음파


음파

음파, 소리, 말, 음악 ...

오감중에서 소리를 들을 수 있는 감각, 즉 청각은 다른 감각과 마찬가지로 사물을 인지, 인식하는 데에 중요한 역할을 한다. 특히 소리를 내고, 듣고 이를 해독할 수 있는 능력을 가진 것은 인간이 의사소통에 의해 사회를 구성하고 사회를 발전시키는 능력을 가지게 된 결정적인 요인이 되었다. 지금에 와서는 문자를 통하거나 다른 방법으로 의사소통을 할 방법이 생겨나고, 발달되어 왔지만 그래도 말을 통한 의사소통이 가장 중요하고 결정적이다. 인간뿐만 아니라 돌고래 등 몇몇 동물도 소리에 의해 서로 정보를 주고 받는 것이 알려져 있다.

이러한 음파는 무엇의 파동일까?

사람이 이 음파중에서 "말"을 해독할 수 있는 능력을 가지고 있는 데 그 원리는 무엇인가?

음악은 우리를 즐겁게 하거나 색다른 기분을 느끼게 하고 나아가서 우리를 감동시키기도 하는 데 이 음악의 소리는 어떤 종류의 음파일까? 또한 악기는 어떤 원리로 소리를 내는 것일까?

음파는 공기분자의 진동이 퍼져나가는 것이다.
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공기의 탄성_ 닫힌 관 속에 있는 블록의 운동을 보여 준다. 블록을 마우스로 끌어 중심에서 벗어나게 하면 블록이 분할하는 양쪽 공간의 압력차이에 의해 되돌아 오는 힘을 받아 진동을 한다.

음파는 탄성체에서 전파되는 파동으로서, 탄성체를 이루고 있는 질점들이 압축되었다가 팽창되었다가 하면서 전파된다. 기체, 액체, 고체 등에서 구성원자들은 서로 탄성을 가지고 있으므로 원칙적으로 음파가 존재할 수 있지만, 보통의 경우 소리라 하여 공기중에서 우리의 귀로 들을 수 있는 정도의 주파수를 가진 것을 말한다.

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음파의 발생과 파형_ 소리굽쇠의 진동은 주변이 공기 분자를 진동시키고 이 진동은 공간을 퍼져나가게 된다. 공기 분자는 부분적으로 압축과 팽창을 거듭하는 데 이를 대기압보다 압력이 큰 정도를 파동량으로 나타낸다. 즉, 압축된 부분은 파동량을 $+$로, 팽창된 부분은 $-$로 그림처럼 정형파형의 모양이 된다. 이 공기의 압축과 팽창은 그대로 귀의 고막을 진동시켜 음파를 소리로서 들을 수 있게 된다.

공기중에서 음파파의 진행 방향과 같은 방향으로 공기의 구성 분자들이 몰렸다가, 앞쪽의 분자들에 의한 반발력에 의해 뒤로 몰리고 앞쪽의 분자들은 더 앞쪽으로 몰리는 과정을 되풀이 하면서 앞으로 진행 한다. 이때 공기 분자의 평형위치에서 변위를 파동량으로 삼을 수 있다. 그러면 변위가 일어나는 방향이 파의 전파방향과 같은 방향이어서 음파종파라고 할 수 있다. 한편으로 공기분자가 몰리는 지역에서는 압력이 높아지고, 드물어지는 지역에서는 압력이 낮아지므로 압력을 파동량으로 삼을 수도 있다.

아래 그림에 보는 것처럼 공기분자의 위치는 파가 진행하는 방향으로 진동을 한다

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음파의 진동 모습_ 오른쪽으로 진행하는 음파의 모양을 보여주고 있다. 공기 분자가 위치에 따라 압축, 팽창된 상황을 수직선의 밀집된 모습으로 보여주고 있다. 수직선의 진동은 실제의 공기분자의 진동을 나타내며 가운데 부분에 검은 원으로 표시한 것을 유의해서 보면 실제로 공기분자는 음파의 진행방향에 나란하게, 즉 좌우로 진동을 하고 실제로 흘러가지 않는 것을 알 수 있다. 실제의 공기분자는 온도에 따른 열운동이 있으므로 평균적으로 이러한 운동을 하게 되지만 제멋대로의 요동이 가미되어 있다.

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음파의 진동과 진행모습_ 공기분자의 운동을 상징적으로 나타내었다. 수직의 선들은 공기분자가 상대적으로 위치 이동한 것을 나타내며 위의 것은 음파가 존재하지 않는 고요한 상태의 공기분자의 배치이고 아래의 것은 공기분자의 운동하는 모습을 나타낸다. 여기에서 공기분자가 쏠려서 진하게 보이는 영역은 공기압이 높고 반대로 듬성듬성한 부분은 공기압이 낮은 영역이다. 따라서 음파는 소밀파의 특성을 띠게 된다. 분홍색의 원으로 표시한 것은 실제의 공기분자의 움직임을 나타내는 데 진행방향에 나란하게 진동하는 것을 볼 수 있다. 화면 아래의 슬라이더를 움직이면 파장과 음파의 진행속력을 변경할 수 있다.


_ 파동량_ 고체_ 악기_ 질점_ 온도_ 진동_ 몰리_ 액체_ 종파



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