물리 음향학: 역학적 파동(mechanical wave)

 

물리 음향학(physical acoustics)은 역학적으로 진동하는 파동(mechanical wave)의 형태로 에너지를 발생, 전달, 그리고 수신하는 모든 물리적 현상에 대한 학문입니다.

 

음향학에서 다루는 음파는 역학적 파동(mechanical wave) 중 하나이기 때문에, 물리 음향학을 본격적으로 알아가기 전에 가장 먼저 역학적 파동에 대해 간단히 알아야 합니다.

 

실제 많은 물리 음향학 책들도 역학적 파동이란 무엇인가를 간단히 정의하며 시작합니다.

 

따라서 이번 글에서는 역학적 파동에 대한 몇 가지 사실들을 간단히 알려드리려 합니다.

 

역학적 파동에 대해 간단히 알게 되신다면, 음향학 뿐 아니라 전자기학, 양자역학 등 파동을 다루는 학문에 비교적 수월하게 접근할 수 있게 될 것입니다.

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★★★역학적 파동이란 공간상 한 곳에서 발생한 어떤 물리량의 교란이 유한한 속도로 매질을 통해 공간상에서 전파하는 형상을 의미합니다.★★★

 

파동의 정의를 잘 보시면, 아래 그림과 같이 3가지 키워드가 있음을 알 수 있습니다.

 

역학적 파동(mechanical wave)

● 물리량 교란의 전파는 아래 애니메이션을 통해 쉽게 알 수 있습니다.

 

아래 애니메이션에서 빨간색 선의 작은 움직임이 작은 교란을 발생시키고 있습니다.

 

그리고 그 교란이 오른쪽으로 전파되는 것을 볼 수 있습니다.

 

음향학에서 빨간색 선은 스피커가 될 수 있습니다.

 

스피커가 빨간색 선처럼 진동하면, 공기 압력의 교란이 발생하게 됩니다.

 

그 교란이 공간상에서 전파되어 우리 귀에 도달하면, 스피커가 발생시킨 소리를 우리가 듣게 됩니다.

 

이때 스피커로 인한 공기 압력의 교란을 음압(sound pressure)이라고 합니다.

 

일반적으로 많은 매체에서 소리 크기를 측정한다는 것은 이 음압을 측정한다는 것입니다.

(음압에 대해 알려드리고 싶은 것이 너무나 많지만, 주제에 벗어날 듯하여 꾹 참고 넘어갑니다)

 

파동 애니메이션(ref: https://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves-intro/waves-intro.html)

● 모든 파동은 유한한 속도로 전파됩니다.

 

이 또한 애니메이션을 보시면 쉽게 알 수 있습니다.

 

빨간색 선으로 인한 교란이 일정한 속도로 전파되는 것을 볼 수 있습니다.

 

일반적으로 우리가 공기중에서 듣는 소리는 343 m/s의 속도로 전파됩니다.

 

● 모든 역학적 파동은 매질을 통해 전파합니다.

 

매질은 음파와 같은 파동을 전달시키는 물질의 연속체입니다.

 

우리가 듣는 소리는 공기가 매질이 되어 전파합니다.

 

공기뿐 아니라, 다양한 액체와 고체가 매질이 될 수 있습니다.

 

반면, 진공 상태에서는 역학적 파동은 전파되지 않습니다.

(전자기파와 같은 역학적 파동이 아닌 것은 진공 상태에서 전파합니다)

 

매질은 파동 전파 특성을 결정하게 됨으로 매우 중요합니다.

 

가장 대표적인 것은 앞서 언급한 파동의 속도입니다.

 

음파의 경우 아래와 같이 매질에 따라 음파의 속도 즉, 음속(sound velocity)이 달라지는 것을 알 수 있습니다.

 

음속 외에도 흡수(absorption), 비선형성(nonlinearity) 등 다양한 파동의 특성들이 매질에 따라 달라집니다.

 

 

매질에 따른 음속

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이번 글은 역학적 파동이 무엇인지에 대해 알려드렸습니다.

 

최대한 간단한 사실들을 간략하게 알려드리려 노력하였습니다.

 

추가적인 질문들은 댓글을 남겨주시면 감사하겠습니다.

 

 

파동의 전파는 파동 방정식(wave equation)을 통해 수학적으로 기술됩니다.

 

파동 방정식을 이용하면, 파동이 어떻게 전파할지 예측할 수 있습니다.

 

향후 글들은 파동 방정식을 유도하고, 그 의미를 살펴보려 합니다.

 

[참고 문헌]

1. D.T.Blackstock, "Fundamental of Physical Acoustics" John Wiley & Sons, New York (2000)

2. A. Bedford and D.S. Drumheller, "Introduction to Elastic Wave Propagation"John Wiley & Sons, New York (1994) 

3. 김진연, 권휴상, 김봉기, 이준신, "음향학의 기초" 홍릉과학출판사 (2013)

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잡담:

 

역학적 파동을 주제를 선정하고, 매우 쉬울 것이라 생각했지만 큰 오산이었습니다.

 

알고 있는 것을 글로 적어 다른 사람에게 전달하는 것은 정말 어렵다는 것을 다시 느꼈습니다.

 

그리고 지금 알고 있는 것이 알고 있는 것이 아님을 깨달았습니다.

 

그래서 재밌습니다.

 

앞으로 많은 글을 정리하여 올리고 싶습니다.

 

그리고 부족하지만, 저의 글을 통해 많은 분들이 물리 음향학에 대해 알게 되었으면 좋겠습니다.

 

감사합니다.

 

오피 올림