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소리는 물체의 진동으로 발생하는 파동이라고 하고
1초 동안 진동하는 횟수를 주파수라고 한다.
그리고 주파수는 저주파와 고주파로 나뉜다.
실험을 통해 눈에 보이지 않는 주파수를 자세히 살펴보자!
▶full영상: https://youtu.be/OJbTInVod6U
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실험을 통해 알아보는 소리의 파동 / YTN 사이언스
[YTN 사이언스 기사원문] https://science.ytn.co.kr/hotclip/view.php?s_mcd=1460\u0026key=202110141656362371
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소리 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
우리들의 귀에 끊임없이 들려오는 소리는 공기 속을 전해오는 파동이다. 소리는 우리들에게 여러 가지 정보를 전해준다. 눈에는 보이지 않는 파동이지만 파동의 여러 가지 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 6/1/2022
View: 1051
소리는 파동, 소리의 3요소 : 스타키보청기 김포센터/청각음향
[소리는 파동]소리는 파동입니다. 그래서 음파(Sound Wave) 라고도 합니다.파동은 물질의 진동방향과 진행방향이 서로 직각인 횡파와물질의 진동방향 …Source: www.hearbest.net
Date Published: 7/16/2022
View: 2869
소리의 세기와 높낮이 – 네이버 블로그
자주 진동하는 경우에는 높은 소리가, 진동수가 적은 경우에 낮은 소리가 납니다. 파동의 속력이 같고, 진동수가 적으면 파장은 길고 진동수가 많으면 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 6/7/2022
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소리 물리학의 기본 개념
하는데, 소리가 어떤 것인가에 따라 일으키는 파동의 모양이 모. 두 다르다. 이러한 음파는 크게 단순파(simple wave, sine wave). 와 복합파(complex wave)로 나누어 …
Source: jkslp.org
Date Published: 1/14/2021
View: 9497
소리의 세기와 높낮이 – 교육부 공식 블로그
자주 진동하는 경우에는 높은 소리가, 진동수가 적은 경우에 낮은 소리가 납니다. 파동의 속력이 같고, 진동수가 적으면 파장은 길고 진동수가 많으면 …
Source: if-blog.tistory.com
Date Published: 11/9/2022
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음악과 물리학 – 2. 소리와 파동 (Music and Physics
소리의 정의; 파동의 물리학; 정상파; 소리의 3요소; 참고 사이트 및 출처. 소리의 정의. 악기를 연주하면 음높이를 가진 소리가 나오고 우리는 이것을 만들어내거나 …
Source: fluorf.net
Date Published: 10/22/2021
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과학 1 – 소리와 파동 – EBS
파동의 종류. 지진파. 물결파. 소리. 빛(전파). 매질. 땅. 물. 공기, 물, 땅. 매질이 필요 없다. 2. 파동의 진행과 매질의 운동 : 파동이 전파될 때 매질은 제자리에서 …
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Date Published: 11/10/2021
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[생활 속 과학 상식 바로잡기] 내 목소리를 녹음해서 들으면 …
그림 2. 소리의 전파 과정- 종파인 소리는 파동의 진행 방향(검은 화살표)과 진동 방향(파란 화살표)가 같다. 진동에 의해 …
Source: www.ibric.org
Date Published: 6/14/2021
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주제에 대한 기사 평가 소리 의 파동
- Author: YTN 사이언스
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- Date Published: 2021. 11. 28.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=wbgIr3Aai9c
위키백과, 우리 모두의 백과사전
소리 또는 음(音) 또는 ‘음파’는 공기나 물 같은 매질의 진동을 통해 전달되는 종파이다. 대표적으로 사람의 청각기관을 자극하여 뇌에서 해석되는 매질의 움직임이 그 예이다.
우리들의 귀에 끊임없이 들려오는 소리는 공기 속을 전해오는 파동이다. 소리는 우리들에게 여러 가지 정보를 전해준다. 눈에는 보이지 않는 파동이지만 파동의 여러 가지 성질은 음파의 경우 귀에 들리는 소리의 변화로 알 수가 있다.
사람이 소리를 들을 수 있는 것도 공기가 진동하기 때문이다. 즉 주파수(진동수)를 가지기 때문이다. 사람의 가청주파수는 약 20~20480 Hz(20.48 KHz) 이내이며 나이가 듦에 따라 최대 가청주파수는 낮아지게 된다. 공학에서의 가청주파수 대역폭은 300~3400 Hz이다.
소리 즉 음파는 물리학에서 매질(媒質)의 진동 방향이 파동의 방향에 일치하는 파동 즉 종파(縱波)의 하나이다. 한편 음파는 공기를 압축 또는 확장 시킴으로써 파동을 갖게 된것이다. 음속의 기준이 된다.
음파 [ 편집 ]
보일의 공기 펌프
북을 두드리거나 기타의 현을 튕기면 소리가 들린다. 소리를 내고 있는 북의 가죽이나 기타의 현은 세차게 고동치고 있지만 손을 대서 이 진동을 멈추게 하면 소리는 들리지 않게 된다.
