1. 소리(소리 세기)의 기초적인 정의 및 요소별 의미
ㅇ 소리 세기(Sound Intensity, SI)의 `정의`
- 음향 에너지가 단위 면적당 전달되는 시간율 : [J/(㎡ s) 또는 W/㎡]
. 즉, 단위 시간(t) 당 단위 면적(A) 당 수직으로 전달되는 음파 에너지(E)
ㅇ 소리 세기의 `표현식`
- I = E / (A t) [J/(㎡ s) 또는 W/㎡]
= (F x) / (A t) = (F / A) (x / t) = p U
= p(t) U(t) [Pa ㎥/s 또는 W/㎡]
ㅇ 소리 세기의 표현식에서, `각 요소별 의미`
- E : 에너지 [J 또는 N m] (유체의 변형과 관련된 에너지)
- A : 면적 [㎡], t : 시간 [sec] (단위 면적 당, 단위 시간 당)
- F : 힘 [N], x : 거리 [m] (유체가 행하는 일 또는 운반하는 에너지)
- p : 음압 [N/㎡ 또는 Pa] (시간,공간의 스칼라 함수)
. 소리 세기의 음원으로써의 음압
. 평형 음압과 순간 음압 간의 차이
- U : 매질 내 유체 입자의 체적속도 [㎥/s] (시간,공간의 스칼라 함수)
. 소리 세기의 음원 입자로써의 국지적인 속도
2. 소리(소리 세기)의 전파 특성
ㅇ 위 1번항의 소리 세기의 기초적인 정의와는 별도로,
- 소리 세기를 전기적인 전파(Propagation) 특성과 관련시켜 보면,
- 주파수에 따른 매질의 저항적 성질인, 임피던스 관계식 처럼 표현 가능
ㅇ 즉, 소리 전파에 대한 `저항성 성질`을, 다음과 같이 `전기량`과 대응시켜보면,
- (음향 임피던스) Z = p/U ≒ V / I (전기 임피던스)
. 전기계의 `전류 I`를 음향계의 `체적속도 U`,
. 전기계의 `전압 V`을 음향계의 `음압 p`으로 대응 등가화
ㅇ 또한, `소리 세기`와 `속도` 및 `음압` 간을,
- 매질의 `밀도` 및 `강성(탄성)` 성질에 의해서도 관련시킬 수 있음
. 例) 저 밀도(약 탄성)을 갖는 매질의 음파는,
고 밀도(강 탄성)을 갖는 매질의 음파 보다,
동일 음압에서 더큰 속도 진폭을 보임
ㅇ 한편, 소리 세기를 다음의 3개 물리량 [음압 (세기), 밀도, 속도] 으로 연결시켜 보면,
- (음압,밀도,속도 관계) I = p(t) U(t) = p2/ρc [Pa ㎥/s] 또는 [W/㎡]
. I : 소리 세기 [W/㎡] (음압과 유체 입자 속도의 곱)
. p : rms 음압 [N/㎡ 또는 Pa]
. ρ : 음향 매질 밀도 [㎏/㎥]
. c : 음향 음파 속도(음속) [m/sec]
3. 음향 임피던스 (Acoustic Impedance)의 의미 및 정의
ㅇ 음향 임피던스의 물리적 의미
- 음파의 전달을 방해하는 척도를 나타냄
. (참고 例) 역학적 임피던스 : 구동력과 입자 속도와의 비 (Zm = F/u)
.. 즉, 힘의 전달을 방해하는 척도
ㅇ 음향 임피던스의 정의
- 압력(음압,p)과 유동(체적속도,U)와의 比 : Z = p/U [Pa sec/㎥]
. 음향 유동의 음압 p (압력)과 체적속도 U (유동) 간의 위상차를 야기 함
※ 결국, 소리가 공기중으로 전파할 때, 공기 입자들의 움직임이 어려운 정도
- 임피던스가 작을수록, 단위 입력(속도)에 대해, 출력(음압 차이 즉, 힘)이 커짐
. 저 밀도(약 탄성)을 갖는 매질의 음파로, 더 큰 속도 진폭을 보임
. 즉, 작은 힘(음압 차이) 이더라도, 큰 움직임을 보일 수 있는 경우
- 임피던스가 클수록, 단위 입력(속도)에 대해, 출력(음압 차이 즉, 힘)이 작아짐
. 고 밀도(강 탄성)을 갖는 매질의 음파로, 더 작은 속도 진폭을 보임
. 즉, 큰 힘(음압 차이)이 있더라도, 작은 움직임 만 보이는 경우
※ (한편, 해석 용이성을 위해, 음파를 원거리 조화 평면파로 가정하고 있음)
4. 음향 임피던스의 `일반화된` 또는 `고유화된(매질 마다 달라지는)` 표현식
ㅇ 음향 임피던스 (Acoustic Impedance)
- Z = p / U = (음압) / (유체 체적속도) [Pa s/㎥]
. 음향 매질 내 가상의 면을 기준으로,
. 이 면에 작용하는 음압과 이 면을 통과하는 체적속도와의 비(比)
* 일반화된 특성임
ㅇ 고유 또는 비 음향 임피던스 (Specific Acoustic Impedance)
또는, 음향 특성 임피던스 (Acoustic Characteristic Impedance)
- z = ρc = (음압) / (유체 속도) [Pa s/m, N s/㎥]
. 단위 면적(A = 1) 당 음향 임피던스
. 매질 내 음압과 유체 속도(음속)와의 비(比)
* 매질 마다 달라지는 고유 특성임
5. 음향 임피던스의 효과
ㅇ 해당 전파 매질에서,
- 음향 임피던스가 클수록 반사되는 에너지가 크고,
- 음향 임피던스 차이가 적을수록 더 많은 에너지가 전달거나 흡수됨