소리로 벽의 밀도를 잴 수 있을까?

소리의 투과손실을 역이용한 벽체의 면밀도 측정

건물 붕괴 사고를 막으려면 벽체의 밀도를 자주 검사해야 하지만, 초음파 검사 장비는 수백만 원에서 수천만 원이라 자주 하기 어렵습니다. 학생들은 녹음실처럼 소리를 막는 벽을 지을 때 쓰는 투과 손실과 질량 법칙에 주목했습니다. 벽이 무거울수록 소리가 더 많이 줄어든다면, 거꾸로 소리가 줄어든 정도로 벽의 무게를 알 수 있지 않을까? 음원실과 수음실 사이에 판을 끼우는 측정 장치를 만들고, 아크릴과 MDF 판을 겹쳐 가며 면밀도(단위 면적당 질량)와 투과 손실의 관계를 찾았습니다.

탐구 요약

제69회 충북과학전람회 409 전시 차트: 소리를 이용해 고체물질의 밀도를 측정할 수 있을까? — 제69회 충북과학전람회 전시 차트 (전국대회 차트는 찾는 중입니다) · 누르면 PDF로 크게 볼 수 있습니다

세 가지 탐구

투과 손실 측정 장치: 위 음원실과 아래 수음실에 각각 dB 측정기, 함수 발생기와 소리 크기를 기록하는 프로그램

탐구 1 · 장치 제작음원실과 수음실 사이에 판을

알루미늄 틀과 아크릴로 위아래 두 칸의 상자를 만들고 그 사이에 잴 판을 끼웠습니다. 함수 발생기로 일정한 소리를 내고 양쪽 소리 크기(dB)의 차이로 투과 손실을 구했습니다.

투과 손실 = 음원실 dB − 수음실 dB

탐구 2 · 측정 조건어떤 소리로, 어디서 잴까

진동수와 마이크 위치를 바꿔 가며 쟀습니다. 공명만 없으면 마이크 위치는 결과에 영향을 주지 않았고, 질량 법칙이 성립하면서 공명과 판의 진동이 없는 125Hz로 실험하기로 했습니다.

125Hz 사인파

아크릴의 면밀도에 따른 투과 손실 그래프: 면밀도의 로그에 비례해 투과 손실이 커진다

탐구 3 · 재질 바꾸기판이 무거울수록 소리가 더 줄어든다

아크릴 판과 MDF 판을 한 장씩 겹쳐 가며 면밀도에 따른 투과 손실을 쟀습니다. 두 재질 모두 면밀도가 클수록 투과 손실이 커졌고, 두 재질을 섞어 쌓아도 같은 관계가 나타났습니다.

면밀도 ↑ → 투과 손실 ↑

결론

투과 손실을 이용한 면밀도 예측 그래프: 예측 직선과 여러 판으로 검증한 점들

투과 손실로 면밀도를 예측할 수 있다

측정 결과로 투과 손실과 면밀도 사이의 식을 만들고, 다른 판을 재어 검증했습니다. 속이 꽉 찬 판이라면 재질이 달라도 투과 손실로 의미 있는 면밀도를 얻을 수 있었습니다.

값싼 비파괴 밀도 측정의 가능성

판 안에 공기층이 있으면 오차가 커져 두께와 공기층 정보가 더 필요했습니다. 그래도 차음성을 확인하는 데 쓰던 질량 법칙을 거꾸로 써서, 간단한 장비로 벽의 밀도를 재는 새로운 방법을 제시했습니다. 소리로 재는 것은 두께가 아니라 면밀도라서, 두께를 함께 알아내는 방법이 다음 과제입니다.