공기 역음

바람이 불고 나무에 부딪치면 나무 시들음 소리가 난다.
악기에 숨을 들이면 소리가 난다.
자동차를 타면 바람 소리가 들린다.


공기가 흐르고 물체에 작용함으로써, 깨끗한 소리로부터 불쾌한 소음까지 다양한 소리가 발생한다. 이 소리를 「공력음」(혹은 유체음 등)이라고 한다.

어떤 소리가 발생하는지는,
* 흐름 조건(유속, 방향 등)
* 물체의 형태
에 따라 달라집니다.

예를 들어, 같은 악기를 불어도, 착한 사람이 불면 좋은 소리가 울리고, 초보자가 불면 소리가 울리지 않는 경우도 있다. 형태가 같더라도 흐름(숨)의 조건에 따라 소리가 바뀐다.

또, 같은 사람이라도 다른 메이커의 악기를 불면, 다른 음색이 된다. 흐름(숨)의 조건은 같아도, 형태(악기 형상)에 의해 소리가 바뀐다.

원하는 소리를 내기 위해 어떤 형태로 설계하면 좋을까?
어떻게 흐름을 제어하면 좋을까?

이를 밝히기 위해 공력 음향학의 세계에서는 이론, 실험, 수치 계산, 기계 학습 등에 의해 다양한 연구가 이루어지고 있다.

흐름과 소리의 상호작용

흐름과 소리가 상호작용이 중요한 현상

플루트나 리코더에서는 숨을 들이면 소리가 발생한다. 여기까지는 모두가 알고 있지만, 실은 그것으로 끝이 아니라, 발생한 소리가 숨의 흐름에 영향을 주고 있다.


악기에서 소리가 울릴 때, 관내에서는 정재파가 발생하고 있어 압력이 약간 높아지거나 낮아지는 것을 반복하고 있어, 그에 따라 공기의 밀도가 약간 「희소」⇔「밀」 로 변동.

이러한 압력 변동에 수반되는 밀도 변동을 「유체의 압축성」이라고 부른다.


정재파에 의한 공기 변동의 영향으로, 호흡 흐름은 상하로 진동한다. 그리고 숨이 관에서 나오거나 들어가는 것으로 정재파가 영향을 받는다.


이와 같이, 플루트나 리코더에서는, 흐름과 소리가 상호작용(연성)하고 있다.

흐름과 소리가 상호작용이 중요하지 않은 현상

그러나 모든 공력음에서 흐름과 소리의 연성이 중요한 것은 아니다. 소리가 흐름에 거의 영향을 미치지 않는 경우, 연성을 고려할 필요는 없다.

예를 들어, 자동차의 바람 소리와 같이, 흐름에 의한 공기 변동에 대하여 소리에 의한 공기 변동이 작은 경우, 소리에 의한 흐름의 변화를 무시할 수 있다. 이 경우, 자동차 주위의 흐름이 어떻게 되는지는, 유체의 압축성을 무시하고, 비압축성 유체라고 가정하여 생각할 수 있다.

수치 계산 기법

흐름과 소리의 연성이 중요한 경우

흐름과 소리를 동시에 풀 필요가 있다.

따라서 유체를 압축성 유체로 취급하고 압축성 유체의 지배 방정식에 따라 흐름과 소리를 계산합니다.

흐름과 소리의 연성이 중요하지 않은 경우

흐름과 소리를 별도로 풀 수 있습니다.

이 경우, 유체를 풀 때는 소리를 생각할 필요가 없기 때문에, 유체를 비압축성 유체로서 취급하고, 비압축성 유체의 지배 방정식에 기초하여 흐름을 계산한다.

그러나, 비압축성 유체에서는 소리가 발생하지 않는다. 따라서, 흐름으로부터 어떠한 음이 발생하는지는, 흐름의 상태로부터 음의 발생과 전파를 예측하는 방정식(Lighthill 방정식 등)을 이용하여 계산한다.

정리하면 다음과 같다.