12. 소리 Sound

1. 12. 소리Sound

2. 12. 소리 12.1 소리의 특성 12.2 소리 세기; 데시벨 12.3 소리의 근원; 진동하는 줄과 공기 기둥 12.4 음질과 소음; 중첩 12.5 음파의 간섭; 맥놀이 12.6 도플러 효과 12.7 충격파; 충격파음 12.8 응용; 수중 음파 탐지기, 초음파, 의료 영상

3. 12장 주요용어 • 음속(speed of sound) • 소리 크기(loudness) • 소리 고저(pitch) • 가청 영역(audible range) • 초음파(ultrasonic) • 초음속(supersonic) • 압력파(pressure waves) • 초저주파(infrasonic) • 벨(bel) • 데시벨(decibel, dB) • 소리 준위(sound level) • 옥타브(octave) • 기본 진동수(fundamental) • 상음(overtones) • 배음(harmonics) • 음질(quality) • 파형(waveform) • 맥놀이(beats) • 맥놀이 진동수(beat frequency)

4. 12장 주요용어 • 도플러 효과(Doppler effect) • 적색 편이(redshift) • 초음속(supersonic speed) • 마하수†(Mach number) • 충격파(shock wave) • 충격파음(sonic boom) • 소리 장벽(sound barrier) • 수중 음파 탐지기(sonar) • 펄스 에코 기법(pulse-echo technique) • 초음파(ultrasonic) • 펄스 에코 기법(pulse-echo technique)

5. 12-1 소리의 특성 소리는 진공을 제외하고는 어느 물질이나 통과할 수 있다. 다른 물질에서는 소리의 속력이 다르다; 일반적으로는 기체에서 가장 느리고, 다음은 액체, 그리고 고체에서 가장 빠르다. 특별히 기체의 경우에 속력이 온도에 따라 변한다. m/s

6. 소리의 크기: 음파의 세기에 관계된다. • 소리의 고저(음정): 진동수에 관계된다. • 가청영역 : 20 Hz ~ 20,000 Hz; 나이에 따라 상한은 낮아진다. • 초음파, 20,000 Hz 이상; 초음파 자동초점 카메라에 응용됨. • 초저음파: 20 Hz 이하; 음파탐지기에 응용됨

7. 변위파동과 압력파동 북의 가죽이 진동하여 압력파동을 만든다.

8. 예제 12.1 음파로 자동 초점 조절하기 그림과 같이 자동 초점 조절 카메라는 매우 높은 진동수(초음파)의소리의 펄스를 피사체로 방출하고, 돌아오는 반사 펄스를 센서로 감지한다. 센서의 감응 시간을 알기 위해, 카메라에서 (a) 1.0 m, (b) 20 m 에 있는 물체에 대해 펄스가 이동하는 시간을 계산하라.

9. 객관적 물리적 자극에 따라 (물리 음향) • 소리의 진폭 세기 (음파의 진폭, Amplitude) • 소리 떨림의 빠르기 (주파수,Frequency) • 소리 파동의 모양 (톤 컬러,Tone Color) • 주관적 감각적 자극에 따라 (심리 음향) • 라우드니스(Loudness) : 소리 크기 • 음정 (피치,Pitch) : 소리 높낮이 • 음색 (소리의 감각,Tone Timbre) : 소리 감각 • 소리의 3요소

10. 12-2 소리의 세기 : 데시벨(dB) 파동의 세기는 단위시간당 단위면적에 전달하는 에너지이다. 사람의 귀는 10−12 W/m2 ~ 1 W/m2 세기인 음을 들을 수 있다. 그러나 소리의 크기는 감각기관(귀)가 인지하는 세기에 비례하지 않는다.

11. 소리준위 소리준위는 세기의 상용로그와 밀접한 관련이 있으며 dB로 측정하며 다음과 같이 정의한다. I0는 가청한계이다. I0 = 1.0 × 10−12 W/m2 (12.1)

12. 예제 12.2 거리에서의 소리 세기 복잡한 도로에서 소리 준위가 75 dB이다. 소리의 세기는 얼마인가?

13. 12.3 스피커 반응 고성능 스피커의 볼륨이 최대일 때 30 ~18,000kHz까지의 진동수를 ±3 dB의 균일한 소리 준위로 재생할 수 있다고 한다. 즉 이 영역에서는 입력 준위에 대해서 출력이 3 dB 이상 변하지 않는다. 소리 세기가 얼마나 변해야 출력이 3 dB 변하나?

14. 소리 세기와 거리의 관계 3dB의 세기를 두 배로 한 소리준위라도 강도에서는 변화가 매우 작다. 열린 공간에서는 소리의 세기는 I∝ 1/r2 로 감소한다.그렇지만 밀폐된 공간에서는 반사되는 것 때문에 복잡하다. 공기를 통해서 소리가 전달되면 진동수가 높은 것이 우선 흡수된다. .

