[물리학-음향학] 01. 음향과 파동 | Acoustic and Waves

 

음향에 관하여

About Acoustic

 

음향학(acoustics): 물질 입자의 진동에 의해 파동 에너지가 발생하는 데, 이때 전달, 수신되는 모든 물리학적 현상을 연구하는 학문

• 음향학이 다루는 분야는 (1)소리, (2)초음파, (3)초저음파(물리적 상(phase)에 나타나는 모든 역학적 파동) 등이다.
• 음향의 생물학적 분야로 청각(hearing)은 음향이 다루는 대표적인 주제 인 소리 음파를 어떻게 지각하는 지 연구한다.

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음향의 acoustic은 그리스어 '듣다(akouein'’에서 유래한 단어로, 기계적 진동에 의한 음파 효과 및 음질을 가리킨다.

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소리

소리 또는 음(sound)은 공기 또는 막 등의 여러 매질(medium)의 진동을 통해 전달되는 종파[그림 1]를 뜻하고, 일상생활에서는 사람의 청각기관을 자극하여 뇌에서 해석되는 음파 정보를 의미한다.

 

그림 1. 종파

 

 

• 종파는 [그림 1]과 같이 일반적인 파동과 마찬가지로 파장이 존재하는데, 그 영역은 빽빽한 곳(compression)과 다음 빽빽한 곳 간의 간격(거리)로 표현된다. 또는 듬성한 곳(rarefaction)과 다음 듬성한 곳 간의 간격으로도 표현 가능하다.

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먼저 감각 자극에 따른 소리의 구성은 크게 세 가지이다.

1. 음(tone): 단일 주파수(진동수) 만을 갖는 정현파(sinusoidal function: 삼각함수로 표현가능한 신호)[그림 2]
2. 조성(tonality): 음조, 음색, 소리의 어우러짐 ⇒ 하나의 음음을 중심으로 일정한 음악적 관계를 갖는다.
3. 성조(pitch accent): 음의 높낮이(음고) 차이

 

 

그림 2. 신디사이저는 공기매질의 파형을 바꿈으로써 다양한 소리를 만들 수 있다.

 

 

음악 기기 중 신디사이저는 기존 악기의 여러가지 소리를 공기 매질의 파형을 바꿈으로써 다양한 소리를 만들 수 있는 장비이다. 청각 기관을 기준으로 여러가지 파형은 아래와 같이 들린다.

• 선형 파형(sine wave): 부드럽고 둥근 소리
• 삼각 파형(triangular wave): 플루트와 같이 선형 파형보다는 조성이 강하나 마찬가지로 소리 조화에 따라 부드러운 소리
• 사각 파형(square wave): 기계적이며 반듯한 끊어지는 소리, 사람의 목소리나 클라리넷과 같은 목관 악기의 소리
• 톱니 파형(sawtooth wave): 삼각 파형의 변형으로 바이올린과 같은 소리가 대표적
• 펄스 파형(pulse wave): 사각 파형의 변형으로 오보에[그림 3]와 같은 소리가 대표적

 

그림 3. 오보에

 

 

물리적으로 음파는 [그림 4]와 같이 그려지고, 특성에 따라 역시 세 가지 구성 요소를 가진다.

1. 음파의 세기(intensity)
2. 음파의 빠르기(frequency)
3. 음파의 파형(waveform)

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음파의 세기는 파동에서 진폭(amplitude)에 의해 결정된다. 진폭이 클수록 더욱 강한 소리가 난다.

 

 

음파의 빠르기는 파동에서 진동수(frequency)에 의해 결정된다. 진동수가 많을 수록 더욱 높은 소리가 난다.

 

 

음파의 파형은 파동 자체가 가진 형태(waveform)에 의해 결정된다. 아무리 복잡한 형태일지라도 그 파형은 선형 파형의 대수적 조합이다.

 

 

그림 4. 파동의 물리학적 용어

 

 

파동

Wave

 

파동의 분류

파동(wave): 진동하여 공간 또는 매질을 전파해 나가는 비국지적(non-localization) 현상

• 질량의 이동은 없으나 에너지 및 운동량의 운반은 존재함
• 입자의 운동과 달리 실제 매질입자가 함께 움직이는 것은 아님에 유의한다.
• 매질 내의 인접 입자 간의 변위의 파(wave)가 전달되는 형태이며, 다양한 속력 갖는다.

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매질은 물리적 작용을 공간적으로 전달하는 매개로, 매개의 필요여부에 따라 파동을 아래와 같이 구분하여 생각한다.

1. 역학적 파동(mechanical wave): 매질이 필요한 파동, 뉴턴의 운동법칙에 의해 움직임이 해석되며, 물과 공기, 그리고 결정 같은 물질들의 매질 내에서만 존재한다. 일상에서 흔히 접하는 역학적 파동으로 수면파, 음파, 지진파 등이 있다.
2. 전자기파(electromagnetic wave): 매질이 불필요한 파동, 주기적으로 세기가 변화하는 전자기장이 공간 속으로 전파해 나가는 현상, 진공조건(in vacuum)에서 전자기파는 매우 빠르게 전파된다.

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파동의 형태로 나아간 에너지는 에너지의 발생지점인 파원으로부터 다른 곳까지 전달된다. 그러나 앞서 강조하였듯 매개인 물질이 전달되는 것은 아니다.

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전파되는 파동

 

그림 5. 횡파(transverse wave)와 종파(longitudinal wave)

 

 

기다란 끈을 한 쪽 벽면에 고정시키고 팽팽하게 잡은 상태에서 반대쪽을 한 번 흔들면, 한 개의 펄스가 생성되어 유한한 속력을 가지고 줄을 따라 이동한다.

• 펄스: 극히 짧은 시간 동안 큰 진폭을 갖는 파동 일종
• [그림 5]와 같이 파동을 만들면 이것의 파원은 여성의 손(움직임)이다.
• 매질은 줄(줄의 작은 부피요소, 줄의 미소부피요소) cf. 줄을 구성하는 분자는 줄의 미소부피요소가 아니다.
• 줄의 각 요소가 평형위치로부터 흔들리면서 파동을 만든다.

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펄스는 일정한 높이와 일정한 진행속력을 갖는다. 다만 펄스의 모양도 운동하는 동안 분산(dispersion)이라는 물리적 효과로 인해 점점 옆으로 퍼지게 되는데, 간단한 유도과정을 위해 여기에서는 분산의 효과를 고려하지 않는다.

• 파동의 분산은 각각의 사인 파동이 속력이 다른 상태에서 서로 중첩될 때 일정한 주파수를 가지지 못하게 된다.
• 중첩의 상황황에 따라 [그림 6]과 같이 전혀 새로운 패턴의 파동이 발생할 수도 있다.

 

그림 6. 두개의 선형 파형이 조합된 경우