소리의 음향적 특성

오늘은 소리의 음향적 특성에 대해 배워 봅시다.

소리의 분석

1) 소리의 발생과 인지

소리는 물리적 자극과 청각적 인지 모두와 관계가 있음.

현의 움직임 등이 귀를 통하여 고막에 전달되어 중이-내이- 신경을 타고 뇌에서 소리를 감지하는 것

2) 소리와 음향학

음향학(acoustics) : 소리의 물리적 특성을 연구하는 학문

건축 음향학, 물리 음향학, 음악 음향학, 심리 음향학, 전기 음향학, 소음제어, 충격과 진동, 수중 음향학, 음성학, 생리 음향학

한국 음향학회 / 미국 음향학회

3) 소리의 발생

+ 물체의 진동 : 현악기의 현이나 북의 가죽이 진동하면 인접한 공기 입자가 움직이고 이로 인해 생긴 압력의 변화는 소리를 만들어 냄

+ 기류의 변화 : 성대의 진동으로 인해 허파로부터 나오는 기류의 속도가 변하여 소리가 남 

사이렌은 압축기로 공기를 내보내고 구멍원판을 고속회전시켜 공기의 흐름을 반복적으로 차단하여 기류의 변화로 소리를 내는 것

+ 열 : 전기 스파크는 급격한 기온 상승을 유발해서 순간적인 파열을 만들어 냄

천둥소리는 번개로 인한 급격한 기온상승 때문에 나는 소리

+ 초음속 기류 : 음속보다 빠른 기류가 유발하는 충격파로 인해 소리가 발생함

공통점 : 소리는 압력의 변화로 인해 발생

4) 소리의 전파

소리는 압력의 변화로 인해 발생

음향적 매질(acoustic medium) : 압력의 변화가 퍼져나갈 때 진동하는 입자

기체, 액체, 고체 등 어느 것이나 음향적 매질이 될 수 있음

가장 중요한 음향적 매질은 대기(atmosphere)

진공상태는 음향적 매질이 없는 상태

입자가 진동하기 위해서는 탄성이 있어야 함

도미노는 원상태로 복귀하지 못하므로 탄성이 없고 매질이 아니지만, 공기 입자는 탄성이 있으므

로 매질이다.

소리가 전파되기 위해서는 탄성이 있는 매질이 필요

※ 바람과 소리의 차이점

바람은 공기의 이동이다. 바람은 공기 입자가 제자리로 돌아오지 않는다. 반면 음파는 공기입자의 진동으로 생겨난다. 따라서 음파의 경우 공기 입자가 이동하는 것이 아니라 제자리에서 진동하는 것이다. 그러나 바람이 불어도 공기 입자의 진동은 가능하다.

※ 기체 액체 고체 등 매질과 소리의 전파의 관계

소리의 전파 속도는 매질의 특성과 조건에 따라 달라진다. 매질의 밀도가 다르면 소리의 전파속도에 차이가 난다. 

기체, 액체, 고체는 서로 다른 매질이기 때문에 소리의 전파 속도가 다르다.

대기에서 소리의 속도는 약 340m/s이고 물 속에서는 1410m/s이며 강철의 경우 약 5100m/s 이다.

※ 소리의 전파와 관련하여 대기와 헬륨가스의 차이

소리의 속도는 기체, 액체, 고체에 따라 다를 뿐만 아니라 같은 기체 내에서도 다르다. 대기 속에서는 약 340m/s인 소리의 속도는 헬륨가스에서 약 970m/s이다. 소리의 속도는 같은 대기라 하더라도 공기의 밀도에 따라 다르다. 물론 기체의 밀도에 영향을 미치는 온도에 따라서도 달라진다.

5) 진동과 파동

앞에서 소리는 압력의 변화에 의해 발생한다고 했죠? 압력의 변화는 매질 입자의 진동에 의해 생성되고 전파됩니다. 그럼, 입자의 진동이 어떻게 시작되고 그 이후 어떤 과정을 거쳐 소리가 전파되는지 알아봅시다.

플래시 동영상에서 가장 왼쪽에 있는 입자1이 어떤 물체의 움직임에 의해 오른쪽으로 움직인다고 가정해 봅시다. 입자 1은 정지해 있는 오른쪽 입자 2와 가까워져 두 입자 사이의 압력이 높아집니다. 입자1과 입자 2 사이의 압력이 높아지면 입자 2는 오른쪽에 있는 입자 3을 향해 움직이고, 입자 1은 진행 방향을 바꾸어 반대 방향으로 움직이기 시작하죠. 입자 1이 진행 방향을 바꾸어 원점으로 되돌아가면 입자 1과 입자 2 사이의 거리가 점점 멀어져 입자 사이의 압력이 낮아집니다. 

