공명이란? | 알기 쉬운 웹 세미나
2026/06/15
진동과 공명이란 무엇인가?
목소리만으로 유리잔이 깨지는 이유는 무엇일까요!?
하마짱: 하시모토 선생님! 요전 TV에서 목소리만으로 와인잔을 깨는 사람을 봤어요! 목소리로 잔이 깨지다니 정말 놀랍네요! 도대체 무슨 일이 일어나는 걸까요?
하시모토 선생님: 그렇구나. 그건 ‘공명’에 의해 일어나는 현상이야. ‘공명’은 기계 설계를 할 때도 고려해야 할 중요한 내용이야. 이번에는 ‘진동, 공명’에 대해 자세히 배워보자.
소리와 진동
하시모토 선생님: 먼저 소리와 진동에 대해 확인해 보자. 우리가 듣고 있는 ‘소리’란 ‘공기의 진동’이야. 물건을 두드리거나 문지르면 ‘진동’이 발생하고, 그것이 ‘공기의 진동’이 되어 귀로 전달되어 ‘소리’로 들리는 거야. 진동은 공기(기체), 물(액체), 금속(고체) 등이 없으면 전달되지 않기 때문에, ‘진공’ 상태에서는 소리가 들리지 않는 거야.
‘소리’에는 음압(크기), 음정(주파수), 음색(파형)이라는 세 가지 요소가 있어. 소리와 진동에 대한 자세한 내용을 표로 정리해 봤어.
소리와 진동의 종류
| 소리 | 진동 | ||
|---|---|---|---|
| 크기 | 공기 압력 변화량 음압: dB(데시벨) | 진폭의 크기 용도에 따라 변위, 속도, 가속도를 구분하여 사용 | |
 | ・변위: m |  | |
| ・속도: m/sec |  | ||
| ・일반적인 대화: 40~60dB ・전차 안: 80~100dB ・비행기 소음: 120dB | ・가속도: m/sec² |  | |
| 주파수 | 음정(=음의 높이) | 기계 진동의 진동수 | |
| ・주파수 분석을 통해 어느 부분에서 소리가 나는 진동인지 알 수 있다 ・고유 진동수나 공진의 원인을 알 수 있다 | ||
| ※「주파수」란 1초 동안 반복되는 파동의 수를 말하며, 소리, 진동, 전류 등을 나타낼 때 사용된다. 단위는 Hz(헤르츠) |  | ||
| 파형 | 음색 | 기계적 특성 | |
| 음차와 바이올린의 ‘라’ 음(440Hz) 440Hz의 ~정수배 주기가 겹쳐져 음색이 결정된다 | ・엔진의 토크, 진동 특성을 알 수 있다 ・피스톤에서의 폭발에 의한 토크 변동으로 특성이나 이상 등을 알 수 있다 | ||
 |  | ||
하마짱: 아, 그렇군요. ‘소리’와 ‘진동’은 밀접한 관계가 있군요.
하시모토 선생님: 다음으로 ‘진동’과 ‘인간의 감각’을 비교한 그래프를 만들어 봤어.
하시모토 선생님: 그래프의 세로축은 진폭, 가로축은 진동수를 나타내고 있어. 낮은 주파수는 느린 움직임이라 눈으로 확인할 수 있어. 5Hz 이상이 되면 눈으로는 확인할 수 없지만, 손으로 만져보면 진동하고 있다는 걸 알 수 있어. 게다가 진동수가 더 높아지면 손으로 만져도 알 수 없지만, 이상 소리로 들리게 돼. 사람의 눈, 손끝, 귀의 감각 기관은 아주 정교하게 만들어져서, 무의식적으로 진동이나 주파수의 차이를 감지하고 있는 거지.
진동과 공명은 왜 일어나는 걸까?
진동의 종류와 발생 메커니즘
하시모토 선생님: 이어서 진동의 종류와 발생 메커니즘에 대해 설명할게. 진동에는 자유 진동수, 강제 진동수, 자진 진동의 크게 세 가지 종류가 있어. 또한, 진동의 방향에 따라 직선 진동·굽힘 진동·비틀림 진동으로 분류돼.
| 진동 발생 메커니즘에 따른 분류 | ||
|---|---|---|
| 자유 진동 | 강제 진동 | 자진동 |
| 한 번 외력을 가하면, 외력이 지속되지 않아도 진동이 계속되는 현상 | 주기적인 외력에 의해 진동하며, 외력의 주파수가 변하면 진동수도 변화 | 진동적이지 않은 외력에 의해 진동이 발생하며, 고유 진동수로 진동 |
| 【구체적인 예】・직선 방향의 고유 진동수・비틀림의 고유 진동수・굽힘 방향의 고유 진동수 | 【구체적인 예】・모터 회전 변동・불균형・엔진 회전 변동 | 【구체적인 예】・바이올린 활을 긋는 것・브레이크 삐걱거리는 소리・바람의 카르만 소용돌이로 인한 타코마 다리 공진 |
 |  |  |
하마짱: 기계 설계와 관련된 장치나 모터 외에도, 악기나 브레이크 등 일상적인 물건에서도 진동과 관련이 있군요. ‘진동’을 분석함으로써 기계 장치의 고장 원인을 신속하게 발견할 수 있을 것 같습니다.
