음향학

Acoustics
다른 용도는 음향(동음이의)을 참조하십시오.
Lindsay's Wheel of acoustics
음향분야를 보여주는 린제이의 음향분야의 바퀴

음향학은 진동, 소리, 초음파, 이프라하운드 등의 주제를 포함하여 가스, 액체, 고형물의 기계적 파동에 대한 연구를 다루는 물리학의 한 분야다.음향 기술 분야에서 일하는 과학자는 음향학자인 반면 음향 기술 분야에서 일하는 과학자는 음향 공학자라고 불릴 수 있다.음향의 적용은 현대 사회의 거의 모든 측면에 존재하며, 가장 분명한 것은 오디오와 소음 제어 산업이다.

청각은 동물 세계에서 가장 중요한 생존 수단 중 하나이며, 언어는 인간의 발달과 문화의 가장 독특한 특징 중 하나이다.따라서 음향 과학은 음악, 의학, 건축, 산업 생산, 전쟁 등 인간 사회의 여러 측면에 걸쳐 퍼져 있다.마찬가지로 송새나 개구리 같은 동물 종은 소리와 청각을 교미 의식이나 영역 표시의 핵심 요소로 사용한다.예술, 공예, 과학과 기술은 다른 많은 지식의 분야처럼 서로 자극하여 전체를 발전시켰다.로버트 브루스 린제이의 "음향의 수레바퀴"는 음향학의 다양한 분야에 대한 잘 알려진 개요다.[1]

역사

어원

"아쿠스틱"이라는 단어는 그리스어인 ἀκστ ( ( ( ( ( ((아쿠스티코스)에서 유래되었는데,[3] "of 또는 for, ready, ready"[2]를 의미하는 oustκυυστςς(아쿠스토), "hear, audibleοο audibleωωωωωωω"에서 유래되었다.[4]

라틴어의 동의어는 "소닉"이며, 그 후에 소닉이라는 용어는 음향의[5] 동의어였고, 나중에는 음향학의 한 갈래였다.[5]청각 범위 위와 아래의 주파수를 각각 "초음파"와 "초음파"라고 부른다.

초기 음향 연구

진동하는 문자열의 기본 및 처음 6개 톤.이 현상에 대한 연구의 초기 기록은 기원전 6세기 철학자 피타고라스 덕분이다.

기원전 6세기에 고대 그리스의 철학자 피타고라스는 왜 어떤 음악적 소리들의 조합이 다른 것들보다 더 아름답게 보이는지 알고 싶어했고, 그는 줄에 있는 조화적 오버톤 시리즈를 나타내는 숫자 비율의 측면에서 해답을 찾았다.그는 진동현 길이가 정수 비율(예: 2 대 3, 3 대 4)로 표현될 때 발생하는 음색은 조화롭고, 정수가 작을수록 소리가 조화롭다는 것을 관찰한 것으로 알려져 있다.예를 들어, 일정한 길이의 문자열은 길이가 두 배인 문자열과 특히 조화롭게 들릴 것이다(다른 요인은 동일하다).현대의 비유로 볼 때, 끈이 당겼을 때 음표 C를 울리면, 두 배의 길이가 C를 한 옥타브 낮게 울린다.음악 튜닝의 한 시스템에서는 D의 경우 16:9, E의 경우 8:5, F의 경우 3:2, G의 경우 4:3, A의 경우 6:5, B의 경우 16:15까지 음이 오름차순으로 주어진다.[6]

아리스토텔레스 (기원전 384–322년)는 소리가 "그 옆에 있는 공기에 떨어지고 부딪히는" 압축과 희귀한 공기의 작용으로 이루어져 있다는 것을 이해했는데,[7][8] 이것은 파도 운동의 본질을 매우 잘 표현한 것이다.일반적으로 램파쿠스의 스트라토에 기인하는 On Things Hear는 음이 공기의 진동수와 음속과 관련이 있다고 말한다.[9]

