소리의 그늘, 반사, 간섭, 회절의 검출을 위한 레일리의 선구적 실험에 대한 연구 An Inquiry Over Rayleigh's Pioneering Experiments for the Detection of Shadow, Reflection, Interference, and Diffraction of Sound원문보기
그늘, 반사, 간섭, 회절은 파동의 일종인 소리가 나타내는 고유한 현상이다. 19세기 말 경에 유사한 광학적 현상들은 이미 검출되어 있었으나 소리에 관련된 이러한 현상들은 제대로 검출되지 못했다. 독창적인 실험 기구와 명민한 실험 설계로 이러한 현상들을 이견을 제시할 여지 없이 검출하는 데 성공한 인물은 레일리였다. 그는 건물의 모퉁이를 사용하여 소리 그늘을 검출할 수 있었고 반사판을 이용하여 그늘이 사라지는 것을 보일 수 있었다. 또한 그는 광학에서 유명한 영의 간섭 실험 장치와 유사한 장치를 만들어서 소리의 간섭을 검출했다. 더 나아가 그는 널리 알려진 광학적 현상이었던 '푸아송의 디스크'를 음향학적으로 재현하는 데 최초로 성공했고 구형 장애물에 의한 소리의 회절 효과를 조사하여 그것이 자신의 이론과 일치하는 것을 확인했다.
그늘, 반사, 간섭, 회절은 파동의 일종인 소리가 나타내는 고유한 현상이다. 19세기 말 경에 유사한 광학적 현상들은 이미 검출되어 있었으나 소리에 관련된 이러한 현상들은 제대로 검출되지 못했다. 독창적인 실험 기구와 명민한 실험 설계로 이러한 현상들을 이견을 제시할 여지 없이 검출하는 데 성공한 인물은 레일리였다. 그는 건물의 모퉁이를 사용하여 소리 그늘을 검출할 수 있었고 반사판을 이용하여 그늘이 사라지는 것을 보일 수 있었다. 또한 그는 광학에서 유명한 영의 간섭 실험 장치와 유사한 장치를 만들어서 소리의 간섭을 검출했다. 더 나아가 그는 널리 알려진 광학적 현상이었던 '푸아송의 디스크'를 음향학적으로 재현하는 데 최초로 성공했고 구형 장애물에 의한 소리의 회절 효과를 조사하여 그것이 자신의 이론과 일치하는 것을 확인했다.
The shadow, reflection, interference, and diffraction are proper phenomena concerning sound that is a kind of wave. By the late nineteenth century, similar optical phenomena had been detected already but these phenomena concerning sound had not been convincingly detected. It was Rayleigh who succeed...
The shadow, reflection, interference, and diffraction are proper phenomena concerning sound that is a kind of wave. By the late nineteenth century, similar optical phenomena had been detected already but these phenomena concerning sound had not been convincingly detected. It was Rayleigh who succeeded in detecting those phenomena without any reasonable doubt by the virtue of his original instruments and smart experimental settings. Rayleigh could detect the sound shadow by using the corner of a building and erase the shadow by some reflectors. And he constructed some apparatus similar to Young's interference apparatus famous in optics to detect the sonic interference. Furthermore, he first succeeded in illustrating the acoustical effectiveness of Poisson's disk by which optical diffraction had already been well known, and tested the effect of diffraction by spherical obstacles to ascertain that the result coincided with his theory.
The shadow, reflection, interference, and diffraction are proper phenomena concerning sound that is a kind of wave. By the late nineteenth century, similar optical phenomena had been detected already but these phenomena concerning sound had not been convincingly detected. It was Rayleigh who succeeded in detecting those phenomena without any reasonable doubt by the virtue of his original instruments and smart experimental settings. Rayleigh could detect the sound shadow by using the corner of a building and erase the shadow by some reflectors. And he constructed some apparatus similar to Young's interference apparatus famous in optics to detect the sonic interference. Furthermore, he first succeeded in illustrating the acoustical effectiveness of Poisson's disk by which optical diffraction had already been well known, and tested the effect of diffraction by spherical obstacles to ascertain that the result coincided with his theory.
