소리
20 °C 공기에서 소리는 1초에 약 343 m를 가므로 번개가 친 지 3초 뒤에 천둥이 들리면 번개는 약 1 km 떨어진 곳에 친 것입니다.
공기 속의 압력파
북 가죽이 바깥으로 움직이면 바로 옆에 있는 공기를 누르고, 다시 안으로 돌아가면 그 자리에 압력이 조금 낮은 곳을 남깁니다. 이렇게 눌리고 늘어나는 상태가 분자에서 분자로 차례로 전해지며 종파가 됩니다. 이것이 소리입니다. 여러분의 귀 옆에 있는 공기가 북에서부터 여러분에게 날아오는 것이 아닙니다. 공기는 아주 조금씩 앞뒤로 움직일 뿐이고, 압력의 무늬만 계속 앞으로 나아갑니다. OpenStax 교재에 따르면, 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리에서는 공기 분자가 분자 지름 하나보다도 작은 거리만큼만 앞뒤로 오갑니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
소리는 얼마나 빠를까요?
불꽃놀이를 보면 소리가 전해지는 데 시간이 걸린다는 것을 알 수 있습니다. 번쩍이는 불빛이 먼저 보이고, 펑 하는 소리는 그보다 나중에 들립니다. OpenStax 교재에 따르면 공기 속 소리의 속력은 0 °C에서 331 m/s, 20 °C에서 343 m/s이고, 해수면 공기에서는 v = 331 m/s × √(T / 273 K)라는 식이 성립합니다(T는 켈빈 온도). 공기가 따뜻할수록 분자가 더 빨리 움직이고, 그래서 미는 힘을 이웃 분자에게 더 빨리 넘겨줍니다. 하지만 그 효과는 그리 크지 않습니다. 공기가 0 °C에서 20 °C로 따뜻해져도 소리의 속력은 4%도 늘지 않습니다. 343 m/s라는 값에서 쓸모 있는 어림셈이 하나 나옵니다. 소리가 1 km를 가는 데는 약 3초가 걸립니다. 그러니 번개가 친 뒤 천둥이 들릴 때까지 몇 초인지 세면 번개까지의 거리를 알 수 있습니다.
소리는 공기 속보다 액체와 고체 속에서 더 빠르게 나아갑니다. 액체와 고체는 공기보다 훨씬 누르기 어렵기 때문입니다. 소리의 속력은 물질이 얼마나 단단한지, 그리고 밀도가 얼마나 큰지에 달려 있습니다. 물질이 단단할수록 소리가 빠르고, 단단함이 비슷하다면 더 가벼운 물질에서 소리가 더 빠릅니다. OpenStax 교재는 여러 가지 물질에서 소리의 속력을 표로 보여 줍니다. 느린 쪽에서는 고무가 예외입니다. 고무는 아주 물렁하기 때문입니다.
| 매질 | 소리의 속력(m/s) |
|---|---|
| 공기, 0 °C | 331 |
| 공기, 20 °C | 343 |
| 헬륨, 0 °C | 965 |
| 민물, 20 °C | 1480 |
| 바닷물, 20 °C | 1540 |
| 강철 | 5960 |
| 가황 고무 | 54 |
음높이, 들을 수 있는 범위, 메아리
소리의 진동수는 우리 귀에 음높이로 들립니다. 청력이 좋은 사람은 대개 약 20 Hz에서 20 000 Hz까지 들을 수 있습니다. 이 범위보다 높은 소리를 초음파라고 부르고, 이보다 낮은 소리는 초저주파라고 부릅니다. 귀에 들리는 범위 안에서는 소리의 속력이 진동수에 거의 영향을 받지 않습니다. OpenStax 교재는 행진하는 악대를 예로 들어 이것을 설명합니다. 높은 음이 낮은 음보다 빨리 간다면 멀리 있는 사람에게는 음악이 박자가 어긋나 들려야 하는데, 실제로는 그렇지 않습니다.
