소리가 발생하고 전달되는 원리

 

 

sound

평형 상태에서 역학적 요동이 탄성매질을 통해 전달되는 것.

소리가 음원에서 발생하여 파동의 형태로써 진행한다는 것은 일찍이 인식하고 있지만 파동의 진행은 자동차, 투사체(投射體), 물의 운동과는 다른 점을 가지고 있다. 

 

인간이 입을 열어서 소리를 낼 때 입 주위에 공기를 움직이게는 하지만 입 주위에 있는 모든 공기를 멀리 밀어내는 것은 아니다. 그보다는 입 주위에 있는 작은 양의 공기를 원래의 부피에 비해서 작게 압축시킨다. 

공기는 탄성체이기 때문에 압축되었을 때 외력이 없어지면 원래의 부피로 다시 팽창하려는 경향이 있다. 이때 공기가 팽창하면서 인접해 있는 공기를 움직여 압축시키고 이 공기가 다시 팽창하면 그 옆의 공기를 압축시키는 과정이 계속 반복된다. 이 운동에 해당하는 에너지가 인간의 귀와 같은 소리의 수신원에서 흡수되면 운동 에너지의 일부가 자극의 형태로 바뀌는데 인간의 귀에서는 청각의 형태로 반응이 일어난다. 

공기나 다른 형태의 유동성 매질 내에 있는 음파는 압축성 파동이다. 큰 소리와 작은 소리의 구별은 음파가 진행될 때 나타나는 압력 변화 정도에 달려 있다. 매질 내에서 음파는 역학적 에너지를 전달하며 음파의 진행방향에 수직인 단위면적에 전파되는 평균일률을 소리의 강도라고 한다. 

강도의 단위로는 bel(벨)을 사용하는데 실제로 사용할 때는 이 값의 1/10의 값을 가지는 dB( 데시벨)을 사용한다. 데시벨 눈금은 임의의 어떤 기준 값에 대한 상대적인 값을 갖는데 대개 인간이 들을 수 있는 최저의 강도를 그 기준으로 삼는다. 

일상적인 대화는 1m 거리에서 약 60dB에 해당하며 혼잡한 교차로의 소음은 약 75dB, 보일러 공장의 소음은 130dB에 이른다. 공중에 있는 비행기 소리와 같이 청음자로부터 먼 곳에서 발생하는 소리는 불명확하게 들리는데 이와 같은 현상은 기본적으로 음원과 청음자 상호간의 거리에 따른 문제이다. 

점 음원에서 발생하는 음파의 강도는 음원으로부터의 거리의 제곱에 반비례하는 값을 갖는다. 공간 중에 있는 점 음원에서 발생하는 소리의 에너지는 사방으로 퍼져나가므로 음원에서 멀어질수록 단위시간에 같은 양의 에너지가 지나가는 구면의 면적이 증가하게 된다. 따라서 음파의 강도는 거리의 제곱에 반비례로 감소한다. 공간에서 거리에 따른 음파의 강도는 이와 같은 순수히 기하학적인 요소에 의한 것보다 더 빨리 감소하는데 이것은 음파가 매질에 의해서 흡수될 뿐만아니라 반사·굴절·회절·산란 등과 같은 여러 효과에 의해서 에너지가 소모되기 때문이다.

음파는 일정한 진동수로 반복 운동하는 역학적 에너지원으로부터 발생하기 때문에 조화파(調和波) 소리의 진동수는 매질 내의 임의의 지점에서 교란이 1초 동안에 반복하는 횟수로 정의된다. 

인간의 음성이나 악기음의 경우에는 정밀하게 제작된 소리굽쇠나 정밀한 진동수의 전자 발진기로 작동되는 확성기 소리에 비해서 인간이 귀로써 느끼는 음높이와 물리적인 진동수와의 관계가 단순하지 않다. 소리굽쇠나 확성기는 정확하게 단일 진동수의 순음(pure tone)을 발생시킨다. 이와 같은 조화파의 경우에서는 매질의 어느 지점에서 압력의 변화가 완전히 1회를 반복할 때 걸리는 시간을 이 파의 주기라고 하며 이 값의 역수가 진동수(㎐)이다.

