 제공하고자 합니다.

소음공학은 기계공학과에서 4학년때 배우는 과목입니다.
기계공학인데 의아하시죠?
보통 건물의 소음를 차폐하기 위해서는 건축 쪽이
자동차, 스피커, 기계음을 잡기 위해서는 기계 쪽이
소음에 대해서 많이 연구를 진행해요.
4학년 때 배우는 만큼 모든 역학적인 지식들이
총 집합하는 과목이죠.

하지만 비공자분들 위해서
어려운 내용은 다 빼고
실질적으로 도움이 될 만한
소음에 대해서 포스팅을 해보겠습니다.

목차는 다음과 같아요!

소리도 에너지다.

소리의 정량화

소음을 계산해보자.

소음의 영향 인자

오늘은 요렇게 포스팅을 진행하려고해요.

수식이 나오나 수식의 의미 다 파헤쳐 드립니다.
아무런 걱정 안하셔도 되요!
오히려 이 수식들 때문에 놀라실꺼에요.
다양한 예시와 그림이 함께한다는 사실,
항상 유념해주시고요!!
그럼 추울발!!

소리하면 떠오르는 것이 무엇인가요?
노래죠? 아니면 새소리?
사실 노래랑 새소리는 듣기라도 좋죠...

듣기 싫은 소리, 우리가 피하고 싶은 소리를
소음이라고 합니다.
엔지니어는 고객님들이
소음에 대해서 피할 수 있도록 도와야해요.

그런데 단순히 소음이 난다라고만 해서는 안됩니다.
우리 엔지니어는 이것을 수치화할 필요가 있어요.
이러한 작업을 통해서 정확한 법적규제나
문제해결을 도모해야합니다.

그러면 우선 소리를 어떻게 수치화시키는지부터
살펴보도록 합시다.

소리도 에너지다!

위의 전투기를 보시면 엄청 큰 소리를 내면서 지나갑니다.
이 소리의 근원은 무엇일까요?
전투기의 움직임이죠? 전투기가 움직였기 때문에 소리가 납니다.
전투기가 움직이면서 앞의 공기들을 압축시키고 그것이 터져 나간 것이
위의 동영상이에요.
운동에너지가 소리에너지로 바뀌었네요 :)

천둥도 마찬가지입니다.
천둥이 치면서
천둥의 고전압이 대기의 급격한 가열과 팽창을 야기시키면서
내는 소리가 바로 소닉붐이란 현상이랍니다.
전기에너지가 소리에너지로 바뀌었군요 :)

정리하면,

소리는 에너지입니다.

데시벨의 정의

소리는 에너지라는 것을 위에서 확인하였습니다.
단위 시간당 에너지에 로그를 취해줬네요? 그리고 앞에 10을 곱해줬어요.
이것이 바로 소리 에너지를 수치화하는 방법입니다.

도대체 이렇게 하는 이유가 뭘까요?
오늘은 베버의 법칙과 데시의 의미에 대해서 알아보고자해요.

즉, 자연에 존재하는 물리량에 로그함수를 취해주면
인간이 비교적 쉽게 느낄 수 있는 감각과 관련된 새로운 함수로 정의가 됩니다.
이것을 베버의 법칙 입니다.

정리하면

로그함수를 취해주면 인간이 느낄 수 있는 새로운 함수가 튀어나온다.
벨은 소리 에너지에 로그를 취해준 정의이다.
데시벨은 너무 큰 [벨]이란 단위를 사용할 수 없어서 1/10으로 줄인 것이다.

수학이란게 참 신비롭지 않습니까?
로그함수 하나 써줬을 뿐인데 인간이 느낄 수 없는 것을 느낄 수 있습니다.
어떻게 느끼냐구요? 예시를 들어보겠습니다.

소음을 계산해보자

자, 이제 소리를 계산해봅시다.
일단 데시벨 표를 준비해왔어요.
이 표를 보시고 계산하는 것들이 어느 정도 값이 되는지 가늠해봅시다.

	120dB	110dB	100dB	90dB	80dB	70dB	60dB
예시	이륙하는 프로팰러	록 밴드	전기톱	철도변	청소기,전화기	혼잡한 거리	일상 대화

에너지로 dB 증감 계산하기

자 그러면 각 에너지 차이에 따라 dB는 얼마나 차이나는지 알아봅시다.
이공계종사분들은....눈치채시겟죠..? log2 이 0.301이니까 10 곱해주면....
대략 3dB ㅎㅎ

에너지가 두배 증가하면 3dB 증가한다.

예시) 전기톱 하나 틀면 90dB 두개 틀면 93dB 입니다.

에너지가 10배 증가하면 10dB 증가한다.

예시) 청소기 10개 틀어놓으면 철도변 소리와 같습니다.

에너지가 100배 증가하면 20dB 증가한다.

예시) 전기톱 100개 틀어놓으면 이륙하면 헬리콥터 프로펠러 소리와 같습니다.