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문제 정의
이 논문은 주로 레일리의 출판된 논문을 토대로 하고 그의 실험 노트를 참고하여 그가 소리와 관련된 독특한 현상들을 어떻게 의심의 여지 없이 검출해내었는지 밝히고자 한다. 이로써 이러한 레일리의 성공은 광학을 비롯한 자연 세계 전반에 대한 폭넓은 관심, 실험을 성공적으로 수행할 수 있는
이 논문은 주로 레일리의 출판된 논문을 토대로 하고 그의 실험 노트를 참고하여 그가 소리와 관련된 독특한 현상들을 어떻게 의심의 여지 없이 검출해내었는지 밝히고자 한다. 이로써 이러한 레일리의 성공은 광학을 비롯한 자연 세계 전반에 대한 폭넓은 관심, 실험을 성공적으로 수행할 수 있는
이러한 결과들은 레일리가 수학적 이론으로 예측했던 것과 상당히 잘 들어맞았다. 이 연구는 머리를 구형 장애물로 간주하였을 때 양쪽 귀에서 들리는 소리의 세기에 대한 이론적 설명을 제공했으므로 양쪽 귀에 들리는 소리의 세기에 의한 소리의 방향 지각 이론을 레일리가 구축하는데 토대가 되었다. [16]
가설 설정
후)보강간섭이">보강 간섭이 감지되었다. 이 결과는 소리의 경로에 놓인 다른 매질이 다른 위상을 만들어내어 소리가 간섭하도록 할 수 있으리라는 레일리의 가정을 입증해주었다. 이렇게 독창적인
후)보강간섭이">보강 간섭이 감지되었다. 이 결과는 소리의 경로에 놓인 다른 매질이 다른 위상을 만들어내어 소리가 간섭하도록 할 수 있으리라는 레일리의 가정을 입증해주었다. 이렇게 독창적인
제안 방법
즉, 원형 장애물에 비춘 빛은 그림자의 중앙에 오히려 밝은 점을 형성해야 한다는 것인데 실제로 그러한 현상이 나타난다는 것이 확인됨으로써 빛의 파동성을 입증하는 계기가 되었다. [13] 이 실험은 암실의 덧문에 뚫린 구멍에서 들어온 햇빛이 암실의 공중에 매단 동전을 비추고 계산에 의해 얻어진 거리만큼 떨어진 곳에 형성된 이 동전의 그림자에 사진판을 놓아 그림자의 중앙에 빛이 도달하는 것을 포착하는 방식으로 이루어졌다.
즉, 원형 장애물에 비춘 빛은 그림자의 중앙에 오히려 밝은 점을 형성해야 한다는 것인데 실제로 그러한 현상이 나타난다는 것이 확인됨으로써 빛의 파동성을 입증하는 계기가 되었다. [13] 이 실험은 암실의 덧문에 뚫린 구멍에서 들어온 햇빛이 암실의 공중에 매단 동전을 비추고 계산에 의해 얻어진 거리만큼 떨어진 곳에 형성된 이 동전의 그림자에 사진판을 놓아 그림자의 중앙에 빛이 도달하는 것을 포착하는 방식으로 이루어졌다.
이러한 음원과 소리 검출 장치를 능숙하게 사용할 수 있었던 것을 토대로 레일리는 소리의 간섭과 회절을 검출하기 위해 독창적인 실험 세팅을 고안함으로써 소리의 간섭과 회절이 이론과 일치하게 일어난다는 것을 보일 수 있었다. 그는 소리의 간섭을 검출하기 위해 같은 위상의 소리를 만들어내는 데 T자 관에 끼운 트럼펫을 사용하였고 가스를 주입한 상자를 소리의 경로에 삽입하는 장치를 고안하여 경로차를 유발하였다. 또한 소리의 회절을 검출하기 위해 원형 디스크를 장애물로 사용하고 디스크 중앙에 구멍을 뚫어 그 구멍을
후)직경의구와">직경의 구와 35인치 직경의 크로켓 공을 선택했다. 그는 음원으로 3cm의 파장을 내는 새소리 발생장치를 사용하고 소리의 검출장치로 민감 불꽃을 사용했다. 크로켓 공의 경우가 원주가 30cm 정도이므로 Kc=10인 경우에 해당했고 이 경우에 이론과 실험 결과가 근접하게 나타났다.
