소리, 주파수 및 음향 스펙트럼에 대한 소개.

초음파에 대해 배우기 전에 먼저 소리 자체에 대한 기본적인 이해가 필요합니다. 우리 대부분은 매 순간 수많은 소리를 듣지만, 그 모든 소리가 어떻게 상호작용하는지 설명할 수 있는 사람은 드뭅니다.

간단히 말해, 소리는 공기 분자의 진동입니다 (그래서 우주에는 소리가 없는 것입니다!). 물체가 진동하면 주변의 공기 분자들이 움직입니다. 이 분자들은 옆 분자와 부딪히고, 이러한 과정이 계속 반복됩니다. 이렇게 해서 공기를 통해 전달되는 진동파가 생성되는데, 이것이 우리가 소리로 인지하는 것입니다. 공기 자체가 소리 파동과 함께 완전히 이동하는 것은 아닙니다. 오히려 각 공기 분자는 정지점에서 멀어지지만 결국에는 다시 그 위치로 돌아옵니다. 소리가 생성되는 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 진동원

2. 파동 전파(매질, 즉 공기 분자를 통한 에너지 전달).

3. 생물학적 탐지(고막)

우리가 소리를 들을 때, 우리의 귀는 공기를 통해 전달되는 압력파를 감지합니다. 초당 압력파 진동 횟수를 주파수라고 하며, 헤르츠(Hz) 단위 로 측정합니다(1Hz = 초당 1회 진동). 이 압력파는 외이로 들어가 고막을 진동시킵니다. 외이에서 모인 음파는 내이로 전달되어 전기 신호로 변환됩니다. 이 신호는 뇌로 전달되어 우리가 인식하고 들을 수 있는 소리로 해석됩니다.

음향 스펙트럼

인간의 가청 범위 , 즉 우리가 들을 수 있는 소리의 주파수 범위는 20Hz에서 20kHz(20,000Hz)입니다. 주파수는 음높이 와 직접적인 관련이 있으므로 20Hz의 소리는 매우 낮은 음높이(예: 저음)를 갖습니다. 가청 범위의 반대쪽 끝은 기술적으로 20kHz이지만, 대부분의 성인은 이 근처의 소리를 듣는 데 어려움을 겪습니다. 날카로운 휘파람 소리조차도 주파수는 10kHz에 불과합니다. 데시벨 (dB)은 소리를 측정하는 또 다른 주요 단위입니다. 주파수와 음높이가 초당 진동 횟수와 관련이 있는 반면, 데시벨은 음압파의 강도/크기 또는 진폭과 관련된 독립적인 측정 단위입니다. 방금 살펴본 것처럼 가청 범위는 우리가 들을 수 있는 음파를 포함합니다. 하지만 세상에는 우리가 들을 수 없는 많은 소리가 있습니다. 음향 스펙트럼은 기계적 진동과 파동으로 매질을 통해 전달될 수 있는 모든 음파 주파수 범위를 나타냅니다. 음향 스펙트럼은 일반적으로 네 가지 주요 주파수 대역으로 나뉩니다.

• 초저주파: 20Hz 미만. 사람이 들을 수 없을 정도로 낮은 주파수이지만, 물리적으로는 느낄 수 있습니다.

  • 예: 멀리 떨어진 화산이나 지진의 굉음.

• 가청 주파수: 20Hz ~ 20kHz. 인간의 표준 가청 범위에 속하는 주파수입니다.

  • 예: 목소리, 음악, 자동차 등

• 초음파: 20kHz에서 최소 100kHz까지. 이는 인간의 가청 범위를 훨씬 벗어납니다.

  • 예: 가스, 전기 및 기계적 문제, 동물의 초음파 탐지.

• 초음속: 10^13 Hz (10,000,000,000,000 Hz).

  • 고전적인 음파 이론이 더 이상 적용되지 않기 시작합니다. 이는 우리의 관심 범위를 훨씬 벗어나는 문제입니다.

주파수 대 진폭

우리는 가청 범위 밖의 소리는 들리지 않기 때문에 데시벨이 없다고 생각할 수 있습니다. 하지만 소리를 들을 수 있는지 여부를 결정하는 주요 요인은 주파수라는 점을 기억해야 합니다. 음향 스펙트럼 전체에 걸쳐 모든 소리가 데시벨을 생성할 수 있습니다. 큰 소리가 청력을 손상시킬 수 있다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 콘서트, 폭발음 등 90dB 이상의 소음은 장기간 노출될 경우 청력 손상 위험이 높습니다. 그런데 초음파와 같은 다른 음향 범위의 소리도 데시벨을 생성한다는 사실을 방금 알게 되었습니다. 이러한 소리는 청력을 손상시키지는 않지만, 들리지 않는 부작용을 일으킬 수 있습니다. 초저주파 영역의 소리는 불안감이나 메스꺼움을 유발할 수 있으며, 많은 초음파는 두통, 현기증, 귀 압박감을 유발할 수 있습니다. 실제로, 극도로 높은 진폭(약 180dB)의 초음파는 심각한 내부 장기 손상을 일으킬 수 있지만, 우리는 아무것도 듣지 못할 것입니다. 주파수와 해당 Hz는 객관적으로 들리는 소리를 분류하는 기준이 아니라는 점을 명심해야 합니다. 박쥐는 약 1kHz에서 200kHz가 넘는 주파수 대역의 소리를 들을 수 있습니다. 박쥐의 가청 범위는 초음파 영역까지 포함하는 반면, 인간은 초음파 영역을 포함하지 않습니다. 인간은 반향정위와 같은 시각적 기법을 사용해야 하지만, 박쥐와 돌고래는 초음파 주파수를 청각적으로 듣습니다.

축하합니다! 소리, 주파수, 그리고 음향 스펙트럼에 대한 입문 과정을 수료하셨습니다!