진동의 힘과 소리의 강도

소리는 공기의 진동이다. 일상생활 속에서 소리가 날 때 우리가 공기의 진동을 흔히 느낄 수 있는 것은 아니지만, 아주 큰 소리가 날 때 진동을 느끼는 경우가 있다. 굉음이 나면 물건이나 유리창이 흔들리는 것도 볼 수 있는데, 이는 공기의 진동이 물체들에 전달되었기 때문이다. 또한 음악을 크게 틀어놓고 스피커 입구에 종이를 걸어놓으면 소리가 만드는 물리적 진동에 의해 종이가 앞뒤로 흔들리는 것을 볼 수 있다. 주파수가 낮은음이 큰 소리를 낼 때 이런 현상은 더욱 심해진다. 이런 현상은 모두 소리의 힘과 그 주위에 있는 물건들의 물리적 속성에 의해 생겨나는 순수한 물리적 현상이다. 큰 소리에서 나는 진동을 우리가 느낄 수 있고 때로는 주변의 물체를 흔들 수도 있지만, 이보다 훨씬 더 작은 몇백억 분의 일밖에는 되지 않는 힘을 가진 진동 역시 우리는 들을 수 있다. 우리는 이같이 작은 소리도 듣는 것은 작은 힘을 가진 진동 역시 공기를 타고 고막에 전달되기 때문이다. 소리가 가지는 힘으로 진동의 폭은 달라질 것이고, 또 이에 따라 우리의 귀에 도달하는 음량 역시 다를 것이다. 그러나 이러한 전달의 관계가 그리 간단치는 않다. 소리가 가지는 힘은 1차원적 변수이지만 소리의 진원지로부터 우리의 귀까지 전달되어 들을 수 있게 되기까지는 다양한 과정을 거치며, 과정마다 서로 다른 측정 방법이 있을 수 있기 때문이다.


소리의 힘과 강도

소리의 근원이 말하는 사람이든, 악기든, 스피커든 그 전체적인 에너지를 측정할 수 있으며 그 단위는 전력을 측정하는 단위와 같은 와트이다. 음파는 여러 방향으로 퍼지기 때문에, 우리의 귀에 도달하는 에너지는 몇 와트냐 하는 단위 시간당 전해지는 에너지로 측정되며 이것을 소리의 강도라고 한다. 음악에서 사용되는 악기들의 경우, 어느 정도의 강도를 가지고 있을까?


거리의 영향

소리가 가지는 에너지와 우리에게 들리는 음량 사이의 관계가 간단치 않다는 점을 알 수 있었는데 거리와의 관계가 문제를 복잡하게 만드는 변인 중의 하나이다. 예컨대 소리가 진원지에서 공기를 통해 전파될 때 주파수는 변하지 않지만, 강도는 위치에 따라 크게 달라질 것이라는 점은 상식적으로도 생각할 수 있다. 아무리 큰 소리라도 먼 거리를 두고 전해온다면 그것이 우리 귀에 도달했을 때는 그 에너지의 대부분을 잃었을 것이기 때문이다. 따라서 소리의 크기를 다루는 데는 진원지와 우리가 듣는 곳 사이의 거리가 아주 중요한 변수로 개입하게 된다. 


기준강도와 강도 수준

소리의 강도는 단위 시간당 전해지는 에너지 그 자체로 보다는 기준강도의 몇 배 강도를 가졌느냐 하는 비교 수치로 쓰이는 것이 보통이다. 여기서 기준강도란 우리 귀로 들을 수 있는 가장 작은 소리, 즉 들릴 듯 말 듯 한 정도 크기의 소리이다. 소리의 세기를 측정하는 데 있어 와트 대신에 데시벨이라는 단위를 사용하면 기하급수적으로 증가하는 수에 대한 공포로부터 우리를 해방해 준다는 것이다. 


강도 측정과 소음기준

소리가 얼마나 큰지를 측정하기 위해서 강도 측정기는 우리의 일상생활 속에서 소음측정기의 역할을 한다. 그런데 이 측정기로 측정된 결과를 보고 모든 주파수의 소리 힘을 알 수는 없다. 아주 높거나 낮은 주파수의 소리는 우리에게 들리지 않는다. 또한 우리가 들을 수 있는 가청주파수 내에서도 더 크게 들리는 주파수 영역과 이보다 훨씬 덜 들리는 영역이 있다. 이 측정기는 모든 주파수 성분을 모두 더하기 전의 결과를 우리에게 가르쳐준다. 그래서 주파수 영역에 따른 상대적 강도 그래프를 보면 세 개의 곡선이 있다. 실체로 측정된 결과는 세 번째 곡선인데 우리는 첫 번째 곡선을 보편적으로 사용한다. 이는 소리가 가지고 있는 강도보다는 우리에게 얼마나 크게 들리느냐 하는 점에 초점을 맞추기 위한 것이다. 우리는 소음에 둘러싸여 살기 때문에 일상적 상황에서 기준강도 정도의 소리는 들을 수 없다. 소음 기준표를 보면 요즘 가장 중요한 장소는 빈 스튜디오나 음악회장이다. 청중들이 있다고 해도 일정 데시벨을 넘지 않는다. 관현악단이 내는 가장 큰 소리는 가장 작은 소리의 100만배에 달하는 소리의 힘을 가지고 있다.


강도의 가청범위

우리는 어느 정도 작은 소리로부터 얼마만큼 큰 소리까지 들을 수 있을까? 이것은 소리의 높이를 다룰 때 가청주파수와 같은 개념이기 때문에 가청 강도라고 부를 수도 있을 것이며, 앞서 그 하한선을 0데시벨, 상한선을 120데시벨로 잡은 바 있다. 물론 사람에 따라 청력은 크게 다르다는 점을 미리 전제해 둘 필요가 있지만, 설령 좋은 청력을 가진 사람이라 할지라도 모든 주파수 영역에서 0데시벨의 소리를 들을 수 있는 것은 아니다. 강도의 가청범위와 음악에서 사용되는 소리표를 보면 낮은 소리일수록 큰 힘을 가져야만 들리게 된다는 것을 알 수 있다. 이처럼 가청한계의 하한선은 주파수에 따라  진동을 느낄 수 있는 지점은 모든 주파수대에서 비슷한 것으로 나타났다. 또한 우리가 촉각적으로 진동을 느낄 정도가 되면 우리의 귀는 고통의 경지에 이르게 된다. 그래프가 함축하고 있는 것은 우리에게 들리는 소리의 크기는 소리의 물리적 강도뿐만 아니라 주파수에 따라서도 달라진다는 점이다. 인공적인 방법으로 소리의 강도를 높일 수 있고, 그러면 소리는 커지게 된다. 우리가 흔히 앰프라고 하는 소리 확성기를 통해 얼마든지 크게 만들 수 있다. 오디오에서는 흔히 볼륨이라고 쓰여 있는 스위치를 올리면 음량이 증가하는데 볼륨은 시각에서 사용되는 용어이지 올바른 음향학적 용어는 아니고 음량이 적합한 용어이다.