후)만들어내는데">만들어내는 데 T자 관에 끼운 트럼펫을 사용하였고 가스를 주입한 상자를 소리의 경로에 삽입하는 장치를 고안하여 경로차를 유발하였다. 또한 소리의 회절을 검출하기 위해 원형 디스크를 장애물로 사용하고 디스크 중앙에 구멍을 뚫어 그 구멍을 들여다 보면서 음원과 소리 검출기를 일직선에 배열하는 방식을 도입하였다. 또한 구형 장애물의 회절 효과 실험은 이미 이론적으로 확립된 것을 정교한 실험으로 확인하기 위해 설계된 것으로
후)각점에">각 점에 도달하는 소리의 세기에 대한 계산은 단순했지만 구형 장애물이 더 커지면 계산은 복잡해졌다. 레일리는 구 표면에 음원이 존재할 때 구에서 떨어져 있는 지점에서의 소리의 세기를 얻는 식을 구하였다.
후)각점에">각 점에 도달하는 소리의 세기에 대한 계산은 단순했지만 구형 장애물이 더 커지면 계산은 복잡해졌다. 레일리는 구 표면에 음원이 존재할 때 구에서 떨어져 있는 지점에서의 소리의 세기를 얻는 식을 구하였다.
후)소리 굽쇠,">소리굽쇠, 호각, 전동종을 사용했는데 그 중에서 전동종이 가장 편리했다. 레일리는 그 건물의 남서쪽 모퉁이에서 8 내지 10야드 떨어진 남향한 벽 근처에 음원을 놓았다. (그림 1) 그리고 관찰자를 서쪽 벽에 기대서서 대기하게 하였다. 이러한 배열 상태에서 관찰자는 음원에서 나오는 소리를 거의 들을 수 없었다.
후)소리 굽쇠,">소리굽쇠, 호각, 전동종을 사용했는데 그 중에서 전동종이 가장 편리했다. 레일리는 그 건물의 남서쪽 모퉁이에서 8 내지 10야드 떨어진 남향한 벽 근처에 음원을 놓았다.
후)상쇄 간섭이">상쇄간섭이 일어나 민감 불꽃이 전혀 흔들리지 않는 것을 확인할 수 있었다. 일정한 두께의 가스층을 유지하기 위해서 레일리는 중앙에 구멍이 있는 정사각형의 주석판 2개를 평행하게 수평으로 배치했다. 두
후)상쇄 간섭이">상쇄간섭이 일어나 민감 불꽃이 전혀 흔들리지 않는 것을 확인할 수 있었다. 일정한 두께의 가스층을 유지하기 위해서 레일리는 중앙에 구멍이 있는 정사각형의 주석판 2개를 평행하게 수평으로 배치했다. 두
후)배 출구에는">배출구에는 단면이 타원인 두 개의 트럼펫을 연결하였다. 타원형 나팔의 장축이 수직으로 배열되도록 한 상태에서 두 트럼펫의 축을 서로 평행한 상태로 40cm의 간격만큼 떨어져 있게 하였다. 두 트럼펫은 같은 세기와 같은 위상으로 소리를 발생시켰으므로 민감 불꽃이 두 트럼펫에서 똑같이 떨어진 거리에 놓였을 때 크게 교란되었다.
