음향학

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1. 개요

음향학은 소리에 대한 과학적 연구 분야로, 소리의 생성, 전파, 수용, 그리고 소리가 인간과 환경에 미치는 영향을 포괄적으로 다룬다. 고대 그리스의 피타고라스는 현의 진동과 음높이의 관계를 연구하며 음향학의 기초를 다졌고, 갈릴레오 갈릴레이와 마랭 메르센 등의 과학자들은 음향학의 과학적 토대를 마련했다. 음향학은 건축, 수중, 생리, 심리, 전기, 음악 등 다양한 분야로 나뉘며, 소리의 물리적 특성, 인간의 청각, 소리의 심리적 효과, 소리의 기록 및 재생, 음향 기기, 그리고 소음 문제 해결 등 다양한 측면을 연구한다.

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음향학 - 신시사이저
신시사이저는 전자 회로로 소리를 합성하는 전자 악기로, 1960년대 로버트 무그 등에 의해 현대적인 형태로 발전하여 다양한 음향 합성 방식을 사용하며 여러 장르의 음악과 영화 사운드트랙에 널리 활용된다.
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음향학
음향학
영어	Acoustics
중국어 간체	声学
중국어 번체	聲學
일본어	音響学
로마자 표기	Eumhyanggak
분야	물리학의 한 분야
연구 대상	기계파 진동 소리 초음파 수중음향
응용 분야	음악 건축학 의학 엔지니어링 소음 제어
관련 학문	물리음향학, 생리음향학, 심리음향학
개요
정의	기계파, 진동, 소리 등을 연구하는 물리학의 한 분야
연구 내용	소리의 생성, 전달, 감지 소리의 물리적 성질과 현상 연구 소리와 진동의 상호작용
역사	고대부터 연구되어 온 학문으로, 현대에는 다양한 첨단 기술에 응용
특징	물리학의 여러 분야와 밀접하게 관련되어 있으며, 학제적 연구가 활발
세부 분야
물리음향학	소리의 물리적 특성과 현상 연구
생리음향학	생물의 청각과 관련된 연구
심리음향학	소리에 대한 인간의 주관적인 반응 연구
건축음향학	건축물의 소리 특성 연구 및 설계
수중음향학	수중 환경에서의 소리 연구
음악음향학	악기의 소리 특성 연구 및 음악에의 응용
음향공학	소리를 이용한 기술 개발 및 응용
활용
실생활 활용	소음 제어 기술 (방음벽, 흡음재) 통신 기술 (마이크, 스피커) 의료 기술 (초음파 진단, 치료) 음향 기기 설계 음악, 건축, 엔지니어링 분야에 활용
과학 기술 활용	비파괴 검사 지진파 연구 재료 특성 연구 음파를 이용한 센서 기술

2. 역사

음향학의 역사는 고대부터 시작되었다. 가장 오래된 음향학 학설은 '만물의 근원은 수'라는 피타고라스의 음계 이론에서 찾아볼 수 있다. 그는 일현금 실험을 통해 현을 일정한 비율로 분할하여 음계를 형성하는 것을 알아냈다. 고대 중국의 12율이나 고대 그리스의 피타고라스 음률 등에서 볼 수 있듯이 음률 생성 방법에 그 기원을 두고 있다.^[6]

갈릴레오 갈릴레이와 마랭 메르센은 근대 과학적인 음향학 이론과 측정의 시초를 열었다. 17세기에서 18세기경 서양에서는 음률 이론과 악기 제작 연구가 본격적으로 이루어졌다. 19세기에는 존 윌리엄 스트럿 레일리가 《음향이론》을 저술하고, 헤르만 폰 헬름홀츠는 '음향학의 수학적 강의'를 통해 음향생리와 음향심리를 연구했다.

