공 진 Gold D. Geon

목차 공진이란 무엇인가? 사전적 의미와 정의 공진이 왜 필요한가? 예시와 필요성 공진이란 무엇인가? 사전적 의미와 정의 공진이 왜 필요한가? 예시와 필요성 공진은 언제 발생하는가?전기적 공진(L·C, 교류(주파수)) 공진을 어떻게 사용하는가? 스미스 차트, 구조적 공진 공진을 어디서 이용하는가? 회로(필터, 안테나) 공진이 누구에게 필요한가? 총 정리 애니메이션 있음 공진이란 무엇인가에선 사전적 의미로 간단하게 개념을 잡고 왜필요한가 에서 예시를 통하여 조금 더 개념을 확실히 알고 가장 중요한 언제 발생하는가 에서 원리를 통해 개념을 이해하고 어떻게 사용하는가에서 공진의 적용을 바라보고 어디서 이용하는가로 응용된 실사례를 보고 누구에게 필요한가에서 마무리를 짓는 형식 입니다.

2011년 서울 강변역 테크노마트 사무동이 흔들렸던 원인 스포츠센터 태보운동의 공진이 원인으로 제기됐다. 공진현상이 엄청난 에너지입니다. 잘만 활용하면 실생활에 엄청난 도움이 됩니다! 그러한 공진을 알아보도록 하겠습니다.

공진(共振) resonance 이란 무엇일까?[WHAT] 사전적 의미 [전체적인 맥락에서의 공진] 共振 한가지, 떨다 일반 물리학 <자연과학 > 물리학 > 전자기학>분류 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상입니다. 출처 : KOMIS 자원용어사전 제목이나 이름이 모든 뜻을 품고 있습니다. 그 만큼 신중하게 지었고, 알기 쉽지요. 어떠한 진동 수 두 개가 같이 떤다는 의미가 됩니다. 에너지 증가는 운동에너지가 위치에너지가 되듯이 무엇인가가 증가하는 것입니다.

공진(共振) resonance 이란 무엇일까?[WHAT] 사전적 의미 [정보통신 맥락에서의 공진] 어느 파동의 주파수와 그 물체 또는 전기회로 등의 주파수가 일치했을 때 일어나는 현상으로, 전기회로에는 저항, 코일, 콘덴서의 배치에 의해 직렬공진과 병렬공진이 있다. 직렬공진에는 공진시에 전류는 최대치가 되고 전압은 최소치가 되며 병렬공진에서는 전류가 최소치가 되고 전압이 최대치가 된다. 출처 : KOMIS 자원용어사전 주파수라는 진동이 나왔고, 일치했다는 같음이 나왔습니다. 전류와 전압이라는 에너지가 나오게 되구요! 직렬공진와 병렬공진이라는 특정 명칭도 갖고 있습니다. 그럼 이렇게 주파수라는 진동이 있고, 전류 전압이라는 새로운 에너지가 있는데 이것들을 조금 더 전문적인 고급용어로 알아 보도록 하겠습니다.

공진(共振) resonance 이란 무엇일까?[WHAT] 사전적 의미 [정보통신 맥락에서의 공진] 진동 회로에 정현파 교류를 가했을 때, 어느 특정 주파수에서 유도 리액턴스와 용량 리액턴스가 서로 상쇄되어, 회로가 저항만을 갖는 것과 같이 되는데, 이때 입력 전압에 대한 전류가 최댓값이 나타나게 되는 현상. [출처 : TTA 한국정보통신기술협회 용어사전] 용량성 리액턴스 [capacitive reactance] C 교류 회로에서 임피던스 허수부 중 용량성을 포함한 부분. 임피던스를 복소수 Z＝R＋jX의 형으로 나타낼 때 X가 음(陰)이면 Z는 용량성이라 말하고, X를 용량성 리액턴스라고 한다. 즉 정전 용량에 기인한 교류 회로의 리액턴스로서 단위는 옴이다. 용량을 C, 주파수를 f라 하면 용량성 리액턴스 Xc는 대략적인 뜻 두 개 이상의 무엇인가 조화되어, 극대화시키는 현상 유도성 리액턴스 [inductive reactance] L 임피던스를 복소수 Z＝R＋jX의 형식으로 표시할 때의 X. R는 저항이다. 또 Z＝R+jX의 형식이면 Z는 유도성 리액턴스이다. 교류신호에서 특정 주파수에서 무엇인가 2개가 상쇄되어 이전에 나왔던 두 에너지 값 중에 하나가 최댓값이 나오는 현상을 말합니다. 용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스를 간단히 설명한 후 넘어가고 뒷부분에서 자세히 다루도록 하겠습니다. 애니메이션 있음 서로 상반되는 의미 인데요, 중요시 보아야 할 것은 C와 L이라는 문자 입니다. 용량이라는 단어는 무엇인가 저장하고, 유도라는 단어는 무엇인가 이끌어가는 단어 입니다. 용량이란 용어자체가 무엇인가 저장하는 의미가 있음을 기억해 주시기 바랍니다. 공진을 한마디로 정의 한다면, 다음과 같습니다. 다음 내용은 공징의 WHY로 예시와 필요성을 부각하여 설명토록 하겠습니다.