15. 예제 12.4 비행기 굉음 제트기에서 30 m 떨어진 곳에서 측정한 소리 준위는 140 dB이다. 300 m 떨어진 곳에서 소리 준위를 추정하라. 지면으로부터의 반사는 무시한다.

16. ※ 귀와 귀의 반응; 크기(Loudness)

17. 외이: 소리가 외이 도를 지나서 고막에 도달하면 진동한다. • 중이: 망치뼈, 모루뼈, 동자뼈 등 3개 청소골에서진동을 내이로 전달한다. • 내이: 달팽이관에서 진동에너지를 전기 에너지로 바꾸어 뇌로 신호를 보낸다.

18. 귀의 감도는 진동수에 따라 다르다. 이들 커브는 진동수에 따라 소리준위와 세기로 나타낸 것이다. 고통한계 소리준위 소리세기 가청한계 진동수

19. 세기와 진폭의 관계 줄에서진동수가인 SHM파동의 에너지는 파동의 세기(intensity) I는 에너지 흐름의 방향에 수직인 단위 넓이를 지나 운반되는 평균 일률이다. 곧

20. 예제 12.5 변위가 얼마나 작은가? 진동수가 1000 Hz이고 들을 수 있는 최소의 세기인 파동에 대해 공기 분자의 변위를 계산하라. 기온은 20℃ 라고 가정하라.

21. 12-3 소리 샘: 진동하는 줄과 공기 기둥 악기는 다양한 방법으로 소리를 낸다. 작기는 튕기기(뜯기), 두드리기, 활 긋기, 불기 등의 방법으로 소리를 낼 수 있다. 다양한 방법으로진동이 시작되면 진동은 공기를 통하여 우리 귀로 전달된다. • 진동하는 줄 => 기타, 바이올린, 첼로, 피아노 등 현악기 • 진동하는 막 => 북, 드럼, 장고 등 타악기 • 진동하는 금속이나 나무조각 => 실로폰 마린바 등 • 진동하는 공기기둥 => 트럼펫, 클라리넷, 오르간, 대금, 퉁소 .

22. ‘평균율 반음계’ 순수한 음의 음조는 진동수에 의해 결정된다는 것을 이미 공부했다. 가온 다 음으로 시작하는 옥타브에 대해서, ‘평균율 반음계’ 음조에 대한 전형적인 진동수가 표 12.3에 나와 있다. 한 옥타브(octave)는 두 배의 진동수에 해당한다는 것에 주목하라.

23. 현악기 기본진동수 : 배음(상음) : . 팽팽한 줄의장력과 속도

24. 기타 줄은 기본 음정을 높이기 위하여 손가락으로 지판을 눌러서 소리를 낼 수 있다. 줄의 밀도가 다르기 때문에 같은 길이라 하더라도 다른 줄의 음정은 다르다.

25. 예제 12.6 피아노 줄 피아노의 가장 높은 음을 내는 건반의 진동수는 가장 낮은 음을 내는 건반의 150배에 해당한다. 가장 높은 음의 줄의 길이가 5.0 cm라면, 단위 길이당 질량과 장력이 같을 경우 가장 낮은 음의 줄의 길이는 얼마여야 하는가?

26. 피아노는 두 가지 방법으로 7옥타브 이상 영역의 음을 낼 수 있다. 왼쪽의 낮은 음을 내는 줄은 오른쪽의 높은 음을 내는 줄보다 굵고 짧다.

27. 12.7 바이올린의 진동수와 파장 0.32 m 길이의 바이올린 줄을 중간 C음 위의 A음인 440 Hz로 조율한다. 줄의 기본 진동의 파장은 얼마인가? 발생한 음파의 진동수와 파장은 얼마인가? 왜 차이가 나는가?

28. 관악기 공기 기둥에 정상파를 만들어서 소리를 낸다. 양쪽이 열린 플루트와 클라리넷 한 끝이 닫힌 파이프오르간

29. 양 끝이 열린 관(대부분의 관악기) 양쪽 끝에서는 공기 진동의 변위는 배가 되지만 압력은 마디가 된다. 양 끝이 열린 관 (b)공기의 압력 진동 (a) 공기의 변위 1차 조화 =기본음 마디 마디 마디 배 배 분자의 진동 2차 조화 배음 3차 조화

30. 한끝이 닫힌 관 닫힌 끝에서 변위마디(압력 배)가 생긴다. 한 끝이 닫힌 관 (b)공기의 압력 진동 (a) 공기의 변위 1차 조화 =기본음 배 배 마디 3차 조화 마디 배음 5차 조화

31. 예제 12.8 파이프 오르간의 파이프 20 °C에서 길이가 26 cm인 오르간 파이프가 • 열린 경우와 • 닫힌 경우의 기본 진동수와 배음의 진동수는?