2. 1. 고대

피타고라스는 현의 길이와 음높이 간의 관계를 연구하여, 협화음이 발생하는 현의 길이가 정수 배가 된다는 피타고라스 음계를 정립했다.^[6] 이는 음향학의 초기 연구 중 하나로 기록된다. 아리스토텔레스는 소리가 공기의 압축과 팽창으로 구성된다고 주장하여 파동의 개념을 제시했다.^[7]^[8]

2. 2. 과학 혁명기와 근대

과학혁명 시대에 갈릴레오 갈릴레이(1564-1642)와 마랭 메르센(1588-1648)은 독립적으로 진동하는 현에 대한 완전한 법칙을 발견했다. 이는 2000년 전 피타고라스가 시작한 작업을 완성한 것이었다.^[43] 갈릴레오는 "파동은, 울리는 몸체의 진동으로부터 생성되는 것이며, 공기를 통해 전파되고 귀의 고막에 도달하여 자극함으로써 우리 마음이 소리로 해석한다."라는 주목할 만한 언급을 통해 생리음향학, 심리음향학의 시작을 열었다. 1630년과 1680년 사이에 메르센을 중심으로 여러 사람들이 공기 중의 소리 속도를 측정하는 실험을 수행했다. 한편, 아이작 뉴턴(1642-1727)은 고체에서의 파동 속도 관계를 유도하여 물리 음향학의 초석을 마련하였다.(『프린키피아』, 1687)^[43]

18세기에는 파동 전파이론 기술(記述)에 대한 새로운 방법을 익힌 위대한 수학자들에 의해 음향학이 크게 발전했다. 19세기 음향학의 위대한 거장은 생리 음향학 영역을 정리한 독일의 헤르만 폰 헬름홀츠와 “The Theory of Sound”란 기념비적인 작업에 많은 공헌을 하여 이전의 지식들을 결합시킨 존 윌리엄 스트럿 레일리이다. 또한 19세기에, 휘트스톤, 옴, 그리고 헨리 등이 전기와 음향학 사이의 유사성을 연구하였다.^[43]

2. 3. 현대

20세기에는 기술적 적용이 싹트면서 과학 지식이 크게 발전했다. 사빈의 건축 음향학 연구가 그 첫 번째 예시이며, 이후 많은 연구가 뒤따랐다.^[16] 제1차 세계 대전 중에는 잠수함 탐지를 위해 수중 음향학이 활용되었다. 녹음과 전화는 전 세계적인 사회 변화에 큰 영향을 미쳤다. 전자기술과 컴퓨터의 발전으로 소리 측정과 분석이 정밀해졌고, 초음파는 의학과 산업 분야에서 혁신적인 발전을 이끌었다. 또한 새로운 종류의 에너지 변환기(음향 에너지를 생성하고 수용하는)가 발명되어 사용되었다.

3. 음향학의 기초 개념

음향학은 소리, 즉 매질 입자의 진동과 압력 변화를 다루는 학문이다.^[44] ANSI/ASA S1.1-2013에 따르면, 음향학은 "소리의 발생, 전달 및 효과(생물학적 및 심리적 효과 포함)를 포함한 과학"이자 "청각 효과와 관련하여 방의 특성을 함께 결정하는 방의 특성들"로 정의된다.

음향학 연구는 기계적 파동과 진동의 발생, 전파 및 수신을 중심으로 이루어진다. 기본적인 음향 과정은 아래 그림과 같다.

위 다이어그램에 나와 있는 단계는 어떤 음향 사건이나 과정에서도 찾아볼 수 있다. 자연적이거나 의도적인 많은 종류의 원인이 있으며, 다른 형태의 에너지를 음향 에너지로 변환하여 소리파를 생성하는 다양한 변환 과정이 존재한다. 소리파 전파를 설명하는 기본 방정식인 음향파 방정식이 있지만, 여기에서 나타나는 현상은 다양하고 복잡하다. 파동은 전파 매질 전체에 에너지를 전달하며, 이 에너지는 다시 다른 형태로 변환될 수 있다. 최종 효과는 순전히 물리적일 수도 있고 생물학적 또는 의도적 영역에 영향을 줄 수도 있다. 이러한 5가지 기본 단계는 지진, 소나를 사용하는 잠수함, 록 콘서트에서 연주하는 밴드 등 다양한 현상에 적용된다.

