실 전화기

1. 개요

실 전화기는 소리를 전달하는 간단한 기계식 장치로, 주로 컵과 팽팽하게 연결된 실 또는 철사를 사용하여 작동한다. 17세기부터 존재했으며, 전자식 전화기 발명 이전에는 먼 거리에서 소리를 전달하는 데 사용되었다. 알렉산더 그레이엄 벨의 전화 특허 만료 후 경쟁에서 밀려 상업적으로 쇠퇴했지만, 교육용이나 놀이용으로 계속 사용되고 있다. 실 전화기는 컵의 재질, 실의 종류에 따라 음질이 달라지며, 끈의 꼬임이나 추가 컵을 통해 소리 전달 경로를 변경할 수 있다.

2. 역사

전자식 전화기가 발명되기 전, 전성관이나 다른 매질을 이용한 기계식 음향 장치가 통상적인 대화 거리보다 먼 곳까지 말이나 음악을 전달하는데 사용되었다. 영국의 물리학자이자 박식가인 로버트 훅은 1664년부터 1685년까지 팽팽한 철사를 이용한 소리 전달 실험을 진행했다. 훅은 1665년에 출판한 『미크로그라피아』 서문에서 이 실험을 소개하고 있다. 1667년에는 음향식 끈 전화기를 고안한 것으로 알려져 있다.

매우 유사한 음향식 깡통 전화기, '연인의 전화'도 수세기 동안 알려져 왔다. 두 개의 진동판을 팽팽한 끈이나 철사로 연결하여 기계적인 진동으로 소리를 전달한다. 종이컵 두 개, 금속 깡통, 플라스틱 병 바닥에 끈을 팽팽하게 고정시켜 만든 어린이 장난감은 고전적인 예시이다.

음향식 전화기는 알렉산더 그레이엄 벨의 전화 특허가 만료되기 전, 특허권이 없어 전자식 전화기의 틈새시장에서 상업적으로 판매되었다. 그러나 벨의 특허 만료 후 수십 개의 새로운 전화 회사가 시장에 등장하자 경쟁에서 밀려 폐업했다. 최대 범위는 제한적이었지만, 수백 개의 기술적 혁신(300여 개의 특허)으로 이상적인 조건에서는 약 800m까지 가능했다. 메사추세츠 주의 레무엘 멜렛이 소유했던 '펄션 전화 공급 회사'는 1888년 철도 우측에 설치하여 약 4.8km의 범위까지 가능했던 것으로 알려져 있다.

깡통이나 종이컵이 보급되기 수세기 전에도 다양한 재질의 컵을 사용한 "연인들의 전화"가 알려져 있었으며, 20세기에는 유치원과 초등학교에서 소리의 진동에 대한 교육 용도로 널리 사용되었다.

2.1. 초기 역사

전자식 전화기가 발명되기 전, 전성관이나 다른 매질을 이용한 기계식 음향 장치가 통상적인 대화 거리보다 먼 곳까지 말이나 음악을 전달하는데 사용되었다. 영국의 물리학자이자 박식가인 로버트 훅은 1664년부터 1685년까지 팽팽한 철사를 이용한 소리 전달 실험을 진행했다. 훅은 1665년에 출판한 『미크로그라피아』 서문에서 이 실험을 소개하고 있다. 1667년에는 음향식 끈 전화기를 고안한 것으로 알려져 있다.

매우 유사한 음향식 깡통 전화기, '연인의 전화'도 수세기 동안 알려져 왔다. 두 개의 진동판을 팽팽한 끈이나 철사로 연결하여 기계적인 진동으로 소리를 전달한다. 종이컵 두 개, 금속 깡통, 플라스틱 병 바닥에 끈을 팽팽하게 고정시켜 만든 어린이 장난감은 고전적인 예시이다.

음향식 전화기는 알렉산더 그레이엄 벨의 전화 특허가 만료되기 전, 특허권이 없어 전자식 전화기의 틈새시장에서 상업적으로 판매되었다. 그러나 벨의 특허 만료 후 수십 개의 새로운 전화 회사가 시장에 등장하자 경쟁에서 밀려 폐업했다. 최대 범위는 제한적이었지만, 수백 개의 기술적 혁신(300여 개의 특허)으로 이상적인 조건에서는 약 800m까지 가능했다. 메사추세츠 주의 레무엘 멜렛이 소유했던 '펄션 전화 공급 회사'는 1888년 철도 우측에 설치하여 약 4.8km의 범위까지 가능했던 것으로 알려져 있다.

깡통이나 종이컵이 보급되기 수세기 전에도 다양한 재질의 컵을 사용한 "연인들의 전화"가 알려져 있었으며, 20세기에는 유치원과 초등학교에서 소리의 진동에 대한 교육 용도로 널리 사용되었다.