소리는 단단한 면에 부딪히면 반사되고, 그렇게 되돌아온 소리가 메아리입니다. 절벽 앞에서 손뼉을 치고 2초 뒤에 메아리를 들었다면 소리가 갔다가 돌아온 것이므로 절벽까지의 거리는 343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 m입니다. 박쥐는 메아리를 써서 벌레를 찾아내고, 병원의 초음파 검사는 아주 높은 진동수 소리가 몸속에서 되돌아오는 메아리를 씁니다. 귀에 들리는 소리의 파장은 몇 cm에서 몇 m까지이므로 소리는 문간이나 모퉁이를 돌아서도 퍼집니다. 그래서 옆방에 있는 사람이 보이지 않아도 그 사람의 목소리는 들을 수 있습니다.
소리의 세기와 데시벨
소리가 얼마나 크게 들리는지는 파동의 세기(intensity)를 따릅니다. 세기는 파동이 1 m²의 넓이를 지나며 실어 나르는 일률입니다. 우리 귀가 다루는 세기의 범위는 엄청나게 넓습니다. 1000 Hz에서 가장 작게 들리는 소리의 세기는 약 10⁻¹² W/m²이고, 몇 초 만에 청력을 다치게 하는 소리는 그보다 약 10¹²배 셉니다. 이런 수를 다루기 쉽게 하려고 우리는 데시벨 눈금 β = 10 log₁₀(I / I₀)를 씁니다(I₀ = 10⁻¹² W/m²). 세기가 10배가 될 때마다 데시벨 값은 10 dB씩 오르고, 세기가 2배가 되면 약 3 dB 오릅니다. OpenStax 교재는 보통 대화를 약 60 dB, 시끄러운 록 공연을 고통을 느끼기 시작하는 약 120 dB로 적습니다. 교재 각주에는 여러 정부 기관과 보건 단체가 귀마개 없이 하루 8시간 동안 85 dB를 넘지 않도록 권한다는 내용이 있습니다.
- v = 331 m/s × √(T/273 K)를 쓰세요. 30 °C(303 K)에서 소리의 속력은 얼마일까요? 소수 첫째 자리까지 쓰세요.
- 번개를 보고 6.0초 뒤에 천둥을 들었습니다. 소리의 속력을 343 m/s로 두면 번개는 몇 km 떨어진 곳에 쳤을까요? 소수 둘째 자리까지 쓰세요.
- 절벽 앞에서 손뼉을 치고 2.0초 뒤에 메아리를 들었습니다. 소리의 속력은 343 m/s입니다. 절벽은 몇 m 떨어져 있을까요?
- 다음 중 소리가 가장 빨리 나아가는 곳은 어디일까요?
- 강철
- 민물
- 20 °C 공기
- 헬륨
- 우주 비행사들이 빈 우주 공간을 사이에 두고 소리쳐도 서로 들리지 않는 까닭은 무엇일까요?
- 소리에는 지나갈 매질이 필요해서
- 우주에서는 소리가 너무 빨라서
- 우주가 너무 추워서
- 목소리가 너무 높아서
- 90 dB 소리는 60 dB 소리보다 세기가 몇 배일까요?
- 1000배
- 30배
- 3배
- 1.5배
- 똑같은 스피커 두 대가 같은 소리를 내서 세기가 2배가 되었습니다. 소리 수준은 약 얼마나 오를까요?
- 3 dB
- 10 dB
- 2 dB
- 20 dB
- 20 °C(343 m/s)에서 사람이 들을 수 있는 가장 낮은 소리인 20 Hz의 파장은 몇 m일까요? 소수 첫째 자리까지 쓰세요.
- 소리의 어떤 성질이 음높이로 들릴까요?
- 진동수
- 진폭
- 속력
- 온도
- 공기 속을 지나는 소리에서 공기 분자는 어떻게 움직일까요?
- 진행 방향을 따라 앞뒤로 움직임
- 소리 나는 곳에서 귀까지 날아감
- 진행 방향과 직각으로 위아래로 움직임
- 전혀 움직이지 않음
- 소리는 종파인 압력파이며 매질이 필요합니다.
- 공기에서 0 °C 331 m/s, 20 °C 343 m/s이고 v = 331 √(T/273 K)입니다.
- 액체와 고체에서 더 빠릅니다: 물 1480 m/s, 강철 5960 m/s.
- 들리는 범위는 약 20 Hz~20 000 Hz입니다. 10 dB 오르면 세기 10배, 3 dB 오르면 약 2배입니다.
이 과정의 출처 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
확인한 날: 2026-10-17