소리는 매질을 통해 전파되는 종파로서 공기 분자들의 압축과 팽창이 연쇄적으로 전달되는 기계적 파동입니다. 진동수에 따라 음높이가 결정되고 진폭에 따라 소리의 세기가 정해지며, 도플러 효과, 공명, 간섭 같은 파동 현상을 모두 나타내면서 음악, 통신, 의료, 탐지 등 인류 문명의 핵심적인 역할을 수행합니다.
공기를 떨리게 하는 압력파의 본질
소리는 물질의 진동으로 시작됩니다. 스피커 진동판이 앞으로 움직이면 앞쪽 공기를 압축하여 고압 영역을 만듭니다. 진동판이 뒤로 움직이면 저압 영역이 생깁니다. 이 압력 변화가 인접한 공기로 전달되며 파동으로 퍼져나갑니다. 소리는 종파입니다. 매질 입자가 파동 진행 방향과 평행하게 진동합니다. 빛 같은 횡파는 수직으로 진동하는 것과 다릅니다. 공기 중 음속은 약 340미터/초입니다. 온도에 따라 변하는데 섭씨 20도에서 343미터/초입니다. 물속에서는 약 1500미터/초로 훨씬 빠릅니다. 고체에서는 더욱 빠르며 강철에서는 5000미터/초가 넘습니다. 매질이 단단하고 밀도가 높을수록 음속이 빠릅니다. 진공에서는 소리가 전파되지 않습니다. 매질이 없으면 진동을 전달할 수 없기 때문입니다. 우주는 진공이므로 소리가 없습니다. 공상과학 영화의 우주선 폭발음은 비현실적입니다. 인간이 들을 수 있는 소리의 진동수 범위는 약 20헤르츠에서 20킬로헤르츠입니다. 20헤르츠 이하는 초저주파, 20킬로헤르츠 이상은 초음파라고 합니다. 나이가 들면 고주파 청력이 감소하여 범위가 줄어듭니다. 개는 40킬로헤르츠까지, 박쥐는 100킬로헤르츠 이상까지 들을 수 있습니다. 코끼리는 초저주파로 수 킬로미터 떨어진 동료와 소통합니다.
음높이와 음색을 결정하는 파동의 특성
진동수와 배음이 만드는 음악
음높이는 진동수로 결정됩니다. 표준 A음은 440헤르츠입니다. 옥타브 위는 880헤르츠, 아래는 220헤르츠입니다. 옥타브는 진동수가 2배 차이입니다. 서양 음악의 12평균율은 옥타브를 12개 반음으로 나누는데 각 반음은 2의 12제곱근배(약 1.059배) 차이입니다. 순정률은 정수비로 음정을 만들어 더 협화롭지만 조옮김이 어렵습니다. 음색은 같은 음높이라도 악기마다 다른 이유입니다. 모든 악기 소리는 기본 진동수와 배음들의 합성입니다. 바이올린과 플루트가 같은 A음을 연주해도 배음 구성이 다르므로 음색이 다릅니다. 푸리에 분석은 복잡한 파형을 단순 사인파들의 합으로 분해합니다. 모든 주기 함수는 푸리에 급수로 표현됩니다. 이것은 신호처리의 기초입니다. 현악기는 줄의 진동으로 소리를 냅니다. 기타줄을 튕기면 기본 진동과 2배, 3배, 4배 진동수의 배음이 동시에 생깁니다. 줄의 진동수는 줄의 길이에 반비례하고 장력의 제곱근에 비례하며 선밀도의 제곱근에 반비례합니다. 관악기는 공기 기둥의 공명으로 소리를 냅니다. 열린 관은 양 끝에서 마디가 생기고 닫힌 관은 한쪽만 마디입니다. 공명 진동수가 다르므로 음색이 달라집니다. 타악기는 막이나 금속의 진동입니다. 복잡한 진동 모드로 많은 배음이 섞여 타격음이 됩니다.