 공기 중에서 약 20Hz 미만의 진동수로 진동하는 물체는 대부분의 정상적인 귀로는 들을 수 없는 압축파(즉, 초저주파)를 생성한다. 공기 중에서 음파의 진동수가 20KHz를 초과하면 대부분의 사람은 이 소리를 듣지 못하는데 이때 많은 사람은 불쾌감을 느끼기도 한다. 이와 같이 들을 수 없는 고주파의 소리를 대개 초음파(超音波)라고 한다. 조화음파의 특성으로는 일정한 파장을 들 수 있다. 소리 파동 내에서 압축의 시발점이 1주기 동안에 정확히 1파장을 이동하므로 파장과 진동수를 곱하면 파동의 속도가 된다. 매질 내에서 파동의 속도는 동일하므로 동일한 매질에서 고주파의 파장은 저주파의 파장보다 작은 값을 갖게 된다. 예를 들면 20℃의 공기에서 1,000Hz의 음파는 0.344m의 파장을 가지⁶UP>Hz의 진동수를 갖는 음파의 파장은 0.344㎜이다.

 

일상적으로 경험하는 음파 중에서 순음을 갖는 음파는 거의 존재하지 않으며 대부분의 음파는 여러 가지의 진동수에 해당하는 조화파가 복잡하게 결합된 것이다. 이와 같은 혼합파 중에서 1개 또는 그 이상의 진동수가 우세하게 되어(즉 강도가 세어짐) 음파의 성질을 좌우하게 된다. 여러 가지 형태의 파동 중에서 가장 간단하게 생각할 수 있는 것은 유연한 줄의 한쪽 끝을 가볍게 흔들 때 생기는 파동이다. 이와 같은 유형의 파동은 매질(이 경우에는 줄)의 교란이 파동 자체의 진행방향에 수직인 방향으로 일어나기 때문에 횡파(橫波)라고 한다. 

 

횡파는 음파와는 물리적으로 상이한데 음파에서는 교란(즉 압축)이 음파 자체의 진행방향과 동일한 방향으로 움직이며 이를 종파(縱波)라고 한다. 음파가 반드시 주기적인 것은 아니지만 우리가 관심을 가지는 음파들은 주기적이어서 일정한 진동수와 파장을 갖는다. 밀도와 같은 관성 요소가 일정할 때 매질의 탄성이 크면 음속은 빨라진다. 정상조건인 기체 내에서의 음속은 진동수와 무관하지만 압력에 대한 진동수의 비가 충분히 증가하면 음속도 증가한다. 액체의 경우 액체의 압축률이 온도에 따라 복잡하게 변하기 때문에 온도에 따른 음속의 변화를 간단한 수식으로 표현하기는 매우 어렵다.

 

고체 내의 압축파도 대개 음파로 간주한다. 대부분의 단단한 고체에서 음파의 전파속도는 탄성률과 밀도에 따라서 1,000~6,000m/s에 이른다. 강철봉에서 압축파의 속도는 납봉에서의 속도보다 몇 배 빠른데 이는 강철의 밀도가 납에 비해서 작기 때문이다. 크고 단단한 표면의 주위에서 반향이 생기는 것으로부터 성질이 서로 다른 물질의 경계에서 음파가 반사한다는 것을 알 수 있다. 또한 이와 같은 경계를 음파가 진행할 때 음파는 굴절하게 되는데 이와 같은 예는 공기와 물의 경계에서 볼 수 있다. 음파가 공기와 물과 같이 서로 다른 성질을 갖는 두 매질의 경계면에 충돌하면 파동의 일부분은 반사되고 일부는 2번째 매질 내로 투과된다(일반적으로는 이때 굴절을 일으킴). 따라서 음파 에너지의 투과는 경계면의 영향을 받는다.

 

어떤 매질 사이에 음향 성질이 다른 일정한 두께의 매질을 끼워넣으면 파동을 선택적으로 투과하게 할 수 있다. 따라서 매질을 적절히 배열하면 어떤 특정한 진동수의 음파는 투과시키고 다른 진동수의 음파는 전혀 투과시키지 않는 음향 필터를 만들 수 있다. 

