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과학

공명

공명과학
영문명
Resonance
전기·공학 표현
공진
주요 조건
진동계의 특성과 외부 구동의 관계
주요 변수
고유 진동수와 감쇠
대표 활용
주파수 선택과 신호 검출
공명은 진동계가 특정한 구동 주파수 부근에서 큰 응답을 보이는 현상이다. 실제 응답 크기와 공명 폭은 감쇠와 구동 방식 등에 따라 달라진다.

조금씩 전달되는 에너지

외부에서 주기적으로 힘을 가하면 진동계에 에너지가 전달된다. 구동과 계의 운동이 알맞은 관계를 이루는 주파수에서는 반복되는 입력에 큰 응답이 나타날 수 있다.

같은 크기의 힘이라도 얼마나 자주, 어떤 위상으로 가하는지에 따라 효과가 다르다. 공명은 힘의 크기 하나만으로 결정되는 현상이 아니다.

고유 진동수와 공명점

외부 구동 없이 작은 변위를 주었을 때 나타나는 진동 특성은 고유 진동수와 관련된다. 여러 자유도를 가진 계에는 여러 진동 모드와 고유 진동수가 있을 수 있다.

감쇠가 있는 계에서는 측정하는 응답량과 구동 방식에 따라 최대 응답 주파수가 단순한 무감쇠 고유 진동수와 정확히 일치하지 않을 수 있다. 두 개념을 언제나 같은 숫자로 놓으면 세부 해석을 놓친다.

무한한 진폭이 생기지 않는 이유

현실의 진동계는 마찰과 저항 등으로 에너지를 잃는다. 입력과 손실이 균형을 이루면 응답이 제한되며, 큰 진폭에서는 구조의 비선형성도 중요해진다.

손실이 작은 계는 특정 주파수에 날카롭게 반응할 수 있고 손실이 큰 계는 반응이 넓고 완만할 수 있다. 공명 주파수와 함께 폭과 감쇠를 살펴야 하는 이유다.

이용과 억제

주파수 선택 회로와 여러 센서는 공명을 이용해 필요한 신호에 민감하게 반응한다. 반대로 구조물과 기계에서는 반복 하중에 대한 큰 진동을 줄이기 위해 감쇠와 고유 특성을 조절한다.

큰 진동이 보인다고 원인이 모두 같은 단순 공명은 아니다. 바람과 유체가 에너지를 공급하는 불안정 등 다른 기작도 있어 실제 원인을 분석해야 한다.

관련 문서

진동 / 진동수 / 에너지