2.2. 상업화와 쇠퇴

19세기 후반, 실 전화기는 특허 제약이 없는 틈새시장을 노려 상업적으로 판매되었다. 알렉산더 그레이엄 벨의 전화 특허가 만료된 후, 수많은 전화 회사가 등장하면서 경쟁력을 잃고 쇠퇴했다. 펄션 전화 공급 회사(Pulsion Telephone Supply Company) 등 일부 회사들은 기술 혁신을 통해 통화 거리를 약 4.8km까지 늘리기도 했다.

2.3. 한국에서의 실 전화기

한국에서는 실 전화기가 주로 교육용이나 놀이용으로 사용된다. 종이컵과 실을 이용하여 간단하게 만들 수 있어, 유치원이나 초등학교 과학 시간에 자주 활용된다. 19세기에도 소리의 정체를 보여주기 위한 실험 도구로서 실 전화기, 쇠줄 전화기는 사용되었다. 현대에도 과학 교재로 사용되는 경우가 있다. 일본에서는 20세기 후반 이후 종이컵, 플라스틱 컵과 연실로 만들어지는 경우가 많다. 와이어를 사용하는 국가 및 지역도 있다. 미국에서는 지금도 캔을 사용하여 만드는 것이 일반적이다.

3. 원리

음파는 사람의 말이나 다른 소리에 반응하여 공기가 진동하면서 생성된다. 듣는 사람의 귀는 이러한 음파를 수집하여, 신경충격으로 변환하는데, 이것을 뇌가 소리로 해석한다. 일반적으로 말은 공기로 전달되지만, 실전화기에서는 컵과 끈을 거치게 된다.

끈이 팽팽하게 당겨지고 한 쪽에서 캔에 대고 말할 때, 캔 바닥이 진동판으로 작용하여, 음파를 장력으로 바꾸는 기계적 진동으로 변한다. 이 장력의 변화는 두번째 캔으로 향하는 종파를 만들어내고, 두번째 캔의 아랫 부분에서 다시 진동으로 바뀌어 소리를 재현한다.

끈을 팽팽하게 당기고 누군가 캔 중 하나에 대고 말하면, 바닥이 진동판 역할을 하여 음파를 끈의 종 방향 기계적 진동으로 변환하여 끈의 장력을 변화시킨다. 이러한 장력 변화는 두 번째 캔으로 전달되는 끈에 종파를 생성하여 첫 번째 캔과 유사한 방식으로 바닥을 진동시켜 소리를 재현하고, 두 번째 사람이 듣게 된다.

마주보는 장치와 장치를 실이나 와이어로 일직선으로 연결하면, 경로의 물체는 종파를 전달한다。 송신 측과 수신 측 사이에서 전달될 때 발생하는 지연을 마이크로폰이나 컴퓨터를 이용하여 측정함으로써 경로 상에서의 전달 속도를 계산하거나, 경로의 물체의 움직임을 현미경으로 관찰하면, 종파가 전달되고 있는지 횡파가 전달되고 있는지를 판단할 수 있다。 고무 끈의 경우, 대면식으로는 소리가 전달되지 않는데, 장치와 장치를 나란히 놓고, 컵의 밑면에 나무 조각을 끼워서 (마치 기타의 너트(상현주)나 새들(하현주)로 기타의 현을 받치듯이) 지지하는 방식이면 소리가 전달되며, 이 경우 횡파와 종파가 합성된 파가 전달되고 있으며, 고무 끈의 횡파에 의해 소리가 전달되고 있다고 추측할 수 있다。

3.1. 전달 경로

실은 직선뿐 아니라 꼬인 고리나 추가 컵을 이용하여 방향을 바꿀 수 있다. 끈에 루프를 만들고 이를 꼬아서 다른 물체에 고정하거나, 모퉁이의 꼭짓점에 여분의 캔을 배치하고, 신호가 향할 물체와 접촉하지 않도록 끈을 캔 바닥을 통과시키는 방식으로 경로를 설정할 수 있다.

끈을 팽팽하게 당기고 누군가 캔 중 하나에 대고 말하면, 바닥이 진동판 역할을 하여 음파를 끈의 종 방향 기계적 진동으로 변환하여 끈의 장력을 변화시킨다. 이러한 장력 변화는 두 번째 캔으로 전달되는 끈에 종파를 생성하여 첫 번째 캔과 유사한 방식으로 바닥을 진동시켜 소리를 재현하고, 두 번째 사람이 듣게 된다.

마주보는 장치와 장치를 실이나 와이어로 일직선으로 연결하면, 경로의 물체는 종파를 전달한다。 송신 측과 수신 측 사이에서 전달될 때 발생하는 지연을 마이크로폰이나 컴퓨터를 이용하여 측정함으로써 경로 상에서의 전달 속도를 계산하거나, 경로의 물체의 움직임을 현미경으로 관찰하면, 종파가 전달되고 있는지 횡파가 전달되고 있는지를 판단할 수 있다。 고무 끈의 경우, 대면식으로는 소리가 전달되지 않는데, 장치와 장치를 나란히 놓고, 컵의 밑면에 나무 조각을 끼워서 (마치 기타의 너트(상현주)나 새들(하현주)로 기타의 현을 받치듯이) 지지하는 방식이면 소리가 전달되며, 이 경우 횡파와 종파가 합성된 파가 전달되고 있으며, 고무 끈의 횡파에 의해 소리가 전달되고 있다고 추측할 수 있다。

4. 재료와 음질

실 전화기나 철사 전화기의 음질은 주로 종이컵 바닥에 해당하는 진동판의 재질과 실의 재질에 따라 결정된다.

