소리

소리는 무엇인가요

소리는 매질의 진동 방향이 파동이 나아가는 방향과 같은 종파예요. 음파는 공기를 압축하거나 팽창시키며 퍼져 가요. 우리가 소리를 듣는 것도 공기가 진동하기 때문이고, 소리는 우리에게 여러 정보를 전해 줘요. 눈에 보이지는 않지만 파동의 여러 성질을 귀에 들리는 소리의 변화로 알 수 있어요.

소리는 진동수와 파장과 진폭으로 어떻게 설명하나요

소리를 결정하는 값은 세 가지예요. 진동수는 1초에 몇 번 진동하는지, 진폭은 진동의 크기, 파장은 마루에서 다음 마루까지의 거리예요.

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소리의 속도가 일정하다고 하면 파장은 진동수에 반비례해요. 진동수가 높으면 한 번 진동할 때 나아가는 거리인 파장이 짧아져요. 진동수와 진폭은 서로 독립적이라 진동수가 높아도 진폭은 작을 수 있고, 반대도 가능해요. 에너지는 진폭의 제곱에 비례해서 진폭이 2배가 되면 에너지는 4배가 돼요.

소리의 크기는 어떻게 나타내나요

소리의 세기는 음압으로 계산하고 단위는 데시벨이에요. 데시벨은 절대적인 기준 수치가 아니라 0dB를 기준으로 한 상대값이에요. 세기가 10배면 +10dB, 100배면 +20dB로 늘어나요. 인간의 귀는 주파수나 데시벨에 따라 음압을 정확하고 순차적으로 느끼지 않아서 사람이 느끼는 상대적 크기는 폰이나 쏜이라는 척도로 나타내기도 해요.

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사람이 들을 수 있는 진동수의 범위를 가청 주파수라고 하고, 나이가 들면 들을 수 있는 최대 주파수가 낮아져요. 공학에서는 통신 목적으로 가청 주파수 대역폭을 300~3,400Hz로 잡아요. 진동수가 아주 높거나 아주 낮은 소리는 들을 수 있는 범위가 좁아서, 같은 크기로 들려도 사람마다 차이가 있어요.

같은 진폭의 소리라면 약 4,000Hz 부근의 소리가 가장 잘 들리고, 가청 주파수의 상한과 하한에 가까운 소리는 진폭이 커도 잘 안 들려요.

소리는 어떤 실험으로 알아보나요

음속은 어떻게 재나요

직선 거리를 아는 두 점 사이에서 소리가 전달되는 시간을 재면 구할 수 있어요. 빛이 소리보다 훨씬 빠르다는 점을 이용해, 한쪽에서 신호용 권총을 쏘고 연기를 본 순간부터 소리가 들릴 때까지의 시간을 재요. 또 다른 방법은 큰 건물을 향해 일정한 간격으로 딱딱이를 치면서 멀어지다가 직접 들리는 소리와 반사되어 돌아온 소리가 똑같이 들리는 위치를 찾는 거예요. 그 위치에서 건물까지의 거리의 2배를 딱딱이 간격으로 나누면 음속이 나와요.

음속은 무엇에 따라 달라지나요

15℃ 공기 속 음속은 대략 340m/s예요. 음속은 진동수나 기압과 상관없이 공기의 온도로만 변해요. 온도가 높을수록, 밀도가 작을수록 매질이 쉽게 움직여서 음속이 빨라져요. 공기에 수증기가 섞이면 음속이 바뀌긴 하지만 기온의 영향보다 작아 무시해도 돼요. 보통 기체 속보다 액체 속에서, 액체 속보다 고체 속에서 음속이 더 커요.

음색은 왜 서로 다른가요

푸리에의 이론에 따르면 간단한 사인파의 합으로 자연의 어떤 소리든 만들 수 있고, 서로 다른 파장이 모이면 새로운 음색이 정해져요. 현악기는 정수 배, 관악기는 홀수 배로 배음이 생기는 것을 볼 수 있어요. 사람마다 목소리를 구별할 수 있는 것도 고유한 스펙트럼을 가졌기 때문이에요.

공명은 무엇인가요

어떤 진동수와 그 배수의 진동수를 가진 음의 관계를 배음이라고 해요. 물체는 고유 진동수를 가지는데, 전달된 소리가 이와 배수 관계이면 진폭이 커지는 현상을 공명이라고 해요. 1800년대 영국에서 부대가 다리를 건너다 걸음 소리 중 다리의 고유 진동수와 일치하는 진동수 때문에 큰 진폭이 생겨 다리가 무너졌다는 일화가 전해져요. 성악가가 유리의 진동수와 같은 목소리를 내 유리를 깨는 것도 같은 원리예요.

