[23' 전람회] 전국과학전람회 - 또 하는 전람회

작년과 재작년에 이어서 다시 한번 더 충북과학전람회를 하게 되었다. 그 이유는 2년만 하면 정없기도 하고 이번에는 새로운 분야로 도전을 해보고 싶다는 생각에 후배와 팀을 이뤄 전람회를 진행하게 되었다. 초기엔 서로 일정도 잘 맞지 않고, 특히 나는 탐구 활동을 3개 정도를 동시에 진행하면서 제대로 탐구를 진행하지 못한 상태로 후배가 주로 진행을 하게 되었다. 이 과정에서 우리의 주제는 소리의 투과 손실을 통해 벽체의 밀도를 측정하는 것이었다.

투과 손실(TL)이란 간단히 음원실과 수음실이 있을 때 그 사이에 벽체가 있어 투과 되는 소리들을 말하며 이때, 음원실의 dB과 수음실의 dB의 차로 구하게 된다.
이 과정에서 다양한 이론적 배경을 더 찾아보았고, 다음과 같은 이론적 배경 또한 존재했다.

질량 법칙(mass law): 투과 손실이 면밀도와 진동수 곱에 상용로그를 취한 것과 비례한다.
$TL_0 = 20log_{10} \frac{2 \pi f m}{2 \rho c} = 20 log_{10}fm - 43  [dB]$
($f$: 진동수, $m$: 단위 면적당 질량, $\rho$ : 공기의 밀도, $c$: 음속)

이를 기초로 다양한 선행 연구를 조사했고, 진동수와 투과손실을 통한 그래프에서 다음과 같은 구역이 존재한다는 것을 알게 되었다.

• 불안정 구역 stiffness controlled region
• 공명 구역 resonance region
• 질량 법칙 구역 mass law region
• 공진주파수 구역 coincidence region

이를 통해 우리는 진동수와 투과 손실이 비례할 질량 법칙 구역을 찾고, 그 구역에서 투과 손실을 통해 역으로 벽체의 밀도를 구하자는 생각을 하게 되었다.

이를 위해 간단한 음원실과 수음실을 만들고, 스피커와 dB 측정기를 달아 함수 발생기를 통해 다양한 Hz를 조절하였고, 이를 기록하여 진동수에 따른 투과 손실을 측정해보았다.

이때, 마이크의 위치에 따라 dB이 다르지 않아야 공명이 존재하지 않아 잔향실 조건을 만족할 수 있기에 마이크를 여러 위치에 붙여 공명 여부도 확인하였다.

이를 통해 진동수에 따른 음압 레벨이 비례하는 구간을 찾았으나, 다른 요인으로 인한 것인지 정말 질량 법칙에 의거한 것인지는 확실히 알 수 없었다. 하지만 시간도 없고, 그 외의 다른 부분은 더더욱 가능성이 희박하여 일단 실험을 진행하고자 하였다.

이후 아크릴과 mdf를 두께별로 계속 쌓아가는 방식으로 면밀도에 따른 투과 손실을 측정해보았고, 판의 크기에 대한 투과 손실 또한 측정해보았다.

이때, 측정 판의 크기에 따른 결과에서 판의 크기가 커질 수록 정확도가 높아져 최대 크기의 판을 사용해야 한다는 결론을 내리게 되었고, 아크릴과 mdf, 두 재질의 면밀도에 따른 투과 손실 그래프를 겹쳐서 한번 보게 되었다

그 결과는 다음과 같다.

이처럼 오차 범위 내에서 그래프가 겹치는 위치가 나타났고, 이 범위에서의 면밀도에 따른 투과 손실 그래프를 만들었다.

이후 이 그래프에 공극을 포함한 실험, 재질을 혼합한 실험 등을 반복해 테스트 한 결과, 어느정도 결과를 얻을 수 있었다.

이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 특정 면밀도 범위를 만족하게 하면 투과 손실을 통해 면밀도를 알아낼 수 있었으며, 면밀도 범위를 만족하지 않으면 오히려 오차율이 높다는 한계가 존재했다.
2. 투과 손실에 영향을 줄 수 있는 재질, 공극, 면적 등의 요소들을 확인하여, 질량 법칙이 성립하는 진동수 범위와 잔향실 조건들을 만족하여 오차가 최소화되도록 하였다.

이 과정을 통해 많은 것을 배울 수 있었던 것 같다.
사실 지금까지의 탐구는 하던 팀원들과의 재도전이었다. 하지만 새로운 사람, 그리고 완전히 다른 종류의 탐구를 진행하면서 연구 활동이 사실상 이어져있다고 느꼈고, 기본적인 틀은 같은 곳에서 새로운 아이디어를 검증하는 것뿐이라는 생각을 했던 거 같다. 이 과정에서 팀원과의 불협화음이 생기지만 이것또한 상호 보완할 점으로 삼아서 더 나아갈 수 있는 원동력으로 작용한다면 더욱 성장할 수 있을 거 같다.
이것으로 고등학교에서의 탐구는 거의 마무리되었다…! 대학에서도 이것처럼 연구활동을 할 수 있기를 바라며 최종 차트와 사진을 첨부하고자 한다.

아! 최종적으로는 특상이라는 지금까지의 상격에 비해 아쉽지만, 개인적으로는 매우 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다. 이 상격은 내가 아닌 지도교사인 정도일 선생님의 능력이지 않을까 싶다…

(이 글은 모든 탐구가 끝난 이후에 작성하였으며, 기억에 의거하여 조금의 틀린 부분이 있을 수 있습니다.)