2015년 2학기 PULSE 4 전자물리실험 10 – 조도 센서와 소리 발생 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 -

1. 실험 주제 아두이노 보드에서 입력된 주파수를 이용하여 스피커로 소리를 출력하고 오실로스코프로 주파수를 측정하여 비교하는 실험 조도센서와 A/D 컨버터를 거쳐 입력되는 값을 이용하여 스피커의 출력 주파수를 바꾸어 연주하는 실험 푸쉬 버튼 스위치를 누를 때마다 LED에 불이 켜지고 주파수가 100Hz씩 증가하여 스피커로 출력시키는 실험

2. 기초 이론 2.1 진동과 파동 물질의 어떤 부분에서 일어난 진동이 전파되어 나아가는 것을 파동이라 한다. 종파: 매질의 진동 방향과 파동의 전달 방향이 같은 파동 횡파: 매질의 진동 방향과 파동의 전달 방향이 수직인 파동 스피커나 악기 등의 음원에서 발생된 진동이 공기를 통해 전파되는 것을 음파 즉 소리라고 한다. 음파는 종파이다. 전자의 진동에 의해 생성된 전기장과 자기장이 공간으로 전파되는 것이 무선통신에 쓰이는 전자기파이다. 이 파동은 횡파이다.

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파장 전자기파 플래쉬http://kowon.dongseo.ac.kr/~seewhy/Science/Movie/em_wave_phone.swf

2.2 파장 / 주기 / 진동수 / 진폭 파장은 파동이 전파되는 공간에서 파동의 제일 높은 곳인 마루와 다음 마루 사이의 거리이다. 단위는 m이다. 주기는 파동의 패턴이 반복되는 시간 간격이다. 단위는 초(sec)이다. 주기의 역수를 진동수라 한다. 진동수의 단위는 Hz이다. 평형점 y=0부터 최대 변위까지의 거리를 진폭이라 한다.

변수 기호 단위 파장 λ m (meter) 주기 T sec 진동수 f Hz (=1/sec) 진폭 A

2.3 소리의 속도 진동수가 f 이고 파장이 λ인 파동의 전파속도: v = f λ 온도 T(oC)의 공기 중에서 음파의 속도: v = 331.5 + 0.6×T(oC) (m/sec) 따라서 온도 15℃의 공기 중에서 소리의 속도는 약 340m/s 매질의 밀도가 클수록 음속은 크다. 따라서 기체에서 가장 느리고 고체에서 가장 빠르다. 물은 공기보다 4배, 철은 14배 빨리 소리를 전달한다.

2.4 소리의 삼요소: 크기, 고저, 음색

얼마나 크게 왕복운동 하는가?  소리의 크기 얼마나 빨리 왕복운동 하는가?  소리의 높낮이 어떤 스타일로 왕복운동 하는가?  음색 소리의 3요소

2.4.1 소리의 크기 소리의 세기 I : 파의 진행방향에 수직인 단위면적을 통하여 단위시간에 운반되는 진동 에너지 소리의 크기에 대한 단위는 데시벨(dB)로 나타낸다. 소리의 크기 = 10 log (I / I0) [dB] 기준 세기 I0 는 보통 사람이 겨우 들을 수 있는 소리의 세기이다. (예) 어느 소리의 세기가 I =1,000I0이면 그 소리의 크기는 30dB이다. 음압: 음원이 발생시킨 공기 중의 진동에 의해 야기된 순간 압력 음압은 대기압의 백만 분의 일에 불과하다.

음압 레벨(dB) 소리 사람이 감지할 수 있는 최소 소리 10 조용한 숨소리, 나뭇잎 바스락 소리 20 매우 조용한 방 40~60 1m 거리에서 일상적인 대화 소리 60~80 10m 거리에서 지나가는 자동차 소리 80~90 10m 거리의 번잡한 거리 소리 100 1m 거리의 공기 드릴 소리 110~140 100m 거리의 제트 엔진 소리 150 30m 거리의 제트 엔진 소리

2.4.2 소리의 고저 소리의 고저는 음파의 주파수에 의해 결정된다. 주파수가 높으면 고음이고, 주파수가 낮으면 저음이다. 저주파 소리는 더 멀리까지 전달된다.