소리 연구의 역사는 어떻게 이어졌나요

소리의 성질을 이해하는 데 길잡이가 된 이야기는 몇 가지 전해져요. 푸리에는 아무리 복잡한 소리도 간단한 사인파의 합으로 나타낼 수 있다는 이론을 내놓아 음색을 설명하는 틀을 줬어요. 1800년대 영국에서 다리를 건너던 부대의 발걸음이 다리의 고유 진동수와 맞아떨어져 다리가 무너졌다는 일화는 공명의 위험을 알린 사례로 전해져요. 사람의 귀가 주파수와 데시벨을 그대로 느끼지 않는다는 사실은 폰과 쏜이라는 척도를 낳았어요.

소리와 전파는 무엇이 닮았나요

소리와 전파는 종류는 달라도 같은 파동의 언어로 설명돼요. 한국천문연구원은 라디오 주파수를 예로 들어, AM 라디오는 초당 수십만 번, FM 라디오는 초당 약 1억 번(100MHz 안팎) 진동한다고 설명해요. 한 번 진동하는 데 걸리는 시간은 주기이고, 1초에 몇 번 진동하는지가 주파수라서 주기와 주파수는 서로 역수예요.

진폭이 크면 파동의 에너지가 크고, 에너지는 진폭의 제곱에 비례해요. 안테나에서 나온 전파는 공 모양으로 퍼지면서 세기가 거리의 제곱에 반비례해 줄어서, 2배 멀어지면 1/4, 10배 멀어지면 1/100이 돼요. 세기를 몇 배인지로 세는 데시벨은 10배가 +10dB, 100배가 +20dB이고, 세기는 진폭의 제곱이라 진폭으로 쓰면 앞의 숫자가 달라져요. 받은 신호가 잡음보다 얼마나 센지는 신호 대 잡음비로 나타내요.

소리는 생활 속에서 어디에 쓰이나요

소리는 가장 기본적으로 정보를 전달해요. 사람의 목소리, 악기 소리처럼 고유한 음색과 높낮이로 의미를 전하고, 반사된 소리를 이용해 거리를 재는 방법이 있어요. 방송에서 소리를 키우면 더 크게 들리듯 진폭이 크기를 정하고, 전파는 진폭이 충분히 커야 멀리 선명하게 전달돼요. 통신에서는 진폭, 주파수, 위상 가운데 하나를 바꿔서 정보를 싣는 방식을 써요.

위상을 바꿔 정보를 싣는 방식은 PSK이고, Wi-Fi와 5G는 진폭과 위상을 동시에 바꾸는 QAM이라는 방식을 써요. 섀넌이 1948년에 밝힌 통신 용량의 한계에 따르면 쓸 수 있는 주파수 폭이 같아도 신호가 잡음과 같은 세기이면 1MHz당 초당 약 100만 비트밖에 보낼 수 없지만, 신호가 잡음보다 100배(20dB) 세면 약 660만 비트를 보낼 수 있어요. 기지국 가까이에서 인터넷이 더 빠른 것도 멀어지면 진폭이 줄어 신호 대 잡음비가 낮아지기 때문이에요.

공기 속에서 소리가 얼마나 빨리 가는지는 기온으로 어림할 수 있어요. 습도가 0%일 때 음속은 331.3m/s에 섭씨 온도 1도당 약 0.6m/s를 더한 값이에요.

소리와 함께 알아 둘 개념에는 무엇이 있나요

• 파동: 소리는 종파로, 진동 방향이 진행 방향과 같아요.
• 음속: 소리가 전달되는 속력으로 기준 온도와 매질에 따라 달라요.
• 초음파: 사람이 들을 수 있는 범위를 넘는 높은 진동수의 소리예요.
• 배음과 공명: 어떤 진동수의 정수 배 관계에 있는 음과 그 때 진폭이 커지는 현상이에요.
• 주파수와 파장: 소리의 속도가 일정하면 서로 반대로 움직여요.
• 위상: 진폭과 주파수가 같아도 위상이 다르면 서로 다른 소리예요. 진폭과 주파수와 위상이 같은 소리를 더하면 진폭이 두 배가 되고, 위상이 반대인 사인파를 더하면 서로 상쇄돼요. 다만 특정 주파수의 위상 차이는 귀로 알아챌 만한 차이를 만들지 않아요.
• 신호 대 잡음비: 받은 신호가 잡음보다 얼마나 센지를 나타내는 값이고, 클수록 같은 시간에 더 많은 정보를 보낼 수 있어요.

소리에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 큰 소리는 높은 소리다: 크기는 진폭, 높낮이는 진동수라 서로 독립이에요.
• 소리는 진공에서도 전달된다: 소리는 매질의 진동으로 전달되는 파동이에요.
• 음속은 기압에 따라 달라진다: 진동수나 기압이 아니라 공기 온도로만 변해요.
• 10dB 차이는 조금이다: 세기로는 10배 차이예요.