음향 과정의 중심 단계는 파동 전파이며, 이는 물리 음향학의 영역에 속한다.

3. 1. 음압과 음위

음압은 소리의 진동으로 인해 발생하는 압력이다. 단위는 Pa(파스칼)이다.^[44] 음압의 크기는 최소 가청치(약 0.00002Pa)에서 최대 가청치(약 100Pa)에 이른다.

음위(Sound Pressure Level, SPL)는 기준 음압과 측정된 음압의 비율을 로그 스케일로 나타낸 것이다. 단위는 dB(데시벨)이다. 기준치는 f=1kHz에서 p0=20µPa이며, 이는 소리의 최소 가청치이다.^[44]

공기나 물과 같은 유체에서 음파는 주변 음압의 변화로 전파된다. 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리, 즉 청력 역치는 주변 압력보다 9배나 작다. 이러한 변화의 소리 크기는 음압 레벨(SPL)과 관련이 있으며, 데시벨(dB) 단위의 로그 눈금으로 측정된다.

3. 2. 주파수

물리학자와 음향 엔지니어는 우리의 귀가 소리를 해석하는 방식 때문에 부분적으로 주파수 측면에서 음압 레벨을 논하는 경향이 있다. 우리가 "높은 음높이" 또는 "낮은 음높이"로 경험하는 소리는 초당 더 높거나 낮은 사이클 수를 갖는 압력 진동이다. 일반적인 음향 측정 기술에서 음향 신호는 시간에 따라 샘플링된 다음 옥타브 밴드 또는 시간-주파수 플롯과 같은 더 의미 있는 형태로 표시된다. 이 두 가지 인기 있는 방법 모두 소리를 분석하고 음향 현상을 더 잘 이해하는 데 사용된다.

전체 스펙트럼은 오디오, 초음파 및 저주파의 세 부분으로 나눌 수 있다. 오디오 범위는 20 Hz와 20,000 Hz 사이이다. 이 범위는 인간의 귀로 감지할 수 있는 주파수이기 때문에 중요하며, 음성 통신 및 음악을 포함한 여러 가지 응용 분야를 가지고 있다. 초음파 범위는 매우 높은 주파수(20,000 Hz 이상)를 나타낸다. 이 범위는 파장이 더 짧아 영상 기술에서 더 나은 해상도를 허용한다. 초음파 및 탄성 영상과 같은 의료 응용 분야는 초음파 주파수 범위에 의존한다. 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 가장 낮은 주파수는 저주파 범위로 알려져 있으며, 이러한 주파수는 지진과 같은 지질 현상을 연구하는 데 사용할 수 있다.

스펙트럼 분석기와 같은 분석 장비는 음향 신호와 그 특성의 시각화 및 측정을 용이하게 한다. 이러한 장비가 생성하는 스펙트로그램은 시간에 따라 변하는 압력 레벨과 주파수 프로필을 그래픽으로 표시하여 특정 음향 신호에 고유한 특성을 부여한다.

3. 3. 음파의 전파

소리는 매질 입자의 진동 및 압력 변화 등 매질에서의 역학적인 교란을 의미하며, 이러한 매질에는 기체, 액체, 고체가 모두 포함될 수 있다.^[44] 유체에서 소리는 주로 압력파로 전파된다. 고체에서 기계적 파는 종파, 횡파 및 표면파를 포함한 여러 형태를 취할 수 있다.

음파는 전파될 때 여러 가지 현상을 일으킨다. 음향학에서는 소리파의 압력 레벨과 주파수, 그리고 파동이 환경과 어떻게 상호 작용하는지를 살피는데, 이러한 상호 작용은 회절, 간섭, 반사로 설명될 수 있다. 또한, 여러 매체가 존재하는 경우 굴절이 발생할 수도 있다.

