[과학] 여자가 남자보다 높은 소리 내는 이유 총정리, 전화기 소리 전달 원리

들어가며

소리의 세기를 나타내는 단위는 데시벨(dB)이다. 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리를 0 dB로 정하고, 이를 기준으로 사람이 들을 수 있는 소리를 상대적으로 비교하여 수치로 나타낸다. 소리란 공기의 진동입니다. 예를 들어 기타 줄을 튕기면 줄이 떨리면서 주변 공기를 흔들고, 이 진동이 귀에 전달되어 소리로 인식됩니다. 진동은 공기의 밀도가 높아졌다 낮아졌다 하며 퍼져나가는 현상으로, 이를 음파라고 합니다.소리의 원리는 생각보다 단순하면서도 흥미롭습니다. 오늘은 소리의 전달 원리, 전화기 소리의 원리, 공기중에서 소리가 전파되는 재미있는 이야기들을 살펴볼게요.

1. 소리의 전달

소리는 물질의 떨림이 다른 물질을 따라 퍼져 나가는 현상이다. 떨림은 진동이라고도 하며, 진동을 전달하기 위해서는 진동을 전달해 주는 물질이 필요하다. 이러한 물질을 매질이라고 한다. 소리를 전달해 주는 일반적인 매질은 공기이다. 공기의 떨림은 주변의 공기를 떨리게 하고, 이 떨림이 공기를 타고 계속 퍼져 나가서 사람의 고막을 진동시키면 사람은 소리를 듣게 된다. 물도 소리를 전달하는 매질이기 때문에 물속에서도 소리를 들을 수 있다. 또한, 기차의 소리를 기차 레일을 통해 들을 수 있다. 이와 같이 소리는 기체, 액체, 고체 등의 물질을 통해 전달된다.

그러면 공기가 없는 우주에서 우주인은 어떻게 소리를 전달할까? 우주선 내에서는 공기가 있으므로 소리를 전달할 수 있으나, 우주선 밖에서는 소리를 전달할 수 있는 매질이 없어 소리 전달이 불가능하므로 전파를 이용해 소리를 변환하여 전달한다. 소리의 전달 속도는 매질에 따라 다르다.

소리는 공기 중에서 약 340 m/s의 속도로 전달되는데, 밀도가 큰 물질일수록 소리의 전달 속도가 빠르다. 이것은 고체 내의 분자들이 기체 내의 분자들보다 더 가까워 진동이 빠르게 전달되기 때문이다. 따라서 소리는 기체보다는 액체에서, 액체보다는 고체에서 더 빠르게 전달된다. 소리의 경우 물에서는 공기에서보다 4배, 철에서는 15배 빨리 전달된다 

2. 소리의 3요소

소리의 세기, 소리의 높낮이, 소리의 맵시를 소리의 3요소라고 한다. 소리의 3요소는 사람의 목소리를 비롯하여 모든 소리를 구분할 수 있게 하는 기준이 된다. 소리의 진폭은 매질인 공기 분자가 얼마나 크게 진동하는지를 나타내는데, 이에 따라 소리의 세기가 달라진다.

크게 진동하는 물체는 주변의 공기를 크게 진동하게 한다. 따라서 진폭이 큰 경우에는 큰 소리가, 진폭이 작은 경우에는 작은 소리가 난다. 소리의 진동수는 매질인 공기 분자가 얼마나 빠르게 진동하는지를 나타내는데, 이에 따라 소리의 높낮이가 달라진다.

소리의 전달 과정

진동수가 큰 경우에는 높은 소리가, 진동수가 적은 경우에는 낮은 소리가 난다. 파동의 속력이 같을 때 진동수가 적으면 파장은 길고 진동수가 크면 파장은 짧다. 따라서 같은 조건에서 낮은 소리는 파장이 길고, 높은 소리는 파장이 짧다. 소리가 진동하는 형태에 따라 소리의 맵시가 달라진다.

세기와 높이가 같은 소리라도 피아노와 리코더의 소리는 다르다. 이것은 두 악기의 모양이 다르고, 소리의 진동을 일으키는 방법도 달라서 소리의 맵시가 다르기 때문이다. 이와 같이 소리의 맵시는 사람의 목소리나 악기의 소리를 구별할 수 있도록 해 준다. 

3. 소음

시간소리를 소음으로 느끼는 것은 주관적이어서 같은 소리를 듣더라도 어떤 사람은 좋은 소리로 느낄 수 있고, 다른 사람은 소음으로 느낄 수 있다. 보통 서로 어울리지 못해 불안정한 느낌을 주는 소리, 큰 소리, 높은 소리 등을 소음으로 느낀다. 소음에는 철도, 자동차, 비행기와 같은 이동 수단에서 나오는 소리나 공장에서 기계가 내는 소리 등이 있다.

요즘에는 아파트와 같은 공동 주택이 늘어나면서 집 안에서 걷거나 뛰는 소리, 텔레비전, 청소기, 세탁기 등에서 발생하는 소리 등 생활 소음이 문제가 된다. 이러한 소음은 청각에 가장 큰 영향을 미치고, 정신적인 스트레스를 주며, 급작스러운 소음은 심장 질환을 유발할 수도 있다. 그래서 소음 규제 법률을 마련하여 소음을 규제하고 있지만, 객관적으로 판정하기 어려운 점이 있다. 

4. 소리와 관련된 직업은 무엇이 있을까?

