Resonance   공진, 공명, 여진

1. 공진(共振) / 공명(共鳴) / 여진(勵振) 현상 (Resonance) 이란?

  ㅇ 광의로, 공진은, 외력의 진동수에 따르려는 현상
     - 즉, 시스템응답의 진폭,위상이 외력의 주파수에 따라 변하는 현상

  ㅇ 협의로, 공진은, 특정 주파수에서 에너지가 집중되는 현상
     - 외력으로인한 진동이 어떤 특정 주파수에서 특히 강해지는 현상 (주파수 선택성)
        . 외부 가진력(加振力)의 진동수가 구조물의 고유진동수와 일치할 때 공진 현상이 발생됨

  ※ 한편, 공진은, 자연 과학에서 두 현상의 중첩 또는 동조 등을 의미하는 용어로도 쓰임
     - 例) [화학/의학 분야]
        . 분자가 단일한 구조식이 아닌, 2 이상의 구조식의 중첩으로 표현  (☞ 공명혼성구조)
        . 강한 자기장 하에 RF 에너지가 원자핵으로 흡수되는 현상  (핵자기공명 ☞ 분광법)


2. 공진시 에너지 집중 현상
 
  ㅇ (집중)  외력의 특정 주파수(공진 주파수)에서 진동 에너지가 집중 됨
     - 공진시 에너지 집중률  ☞ 양호도(Q) 참조

  ㅇ (결합)  두 진동계 간의 진동수가 비슷해지면 에너지를 서로 쉽게 교환하며 함께 진동 함 
     - `두 소리굽쇠` 등  ☞ 커플링(Coupling), 결합 진동 참조

  ㅇ (방사)  국소적 진동 및 공진 현상이 공간으로 확장
     - 공간 방사  ☞ 파동, 공진형 안테나 등 참조


3. 공학적 응용

  ㅇ 공학적 이용 : 공진기,필터,발진기,동조회로,안테나,광공진기 등

  ㅇ 공학적 회피 : 교량 등에서 외력 주파수가 공진 주파수와 같아지면 에너지가 집중되어 붕괴


4. 공진 및 감쇠
 
  ㅇ 약한 감쇠(Damping)를 갖는 강제 진동인 경우에서 진폭,위상이 주파수에 의존하는 현상
     - 즉, 약하더라도 감쇠(Damping)가 있는 경우에 만 공진이 일어남

  ※ 한편, 적당한 제동(Damping)이 없다면, 무한정 자유 발진을 하게됨
 

5. 공진 특성치

  ㅇ 공진주파수 (Resonance Frequency)  ωo
     - 외력에 따른 주파수응답 곡선상에서 첨두 진폭(최대값)을 보이는 주파수
       

     * [참고] ☞ 고유주파수, 감쇠 고유주파수

  ㅇ 양호도(Q), 대역폭(BW) 등  (공진시 에너지 집중 정도)    ☞ RLC 공진회로 참조
     - 양호도 (Q 값) (값이 클수록 첨예함)
     - 3dB 대역폭 (값이 작을수록 첨예함)


6. 진동, 파동, 공진, 발진, 동조  차이점

  ㅇ 진동 :  한정된 공간(계)에서의 떨림 운동 (모든 진동 현상을 포괄하는 용어)
  ㅇ 파동 :  계의 시간 및 공간에서의 주기적인 상태변화 (공간에서 에너지 이동이 있음)
  ㅇ 공진 :  특정 진동수에서 반응이 최대가 되는 현상 (구동력과 합해져 극대를 보임)
  ㅇ 발진 :  증폭 및 정귀환 현상을 이용한 주파수 발생 신호원 (주로, 전기적 진동을 말함)
  ㅇ 동조 :  회로소자의 L,C 용량을 변화시켜 특정 주파수로 공진을 일으킴 (주파수 선택성)


7. 에너지 관점에서, 공진 이란?

  ㅇ RLC 공진회로 등에서,                                 [회로 이론의 에너지 관점]
     - 두 에너지 소자(C : 커패시터,L : 인덕터) 간에,
     - 주기적인 축적 및 방출로써 상호 교환되며 ,
     - 두 에너지 소자 자체에 저항성 에너지 손실이 없는 상태  
        . 즉, 용량성,유도성 리액턴스 성분이 서로 상쇄되며 허수부가 0 이됨

  ㅇ 전자기파 공진기 등에서,                              [전자기장 이론의 에너지 관점]
     - 두 공간 에너지(전기장 에너지,자기장 에너지) 성분 간에,
     - 주기적인 축적 및 방출로써 상호 교환되며 ,
     - 두 에너지 성분 자체에 저항성 에너지 손실이 없는 상태
        . 즉, 자기장 에너지 및 전기장 에너지가 서로 같아서 상호 교환 가능

  ※ ☞ 회로이론 전자기장이론 비교 참조

  ㅇ 물체의 진동에서,                                     [기계/역학의 에너지 관점]
     - 두 힘 요소 간에 상호 에너지 교환이 주기적인 진동 형태로 일어나는 상태
     - 관성력과 탄성력이 상호작용하며 평형을 이룸