소리를 발생하는 것을 발음체, 혹은 음원이라고 하는데, 일반적으로 진동하는 물체가 음원이다. 진동하는 물체에서 무엇이 전해와서 소리가 들리는 것일까. 이 의문이 처음으로 해결된 것은 17세기의 중엽이다. 보일은 당시 독일의 게리케가 발명한 진공 펌프를 사용해서 공기가 소리를 전달하는 매질임을 실험으로 확인했다.
이 실험은 커다란 플라스크와 방울을 사용해도 간단히 할 수 있다. 공기를 빼내기 위한 것과 넣기 위한 두 개의 가느다란 유리관과 방울을 매단 가느다란 막대를 장착한 고무 마개를 플라스크에 끼운다. 먼저, 공기가 들어간 채 플라스크를 흔들어서 들리는 방울 소리를 확인해 둔다. 다음에 한쪽의 유리관에 진공 펌프를 연결하고 공기를 뽑아내면서 플라스크를 흔들면 방울 소리는 차츰 잘 들리지 않게 된다. 이번에는 펌프질을 멈추고 핀치 콕을 열어서 공기를 조금씩 넣으면서 방울 소리를 들어보면 소리는 차츰 커져서 최초의 크기로 돌아간다. 이 실험으로 소리는 공기를 통해서 들린다는 것을 알 수 있다.
음파의 종류 [ 편집 ]
공기는 체적의 변화에 대해 복원력이 있으므로 파동을 전달하는 성질이 있다. 공기 속에서 물체가 진동하면 변화가 공기에 전달, 파동이 발생한다. 이것이 음파이다. 음파가 가로 파동이냐 세로 파동이냐는 매질의 성질에 따라 결정된다. 일반적으로 체적 변화에 대해 복원력이 있는 물체(고체·액체·기체)는 세로 파동을 전하는 매질이며, 형태는 변화에 대해 복원력이 있는 물체(고체)나 액체 속에서는 형태의 변화에 대해 복원력이 없으므로 가로 파동은 전달되지 않는다. 따라서 음파는 공기의 성질을 생각할 때 세로 파동이다.
음파의 전달 방법 [ 편집 ]
소리는 공기 속 뿐만 아니라 수중이나 고체 속에서도 전달된다. 물속에 잠수하여 돌을 부딪치면 소리가 들린다. 역의 플랫폼에서 전차를 기다리고 있을 때 먼 곳에 있는 전차의 소리가 레일을 통해 들린다. 아프리카의 원주민이 대지에 귀를 대고 코끼리의 발소리를 들을 수 있는 것도 고체 속에 전달되는 소리의 이용이다. 수면파는 물의 표면에 퍼지는 2차원 파동이지만, 음파는 주위의 공기 전체에 퍼지는 3차원 파동이다. 공기의 온도가 일정하면 음파의 파면은 음원을 중심으로 둥근 원을 그리듯 퍼지며, 그 사선(진로)은 언제나 직선이다. 이 성질을 음파의 직진성이라고 한다고 한다.
소리의 물리학적 특성 [ 편집 ]
높낮이 [ 편집 ]
소리의 높낮이는 진동수에 의해서만 결정되며 파장이랑 관련이 없다. 진동수가 높으면 높은 소리, 진동수가 낮으면 낮은 소리로 느낀다. 소리의 속도가 일정하다고 가정할 때, 파장은 진동수에 반비례한다. 인간이 들을 수 있는 진동수의 영역은 16에서 2만 Hz까지이다. 특히 진동수가 높은 소리와 낮은 소리는 들을 수 있는 범위가 좁다
세기 [ 편집 ]
소리의 세기는 그 파동이 얼마나 큰 압력을 갖고 있느냐로 계산되며, 음압이라고 표현되고 단위는 ‘데시벨'(dB)을 사용한다. 데시벨은 절대적인 기준 수치가 아닌 상대적인 값이며,0dB를 기준으로 10dB가 증가할 때마다 그 소리의 세기, 즉 음압은 10의 거듭제곱 꼴로 커진다. 예를 들면 10dB는 0dB보다 10dB가 크므로 0dB보다 10¹배만큼 크다. 또한, 20dB는 0dB보다 20dB가 크므로 0dB보다 10²배, 즉 100배만큼 크다.
인간의 귀는 주파수나 데시벨에 따라 음압을 정확하고 순차적으로 인식하지 못하기 때문에 인간이 느끼는 음의 상대적인 크기를 고려하여 폰(Phon)이나 쏜(Sone)이라는 척도를 사용하기도 한다. 같은 진폭의 소리라면 약 4,000 Hz 부근의 소리가 가장 잘 들리며, 가청주파수의 상한/하한에 가까운 소리는 진폭이 크더라도 잘 들리지 않는다.
전파 속도 [ 편집 ]
음파의 속도(음속)는 직선 거리를 알고 있는 두 점 사이에서 전달되는 시간을 재면 구할 수 있다. 빛의 속도는 음속보다 훨씬 빠르기 때문에 한쪽 점에서 발사한 신호용 권총의 연기를 다른 한쪽에서 보고 소리가 들릴 때까지의 시간을 재면 된다. 또는 음파의 반사를 이용해서 재는 방법도 있다. 커다란 건물을 향해 일정한 시간 간격으로 딱딱이를 치면서 건물에서 멀어지면 딱딱이에서 직접 들리는 소리와 건물에 반사해서 소리가 똑같이 들리는 위치를 발견할 수 있다. 이 때의 위치에서 건물까지의 거리의 2배를 딱딱이를 치는 시간 간격으로 나누면 음속을 구할 수 있다.
