KR20210075352A - An Experimental Device for Noise Filtering and Standing Wave Education Using Fourier Transformations - Google Patents

An Experimental Device for Noise Filtering and Standing Wave Education Using Fourier Transformations Download PDF

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Abstract

The present invention relates to an electronic air column resonance experimental instrument for educating noise filtering using Fourier transformation and reverse Fourier transformation, and more specifically, to an electronic air column resonance experimental instrument which inserts a thin rectangular plate in a transparent PVC rectangular mold to adjust the position of the rectangular plate through a handle, adjusts the position through an ultrasound wave sensor, and conducts Fourier transformation based on data received by using an audible device, thereby observing characteristics of standing waves. According to the present invention, waves can be objectively observed, thereby increasing accuracy of experiments.

Description

푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치{An Experimental Device for Noise Filtering and Standing Wave Education Using Fourier Transformations}An Experimental Device for Noise Filtering and Standing Wave Education Using Fourier Transformations

본 발명은 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 투명 PVC 사각몰드 내에 얇은 사각판을 삽입하여 손잡이를 통해 사각판에 부착된 사운드 센서의 위치를 좌우로 조정할 수 있도록 하고, 초음파 센서를 통해 정재파의 파장을 측정하며, 초음파 센서와 음향 장치에 대해 사운드 센서에서 측정하는 음압 데이터를 가지고 푸리에 변환 및 필터링, 역 푸리에 변환을 통해 정재파의 특성을 관찰할 수 있도록 하는 전자식 기주공명실험장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electronic host resonance experiment apparatus for noise filtering and standing wave education using Fourier transform and inverse Fourier transform. In more detail, a thin square plate is inserted into a transparent PVC square mold so that the position of the sound sensor attached to the square plate can be adjusted left and right through the handle, the wavelength of the standing wave is measured through the ultrasonic sensor, and the ultrasonic sensor and sound It relates to an electronic host resonance experiment device that enables the observation of the characteristics of standing waves through Fourier transform, filtering, and inverse Fourier transform with sound pressure data measured by a sound sensor for the device.

일반적으로 기주공명실험은 공명현상을 이용하여 공기기둥을 진동시키고 진동하는 파동의 파장을 계산하여 공기 중에서 진행하는 파동의 속력을 구하기 위한 실험이다.In general, the host resonance experiment is an experiment to determine the speed of a wave propagating in the air by vibrating an air column using a resonance phenomenon and calculating the wavelength of the vibrating wave.

이때, 파동의 진동수는 공명을 일으키는 장치, 즉 진동수를 알고 있는 소리굽쇠를 이용하고, 파동의 파장은 기주공명실험장치를 이용하여 구한다.At this time, the frequency of the wave is obtained using a resonance-generating device, that is, a tuning fork that knows the frequency, and the wavelength of the wave is obtained using a host resonance experimenter.

종래의 기주공명실험장치는 유리관으로 이루어지고 눈금이 형성되며 공기기둥을 만들기 위한 공명관과, 소리굽쇠, 공명관으로 물을 공급하여 공기기둥의 높이위치를 조절하기 위한 물통 그리고 이들을 지지하는 금속제 스탠드 장치로 이루어져 공명관 내의 물기둥을 위쪽으로 올리고, 진동수를 알고 있는 소리굽쇠를 쳐서 소리를 발생시킨 후 공명관의 입구에 가까이하여 공명관 속의 공기들이 소리굽쇠로 인해 함께 진동하게 하며, 공기 기둥의 고유 진동수와 소리굽쇠의 진동수가 일치하면, 공명이 일어나 공명관 속 공기진동에 의해 '웅~'하는 진동음이 발생된다.The conventional host resonance experiment apparatus consists of a glass tube, a scale is formed, and a resonance tube for making an air column, a water tank for adjusting the height position of the air column by supplying water to the tuning fork and the resonance tube, and a metal stand device supporting them. Raise the water column in the resonance tube upwards, hit the tuning fork with a known frequency to generate sound, and then approach the entrance of the resonance tube so that the air in the resonance tube vibrates together with the tuning fork. When the natural frequency of the air column matches the frequency of the tuning fork, , the resonance occurs, and the vibration of the air in the resonance tube produces a 'hum' vibration sound.