기원전 20년경에 로마의 건축가 겸 엔지니어인 비트루비우스는 간섭, 메아리, 반향에 대한 논의를 포함한 극장의 음향 특성에 관한 논문을 썼다.[10]비트루비우스는 그의 De Architectura(건축의 열 권)의 5권에서 소리를 3차원으로 확장된 물파에 필적하는 파동으로 묘사하고 있는데, 장애물에 의해 방해를 받았을 때 다시 흘러나와 후속 파동으로 분열된다.그는 고대 극장의 오름차순 좌석을 이러한 음의 악화를 막기 위해 고안된 것이라고 설명했으며, 또한 보다 바람직하고 조화로운 음으로 반향을 일으키기 위해 적절한 크기의 청동그릇을 4옥타브, 5옥타브까지 반향을 일으키도록 극장에 비치할 것을 권고했다.[11][12][13]

이슬람 황금시대 아부 라얀 알 바브루뉴(973-1048)는 음속의 속도가 빛의 속도보다 훨씬 느렸다고 가정했을 것으로 추정된다.[14][15]

음향학의 원리는 고대부터 적용되어 왔다: 암만 시의 로마 극장.

음향 과정에 대한 물리적 이해는 과학 혁명 기간과 후에 급속히 진전되었다.주로 갈릴레오 갈릴레이(1564–1642)를 비롯하여 마린 메르센(1588–1648)도 독립적으로 현악의 완전한 법칙을 발견하였다(피타고라스와 피타고라스가 2000년 전에 시작한 것을 완성한다).갈릴레오는 "파도는 공기를 통해 퍼져 나가는 음성의 몸의 진동에 의해 생성되며, 이는 귀의 고음파에게 마음이 소리로 해석하는 자극을 가져다 준다"고 썼는데, 이는 생리학적, 심리학적 음향의 시작을 가리키는 주목할 만한 진술이다.1630년에서 1680년 사이에 공기 중 음속의 실험적인 측정이 메르센에 의해 성공적으로 수행되었다.한편, 뉴턴(1642–1727)은 물리적 음향학의 초석인 고형물에서 파동 속도에 대한 관계를 도출했다(Principia, 1687)

계몽주의 시대와 이후

보다 확고한 수학적, 물리적 개념에 기초하여 음향학의 상당한 진보는 18세기 동안 오일러 (1707–1783)와 라그랑주 (1736–1813), 달렘베르 (171717–1783)에 의해 이루어졌다.이 시대에는 연속물리학, 즉 장 이론이 확실한 수학적 구조를 받기 시작했다.파동 방정식은 공기 중의 소리의 전파를 포함한 여러 맥락에서 나타났다.[16]

19세기에 수학적 음향학의 주요 인물은 생리적 음향 분야를 통합한 독일의 헬름홀츠와 영국의 레일리 경으로, 기념비적인 저서 <소리의 이론>(1877년)에서 그 분야에 대한 이전의 지식과 그 분야에 대한 풍부한 공헌을 결합한 사람이었다.또한 19세기에 휘트스톤, 옴, 헨리는 전기와 음향의 유사성을 발전시켰다.

20세기는 그 무렵에 있었던 과학 지식의 거대한 몸체의 기술적 적용이 급증하는 것을 보았다.그러한 첫 번째 적용은 건축 음향 분야에서 Sabine의 획기적인 작품이었고, 그 외 많은 것들이 그 뒤를 따랐다.수중음향은 1차 세계대전 당시 잠수함을 탐지하는 데 사용되었다.사운드 녹음과 전화는 사회의 세계적인 변혁에 중요한 역할을 했다.건전한 측정과 분석은 전자제품과 컴퓨팅을 사용함으로써 새로운 수준의 정확성과 정교함에 도달했다.초음파 주파수 범위는 의학과 산업에 완전히 새로운 종류의 응용을 가능하게 했다.새로운 종류의 변환기(음향 에너지의 생성기와 수신기)가 발명되어 사용하게 되었다.

