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소리의 회절 (Diffraction of Sound)
소리의 회절은 소리의 파동이 장애물 또는 주변을 따라 퍼져나가는 현상이다. 파동이 장애물을 만나 진행방향이 휘어질 때, 장애물의 크기와 파동의 파장은 이 회절 현상의 정도에 큰 영향을 준다.
파장이 장애물의 크기에 비해 길면, 회절이 더욱 두드러지게 발생한다. 즉, 파장이 크고 장애물의 크기가 작을수록 파동은 장애물 주변으로 더 넓게 퍼져나가게 된다. 그 결과, 원래는 직선으로 전파되던 파동이 장애물을 중심으로 반원 형태로 확산될 수 있다.
예를 들어, 일상생활에서 벽 뒤에서 나는 소리가 들리는 이유는 회절 현상 때문이다. 주파수가 낮은 소리(저음)는 장애물을 더 잘 따라 회절되므로, 벽 너머의 낮은 소리(쿵쿵대는 발소리 등)가 더 잘 들린다는 것을 경험할 수 있다. 또한, 문을 닫고 인접한 방에서 큰 소리로 음악을 듣는 경우, 베이스나 드럼 같은 저음 부분이 벽을 통과해서 더 잘 들리는 경우가 많다.
주파수는 파장 길이에 반비례 하므로, 낮은 주파수는 높은 주파수에 비해 회절이 잘 된다.
소리의 굴절 (Refraction of Sound)
굴절은 소리 파동이 매질과 매질의 경계에서 방향을 바꾸는 현상을 의미한다. 이 현상은 매질의 속도 차이로 인해 발생하며, 소리의 속도는 매질의 밀도, 온도, 습도 등에 따라 달라진다. 또한, 매질 간에 음속 차이가 클수록, 높이에 따른 풍속 차이가 클수록 굴절도 커진다.
소리는 다양한 매질에서 다른 속도로 전파된다. 예를 들어, 공기에서의 소리의 속도와 물에서의 소리의 속도는 다르다. 음속이 크게 달라지는 경계에서 소리 파동이 굴절된다. 매질 간에 음속 차이가 크면 굴절의 정도도 커진다.
대기에서는 높이에 따라 온도나 풍속이 변할 수 있다. 이러한 변화는 음속에도 영향을 미친다. 따라서 높이에 따른 풍속이나 온도의 차이로 인해 소리의 속도가 변하면, 그에 따라 소리 파동이 굴절될 수 있다. 특히 풍속 차이가 크면 굴절의 정도도 커지게 된다.
이와 같은 원리로, 저녁 시간에 바닷가에서 멀리서 들려오는 소리가 평소보다 더 잘 들릴 수 있는데, 이는 대기의 온도 및 풍속 변화 때문에 소리의 굴절이 발생하기 때문이다.
소리는 온도가 낮은 쪽으로, 음속이 낮은 쪽으로, 바람이 불어가는 쪽으로, 밀도가 높은 쪽으로 굴절된다.
스넬의 법칙(Snell’s law)
스넬의 법칙은 굴절에 관한 법칙으로, 빛 (또는 다른 전자기파)이 서로 다른 두 매질의 경계에서 굴절될 때 그 각도를 설명한다. 이 법칙은 굴절된 빛의 방향과 입사한 빛의 방향 간의 관계를 정량적으로 나타내준다.
스넬의 법칙은 다음과 같은 수식으로 표현된다: n₁ × sin(θ₁) = n₂ × sin(θ₂)
여기서:
- n₁은 첫 번째 매질의 굴절률이다.
- n₂는 두 번째 매질의 굴절률이다.
- θ₁은 첫 번째 매질에서 빛의 입사각이다.
- θ₂은 두 번째 매질에서 빛의 굴절각이다.
예를 들어, 공기에서 물로 빛이 들어올 때, 빛은 물에서의 속도가 더 느리므로 굴절되게 된다. 이때 스넬의 법칙을 사용하면 빛이 굴절될 때의 정확한 각도를 계산할 수 있다.
스넬의 법칙은 빛 뿐만 아니라 다른 파동(소리)에 대해서도 적용될 수 있으나, 흔히 빛에 관한 문제에서 주로 사용된다.
소리의 반사 (Reflection of Sound)
소리의 반사는 소리 파동이 장애물에 부딪혀 다른 방향으로 돌아가는 현상을 말한다. 이 현상은 우리의 일상생활에서 에코 현상으로 경험된다. 예를 들어, 산이나 큰 건물 근처에서 소리를 지르면 그 소리가 반사되어 다시 들릴 때가 있다.
이러한 반사 현상은 음향 설계에서 중요한 역할을 한다. 흡음률이 낮은 장애물을 만날수록 반사가 잘 일어난다. 따라서, 공연장이나 강당에서는 소리의 반사와 흡수를 적절히 조절하여 최적의 음향 환경을 제공하기 위해 많은 노력이 기울여진다.
반사될 때 파동의 위상은 보통 반대로 뒤집어진다. (굴절은 뒤집히지 않음)