온도 15°C의 공기 속을 전파하는 음속은 대략 340m/s이다. 음속은 진동수나 기압에는 관계가 없고 공기의 온도에 의해서만 변한다. 음속이 공기의 온도에 의해 변하는 것은 공기의 밀도가 온도에 의해 변하기 때문이므로, 밀도가 작을수록, 혹은 온도가 높을수록 매질은 이동하기 쉬워져서 음속은 빨라진다. 공기 속에 수증기 등이 포함되어 있으면 음속도 변화하지만 그 영향은 기온의 영향보다도 적기 때문에 무시해도 좋다. 공기 이외의 매질(액체·고체도 포함) 속의 음속도 온도에 따라 다르다. 보통 기체 속보다도 액체 속의 음속이 크며, 액체 속보다 고체 속이 크다.
소리의 전파속도는 습도가 0%일 때의 공식은
c a i r = ( 331 . 3 + 0 . 60698235125 ⋅ ϑ ) m ⋅ s − 1 {\displaystyle c_{\mathrm {air} }=(331{.}3+0{.}60698235125\cdot \vartheta )\ \mathrm {m\cdot s^{-1}} }
여기서
c a i r {\displaystyle c_{\mathrm {air} }} ϑ {\displaystyle \vartheta } 섭씨의 온도
이다.
위상 [ 편집 ]
진폭과 주파수가 같더라도 위상이 서로 다르면 서로 다른 소리이다. 진폭과 주파수와 위상이 같은 소리를 더하면 진폭은 두 배가 된다. 진폭과 주파수가 같지만 위상이 서로 반대인 사인파를 더하면 서로 상쇄된다.
그러나 특정 주파수의 위상의 차이는 청각으로 인지할 수 있는 차이를 불러오지는 않는다.
음색 [ 편집 ]
바이올린의 소리와 플룻의 소리를 구별할 수 있는 것은 소리를 이루는 파동의 모양이 다르기 때문이다. 자연계에는 순수하게 사인파로만 이루어진 소리는 없으며, 각자 음압이 다른 배음의 배치들이나 다른 주파수들의 소리의 합이 전체적인 음색을 결정하게 된다.
예를 들어 현악기의 경우엔 정수배에, 관악기의 경우엔 홀수배에 배음의 스펙트럼이 등차적으로 생겨나는 것을 볼 수 있다. 마찬가지로 사람의 목소리를 구분할 수 있는 것도 고유의 스펙트럼을 가지고 있기 때문이다. 푸리에의 이론은 간단한 사인파의 합으로 자연계의 어떤 소리든지 구현할 수 있다는 이론으로, 서로 다른 파장의 모임은 새로운 음색을 결정한다.
공명 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 공명 입니다.
어떤 진동수의 음과, 진동수가 배수에 있는 음의 관계를 배음이라고 한다. 물체는 고유의 진동수를 지니고 있는데 전달된 소리가 물체의 고유 진동수와 배수 관계에 있으면 진폭이 증가하게 된다. 이러한 현상을 공명이라 한다. 1800년대 영국, 한 부대가 다리를 건너다가 우연히 그 부대가 건너가는 소리 중, 다리의 고유 진동수와 일치한 진동수가 있어, 그 다리에서는 엄청난 진폭이 발생되고, 결국 무너지고 말았다. 이처럼 고유진동수가 맞아 진폭이 증가하는 경우는 성악가들이 유리와 진동수가 일치한 목소리를 내어 유리를 깨는 데에도 이용한다.
음파의 회절 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 회절 입니다.
진행하고 있는 음파도 도중에서 장애물에 마주치면 그 뒤를 돌아서 나아간다. 음파의 파장은 수면파의 파장에 비해 길기 때문에 뒤로 돌아가는 정도도 크다. 담장 너머로 말하는 소리가 들리고, 옆방에서 나는 소리가 창문이 열려 있으면 잘 들리는 것도 이 때문이다. 음파는 얇은 벽을 통과하기도 하고 반사하여 진로를 바꾸기도 하므로 회절의 실험을 할 때 특히 이런 점에 주의해야 한다. 담장 너머로 들리는 소리도 담장에 접근할수록 잘 들릴 때는 이는 담장을 통과했기 때문일 것이다. 회절에 의해 들리는 소리는 담장에서 적당한 거리로 떨어지는 것이 잘 들린다. 또 옆방에서 나는 소리도 복도쪽 창문을 닫으면 회절뿐 아니라 복도의 벽에 반사된 몫까지도 더해지므로 바깥쪽 창문을 열었을 때보다도 크게 들린다.
