소리의 세계 (1) "소리의 구성 요소"
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-02-21 11:57:34
4분 읽기
- 영화 속 우주 전투 장면의 큰 폭발음은 흥미롭지만, 물리적으로는 불가능하다.
- 귀는 약 20만분의 1파스칼 정도의 압력 변화에도 반응. 이 값은 데시벨(dB) 척도의 0점
- 제트 엔진은 최대 140dB, 코끼리는 약 117dB, 가장 큰 소리 내는 새 약 104dB
- 가장 큰 소리를 내는 것은 참고래다. 참고래의 울음소리는 약 188데시벨
소리의 구성 요소 : 주파수, 진폭, 그리고 간섭
물리학자와 함께 "스타워즈"를 본 사람이라면 누구나 알겠지만, 영화 속 우주 전투 장면의 큰 폭발음은 흥미롭지만, 물리적으로는 불가능하다. 소리는 매질이 있을 때만 전파될 수 있다. 거의 진공 상태인 우주에서는 소리가 전혀 들리지 않는다.
입자와 밀도파
기체, 액체, 고체와 같은 매질에서 음파는 입자에서 입자로 전달된다. 입자의 진동은 매질 내부의 압력을 주기적으로 변동시킨다. 많은 입자가 잠시 가까워지면 고압 영역이 생성되고, 다시 멀어지면 저압 영역이 생성된다. 소리의 경우, 이러한 고압과 저압의 교대가 매질 내에서 지속적으로 일어난다.
바다나 연못의 물결과 마찬가지로, 음파에 의해 움직이는 입자는 파동 자체와 함께 움직이지 않는다. 입자는 제자리에 머물면서 앞뒤로 진동할 뿐이다. 그러나 이러한 밀도 변동의 파동이 전파되어 결국 인간의 귀에 소리로 인식된다.
주파수와 진폭
우리가 음높이로 인식하는 것은 음파의 주파수에 의해 결정된다. 주파수는 파동이 1초 동안 몇 번 진동하는지를 나타내며, 헤르츠(Hz) 단위로 측정된다. 예를 들어 100Hz의 주파수는 매질 속 입자들이 초당 100번 진동한다는 것을 의미한다. 주파수가 높을수록 음높이가 높아지고, 반대로 낮은 주파수는 저음으로 들린다. 인간이 들을 수 있는 소리의 범위는 대략 20Hz에서 20kHz 사이이며, 이는 약 10옥타브에 해당한다.
소리의 크기는 진동의 진폭, 즉 파형의 최고점에 의해 결정된다. 진폭이 클수록 매질의 압력 변화가 커지고 소리가 더 크게 들린다. 하지만 소리의 크기는 물리량이 아니라 소리에 대한 우리의 주관적인 인식을 나타내는 것이다.
음압, 데시벨, 그리고 가장 큰 소음 발생 장치들
소리의 강도를 객관적으로 표현하기 위해 물리학에서는 음압 레벨을 사용한다. 음압 레벨은 인간의 청력 역치에 대한 유효 음압 값을 나타내는 척도다. 우리 귀는 약 20만분의 1파스칼 정도의 압력 변화에도 반응한다. 이 값은 데시벨(dB) 척도의 0점을 나타낸다. 데시벨 척도는 로그 스케일이므로, 10데시벨이 증가할 때마다 소리의 강도는 10배씩 증가한다.
예를 들어, 10미터 떨어진 번잡한 대로변의 소음은 약 80~90데시벨이고, 착암기는 약 100데시벨, 제트 엔진은 거리에 따라 최대 140데시벨까지 도달할 수 있다. 동물계에도 소음을 내는 동물들이 있다. 코끼리는 약 117데시벨의 코를 울리고, 세계에서 가장 큰 소리를 내는 새는 약 104데시벨이다. 하지만 가장 큰 소리를 내는 것은 참고래다. 참고래의 울음소리는 약 188데시벨에 달해 바다 전체에 울려 퍼진다.
또한 우리 귀에는 다음과 같은 음압 수준이 위험하다. 85데시벨 정도의 낮은 소음에도 영구적인 청력 손상 위험이 있다. 또한 120데시벨 이상의 소음은 짧은 시간 동안만 발생해도 청력을 손상시킬 수 있다.
파동의 중첩
음파는 다른 파동과 마찬가지로 서로 중첩될 수 있다. 이러한 현상을 간섭이라고 한다. 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 노이즈 캔슬링 헤드폰이 있다. 헤드폰에 내장된 작은 마이크가 주변 소음을 포착한 후, 그 소음에 맞춰 특별히 조정된 새로운 음파를 생성한다. 새롭게 생성된 이 음파는 진폭은 같지만 위상이 다르다. 원래 음파의 "골" 부분에 새로운 음파의 "봉우리"가 생기고, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 두 음파가 만나면 서로 중첩되어 압력 변동이 서로 약화되거나, 이상적으로는 완전히 상쇄된다. 이러한 과정을 파괴 간섭이라고 한다. 이로 인해 헤드폰 착용자는 주변 소음이 훨씬 더 조용하게 느껴지게 된다. (계속)
- 영화 속 우주 전투 장면의 큰 폭발음은 흥미롭지만, 물리적으로는 불가능하다.
- 귀는 약 20만분의 1파스칼 정도의 압력 변화에도 반응. 이 값은 데시벨(dB) 척도의 0점
- 제트 엔진은 최대 140dB, 코끼리는 약 117dB, 가장 큰 소리 내는 새 약 104dB
- 가장 큰 소리를 내는 것은 참고래다. 참고래의 울음소리는 약 188데시벨
소리의 세계 ; 음파에서 청각 경험까지
소리는 우리 주변 어디에나 존재한다. 우리는 소통하고, 방향을 찾고, 주변 환경을 인지하기 위해 소리가 필요하다. 말, 음악, 소음은 소리가 없다면 불가능하다. 또한 초음파 검사, 교통 속도 측정, 일기 예보 등 의학과 기술 분야에서도 소리를 활용한다. 하지만 소리란 정확히 무엇일까? 그리고 우리는 어떻게 소리를 듣는 걸까?
