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문제 정의
- 뿐만 아니라 이 책은 진동 및 파동에 관한 일반론을 중요시 하고 물리적 계를 수학적으로 취급하는 새로운 방법을 제 시하여 비음향학적 물리학에서도 영향력을 행사했대4].
- 이전의 음향학적 진동에 관계된 실험적 연구와 이론적 연구를 정리할 뿐 아니라 레일리 자신의 독창적인 연구를 망라한 『음향 이론』 은 이후의 음향학 연구자들에 의해 수학적 및 실험적 논의에서 권위적인 저술로 사용됨으로써 음향학이 단일한 분야라는 인식을 확장시켰다. 뿐만 아니라 이 책은 진동 및 파동에 관한 일반론을 중요시하고 물리적 계를 수학적으로 취급하는 새로운 방법을 제시하여 비음향학적 물리학에서도 영향력을 행사했다[4].
- 민감성의 장소가 공동의 앞부분의 탄력적인 막으로 대치됨으로써 외풍에 의해 불꽃이 요동하는 것을 막아주면서도 소리의 진동은 잘 전달될 수 있게 되었다. 이렇게 개선된 소리 검출 장치는 이후에 레일리의 정교한 음향학 실험을 위한 기초가 되었다.
- 민감성의 장소가 공동의 앞부분의 탄력적인 막으로 대치됨으로써 외풍에 의해 불꽃이 요동하는 것을 막아주면서도 소리의 진동은 잘 전달될 수 있게 되었다. 이렇게 개선된 소리 검출 장치는 이후에 레일리의 정교한 음향학 실험을 위한 기초가 되었다.
제안 방법
- 1904년경에 레일리는 에어리의 주장을 비판하고 자신의 주장을 입증하기 위해 소규모 실험을 계획하였다.
- 1S80년 H월에 레일리는 미세한 공기 진동을 측정할 수 있는 장치를 고안하였다.
- 레일리는 음향학 실험의 정밀성을 확보하기 위한 장치를 고안하는데 있어서도 중요한 기여를 했다. 그는 '소리 바퀴'를 스스로 고안하여 회전 속도를 정밀하게 제어할 수 있도록 했고 소리의 진동 세기의 절대값을 정밀하게 측정할 수 있는 장치를 제작하여 사용하였다. 이는 그의 전기 표준 연구 중에서 발견한 현상을 응용한 것이었다.
- 그리고 더불어 회전축이 등속으로 운동하는가를 확인할 수 있는 보조장치로서 회전축과 함께 회전하는 검은색 원반에 동심의 고리 모양으로 숫자를 달리한 구멍들을 뚫어 이 구멍으로 진동하는 소리굽쇠를 관찰할 수 있게 하였다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 레일리는 놋쇠로 만든 튜브 (A)의 한쪽 끝을 유리판 (B)으로 막고 그 뒤에 슬릿을 설치하고 이것을 등으로 비추었다. 그리고 자석이 달린 가벼운 거울 (D)을 놋쇠 튜브의 중간에 가는 명주실로 매달고, 슬릿에서 들어온 빛이 거울에 45도로 비추도록 하여 거울에 반사된 후에는 유리창 (E)를 통해서 밖으로 빠져나와 렌즈 (F)를 통과하여 눈금자 (G)를 비추도록 했다. 놋쇠 튜브의 다른 쪽 끝은 박엽지로 된 박판 (H)으로 막았는데 CD의 거리와 DH의 거리를 같게 조절했으며, 박판 뒤쪽에는 미끄럼 튜브 I를 끼워서 연장시켜 놓았다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 레일리는 놋쇠로 만든 튜브 (A)의 한쪽 끝을 유리판 (B)으로 막고 그 뒤에 슬릿을 설치하고 이것을 등으로 비추었다. 그리고 자석이 달린 가벼운 거울 (D)을 놋쇠 튜브의 중간에 가는 명주실로 매달고, 슬릿에서 들어온 빛이 거울에 45도로 비추도록 하여 거울에 반사된 후에는 유리창 (E)를 통해서 밖으로 빠져나와 렌즈 (F)를 통과하여 눈금자 (G)를 비추도록 했다. 놋쇠 튜브의 다른 쪽 끝은 박엽지로 된 박판 (H)으로 막았는데 CD의 거리와 DH의 거리를 같게 조절했으며, 박판 뒤쪽에는 미끄럼 튜브 I를 끼워서 연장시켜 놓았다.