공진이 왜 필요할까? [WHY] 공진의 예시 애니메이션 간단한 예로 TV를 본다고 할 때, 채널을 맞추는 것이 주파수를 맞추어서 보는 것입니다. 즉, 보내는 주파수와 받는 주파수를 맞추어 원하는 정보를 얻는 것입니다. 현대 사회에는 수 많은 전파가 존재하기 때문에 자신에게 필요치 않은 정보는 잡음이 되기 때문입니다. 잡음은 예를 든다면 동시에 여러 명이 말을 할 때 한 명만 집중하여 듣는데 이것이 하나의 예가 될 수 있습니다. 필요한 신호만 얻을 수 있다는 점입니다. 통신( TV, 라디오, 휴대폰 ) 생활에서 사용되는 대부분의 전자기기에서 사용됩니다. 다음으로 공진은 언제 발생하는가에 대하여 기본적인 원리와 특징을 알아 보도록 하겠습니다. 즉 자신이 필요한 정보를 얻고자 할 때, 주파수를 선택 하는 것이라고 말 할 수 있습니다.

공진은 어느 때 발생하나[WHEN] LC에 의한 전기적 공진 원리를 대표로 설명해 드리겠습니다. S11은 입력단 반사계수 S21은 정방향 전달계수, S22는 출력단 반사계수, S12는 역방향 전달계수 서로 다른 에너지 및 특성 주파수가 일치할 때 공진이 발생 L은 Inductance 인덕턴스 ( induct 이끌다(to lead) ance 상태 or 양) 선로의 길이가 길 때 나타나는 현상인데, 전류가 변하지 않도록 방향을 이끌어주는 겁니다. [교류의 흐름의 변화를 막는다] 공진의 원리를 알면 언제 발생하는지 알 수 있습니다. 즉 필요할 때 사용할 수 있다는 것이죠. LC에 의한 전기적 공진 원리를 대표로 설명해 드리겠습니다. 서로 반대되는 성질의 비율이 평형상태를 이루어 공존하면 공진이 발생 C는 capacitance 캐패시턴스 ( capacite 유지하는 기능 (ability to hold) 잠시 저장하는 역할을 합니다. 주로 저주파일 경우 오랫동안 저장 합니다. [교류가 높을수록 빨리 흐른다] 애니메이션 3단 회로에 흐르는 전류 변화에 전자기유도로 생기는 역 기전력 비율(상대적) 이라고 하고 주로 고주파일 경우 방해를 많이 합니다. 전압을 넣었을 때 축적되는 전하량의 비율(상대적) 애니메이션 이해하기 힘들 수 있기에 직관적인 그래프를 보아 설명토록 하겠습니다. 다른 그림을 참조해보면 양의 허수 인덕터와 음의 허수 캐패시터가 서로 밀고 당기다가 허수 임피던스가 가장 낮아질때 발생합니다. 아까의 사전적 의미를 되 새김할겸 본다면 교류의 특성상 주파수를 갖고 있는데요. 주파수 또한 영향을 끼칩니다. 이 말은 즉! 여기에서 공진 주파수라고 나오는데요 그것은 교류는 주파수를 갖고 있기 때문입니다. 다음 슬라이드를 통하여 좀 더 구체적으로 알아 보도록 하겠습니다.