음파의 반사 [ 편집 ]
수면파와 마찬가지로 음파에도 규칙적인 반사 현상이 있다. 산에 올라가서 큰 소리를 지르면 여러 방향에서 같은 소리가 연달아 되돌아 온다. 멀리 있는 산, 가까이에 있는 골짜기 등에서 반사된 음파가 또다시 되돌아오기 때문인데 이것을 메아리라고 부르고 있다.
반사가 규칙적인 것은 간단한 실험으로 확인할 수가 있다. 작은 스피커가 달린 고무 마개를 긴 유리관 A의 한쪽 끝에 끼워 넣고 다른쪽 끝을 수직으로 세운 판자를 향해서 고정한다. 다음에는 스피커에 저주파 발진기를 연결하고 가능한 한 진동수가 높은 소리를 내게 한다. 그리고 판자에서 반사된 소리를 다른 유리관 B를 통해서 듣는다. 유리관 B의 방향을 여러 가지로 변화시키면 가장 크게 들리는 방향이 발견된다. 이때의 유리관 A와 B의 방향이 판자면에 대해서 어떤 관계를 이루고 있는가를 조사하면 된다. 이 실험으로 음파의 반사도 수면파의 경우와 마찬가지로 반사의 법칙(입사각=반사각)에 따라 행해지고 있음을 알 수 있다. 스피커 소리의 진동수를 크게 하는 이유는 파장을 짧게 해서 회절을 작게 하기 때문으로, 진동수가 작아지면 유리관 B의 방향이 넓은 범위로 흩어진다. 또한 스피커를 유리관 A에 넣는 이유는 스피커에서 나오는 음파를 유리벽으로 반사시켜 한 방향으로 고르게 나아가게 하기 때문이다.
옥내의 소리는 잘 들리지만 옥외에서는 같은 소리라도 작아져서 잘 들리지 않는 일을 자주 경험한다. 옥내에서는 직접 귀에 도달하는 음파 외에 주위의 벽에 반사된 소리도 더해져서 들리지만, 옥외에서는 직접 귀에 들리는 음파뿐이므로 옥내보다도 소리가 작아진다.
반사를 이용하여 소리가 먼 곳까지 도달하도록 연구된 것이 메가폰이다. 메가폰의 내벽은 음파를 반사하여 좁은 방향으로 모아서 내보내는 작용을 하고 있다. 또한 약한 음파라도 반사를 이용해서 좁은 장소에 모으면 강해진다. 새 소리나 벌레 소리 등을 녹음할 때에 사용하는 집음 마이크는 이와 같은 작용을 하고 있다.
음파의 굴절 [ 편집 ]
음속은 공기의 온도에 따라서 달라지기 때문에 저온 쪽에서 고온 쪽으로 입사하는 음파의 방향은 그 경계면에서 굴절한다. 만약 입사각이 지나치게 크면 음파도 전반사(全反射)해서 굴절이 나타나지 않는다. 반대로 고온 쪽에서 저온 쪽으로 나아가는 경우에는 경계에서 멀어지듯이 굴절한다. 이 경우에 전반사는 일어나지 않는다. 만약 온도가 연속적으로 변하고 있는 공기 속인 경우의 음파의 사선은 연속적으로 방향이 바뀌어서 곡선이 된다.
맑은 날의 한낮은 태양의 직사로 지면이 덥혀져 지면에 가까운 공기층이 고온이고 상공일수록 온도가 떨어지기 때문에 지상의 음원에서 나가는 음파는 지면에서 멀어지듯이 굽어서 진행한다. 반대로 밤은 지면쪽이 빨리 식어서 하층의 공기가 저온이 되므로 같은 음원에서의 음파는 지면에 접근하는 모양으로 굽어서 진행한다. 이 때문에 음파는 지면을 끼고 모아지므로 밤에는 먼 곳까지 소리가 들리게 된다.
여름에 보트에 타고 있을 때면 먼 곳의 소리가 잘 들린다. 더운 여름날의 한낮에도 물의 온도는 낮기 때문에 수면에서 가까운 공기의 온도는 상층보다도 낮다. 때문에 음파의 사선은 수면에 접근하는 모양으로 굽기 때문에 멀리까지 들린다. 또 수면에서는 음파가 잘 반사되므로 이 영향도 크다. 바람이 부는 날에 소리를 들으면, 바람이 불어오는 쪽에서 나는 소리는 잘 들리고, 반대쪽에서 나는 소리는 잘 들리지 않는다. 이것은 바람 때문에 음파의 파면이 흐트러져서 생기는 현상이다. 지면 가까이에 부는 바람은 지상의 여러 가지 장해물에 방해되어 상공의 바람보다도 속도가 느려지고 있다. 음속은 바람에 날리는 몫이 가산되므로 지면 가까이의 음속 쪽이 상공보다도 낮아진 것이다. 이 때문에 지상의 음원에서 나오는 음파의 파면은 바람이 불어가는 방향으로 흩어지고, 상공 쪽이 튀어나온다. 무풍 상태에서 파면과 방향은 수직이 되지만 풍속이 가해진 음파의 방향은 파면에 수직이 되지 않는다. 바람의 방향을 따라 진행하는 음파는 지면을 따라서 진행하지만 바람과 마주 향하는 음파는 상공으로 달아나버리는 것을 잘 알 수 있다.