- 레일리가 이 장치를 개발하기 전에 일반적으로 알려진, 겨우 들을 수 있는 단파장(短波長)의 음파로는 새소리가 있었다. 그리하여 레일리는 새소리를 닮은 높은 음을 발생시키는 장치를 개발하였다. 그 이전에 초음파를 발생시키는 장치가 없었던 것은 아니지만 레일리의 인공 새소리 발생 장치처럼 적극적으로 음향학 실험에 도입되어 중요한 실험상의 진보를 가져온 장치는 없었다.
- 레일리가 이 장치를 개발하기 전에 일반적으로 알려진, 겨우 들을 수 있는 단파장(短波長)의 음파로는 새소리가 있었다. 그리하여 레일리는 새소리를 닮은 높은 음을 발생시키는 장치를 개발하였다. 그 이전에 초음파를 발생시키는 장치가 없었던 것은 아니지만 레일리의 인공 새소리 발생 장치처럼 적극적으로 음향학 실험에 도입되어 중요한 실험상의 진보를 가져온 장치는 없었다.
- 년경에 레일리는 에어리의 주장을 비판하고 자신의주장을 입증하기 위해 소규모 실험을 계획하였다.
- 레일리는 다른 실험 연구자들이 고안하고 사용한 실험 장치를 자신의 작업실에서 직접 제작하여 실험을 수행하는 경우가 많았지만 그것의 단순한 재현에서 그치지 않고 그러한 실험 기구를 더 나은 기능을 갖도록 개선하거나 다른 목적을 가진 기구로 전용함으로써 그 기구의 가치를 높였다. 또한 레일리는 다른 연구자들의 연구를 재현하면서 그들에 의해 검토되지 않은 사항에 착안하여 이를 알아내기 위한 새로운 실험을 고안해 냄으로써 기존의 성과를 확장시켰다.
- 또한 레일리는 다른 연구자들의 연구를 재현하면서 그들에 의해 검토되지 않은 사항에 착안하여 이를 알아내기 위한 새로운 실험을 고안해 냄으로써 기존의 성과를 확장시켰다.
- 또한 레일리는 음파를 감지하기 위한 시각적인 도구에 대한 요구에 부응하여 민감 불꽃의 민감성을 향상시겼으며 민감 분사물에 대한 치밀한 연구를 수행하여 의미있는 성과를 내어놓았다.
- 특히 인공 새소리 발생장치는 짧은 파장의 소리를 발생시켜 실험실 규모의 음향학 실험을 용이하게 만들어 주었다. 또한 레일리는 음파를 감지하기 위한 시각적인 도구에 대한 요구에 부응하여 민감 불꽃의 민감성을 향상시켰으며 민감 분사물에 대한 치밀한 연구를 수행하여 의미있는 성과를 내어놓았다. 또한 레일리는 음향학 실험을 정밀하게 수행하기 위한 회전속도 제어기와 소리의 절대적 세기를 측정할 수 있는 공기진동 측정기를 고안하여 음향학 실험에 정밀성을 증진시켰다.
- 또한 레일리는 음파를 감지하기 위한 시각적인 도구에 대한 요구에 부응하여 민감 불꽃의 민감성을 향상시켰으며 민감 분사물에 대한 치밀한 연구를 수행하여 의미있는 성과를 내어놓았다. 또한 레일리는 음향학 실험을 정밀하게 수행하기 위한 회전속도 제어기와 소리의 절대적 세기를 측정할 수 있는 공기진동 측정기를 고안하여 음향학 실험에 정밀성을 증진시켰다.