;진동판
진동판은 얇고 가벼우며 유연하고 진동하기 쉬워야 하며, 장력을 가한 실을 지탱할 수 있을 만큼 튼튼해야 한다. 또한, 실과 컵 바닥의 연결 부분에 유리 비즈를 묶어두면 더욱 진동이 잘 전달된다. 트레이싱 페이퍼 등은 구하기 쉬운 재료 중 뛰어난 특성을 가지고 있다고 할 수 있다.

;진동을 전달하는 와이어나 실
진동을 전달하는 물체는 가볍고 유연하며 진동 손실이 적은 것이 좋으며, 천연 섬유 중에서는 견사가 가장 좋다고 여겨진다. 또한, 나일론 등의 화학 섬유 사용도 유효하다. 종이컵의 원통 부분은 음성을 모아서 확산되지 않도록 하는 역할을 하며, 입에 대기 쉬운 형태가 요구되지만, 재질 자체는 크게 관계가 없다. 굳이 말하자면, 단단하고 진동 손실이 적은 재질이 바람직하다.

진동을 전달하는 물체로 무엇을 채택하느냐에 따라 소리가 들리는 방식이 달라진다.
* 철사 (철사 전화) - 철사를 사용하면, 목소리가 울려 들린다.
* 실 (실 전화) - 실의 재질에 따라 음질이 달라진다. 실에 늘어지는 성질이 있으면 소리가 감쇠되어 음량이 작아지는 경향이 있다.
* 풍선 (풍선 전화) - 가늘고 긴 풍선을 사용하면, 진동하는 모습을 잘 알 수 있다. 구부릴 수 있으므로, 자신의 목소리를 들을 수도 있다.
* 스프링 (스프링 전화) - 스프링을 사용하면, 에코가 걸린 것처럼 들린다. 원리로는 악기용 이펙터의 일종인 스프링 리버브의 응용이다.

4.1. 재료에 따른 소리 변화

진동을 전달하는 물체에 따라 소리가 들리는 방식이 달라진다.
* 철사(철사 전화): 철사를 사용하면 목소리가 울려서 들린다.
* 실(실 전화): 실의 재질에 따라 음질이 달라진다. 늘어지는 성질이 있는 실을 사용하면 소리가 감쇠되어 음량이 작아지는 경향이 있다.
* 풍선(풍선 전화): 가늘고 긴 풍선을 사용하면 진동하는 모습을 관찰하기 쉽다. 구부릴 수 있어 자신의 목소리를 들을 수도 있다.
* 스프링(스프링 전화): 스프링을 사용하면 에코가 걸린 것처럼 들린다. 이는 악기용 이펙터의 일종인 스프링 리버브의 원리를 응용한 것이다.

실 전화기나 철사 전화기의 음질은 주로 종이컵 바닥에 해당하는 진동판의 재질과 실의 재질에 따라 결정된다. 진동판은 얇고 가벼우며 유연하고 진동하기 쉬워야 하며, 장력을 가한 실을 지탱할 수 있을 만큼 튼튼해야 한다. 트레이싱 페이퍼 등은 구하기 쉬운 재료 중 뛰어난 특성을 가지고 있다. 실과 컵 바닥의 연결 부분에 유리 비즈를 묶어두면 진동이 더 잘 전달된다. 진동을 전달하는 물체는 가볍고 유연하며 진동 손실이 적은 것이 좋다. 천연 섬유 중에서는 견사가 가장 좋다고 알려져 있으며, 나일론 등의 화학 섬유 사용도 효과적이다. 종이컵의 원통 부분은 음성을 모아서 확산되지 않도록 하는 역할을 하며, 입에 대기 쉬운 형태가 필요하지만 재질 자체는 크게 중요하지 않다. 굳이 말하자면, 단단하고 진동 손실이 적은 재질이 바람직하다.

5. 현대적 활용

5.1. 교육 및 놀이

19세기에도 소리의 정체를 보여주기 위한 실험 도구로서 실 전화기, 쇠줄 전화기는 사용되었다. 현대에도 과학 교재로 사용되는 경우가 있다.

일본에서는 20세기 후반 이후 종이컵, 플라스틱 컵과 연실로 만들어지는 경우가 많다. 와이어를 사용하는 국가 및 지역도 있다. 미국에서는 지금도 캔을 사용하여 만드는 것이 일반적이다.

5.2. 추가 정보