음향학의 기본 개념

제이 프리츠커 파빌리온
제이 프리츠커 파빌리온에서는 LARES 시스템을 오버헤드 스틸 트레일리스에 매달린 구역음 강화 시스템과 결합해 실외 실내 음향 환경을 합성했다.

정의

음향학은 ANSI/ASA S1.1-2013에 의해 (a) 생물학적, 심리적 영향을 포함하여 그것의 생산, 전달 및 효과를 포함한 음향 과학으로 정의된다. (b) 청각적 효과와 관련하여 그 특성을 함께 결정하는 방의 특성이다."

음향학의 연구는 기계적 파동과 진동의 발생, 전파 및 수신을 중심으로 이루어진다.

The fundamental acoustical process

위의 다이어그램에 나타난 단계는 모든 음향 사건 또는 프로세스에서 확인할 수 있다.원인에는 자연적인 것과 의도적인 것 둘 다 많은 종류가 있다.어떤 다른 형태의 에너지를 음파로 변환하여 음파를 생성하는 많은 종류의 전도가 있다.음파 전파를 설명하는 한 가지 근본적인 방정식인 음파 전파를 설명하는 음파 방정식이 있지만, 음파 전파를 통해 나타나는 현상은 다양하고 복잡할 때가 많다.파도는 전파 매개체 전체에 에너지를 전달한다.결국 이 에너지는 다시 자연적이거나 또는 자발적일 수 있는 방법으로 다른 형태로 변환된다.최종 영향은 순수하게 물리적일 수도 있고 생물학적 또는 경과적 영역까지 도달할 수도 있다.우리가 지진에 대해 이야기하고 있든, 음파 탐지기를 사용하여 적을 찾는 잠수함이든, 록 콘서트에서 연주하는 밴드가든 다섯 가지 기본 단계는 똑같이 잘 발견된다.

음향과정의 중심 단계는 파동 전파다.이것은 물리적 음향 영역에 속한다.유체에서 소리는 주로 압력파로 전파된다.고형에서 기계파는 종파, 횡파, 표면파 등 다양한 형태를 취할 수 있다.

음향학에서는 먼저 음파의 압력 수준과 주파수, 그리고 파동이 환경과 어떻게 상호작용하는지를 살펴본다.이 상호작용은 회절, 간섭 또는 반사 또는 세 가지 혼합으로 설명할 수 있다.여러 매체가 존재할 경우 굴절도 발생할 수 있다.전도 과정도 음향학에서 특히 중요하다.

파동 전파: 압력 레벨

주요 기사:음압
"아, 안돼"라고 말하는 어린 소녀의 스펙트로그램

공기와 물과 같은 액체에서는 음파가 주변 압력 수준에서 방해물로 전파된다.이 소동은 대개 작지만, 사람의 귀에는 여전히 눈에 띈다.청각의 문턱으로 알려진 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리는 주변 압력보다 9배 작은 규모다.이러한 장애의 소음은 데시벨 단위의 로그 눈금으로 측정되는 음압 수준(SPL)과 관련이 있다.

파형 전파: 주파수

물리학자와 음향 공학자들은 주파수의 측면에서 음압 수준을 논하는 경향이 있는데, 부분적으로는 이것이 우리의 귀가 소리를 해석하는 방법이기 때문이다.우리가 "높은 음" 또는 "낮은 음"으로 경험하는 것은 압력 진동이 초당 더 많거나 더 적은 사이클 수를 가지고 있다는 것이다.음향 측정의 일반적인 기법에서는 음향 신호를 시간 단위로 샘플링한 다음 옥타브 밴드나 시간 주파수 플롯과 같은 더 의미 있는 형태로 제시한다.이 두 가지 인기 있는 방법은 모두 소리를 분석하고 음향 현상을 더 잘 이해하기 위해 사용된다.

