1. 파동
물체가 외력을 받아 평형 위치에서 일정한 시간 간격으로 반복되는 운동을 진동이라고 한다. 이러한 진동이 물질을 통해 주위로 퍼져나가는 현상을 파동이라고 한다. 파동이 진행할 때 매질은 제자리를 중심으로 진동하고, 파동을 따라 이동하는 것은 에너지이다. 소리도 물체의 진동으로 발생하고 매질의 진동으로 인해 전달되는 파동의 한 종류이다. 악기를 연주할 때 악기가 진동하면서 소리가 나고, 이 진동이 이웃한 공기를 진동시켜 에너지가 주변 공기를 진동시키면서 우리 귀까지 전달되는 것이다. 소리가 전달될 때 소리를 전달해 주는 물질을 매질이라고 한다. 현악기에서 팽팽한 줄의 한 곳을 튕길 때 줄이 흔들리면서 줄을 따라 진행해 나가는 파동이 생긴다. 이때 줄은 매질의 역할을 한다. 또한 잔잔한 연못에 돌을 던졌을 때 물 표면에 물결파가 생긴다. 이 경우는 물이 매질 역할을 한다. 이와 같이 어떤 매질을 통하여 파동이 전달될 때 역학적 파동이라고 한다. 그런데 파동 중에 매질이 없이 전파되는 파동도 있다. 전파와 빛은 공기가 없는 진공 중에 매질 없이 자기장과 전기장이 서로를 유도하며 진행하는 파동으로, 이를 전자기파라고 한다.
2. 파동의 표현
어느 순간의 위치에 따른 파동의 모양에서 파동의 가장 높은 곳을 마루라고 하고, 가장 낮은 곳을 골이라고 한다. 진동의 중심에서 마루 또는 골까지의 거리를 진폭이라고 한다. 골과 골
사이 또는 마루와 마루 사이의 거리를 파장이라고 하며, 파장은 파동이 한 번 진동하는 동안 전파되는 거리이다. 파동의 어느 한 점이 1초 동안 진동하는 횟수를 진동수라고 하고, 매질이 한 번 진동하는 데 걸리는 시간을 주기라고 한다.
3. 소리가 발생하는 원리
소리는 기체의 흐름이나 물체의 떨림으로 발생하는 파동이다. 소리가 나는 물체들을 살펴보면, 트라이앵글은 트라이앵글이 떨리면서 소리가 나며, 스피커는 진동판이 떨리면서 소리가 난다. 소리는 여러 가지 방법으로 물체를 떨리게 해서 낸다. 물병을 막대기로 두드려 소리를 내거나 유리병을 불어 소리를 낼 수도 있고, 기타와 같이 줄을 퉁겨 소리를 내거나 유리컵에 물을 넣고 손가락으로 문질러 소리를 낼 수도 있다. 이처럼 두드리기, 불기, 퉁기기, 문지르기 등의 여러 가지 방법으로 물체를 떨리게 하여 소리를 낼 수 있다.
4. 눈으로 볼 수 있는 디지털 종소리
국립대구과학관은 성덕 대왕 신종이 울리는 소리를 디지털로 변환하여 종을 칠 때 나는 것과 같은 소리를 만들었다. 종각에 설치된 스피커에서 종소리가 울릴 때, 종 몸체와 종각 바닥에 발광 다이오드를 설치하여 종소리의 파동을 시각적으로 전달할 수 있도록 하였다.
5. 소리의 세기
소리의 세기는 매질인 공기 분자가 얼마나 크게 진동했는지를 나타내며, 음파의 진폭에 따라 달라진다. 크게 진동하는 물체는 주변의 공기를 크게 떨리게 진동시켜서 진폭이 큰 음파를 만들게 된다. 예를 들어 평소에 말을 할 때 에너지를 많이 사용해서 이야기하면 소리의 진폭이 커지므로 목소리도 커진다. 반대로 에너지를 작게 사용하여 이야기하면 소리의 진폭이 작아지므로 목소리도 작아진다.
6. 우리 주변의 높은 소리와 낮은 소리
화재 비상벨은 높은 소리로 사람들에게 비상 상황이나 긴급 상황을 알려 준다. 뱃고동은 배가 지나가고 있다는 신호를 멀리까지 보내기 위해 낮은 소리를 사용한다. 합창은 소프라노, 알토, 테너, 베이스와 같은 여러 가지 높낮이의 소리가 어우러져 아름다운 소리를 낸다.
