물리 음향학: Sound Pressure Level (SPL) (음압 레벨) (dB)

 

"소음 측정 결과 90 dB(데시벨)이 나와, 기준치를 초과하였습니다"

 

뉴스에서 소음에 관한 내용을 다룰 때면, 꼭 나오는 문장입니다.

 

데시벨(decibels)은 대표적인 소음 단위로 많이 사용되고 있습니다.

 

뉴스뿐 아니라 예능이나 유튜브에서도 심심치 않게 데시벨(decibels)이 등장하여 많은 분들이 친숙하실 것입니다.

 

과거 피키픽처스에서 [엄마가 잠든 후에]라는 콘텐츠를 진행했었죠.

 

연예인들이 나와 최대한 조용히 음식을 요리하고 먹어야 했던 걸로 기억합니다.

 

기준 데시벨을 넘으면 벌칙이 있었던 것 같은데.. 잘 기억이 안 나네요.

 

하여튼 데시벨은 우리에게 무척이나 친숙한 단위입니다.

 

 

하지만, 여러분들은 데시벨에 관해 얼마나 알고 계신가요?

 

데시벨이 무엇을 의미하고, 왜 사용할까요?

 

아니 그전에 소음을 측정한다는 것은 어떤 물리량을 측정하는 것일까요?

 

이번 글에서 완벽하게 정리해 드립니다.

 

그럼 시작합니다.

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Sound Pressure Level (SPL) (dB) (음압 레벨)

가장 먼저 아셔야 하는 것!

 

음향학에서 소음을 측정한다는 것은 마이크로폰(microphone)으로 음압(acoustic pressure)을 측정하는 것을 의미합니다.

 

다시 말해, "시끄럽다 = 음압이 크다"입니다.

 

 

일상에서 대화하는 수준의 소음은 0.006 pa(pascals) 정도입니다.

 

대기압(101000 pa)과 비교하면 매우 매우 작습니다.

(음향 파동방정식 유도 중 선형화에서 자세히 다루었죠)

 

제트 엔진에 발생하는 소음은 630 pa 정도입니다.

 

제트 엔진 소음이 일상 대화 소음에 100,000배 수준입니다.

 

여기서 하나 알 수 있는 것이 있습니다.

 

"음압의 범위가 너무 넓다."

 

아래 그림은 다양한 소음 종류별로 음압을 그래프로 나타낸 것입니다.

 

그래프를 보면, 일반적인 대화 소음과 체인톱의 소음이 비슷해 보입니다.

 

과연 그럴까요?

 

체인톱의 소음은 대화 소음에 비해 1,000배 더 큽니다.

 

하지만, 음압의 너무 넓은 범위로 둘의 차이가 보이지 않습니다.

소음 종류와 음압 그래프

 

이러한 음압의 넓은 범위로 인하여 만든 것이 Sound Pressure Level (이하 SPL) (음압 레벨)입니다.

 

그리고 SPL의 단위가 데시벨 dB입니다. 참 명쾌하죠?

 

여러분들이 매체에서 접하는 소음 측정 결과는 SPL을 나타낸 것입니다.

 

아래 그림과 같은 장비로 소음 측정하는 것을 보셨을 것입니다.

 

아래 장비의 이름은 Sound Level Meter로 Sound Pressure Level을 나타내 줍니다.

 

Sound Level Meter (RION, NL-52)

SPL에 조금 더 알아보겠습니다.

 

SPL은 음압을 로그 변환(log transfrom) 한 것으로 아래와 정의는 아래와 같습니다.

 

음압의 실효값(rms)을 기준치로 나누어 로그 변환을 해줍니다.

 

다 아시겠지만, 로그는 넓은 범위를 확 좁혀주는 역할을 합니다.

(예시로 10과 10,000이 로그로 인해 1과 4가 됩니다. 9,990 차이가 3으로 좁혀집니다.)

 

따라서, 넓은 범위의 음압을 로그 변환하여 SPL로 범위를 좁혀줍니다.

 

 

p_ref는 음압의 기준치로 공기 중에서는 20 μPa입니다.

 

20 μPa는 인간이 들을 수 있는 가장 작은 값(threshold)으로, SPL로 변환 시 0 dB가 됩니다.

 

주의할 것은 물에서는 기준치가 1μPa로 바뀐다는 것입니다. 조심하세요!

 

앞서 소음 별 음압을 SPL로 나타내면 아래 그래프와 같습니다.

 

소음 종류별로 비교하기가 훨씬 편해졌죠?

 

Sound Pressure Level (SPL) (음압 레벨) 정의

소음 종류별 SPL 그래프

SPL의 정의와 함께, 간단하게 외우고 있으면 좋은 것이 있습니다.

 

SPL 6 dB 차이는 음압 2배 차이라는 것입니다.

 

누군가 여러분들한테 소음이 6 dB 줄었다고 말한다면, 자연스럽게 음압이 반으로 줄었다고 생각하셔야 합니다.

(참고로 20 dB는 10배입니다.)

 

음향학을 하는 누군가가 6 dB 소음 저감으로 기뻐하고 있다면, 박수를 치며 "음압을 반으로 줄였구나 대단해!"라고 해주세요.

 

오늘은 여기까지 입니다.

 

감사합니다.

 

오피쓴 올림

 

[참고 문헌]

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

2. acousticstoday.org/5-%e2%80%a2-the-world-through-sound-decibels