음파의 분석

야간에는 지표면에서 야간복사에 의해 열을 빼앗기어 냉각되기 때문에 그에 접하는 공기 의 온도가 하강하여 무겁게 되어 대류가 생기지 않아 바람이 약할 때는 기온은 상공이 높고 아래쪽이 낮은 온도경사가 생기며 이것을 기온의 역전(Inversion)이라 부른다.

음파의 전파방향을 표시하는 것을 음선(Sound Zones)이라 하는데 온도와 풍향에 따라 굴절한다. 주간의 경우 음선은 그림 1.20(b)에서 보는 바와 같이 상향으로 굴절하며 어느 거 리에서는 암역(Shadow Zones)이 생겨 음이 전파하지 않는다. 이 구역은 회절과 산란에 의 해 음이 어느 정도 전해지나 그 감쇠는 대단히 크다. 야간에는 음선이 그림 1.20(c)와 같이 하향 굴진하여 주간과는 반대로 아무 곳에도 암역이 생기지 않으므로 멀리까지 소리가 전달 된다. 이와 같이 온도구배에도 음의 굴절에 영향을 미친다. 즉, 음의 전파속도는 기온이 높 을수록 빠르게 된다.

바람이 불 때, 지표면 가까이는 점성저항 때문에 풍속이 낮고 상공으로 갈수록 풍속이 높 은 것이 보통이다. 음의 전파속도는 풍속과 벡터합이 되므로 그림 1.20(d)와 같이 바람이 불 어오는 방향의 음선은 상향굴절하고 바람이 불어가는 쪽에서는 음선이 하향 굴절한다. 따라 서 바람이 불어오는 방향에는 음이 전파하지 않는 암역이 생기나 바람이 불어가는 쪽에서는 암역이 생기지 않으므로 먼 곳까지도 잘 전달된다. 특히 바람이 불어가는 방향에 음의 집중 현상이 생기는 곳도 발생하게 된다. 이와 같이 바람구배(Wind Gradient)도 역시 굴절에 영 향을 미치게 된다.

소리가 지면에 연(沿)하여 전해지는 경우는 지표면의 음향 특성이나 요철의 영향을 받는 다. 지표면상에서 음을 방사할 때 지표면이 반사성일 때와 흡음성일 때 큰 차이가 있다. 특 히 흡음성 지표면상에서는 지표면 근방에서의 감쇠가 현저하다. 첫 눈이 쌓인 지표면은 흡 음성이 있으므로 지표면에 가까운 전파음은 감쇠가 크지만 차츰 굳어져 흡음성이 약하게 된 다. 비가 올 때는 빗방울의 충격에 의한 발생음이 생기고 암소음이 증대되는 데에 주의할 필요가 있다.

(1) 음의 세기 레벨(Sound Intensity Level)

음의 세기라는 것은 음파의 진행방향에 직각인 단위면적(1m²)을 1초간에 통과하는 에너 지의 양이다. 음의 세기를  라고 하면

    ^ 

^

  ⋅ ^ (1.32)

의 관계가 있다. 여기서  및  는 음압 및 입자속도로서 그 실효치 값을 나타내고 있다.

 를 음압의 실효치 또는 단순히 음압이라고 하며, 순음의 경우 음압진폭 ^_{  관계} 가 있다.

음의 세기레벨 _는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

_  







여기서,  는 음의 세기^이고 _는 기준음의 세기^{ }^를 나타내고 있다.

예를 들어 공기 중에서 피크 입자속도가  × ^{ }일 때 음의 세기 레벨을 구해 보자.

이 때 공기 밀도 및 음속은  ^ 및  라고 한다.

속도 실효치    ^

피크

  ×  × ^{ }    × ^{ } 

가 되므로 식 (1.32)에서

음의 세기 실효치    ^  ×  ×  × ^{ }^

  × ^{ }^ 로 된다. 따라서 음의 세기 레벨은

_   _

   



 × ^{ }



점음원의 경우 음의 세기는 거리에 따라 약해진다. 중심으로부터  만큼 이격된 거리의 구표면적 ^로 퍼져나갈 때 음원의 파워를  라고 하면 인 지점의 음의 세기는 다음과 같다.

  ^

 ^ (1.34)

이때 반구면일 경우 분모 ^은 ^으로 된다.

예로써, 출력 약 의 작은 음원이 단단하고 평탄한 지상에 있는 경우 음원으로부터 10m 이격된 지점에서의 음의 세기는

  ^

   × ^

   ^이다.

2) 음압레벨

음의 세기레벨과 음압레벨은 실제 의미상 같은 것으로 근래에는 주로 음압레벨로서 사 용하는 경우가 많으며 음압레벨의 표기 기호는 SPL 또는 _이다. 기준음의 세기는

_ ^{ }^를 취하고 있다. 이 세기는 대체로 귀의 감각으로 1,000Hz 부근의 최소 가정치와 거의 비슷한 값으로서 음압이 실효치는

_





가 되는데 이 값을 음압의 기준치로 한다.

음압의 제곱은 음의 세기에 비례하므로 음압레벨 _는 다음과 같이 정의된다.

_ 



^



^





여기서,  : 음압의 실효치

_ : 기준음압의 실효치 × ^{ }^  × ^{ }_

표 1.12 음압과 음압레벨과의 관계

음 압 음압레벨 음 원

6.32 110 오르막길 열차 근처

2.00 100 제병공장

0.632 90 완전한 심포니

0.200 80 자동차 내

0.0632 70 도시도로의 모퉁이

0.0200 60 대화

0.00632 50 일반사무실

0.00200 40 거실

0.000632 30 야간침실

표 1.12은 일상생활에 밀접한 음들의 음압 크기와 음압레벨의 관계를 나타내고 있다. 표 에서 음압이 10배수로 증가할 때마다 음압레벨은 20dB씩 증가함을 알 수 있다. 또 음압이 2배로 증가하면 음압레벨은 6dB 증가하고, 음압이 1/2로 되면 그 레벨은 6dB 감소한다.

음의세기가 10배수 증가할 때마다 음의 세기레벨은 10dB씩 증가한다. 또 음의 세기가 2 배로 증가하면 음의 세기레벨은 3dB 증가하고, 세기가 1/2로 되면 그 레벨은 3dB 감소한 다.