대상 데이터
후)(그림2)">(그림 2) 그는 공기 중에서보다 음속이 0.8배 느려지는 것으로 알려져 있었던 이산화탄소를 사용하였다. 두께 L의 이산화탄소에서는 0.
">(그림 3). 그는 장애물로 직경이 18인치인 검정색 원형 종이를 유리판에 붙인 것을 사용했다. 그는
성능/효과
후)[12]구형">[12] 구형 장애물의 직경이 소리의 파장보다 작으면 소리의 회절에 의해 구 표면의 각 점에 도달하는 소리의 세기에 대한 계산은 단순했지만 구형 장애물이 더 커지면 계산은 복잡해졌다. 레일리는
후)[12]구형">[12] 구형 장애물의 직경이 소리의 파장보다 작으면 소리의 회절에 의해 구 표면의 각 점에 도달하는 소리의 세기에 대한 계산은 단순했지만 구형 장애물이 더 커지면 계산은 복잡해졌다. 레일리는
후)주석 판의">주석판의 변의 길이를 적절하게 조절하여 1/2 파장의 지체가 일어나도록 하였다. 그러자 두 개의 기체 상자 중 하나가 이산화탄소로 채워지면 민감 불꽃에서는 상쇄 간섭이 감지되었고 두 상자가 모두 이산화탄소로 채워지면 보강 간섭이 감지되었다. 이 결과는 소리의 경로에 놓인 다른 매질이 다른 위상을 만들어내어 소리가 간섭하도록 할 수 있으리라는 레일리의 가정을 입증해주었다.
후)주석 판의">주석판의 변의 길이를 적절하게 조절하여 1/2 파장의 지체가 일어나도록 하였다. 그러자 두 개의 기체 상자 중 하나가 이산화탄소로 채워지면 민감 불꽃에서는 상쇄 간섭이 감지되었고 두 상자가 모두 이산화탄소로 채워지면 보강 간섭이 감지되었다. 이 결과는 소리의 경로에 놓인 다른 매질이 다른 위상을 만들어내어 소리가 간섭하도록 할 수 있으리라는 레일리의 가정을 입증해주었다.
그러고 나서 그는 그늘 중앙에 불꽃이 흔들리는 지점을 찾아내었다. 그리하여 레일리는 푸아송의 디스크가 광학처럼 음향학에서도 효력을 발휘함을 성공적으로 입증할 수 있었다.
더 나아가서 레일리는 프레넬 (Augustin Fresnel) 이광학 실험에서 입증했던 간섭띠가 음향학적으로도 생길 수 있다는 것을 보였다. 이 목적을 위해 레일리는 음원으로 민감 불꽃 (sensitive flame)을 채용했다.
더 나아가서 레일리는 프레넬 (Augustin Fresnel) 이광학 실험에서 입증했던 간섭띠가 음향학적으로도 생길 수 있다는 것을 보였다. 이 목적을 위해 레일리는 음원으로 민감 불꽃 (sensitive flame)을 채용했다.
8배 느려지는 것으로 알려져 있었던 이산화탄소를 사용하였다. 두께 L의 이산화탄소에서는 0.25L만큼 음파의 지체가 일어나고 그것을 1/2 파장과 같아지도록 소리의 파장을 조정해주면 이전에 보강간섭이 일어나던 위치에서 상쇄간섭이 일어나 민감 불꽃이 전혀 흔들리지 않는 것을 확인할 수 있었다. 일정한 두께의 가스층을 유지하기 위해서 레일리는 중앙에 구멍이 있는 정사각형의 주석판 2개를 평행하게 수평으로 배치했다.
8배 느려지는 것으로 알려져 있었던 이산화탄소를 사용하였다. 두께 L의 이산화탄소에서는 0.25L만큼 음파의 지체가 일어나고 그것을 1/2 파장과 같아지도록 소리의 파장을 조정해주면 이전에 보강간섭이 일어나던 위치에서 상쇄간섭이 일어나 민감 불꽃이 전혀 흔들리지 않는 것을 확인할 수 있었다. 일정한 두께의 가스층을 유지하기 위해서 레일리는 중앙에 구멍이 있는 정사각형의 주석판 2개를 평행하게 수평으로 배치했다.