전체 스펙트럼은 오디오, 초음파, 초저소닉의 세 부분으로 나눌 수 있다.오디오 범위는 20 Hz에서 20,000 Hz 사이입니다.이 범위는 그것의 주파수가 사람의 귀에 의해 감지될 수 있기 때문에 중요하다.이 범위에는 음성 통신과 음악을 포함한 많은 어플리케이션이 있다.초음파 범위는 20,000 Hz 이상의 매우 높은 주파수를 가리킨다.이 범위는 더 짧은 파장을 가지고 있어 영상 기술에서 더 나은 분해능을 가능하게 한다.초음파, 신장술과 같은 의료 애플리케이션은 초음파 주파수 범위에 의존한다.스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 가장 낮은 주파수는 초저주파 범위라고 알려져 있다.이 주파수들은 지진과 같은 지질 현상을 연구하는 데 사용될 수 있다.

스펙트럼 분석기와 같은 분석 기기는 음향 신호와 그 속성의 시각화와 측정을 용이하게 한다.그러한 계측기에 의해 생성된 분광그램은 특정 음향 신호의 정의 특성을 제공하는 다양한 압력 수준과 주파수 프로필을 그래픽으로 표시한 것이다.

음향전도에 관한 연구

일반적으로 소형 라디오에서 볼 수 있는 저렴한 저밀도 3.5인치 드라이버

변환기는 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하기 위한 장치다.전기음향적 맥락에서 이것은 음 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 의미한다(또는 그 반대).전기음향 변환기에는 확성기, 마이크, 입자 속도 센서, 수력 및 음파 탐지기가 포함된다.이 장치들은 음파를 전기 신호로 변환하거나 전자 신호에서 변환한다.가장 널리 사용되는 전도 원리는 전자기학, 전기학, 압전학이다.

대부분의 일반적인 확성기(예: 우퍼 및 트위터)의 변환기는 전자기 음성 코일에 의해 구동되는 현수 횡격막을 사용하여 파동을 발생시켜 압력파를 방출하는 전자기기다.일렉트로트 마이크로폰과 콘덴서 마이크로폰은 전극을 사용하며, 음파가 마이크의 다이어프램에 부딪칠 때, 그것은 움직이며 전압 변화를 유도한다.의료 초음파 검사에 사용되는 초음파 시스템은 압전 변환기를 사용한다.이것들은 물질 자체의 특성을 통해 기계적인 진동과 전기장이 상호 연결된 특수한 세라믹으로 만들어진다.

음향학자

음향학자는 음향학의 전문가다.[17]

교육

음향학자의 종류는 여러 가지가 있지만, 보통 학사 이상의 자격을 가지고 있다.일부는 음향학 학위를 소지하고 있는 반면, 다른 일부는 물리학이나 공학 같은 분야의 연구를 통해 이 분야에 입문한다.음향학 분야에서 많은 일을 하기 위해서는 수학과 과학에서 좋은 토대가 필요하다.많은 음향과학자들이 연구 개발 분야에서 일한다.어떤 이들은 언어, 음악, 소음에 대한 인식(청각, 정신 음향학 또는 신경생리학)에 대한 우리의 지식을 발전시키기 위해 기초적인 연구를 수행한다.다른 음향 과학자는 소리가 수중 음향, 건축 음향 또는 구조 음향과 같은 환경을 통해 이동하면서 어떻게 영향을 받는지에 대한 이해를 발전시킨다.다른 업무 영역은 아래 하위 학문에 열거되어 있다.음향과학자들은 정부, 대학, 민간 산업 연구소에서 일한다.많은 사람들이 음향 공학에서 일하기 시작한다.교수진(학무원) 등 일부 직급은 철학박사(철학박사)가 필요하다.

