[음향이론] 소리의 반사, 회절, 굴절, 간섭, 공명에 대하여

[음향이론] 

 

1. 반사

소리의 파동이 어느 물체와 부딪히면 반사한다. 소리에서의 반사는 입사각과 반사각이 같다. 아주 평탄한 면에서 이루어지는 반사를 정반사라고 하고 고르지 못한 면에서 이루어지는 반사를 난반사라고 한다. 특히 반사면이 둥근 모양으로 오목한 경우 소리가 모아져 초점이 발생한다.

 

파라볼라 집음기는 오목면 초점에 마이크를 설치한 것이다. 멀리 떨어진 곳에서 발생하는 소리를 집음 할 수 있다.

이와는 반대로 오목면 초점에서 오목면을 향한 소리는 반대편으로 강한 직진성을 갖기 때문에 멀리 전달된다. 공연장에서는 음향 에너지의 손실을 막고 소리의 고른 확산 등의 실내 음향 조절을 위해서 다양한 모양의 반사판을 사용하게 된다. 그러나 공연장에서는 일반적으로 오목면 반사판은 사용하지 않는다. 건축적으로 오목면이 형성된 곳은 위치에 따라 불균형한 음향 현상이 일어난다.

 

2. 회절

소리가 장애물을 만나 일부가 장애물 뒤로 꺾여 돌아가는 현상을 말한다.

 

예를 들어 담과 같은 장애물이 앞을 가려도 건너편에서 소리를 들을 수 있는데 이것은 소리가 회절하기 때문이다.

회절은 주파수와 장애물의 크기와 형태에 따라 다르게 나타난다. 장애물의 짧은 쪽 길이 보다 파장이 짧은 고주파는 장애물에 부딪혀 흡수, 반사되거나 장애물이 없는 쪽으로 그냥 통과하며 파장이 긴 저주파는 회절을 일으킨다. 그리고 어느 일정한 입구를 통과할 때 입구의 직경보다 파장이 짧은 고주파는 회절 하지 않고 직접 통과하고 파장이 긴 저주파는 회절 한다.

 

이 현상은 우리가 듣는 경우에도 나타난다.

사람의 머리 폭보다 긴 파장의 저음의 경우 회절이 잘 되기 때문에 양쪽 귀에서 들리는 음의 세기는 동일하지만 파장이 머리 폭보다 짧은 고음의 경우 어느 정중아이 아닌 한 방향에서 들어오게 되면 한쪽 귀는 잘 들리는데 다른 쪽 귀는 잘 들리지 않게 된다. 따라서 파장이 짧은 고음의 경우 음영(음의 그림자)을 형성하므로 한 귀가 다른 귀보다 더 잘 들린다. 이런 두귀에 들어오는 파장의 차이가 음원의 위치를 추정하는 음의 위치 판단의 단서 중 한가리조 활용된다. 

 

3. 굴절

장애물이 없는 자유음장에서도 소리가 휘는 굴절 현상이 발생한다.

자유음장이란 반사와 회절 등을 일으키는 장애물이 없는 소리 진행이 방해받지 않는 음향 공간을 말한다. 소리 파동이 기온이나 밀도가 다른 지역이나 바람 부는 지역을 통과할 때 소리의 진행 방향이 휘어진다. 소리는 밤에 낮보다 더 멀리서도 잘 들린다.

 

소리는 전방위로 확산되는데 밤에는 낮보다 지표면의 온도가 낮고 지표면 가까이보다 지상 높은 곳이 더 따뜻하기 때문에 지표면보다 지상 위 높은 곳에서의 소리 속도가 빨라진다. 따라서 소리가 휘는 현상이 나타난다.

 

햇빛이 비치는 낮에는 지면의 복사열 때문에 지면과 인접할수록 공기가 더워 소리의 속도가 증가되며 지표면에서 멀어질수록 공기가 낮아 소리의 속도가 느려 파면이 위를 향해 굽어지므로 소리는 공중을 향하여 굴절하게 된다. 따라서 음원에서 멀리 있으면 소리가 훨씬 작게 들리게 된다.

 

밤에는 지표면의 온도가 식기 때문에 그 반대 현상이 일어나 파면이 지면을 향해 휘어져 소리가 더 멀리 가게 된다. 바람이 부는 경우 풍속은 지표면에 가까울수록 더 느려진다. 따라서 소리의 진행 방향과 같은 방향으로 바람이 불면 밤의 공기 온도에 의한 현상과 비슷하고 소리의 방향에 맞바람인 경우에는 낮의 현상과 비슷한다. 따라서 소리가 잘 전달되지 않는다.

 

4. 간섭

여러 음원의 소리가 전파될 때 서로 만나게 되면 간섭이 일어난다. 예를 들어 두 음원에서 나오는 비슷한 소리가 어느 한 지점에서 만나 서로 만나게 되면 합쳐질 수도 있고 상쇄될 수도 있다. 이런 현상을 간섭이라고 하며 합쳐지는 경우를 보강간섭, 상쇄되는 경우를 상쇄간섭이라고 한다.

 

진원이 다른 두개의 파가 어느 한 지점에서 동일한 위상으로 중첩되었을 때 진폭이 커지는 것을 보강간섭이라고 하고 어느 한 지점에서 위상이 정반대인 두 개의 파동으로 중첩되어 있을 때 진폭이 상쇄되는 것을 상쇄간섭이라고 한다.

 

파동은 중첩된 후에도 각기 진행하던 방향으로 계속 진행하는데 이것을 파동의 독립성이라고 한다. 고체와 같은 물체가 서로 충돌 후 각각의 운동 방향이 바뀌며 열과 소리로의 에너지 손실이 일어나 운동에너지가 떨어지게 된다. 그러나 파동의 중첩 또는 충돌은 에너지의 교환 없이 원래 방향으로 진행한다. 이것을 파동의 독립성이라고 한다 소리의 속도는 파장의 길이에 따라 상쇄간섭과 보강간섭이 일어나는 위치가 정해진다.

 

5. 공명

주파수가 같은 두 진동체는 서로 공명한다. 같은 음높이의 소리굽쇠 두개가 인접해 있을 때 어느 한 소리굽쇠만 울려도 다른 하나도 같이 울리는 현상을 공명이라고 한다. 현악기의 개방현도 같은 주파수의 음이 울리면 같이 진동하는 현상을 볼 수 있다. 이 같이 공명은 한개의 진동체로부터 다른 진동체로의 에너지 전달 현상으로 설명될 수 있다.

 

현악기 몸체의 판이나 몸체 자체의 빈 공간도 공명통의 역할을 한다. 공명통의 크리를 변화시키면 공명주파수를 조절할 수 있으며 모양에 따라 공명 주파수대의 폭을 조절할 수도 있다. 따라서 공명통은 일종의 필터 역할도 할 수 있다.