간이 오실로스코프 제작 및 음파 분석

오실로스코프(Oscilloscope)는 시간에 따라 변화하는 전기 신호의 파형을 시각적으로 관찰할 수 있는 기기입니다. 주로 소리, 전자파, 전압 등 아날로그 신호를 분석할 때 사용되며, 특히 음파 실험에서 유용하게 활용됩니다. 이번 글에서는 스마트폰과 간단한 부품을 활용해 간이 오실로스코프를 제작하고, 이를 통해 소리의 진폭, 주파수, 파형을 직접 분석하는 방법을 소개합니다.

1. 실험 목표

- 간단한 회로와 앱을 이용해 오실로스코프처럼 작동하는 장치를 제작한다.
- 마이크를 통해 수집한 음파의 파형을 시각적으로 관찰한다.
- 주파수, 진폭, 파형의 형태를 분석하여 음의 특성을 이해한다.

2. 실험 준비물

• 스마트폰 또는 태블릿 (Android 추천)

• 3.5mm 오디오 잭 (4극 TRRS 타입)

• 콘덴서 마이크 또는 외부 마이크

• 220Ω 저항 1개, 1μF~10μF 커패시터 1개 (필터용, 선택)

• 브레드보드 또는 납땜판 (선택사항)

• 앱: “Oscilloscope” 또는 “Sound Oscilloscope”, “Phyphox” 등

• 음원: 스마트폰 톤 발생기 앱, 튜닝 포크, 악기 등

3. 간이 오실로스코프 회로 구성

① 스마트폰 마이크 입력 활용

스마트폰의 3.5mm 오디오 잭에는 마이크 입력이 포함되어 있어, 외부 회로에서 음성 신호를 받아 파형 분석 앱으로 전송할 수 있습니다.

② 간단한 회로 예시

• 마이크 (+) → 커패시터(직렬) → 저항 → TRRS 잭의 MIC 단자에 연결

• 마이크 (−)와 저항의 다른 쪽은 GND에 연결

이 회로는 DC 성분을 제거하고, 오디오 신호만 전달하도록 구성된 간단한 고역통과 필터입니다.

4. 오실로스코프 앱 설정 및 활용

① 앱 설치

• Google Play에서 “Sound Oscilloscope”, “Oscilloscope Pro”, “Phyphox” 등을 설치합니다.

② 마이크 연결

• 자작 마이크 회로를 스마트폰 오디오 입력 단자에 연결합니다.

• 앱을 실행하면 소리에 반응하여 실시간 파형이 나타납니다.

③ 분석 항목

• 파형의 주기: 일정한 주기로 반복되는 파동의 길이를 측정하여 주파수를 계산

• 진폭: 파형의 높이로, 소리의 크기(음압)와 관련

• 파형의 형태: 정현파, 삼각파, 톱니파 등 구별

5. 실험 방법

1. 앱 실행 후, 주변 소리를 들려주고 파형이 어떻게 변하는지 관찰합니다.

2. 주파수 발생기 앱으로 100Hz, 500Hz, 1000Hz 등의 소리를 재생하며 파형 비교

3. 튜닝 포크 또는 악기 소리도 입력하여 자연 음과 인공 음의 차이 분석

6. 예시 데이터

입력 소리	관찰된 주파수 (Hz)	파형 형태	진폭 수준
튜닝 포크 (A4)	440	정현파	중간
사람 목소리	85~300	불규칙파	변화 큼
톤 생성기 1000Hz	998	정현파	높음

7. 실험 팁

• 마이크 회로는 반드시 절연된 상태로 연결하고, TRRS 핀 배열을 정확히 확인하세요.

• 앱의 샘플링 주파수(예: 44.1kHz)가 높을수록 정확도가 높아집니다.

• 노이즈가 많을 경우 저역/고역 필터를 추가하거나 마이크 입력을 보호하는 커패시터를 사용하세요.

결론

간이 오실로스코프 실험은 소리의 물리적 특성을 시각적으로 이해할 수 있는 훌륭한 활동입니다. 별도의 고가 장비 없이 스마트폰과 간단한 회로만으로도 소리의 주파수, 진폭, 파형 형태 등을 실시간으로 분석할 수 있으며, 파동 물리와 전자 회로에 대한 흥미를 높일 수 있습니다.

이번 실험을 통해 소리를 ‘눈으로 보는’ 새로운 경험을 하며, 다양한 음파의 특성과 전기 신호 분석의 원리를 실생활과 연계해보세요. STEM 교육, 동아리 활동, 과학 전시회 실험에도 적합한 흥미로운 주제입니다.