이와 같이 소리굽쇠로 공명관 속 공기를 진동시킨 후 물기둥의 높이를 아주 천천히 아래로 내리면서 공명관 속에서 진동음이 들리는 지점을 찾아 표시하고, 공명이 일어나는 지점이 여러 개 존재하므로 아래로 내리면서 소리가 가장 큰 지점(커졌다가 작아지는 지점)을 최소한 2개를 찾아 공명관 속 공기가 진동할 때 파장과 공명관 내 공기에서 파동(음파)의 속력을 계산하게 된다.In this way, after vibrating the air in the resonance tube with a tuning fork, lower the height of the water column very slowly to find and mark the point where the vibration sound is heard in the resonance tube. When the air in the resonance tube vibrates by finding at least two points (points that increase and decrease), the wavelength and the speed of the wave (sound wave) in the air in the resonance tube are calculated.

이러한 종래의 기주공명실험장치는 유효길이를 보정하지 않아도 되는 장점이 있으나, 그 실험에 2~3명의 인원이 필요하며, 휴대와 보관이 불편한 단점이 있었다.Such a conventional host resonance experiment apparatus has the advantage of not having to correct the effective length, but it requires 2-3 people for the experiment, and has disadvantages in that it is inconvenient to carry and store.

또한, 종래의 기주공명실험장치는 정확도 면에서도 문제가 있고, 학습용 실험교재로서 다소 불편한 점이 있었다.In addition, the conventional host resonance experiment apparatus has a problem in terms of accuracy, and has a somewhat inconvenient point as an experimental material for learning.

이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국실용신안공보 제1992-0003948호 진동수 측정 장치는 공기주의 상단부에 위치한 발성체를 전자키트를 이용한 자동발성 장치로 구성하여, 종래의 소리굽쇠에 의한 수타식 발성체의 결점을 보완하여, 고음을 발생시킨 후 기주 내에서 그 음과 공명을 이루는 점을 찾기 위하여 사용되는 수주(물기둥)의 높이 조절을 유량 조절 가능한 물펌프를 이용하여 용이하게 진동수를 측정할 수 있게 하였다.In order to solve this problem, the Korean Utility Model Publication No. 1992-0003948 frequency measuring device consists of an automatic vocalization device using an electronic kit for the vocalization object located at the upper end of the air column, thereby eliminating the shortcomings of the conventional hand-beating vocalization object by the tuning fork. As a supplement, the height of the water column (water column) used to find a point that resonates with the sound in the host after generating a high sound can be easily measured using a water pump that can control the flow rate.

또한 대한민국등록특허공보 10-1686936호 교육용 스마트 기주공명실험장치는 세 개의 주사기를 하단에 구성하여, 종래의 기주공명실험장치에서 지지대를 사용함으로써 혼자서도 실험을 할 수 있게 하였다.In addition, Korea Patent Publication No. 10-1686936 Smart Host Resonance Experimental Apparatus for Education consists of three syringes at the bottom so that one can experiment alone by using a support in the conventional host resonance experiment apparatus.

그러나 상기 기주공명실험장치들은 물을 공급해주지 않은 상태에서 실험이 이루어질 수 없어 보관과 설치에 불편하다는 단점이 있었다.However, the host resonance experiment apparatus had a disadvantage in that it was inconvenient to store and install because the experiment could not be performed in a state where water was not supplied.

푸리에 변환은 일반적으로 공과 대학 교육 과정에 포함되어 있으므로, 책이나 인터넷을 통해 실험값을 찾아 푸리에 변환을 적용해볼 수는 있으나, 이미 주어진 실험값을 활용하는 것만을 가지고 푸리에 변환을 이해하는 것에는 부족함이 있다.Since the Fourier transform is generally included in the curriculum of engineering colleges, it is possible to find experimental values through books or the Internet and apply the Fourier transform, but it is insufficient to understand the Fourier transform only by using the given experimental values. .

(특허문헌 1) KR1992-0003948 Y1 (Patent Document 1) KR1992-0003948 Y1

본 발명의 목적은 휴대와 보관이 편리하고, 물을 공급하는 과정 없이도 실험이 가능하고, 혼자서도 실험이 가능한 전자식 기주공명실험장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an electronic host resonance experiment apparatus that is convenient to carry and store, which can be tested without a process of supplying water, and can be performed alone.

본 발명의 다른 목적은 정확한 계산이 가능하고, 푸리에 변환과 역 푸리에 변환 그리고 노이즈 필터링에 대한 이해도를 높일 수 있도록 하며, 다양한 전자 부품 활용할 수 있도록 하는 전자식 기주공명실험장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electronic host resonance experiment apparatus that enables accurate calculation, improves understanding of Fourier transform, inverse Fourier transform, and noise filtering, and enables various electronic components to be utilized.