이와 같은 교번(交番) 구조에는 여러 개의 통과대역과 감쇄대역이 있다. 튜브의 벽면에 여러 개의 구멍이 일정한 간격으로 뚫어져 있으면 음향 필터로 작용하는데, 낮은 진동수의 음향이 약화되므로 고주파 통과 필터라고 한다. 물리적인 구조를 변경하면 저주파 통과 필터를 만드는 것도 가능하다. 송풍기·소음기(消音器) 등과 같이 기체의 흐름에 의해서 소음이 발생하는 여러 기구에서 특정한 진동수의 음파를 감소키기기 위해서 여러 형태의 음향 필터가 제작되었다. 

 

여러 가지의 악기는 동작원리상 음향 필터의 작용을 한다.

 

음향이 어떤 매질을 통과할 때는 매질에 의해서 일부가 흡수되므로 음파가 진행함에 따라서 강도가 점차 약해진다. 음파가 유한한 크기를 갖는 장애물에 충돌하면 음향 에너지의 일부는 반사되고 일부는 장애물을 투과하며 일부는 장애물을 우회(迂廻)하는데, 이를 회절이라 한다. 이 경우 장애물에 의해서 음파가 산란되었다고 표현한다. 

 

이때 산란되는 모양은 입사파의 파장과 장애물의 크기와 깊은 관계가 있다. 예를 들어 반지름이 a인 구가 장애물일 때 입사하는 파의 파장 λ가 구의 원주 2πa에 비해서 작으면 구의 뒤쪽으로 회절하는 파는 입사하는 파와의 상쇄간섭(이와 같은 이름이 붙은 것은 위상차이가 180°가 되어 이들의 변위의 합이 0이 되기 때문임)에 의해 강도가 0이 된다. 따라서 파장과 원주의 비 λ/2πaEM>가 작아질수록 구형의 장애물에 의한 그림자의 윤곽이 뚜렷해진다. 이와 같은 현상은 광선에서 볼 수 있는 것과 비슷하며, 파면의 전파 대신에 음선(音線：음파의 파면과 직교하는 선)을 사용하여 음파를 분석할 수 있다(기하 음향학). 

하지만 가청 음파(공기 중에서의 파장 λ가 약 2cm 이상이 되는 음파)에 대해서는 장애물의 크기가 비교적 클 때만 그림자를 형성하는 산란이 일어나게 된다.

이와는 정반대로 파장이 장애물의 원주에 비해서 충분히 크면 입사파는 모든 방향으로 산란되어 그림자가 생기지 않는다. 산란된 음파의 강도는 산란 입자(이 경우에는 구)의 부피의 제곱에 비례하며 파장의 4제곱에 반비례한다. 산란된 파에서는 파장이 짧을수록 강도가 세다. 따라서 줄지어 있는 나무들에 의해서 산란된 음파는 음높이가 높아지게 된다. 

 

이와 유사한 현상은 수중에서 음파가 공기 방울에 의해서 산란이 되는 경우에도 나타난다. 음파가 진행하는 매질이 반사면으로 둘러싸여 있을 때 여러 방향으로 진행하는 파가 서로 중첩되면서 여러 가지 흥미있는 현상이 나타난다. 

 

이중 가장 간단한 예로는 양단이 막힌 원기둥 관을 들 수 있다. 이 관 내에서 공기의 교란이 발생하면 양단에서 반사가 되어 관 내를 왕복하는 일련의 파동들이 만들어진다. 고강도의 음파(폭발 등에 의한)는 초기에는 변위가 대칭적인 사인파의 형태를 가지는데 곧 파면이 깊어지면서 톱니파의 형태를 갖게 된다. 이 파동의 압력·밀도·유속 등은 불연속적으로 변한다. 이러한 파는 충격파라고 하는데 미사일, 제트 비행기 등 음속보다 빨리 움직이는 물체에서도 발생한다.

 

 

출처 : 

 

"소리" 한국 브리태니커 온라인

<http://preview.britannica.co.kr/bol/topic.asp?article_id=b12s2104b>
[2012. 5. 11자 기사]