폴리 아티스트

폴리 아티스트는 소리를 담고 그것을 조합해 새로운 소리로 만드는 일을 하는 사람이다. 폴리라는 말은 할리우드 영화계에서 효과음의 전설이라고 불리는 ‘잭 폴리(Jack Foley)’라는 사람의 이름에서 따왔다고 한다. 잭 폴리는 1930년대부터 할리우드 영화의 효과음을 만든 인물로, 그는 촬영한 영상에 소리를 입히는 행위를 처음으로 시도하였다. 점차 영화 효과음의 중요성이 알려지게 되었고, 몸으로 효과음을 내는 사람을 ‘폴리 아티스트’라 부르게 되었다. 

폴리 아티스트가 소리를 만드는 다양한 방법

• 양손으로 호두 2~3개 비비기: 개구리 소리 
• 키에 콩, 팥을 좌우로 천천히 움직이기: 파도 소리
• •아크릴판에 구슬 굴리기: 빗소리 
• 고무호스 돌리기: 바람 소리 •철 양동이 엎어 밀기: 천둥소리 
• 전기밥통 여닫기: 자동차 문 여닫는 소리 •에어캡 터뜨리기: 팝콘 튀기는 소리 

5. 소리와 관련된 재미있는 이야기 Q and A

날개의 떨림 때문에 소리가 나는 곤충

벌과 모기는 날아갈 때 날개의 떨림 때문에 소리가 난다. 이때 벌과 모기의 소리가 다르게 들리는데, 이것은 곤충마다 내는 소리의 진동수가 다르기 때문이다. 벌에서 나는 소리의 진동수는 약 230 Hz이고, 모기에서 나는 소리의 진동수는 약 150 Hz~500 Hz이다. 

여자가 남자보다 높은 소리를 내는 까닭

사춘기가 되면 후두 주위에 있는 방패 연골이 커지면서 성대도 길어진다. 성대의 길이는 성인 남성은 평균 약 2 cm, 성인 여성은 평균 약 1.5 cm이다. 목소리는 성대의 진동으로 생기는데, 성대의 길이가 짧을수록 목소리가 높아진다. 어린이나 성인 여성의 성대는 성인 남성의 성대보다 길이가 짧고 가늘기 때문에 높은 소리를 낸다. 

공기 중에서 소리를 듣는 과정

물체가 진동하면 주변 공기가 진동하고, 이 진동은 공기로 퍼져 나간다. 이러한 공기의 진동이 귓속으로 전달되면 고막이 진동한다. 이 고막의 진동은 귓속뼈에서 달팽이관으로 전달되고, 달팽이관 속의 림프액이 청각 세포를 자극하여 신호가 대 뇌로 전달되면 소리를 듣게 된다.

소리는 찬 곳보다 따뜻한 곳에서 더 빨리 전달되어서 찬 공기 쪽으로 휜다. 낮에는 땅이 햇빛을 받아 먼저 따뜻해져서 따뜻한 공기가 있는 땅에서 찬 공기가 있는 하늘로 소리가 퍼진다. 그래서 하늘을 날고 있는 새가 소리를 잘 듣는다. 반대로 밤에는 땅이 먼저 식으므로 따뜻한 공기가 있는 하늘에서 찬 공기가 있는 땅으로 소리가 퍼진다. 그래서 땅에 있는 쥐가 소리를 잘 듣는다. 

액체로 소리가 전달되는 예

배에서 보내는 소리가 바닷물로 바닷속 잠수부에게 전달된다. 수중 스피커에서 나오는 음악 소리가 물로 전달되어 수중 발 레 선수는 음악을 듣는다. 잔잔한 호수에 돌을 떨어뜨리면 물속에서 소리를 들을 수 있다. 

고체로 소리가 전달되는 예

놀이터에서 철봉을 두드리는 소리를 반대쪽 철봉에 귀를 대고 들을 수 있으며 벽을 두드리는 소리를 반대쪽 벽에 귀를 대고 들을 수 있다. 

전화기의 소리 전달 원리

옛날부터 사람들은 소리를 멀리까지 전달하기 위해 북이나 종 등을 사용하였는데, 문명이 발달하면서 소리를 전달하는 통신의 중요성이 커져 전화기가 발명되었다. 초기의 자석식 전화기는 송화기에 말을 하면 소리가 전기 신호로 변환되고, 수화 기에서 전기 신호가 다시 소리로 재생되었다.

그러나 전화선을 사용했기 때문에 먼 거리까지 통신할 수 없었다. 이후 발명된 전화기는 선 대신 전파를 사용하여 전기 신호를 멀리까지 전달하게 되었다. 현재의 전화기는 무선 신호를 통해 음성뿐만 아니라 영상까지 전달하는 형태로 발달하였다.

마무리

소리는 물체의 진동으로 시작되며 이 진동이 주변의 공기 분자(또는 물, 고체 속의 분자)를 흔들면서 압축과 팽창을 반복하게 되죠. 이 반복적인 변화가 음파라는 형태로 퍼져나가면서 우리 귀에 도달해 소리로 인식되는 거예요. 매질이 있기 때문이며 공기, 물, 철 같은 물질은 모두 분자로 이루어져 있고, 이 분자들이 서로 연결되어 있어 진동을 전달할 수 있어요. 예를 들어, 북을 치면 북면이 진동이 공기 분자가 흔들리고 그 진동이 연속적으로 전달되어 위리의 귀에 도달하게 되는 원리랍니다.