물리학 고3 탄성파와 소리

음파와 소리

음파가 매질의 압축·팽창으로 전달되는 종파임을 이해하고 음속, 음높이, 음세기를 분석한다.

물체의 진동이 매질을 압축·팽창시키며 전달되는 종파로, 진동수가 음높이를, 진폭이 음세기를 결정합니다.

스피커의 진동판이 앞으로 나오면 앞쪽 공기가 촘촘해지고, 뒤로 물러나면 성겨집니다. 이 '촘촘함과 성김의 무늬'가 공기를 타고 귀까지 달려와 고막을 같은 박자로 떨게 하는 것이 소리입니다.

쉽게 말하면

소리는 횡파와 종파에서 본 종파의 대표입니다. 공기 분자가 소리가 가는 방향으로 앞뒤로 떨리면서 밀한 부분과 소한 부분을 만들고, 그 무늬가 앞으로 전달됩니다. 진공에서 소리가 들리지 않는 이유가 바로 여기 있습니다 — 떨어 줄 매질이 없습니다.

음속은 매질이 정합니다. 딱딱하고 잘 되돌아오는 매질일수록, 그리고 밀도가 작을수록 빠르므로 일반적으로 고체 > 액체 > 기체 순서입니다. 공기 중에서는 온도가 높을수록 분자의 운동이 활발해져 음속이 빨라집니다. 여기서도 $v = f λ$ 의 역할 분담이 그대로입니다 — 목소리를 높게 내면(진동수를 올리면) 음속이 빨라지는 것이 아니라 파장이 짧아집니다.

소리의 세 가지 성질은 파동의 물리량과 하나씩 짝지어집니다.

- 음높이(고저) — 진동수 $f$ 가 결정합니다. 진동수가 클수록 높은 소리입니다.
- 음세기(크기) — 진폭이 결정합니다. 진폭이 클수록 큰 소리입니다.
- 음색 — 파형의 모양이 결정합니다. 같은 높이, 같은 크기로 낸 소리라도 피아노와 바이올린이 다르게 들리는 것은 함께 섞여 나오는 배음의 조합이 달라 파형이 다르기 때문입니다.

헷갈리기 쉬운 것은 음높이와 음세기가 서로 독립이라는 점입니다. 큰 소리를 낸다고 음이 높아지지 않고, 높은 음을 낸다고 소리가 커지지 않습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

진동수 $340 Hz$ 인 소리의 파장 (음속 $340 m/s$ 일 때)

$λ = \frac{v}{f} = \frac{340}{340} = 1 m$

같은 조건에서 진동수를 2배인 $680 Hz$ 로 올리면 파장은 절반인 $0.5 m$ 가 됩니다. 음속은 그대로입니다.
예시 2

천둥까지의 거리 어림하기

$d = v_{소리} \times t$

번쩍임은 거의 즉시 도착하므로, 번개를 본 뒤 천둥소리를 들을 때까지의 시간에 음속을 곱하면 번개까지의 거리가 나옵니다. 3초 뒤에 들렸다면 약 1 km입니다.
예시 3

진공 종 안의 자명종

유리 종 안에 울리는 자명종을 넣고 공기를 빼면 시계는 여전히 흔들리는데 소리는 점점 작아지다 사라집니다. 소리에 매질이 필요하다는 것을 보여 주는 실험이고, 이때에도 빛은 통과하므로 시계가 움직이는 모습은 계속 보입니다.

소리의 세 요소

구분	무엇이 정하나	달라지면
음높이	진동수 $f$	높은 소리 / 낮은 소리
음세기	진폭	큰 소리 / 작은 소리
음색	파형(배음 구성)	피아노 소리 / 바이올린 소리

자주 하는 오해

소리를 크게 내면 음이 높아진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움목소리를 크게 지르면 소리가 더 높아진다 — 크기와 높이는 같이 간다

실제로는크기는 진폭, 높이는 진동수가 정하는 별개의 성질입니다. 낮은 음을 아주 크게, 높은 음을 아주 작게 낼 수 있습니다.

진폭은 공기가 얼마나 크게 떨리는가(에너지)이고, 진동수는 1초에 몇 번 떨리는가(박자)입니다. 큰북은 크지만 낮은 소리, 모기 소리는 작지만 높은 소리라는 사실이 둘이 독립임을 보여 줍니다.

소리가 빠르게 지나갈 때 공기가 통째로 이동한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움큰 소리가 나면 공기가 앞으로 밀려와 바람처럼 귀에 닿는다

실제로는공기 분자는 제자리에서 앞뒤로 조금 떨릴 뿐, 스피커에서 귀까지 이동하지 않습니다.

파동은 물질이 아니라 에너지와 압력 패턴을 전달합니다. 만약 공기가 실제로 실려 온다면 스피커 앞은 계속 진공이 될 것입니다. 공연장에서 느끼는 바람은 대형 스피커가 밀어낸 공기의 흐름이지 소리 자체가 아닙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

횡파와 종파고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

공명과 맥놀이고3

같은 단원의 개념 — 탄성파와 소리

공명과 맥놀이고3 단순 조화 운동고3 단진자고3 도플러 효과고3 용수철 진자고3 정상파와 공명고3 진폭·파장·진동수·주기고3 파동의 간섭과 회절고3 파동의 반사·굴절·전반사고3 파동의 성질고3 편광고3 횡파와 종파고3

자주 묻는 질문

Q1물속에서는 소리가 더 빨리 전달되나요?

네. 물이 공기보다 훨씬 빠르고, 금속 같은 고체는 더 빠릅니다. 매질 입자끼리 강하게 묶여 있을수록 진동이 이웃에 빨리 넘어가기 때문입니다. 그래서 옛날에는 멀리서 오는 기차를 알아채려고 철로에 귀를 대기도 했습니다.

Q2초음파는 우리가 못 듣는 소리인가요?

사람의 가청 범위보다 진동수가 높은 소리를 초음파라고 합니다. 소리로서의 성질은 똑같지만 사람의 귀가 반응하지 못할 뿐입니다. 파장이 짧아 작은 구조까지 구분할 수 있어 초음파 검사에 씁니다.

Q3같은 '도' 음인데 피아노와 기타 소리가 다른 이유는요?

기본 진동수는 같지만, 함께 섞여 나오는 배음의 세기 조합이 악기마다 달라 파형이 달라지기 때문입니다. 이 차이가 음색이고, 우리 귀는 이것으로 악기를 구별합니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 탄성파와 소리 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

소리가 서로 겹치고 물체를 크게 흔드는 현상을 보려면 공명과 맥놀이로 이어서 가 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

음파와 소리 지도에서 확인하기 →