[음향]Refraction(굴절)/Diffraction(회절)/Doppler Effect(도플러이펙터)

Refraction(굴절)

음파가 한 매질에서 다른 매질로 들어가면 속력이 변합니다.
속력의 변화는 음파의 진행 방향을 변화시키고, 이 현상을 '굴절'이라고 합니다.
소리의 속력은 공기의 온도가 높아지면 빨라집니다.
(소리의 이동 340ms 1도 온도가 상승하면 0.6ms 빨라진다)
공기가 따듯할수록 공기 입자들의 움직임이 빨라져 소리의 속뎌가 빨라지게 되고
소리의 속력이 빠른 따듯한 공기쪽에서 소리의 속력이 느린 차가운 공기 쪽으로 소리가 구부러집니다.
소리의 속도가 위치에 따라 바뀔 때 사운드 에너지가 모퉁이를 돌아 가는 결과를 낳게 되고
이를 '굴절(refraction)'이라고 부른다. 어떤 음파도 굴절할수 있습니다.

낮에는 지표면에 가까운 공기가 위쪽보다 더 따듯하므로 지표면 근처에서 소리의 속력이 증가합니다.
그 결과 음파는 지표면에서 먼 쪽으로 휘게 되어 소리가 잘 들리지 않게 됩니다.
밤에는 지표면의 공기가 주위보다 차가우므로 낮과 반대가 됩니다.
즉 지표면에서 가까운 곳에서 소리의 속력이 줄어들고 위쪽의 속력이 빨라져서 소리가 지표면 쪽으로 굴절하게됩니다.

지표면이 하늘에 비하여 차갑다(밤)
밤에 멀리 있는 교회 종소리(혹은 절의 북소리)가 평소보다 더 크게, 가까이 들리게 되고
지표 층은 차겁고 하늘은 뜨거우므로 지표 층 소리가 더 빨리 전달된다.
지표면이 하늘에 비하여 뜨겁다(낮)
맑고 햇볕 나는 날, 지표 층은 대기의 온도에 비하여 뜨거우므로 소리의 전달이 빠르다.
심지어 점점 멀어 질수록 소리가 안들리게 된다.

Diffraction(회절)

주파수에 따라 조금 다른 현상을 보이지만 사운드는 코너를 돌아 여행 할수 있습니다.
건물 사이를 돌아 사이렌 소리는 보이지 않는 곳까지 들리게 됩니다.

이러한 소리의 퍼지는 현상을 회절(Diffraction)이라고 합니다.
얼마나 소리가 회절 할 것인가는 Wavelength에 달려 있습니다.

빛도 퍼지는 성질이 매우 강하지만 자동차의 전조등과 같이 좁은 광선은 길게 멀리 보내고
주변 지역은 매우 적은 빛의 영향력만을 받게 된다.

스피커로부터 발생한 베이스 사운드는 룸에 골고루 퍼진다.
고음 사운드는 얇은 빔과 같이 방향성을 가직 비추인 곳을 향하여 직진한다.
회절 효과는 스피커 사이즈에도 영향을 미치며 고음 사운드를 일반적으로 작은 스피커를 통해 재생하는 것은
고음은 작은 스피커에서 모든 방햐으로 더 일률적으로 퍼지게 되기 때문입니다.
왼쪽 귀는 오른쪽 귀 쪽에서 들려오는 사운드를 들을 수 있습니다.
또한 베이스 음은 머리보다 아주 긴 Wavelength를 가지고 있으므로 두개의 귀에 동시에
회절 하여 들리게 되어 방향성을 느끼지 못하게 됩니다.
하지만 고음은 보다 많은 소리의 그림자를 만들어 하나의 귀에 반대 귀에 들리는 사운드 보다 휠씬 작은 사운드를 들리게 하여
사운드 소스가 어느 방향에서 들리는지를 판단할수 있는 여러 단서 중 하나를 제공하게 됩니다.

일상 속에서 흔히 볼수 있는 형상입니다. 그 예로
얼굴을 바로 보고 얘기를 하지 않아도 얘기를 나눌 수 있습니다.
골목에서 응급차가 보이지는 않지만 사이렌 소리가 들립니다.
회전은 골목에서 따라 좁은 골목은 소리가 멀리가 까지 퍼져 나가고
넓은 골목은 멀리 까지 퍼지지 않습니다.

Doppler Effect(도플러 이펙트)

도플러 이펙트는 사운드의 소스가 고정된 청취자를 지날갈 때
사운드의 음정이 변화는 현상을 말합니다.
예시로 트럭이 크락션을 울리며 지나 간다면 크락션 소리의 음정은 점차적으로 낮아집니다.

하나의 스피커만을 가지고 있는 Full Range Speaker의 경우 스피커의 우퍼가 청취자 쪽으로
향하면 피치가 올라가고 반대이면 피치가 내려간다. 이것은 곳 Low Frequency에 의한 High Frequecny의
Frequency modulation 입니다. 이러한 현상을 Doppler Distortion 이라고 합니다.

듣는 사람이 움직이던 음원이 움직이던 음원과 듣는 사람이 가까워 지면 피치가 올라가는 것으로 들리고
피치가 내려가는 듯한 느낌을 받게 됩니다. 물론 속도가 일정수준이 되어야만 귀로 느낄 수 있기 때문에
음원 쪽으로 걸어간다 하는 정도의 속도로는 그 차이를 감지할 수 없기 때문에 도플러가 음악적으로 크게 문제 되지는 않습니다.
음원의 속도가 아주 빠르게 이동하는 경
우 누구나 피치의 변화를 뚜렸하게 느낄 수 있습니다.

도플러 이펙터의 공식입니다.
C = 소리가 1초 동안 이동하는 거리 340ms
C0 = 이동하는 거리
F = 주파수

한번 풀어보세용
문제를 하나들면 청취자가 음원을 향하여 13m/s로 이동할 경우 변화된 주파수는 얼마인가요?
(음원의 주파수는 7kHz)
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청취가 음원으로 이동하기때문에
공식은 F = F x C + C0/c
7000 x 340 + 13/340 = 약 7,267 Hz 입니다.