7. 소리의 높낮이
소리의 높낮이는 매질인 공기 분자가 얼마나 자주 흔들렸는지를 나타내며, 음파의 진동수에 따라 달라진다. 진동수가 큰 경우에는 높은 소리가 나고, 진동수가 작은 경우에는 낮은 소리가 난다. 파동의 속력이 같을 때, 진동수가 작으면 파장은 길고, 진동수가 크면 파장은 짧아진다. 따라서 같은 조건에서 높은 소리는 파장이 짧고, 낮은 소리는 파장이 길다. 일반적으로 여자보다 남자가 더 낮은 소리를 내는 것은 남자의 목소리가 여자보다 진동수가 작기 때문이다.
8. 소리의 전달과 빠르기
소리는 고체, 액체, 기체 상태의 매질을 통해 전달되지만, 대부분 기체를 통해 전달된다. 기체에서는 물체의 진동이 매질인 공기를 진동시키고 이 진동이 다시 이웃한 공기를 진동시켜 사방으로 퍼져나가며, 귀에서 이 공기의 진동을 느끼게 되어 소리를 듣게 된다. 소리는 매질을 통해 전달되므로 소리의 속력은 매질에 따라 다르다. 소리의 속력은 고체 › 액체 › 기체 순이며, 기체와 액체보다 고체에서 빠르다. 그 까닭은 고체 내의 분자들이 기체 내의 분자들보다 더 가까워 진동이 빠르게 일어나기 때문이다. 또한 같은 매질에서도 기체에서는 온도가 높을수록 소리의 속력이 빠르고, 같은 온도에서는 기체 분자가 가벼울수록 빠르다.
9. 과거부터 현재까지 소리의 전달
소리는 가장 편리한 정보 전달 수단이지만 도달 거리가 짧다. 옛날부터 사람들은 소리를 멀리까지 전달하기 위해 북이나 종 등을 사용하였다. 문명이 발달하면서 소리를 전달하는 통신의 중요성이 커져 전화기가 발명되었다. 초기의 자석식 전화기는 우리가 말을 하면 송화기에서 코일이 연결된 진동판을 진동시켜 유도 전류가 흐르게 되고, 이 전류가 수화기에서 다시 소리로 재생되는 원리였다. 이처럼 자석식 전화기는 전화선을 따라 상대에서 보내는 것이었기 때문에 먼 거리까지 통신할 수 없었다. 그 후 전기 신호를 선 대신 전파를 사용하여 소리를 멀리까지 전달하게 되었다. 현재 전화기는 무선 신호를 통해 음성뿐만 아니라 영상까지 전달되는 형태로 발달하였다.
10. 실 전화기의 소리가 잘 전달되는 조건
• 실이 팽팽할수록 실이 잘 떨려서 소리를 잘 전달할 수 있다.
• 실이 굵을수록 소리를 잘 전달할 수 있다.
• 실에 물을 묻히면 실 사이의 공간이 물로 채워져 실이 더 단단해져서 소리를 잘 전달할 수 있다.
• 실의 길이가 지나치게 길면 실의 떨림이 줄어들기 때문에 실의 길이가 짧을 때 소리가 전달될 수 있다.
• 실 전화기에서 종이컵 바닥과 실이 단단히 고정되어 있어야 실이 잘 떨려서 소리를 잘 전달할 수 있다.
11. 소리의 반사
한 매질에서 다른 매질로 소리가 진행할 때, 두 매질의 경계면에서 소리 일부는 처음 매질로 되돌아오고, 일부는 진행하는 방향이 꺾여서 다른 매질 속으로 진행하고 일부는 흡수되기도 한다. 이때 원래의 매질 속으로 되돌아오는 현상을 소리의 반사라고 한다.
12. 일상생활에서 소리가 반사되는 예
실내에서는 열린 공간과는 다르게 벽, 천장, 마루 등의 반사 요소가 많이 있다. 그 요소들에 의해 반사되는 소리를 반사음이라고 한다. 소리는 콘크리트로 지은 건물의 벽처럼 단단하고 평평한 곳에 부딪치면 일부는 벽을 지나가거나 흡수되지만, 대부분 소리는 반사되어 돌아온다. 학교 강당에서 입학식을 하거나 학예회를 할 때 직접 들리는 소리와 벽에서 반사되는 소리를 동시에 들을 수 있는 것도 이 때문이다.