4. 음향학의 주요 분야

음향학은 다루는 범위가 넓기 때문에, 연구 분야에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

'''건축 음향학''': 건물 내에서 좋은 음향을 얻는 방법에 대한 과학적인 이해를 포함한다. 월리스 클레먼트 사빈의 획기적인 연구를 시작으로 건축 음향학 분야에서 많은 연구가 이루어졌다.
'''수중 음향학''': 물속에서 발생하는 자연적 및 인공적인 소리에 대한 과학적인 연구 분야이다. 소나를 이용한 잠수함 탐지, 고래의 수중 의사소통등에 활용된다. 제1차 세계 대전에서 잠수함 탐지에 사용되기도 하였다.
'''생리 음향학''': 인간의 청각 기관과 발성 기관의 작동 원리를 연구하는 분야이다.
'''심리 음향학''': 소리는 인간의 심리적 감각과 직결된 물리적 현상이므로, 심리학적, 통계학적으로 연구되었다.
'''전기 음향학''': 변환기를 통해 음향 에너지를 전기 에너지로 (또는 그 반대로) 변환한다. 스피커, 마이크 등이 해당된다.
'''음악 음향학''': 음향 악기의 물리학, 전자 음악에 사용되는 오디오 신호 처리 등을 연구하는 학문이다.
'''항공음향학''': 난류 등을 통한 공기의 움직임으로 발생하는 소음과 유체인 공기를 통한 소리의 이동에 대한 학문이다. 1920년대와 30년대에 레이더가 발명되기 전에 항공기를 탐지하는 데 적용되었다.
'''초음파''': 사람이 들을 수 없을 정도로 높은 주파수의 소리를 다룬다.
'''구조 음향학''': 기계 시스템과 주변 환경의 운동과 상호 작용, 그리고 그 측정, 분석 및 제어 방법을 연구하는 학문이다.

4. 1. 건축 음향학

건축 음향학(건물 음향학으로도 불림)은 건물 내에서 좋은 음향을 얻는 방법에 대한 과학적인 이해를 포함한다.^[22] 건축 음향학은 일반적으로 병원, 교실, 주택, 공연장, 녹음 및 방송 스튜디오와 같은 건축 환경에서의 음성 명료도, 음성 프라이버시, 음악 품질 및 진동 감소를 연구한다.^[23] 잔향, 건물 구조체 내 공기 매개 및 충격 전달, 공기 매개 및 구조 매개 소음 제어, 건물 시스템 및 전기 음향 시스템의 소음 제어가 고려 사항에 포함된다.^[24]

20세기에는 월리스 클레먼트 사빈(Wallace Clement Sabine)의 획기적인 연구를 시작으로 건축 음향학 분야에서 많은 연구가 이루어졌다.

4. 2. 수중 음향학

수중 음향학은 물속에서 발생하는 자연적 및 인공적인 소리에 대한 과학적인 연구 분야이다. 소나를 이용한 잠수함 탐지, 고래의 수중 의사소통, 음향을 이용한 해수 온도 측정을 통한 기후 변화 모니터링, 음파 무기,^[37] 해양 생물 음향학^[38] 등에 활용된다. 20세기에는 수중 음향학이 제1차 세계 대전에서 잠수함 탐지에 사용되기도 하였다.

4. 3. 생리 음향학

생리 음향학은 인간의 청각 기관과 발성 기관의 작동 원리를 연구하는 분야이다.