음파의 간섭 [ 편집 ]
어떤 음파가 진행도중에서 다른 음파와 마주치게 되면 매질의 변위가 바뀐다. 그러기 때문에 소리가 들리지 않거나 크게 들리거나 하는 변화가 나타난다. 두 개의 작은 스피커 S1과 S2를 적당한 사이를 두고 책상 위에 놓고 그것들을 하나의 저주파 발진기에 연결한 다음 동시에 같은 진동수의 소리를 연속해서 내게 한다. 그리고 스피커의 전방 S1S2에 평행인 직선 P1P2위를 조용히 걸으면서 소리의 변화를 관찰해 보자. P1에서 P2로 걸어가는 동안에 소리가 작아지기도 하고 커지기도 하는 현상이 몇번씩 되풀이되는 것을 알 수 있다. 저주파 발진기를 조절해서 소리의 진동수를 바꾸면 소리가 변화하는 위치가 달라진다. 소리가 작게 들리는 하나의 위치를 선정하고, 그곳에서 스피커에 접근하는 방향으로 똑같이 소리가 작게 들리는 위치를 찾아가 보면 한 개의 곡선(쌍곡선)이 얻어진다. P1P2의 다른 위치에서 똑같이 되풀이하면 S1과 S2의 사이에서 생기는 몇 개의 곡선을 얻을 수 있다. 이것은 파동의 간섭에서 나타난 곡선과 같으므로 음파에도 간섭 현상이 있다는 것을 알 수 있다. 또 이와 같은 간섭 실험에서 음속이나 음파의 진동수 등도 구할 수 있다.
같이 보기 [ 편집 ]
외부 링크 [ 편집 ]
소리의 세기와 높낮이
소리의 세기와 높낮이
■ 소리의 특징
소리는 소리의 세기, 높낮이, 음색으로 그 특징을 나타냅니다. 이것들은 소리의 3요소로서 세기, 높낮이, 음색이 사람의 목소리를 비롯하여 모든 소리를 구분할 수 있게 하는 기준이 됩니다. 소리는 공기 속을 전해오는 파동입니다. 따라서 소리를 이해하기 위해서는 파동에 대하여 알아볼 필요가 있습니다. 파동을 표현할 때는 파동의 진동수, 파장, 진행 속도, 진폭을 말합니다.
소리의 세기는 음파의 진폭을 의미하고, 이는 매질인 공기 분자가 얼마나 크게 흔들렸는지를 나타냅니다. 크게 진동하는 물체는 주변의 공기를 크게 떨리게, 즉 진동시킵니다. 따라서 진폭이 큰 음파를 만들게 됩니다. 평소에 말을 할 때에 에너지를 많이 써서 이야기하면 소리의 진폭이 커져서 목소리가 커집니다. 반대로 에너지를 작게 써서 이야기하면 소리의 진폭이 작아져서 작은 목소리가 나옵니다.
소리의 높낮이는 음파의 진동수를 의미하고 이는 매질인 공기가 얼마나 자주 흔들렸는지를 나타냅니다. 자주 진동하는 경우에는 높은 소리가, 진동수가 적은 경우에 낮은 소리가 납니다. 파동의 속력이 같고, 진동수가 적으면 파장은 길고 진동수가 많으면 파장은 짧아집니다. 따라서 같은 조건에서 낮은 소리는 파장이 길고, 높은 소리는 파장이 짧습니다. 흔히 남자보다 여자가 더 높은 소리를 내는 것은 여자의 목소리가 남자보다 진동수가 많기 때문입니다.
소리의 맵시는 파동의 생긴 모양을 의미합니다. 같은 높이와 같은 크기를 가진 소리라도 피아노의 소리와 리코더의 소리는 다릅니다. 이것은 두 악기가 모양도 다르고, 소리의 진동을 일으키는 방법도 달라서 소리의 맵시가 다르기 때문입니다. 이렇듯 소리의 맵시는 사람의 목소리나 악기의 소리를 구별할 수 있도록 해줍니다.
▲소리의 맵시에 따른 파형의 모양(왼쪽: 거친 소리, 오른쪽: 부드러운 소리)
■ 사람이 들을 수 없는 소리, 초음파
‘가청 진동수’는 일반적으로 사람이 들을 수 있는 소리의 범위를 말하고 ‘가청 주파수’라고도 하며 대략 진동수가 20~20,000Hz인 영역입니다. 사람이 아닌 동물도 소리를 감지할 수 있고 각각의 종에 따라 들을 수 있는 소리와 진동수 영역이 다릅니다. 사람에게는 아무 소리도 들리지 않는데 개나 고양이가 반응하는 경우가 있습니다. 개나 고양이는 사람이 들을 수 없는 영역의 소리를 들을 수 있기 때문입니다. 개는 46,000Hz까지, 고양이는 65,000Hz까지 들을 수 있습니다. 이렇게 사람이 들을 수 있는 최소 진동수인 20Hz보다 작은 진동수의 음파를 ‘초저주파음’이라고 하고 최대 진동수인 20,000Hz보다 큰 진동수의 음파를 ‘초음파’라고 합니다. 박쥐는 120,000Hz, 돌고래는 150,000Hz의 초음파를 들을 수 있습니다. 박쥐와 돌고래는 초음파를 보낸 다음 돌아오는 초음파의 특징을 통해서 물체의 위치와 성질도 알아 낼 수 있습니다.
