1. 서론
소리는 우리가 사는 환경에서 결코 벗어날 수 없는 요소이다. 사람들이 대화하는데 사용되기도 하고, 좋은 화음으로 기분 좋게 하기도 하지만 한편으로는 층간소음으로 많은 분쟁이 발생하기도 한다.
그럼에도 공학분야에서 소리의 중요성은 그동안 많이 간과되어 왔다. 기계나 구조물 자체에 미치는 영향이 다른 하중에 비해 크지 않다고 여겨지기 때문이다. 하지만 최근 과학기술이 발전하면서 극도의 정교함을 요구하는 항공, 우주, 방위산업 분야에서 음향해석의 중요성이 대두되고 있다.
뿐만 아니라, 최근 정부에서 시행하는 층간소음 사후확인제로 많은 건설사들이 음향해석에 관심을 가지게 되면서, 소리의 전파 속성에 대한 깊이 있는 연구가 요구되고 있다.
2. 음향에 대한 주요 개념
2-1. 소리와 소음
소리는 압력의 변화를 야기하는 매질(Medium)의 진동으로 정의된다. 흔히 공기 중에서 우리가 듣는 소리는 공기라는 매질이 진동하면서 외이(External ear)를 통과하면서 인식된다. 외이를 통과한 공기의 진동은 내이(Internal ear)에서 증폭되고 그 진동이 신경에 자극을 가해 결국 우리가 소리로 인식한다.
소리와 소음은 물리적으로 동일하다. 하지만, 소음은 일반적으로 듣기 싫은 소리를 의미한다. 절대적으로 주관적이기 때문에 소리의 크기나 높낮이로 정의할 수는 없다. 층간소음의 경우는 40dB만 되어도 듣기가 싫은데, 클럽에서는 100dB이 넘어도 사람들이 좋아한다.
Fig1. 귀의 구조 [http://teachmeanatomy.info/head/organs/ear/external-ear]
2-2. Sound Pressure Level (SPL)
소리는 압력의 변화로 인식되기 때문에 기본적으로 Pascal의 단위를 사용한다. 그런데 사람의 귀는 매우 낮은 압력부터 매우 높은 압력까지 인식할 수 있기 때문에 일반적인 Pascal의 단위는 사용하기가 매우 불편하다.
즉, 건강한 사람이 20mPa 정도로 인식할 수 있는데, 록밴드 공연의 음압은 1,000,000mPa을 훌쩍 넘어간다. 게다가 내이(Internal ear)에서 압력이 증폭되기 때문에 엄밀히 말하면 압력과 소리 인식 간의 관계를 정확히 알기는 어렵다. 쉽게 말하면 2Pa의 음압이 1Pa보다 2배만큼 크게 들리지 않는다.
음압을 소리를 구분하는데 적용하기 위해 도입된 단위가 dB(데시벨)이다. 넓은 범위를 효율적으로 표현하기 위해 상용로그를 사용하고, 건강한 사람은 20mPa 이하는 거의 못 듣기 때문에 이를 기준으로 삼아서 상대적인 값을 적용한다. 이렇게 정해진 값을 Sound Pressure Level (SPL)이라고 하고, SPL에 따라 정해진 1dB은 식(1)과 같이 정의된다.
여기서, P : 압력, P0 : 기준 압력 (공기 중에서는 20mPa)
2-3. 주파수와 진폭
소리의 높낮이를 나타내는 톤(Tone)은 압력 변화가 얼마나 빠르게 일어나는 가로 인식된다. 즉, 높은 주파수에서는 높은 음의 소리가 나오고, 낮은 주파수에서는 낮은 음의 소리가 나온다. 주파수(Frequency)는 주기(Period)의 역수로서 그림2를 참고할 수 있다. 사람의 귀는 보통 20Hz에서 20kHz 사이를 들을 수 있다. 반면 소리가 강하거나 약하다는 것은 진동의 진폭(Amplitude)으로 결정된다.
Fig2. 진폭과 주기
2-4. 주파수밴드와 옥타브
소리를 측정하면 그림2와 같이 시간-진폭(압력)의 관계로 나오는데, 이를 쉽게 해석하기 위해 통상 퓨리에 변환(Fourier Transform)을 통해 주파수-진폭의 관계로 바꾼다. 그런데, 사람의 가청 주파수가 20Hz에서 20kHz이기 때문에, 1Hz 간격으로 주파수 분해를 하면 너무 복잡한 형태의 데이터가 도출될 수 있다.
사람의 귀는 1Hz 간격으로 발생하는 음의 높낮이를 인식할 만큼 민감하지 않기 때문에 소리의 높낮이를 효율적으로 구분하기 위해 목적에 맞게 적당한 간격으로 나누게 된다.
가청 주차수 대역을 10등분한 것을 1옥타브 밴드라고 부른다. 각 옥타브는 2개의 주파수 차이를 보인다. 좀 더 상세히 주파수 대역을 알기 위해 1/3 옥타브 밴드를 사용하기도 한다.
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