공진은 어느 때 발생하나[WHEN] 병렬 캐패시터와 직렬 인덕터가 그 주파수에 맞게 전기장과 자기장 으로 에너지를 서로 손실 없이 주고 받으면서 허수 임피던스를 0으로 만들어서 신호를 전달합니다. 위와 같은 그림에서는 아무런 공진이 발생하지 않습니다. 애니메이션 하지만 다음 그림을 보신다면 LC가 어떻게 역할 하는지 알 수 있습니다. 병렬 캐패시터만 달려있으면 모든 주파수가 다 새나가겠지만, 직렬 인덕터가 같이 붙어 있으면서 병렬 캐패시터로 빠져나가는 에너지중 일부주파수를 끌어오게 됩니다. 그래서 특정 주파수 신호가 주기성을 갖고 변할때, 임피던스에 관한것 뒤쪽에서 자세히 설명토록 하겠습니다.

공진을 어떻게 사용하나[HOW] 전기적으로는 RL의 직렬, 병렬 값 조정과 임피던스 매칭이 있었습니다. 인덕터(Inductor) 캐패시터(Capacitor) 전기적으로는 RL의 직렬, 병렬 값 조정과 임피던스 매칭이 있었습니다. 임피던스란 ? impedance (impede 방해하다.) 직류회로에서 저항이 있듯이, 교류회로에 임피던스가 있습니다. 교류회로에서 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타낸다. 복소수로서 실수부분은 저항, 허수부분은 리액턴스를 의미합니다. 임피던스 매칭을 하면 공진을 사용할 수 있게 되는데요! 여기서 임피던스란 무었일까요? 역시 공진의 임피던스 매칭을 글로만 알자니 어렵죠? 애니메이션 허수부를 0으로 만들면 됩니다. 즉 이러한 교류의 저항값 인 임피던스를 0으로 만든다는 것인데요! 이 그림역시도 보기 힘들군요! 직관적이지 못하니 그래프로 보겠습니다. 스미스 차트라는 것인데요, 이것을 이용하면 허수가 +인지 -인지 쉽게 알아볼수 있습니다. 이러한 차트를 이용해 값을 변경하면 원하는 주파수를 선택하여 공진을 일으킬 수 있게 됩니다. 가운데가 0입니다 맞추어 주도록 길이를 늘리거나 줄이면 됩니다. 공진 시간임으로 스미스 차트에 관한 것은 여기서 간단히 마치겠습니다.

공진을 어떻게 사용하나[HOW] 구조적으로는 cavity(동공 : 안이 비어있는 통,관)의 내부가 공기 또는 유전체로 채워져있는 금속통입니다. 회로뿐 아니라 실질적으로 사용하게 될 회로 덮개 등이 공진을 방해하는 임피던스와 같은 요소가 되기도 하기 때문에 구조적으로도 공진이 사용될 수 있습니다. 지금까지 전기적은 공진 LC의 직,병렬 그리고 주파수 매칭에 대하여 알아 봤습니다. 이제부터는 구조적 공진에 대하여 알아 보도록 하겠습니다. 애니메이션 그림을 통하여 보도록 하지요 다음과 같은 방법이 있습니다. 그러면 이러한 방법들이 주로 어디서 이용되는지 알아보도록 하겠습니다.

회로에서의 LC를 이용한 필터 공진을 어디서 이용하는가[WHERE] 회로(필터, 안테나) 필터(여파기)의 경우 정수기 필터와 같이 필요한 신호만 걸러내는 역할을 합니다. 애니메이션 그림을 통하여 보도록 하겠습니다. 다음 볼 것들은 구조적으로 길이를 조절하여 Micro Strip을 이용한 필터를 보도록 하겠습니다. 구조적으로 전기의 주파수에 맞추어 이용할 수 있습니다.