신기하죠?? 에너지가 100배 증가하면 귀가 터지고 그럴것 같은데 20dB 증가합니다.
이것이 로그의 유용성이에요.
에너지로는 가늠을 못했는데 로그를 취하니 감각적 심리적으로
납득이 갑니다. 베버의 법칙!!

거리에 따른 에너지 감소량 계산하기

거리에 따른 소음은 1m부근에서 측정하는 것이 원칙입니다.

거리에 따른 소리 에너지 공식은 위와 같습니다.
그러면 야매 공식 한번 더 갑니다!!

소음원에서 거리가 2배될 수록 6dB씩 감소한다.

자, 적용해봅시다.
대략적으로 1m에서 100dB이 였다면

	100dB	94dB	88dB	82dB	76dB	70dB	64dB
음원으로부터의 거리	1m	2m	4m	8m	16m	32m	64m

거리가 늘어날 수록 에너지의 양은 급감하지만
인간이 느끼기엔 어떻죠?
네, 완전 판이하게 다릅니다.
느낄 수 있습니다!!
이것이 바로 베버의 법칙입니다.

소음의 다양한 영향 인자 알아보자.

온도에 따라 다르다.

잠수함을 보시지요.
잠수함이 배를 탐지하기 위해서는 소리를 이용하는 경우가 대부분입니다.
하지만 바다 깊이의 온도차이 때문에 소리는 계속 굴절되기 때문에
이를 계산해서 위치를 보정해줘야해요.
바로 미사일 쏜다고해서 맞지않습니다!! 굴절에 따른 보정!!

낮말은 새가듣고 밤말은 쥐가 듣는다라는 속담 아시나요?
이거 TRUE 입니다.
낮에는 지표면의 온도가 높아 위로 크게 굴절하구요.
밤에는 아래로 굴절합니다.
선인들의 지혜 ^^ 놀랍지 않습니깡?

또 다른 음원 발생

외부의 소리는 아스팔트를 맞고 반사,굴절됩니다.
하지만 아스팔트 뿐이겠습니까? (사실 아스팔트가 제일 반사 잘되요.)
주변 건물, 창문도 맞고 반사,굴절됩니다.

이러한 함수는 이론적으로 보면
결국 급수의 형태로 나타나게 될 것입니다.
이 중 크게 영향받는 부분들만 걸러서
계산을 쉽게 해야합니다.
그런데 생각보다 이론이 잘 안맞아요.
따라서 경험식에 의존해야해요.

이러한 반사와 굴절의 원리를 이용해서 소음을 차단하는 방법이
고속도로에 있는 방음벽입니다.

주파수별 차이

단순히 소리가 크다고 멀리 전파되는 것은 아닙니다.

실제로 소음은 다양한 주파수들의 소리들로
구성되어져 있습니다.
여기서 우리는 20Hz~20,000Hz의 소리를 들을 수 있을 뿐입니다.
이것을 가청 범위라합니다.
그 외의 소리들은 아무리 크더라도 듣지 못해요.
더불어 연세가 많으시다면
20Hz, 20,000Hz, 4000Hz 부터 안들리기 시작한답니다. :)
충치가 생기듯이 여기부터 점점점 안들립니다.

그렇다면 세탁기 소리, 공장에서 들리는 기계음들은
왜 주변에 불편함을 주는 것일까요?
유독 그런 소리들은 잘들립니다.
심지어 옆집 말소리는 잘 안들리는데 왜 휴대폰 진동 소리가 들려요?

그것은 바로 파장이 길이 때문입니다.

상단 왼쪽이 파장이 긴 경우에요. 길게 늘어져있죠?
이놈들은 길게 늘어져서 구렁이같이 스무스하게 잘 휜답니다. 그래서 멀리 전달되요.

이러한 기계음들이 만들어 내는 원인이 바로 진동입니다.
이러한 진동은 항상 저주파수이기 때문에 소음을 차단한다고해서 잡기는 굉장히 어려워요.
따라서 진동자체를 줄여주는 진동공학과 소음공학은
굉장히 밀접하게 연관되어 있습니다.

고래나 코끼리가 저음으로 소리를 내서
멀리서 대화한다는 것을 들어보셨죠? 저주파수 소리입니다.
이런 소리는 차단이 거의 불가능해요.
그나마 다행스러운건 다른 주파수 대비 같은 크기에 비해 잘 안들립니다.

간섭 중첩의 영향

간섭, 중첩을 이용한 예시들이 있죠.
가장 많이 쓰는 방법이기도 합니다.
하지만 이는 실질적으로 실외에서는 적용하기 힘든 방법이랍니다.
왜냐하면 특정 위치는 잡을 수 있어도
모든 소리를 증폭시키거나 감소시킬 수는 없답니다.
즉, 스피커나 이어폰에 적용할 수 있는 기술이지요. 왜냐하면 위치가 한정적이니까요.