공명과 간섭이 만드는 증폭과 소멸
공명은 고유 진동수와 같은 주파수로 진동을 가하면 진폭이 급격히 증가하는 현상입니다. 그네를 밀 때 같은 주기로 밀어야 높이 올라가는 것과 같습니다. 악기의 공명통은 특정 진동수를 증폭시킵니다. 바이올린의 공명통, 기타의 보디, 피아노의 향판이 소리를 크게 만듭니다. 타코마 다리 붕괴 사고는 바람이 다리의 고유 진동수와 공명하여 일어났습니다. 1940년 완공된 타코마내로스 다리는 바람에 공명하여 격렬하게 흔들리다 무너졌습니다. 공진 현상의 위험성을 보여주는 사례입니다. 간섭은 두 파동이 겹쳐질 때 일어납니다. 위상이 같으면 보강 간섭으로 진폭이 커지고 반대면 상쇄 간섭으로 약해지거나 사라집니다. 소음 제거 헤드폰은 능동 소음 제어를 사용합니다. 마이크로 외부 소음을 감지하고 정확히 반대 위상의 소리를 만들어 상쇄시킵니다. 맥놀이는 진동수가 약간 다른 두 음이 간섭하여 주기적으로 크기가 변하는 현상입니다. 악기 조율에 이용됩니다. 두 현이 완전히 같은 음이면 맥놀이가 사라집니다. 정재파는 양 끝이 고정된 매질에서 반사파와 입사파가 간섭하여 만드는 파동입니다. 특정 지점은 항상 정지하고 다른 지점은 최대로 진동합니다. 악기 현과 관에서 정재파가 음을 만듭니다.
초음파의 응용과 의료 진단
초음파는 인간이 들을 수 없는 고주파 소리입니다. 파장이 짧아 작은 물체를 감지할 수 있습니다. 박쥐와 돌고래는 초음파로 반향정위를 합니다. 초음파를 발사하고 반사되어 오는 시간으로 거리와 방향을 알아냅니다. 어둠 속에서 먹이를 찾고 장애물을 피합니다. 잠수함 소나도 같은 원리입니다. 수중에서 음파를 쏘아 물체를 탐지합니다. 능동 소나는 자체 음파를 발사하고 수동 소나는 다른 물체의 소리를 듣습니다. 초음파 세척기는 고주파 진동으로 미세한 오염물을 제거합니다. 안경, 보석, 정밀 부품 세척에 사용됩니다. 초음파 용접은 고주파 진동으로 플라스틱을 접합합니다. 열을 가하지 않고도 분자 결합을 만듭니다. 의료 초음파는 임산부 태아 검사로 잘 알려져 있습니다. 체내에 초음파를 쏘아 반사되는 신호로 영상을 만듭니다. X선과 달리 방사선이 없어 안전합니다. 심장, 간, 신장 등 내부 장기를 실시간으로 관찰합니다. 초음파 쇄석술은 신장 결석을 초음파로 분쇄합니다. 수술 없이 돌을 깨뜨려 배출시킵니다. 고강도 집속 초음파(HIFU)는 종양 조직을 파괴하는 비침습적 치료입니다.
소리의 물리학, 소리가 바꾼 세상과 미래 기술
음향학은 건축에서 중요합니다. 콘서트홀 설계는 반사, 흡수, 회절을 정교하게 제어하여 모든 좌석에서 최적의 음질을 제공합니다. 잔향 시간이 너무 길면 음이 뭉개지고 너무 짧으면 건조합니다. 클래식 음악은 약 2초, 연설은 1초가 적당합니다. 음향 렌즈는 소리를 집속시킵니다. 메타물질로 만든 음향 렌즈는 회절 한계를 넘어 파장보다 작은 초점을 만듭니다. 음향 홀로그램은 음파로 3차원 영상을 만듭니다. 음향 부양은 강력한 음파로 물체를 공중에 띄웁니다. 정재파의 마디에 물체를 가두어 접촉 없이 조작합니다. 약물 전달이나 미세 조립에 응용됩니다. 음성 인식은 소리를 텍스트로 변환합니다. 푸리에 변환으로 음성 신호를 분석하고 기계학습으로 패턴을 인식합니다. 스마트폰 음성 비서가 일상화되었습니다. 음향 통신도 연구됩니다. 수중에서는 전자기파가 전파되지 않으므로 음파로 데이터를 보냅니다. 지진파도 소리입니다. 지구 내부를 전파하는 탄성파로 지진을 연구하고 지구 구조를 밝힙니다. P파는 종파, S파는 횡파입니다. 소리는 보이지 않지만 세상을 채우고 있습니다. 정보를 전달하고 감정을 표현하며 위험을 경고합니다. 음악은 수학적 패턴이지만 인간의 마음을 움직입니다. 소리의 물리학은 파동, 진동, 공명의 보편 원리를 담고 있으며 자연과 기술 곳곳에서 작동합니다. 공기의 떨림이 귓속 고막을 진동시키고 뇌가 해석하여 소리가 됩니다. 물리적 현상이 주관적 경험으로 변환되는 신비로운 과정입니다.