본 발명은 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치에 관한 것으로서, 초음파 센서 설치 구멍(100) 및 음향 장치 설치 구멍(110)에 초음파 센서(50) 및 음향 장치(60)을 설치하고, 사운드 센서(30)을 사운드 센서 부착판(20)에 설치하여 사운드 센서 부착판 이동 손잡이를 사용하여 부착판을 좌우로 이동시킬 수 있도록 구성한다.The present invention relates to an electronic host resonance experimental apparatus for noise filtering and training of standing waves using Fourier transform and inverse Fourier transform, and an ultrasonic sensor 50 and The sound device 60 is installed, and the sound sensor 30 is installed on the sound sensor attachment plate 20 so that the attachment plate can be moved left and right using the sound sensor attachment plate moving knob.

또한 음향 장치(60), 초음파 센서(50), 사운드 센서(30)은 전선을 통해 브레드보드(80)를 거쳐 마이크로컨트롤러(90)와 연결되어 있고, 마이크로컨트롤러(90)는 컴퓨터에 연결되어 있다.사용자는 프로그래밍 명령을 통해 음향 장치(60)를 통해 발생하는 주파수의 값을 조절할 수 있고, 초음파 센서(50)에서 발생시킨 고주파가 초음파 센서(50)로 돌아오는 시간을 측정함으로써 사운드 센서(30)와의 거리를 측정할 수 있다. 사운드 센서 부착판 이동 손잡이(40)를 사용하여 사운드 센서 부착판(20)을 이동시키며 사운드 센서(30)를 통해 음향 장치(60)에서 발생하는 음파와 초음파 센서(50)에서 발생하는 고주파를 입력받을 수 있어 기주공명실험을 할 수 있다.In addition, the acoustic device 60, the ultrasonic sensor 50, and the sound sensor 30 are connected to the microcontroller 90 through the breadboard 80 through wires, and the microcontroller 90 is connected to the computer. The user can adjust the value of the frequency generated through the sound device 60 through a programming command, and the sound sensor 30 by measuring the time it takes for the high frequency generated by the ultrasonic sensor 50 to return to the ultrasonic sensor 50 . ) can be measured. The sound sensor attachment plate 20 is moved using the sound sensor attachment plate moving handle 40 , and the sound waves generated from the acoustic device 60 and the high frequency waves generated from the ultrasonic sensor 50 are inputted through the sound sensor 30 . You can do a host resonance experiment.

유효 길이의 정확도를 높이기 위해, 상기 초음파 센서(50)와 음향 장치(60)는 사운드 센서 부착판(20)의 이동 방향과 동일한 축에 대해 같은 높이에 위치하는 구조로 형성된다.In order to increase the accuracy of the effective length, the ultrasonic sensor 50 and the acoustic device 60 are formed to be positioned at the same height with respect to the same axis as the moving direction of the sound sensor attachment plate 20 .

상기 음향장치는 다양한 주파수의 음파를 발생시킬 수 있는 어떤 장치로도 마련될 수 있다.The sound device may be provided with any device capable of generating sound waves of various frequencies.

본 발명의 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치는 종래의 기주공명실험장치에서 정재파를 관찰하기 위해 물의 높이를 조절하는 구조를 사운드 센서 부착판으로 대체함으로써 휴대와 보관이 편리하며, 실험 장치가 눕혀져 있어 넘어질 위험성이 없기 때문에 안전하고, 혼자서도 실험이 가능한 효과가 있다.The electronic host resonance experiment apparatus for noise filtering and training of standing waves using Fourier transform and inverse Fourier transform of the present invention replaces the structure of adjusting the height of water in order to observe standing waves in the conventional host resonance experiment apparatus with a sound sensor attachment plate It is convenient to carry and store, and there is no risk of falling because the experimental device is laid down, so it is safe and has the effect of being able to perform an experiment alone.

또한, 본 발명의 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치는 음향 장치와 동일선상에 놓인 초음파 센서를 통해 정재파의 파장을 측정함으로써, 종래의 기주공명실험장치에서 유효길이를 사람의 눈으로 측정했던 것에 비해 파장을 객관적으로 측정하여 실험의 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다. In addition, the electronic host resonance experiment apparatus for noise filtering and standing wave education using Fourier transform and inverse Fourier transform of the present invention measures the wavelength of a standing wave through an ultrasonic sensor placed on the same line as the acoustic device. Compared to measuring the effective length of the device with the human eye, it has the effect of increasing the accuracy of the experiment by measuring the wavelength objectively.