▲사람과 동물의 가청 진동수(출처: 에듀넷)
[자료출처: 에듀넷]
교육부 공식 블로그
소리의 세기와 높낮이
■ 소리의 특징
소리는 소리의 세기, 높낮이, 음색으로 그 특징을 나타냅니다. 이것들은 소리의 3요소로서 세기, 높낮이, 음색이 사람의 목소리를 비롯하여 모든 소리를 구분할 수 있게 하는 기준이 됩니다. 소리는 공기 속을 전해오는 파동입니다. 따라서 소리를 이해하기 위해서는 파동에 대하여 알아볼 필요가 있습니다. 파동을 표현할 때는 파동의 진동수, 파장, 진행 속도, 진폭을 말합니다.
소리의 세기는 음파의 진폭을 의미하고, 이는 매질인 공기 분자가 얼마나 크게 흔들렸는지를 나타냅니다. 크게 진동하는 물체는 주변의 공기를 크게 떨리게, 즉 진동시킵니다. 따라서 진폭이 큰 음파를 만들게 됩니다. 평소에 말을 할 때에 에너지를 많이 써서 이야기하면 소리의 진폭이 커져서 목소리가 커집니다. 반대로 에너지를 작게 써서 이야기하면 소리의 진폭이 작아져서 작은 목소리가 나옵니다.
소리의 높낮이는 음파의 진동수를 의미하고 이는 매질인 공기가 얼마나 자주 흔들렸는지를 나타냅니다. 자주 진동하는 경우에는 높은 소리가, 진동수가 적은 경우에 낮은 소리가 납니다. 파동의 속력이 같고, 진동수가 적으면 파장은 길고 진동수가 많으면 파장은 짧아집니다. 따라서 같은 조건에서 낮은 소리는 파장이 길고, 높은 소리는 파장이 짧습니다. 흔히 남자보다 여자가 더 높은 소리를 내는 것은 여자의 목소리가 남자보다 진동수가 많기 때문입니다.
소리의 맵시는 파동의 생긴 모양을 의미합니다. 같은 높이와 같은 크기를 가진 소리라도 피아노의 소리와 리코더의 소리는 다릅니다. 이것은 두 악기가 모양도 다르고, 소리의 진동을 일으키는 방법도 달라서 소리의 맵시가 다르기 때문입니다. 이렇듯 소리의 맵시는 사람의 목소리나 악기의 소리를 구별할 수 있도록 해줍니다.
▲소리의 맵시에 따른 파형의 모양(왼쪽: 거친 소리, 오른쪽: 부드러운 소리)
■ 사람이 들을 수 없는 소리, 초음파
‘가청 진동수’는 일반적으로 사람이 들을 수 있는 소리의 범위를 말하고 ‘가청 주파수’라고도 하며 대략 진동수가 20~20,000Hz인 영역입니다. 사람이 아닌 동물도 소리를 감지할 수 있고 각각의 종에 따라 들을 수 있는 소리와 진동수 영역이 다릅니다. 사람에게는 아무 소리도 들리지 않는데 개나 고양이가 반응하는 경우가 있습니다. 개나 고양이는 사람이 들을 수 없는 영역의 소리를 들을 수 있기 때문입니다. 개는 46,000Hz까지, 고양이는 65,000Hz까지 들을 수 있습니다. 이렇게 사람이 들을 수 있는 최소 진동수인 20Hz보다 작은 진동수의 음파를 ‘초저주파음’이라고 하고 최대 진동수인 20,000Hz보다 큰 진동수의 음파를 ‘초음파’라고 합니다. 박쥐는 120,000Hz, 돌고래는 150,000Hz의 초음파를 들을 수 있습니다. 박쥐와 돌고래는 초음파를 보낸 다음 돌아오는 초음파의 특징을 통해서 물체의 위치와 성질도 알아 낼 수 있습니다.
