"선운정사 극락대범종"에 대한 진동/음향 시험을 수행하여 동종의 주파수 특성 분석을 통해 고유 주파수를 얻고, 맥놀이 현상을 일으키는 기본 주파수의 모드 형태를 파악하였다. 


 당목으로 당좌를 타격해서 하대에서 발생하는 진동 신호를 측정하여 주파수 분석을 수행하였다. 그림 1.1은 본 시험의 장치도이며, 그림 1.2는 시험에 사용된 실험 장비를 나타낸다.
그림1.3은 시험을 위해 종의 하대를 15도 간격으로 24등분한 가속도계의 측정위치를 나타 낸다.

 당좌의 반대 쪽 하대의 12번 지점에 가속도계를 장착하여 타종시의 가속도 신호를 측정하였다. 12번 위치에서 측정한 가속도 신호의 오토 파워스펙트럼(Auto-power Spectrum)을 그림 3.4에 나타내었다.

 피크 주파수(peak frequency)가 91Hz, 234.5Hz, 281Hz와 324.5Hz 등에서 발생하였다. 이것은 설계 시 FEM 결과에 의해 예측한 값과 2% 내로 거의 일치하는 결과이다. 이것은 저차 진동수에 크게 영향을 미치는 하대두께와 종의 높이, 종 하부의 두께 분포가 설계안과 거의 일치하게 제작되었기 때문이라고 생각된다. 그러나 종견직경에서의 오차가 고차 진동수에 영향을 미쳐 (6,1)의 고차모드에선 약 4% 정도로 오차가 커진 것을 알 수 있다.

 종의 음향 특성에 가장 크게 기여하는 것으로 알려진 기본주파수의 맥놀이 현상을 확인하기 위하여 기본 고유주파수 부근을 주밍(zooming)기능을 이용하여 살펴보았다. 그림 1.5에서 보는 것과 같이 91Hz 부근에서 서로 인접한 두개의 고유주파수 성분을 확인할 수 있었고, 근접한 두 주파수 성분으로 인해 맥놀이가 발생하는 것을 확인하였다. L(4,0)모드와 H(4,0)모드에 해당하는 고유주파수는 각각 90.4375 Hz와 91.0 Hz이다. 그리고 기본 주파수를 포함한 동종의 고유주파수는 표 1.1에 나타내었다.

표 1-1 종의 고유주파수

 

주파수 분류

모드

실험치(Hz)

이론치(Hz)

오차(%)

1

기본고유 주파수

L(4.0)

90.4375

89.9

0.6

2

H(4.0)

91.0

89.9

1.2

3

제1고차 고유주파수

L(6.0)

234.5313

239.5

2

4

H(6.0)

234.6875

239.5

2

5

제2고차 고유주파수

(8.0)

281.0

285.2

0.36

6

고차 고유주파수

(4.1)

324.5

329.5

1.5

7

(6.1)

386.5

400.9

3.6


 기본 주파수 90.4375 Hz와 91.0 Hz에 해당하는 종의 고유모드를 파악하기 위해 그림 1.6과 같이 당좌 부근에 놓은 스피커로 종을 가진하여 하대부분 24개 지점의 가속도 신호를 측정하였다.
그림 1.7은 진동 모드 파악 시험의 장치도이다. 그림 1.8-(a)와 (b)는 각각 L(4,0)모드와 H(4,0)모드의 진동 모드 형상을 나타낸 그림이다. 각 모드는 절점을 네 개씩 가지는 대칭 모드로서 이 두 모드가 서로 중첩(superposition)하여 동종의 맥놀이 현상을 일으킨다. 그리고, 이상적인 맥놀이 현상이 일어나기 위해서는, 두 모드가 같은 크기의 진폭을 갖도록 타종 되어야 한다.

 하지만 현재의 당좌 위치는 저차 기본 모드인 L(4,0) 모드의 절선과 가깝게 위치하기 때문에 기본 고유 모드의 쌍이 고르게 가진되지 않고 고차 기본 모드인 H(4,0)가 더 크게 가진되어 이상적인 맥놀이 현상을 나타내고 있지 않다. 그림 3.8을 통해 현재 동종의 당좌보다 반시계방향으로 9.4도 돌아간 위치를 가정하면 이상적인 맥놀이 현상을 일으킬 수 있다는 것을 알 수 있다.


 타종시 발생하는 초기 타격음은 여러 진동 모드들이 가진되어 발생되는 소리이지만, 종소리의 여음은 기본 주파수에 해당하는 진동 모드들의 맥놀이 현상으로 일어나는 것이다. 종의 맥놀이 현상은 뚜렷하게 나타나지만 맥놀이 주기가 약 1.78 초로 성덕대왕 신종(약 3초)에 비하면 짧은 것으로 나타났다(그림 3.11(a)). 종의 맥놀이 주기를 길게 하기 위해 1번과 2번 사이 지점의 하대를 약 7mm 깊이로 연삭하였다. 그림 1.9는 종 내부의 하대 부분을 연삭하는 모습이고, 그림 1.10은 연삭이 완료된 종의 하대 모습을 보여준다.

 그림 1.11은 종의 당좌를 당목으로 타격하고, 당좌의 반대 쪽 하대의 12번 지점에 가속도계를 장착하여 측정한 신호를 시간에 대하여 나타낸 그림으로 연삭전과 연삭 후의 맥놀이 현상을 보여주고 있다.

 연삭 전후의 가속도 신호는 뚜렷한 맥놀이 현상을 보여주고 있다. 맥놀이 주기는 연삭전의 약 1.78초에서 연삭 후 약 2초로 길어졌음을 확인 할 수 있었다.
종의 맥놀이 현상을 확인하기 위하여 그림 1.12에서 보이는 바와 같이 이상적인 당좌위치를 당목으로 타격하고, 정반대 위치에 장착한 가속도계와 종 표면에서 1m, 지표면에서 1m 떨어진 곳에 위치한 마이크로폰으로 동종의 진동 신호와 종소리를 측정하였다(그림 1.13).
그림 1.14는 이상적인 당좌를 가진 하고 이상적인 지점(12번에서 시계반대방향으로 9.4도 지점)에서 측정한 진동 신호를 나타내었다. 이상적인 당좌는 두개의 근접한 모드를 동일한 크기로 가진시키는 위치이므로 현재 당좌(그림 1.11(b))보다 더욱 선명한 맥놀이 현상을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
그림 1.15는 이상적인 당좌 위치를 타격해서 발생한 종소리를 마이크로폰으로 측정한 신호이다. 타격 초기에는 여러 주파수 성분이 가진되다가 3~4초 후에는 기본 고유주파수 성분만 남아 뚜렷한 맥놀이 현상을 나타내며 종소리 또한 맑고 청아하여 아주 훌륭한 종소리임을 알수있다.