고유 진동수와 공진
하시모토 선생님: 사물에는 고유한 진동수가 있는데, 이를 ‘고유 진동수’라고 해. 참고로 사람의 ‘고유 진동수’는 2~5Hz라고 알려져 있는데, 이 진동수가 되면 불쾌하게 느껴져. 자동차 등 탈것의 좌석은 같은 진동수가 되지 않도록 고안하여 설계되어 있어. ‘고유 진동수’는 계측 시스템이나 계산식 등으로 확인할 수 있어. 예를 들어, 엔진 발전기의 경우 다음과 같은 계산식으로 구할 수 있어.
■엔진 발전기 시스템의 비틀림 고유 진동수 간이 계산식
■공명이란 무엇인가?
고유 진동수와 동일한 주파수로 진동을 가하면, 가해진 진동의 크기보다 훨씬 더 큰 진동(수십 배)이 발생하는 현상을 말한다. 이 공진 배율은 재료에 따라 크게 달라진다. 금속의 경우 50~80배, 고무·수지의 경우 5~10배에 달한다고 알려져 있다. 고유 진동수도 직선·굽힘·비틀림 방향에 따라 각각 다르다.
하시모토 선생님: 서두에서 소개한 목소리로 와인잔을 깨는 퍼포먼스는 바로 이 ‘공명 현상’의 대표적인 예지. 목소리로 공기를 진동시키고, 음높이로 주파수를 조절하여 와인잔에 강제 진동을 가하는 거야. ‘강제 진동수’와 와인잔의 ‘고유 진동수’가 일치하면, 가한 진동보다 더 큰 진동이 발생해서 와인잔이 깨져 버리는 거지.
하마짱: ‘고유 진동수’와 ‘공명’에는 그런 관계가 있군요. ‘공명’은 언제, 어떻게 발생하는 건가요? 구체적인 예도 포함해 자세히 알고 싶어요.
공명은 언제 일어나는 걸까?
다양한 공명 현상
1. 엔진과 발전기의 공진
엔진의 토크 변동 주기 성분과 앞서 구한 엔진 발전기의 비틀림 고유 진동수가 특정 회전 영역에서 일치할 때 공진이 발생하여, 커플링의 고무 부품이 파손(변형, 용융)된다.
하시모토 선생님: 엔진 발전기의 경우, 오른쪽 그림의 빨간 선으로 표시된 것처럼 사용 회전 범위 내에 공진점이 존재해. 이 공진점을 비틀림 강성이 낮은 고무 커플링을 사용하여 저속 회전 영역으로 이동시킴으로써, 엔진 시동 시 공진점을 통과하게 하여 문제를 피할 수 있는 거야.
로켓 엔진 개발에서도 공진 문제를 해결하는 것이 중요해. 엔진의 터보펌프에서 초고속으로 회전하는 터빈 블레이드가 공진으로 인한 금속 피로로 파손되는 경우도 있거든. 어떻게 하면 공진이 일어나지 않도록 설계할지, 공진을 피할 수 있을지 시뮬레이션과 실기 시험을 통해 개발을 진행하고 있어.
2. 서보 및 스테핑 모터의 진동에 의한 공진
스테핑 모터는 단계적으로 회전하는 모터로, 소형 액추에이터에 널리 사용된다. 마이크로스텝 등을 통해 부드러운 회전 제어가 이루어지지만, 미세한 진동과 기계 시스템의 고유 진동수가 일치하는 회전 영역에서 공진이 발생하는 경우도 있다. 또한 서보 모터의 경우, 모터의 맥동 토크와 모터 프레임이 공진할 수도 있다. 사용 회전 영역에서 어떤 종류의 공진이 발생하는지 파악하고 이를 방지해야 한다.
하시모토 선생님: 장치의 고유 진동수, 제어계의 스텝 주파수, 공진 회전 영역을 파악하여 이를 회피(통과)하는 것이 중요해. 커플링의 비틀림 강성을 낮추는 방법(고무계 커플링, 수지계 커플링)이나 비틀림 강성을 높이는 방법(금속 판 스프링 커플링)을 통해 공진점을 사용 회전 영역에서 벗어나게 하는 경우도 있어.
3. 공진을 이용한 진동 컨베이어
진동을 이용해 물건을 운반하는 장치. 진동을 공진시켜 그 에너지로 컨베이어 자체가 흔들리는 구조이기 때문에 구동 모터의 용량을 작게 할 수 있다. 긴 컨베이어일수록 공진 지점(공진으로 인해 흔들리는 부분)이 많아져 원활한 운반이 가능하다.
하시모토 선생님: 또 최근에는 진동을 이용한 진동 발전 장치가 개발되고 있어. 미세한 진동으로 압전 소자를 이용해 전기를 생산하는 방식도 있고, 소리를 내거나 바닥에 깔린 매트를 밟아서 전기를 생산할 수도 있어(음력 발전, 바닥 발전).공명이나 진동은 물건을 망가뜨리거나 소음을 발생시키는 등 해로운 이미지가 많지만, 진동 발전이나 공명을 이용하는 기술을 통해 유용한 에너지로 바꿀 수 있어. 에너지 절약이나 축전 분야에서의 활용도 기대할 수 있겠네.
하마짱: 정말 훌륭한 구조네요. 공명과 진동에 대해 제대로 배워서, 설계나 개발 기술에 활용할 수 있게 되고 싶어요!!
감수·강사
하시모토 선생님 / 미키 푸리 주식회사
1972년 미키 풀리 주식회사에 입사했다. 제품 매니저로서 마케팅과 기술을 담당하며 국내외를 가리지 않고 활약했다. 또한 기업뿐만 아니라 대학 및 전문 기관과의 공동 연구에도 참여했다. 현재는 기술 지도와 사원 교육도 담당하고 있다.
