소리와 음파의 물리학: 우리가 매일 듣는 소리의 진실

자연의 이치와 물리 법칙은 알면 알수록 놀랍고 신기합니다. 이 번 글에서는 우리가 일상생활에서 매일 듣고 있는 소리, 음파에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

소리의 특성

우리가 귀로 듣고 있는 소리는 물리적 용어로 음파(音波, Sound Wave)라고 하며 매질을 통해 그 내부에 발생되는 압력 혹은 스트레스가 진동하며 전파되어 나가는 파동으로 정의할 수 있습니다.

소리의 물리적 특성을 이해하는 데 가장 중요한 용어가 바로 파동인 것입니다.

우리가 생활하는 공간은 공기가 둘러싸고 있으므로 이때의 매질은 공기가 되며 물속에서 소리를 들을 때는 물이 매질이 되는 것입니다.

따라서 진공 상태로 매질이 없는 우주공간에서는 소리가 전파되거나 전달되지 못합니다. 우리에게 잘 알려져 있듯이 공기 중에서 소리가 전파되는 속도는 초속 340 미터입니다.

파동이란?

파동(Wave)을 간단히 정의하면 어떤 한 곳의 에너지가 흔들림을 통해 다른 곳으로 전달되는 현상을 말합니다.

가장 이해하기 쉬운 예가 잔잔한 연못에 돌을 던지면 물의 표면에 파문이 사방으로 퍼져나가며 물결파가 만들어지는데 이와 같은 물리적 현상이 파동인 것입니다.

파동 특성을 갖는 음파 즉 소리는 파장(Wavelength)과 진동수(Frequency), 전파속도와 진폭(Amplitude)으로 간단히 설명할 수 있습니다. 특히 진동수는 주파수라고도 말합니다.

아래의 그림과 같이 1차원 공간에서 파동을 사인 곡선으로 표시할 수 있는데 반복되는 형태의 가장 작은 단위에 해당하는 길이를 파장 λ라고 하고 가운데를 중심으로 위, 아래로 변화하는 크기를 진폭 A라고 합니다.

공기 중에서 소리의 전파속도 V는 일정하게 초속 340 미터이므로 소리의 진동수 υ는 속도 나누기 파장 즉 V / λ 로 구할 수 있습니다.

파장과 진동수는 반비례 관계에 있어서 파장이 크면 진동수가 낮아지고 반대로 파장이 작으면 진동수는 높아집니다. 또한 진동수가 낮은 소리는 저음이며 진동수가 높은 소리가 고음입니다.

일상생활에서의 실제 소리는 단일 음파나 간단한 사인 곡선 형태가 아닌, 다양한 파장의 매우 복합적인 음파로 구성되는데 그러한 특성에 의해 고유한 음색(Tone)이 나타나는 것입니다.

주로 A로 표시되는 진폭은 소리의 크기를 나타내는 물리량으로 이 값이 클수록 소리의 크기는 커지며 반대의 경우 작아집니다.

파동(Wave)의 특성

가청 주파수 (Audible Frequency)

여기서 흥미로운 점은 일반적인 정상인이 모든 진동수의 소리를 들을 수 없으며 20 Hz에서 20000 Hz 사이의 가청 주파수에 해당하는 음파만을 느낄 수 있다는 사실입니다.

가청 주파수 범위보다 낮은 진동수의 저음이나 높은 진동수의 고음은 인간이 들을 수 없는 것입니다. 여기서 Hz(헤르츠)는 초당 몇 파장만큼 진동하는가를 나타내는 진동수의 단위입니다.

특히 진동수가 20 Hz 보다 매우 낮은 초저주파(Infrasound)와 20 kHz 보다 매우 높은 초음파(Ultrasonic)는 의료기기나 산업용 장비, 자동차 등 다양한 분야에 활용됩니다.

모든 인간은 나이가 들어가면서 청력이 노화되면 높은 진동수의 고음을 잘 듣지 못하게 됩니다. 노인이 된다는 것은 빠른 변화를 감지하는 능력이 떨어진다는 의미이므로 어찌 보면 매우 당연한 결과입니다.

청력의 노화에 의해 듣지 못하는 소리를 우리의 뇌가 자체적으로 보상하면서 발생하는 것이 진동수가 높은 고음 '삐' 소리가 환청으로 들리는 이명 현상으로 나타나기도 합니다.

따라서 갑자기 이명이 생기면 바로 병원으로 가서 정확한 검진을 받고 적절한 조치를 하는 것이 좋습니다. 이명 현상이 반복되거나 심하면 치매와 같이 뇌기능에 문제가 발생할 수도 있기 때문입니다.

오디오 시스템

좋은 오디오 시스템은 원음의 변형이나 잡음이 최소화하여 가청 주파수 범위 내의 모든 음파 신호를 최대한 정확하게 우리의 귀에 전달할 수 있도록 최첨단 전자기술과 음향기술을 활용하여 제작됩니다.

이때 소리 신호를 증폭하는 장치인 앰프에 의해 원음의 진폭 A만 커지는 것이 아니고 파형이 변형되거나 잡음이 추가되기 때문에 저가 오디오는 음질이 낮아집니다.

따라서 프리미엄 오디오 시스템에는 이러한 음파 변형을 최소화하기 위해 음파 신호 처리 칩셋이나 잡음 제거 회로 등을 사용하여 가격이 매우 높습니다.

원음이 얼마나 변형되었는 지를 나타내는 총고조파 변형률(THD, Total Harmonic Distortion)은 고품질 오디오 시스템에서는 보통 0.01% 이하로 매우 낮게 유지됩니다. 이전의 다른 포스팅 글도 참조하시기 바랍니다.

 

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