음파의 굴절과 반사 간섭에 대해

음파가 가지는 특징

음파는 규칙적으로 반사현성을 가집니다. 예를 들어서 높은 산위로 올라가서 크게 소리를 내지르면 여러방향에서 내가 지른 소리가 똑같이 연달아서 되돌아와 들리는것을 알 수 있습니다. 가까이에 있는 골짜기부터 저 멀리 있는 산 등을 통해 반사가 된 소리가 내가 있는곳으로 다시 되돌아 오기 때문입니다. 이런것을 우리는 메아리 라고 부릅니다. 음파의 반사가 규칙적인 성향을 가지고 있는것은 매우 간단한 실험하나로 알 수 있습니다. 조그만 스피커가 달려있는 고무를 길다란 유리관 한쪽 끝에 끼워 놓은 후 다른 쪽의 끝부분을 수직으로 세워 놓은 판자쪽을 향해서 고정 시킵니다. 그다음으로 스피커와 저주파를 내는 발진기를 연결 한 다음 한 진동수로 높은 소리를 내게끔 합니다. 그리고 그 판자에서 반사가 되는 소리를 또다른 유리관을 통해서 들어봅니다. 이 유리관의 방향을 다양하게 변화시켜주면서 제일 크게 들리는곳이 어디인지 확인합니다. 이떄 처음 유리관과 두번째 유리관의 방향이 판자면과 어떠한 관계를 가지고 있는지를 조사하면 되는데요. 이러한 실험을 통해서 음파의 반사가 수면파처럼 반사의 법칙에 따라서 이루어지고 있다는것을 쉽게 알 수 있습니다. 스피커를 유리관에 넣어서 실험을 하는 이유는 스피커에서 나오고 있는 그 음파를 유리벽쪽으로 반사시켜서 한쪽 방향으로 쭉 나가게 하기 위함입니다. 실내에서의 소리는 잘 들리는데, 바깥에서는 똑같은 소리라도 더 작게 들리는 일을 경험할 수 있습니다. 실내에서는 우리 귀로 직접 도달하는 음파와 주변의 벽같은것에 반사되서 돌아오는 소리가 더해지는데 비해, 바깥에서는 귀에 들리는 음파뿐이기 때문에 소리가 더 작아지게 되는것이죠. 반사라는 특징을 이용해서 먼곳으로 소리를 보내도록 고안된것이 바로 메가폰입니다. 메가폰에 있는 내벽을 이용하여 음파를 반사시킨 후 좁은 방향으로 모아 소리를 내보내는 역할을 하죠. 상대적으로 약한 음파라 하더라도 반사효과를 이용해서 좁은장소로 모으면 그 소리가 강해집니다. 벌레나 새소리 등을 레코딩하기 위해 사용하는 집음 마이크들이 이런 작용으로 이용되고 있습니다. 소리의 속도, 음속은 공기 온도에 따라서 달라집니다. 보통 저온에서 고온으로 입사를 하는 음파방향은 경계면쪽에서 굴절을 하게 됩니다. 입사각이 너무 크게 된다면 음파는 전반사를 해버려서 굴절현상이 나타나지 않게 됩니다. 이와는 반대로 고온에서 저온으로 진행되는 음파의 경우에는 경계에서 점점 멀어지는 형상으로 굴절을 합니다. 이 경우 전반사가 일어나지 않게 됩니다. 공기의 온도가 연속적으로 계속 바뀌는 공기 속에 있는 음파라면, 연속으로 방향이 바뀌면서 곡선 형태를 나타나게 됩니다. 아주 맑은 대낮에는 태양으로 인해서 지면이 뜨거워지게 되는데요. 그로인해 지면과 가까운곳은 고온으로 뜨겁고, 올라갈수록 온도가 낮아지게 됩니다. 그래서 위에서 나가는 음파는 지면과 멀어지는듯한 모양으로 굽어지게 됩니다. 그 반대로 밤이 되면 지면이 빨리 식게 되어서 공기의 온도가 낮아지는데요, 이때에는 같은 음원에서 출발하는 음파는 지면으로 접근하듯 곡선을 그리며 진행을 하게 됩니다. 이때 음파는 땅을 끼고 모아지기 때문에 밤엔 저 먼곳으로 까지 소리가 상대적으로 더 잘 들리게 됩니다. 같은 소리라도 밤에 더 시끄러운 이유가 이것때문이랍니다. 뜨거운 여름날, 보트에 타고 있다보면 저 멀리서 들리는 소리가 생각보다 잘 들리게 됩니다. 날은 뜨거워도 물의 온도는 공기보다 낮기 때문에 수면과 가까운 공기가 윗쪽보다 낮기 때문이죠 . 그래서 음파는 수면쪽으로 접근을 하는 모양으로 곡선을 그리고, 결국 멀리까지 도달하여 들리게 됩니다. 그리고 수면에서는 음파가 더 잘 반사되기 때문에 이러한 영향도 받게 됩니다. 또한 바람이 시원하게 부는날에 소리를 들어보세요. 불어오는 방향 쪽에서 나는 소리는 더 잘 들리는것을 느낄 수 있습니다. 그리고 반대쪽에서 들리는 소리는 잘 닿지 않게 되죠. 바람으로 인해서 음파의 파면이 흐트러지면서 발생하는 현상인데요. 지면과 가까ㅃ게 불어오는 바람이라면 지상에 있는 다양한 장애물과 부딪히면서 상공보다는 바람속도가 느려지게 됩니다. 바람에 날리는 음속의 몫이 늘어나게 되기 때문에 지면과 가깝게 있는 음속이 윗쪽보다 더 낮아지게 되는것이죠. 이러한 이유 때문에 윗쪽에 있는 음원에서 음파 파면일 경우 바람이 불어나가는 방향으로 촤악 흩어지게 되고, 상공쪽이 툭 튀어나오게 됩니다. 만약 무풍상태라면 방향과 파면이 수직이 되는데, 풍송이 더해지는 음파가 가지는 방향은 파면과 수직이 되지 않습니다. 음파는 바람 방향에 따라 지면을 따라서 진행을 잘 하지만, 바람을 마주하면서 나아가는 음파는 상공쪽으로 달아나버리게 되는것이죠. 똑같은 소리라고 해도 공기의 온도나 바람의 방향, 장애물 등에 따라서 어디서는 더 잘 들리고, 반대로 어디서는 잘 들리지 않는 현상을 겪게 될 수 있습니다. 어떠한 음파가 진행이 되다가, 다른 음파를 만나게 되면 매질이 가지는 변위가 바뀌게 되는데요. 그렇게 되면 갑자기 소리가 잘 들리지 않거나 아얘 소리가 사라진다거나, 반대로 더 크게 들리는 현상이 생길 수 있습니다. 음파에도 간섭으로 인한 현상이 발생할 수 있다는것을 알 수 있는데요, 이런 간섭실험을 이용해서 음속과 음파가 가지는 진동수를 구해볼수도 있습니다. 역상을 이용해서 불필요한 소리들을 없애 버리는, 요즘 인기 있는 노이즈 캔슬링 같은 기술이 발전되기도 했죠.