소리 · SoundLab

소리의 발생

고무망치로 소리굽쇠를 친 뒤 매달린 탁구공에 가까이 대면 공이 계속 튕겨 나갑니다. 소리굽쇠의 진동은 너무 빠르고 작아서 눈으로 볼 수 없지만, 탁구공이 그것을 확대해 보여 줍니다. 이런 방법을 변환법이라고 합니다.

북을 치면 북면 위의 종잇조각이 튀어 오릅니다. 소리굽쇠를 손으로 잡거나 북면을 누르면 진동이 멈추고 소리도 사라집니다.

소리는 물체의 진동으로 생긴다

소리를 내는 물체를 음원이라고 합니다. 고체·액체·기체 모두 진동하여 소리를 낼 수 있습니다. 말소리는 성대의 진동, 피리 소리는 공기 기둥의 진동, 물소리는 물의 진동으로 생깁니다.

소리의 전달

울리고 있는 전기 벨을 유리 종 안에 넣고 진공 펌프로 안의 공기를 조금씩 빼면, 압력계 눈금이 내려가면서 벨 소리가 점점 작아집니다. 작은 망치가 계속 치는 것이 보이는데도 거의 들리지 않습니다. 공기를 다시 넣으면 소리가 다시 커집니다.

완전한 진공은 만들 수 없고, 받침대를 통해 소리가 조금 새어 나옵니다. 그래서 이렇게 추리합니다. 종 안에 공기가 전혀 없다면 벨 소리는 들리지 않을 것이다——

소리의 전달에는 매질이 필요하며, 진공에서는 소리가 전달되지 않는다

‘음파’ 보기로 바꾸면 종 안의 공기 입자가 점점 성겨지고 밖으로 나가는 음파가 약해지는 것이 보입니다. 우주에서 우주 비행사는 무전으로만 대화할 수 있습니다.

소리의 빠르기

길이 1.2 m인 세 경로를 소리가 동시에 달립니다. 강철관, 물을 채운 수조, 그리고 공기입니다. 도착점의 센서는 오실로스코프에 연결되어 소리가 도착한 시각을 기록합니다. 화면은 천 배 넘게 느리게 보여 줍니다.

v = s / t

소리는 강철에서 가장 빠르고(약 5200 m/s), 물에서 약 1500 m/s, 15 °C 공기에서 약 340 m/s입니다. 일반적으로 고체 > 액체 > 기체 순으로 빠르며, 공기가 따뜻할수록 소리가 빠릅니다.

아주 긴 쇠파이프 한쪽 끝을 치면 반대쪽 사람은 소리를 두 번 듣습니다. 처음은 쇠파이프를, 두 번째는 공기를 통해 온 소리입니다.

소리의 높낮이

강철 자를 책상에 꽉 누르고 한쪽 끝을 책상 밖으로 내민 뒤 튕깁니다. 튕기는 세기는 같게 하고(변인 통제) 내민 길이를 바꿔 보세요. 내민 부분이 짧을수록 빠르게 진동하고 높은 소리가 납니다.

1초 동안 진동하는 횟수를 진동수라 하고, 단위는 헤르츠(Hz)입니다. 오실로스코프의 파형이 촘촘할수록 진동수가 큽니다.

진동수가 클수록 소리가 높다

사람의 귀는 대략 20 Hz ~ 20000 Hz의 소리를 들을 수 있습니다. 20 Hz보다 낮은 소리는 초저주파, 20000 Hz보다 높은 소리는 초음파입니다. 자를 길게 내밀고 튕기면 진동은 보이지만 소리는 들리지 않습니다.

소리의 세기

세기를 달리하여 북을 칩니다. 세게 칠수록 북면의 진동 폭이 커지고, 종잇조각이 높이 튀며, 소음계 값도 커집니다.

진동의 폭을 진폭이라 합니다. 소리의 세기를 소리의 크기라 하며, 보통 데시벨(dB)로 나타냅니다.

진폭이 클수록 소리가 크다

소리의 크기는 음원에서의 거리와도 관계가 있습니다. 소음계를 멀리하면 값이 작아집니다. 소리가 퍼져 나가기 때문입니다. 확성기나 청진기는 소리를 모아 퍼짐을 줄여 소리를 크게 합니다.

음색

서로 다른 음원으로 같은 음(예: A4 = 440 Hz)을 내면 오실로스코프의 파형은 촘촘한 정도가 같지만(진동수가 같아 높이가 같음) 모양이 다릅니다.

음원의 재료와 구조가 다르면 소리의 음색이 다릅니다. 소리굽쇠 소리는 거의 순수한 사인파이고, 피아노와 우쿨렐레 소리에는 기본음 외에 많은 배음이 섞여 있습니다. 오른쪽 작은 그래프는 각 배음의 세기입니다.

목소리만 듣고 누구인지 알거나 어떤 악기인지 구별할 수 있는 것은 음색 덕분입니다.

높낮이 · 크기 · 음색——소리의 3요소

메아리 · 소리의 이용

소리는 장애물에 부딪혀 되돌아와 메아리가 됩니다. 메아리가 원래 소리보다 0.1 s 이상 늦게 도착해야 둘을 구별할 수 있으므로, 장애물은 적어도 17 m 떨어져 있어야 합니다.

초음파 거리 측정기의 센서는 40 kHz 초음파를 내보내고 판에서 반사된 메아리를 받습니다. 왕복 시간 t를 재면

s = v t / 2

박쥐는 반향 정위로 먹이를 잡고, 어선은 소나로 물고기 떼를 찾으며, 의사는 초음파 검사로 몸속 장기를 봅니다——소리는 정보를 전달합니다. 초음파로 안경을 세척하거나 결석을 깨뜨립니다——소리는 에너지를 전달합니다. 부드럽고 구멍이 많은 재료는 소리를 흡수하여 메아리가 매우 약합니다.

소음의 피해와 대책

물리학에서 소음은 물체가 불규칙하게 진동할 때 나는 소리입니다. 환경 보호의 관점에서는 사람의 휴식, 공부, 일을 방해하는 소리는 모두 소음입니다.

소리의 세기 등급은 데시벨(dB)로 나타냅니다. 30~40 dB은 이상적인 조용한 환경이고, 50 dB을 넘으면 휴식에 방해가 되며, 70 dB을 넘으면 대화에 방해가 되고, 90 dB 이상에서 오래 지내면 청력이 손상됩니다.

소음 발생 막기 · 전달 차단하기 · 귀에 들어오지 않게 하기

오토바이 소음기와 기계의 방음 덮개, 도로변 방음벽과 나무 심기, 작업자의 귀마개——소음을 줄이는 세 단계에 해당합니다.

형성 평가