또한, 본 발명의 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치는 사운드 센서에서 측정하는 파장 중 초음파 센서에 의해 발생하는 노이즈를 제거하기 위해 푸리에 변환과 필터링, 역 푸리에 변환을 수행하여 정재파가 발생하는 시점을 판단하는 과정을 통해 푸리에 변환과 필터링, 역 푸리에 변환에 대한 이해도를 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the electronic host resonance experiment apparatus for noise filtering and standing wave education using Fourier transform and inverse Fourier transform of the present invention is a Fourier transform and filtering to remove noise generated by an ultrasonic sensor among wavelengths measured by a sound sensor, Through the process of determining when the standing wave is generated by performing the inverse Fourier transform, it is possible to increase the understanding of the Fourier transform, filtering, and the inverse Fourier transform.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자식 기주공명실험장치의 일부 파절 사시도
도 2는 본 발명 전자식 기주공명실험장치의 사시도
도 3은 본 고안 전자식 기주공명실험장치의 사시도1 is a partially fractured perspective view of an electronic host resonance experiment apparatus according to an embodiment of the present invention;
2 is a perspective view of an electronic host resonance experiment apparatus of the present invention;
3 is a perspective view of an electronic host resonance experiment apparatus of the present invention;

본 발명인 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 센서 설치 구멍(100) 및 음향 장치 설치 구멍(110)에 초음파 센서(50) 및 음향 장치(60)을 설치하고, 사운드 센서(30)을 사운드 센서 부착판(20)에 설치하여 사운드 센서 부착판 이동 손잡이를 사용하여 부착판을 좌우로 이동시킬 수 있도록 구성한다.As shown in FIGS. 1 and 2, the electronic host resonance experiment apparatus for noise filtering and standing wave education using Fourier transform and inverse Fourier transform of the present invention is an ultrasonic sensor installation hole 100 and an acoustic device installation hole 110. Install the ultrasonic sensor 50 and the acoustic device 60 on the , and the sound sensor 30 is installed on the sound sensor attachment plate 20 so that the attachment plate can be moved left and right using the sound sensor attachment plate moving knob. make up

또한 음향 장치(60), 초음파 센서(50), 사운드 센서(30)은 전선을 통해 브레드보드(80)를 거쳐 마이크로컨트롤러(90)와 연결되어 있고, 마이크로컨트롤러(90)은 컴퓨터에 연결되어 있다. 사용자는 프로그래밍 명령을 통해 음향 장치(60)를 통해 발생하는 주파수의 값을 조절할 수 있고, 초음파 센서(50)에서 발생시킨 고주파가 초음파 센서(50)로 돌아오는 시간을 측정함으로써 사운드 센서(30)와의 거리를 측정할 수 있다. 사운드 센서 부착판 이동 손잡이(40)를 사용하여 사운드 센서 부착판(20)을 이동시키며 사운드 센서(30)를 통해 음향 장치(60)에서 발생하는 음파와 초음파 센서(50)에서 발생하는 고주파를 입력받는다.In addition, the acoustic device 60, the ultrasonic sensor 50, and the sound sensor 30 are connected to the microcontroller 90 through the breadboard 80 through wires, and the microcontroller 90 is connected to the computer. . The user can adjust the value of the frequency generated through the sound device 60 through a programming command, and the sound sensor 30 by measuring the time for the high frequency generated by the ultrasonic sensor 50 to return to the ultrasonic sensor 50 distance can be measured. The sound sensor attachment plate 20 is moved using the sound sensor attachment plate moving handle 40 , and the sound waves generated from the acoustic device 60 and the high frequency waves generated from the ultrasonic sensor 50 are inputted through the sound sensor 30 . receive

사운드 센서(30)를 통해 받은 음압 데이터에 대해 실시간 푸리에 변환을 수행함으로써 각 주파수에 대한 진폭을 분석한 후, 저역 필터(Low pass filter)를 사용하여 음향 장치에서 발생시킨 음파에 비해 상대적으로 주파수가 큰 초음파에 대한 정보를 배제하고, 역 푸리에 변환을 함으로써 초음파 센서(50)에 의해 음향 장치(60)에 대해 영향을 주는 노이즈를 제거할 수 있다. 진폭이 가장 시점을 정재파가 발생한 시점이라고 판단할 수 있고, 그 시점에서의 초음파 센서(50)의 값을 통해 정재파의 파장을 알 수 있다.After analyzing the amplitude of each frequency by performing a real-time Fourier transform on the sound pressure data received through the sound sensor 30, the frequency is relatively higher than that of the sound wave generated by the sound device using a low pass filter. By excluding information on large ultrasonic waves and performing an inverse Fourier transform, noise affecting the acoustic device 60 may be removed by the ultrasonic sensor 50 . It may be determined that the time point at which the amplitude is greatest is the time point at which the standing wave is generated, and the wavelength of the standing wave may be known through the value of the ultrasonic sensor 50 at that time point.