- 여기에 레일리의 새소리 발생 장치가 요긴하게 사용되었다. 레일리는 2피트의 폭과 12피트의 길이를 갖는 아연판을 반원 형태로 구부려 놓고 한쪽 끝 부분에 파장이 2 cm인 새소리 발생 장치를 설치하고 소리가 접선 방향으로 방출되도록 하여 속삭이는 사람 (whisperer)의 역할을 하게 하고 다른 쪽 끝 부분에는 민감 불꽃을 설치하여 듣는 사람의 역할을 하게 하였다. 여기에서 새소리 발생 장치를 써야 하는 이유는 속삭임 회랑이 소규모로 만들어졌기 때문에 거기에서 전파되는 음파도 소규모로 만들어 주어야 했기 때문이다.
- 여기에 레일리의 새소리 발생 장치가 요긴하게 사용되었다. 레일리는 2피트의 폭과 12피트의 길이를 갖는 아연판을 반원 형태로 구부려 놓고 한쪽 끝 부분에 파장이 2 cm인 새소리 발생 장치를 설치하고 소리가 접선 방향으로 방출되도록 하여 속삭이는 사람 (whisperer)의 역할을 하게 하고 다른 쪽 끝 부분에는 민감 불꽃을 설치하여 듣는 사람의 역할을 하게 하였다. 여기에서 새소리 발생 장치를 써야 하는 이유는 속삭임 회랑이 소규모로 만들어졌기 때문에 거기에서 전파되는 음파도 소규모로 만들어 주어야 했기 때문이다.
- 소리의 지속 시간은 10초 정도 되었다. 레일리는 다른 연구자가 고안한 실험 장치를 이렇게 대규모로 꾸밈으로써 작은 장치로는 미미한 효과밖에 낼 수 없었던 것을 확실한 효과를 낼 수 있도록 만들어 음원으로서의 가치를 향상시켰다.
- 소리의 지속 시간은 10초 정도 되었다. 레일리는 다른 연구자가 고안한 실험 장치를 이렇게 대규모로 꾸밈으로써 작은 장치로는 미미한 효과밖에 낼 수 없었던 것을 확실한 효과를 낼 수 있도록 만들어 음원으로서의 가치를 향상시켰다.
- 레일리는 또 다른 흥미로운 음 발생 현상인 열에 의한 음의 발생 장치를 개선하여 그 효과를 보다 확실하게 만들었다. 이는 새로운 현상에 대한 탐구이면서 동시에 사용하기 편리한 새로운 음원을 찾아내려는 노력의 일환이었다.
- 레일리는 또 다른 흥미로운 음 발생 현상인 열에 의한 음의 발생 장치를 개선하여 그 효과를 보다 확실하게 만들었다. 이는 새로운 현상에 대한 탐구이면서 동시에 사용하기 편리한 새로운 음원을 찾아내려는 노력의 일환이었다.
- 레일리는 전자석에 단슥적인 전류를 공급하기 위해서 1초에 40회 진동하는 소티굽쇠의 가지 끝이 작은 백금 압핀에 주기적으로 닿도록 하고, 이 소리굽쇠와 압핀이 회로의 일부가 되게 하였다.
- 레일리는 중요한 도구의 개선을 통해서 이후의 음향학 연구에 기여했을 뿐 아니라 자신의 실험실에서 직접 제작한 실험 장치를 사용하여 중요한 실험적 발견을 이루어내었다.