입자 1은 원점으로 되돌아와 원점에서 운동을 멈추는 것이 아니라 관성에 의해 원점을 지나 계속 이동합니다. 원점을 지나 왼쪽으로 움직이던 입자 1은 그 왼쪽에 있는 입자와 가까워져 압력이 높아지고 다시 진행 방향을 바꾸어 원점으로 되돌아옵니다. 이와 같이 원점에서 출발한 입자가 한 방향으로 최대의 변위에 이른 다음 진행 방향을 바꾸어 원점을 향하여 이동하다가 원점을 지나쳐 다시 최대의 변위에 이른 다음 원점으로 돌아오는 과정을 하나의 사이클이라 합니다.

한편 입자 3을 향하여 이동하던 입자 2도 입자 사이의 압력이 높아지면 진행 방향을 바꾸어 원점으로 되돌아옵니다. 입자 2도 원점으로 되돌아 왔을 때 운동을 멈추는 것이 아니라 관성에 의해 원점을 지나 계속 이동합니다. 원점에서 왼쪽으로 이동하던 입자 2는 그 왼쪽에 있는 입자 1과 다시 가까워져 압력이 높아지면 진행 방향을 바꾸어 원점으로 되돌아 오는 겁니다. 

동영상의 입자 1에서 시작된 움직임은 인접한 입자들을 통해 전달되어 시간이 지나면 먼 곳에 있는 입자들도 진동하게 됩니다. 시간의 경과에 따른 입자의 진동은 파동, 즉 파도 모양의 움직임을 만들어 내죠. 시간의 경과에 따른 입자의 변위를 그림으로 그려 보면 다음과 같은 파형이 나타나게 됩니다. 이 그림에서 가로축은 시간의 경과를 나타내고 세로축은 입자의 변위, 즉 위치 변동을 나타냅니다. 

먼저 세로축에 나타난 변위를 생각해 보죠. 원점을 0이라 하고 어느 한 쪽의 최대 변위를 1이라고 하면 원점을 지나 반대 쪽으로 이동할 때의 최대 변위는 -1에 가까울 것입니다.여기에서 변위의 음수 최대값을 정확히 -1이라고 하지 않는 이유는 에너지의 소실로 인해 시간이 갈수록 진폭이 작아지기 때문이죠.스피커 아이콘을 누르면 이 파형을 보여주는 소리도 함께 들어 볼 수 있습니다. 스피커 아이콘을 클릭해서 소리를 들어 보세요.

다음으로 시간의 경과에 따른 압력의 변화를 생각해 보죠. 시간의 경과에 따른 압력의 변화를 그림으로 그려 보면 다음과 같은 파형이 나타납니다.입자 1이 움직이기 전에 입자 사이의 압력은 대기압과 같습니다. 입자의 변위에 의해 인접한 입자들이 최대로 가까워지면 압력이 증가하는데, 이 때의 압력의 크기를 a라 하면 인접한 입자들이 최대로 멀어졌을 때의 압력의 크기는 -a와 가까울 것입니다. 여기에서 압력의 음수 최대값을 정확히 -a라고 하지 않는 이유는 에너지의 소실로 인해 시간이 경과할수록 압력이 낮아지기 때문이죠. 

앞에서 설명한 그림 1은 시간의 경과에 따른 입자의 진동 폭의 변화를 보여주고 그림 2는 시간의 경과에 따른 압력의 변화를 보여줍니다.두 그림을 비교해 보면 시간에 따른 입자의 진동 폭의 변화나 압력의 변화 모두 파동을 만들어 낸다는 것을 알 수 있습니다.

-> 시간에 따른 입자의 진폭의 변화나 압력의 변화 모두 파동을 만들어냄

6) 횡파와 종파

횡파(Longitudinal Wave) : 입자의 진동 방향과 파동의 진행 방향이 같음

종파(transverse wave) : 입자의 진동 방향과 파동의 진행 방향이 직각 종파를 일으키는 입자의 움직임을 90도 회전하면 횡파를 일으키는 입자의 움직임과 같아짐

횡파의 경우 그 자체로 파동이 보이며 종파의 경우 시간의 경과에 따른 압력의 변화를 기록하면 파동이 나타남.