소리의 특성과 인식

평형 상태에서 역학적 요동이 탄성매질을 통해 전달되는 것.

탄성 매질의 밀도가 국소적으로 변하면 소리가 생성된다. 밀도의 변화는 역학적· 열적·전기적·자기적·화학작용 등의 여러 방법에 의해 일어날 수 있으므로 음원은 매우 다양하다. 그러나 대부분의 소리는 고체·액체·기체에서 역학적인 진동에 의해서 생성된다. 고체 진동자로는 현, 막대, 얇은 막, 판, 종 등이 있고 심지어 지구 자체도 음원으로 작용하기도 한다. 음원 중에서 액체의 형태를 갖는 것은 흔하지는 않지만 물이나 공기가 와류를 형성하여 흐르는 것이 1가지 예가 될 수 있다. 기체 형태의 음원으로는 오르간 파이프, 호루라기, 폭발, 기체의 와류 등을 들 수 있다. 탄성 매질의 밀도를 국소적으로 변화시키는 방법은 매우 많으며. 그중에는 고체를 다른 고체에 충돌시키거나 2개의 고체를 서로 문지르는 방법이 있다. 소리를 생성하는 또다른 방법은 전기적·자기적인 효과에 의해서 역학적인 진동을 형성하는 것이다. 전종(電鍾)이나 전화수신기에서는 자성합금을 전자석으로 끌어당겨서 소리를 발생시킨다. 자기장 내에서 교류 전류가 흐르는 전선의 움직임이 라디오나 텔레비전 등에 사용하는 스피커에서 전기역학적인 음원으로 이용된다. 이런 것들은 전기음향 기구라고 하는데 이는 전기적인 진동을 막대·막(膜)·진동판(振動板) 등을 이용하여 기계적인 진동으로 변환을 시켜주기 때문이다. 자기변형 음원은 자성고체를 강도가 변하는 자기장내에 두어 이때 자성고체의 크기가 변화하는 성질을 이용한다. 압전(壓電)음원에서는 수정과 같은 여러 가지의 결정에 전기장을 걸어서 전기장의 강도를 변화시키면 결정의 크기가 변하는 성질을 이용한다. 이와 같은 음원은 대개 변환기라고 부르는데 이것은 어떤 진동 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환을 시켜주기 때문이다. 이와 같은 기구는 음원으로뿐만 아니라 소리를 검출하는 데도 적절하다. 유기물질이 급격하게 연소하여 생기는 폭발에서는 소리가 소음의 형태로 생성되는데 이와 같은 예는 내연기관에서 볼 수 있다.

앞에서는 음원이 매질에 대해서 상대적으로 정지해 있다고 묵시적인 가정을 했다. 비행기·잠수함·미사일과 같이 음원이 운동을 하면 도플러 효과에 의해 수신되는 음높이가 변하게 된다. 예를 들어 수신자가 정지해 있고 음원이 운동할 때 음원이 수신자로부터 멀어지는 경우에는 수신자가 듣는 소리의 진동수가 음원이 발신하는 진동수보다 작은 값을 가지며 음원이 가까워지는 경우에는 수신되는 진동수가 원래보다 증가한다 (→ 색인 : 도플러 효과). 따라서 송신진동수와 수신진동수를 알면 음원의 반지름 방향 속도를 알 수 있는데 이것은 소나와 같이 군사용으로 중요한 의미를 갖는다. 음향학을 군사용으로 응용하는 중요한 분야로는 지상이나 수중에서 먼 거리에 있는 물체를 검출하는 것이다. 먼 거리에 있는 물체에서 나오는 음파를 이미 알고 있는 간격으로 배치된 3개 이상의 마이크에서 수신할 때, 공기 중에서의 음파의 속도와 음파가 각각의 마이크에 도달한 시간을 측정하면 음원의 방향과 거리를 알 수 있다. 이것이 음파를 이용한 거리 측정의 기본원리이다.

수중에 있는 물체에서 발생하는 음파를 수동적으로 검출하는 것은 공기 중에서 음파를 이용하여 거리를 측정하는 것과 근본적으로 같은 원리이다. 일반적으로 소나라고 하는 능동탐지방법을 이용한다. 능동탐지법에서는 음파를 펄스의 형태로 하여 수중을 수평방향으로 훑는데, 음파가 고체 물체에 충돌하면 반향이 생기므로 물체에 대한 정보를 알 수 있다. 물체와의 거리는 수중에서의 음속을 이용하여 구하는데 이것은 레이더와 유사한 원리이다. 압전소자를 사용하는 변환기의 크기가 충분히 크지 않기 때문에 날카로운 음파의 빔을 얻기 위해서는 상당히 진동수가 높은 음파를 이용해야 한다. 소리는 소리 수신기에 의해서 검출(즉 인간이나 다른 생물이 인식할 수 있는 형태로 변환됨)된다. 정상적인 인간의 귀로는 강도가 10^－10W/m 정도의 낮은 소리도 들을 수 있다. 현재 마이크로폰이라는 용어는 소리를 탐지할 때 사용하는 모든 형태의 전기 음향 변환기를 일컫는다. 전기음향적인 마이크로폰은 소리에 의해서 생긴 압력 변화를 교류전류로 변환시키게 되고 이를 증폭하면 오실로그래프 상에서 음파의 형태를 볼 수 있다. 마이크로폰에 의해서 공기 내의 음압변화가 전기적인 파동으로 변환하는 과정은 동시에 발생하는 2가지의 과정으로 이루어져 있다. 우선 진동판 표면에 충돌하는 음파에 의해서 막이 공기 입자의 운동에 따라 앞뒤로 움직이게 된다. 그다음에 진동판의 운동에 의해서 전류가 생성된다. 소리크기는 인간의 귀로써 느끼는 소리의 특성인데 음파의 에너지 강도와 같이 간단한 문제가 아니다. 소리크기는 기준 음의 강도를 청취자가 같은 세기로 느낄 때까지 변화시켜서 결정한다. 이때 기준 음이 최저 가청역에서부터 증가된 양을 ㏈로 나타낸 것을 소리크기의 정도(loudness level)라고 한다. 2개의 귀를 이용하여 듣는 소위 입체효과에 의해서 음원의 방향을 검출할 수 있는데 이와 같은 효과는 음파가 양쪽 귀에 도달하는 강도의 차이에 의해서뿐만 아니라 양쪽 귀에 도달하는 음파의 위상차이에 의해서도 결정된다. 사실 이와 같은 방향효과보다 더 중요한 것은 입체효과에 의해서 상이한 소리를 서로 구분하는(예를 들어 잡음과 의미가 있는 음성을 구분하는 것과 같이) 것이다. 의미가 있는 소리와 소음의 차이는 양 귀에 도달하는 시간의 차이에 의해서 생기는 것으로 생각되는데 이 차이를 이용하여 신경계가 필요한 구분을 하는 것으로 생각된다.

강당·법정 또는 그외의 생활공간에서 청중들이 연설이나 음악을 잘 들을 수 있게 하는 데는 4가지 선결요건이 있다. 즉 음악이나 연설을 명료하게 인식하는 데는 우선 정숙해야 하고 소리의 크기 및 분포가 적절해야 하며 소리가 적절하게 조화되어야 한다. 음원이 밀폐된 공간에 있으면 어느 지점에서의 소리의 강도는 음원에서 직접 도달하는 소리와 방의 벽면에 의해서 반사된 소리에 의해서 결정된다.