▲사람과 동물의 가청 진동수(출처: 에듀넷)
[자료출처: 에듀넷]
[생활 속 과학 상식 바로잡기] 내 목소리를 녹음해서 들으면 이상한 이유
사람은 보통 말을 통해 다른 사람에게 자기의 생각을 전달한다. 말은 소리를 통해 전달되는데 사람들은 이 소리를 듣고 그 뜻을 이해하게 된다. 소리는 파동의 형태를 띠고 있으며 여기서 파동이란 진동이 발생했을 때 진동을 통해 에너지가 전달되는 현상을 말하는 것으로 사람들의 말소리의 경우에는 파동이 공기를 통해서 전달되는 현상이다. 말을 하는 것을 이야기하는데 진동, 파동, 에너지와 같은 단어들의 사용이 어색하게 느껴질 수도 있다. (확실히 일상의 언어생활에서 자주 사용하는 단어들은 아니다.) 파동은 우리나라의 교과과정에서 중학교 1학년 때 처음 나오지만 이미 삶 속에서 파동 현상은 익숙하게 경험해 왔다. 잔잔한 호수에 작은 돌을 던지면 수면으로 파문이 일며 파동이 일어난다. 던져진 돌에 의해 발생한 물분자들의 진동이 주변의 물분자들로 전달되는 것이다. 같은 원리로 사람의 말소리도 성대를 움직여 만들어낸 공기의 진동이 주변의 공기 입자들로 전달되는 현상(파동)으로 귀를 통해 소리를 받아들이고 이 정보를 뇌에서 해석하게 된다. 파동은 진동 방향과 파동의 진행방향에 따라 횡파와 종파로 나눌 수 있는데, 파동의 진행 방향에 수직으로 진동하는 파동은 횡파이며, 파동의 진행방향과 진동방향이 같은 파동은 종파로 소리는 종파에 해당한다. 파동은 진폭과 진동수에 의해 성질이 결정되는데, 그림 1을 통해 파동에 대한 기본적인 용어와 그 정보를 알 수 있다. 이 그림에서는 파동의 특성을 설명하기 위해 종파가 아닌 횡파를 예시로 설명하였는데 종파는 파동의 진행방향과 진동방향이 같아서 그래프로 표현하는 데 어려움이 있기 때문이다. 횡파는 파동의 진행방향의 수직으로 진동하기 때문에 파동의 구성요소들을 그래프로 표현하기에 더욱 용이하다. 파동은 진동중심에서 상하방향으로 변위가 반복해서 변하는 형태로 나타나는데 편의상 진동중심으로부터 가장 높은 위치를 마루라고 하고, 가장 낮은 위치를 골이라고 부른다. 파동은 마루와 골이 교대로 나타나는데, 마루에서 다음 마루까지의 거리(골에서 다음 골까지의 거리도 같다)를 파장이라고 하고, 이때 걸리는 시간을 주기라고 한다. 그리고 1초 동안 반복되는 주기의 수를 진동수(주파수라는 용어도 사용한다)라고 하며, 진동중심에서 마루까지의 수직길이 혹은 진동중심에서 골까지의 수직길이를 진폭이라고 한다(그림 1). 진동수는 소리의 높낮이와 관련이 있는데 진동수가 큰 소리일수록 높은 소리에 해당한다. 소리에서 진폭은 파동이 진행될 때 공기 입자가 원래 위치에서 진동하는 거리와 관련된 값으로 공기 입자는 앞뒤로 진동하면서 그 에너지를 주변의 공기 입자에게 전달한다. 진폭은 소리의 크기와 관련이 있는데 진폭이 큰 소리일수록 크기가 큰 소리에 해당한다. 종파인 소리의 전파과정은 그림 2로 나타냈다. 그림 1. 파동의 구성 요소 (횡파- 왼쪽 그림은 파동의 진행 위치에 따른 각 구성요소들을 나타내었고, 오른쪽 그림은 특정 지점에서 시간에 따른 파동현상을 나타낸 그림이다) 그림 2. 소리의 전파 과정- 종파인 소리는 파동의 진행 방향(검은 화살표)과 진동 방향(파란 화살표)가 같다. 진동에 의해 매질인 공기가 압축과 팽창을 반복하면서 인접한 공기 입자로 에너지가 전달되며 파동이 전파된다.
파동의 속도는 매질의 상태에 따라 영향을 받는데 소리의 경우, 공기의 밀도와 온도에 영향을 받으며 따라서 매질이 공기가 아닌 액체이거나 고체일 경우에는 입자들 사이의 거리가 더욱 가까우므로 파동의 속도가 더욱 높아진다. 따라서 소리의 전달은 공기 중 에서보다 물속에서 더 빠르고 고체를 통과할 때 더 빠르다. 앞서 말한 바와 같이 파동은 매질을 통해 에너지가 전달되는 현상이기 때문에 이 과정에서 에너지 손실이 생길 수 있다. 진동수가 큰 고음의 소리일수록 매질에서 열로 손실되는 에너지가 많기 때문에 파동이 멀리 진행되지 못한다. 따라서 고음보다 저음의 소리가 더 멀리 전달될 수 있다. 소리의 크기는 보통 압력으로 설명할 수 있는데, 소리의 크기는 그 단위로 과학자 벨의 이름을 따서 데시벨(dB)을 사용한다. 소리의 크기는 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리(0dB)를 기준으로 하여 상대적인 크기를 나타낸 값이다. 소리의 크기는 10dB씩 커질 때마다 10배씩 커지는데 10dB과 40dB의 소리의 크기는 약 1,000배 차이가 난다고 할 수 있다. 일상적인 대화 소리가 40-50dB이며, 제트기의 소리가 120dB이고 사람은 대략 130dB의 소리까지 견딜 수 있다고 한다. 