충격파와 소닉붐
왜 이 글을 쓰는가
이번에 DSP 연구실에 들어가면서 논문에 나온 내용을 이해하며 찾아보았던 정보들이다.우리 연구실은 DSP 중에서도 음향에 관한 연구를 하는 곳이다. 그래서 음향 관련 물리적 상식 공부(?!?!)를 하려 한다.
그 첫번째 주제가 바로 '음파'. 음향학에 무지한 나를 위해 기본적 상식을 아래에 먼저 정리하려고 한다. 글에 쓰인 내용들의 대부분의 출처는 위키백과이다.
배경지식
파동
파동은 에너지가 퍼져나가는 현상이다. 시공간 한점에서 물리량이 변하고 이 변한 점(g(t, x))과 주변의 점이 같은 성질을 갖으면(물과 물, 공기와 공기) ?g(t, x)가 퍼텐셜(위치 E)이 변했기 때문에 인근 점에게 에너지를 인근 점으로 전파한다. 이런 방식으로 에너지가 퍼져 나가는 것을 파동이라고 한다(라고 위키백과가 그랬다.).
파원
파동이 일어나는 근원지
* 횡파 : 매질이 파동방향과 수직으로 움직이는 파동 (물가에 돌을 던질 때. 나뭇잎 띄워놓으면 위아래 운동한다. 이는 구면파기도 하다.
* 종파 : 매질의 운동이 파동방향과 같은 방향.(어릴 때 용수철을 위아래 흔드는것 ?말고 앞 뒤로 힘을 가하면 생기는 파형, 지렁이, 소리가 대표적인 예이다.)
* 소리 : 공기입자의 진동으로 전달되는 파동파형
파동의 모양
정현파 : 파형이 사인 함수인 파동유체. 물, 공기 등등
음속에 관해서
마하
음속을 기준으로 몇 배인지 나타내는 단위. 이 단위가 중요한 이유는 당연히 이동하는 물체는 유체 속을 대부분 다닐거고 이는 공기의 파동인 음파의 속도(음속)에 영향을 받기 때문이다.
* 음속은 온도에 비례한다. (아마도 입자니까 열이 있는 환경에서 더 빨리 움직이는게 아닐까?).
(음속 < 광속 천둥 번개!!)
Mach Number = aircraft speed / sound speed 아음속(Subsonic) : 음속보다 느림. 마하계수가 1보다 작은 경우,
Mach Number < 1초음속(Supersonic) : 음속보다 빠름. 마하계수가 1보다 큰 경우 Mach Number > 1 도플러 효과
파원이 움직이면 파동과 진행방향이 같은 방향에서는 파장이 짧아지고(진동수가 올라감) 반대인 방향에선 파장이 길어진다(진동수가 낮아짐). 즉 파원이 관측자에게 달려갈 경우 소리가 더 높고 날카롭게 들리고(고주파 특징) 멀어질수록 낮게 들린다. 이러한 원리를 이용하면 잠수함을 탐지할 때 소리를 쏘아서(발신음) ?돌아오는 음(수신음) 두 가지를 비교했을 때 발신음 진동수 < 수신음 진동수 이면 관측자를 향해 오는 것이고 반대의 경우 멀어짐을 알 수 있다.또 다른 활용으로 공기 입자에 반사된 빛의 파장 변화를 조사해서 상승 또는 하강기류를 감지해낼 수 있다.
충격파
도플러 효과의 경우 파원이 파동의 속도보다는 따라가지 못했는데 만일 파원이 파동의 속도를 능가하면 충격파라는 새로운 현상이 나타난다. 충격파는 공기중에 움직이는 파원이 자기가 발생시킨 파동 속도를 능가하여 이동하면 파면이 뒤로 남겨져 파장이 매우 짧아지며(진동수가 상승) 생기는 강한 압력파이다.음속을 능가하면 공기는 영향을 받는다기 보다 마치 파원과 부딪치는 것처럼 보이게 된다. 음속보다 빠른 속도로 물체가 진행하면 공기입자가 파원을 흘러 뒤로 빠지지 못하고 상대적으로 쌓이게 된다. 따라서 공기 장벽같은 것이 쌓이게 되어 기압이 급상승하고 엄청난 고주파가 만들어지는 것이기 때문에 초음속으로 비행하는 물체는 두 번의 매우 큰 굉음을 내게 된다. 이런 굉음을 소닉붐이라고 한다.또한 이러한 초음속으로 이동하는 물체는 새로운 파형을 만드는데 원뿔 모양이기 때문에 마하원뿔이라고 부른다.?마하원뿔은 지면에 쌍곡선모양으로 도달하고 비행체가 움직이면서 이는 \'붐카펫\'(원뿔을 세로 단면으로 잘라 엎어논 공간)이라는 소닉붐 흔적을 남긴다.
[([https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcT7wSdYgJnd\_IZed7u6EJqqwgp\_gxhUyCsgHRNetVSFwIqZCjyqpw\\](https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcT7wSdYgJnd_IZed7u6EJqqwgp_gxhUyCsgHRNetVSFwIqZCjyqpw%5C]
앞서 소닉붐은 \'두번의 굉음\'을 말한다고 했는데 두번의 굉음 기압의 변화로 인한 현상이다. 기압이 급상승할 때, 기압이 급하강 할 때 나는 소리이다.기압이 급 상승하는 부분은 비행체의 앞부분에 파면이 중첩되며 공기 밀도가 높아질 때,기압이 급 하강하는 부분은 비행체의 꼬리에서 급 중첩됬던 공기가 풀리면서 공기 밀도가 낮아질 때 이다.이러한 기압 변화는 N자 모양의 파형을 띄게 된다.이 N파와 원뿔모양의 충격파, 그리고 비행체의 마하각(원뿔모양 파형에서 원뿔의 내부각)을 이용해서 비행체가 어느 방향으로 이동하는지 추적할 수 있다고 연구실에서 배웠다.