10 : 공명관
20 : 사운드 센서 부착판
30 : 사운드 센서
40 : 사운드 센서 부착판 이동 손잡이
50 : 초음파 센서
60 : 음향 장치
70 : 초음파 센서 및 음향 장치 부착판
80 : 브레드보드
90 : 마이크로컨트롤러
100 : 초음파 센서 설치 구멍
110 : 음향장치 설치 구멍
120 : 전선10 : Gongmyeonggwan
20: sound sensor attachment plate
30: sound sensor
40: Sound sensor attachment plate moving handle
50: ultrasonic sensor
60: sound device
70: ultrasonic sensor and sound device attachment plate
80: breadboard
90: microcontroller
100: ultrasonic sensor installation hole
110: sound device installation hole
120: wire

Claims (6)

푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 정재파의 교육을 위한 전자식 기주공명실험장치에 있어서,
사운드 센서(30)가 부착된 판(20)과 판을 이동시킬 수 있는 손잡이(40)를 투명PVC 사각 관으로 이루어진 공명관(10) 내부에 설치하고, 초음파 센서(50) 및 음향 장치(60)를 공명관 좌측(100, 110)에 설치하되,
상기 사운드 센서(30)과 초음파 센서(50) 및 음향 장치(60)가 마이크로컨트롤러(90)와 연결되어 있으며, 마이크로컨트롤러(90)를 컴퓨터에 연결함으로써 실시간 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 이용한 노이즈 필터링과 역 푸리에 변환을 수행하여 정재파의 파장을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자식 기주공명실험장치.In the electronic host resonance experiment apparatus for noise filtering and standing wave education using Fourier transform and inverse Fourier transform,
The plate 20 to which the sound sensor 30 is attached and the handle 40 that can move the plate are installed inside the resonance tube 10 made of a transparent PVC square tube, and the ultrasonic sensor 50 and the acoustic device 60 is installed on the left side of the resonance tube (100, 110),
The sound sensor 30, the ultrasonic sensor 50, and the sound device 60 are connected to a microcontroller 90, and by connecting the microcontroller 90 to a computer, noise filtering using real-time Fourier transform and inverse Fourier transform and an inverse Fourier transform to measure the wavelength of the standing wave. 제1항에 있어서,
상기 음향장치(60)는 다양한 주파수의 음파를 발생시킬 수 있는 어떤 장치로도 마련될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자식 기주공명실험장치.According to claim 1,
The acoustic device 60 is an electronic host resonance experiment apparatus, characterized in that it can be provided with any device capable of generating sound waves of various frequencies. 제1항에 있어서,
상기 초음파 센서(50)와 음향 장치(60)가, 사운드 센서 부착판(20)의 이동 방향 축 상에서 동일한 높이를 갖는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자식 기주공명실험장치.According to claim 1,
The ultrasonic sensor (50) and the acoustic device (60), an electronic host resonance experiment apparatus, characterized in that formed in a structure having the same height on the axis of the movement direction of the sound sensor attachment plate (20). 제1항에 있어서,
상기 공명관(10)은 사운드 센서 부착판(20)과 초음파 센서(50)와 음향 장치(60)를 설치할 수 있는 공간이 구비된 어떤 장치로도 마련될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자식 기주공명실험장치.According to claim 1,
The resonance tube 10 is an electronic host resonance experiment apparatus, characterized in that it can be provided with any device provided with a space for installing the sound sensor attachment plate 20, the ultrasonic sensor 50, and the acoustic device 60. . 제1항에 있어서,
상기 마이크로컨트롤러(90)와 컴퓨터를 연결할 수 있는 어떤 장치로도 마련될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자식 기주공명장치.According to claim 1,
Electronic host resonance device, characterized in that it can be provided with any device that can connect the microcontroller (90) and a computer. 제1항에 있어서,
상기 노이즈 필터링은 사운드 센서의 음압 측정 데이터를 가지고 푸리에 분석한 결과에 대해, 초음파 센서의 출력과 음향 장치의 출력 중 초음파 센서의 출력을 배제할 수 있는 어떤 필터로도 마련될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자식 기주공명장치.According to claim 1,
The noise filtering may be performed by any filter capable of excluding the output of the ultrasonic sensor among the output of the ultrasonic sensor and the output of the sound device for the result of Fourier analysis with the sound pressure measurement data of the sound sensor. Electronic host resonance device.
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