사람의 귀로 들을 수 있는 가청 주파수는 20 ~ 20,000Hz 범위이다. 초저주파음파는 들리진 않지만 몸으로 느낄 수 있는데, 압박감과 고혈압을 동반하여 기분이 불쾌해질 수 있다. 20,000Hz 이상의 음파를 초음파라 하고, 그 반사파를 이용하여 거리 측정 및 의료 진단 장치 등에 이용되고 있다. 사람의 목소리는 일반적으로 100~6,000Hz 범위에 있으며, 사람의 청각은 1,000~6,000Hz에 가장 민감하다.

음계는 소리를 높이 순으로 늘어놓은 것이다. 특정 주파수의 2배가 되면 옥타브라고 한다. 현재는 옥타브를 대수적으로 12등분한 음계가 널리 사용되고 있다. 조율에 기준이 되는 음은 피아노의 중앙 건반 ‘라’이며 440Hz로 정해져 있다.

표준음 (440Hz) ‘라’ 전화기 발신음 TV 9시 정각 알리는 소리 Ambulance 소리 기타 5번선 소리는 220Hz 피아노 49번째 건반 소리

전화기 발신음 http://ora24.cafe24.com/Science/Dial_Tone.htm

조율 (Tuning) 오케스트라와 맞출 때는 오보에 ·클라리넷의 ‘A음’을 기준으로 한다. (네이버 백과사전)

Audrey Hepburn (1929~1993)

라 음을 들려줘

3. 실험 장비 및 부품 실험장비 아두이노 우노 1대 컴퓨터 부품 조도센서 CdS 셀 (GL5537) 1개 저항 47, 2k 각 1개 스피커 8Ω

4. 실험 실험1: 1옥타브(도레미파솔라시도) 음파를 반복적으로 연주하는 프로그램 int speakerPin =12; //압전 부저에 연결된 아두이노 보드의 출력 포트 번호 int numTones =8; //tones 변수의 배열 크기, 연주하려는 주파수 갯수 int tones[]={262,294,330,349,392,440,494,523}; // C D E F G A B C void setup() { } void loop() { for(int i =0; i < numTones; i++) { tone(speakerPin, tones[i]); // 지정된 포트로 주파수를 출력 delay(500); // 500msec 지연 아두이노 기본 두 함수

실험2: 조도센서가 감지하는 밝기에 따라 음파의 주파수가 변하는 프로그램 int speakerPin =12; //압전 부저에 연결된 아두이노 보드의 출력 포트 번호 int photocellPin =A0; //cdS 조도 센서에 연결된 아두이노 보드의 아날로그 입력 포트 번호 void setup() { Serial.begin(9600); // 아두이노 보드가 RS232 직렬통신을 할 수 있도록 초기화 // '9600'은 통신속도로, 초당 9600 비트의 데이터를 송수신할 수 있음 } void loop() { int reading = analogRead(photocellPin); //analogRead() 함수를 이용하여 데이터를 읽고 reading 변수에 저장함. // 아두이노의 ADC는 10비트 해상도를 가지며 범위는 0~1023임. int pitch =(100 + reading); // 압전 부저로 출력할 값을 저장한 변수 tone(speakerPin, pitch); // 지정된 포트로 pitch 변수 값을 출력 Serial.println(pitch); // pitch 변수 값을 시리얼 모니터로 출력 delay(500); // 500msec 시간 지연

회로도 실험 2 실험 1 실험 3

5. 결과보고서 시끄러운 소리란 무엇인가? 고음이란 무엇인가? ‘라’ 음에 대해 적으시오. 스피커의 동작 원리를 간단히 적으시오. 베토벤의 ‘운명’ 첫 마디 ‘솔솔솔 미~’를 반복 연주하는 아두이노 스케치를 작성하시오.