후)일직선상에">일직선 상에 배열되어 있는지를 알아볼 수 있도록 했다. 레일리는 민감 불꽃이 종이판 뒤에서 흔들리지 않는 것을 보임으로써 소리 그늘이 존재한다는 것을 보일 수 있었다. 그러고 나서 그는 그늘 중앙에 불꽃이 흔들리는 지점을 찾아내었다.
후)음향학연구자들이">음향학 연구자들이 이러한 현상들을 선명하게 관찰하기 위해 시도하기도 하였지만 검출은 쉽게 이루어지지 않았다. 빛은 가시광선이 상대적으로 짧은 파장을 가지고 있어서 실험실 규모의 실험에서도 직진성이 확실하게 드러나고 방해하는 빛을 철저히 차단할 수 있는 암실이라는 환경을 구축하는 것이 비교적 쉽고, 실험실에서 빛의 반사나 회절을 일으킬 수 있는 물체들을 쉽게 제거할 수 있었기에 이러한 현상들의 검출이 용이하게 이루어질 수 있었다. 그러나 소리의 경우에는 실험실 자체를 소리의 반사나 회절에서 자유로운 공간으로 만드는 것이 매우
후)인도 받아">인도받아 제시되고 실험을 통해 확립되었다. 빛이 간섭과 회절 현상을 일으키는 것을 검출함으로써 의심의 여지 없이 파동성을 갖는 것으로 확정되었다. 그렇지만 19세기를 한참 지나서도 정작 소리의 경우에는 빛에서 쉽게 검출되는 현상인 그늘, 반사, 간섭, 회절이 분명하게 검출되지 못했다.
이러한 음원과 소리 검출 장치를 능숙하게 사용할 수 있었던 것을 토대로 레일리는 소리의 간섭과 회절을 검출하기 위해 독창적인 실험 세팅을 고안함으로써 소리의 간섭과 회절이 이론과 일치하게 일어난다는 것을 보일 수 있었다. 그는 소리의 간섭을 검출하기 위해 같은 위상의 소리를
이러한 음원과 소리 검출 장치를 능숙하게 사용할 수 있었던 것을 토대로 레일리는 소리의 간섭과 회절을 검출하기 위해 독창적인 실험 세팅을 고안함으로써 소리의 간섭과 회절이 이론과 일치하게 일어난다는 것을 보일 수 있었다. 그는 소리의 간섭을 검출하기 위해 같은 위상의 소리를
후)실험도구와">실험 도구와 장치가 필요했다. 이런 점에서 가스 불꽃을 사용하는 민감 불꽃은 매우 정밀한 위치에서 민감하게 소리를 검출하는 것을 가능하게 해주었고, 새소리 발생장치는 파장이 수 센티미터에 불과하여 상당히 소규모의 실험 장치를 꾸밀 수 있게 해주었고 회절이 심하게 일어나지 않아 직진성을 확보하는 것을 가능하게 해주었다.
후)상쇄 간섭이">상쇄간섭이 일어나는 지점들인 침묵점들의 위치를 찾아낼 수 있었다. 이로써 레일리는 소리는 이론적 계산에 일치하여 간섭을 일으킨다는 것을 확인했다.
크로켓 공의 경우가 원주가 30cm 정도이므로 Kc=10인 경우에 해당했고 이 경우에 이론과 실험 결과가 근접하게 나타났다. 전자의 경우에 민감 불꽃은 구의 대극 (antipole, 극과 같은 지름에 있는 구의 표면상의 다른 점)으로부터 5인치 떨어진 곳에 배치했을 때 불꽃이 흔들리는 것을 볼 수 있었고 후자의 경우는 공의 대극에서 1.5인치 떨어진 곳에 민감 불꽃을 놓는 것으로 불꽃의 흔들림을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과들은 불꽃에 도착한 음파들이 장애물에서 회절되어 불꽃에 도달한 것을 나타냈다.