- 이 장치는 레일리가 캐븐디시 연구소에 부임한 후, 맥스웰이 남겨 둔 장치를 사용하여 시작하게 된 전기 저항의 표준을 정하려는 실험을 수행하는 가운데 착안된 것이었다[14]. 레일리는코일의 전기 저항을 측정하기 위하여 지구 자기장 속에 원형 코일을 수직으로 세워서 대칭축을 회전축으로 삼아 회전시켜서 유도 전류를 만들고 그것에 의해 코일 안에 매달려 있는 자침이 편향을 일으키도록 해서 그 각도를 측정하고자 했다. 이 과정에서 레일리는 코일이 담겨 있는 상자 안에서 발생하는 기류에 의해 자침과 거기에 부착된 거울이 흔들리는 것을 발견했다.
- 이 장치는 레일리가 캐븐디시 연구소에 부임한 후, 맥스웰이 남겨 둔 장치를 사용하여 시작하게 된 전기 저항의 표준을 정하려는 실험을 수행하는 가운데 착안된 것이었다[14]. 레일리는코일의 전기 저항을 측정하기 위하여 지구 자기장 속에 원형 코일을 수직으로 세워서 대칭축을 회전축으로 삼아 회전시켜서 유도 전류를 만들고 그것에 의해 코일 안에 매달려 있는 자침이 편향을 일으키도록 해서 그 각도를 측정하고자 했다. 이 과정에서 레일리는 코일이 담겨 있는 상자 안에서 발생하는 기류에 의해 자침과 거기에 부착된 거울이 흔들리는 것을 발견했다.
- 레일리는 이론에서는 계산 수학의 진작을 통해서 정확한 상수값들을 얻어 정밀한 이론적 유도값을 내어놓았고 실험에서는 되도록 정밀한 관측을 가능하게 해주는 장치를 만들어 내려고 부단히 노력했다. 여기에서는 실험에서의 정밀성의 증진을 위한 레일리의 노력 중 두드러진 두 가지 사례를 살피도록 하겠다.
- 이 장치와 유사한 장치가 라쿠르 (La Cour)에 의해 수년 전 '소리 바퀴' (phonic wheel)라는 이름으로 고안되었지만 레일리는 독립적으로 이 장치를 고안하였다.
- 이 조속기는 스트로보스코프를 정밀하게 등속 원운동시키는 것을 가능하게 해 주었고 이로써 고속 진동체의 진동의 관찰이나 진동 주기의 측정이 정확해졌다. 이 장치와 유사한 장치가 라쿠르 (La Cour)에 의해 수년 전 '소리 바퀴' (phonic wheel)라는 이름으로 고안되었지만 레일리는 독립적으로 이 장치를 고안하였다.
- 위가 막힌 병의 경우에 내부의 공기가 제한되어 있어 시간이 경과함에 따라 소리가 점차 악화되기 때문이었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 레일리는 가운데가 부풀어 있지만 위아래로 통기 (通氣)가 가능한 전구 모양의 파라핀 램프의 등피 (paraffin-lamp chimney)를 사용하였다. 그는 좀더 확실한 음을 내기 위해서 구멍이 뚫린 나무판으로 아래 구멍을 막고 밀랍으로 밀착시켜 주었다.
- 레일리는 이렇게 만든 지속적 순음 발생 장치에서 나오는 음이 진정으로 순음인지 그리고 그 진동수는 일정한지 확인해 볼 필요가 있었다. 이를 위해 레일리는 맥놀이를 이용하였다. 표준적인 소리굽쇠는 일정한 진동수의 순음을 지속적으로 발생시키므로 표준적인 소리굽쇠와 새로 만든 장치에서 비슷한 진동수의 순음을 동시에 내게 하면 이들 사이에 맥놀이가 나타나고 맥놀이 진동수가 일정한 것으로부터 새 장치가 순음을 안정적으로 발생시키는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 순음이 나오더라도 불꽃의 세기가 일정하지 않으면 진동수가 불안해져 좋은 음원이 될 수 없었기 때문이었다. 이를 해결하기 위해서 레일리는 일반적으로 사용하는 수소병 대신에 가스의 압력을 일정하게 유지시켜 줄 수 있는 가스 용기 (gas holder)를 사용하였다.