소리의 높낮이를 나타내는 진동수의 단위는 헤르츠(Hz)를 사용하는데, 사람이 들을 수 있는 가청범위는 약 20~20,000Hz로 알려져 있다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 소리는 파동진행방향과 같이 앞뒤로 진동이 발생하면서 생긴다. 마치 가상의 막이 진동하면서 공기입자를 압축시키며 진동하는 것을 생각하면 되는데, 실제로 사람이 소리를 감지하는 고막은 앞뒤로 진동하면서 소리의 정보를 전달한다. 스피커 역시 동일하게 진동을 일으키면서 소리를 발생시킨다. 고음일수록 1초당 진동하는 횟수가 많아지며, 20,000Hz의 소리는 1초 동안 2만 번 진동하는 소리를 의미한다. 가청범위는 생물종에 따라 다양한 분포를 나타내는데, 박쥐의 경우에는 무려 20-130,000Hz의 소리를 감지할 수 있다. 우리가 들을 수 있는 이유는 소리가 가진 정보를 뇌에서 처리할 수 있는 정보로 전환할 수 있기 때문인데, 청각세포가 소리의 정보를 감지하기까지 귀에서 정보를 몇 차례 전환하는 과정을 거치게 된다 [1]. 그림 3은 소리를 듣는 과정을 나타낸 그림인데, 소리는 외이(2)의 외이도(3)를 통해 고막(4)으로 전해지며 고막을 진동시켜 한 차례 다른 파동으로 전환된다. 고막의 진동으로 발생한 파동은 청소골(6)로 전달되어 청소골을 구성하는 세 종류의 뼈를 진동시켜 다시 새로운 파동을 만든다. 이렇게 파동의 전환이 있을 때마다 파동은 증폭되는데, 청소골에서 증폭된 파동은 반고리관(7)으로 전달되고 반고리관 내부에 채워진 림프액을 진동시켜 새로운 파동을 만든다. 반고리관에서 생성된 파동의 정보를 청신경(9)이 받아들여 뇌에서 그 정보를 처리하는 것이다. 그림 3. 소리를 듣는 과정 [소리(1) →고막(4)→청소골(6) →달팽이관(7) →청신경(9)] 우리가 외부에서 듣는 소리는 공기를 매질로 전달되는 파동의 정보를 의미한다. 그런데 자신의 말소리를 인지하는 경우에는 새로운 경로가 추가된다. 자기의 목소리는 입에서 나온 소리를 귀를 통해 듣는 경로 외에 성대가 울리면서 생긴 파동이 머리뼈를 통해 청각세포로 전달되는 경로가 있다. 머리뼈를 통한 경로로는 상대적으로 낮은 진동수의 소리(저음)가 전달된다. 다른 사람과 통화한 내용을 녹음해서 들어본 경험이 있다면, 상대방의 목소리를 들을 때는 아무런 위화감을 느끼지 않지만, 자기 목소리는 매우 어색한 높은 소리로 느꼈을 것이다. 우리가 평소 듣는 다른 사람의 목소리는 귀를 통해 받아들이는 소리에만 해당되는 반면, 자기 목소리는 앞서 이야기한 머리뼈를 통한 저음의 소리가 포함된 소리이기 때문에 이 저음이 제거된 녹음 소리가 어색한 것이다. 결국 자신의 목소리를 어색하게 느끼는 사람은 오직 자기 자신밖에 없다. 우리가 소리를 듣는다는 것은 기본적으로 에너지를 받아들이는 과정이라고 할 수 있다. 이 과정에서 많은 자극이 발생하는데, 어떤 자극은 우리의 마음을 안정시켜 주는 반면 어떤 자극은 불쾌한 스트레스를 유발한다. 따라서 소리에 의한 자극으로 발생된 스트레스를 적절하게 해소하는 것이 건강하게 청력을 유지하는 방법이라 할 수 있다. 청력은 삶의 질과 밀접한 관련이 있으며 청력의 상실은 다른 건강 문제를 일으킬 수 있다 [2]. 일반적으로 나이가 들수록 청각 능력이 감소하기 때문에 고령화 시대에 접어든 현재 난청이 중요한 사회문제로 떠오르고 있다 [3]. 청각의 상실이 일어나면 회복이 어려워 예방이 가장 최선의 방법이다. 소음으로 인한 스트레스를 줄이려는 노력을 해야 하고, 피로가 누적되지 않도록 충분한 휴식을 취해야 한다. 이어폰을 사용할 때도 노이즈 캔슬링 기능이 있는 제품을 사용하는 것이 도움이 되며, 일상생활에서 불편을 느끼는 단계까지 가기 전에 주기적인 청력 검사를 통해 건강을 체크하는 것이 중요하다.
[1] Cameron Smith, The Mechanism of Hearing: A General Overview, The Best In Ear, Nose, & Throat Care Los Angeles | Beverly Hills | New York 310-657-0123 https://www.ohniww.org/mechanism-general-overview/ [2] 정승훈, [3월3일 세계 귀 보건의 날, 오티콘에서 전문적인 청각관리 받고 귀 건강 챙기세요], 디지털타임스 (2021-03-03) http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2021030302109923805002 [3] 이형민, [노인난청 국가정책포럼] “초고령 사회 난청 대책, 사회 활력 되살리는 문제로 접근해야”, 국민일보 (2021-12-15) http://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0924222970&code=11132000&cp=nv
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