청각 기관
청각 범위
발성 기관
발성 폭
베이스
바리톤
테너
알토
메조 소프라노
소프라노

4. 4. 심리 음향학

소리는 인간의 심리적 감각과 직결된 물리적 현상이므로, 심리학적, 통계학적으로 연구되었다. 그 범위를 음향심리학이라고 한다. 이 분야는 소리에 관하여 심리학적 분야가 포함된다.^[31] 귀를 통한 음파의 통과로 수집된 정보는 뇌를 통해 이해되고 해석되므로, 마음과 음향학 사이의 연결성을 강조한다. 다양한 청각 자극의 결과로 뇌파가 느려지거나 빨라짐에 따라 심리적 변화가 관찰되었는데, 이는 생각, 감정 또는 행동 방식에 영향을 미칠 수 있다.^[32] 이러한 상관관계는 일상적인 상황에서도 볼 수 있는데, 경쾌하거나 빠른 노래를 들으면 발을 구르게 되고, 느린 노래를 들으면 평온함을 느끼는 것과 같다. 심리음향학 현상에 대한 더 깊이 있는 생물학적 관점에서, 중추 신경계가 음악의 기본적인 음향적 특성에 의해 활성화된다는 것이 밝혀졌다.^[33] 뇌와 척수를 포함하는 중추 신경계가 음향학의 영향을 받는 방식을 관찰함으로써, 음향이 마음, 그리고 본질적으로 신체에 영향을 미치는 경로가 명확해진다.^[33]

4. 5. 전기 음향학

변환기는 한 형태의 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 장치이다. 전기음향적 맥락에서 이는 음향 에너지를 전기 에너지로 (또는 그 반대로) 변환하는 것을 의미한다. 전기음향 변환기에는 스피커, 마이크, 입자 속도 센서, 수중 청음기 및 소나 프로젝터가 포함된다. 이러한 장치는 음파를 전기 신호로 또는 전기 신호를 음파로 변환한다. 가장 널리 사용되는 변환 원리는 전자기력, 정전기 및 압전기이다.^[26]

가장 일반적인 스피커(예: 우퍼 및 트위터)의 변환기는 전자기 보이스 코일에 의해 구동되는 현수 다이어프램을 사용하여 파동을 생성하는 전자기 장치로, 압력파를 방출한다. 일렉트릿 마이크 및 콘덴서 마이크는 정전기를 사용한다. 음파가 마이크의 다이어프램에 부딪히면 다이어프램이 움직이고 전압 변화가 발생한다. 의료 초음파 영상에 사용되는 초음파 시스템은 압전 변환기를 사용한다. 이러한 변환기는 재료 자체의 특성을 통해 기계적 진동과 전기장이 서로 연동되는 특수 세라믹으로 만들어진다.^[21]

전기 음향학은 전자 장비를 사용한 오디오의 녹음, 조작 및 재생과 관련이 있다. 여기에는 휴대전화와 같은 제품이나 대규모 공공 주소 방송 시스템 또는 연구소의 가상 현실 시스템이 포함될 수 있다.

4. 6. 음악 음향학

음악 음향학은 음향 악기의 물리학, 전자 음악에 사용되는 오디오 신호 처리, 음악 및 작곡의 컴퓨터 분석, 그리고 음악의 지각과 음악의 인지 신경과학을 연구하는 학문이다.^[30]

4. 7. 기타 분야

항공음향학은 난류 등을 통한 공기의 움직임으로 발생하는 소음과 유체인 공기를 통한 소리의 이동에 대한 학문이다. 이러한 지식은 1920년대와 30년대에 레이더가 발명되기 전에 항공기를 탐지하는 데 적용되었으며, 음향공학에서 항공기를 조용하게 만드는 방법을 연구하는 데에도 적용되고 있다. 항공음향학은 바람 악기가 작동하는 방식을 이해하는 데에도 중요하다.^[20]

초음파는 사람이 들을 수 없을 정도로 높은 주파수의 소리를 다룬다. 전문 분야로는 의료 초음파(의료 초음파 영상 포함), 음향화학, 초음파 검사, 재료 특성 분석 및 수중 음향학(소나)이 있다.^[36]