- 순음이 나오더라도 불꽃의 세기가 일정하지 않으면 진동수가 불안해져 좋은 음원이 될 수 없었기 때문이었다. 이를 해결하기 위해서 레일리는 일반적으로 사용하는 수소병 대신에 가스의 압력을 일정하게 유지시켜 줄 수 있는 가스 용기 (gas holder)를 사용하였다.
성능/효과
- 그리고 더불어 회전축이 등속으로 운동布는가를 확인할 수 있는 보조장치로서 회전축과 함께히£하는 검은색 원반에 동심의 고리 모양으로 숫자를달己 한 구멍들을 뚫어 이 구멍으로 진동하는 소리굽쇠를관圣할 수 있게 하였다.
- 그러므로 민감 불꽃은 수 밀리미터 정도의 지름을 갖는 작은 영역인 불꽃의 기부 근처에 존재하는 공기의 진동을 불꽃의 흔들림으로 가시화하는 점에서 국소화의 능력이 귀에 비해 탁월했다. 또한 민감 불꽃은 청력의 개인차에 관계없이 누구나 불꽃의 흔들림에 의해 소리의 존재를 시각적으로 확인할 수 있고 심지어 가청 주파수의 영역 밖에 있는 소리까지 그 존재를 눈으로 확인할 수 있다는 장점을 가졌다.
- 그러므로 민감 불꽃은 수 밀리미터 정도의 지름을 갖는 작은 영역인 불꽃의 기부 근처에 존재하는 공기의 진동을 불꽃의 흔들림으로 가시화하는 점에서 국소화의 능력이 귀에 비해 탁월했다. 또한 민감 불꽃은 청력의 개인차에 관계없이 누구나 불꽃의 흔들림에 의해 소리의 존재를 시각적으로 확인할 수 있고 심지어 가청 주파수의 영역 밖에 있는 소리까지 그 존재를 눈으로 확인할 수 있다는 장점을 가졌다.
- 여기에서 새소리 발생 장치를 써야 하는 이유는 속삭임 회랑이 소규모로 만들어졌기 때문에 거기에서 전파되는 음파도 소규모로 만들어 주어야 했기 때문이다. 레일리는 설치된 민감 불꽃이 플레어링 (flaring)2)을 일으키는 것을 통해서 소리가 그곳에 도달한 것을 확인할 수 있었다. 이때 레일리는 장애물을 새소리 발생 장치와 민감 불꽃 사이에 놓아서 소리가 직접 전달되지 못하게 하였지만 불꽃은 여전히 플레어링을 일으켰다.
- 표준적인 소리굽쇠는 일정한 진동수의 순음을 지속적으로 발생시키므로 표준적인 소리굽쇠와 새로 만든 장치에서 비슷한 진동수의 순음을 동시에 내게 하면 이들 사이에 맥놀이가 나타나고 맥놀이 진동수가 일정한 것으로부터 새 장치가 순음을 안정적으로 발생시키는 것을 확인할 수 있었다. 레일리는 이 확인 실험에서 자신의 장치와 표준적인 소리굽쇠 사이에서 2초 이상의 주기를 갖는 맥놀이를 일으킬 수 있었다. 이때 그는 두 음원에서 나오는 순음의 세기가 거의 같으면 거의 소리가 안 들리는 현상 즉, '근사적인 침묵 (approximate silence)이 일정한 간격으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 레일리는 이 장치의 민감성을 증진시키기 위해 지자기의 효과를 외부 자석을 설치하여 감소시키는 것 이외에도 매달린 자석의 관성 모멘트를 줄임으로써 이를 작은 힘에도 움직일 수 있도록 만드는 것이 중요하다고 지적했다. 레일리는 자신이 만든 이 장치가 만족스럽게 작동하는 것을 확인했고 이 장치를 사용하기 전에는 비슷한 세기로 생각했던 소리가 의외로 큰 세기 차이를 보이는 것을 확인하였다. 이후에 이 장치는 공기 중에서 발생한 소리의 세기 측정의 표준적 도구가 되었다.