부전공

고고 음향학

세인트 미카엘 동굴

소리의 고고학으로도 알려진 고고음향학은 우리의 눈 이외의 감각으로 과거를 경험할 수 있는 유일한 방법 중의 하나이다.[18]고고음향학은 동굴을 포함한 선사시대 유적지의 음향 특성을 시험하여 연구한다.음향 고고학자 이고리 레즈키노프는 콧노래와 휘파람 같은 자연적인 소리를 통해 동굴의 음향 특성을 연구한다.[19]고고학적 음향 이론은 의식적 목적뿐만 아니라 동굴에서의 초음파 위치 확인 방법에도 초점을 맞추고 있다.고고학에서, 음향 소리와 의식은 특정한 소리들이 의식 참여자들을 영적인 각성에 더 가깝게 하기 위해 의도된 것처럼 직접적으로 연관된다.[18]또한 동굴 벽화와 동굴의 음향 특성 사이에 평행선을 그릴 수 있다. 둘 다 역동적이다.[19]고고음향학은 상당히 새로운 고고학적 주제이기 때문에, 음향 소리는 오늘날에도 이들 선사시대 유적지에서 시험되고 있다.

에어로아코스틱스

주요 기사:에어로아코스틱스

에어로아쿠스틱스는 예를 들어 난류를 통한 공기 이동과 유동 공기를 통한 소리 이동에 의해 발생하는 소음에 대한 연구다.이 지식은 항공기를 조용하게 하는 방법을 연구하기 위해 음향 공학에 적용된다.에어로아쿠스틱은 관악기가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 중요하다.[20]

음향 신호 처리

참고 항목:오디오 신호 처리

음향 신호 처리란 음향 신호를 전자적으로 조작하는 것이다.응용 프로그램에는 능동형 소음 제어, 보청기 또는 달팽이관 삽입물 설계, 에코 취소, 음악 정보 검색 및 지각 코딩(예: MP3 또는 Opus)이 포함된다.[21]

건축 음향학

주요 기사:건축 음향학
강당 음향시설이 시작된 보스턴 심포니 홀

건축 음향학(건축 음향학이라고도 함)은 건물 내에서 좋은 소리를 얻는 방법에 대한 과학적 이해를 포함한다.[22]그것은 전형적으로 언어의 지능화, 언어 프라이버시, 음악적 질, 그리고 건축된 환경의 진동 저감에 대한 연구를 포함한다.[23]일반적으로 연구되는 환경은 병원, 교실, 주거지, 공연장, 녹음실, 방송 스튜디오 등이다.초점 고려사항에는 실내 음향, 건물 구조물의 공기 및 충격 전달, 공기 및 구조물 기반 소음 제어, 건물 시스템 및 전기 음향 시스템의 소음 제어[1]가 포함된다.

생체 음향학

주요 기사:생체 음향학

생물 음향학은 동물들이 어떻게 그들의 서식지의 음향과 소리에 영향을 받는지 뿐만 아니라 동물의 청각과 부름에 대한 과학적인 연구다.[24]

전기 음향학

참고 항목:오디오 엔지니어링 및 사운드 보강 시스템

이 하위 훈련은 전자장치를 이용한 오디오의 녹음, 조작, 재생과 관련이 있다.[25]여기에는 휴대전화, 대규모 공공 어드레스 시스템 또는 연구소의 가상현실 시스템과 같은 제품이 포함될 수 있다.

환경 소음 및 음향 범위

주요 기사:환경소음
참고 항목:소음공해 및 소음관리

환경 음향은 철도,[26] 도로 교통, 항공기, 산업 장비 및 레크리에이션 활동에 의해 야기되는 소음과 진동에 관련된다.[27]이러한 연구의 주요 목적은 환경 소음과 진동 수준을 줄이는 것이다.현재 연구 작업은 도시 환경에서 음향을 긍정적으로 사용하는 것, 즉 음경과 고요함에 초점을 맞추고 있다.[28]

음악 음향학

주요 기사:음악 음향학
우수한 피치 분해능과 관련된 주요 영역 중 하나인 1차 청각 피질

음악 음향학은 음향 기구의 물리학, 전자 음악에 사용되는 오디오 신호 처리, 음악과 작곡의 컴퓨터 분석, 음악의 지각과 인지 신경 과학에 관한 학문이다.[29]

잡음

이 음향 하위 규율의 목표는 원하지 않는 소리의 영향을 줄이는 것이다.소음 연구의 범위는 구조물, 물체 및 사람에 대한 발생, 전파 및 영향을 포함한다.