구조 음향학은 기계 시스템과 주변 환경의 운동과 상호 작용, 그리고 그 측정, 분석 및 제어 방법을 연구하는 학문이다. 이 분야에는 모달 해석, 재료 특성 분석, 구조물 상태 모니터링, 음향 메타물질, 마찰 음향학과 같은 여러 하위 분야가 있다. 응용 분야에는 철도로 인한 지반 진동, 수술실의 진동을 줄이기 위한 진동 차단, 진동이 건강에 미치는 영향(예: 진동성 백색지병) 연구, 지진으로부터 건물을 보호하기 위한 진동 제어, 구조 전달 소음이 건물을 통해 이동하는 방식 측정 등이 포함될 수 있다.^[35]

5. 한국의 음향학

한국은 전통적으로 음악과 소리를 중요하게 여겨왔으며, 이는 현대에도 이어져 음향학 연구와 기술 발전에 큰 영향을 미치고 있다.

5. 1. 전통 음악과 음향학

한국^한국어의 전통 음악은 독특한 음계와 음향 체계를 가지고 있다. 삼분손익법과 같은 전통 음률 이론은 한국^한국어 음향학의 역사적 뿌리를 보여준다.

5. 2. 소음 공해 문제와 해결 노력

환경 음향학은 철도,^[27] 도로 교통, 항공기, 산업 장비 및 레크리에이션 활동으로 인한 소음과 진동을 다룬다.^[28] 주요 연구 목표는 환경 소음과 진동의 수준을 줄이는 것이다. 현재 연구는 소음경관과 고요함처럼 도시 환경에서 소리의 긍정적 활용에도 초점을 맞추고 있다.^[29]

음향학의 이 하위 분야는 원치 않는 소음의 영향을 줄이는 것을 목표로 한다. 소음 연구는 소음의 발생, 전파, 그리고 구조물, 물체, 사람에게 미치는 영향을 포함한다.

소음 연구는 정의, 저감, 교통 소음, 청력 보호, 제트 및 로켓 소음, 건물 시스템 소음 및 진동, 대기 중 음파 전파, 소음 환경, 저주파 소음 등 소음이 인간과 동물에게 미치는 영향을 조사한다.

6. 관련 학회 및 저널

미국 음향학회(The Acoustical Society of America, ASA)
오스트레일리아 음향학회(Australian Acoustical Society, AAS)
유럽 음향학회(The European Acoustics Association, EAA)
전기전자기술자협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)
영국 음향학회(Institute of Acoustics, IoA UK)
오디오 엔지니어링 학회(The Audio Engineering Society, AES)
미국 기계학회, 소음제어 및 음향부(American Society of Mechanical Engineers, Noise Control and Acoustics Division, ASME-NCAD)
국제 음향위원회(International Commission for Acoustics, ICA)
미국 항공우주학회, 항공음향(American Institute of Aeronautics and Astronautics, Aeroacoustics, AIAA)
국제 컴퓨터 음악 협회(International Computer Music Association, ICMA)

Acoustics | MDPI의 오픈 액세스 저널
음향학 투데이(Acoustics Today)
Acta Acustica united with Acustica
Advances in Acoustics and Vibration
응용 음향학(Applied Acoustics)
Building Acoustics
IEEE 초음파, 강유전체 및 주파수 제어 거래
미국 음향학회지(Journal of the Acoustical Society of America, JASA)
미국 음향학회지, 익스프레스 레터(Journal of the Acoustical Society of America, Express Letters, JASA-EL)
오디오 엔지니어링 학회지(Journal of the Audio Engineering Society)
음향 및 진동 저널(Journal of Sound and Vibration, JSV)
진동 및 음향 저널 미국 기계 기술자 협회(Journal of Vibration and Acoustics, American Society of Mechanical Engineers)
MDPI 음향학(MDPI Acoustics)
소음 제어 공학 저널(Noise Control Engineering Journal)
SAE 국제 차량 역학, 안정성 및 NVH 저널(SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability and NVH)
초음파(저널)(Ultrasonics (journal))
초음파 음향 화학(Ultrasonics Sonochemistry)
파동 운동(Wave Motion)

참조

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