- 특히 레일리가 실험적 연구에 매진하고 있었던 시기는 음향학에 있어서 소리의 취급 기술이 크게 향상되고 있었던 시기였다. 실험적으로 통제가 용이한 순음 발생장치의 요구에 따라 레일리는 리케가 발견한 열에 의한 음 발생을 대규모로 재현해 내었으며, 노래하는 불꽃을 순음 발생 장치로서 개선하였다. 무엇보다도 레일리가 실험용 음원의 개선에 결정적으로 기여한 것은 인공 새소리 발생장치였다.
- 특히 레일리가 실험적 연구에 매진하고 있었던 시기는 음향학에 있어서 소리의 취급 기술이 크게 향상되고 있었던 시기였다. 실험적으로 통제가 용이한 순음 발생장치의 요구에 따라 레일리는 리케가 발견한 열에 의한 음 발생을 대규모로 재현해 내었으며, 노래하는 불꽃을 순음 발생 장치로서 개선하였다. 무엇보다도 레일리가 실험용 음원의 개선에 결정적으로 기여한 것은 인공 새소리 발생장치였다.
- 이를 위해 레일리는 맥놀이를 이용하였다. 표준적인 소리굽쇠는 일정한 진동수의 순음을 지속적으로 발생시키므로 표준적인 소리굽쇠와 새로 만든 장치에서 비슷한 진동수의 순음을 동시에 내게 하면 이들 사이에 맥놀이가 나타나고 맥놀이 진동수가 일정한 것으로부터 새 장치가 순음을 안정적으로 발생시키는 것을 확인할 수 있었다. 레일리는 이 확인 실험에서 자신의 장치와 표준적인 소리굽쇠 사이에서 2초 이상의 주기를 갖는 맥놀이를 일으킬 수 있었다.
- 이를 위해 레일리는 맥놀이를 이용하였다. 표준적인 소리굽쇠는 일정한 진동수의 순음을 지속적으로 발생시키므로 표준적인 소리굽쇠와 새로 만든 장치에서 비슷한 진동수의 순음을 동시에 내게 하면 이들 사이에 맥놀이가 나타나고 맥놀이 진동수가 일정한 것으로부터 새 장치가 순음을 안정적으로 발생시키는 것을 확인할 수 있었다. 레일리는 이 확인 실험에서 자신의 장치와 표준적인 소리굽쇠 사이에서 2초 이상의 주기를 갖는 맥놀이를 일으킬 수 있었다.
- 회전 속도가 등속으로 유지될 경우어 4개의 구멍이 뚫린 고리를 통해서 소리굽쇠를 들여 斗보면 소리굽쇠의 가지가 정지해 있는 것으로 보였고, »1를 통해 등속 원운동이 지속되고 있는지를 정확하게알 수 있었다.
- 그리고 더불어 회전축이 등속으로 운동하는가를 확인할 수 있는 보조장치로서 회전축과 함께 회전하는 검은색 원반에 동심의 고리 모양으로 숫자를 달리한 구멍들을 뚫어 이 구멍으로 진동하는 소리굽쇠를 관찰할 수 있게 하였다. 회전 속도가 등속으로 유지될 경우에 4개의 구멍이 뚫린 고리를 통해서 소리굽쇠를 들여다보면 소리굽쇠의 가지가 정지해 있는 것으로 보였고, 이를 통해 등속 원운동이 지속되고 있는지를 정확하게 알 수 있었다. 이 조속기는 스트로보스코프를 정밀하게 등속 원운동시키는 것을 가능하게 해 주었고 이로써 고속 진동체의 진동의 관찰이나 진동 주기의 측정이 정확해졌다.
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