  • 혁신적인 모델 개발
  • 측정 기법
  • 완화 전략
  • 표준 및 규정 제정 불능

소음 연구는 소음의 정의, 감소, 운송 소음, 청각 보호, 제트 및 로켓 소음, 건물 시스템 소음 및 진동, 대기 소음 전파, 음향 범위, 저주파 음향을 포함하도록 인간과 동물에 미치는 영향을 조사한다.

정신 음향학

많은 연구가 음향과 인지 사이의 관계, 또는 흔히 정신 음향학이라고 알려진 관계를 규명하기 위해 행해져 왔는데, 여기서 듣는 것은 지각과 생물학적 측면의 결합이다.[30]귀를 통한 음파의 통로로 가로채는 정보는 뇌를 통해 이해되고 해석되어 정신과 음향의 연관성을 강조한다.심리적인 변화는 뇌파가 느리거나 빨라지는 것으로 보여지는데, 이는 다시 생각, 느낌 또는 심지어 행동 방식에 영향을 줄 수 있는 다양한 청각 자극의 결과로 보여진다.[31]이러한 상관관계는 흥겨운 노래나 업템포 노래를 들으면 발이 툭툭 치기 시작하거나 느린 노래가 잔잔하고 평온한 느낌을 남길 수 있는 정상적이고 일상적인 상황에서 볼 수 있다.정신 음향학의 현상을 보다 깊은 생물학적 관점에서 보면, 음악의 기본적인 음향적 특성에 의해 중추신경계가 활성화되어 있다는 것이 밝혀졌다.[32]뇌와 척추를 포함하는 중추신경계가 어떻게 음향의 영향을 받는지 관찰함으로써, 음향은 정신, 본질적으로 신체에 영향을 미치는 경로를 분명히 알 수 있다.[32]

스피치

주요기사: 스피치

음향학자는 언어의 생산, 처리 및 인식을 연구한다.음성 인식과 음성 합성은 컴퓨터를 이용한 음성 처리의 두 가지 중요한 영역이다.그 과목은 물리학, 생리학, 심리학, 언어학 분야와도 중복된다.[33]

구조물의 진동과 역학

주요기사 : 진동

구조 음향학은 기계적 시스템과 그 환경 및 측정, 분석 및 제어 방법의 움직임과 상호작용에 대한 연구[2].이 정권 내에서는 다음과 같은 여러 하위 학문이 발견된다.

적용 분야에는 철도의 지상 진동, 운영 극장의 진동을 줄이기 위한 진동 격리, 진동이 건강을 해칠 수 있는 방법 연구(진동 백손가락), 지진으로부터 건물을 보호하기 위한 진동 제어 또는 구조로 인한 소리가 건물을 통해 이동하는 방법 측정 등이 포함될 수 있다.[34]

초음파학

임신 12주차에 본 자궁 내 태아의 초음파 영상(비다이얼-스캔)
주요 기사:초음파

초음파는 사람이 듣기엔 너무 높은 주파수에서 소리를 다룬다.전문 분야로는 의료용 초음파(의료용 초음파 포함), 소노케미칼, 초음파 검사, 재료 특성화 및 수중 음향(소나) 등이 있다.[35]

수중음향

주요 기사:수중음향

수중음향학은 수중 자연음향과 인공음향을 과학적으로 연구하는 학문이다.잠수함 위치 파악을 위한 수중음파탐지기, 고래 수중통신, 해수온도를 음향으로 측정해 기후변화감시, 소닉무기,[36] 해양생물음향학 등이 신청 대상이다.[37]

직업사회

학술지

주요 범주:음향학 저널

참고 항목

참조

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  2. ^ Akoustikos Henry George Liddell, Robert Scott, 그리스-영어 렉시콘, 페르세우스에서
  3. ^ Akoustos Henry George Liddell, Robert Scott, 그리스-영어 렉시콘, 페르세우스에서
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