진동과 소리

 소리란, 인간의 귀가 감지해 낼 수 있는 어떤 압력의 변화라고 정의 할 수 있다. 즉, 공기 중에서 어떤 압력의 변화가 일어나서 이것이 인간의 귀(내이(Inner ear):인간의 귀는 외이, 중이, 내이로 구성되어 있다)에 진동을 전달하여 인간이 소리를 듣게 된다.
일반적으로 소리는 진동하는 물체에서 발생하게 된다. 예를 들어 북을 생각해 보자. 북을 두드리면 북의 가죽이 진동을 하게되고 이 진동에 따라 북 주위의 공기가 가죽과 함께 움직이게 된다. 이에 따라 공기가 압축과 팽창을 반복(압력의 변화)하게 되고 따라서 소리가 발생하는 것이다. 여기서 한가지 의문이 생긴다. 그럼 진동하는 모든 것은 소리를 낼까?

 
 왼쪽의 그림은 지름이 수밀리미터의 금속막대로 된 소리굽쇠이다. 이것은 기타나 바이올린을 조율할 때 기준 소리를 얻기 위해서 자주 쓰인다. 그러나 소리굽쇠는 그 자체로는 소리가 거의 나지 않으므로 그림의 A를 두드려 귀를 가까이 대거나 입으로 물어서 소리를 듣는다. 다른 방법으로 진동하는 소리굽쇠의 B 부분을 테이블과 같은 다른 물체에 접촉시켜 전달되는 소리를 통하여 소리를 들을 수도 있다. 그렇다면 소리굽쇠의 경우 A 부분을 두드리면 소리굽쇠가 공기중에서 진동을 하는데도 왜 자체적으로는 소리가 나지 않고 테이블과 같은 면에 접촉시켜야만 소리가 나는 것일까?
그 해답은 진동하는 물체의 면적(단면적)에 있다.

 무더운 여름날 우리는 부채를 사용하면 시원한 바람을 만들 수가 있다. 그러나 만약 그 부채의 단면적이 소리굽쇠처럼 매우 작다고 가정해 보자. 이 작은 부채의 경우 바람은 잘 생겨나지 안을 것이다. 이처럼 단면적이 작은 소리굽쇠가 천천히 진동하는 경우 공기의 압축과 진동이 잘 생겨나질 않는다. 어느 순간 한쪽으로 압축된 공기는 금방 압력이 낮은 쪽으로 이동해 버리기 때문이다.

 이에 비해 큰 물체가 빠르게 진동하는 경우는 사정이 다르다. 압축된 공기가 압력이 낮은 쪽으로 이동하기 전에 전동하여 팽창하기 때문에 공기의 압축과 팽창이 계속 반복된다. 결론적으로 진동하는 물체에서 소리가 나려면 진동수(주파수) 또는 소리의 파장과 물체의 크기가 상대적으로 맞아야 한다는 것이다.

 예를 들어 어떤 물체에서 저음을 내려고 할 때, 천천히 진동시키면 물체의 크기가 작은 경우에는 앞에서 얘기한 것과 같은 이유로 소리가 잘 나지 않는다. 그러나 물체가 아무리 작아도 아주 빠르게 진동하면 소리가 발생하며, 또한 고음을 낼 수 있다. 어것은 스피커를 보면 잘 알 수 있는데, 저음용 우퍼 스피커의 경우 그 진동면이 고음용 트위터 스피커의 것 보다 크다.