끊어진 선로 공진을 어디서 이용하는가[WHERE] 안테나 이것 역시 처음 보여준 안테나처럼 안테나의 크기에 연관이 많습니다. 각 주파수에 따른 구조적/전기적 주파수 선택을 하게 됩니다. 가장 일반적인 안테나 형태인 dipole 안테나의 경우 막대기 길이의 두배의 파장을 가진 주파수에 공진합니다. 그럼으로, 전압/전류로 표현되는 전기적 신호와 전기장/자기장으로 표현되는 전자기파를 서로 변환해주는 역할을 하거나 대기 중에 떠다니는 전자기파 신호를 전자기기가 감지하고, 또 그 역도 가능 대기 중의 신호를 걸러내기 때문에 필터처럼 공진이 필요합니다. 안테나 끊어진 선로 안테나는 한마디로 끊어진 선로입니다. 애니메이션 더 이상 전기신호가 진행할 수가 없는 상태이므로, 일반적인 선로가 그렇게 된다면 open(개방)된 회로처럼 신호가 더 이상 갈 곳이 없어서 전반사해서 돌아옵니다. 하지만 안테나는 그 끝단을 특정 주파수에서 공진하게 함으로써, 신호가 되돌아가지 않고 어떤 전자기장 형태의 에너지가 형성되어 외부로 뻗쳐나가도록 해줍니다. 그림을 통해 어떻게 공진이 되는지 설명하겠습니다. 안테나의 크기와 주파수는 많은 연관성을 갖게 됩니다. 다음 넘어갈 슬라이스는 마지막 장으로 지금까지 발표한것을 총 망라한 것입니다.

공진은 누구에게 필요한가[WHO] 공진을 모른다면, 원하는 정보를 얻고 사용할 수 없기에 아무리 좋은 통신 환경이 주어지고, 고가의 장비가 있다고 하더라도 선택할 수 없어 불필요정보 속에 원하는 정보가 섞여있어 아무것도 못합니다. 공학도의 목표인 기술과 비용 이라는 두 가지 면에서 서로의 최대 효율점을 찾을 수 있는 가장 핵심이 되는 부분 중 하나가 공진 이라고 할 수 있습니다. 공진이란 무엇인가?[WHAT] 서로 반대되는 성질의 비율이 평형상태를 이루어 공존하면서 공진 서로 다른 에너지 및 특성 주파수가 일치할 때 공진이 발생 공진이 왜 필요한가[WHY]? 자신이 필요한 정보를 선택 공진은 언제 발생하는가?[WHEN] 원리와 전기적 공진(L·C, 교류(주파수) 밀고 당기는 힘이 평형 할 때 발생 서로 다른 에너지 및 특성 주파수가 일치할 때 공진이 발생 공진을 어떻게 사용하는가[HOW]? 스미스 차트, 구조적 공진 공진을 어디서 이용하는가[WHERE]? 회로(필터, 안테나) 처음엔 공진의 뜻과 필요성을 아봤었고, 애니메이션 그 다음 이러한 것들이 있었습니다. 이러한 공진은 전화기, 휴대폰, 무전기, 각종 송수신기, 레이더 등 수많은 RF장비에 사용 됩니다. "전자기파 주파수대역을 이용하여 무선통신 및 고주파를 이용하는 장비설계, 연구 공학분야“에 속해있는 사람 누구든지 알아야하는 가장 기초이면서도 필수적인 요소이기 때문입니다. 공진이란 무엇인가에선 사전적 의미로 간단하게 개념을 잡고 왜필요한가 에서 예시를 통하여 조금 더 개념을 확실히 알고 가장 중요한 언제 발생하는가 에서 원리를 통해 개념을 이해하고 어떻게 사용하는가에서 공진의 적용을 바라보고 어디서 이용하는가로 응용된 실사례를 보고 누구에게 필요한가에서 마무리를 짓는 형식 입니다.

Q & A 공진이란 무엇인가? 사전적 의미와 정의 공진이 왜 필요한가? 예시와 필요성 공진이란 무엇인가? 사전적 의미와 정의 공진이 왜 필요한가? 예시와 필요성 공진은 언제 발생하는가? 전기적 공진(L·C, 교류(주파수)) 공진을 어떻게 사용하는가? 스미스 차트, 구조적 공진 공진을 어디서 이용하는가? 회로(필터, 안테나) 공진이 누구에게 필요한가? 총 정리