우리는 일상생활에서 끊임없이 소리를 접하지만, 소리가 어떻게 생성되고, 어떻게 전파되며, 어떤 물리 법칙을 따르는지 거의 생각해 보지 않는다. 소리의 특성은 우리가 소리를 인지하는 방식뿐만 아니라 의학, 기술, 연구 분야에서 소리가 어떻게 활용될 수 있는지에도 영향을 미친다.
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| ▲ 말, 음악, 소리 등 모든 것은 진동하는 입자로부터 시작되어 소리를 만들어낸다. © Olena / Pixabay |
소리의 구성 요소 : 주파수, 진폭, 그리고 간섭
물리학자와 함께 "스타워즈"를 본 사람이라면 누구나 알겠지만, 영화 속 우주 전투 장면의 큰 폭발음은 흥미롭지만, 물리적으로는 불가능하다. 소리는 매질이 있을 때만 전파될 수 있다. 거의 진공 상태인 우주에서는 소리가 전혀 들리지 않는다.
입자와 밀도파
기체, 액체, 고체와 같은 매질에서 음파는 입자에서 입자로 전달된다. 입자의 진동은 매질 내부의 압력을 주기적으로 변동시킨다. 많은 입자가 잠시 가까워지면 고압 영역이 생성되고, 다시 멀어지면 저압 영역이 생성된다. 소리의 경우, 이러한 고압과 저압의 교대가 매질 내에서 지속적으로 일어난다.
바다나 연못의 물결과 마찬가지로, 음파에 의해 움직이는 입자는 파동 자체와 함께 움직이지 않는다. 입자는 제자리에 머물면서 앞뒤로 진동할 뿐이다. 그러나 이러한 밀도 변동의 파동이 전파되어 결국 인간의 귀에 소리로 인식된다.
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| ▲ 물결처럼 소리 파동도 파장을 가지고 있다. © Claudia Wollesen / pixabay |
주파수와 진폭
우리가 음높이로 인식하는 것은 음파의 주파수에 의해 결정된다. 주파수는 파동이 1초 동안 몇 번 진동하는지를 나타내며, 헤르츠(Hz) 단위로 측정된다. 예를 들어 100Hz의 주파수는 매질 속 입자들이 초당 100번 진동한다는 것을 의미한다. 주파수가 높을수록 음높이가 높아지고, 반대로 낮은 주파수는 저음으로 들린다. 인간이 들을 수 있는 소리의 범위는 대략 20Hz에서 20kHz 사이이며, 이는 약 10옥타브에 해당한다.
소리의 크기는 진동의 진폭, 즉 파형의 최고점에 의해 결정된다. 진폭이 클수록 매질의 압력 변화가 커지고 소리가 더 크게 들린다. 하지만 소리의 크기는 물리량이 아니라 소리에 대한 우리의 주관적인 인식을 나타내는 것이다.
음압, 데시벨, 그리고 가장 큰 소음 발생 장치들
소리의 강도를 객관적으로 표현하기 위해 물리학에서는 음압 레벨을 사용한다. 음압 레벨은 인간의 청력 역치에 대한 유효 음압 값을 나타내는 척도다. 우리 귀는 약 20만분의 1파스칼 정도의 압력 변화에도 반응한다. 이 값은 데시벨(dB) 척도의 0점을 나타낸다. 데시벨 척도는 로그 스케일이므로, 10데시벨이 증가할 때마다 소리의 강도는 10배씩 증가한다.
예를 들어, 10미터 떨어진 번잡한 대로변의 소음은 약 80~90데시벨이고, 착암기는 약 100데시벨, 제트 엔진은 거리에 따라 최대 140데시벨까지 도달할 수 있다. 동물계에도 소음을 내는 동물들이 있다. 코끼리는 약 117데시벨의 코를 울리고, 세계에서 가장 큰 소리를 내는 새는 약 104데시벨이다. 하지만 가장 큰 소리를 내는 것은 참고래다. 참고래의 울음소리는 약 188데시벨에 달해 바다 전체에 울려 퍼진다.
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| ▲ 세상에서 가장 시끄러운 새는 스피커 가까이에 서면 록 콘서트처럼 크게 울부짖는다. © Anselmo d’Affonseca |
또한 우리 귀에는 다음과 같은 음압 수준이 위험하다. 85데시벨 정도의 낮은 소음에도 영구적인 청력 손상 위험이 있다. 또한 120데시벨 이상의 소음은 짧은 시간 동안만 발생해도 청력을 손상시킬 수 있다.
파동의 중첩
음파는 다른 파동과 마찬가지로 서로 중첩될 수 있다. 이러한 현상을 간섭이라고 한다. 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 노이즈 캔슬링 헤드폰이 있다. 헤드폰에 내장된 작은 마이크가 주변 소음을 포착한 후, 그 소음에 맞춰 특별히 조정된 새로운 음파를 생성한다. 새롭게 생성된 이 음파는 진폭은 같지만 위상이 다르다. 원래 음파의 "골" 부분에 새로운 음파의 "봉우리"가 생기고, 그 반대의 경우도 마찬가지다. 두 음파가 만나면 서로 중첩되어 압력 변동이 서로 약화되거나, 이상적으로는 완전히 상쇄된다. 이러한 과정을 파괴 간섭이라고 한다. 이로 인해 헤드폰 착용자는 주변 소음이 훨씬 더 조용하게 느껴지게 된다. (계속)
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