후)디스크'는">디스크'는 1819년에 빛의 파동성을 주장한 프레넬의 주장이 옳다면 나타나야 한다고 푸아송이 예상한 현상이었다. 즉, 원형 장애물에 비춘 빛은 그림자의 중앙에 오히려 밝은 점을 형성해야 한다는 것인데 실제로 그러한 현상이 나타난다는 것이 확인됨으로써 빛의 파동성을 입증하는 계기가 되었다. [13] 이 실험은 암실의 덧문에 뚫린 구멍에서 들어온 햇빛이 암실의 공중에 매단 동전을 비추고 계산에 의해 얻어진 거리만큼 떨어진 곳에 형성된
후속연구
후)검출해 내었는지">검출해내었는지
밝히고자 한다. 이로써 이러한 레일리의 성공은 광학을 비롯한 자연 세계 전반에 대한 폭넓은 관심, 실험을 성공적으로 수행할 수 있는 실험 기구에 대한 숙달, 영민하고 독창적인 실험 장치 설계에서 비롯되었음을 보이게 될 것이다.
후)검출해 내었는지">검출해내었는지 밝히고자 한다. 이로써 이러한 레일리의 성공은 광학을 비롯한 자연 세계 전반에 대한 폭넓은 관심, 실험을 성공적으로 수행할 수 있는 실험 기구에 대한 숙달, 영민하고 독창적인 실험 장치 설계에서 비롯되었음을 보이게 될 것이다.
참고문헌 (17)
Robert J. Strutt, 4th Baron Rayleigh, Life of John William Strutt, Third Baron Rayleigh, O.M., F.R.S. (Madison, Wisconsin, 1968)
R. B. Lindsay, 'Strutt, John William, Third Baron Rayleigh,' in Charles Coulston Gillispie, ed. Dictionary of Scientific Biography, Scribner, New York, 1972, vol. 13, PP. 100-107
Rayleigh, John William Strutt, The Theory of Sound (Dover Publications, New York, 1945)
Ja Hyon Ku, 'J.W. Strutt, Third Baron RaYleigh, The Theory of Sound, First Edition' in I. GrattanGuinness, ed., Landmark Writings of Western Mathematics, 1640-1940, Elsevier, Amsterdam, 2005, Chap. 45
구자현, '레일리의 실험 음향학 연구의 성과: 도구의 개선과 정밀성의 증진' 한국음향학회지 22,113-120,2003
Rayleigh, Experimental Notebook and Letters, Imperial College Archive에 소장된 마이크로필름, 1879. 12. 20
Kenneth Arthur Latchford, 'Thomas Young and the Evolution of the Interference Principle,' Ph.D. dissertation, Imperial College of Science and Technology, Univ. of London, 1974
Timothy Lenoir, 'Helmholtz and the Materialities of Communication,' Osiris 9, 195-205, 1994
R. B. Lindsay, 'The Story of Acoustics,' The Journal of Acoustical Society of America 39, 629-643, 1966
Rayleigh, 'Interference of Sound,' Royal Institution Proceedings 17, 1-7, 1902
Rayleigh, 'Shadow,' Royal Institution Proceedings, Jan. 15, 1904
John Worrall, 'Fresnel, Poisson and the White Spot: The Role of Successful Predictions in the Acceptance of Scientific Theories,' in David Gooding, Trevor Pinch, Simon Schaffer eds, The Uses of Experiment: Studies in the Natural Sciences, Cambridge University Press, Cambridge, 1989, pp. 135-157
Rayleigh, 'Some General Theorems Relating to Vibration,' Proceedings of London Mathematical Society 4, 357-368, 1873
Rayleigh, 'On the Acoustic Shadow of A Sphere,' Philosophical Transaction of Royal Society 203A, 87-110, 1904
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