32. 12-5 음질과 소음: 중첩 소리의 3요소 크기, 높낮이, 음색(음질)

33. 소리의 3요소 (Three Elements of Sound) • 객관적 물리적 자극에 따라 (물리 음향) • 소리의 진폭 세기 (음파의 진동의,Sound Intensity) • 소리 떨림의 빠르기 (주파수,Frequency) • 소리 파동의 모양 (톤 컬러,Tone Color) • 주관적 감각적 자극에 따라 (심리 음향) • 라우드니스(Loudness) : 소리 크기 • 음정 (피치,Pitch) : 소리 높낮이 • 음색 (소리의 감각,Tone Timbre) : 소리 감각

34. * 소리 감각의 특성 (물리량 및 심리량상관정도)

35. 12-5 음질과 소음: 중첩 왜 트럼펫 음악은 플루트와 다를까? 답은 존재할 수 있는 배음과 그것이 얼마나 강한가에 따라 큰 차이가 있다. 옆의 그림은 클라리넷, 피아노, 바이올린의 진동수 스펙트럼이다. 배음과 그음의 세기가 차이를 보인다. 상대 진폭 진동수(Hz) 상대 진폭 진동수(Hz) 상대 진폭 진동수(Hz)

36. 12-6 음파의 간섭; 맥놀이 음파도 다른 파동처럼 공간에서 간섭을 일으킨다. • 한 스피커에서의 거리와 다른 스피커에서의 거리의 차이가 • 이라면 그 점에서 상쇄 간섭이 • 이라면 두 파동의 위상이 완전히 일치할 때 보강 간섭이 일어난다

37. 예제 12.11 스피커의 간섭 두 스피커가 거리 1.00 m만큼 떨어져 있다. 사람이 한 스피커에서 4.00 m 거리에 있다. 두 스피커가 1150 Hz의 소리를 방출한다면, 상쇄 간섭이 일어나려면 사람과 다른 스피커와의 거리는 얼마여야 하는가? 온도는 20 °C라고 가정한다.

38. 맥놀이-시간적인 간섭 파동은 시간에 따라서도 맥놀이라 불리는 현상의 원인이 되는 간섭을 한다. 공명은 파동이 비슷한 두 파동 주위에 느리게 포락선을 형성한다. 합 공명주기

39. 예제 12.12 맥놀이 • 소리굽쇠가400 Hz의 안정한 음을 낸다. 이 소리굽쇠를 친 후에 진동하는 기타 줄 근처에 놓았더니 5초에 20개의 맥놀이가 들렸다. 기타 줄이 만들어낼 수 있는 진동수는 얼마인가?

40. 12-6 도플러 효과 소리 샘이 관측자에 대하여 운동을 할 때 도플러 효과가 일어난다. 정지한 소방차 달리는 소방차

41. 앞의 그림에서 볼 수 있는 것처럼 관측자를 향해 달리는 소방차의 경적이 더 높은 진동수로 짧은 파장으로 들린다. 그러나 더 멀어지면 반대의 현상이 나타난다.

42. 파장이 얼마나 변하였는가를 안다면 진동수의 변화도 알 수가 있다. 소리 샘이 점1에 있을 때 방출한 마루 소리 샘이 점2에 있을 때 방출한 다음 마루 소리 샘이 운동할 때

43. 12-7 Doppler Effect 파장의 변화 :

44. 진동수의 변화: 소리 샘이 관측자에게서 멀어질 때: [정지한관측자에게 다가가는샘] (12.2a) [관측자에게서 멀어지는 샘] (12.2b)

45. 관측자가 소리 샘으로 다가간다면 상황은 약간 다르다. 관측자에게 파장은 같지만 파동속력이 다르다.

46. 관측자가 정지한 소리 샘에 다가 갈 때 진동수는? 또 멀어질 때 진동수는: ) 또는 (12.3a) (12.3b)

47. 12-7 충격파와 충격음파 소리 샘이 매질에서 파동의 속력보다 빠르게 진행한다면파동이 유지되지 않고 충격파가 발생한다. 원뿔의 각도: (12.5)

48. 12-8 Shock Waves and the Sonic Boom 충격파는 물에서 파동 속력보다 배가 더 빠르게 진행할 때 선수파와 유사하다.

49. 공기 중에서 음속을 돌파하기 위하여 비행기는 충격파 둘을 방출하는데 하나는 선수부분에서 그리고 다른 하나는 선미 부분에서 방출한다. 선미충격파 선수충격파

50. 12-9 응용: 수중음파탐지기, 초음파, 의료영상 수중음파탐지기는 내보낸 초음파가 물체에 반사되어 돌아오는데 걸리는 시간을 측정하여 위치를 알아낸다. 지구내부를 탐사하는 데에도 유사한 방법을 사용한다. 보통은 초음파는 파장이 짧으면 장애물에서 회절이 적게 일어나기 때문에 수중음파 탐지기에는 초음파를 사용한다.