소리

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.

소리

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 가지며, 10⁶Hz의 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.

생성과 인식

탄성 매질의 밀도가 국소적으로 변하면 소리가 생성된다.

밀도의 변화는 역학적·열적·전기적·자기적·화학작용 등의 여러 방법에 의해 일어날 수 있으므로 음원은 매우 다양하다. 그러나 대부분의 소리는 고체·액체·기체에서 역학적인 진동에 의해서 생성된다. 고체 진동자로는 현, 막대, 얇은 막, 판, 종 등이 있고 심지어 지구 자체도 음원으로 작용하기도 한다. 음원 중에서 액체의 형태를 갖는 것은 흔하지는 않지만 물이나 공기가 와류를 형성하여 흐르는 것이 1가지 예가 될 수 있다.

기체 형태의 음원으로는 오르간 파이프, 호루라기, 폭발, 기체의 와류 등을 들 수 있다. 탄성 매질의 밀도를 국소적으로 변화시키는 방법은 매우 많으며. 그중에는 고체를 다른 고체에 충돌시키거나 2개의 고체를 서로 문지르는 방법이 있다. 소리를 생성하는 또다른 방법은 전기적·자기적인 효과에 의해서 역학적인 진동을 형성하는 것이다.

전종(電鍾)이나 전화수신기에서는 자성합금을 전자석으로 끌어당겨서 소리를 발생시킨다. 자기장 내에서 교류 전류가 흐르는 전선의 움직임이 라디오나 텔레비전 등에 사용하는 스피커에서 전기역학적인 음원으로 이용된다. 이런 것들은 전기음향 기구라고 하는데 이는 전기적인 진동을 막대·막(膜)·진동판(振動板) 등을 이용하여 기계적인 진동으로 변환을 시켜주기 때문이다. 자기변형 음원은 자성고체를 강도가 변하는 자기장내에 두어 이때 자성고체의 크기가 변화하는 성질을 이용한다.

압전(壓電)음원에서는 수정과 같은 여러 가지의 결정에 전기장을 걸어서 전기장의 강도를 변화시키면 결정의 크기가 변하는 성질을 이용한다. 이와 같은 음원은 대개 변환기라고 부르는데 이것은 어떤 진동 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환을 시켜주기 때문이다.

이와 같은 기구는 음원으로뿐만 아니라 소리를 검출하는 데도 적절하다. 유기물질이 급격하게 연소하여 생기는 폭발에서는 소리가 소음의 형태로 생성되는데 이와 같은 예는 내연기관에서 볼 수 있다.

앞에서는 음원이 매질에 대해서 상대적으로 정지해 있다고 묵시적인 가정을 했다. 비행기·잠수함·미사일과 같이 음원이 운동을 하면 도플러 효과에 의해 수신되는 음높이가 변하게 된다. 예를 들어 수신자가 정지해 있고 음원이 운동할 때 음원이 수신자로부터 멀어지는 경우에는 수신자가 듣는 소리의 진동수가 음원이 발신하는 진동수보다 작은 값을 가지며 음원이 가까워지는 경우에는 수신되는 진동수가 원래보다 증가한다(도플러 효과). 따라서 송신진동수와 수신진동수를 알면 음원의 반지름 방향 속도를 알 수 있는데 이것은 소나와 같이 군사용으로 중요한 의미를 갖는다.

음향학을 군사용으로 응용하는 중요한 분야로는 지상이나 수중에서 먼 거리에 있는 물체를 검출하는 것이다. 먼 거리에 있는 물체에서 나오는 음파를 이미 알고 있는 간격으로 배치된 3개 이상의 마이크에서 수신할 때, 공기 중에서의 음파의 속도와 음파가 각각의 마이크에 도달한 시간을 측정하면 음원의 방향과 거리를 알 수 있다. 이것이 음파를 이용한 거리 측정의 기본원리이다.

수중에 있는 물체에서 발생하는 음파를 수동적으로 검출하는 것은 공기 중에서 음파를 이용하여 거리를 측정하는 것과 근본적으로 같은 원리이다.

일반적으로 소나라고 하는 능동탐지방법을 이용한다. 능동탐지법에서는 음파를 펄스의 형태로 하여 수중을 수평방향으로 훑는데, 음파가 고체 물체에 충돌하면 반향이 생기므로 물체에 대한 정보를 알 수 있다. 물체와의 거리는 수중에서의 음속을 이용하여 구하는데 이것은 레이더와 유사한 원리이다. 압전소자를 사용하는 변환기의 크기가 충분히 크지 않기 때문에 날카로운 음파의 빔을 얻기 위해서는 상당히 진동수가 높은 음파를 이용해야 한다.

소리는 소리 수신기에 의해서 검출(즉 인간이나 다른 생물이 인식할 수 있는 형태로 변환됨)된다. 정상적인 인간의 귀로는 강도가 10^－10W/m 정도의 낮은 소리도 들을 수 있다. 현재 마이크로폰이라는 용어는 소리를 탐지할 때 사용하는 모든 형태의 전기 음향 변환기를 일컫는다.

전기음향적인 마이크로폰은 소리에 의해서 생긴 압력 변화를 교류전류로 변환시키게 되고 이를 증폭하면 오실로그래프 상에서 음파의 형태를 볼 수 있다. 마이크로폰에 의해서 공기 내의 음압변화가 전기적인 파동으로 변환하는 과정은 동시에 발생하는 2가지의 과정으로 이루어져 있다. 우선 진동판 표면에 충돌하는 음파에 의해서 막이 공기 입자의 운동에 따라 앞뒤로 움직이게 된다. 그다음에 진동판의 운동에 의해서 전류가 생성된다. 소리크기는 인간의 귀로써 느끼는 소리의 특성인데 음파의 에너지 강도와 같이 간단한 문제가 아니다.

소리크기는 기준 음의 강도를 청취자가 같은 세기로 느낄 때까지 변화시켜서 결정한다. 이때 기준 음이 최저 가청역에서부터 증가된 양을 ㏈로 나타낸 것을 소리크기의 정도(loudness level)라고 한다. 2개의 귀를 이용하여 듣는 소위 입체효과에 의해서 음원의 방향을 검출할 수 있는데 이와 같은 효과는 음파가 양쪽 귀에 도달하는 강도의 차이에 의해서뿐만 아니라 양쪽 귀에 도달하는 음파의 위상차이에 의해서도 결정된다.

사실 이와 같은 방향효과보다 더 중요한 것은 입체효과에 의해서 상이한 소리를 서로 구분하는(예를 들어 잡음과 의미가 있는 음성을 구분하는 것과 같이) 것이다. 의미가 있는 소리와 소음의 차이는 양 귀에 도달하는 시간의 차이에 의해서 생기는 것으로 생각되는데 이 차이를 이용하여 신경계가 필요한 구분을 하는 것으로 생각된다.

강당·법정 또는 그외의 생활공간에서 청중들이 연설이나 음악을 잘 들을 수 있게 하는 데는 4가지 선결요건이 있다.

즉 음악이나 연설을 명료하게 인식하는 데는 우선 정숙해야 하고 소리의 크기 및 분포가 적절해야 하며 소리가 적절하게 조화되어야 한다. 음원이 밀폐된 공간에 있으면 어느 지점에서의 소리의 강도는 음원에서 직접 도달하는 소리와 방의 벽면에 의해서 반사된 소리에 의해서 결정된다.