음압
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분류
1. 개요[편집]
sound pressure / 音壓
음파에 의한 압력 변화. 단위는 파스칼(Pa)를 사용한다.
2. 음압 레벨[편집]
소음 공해의 정도는 음압 레벨을 측정하여 나타내는데 이때 쓰이는 데시벨은 엄밀히는 dBSPL(Sound Pressure Level, SPL) 혹은 dB SPL을 단위로 하는 값으로, 사람이 평균적으로 들을 수 있는 가장 작은 소리의 음압[1] 0.00020 dyn/cm2=20 μPa을 기준으로 정하고 절댓값으로 사용하며, 음압 레벨은 장량(field quantity)에 속하는 물리량이기 때문에(자세한 것은 데시벨#정의 문서 참조) 정의 문단의 두 번째 식을 쓴다. 식으로 나타내면
예를 들어 어떤 음압([math(L_{\rm dB_{SPL}})])이 40 dBSPL이라는 것은 '최소 음압(20 μPa)의 100배', 즉 [math(P=2000{\rm\,\textμPa}=2{\rm\,mPa})]이라는 뜻이다.[math(L_{\rm dB_{SPL}}/{\rm dB_{SPL}} = 20\log_{10}\dfrac P{\rm20\,\textμPa})]
다만, 이것은 공기 중에서의 이야기이고 수중에서는 0.00001 dyn/cm2=1 μPa을 기준으로 한다. 고유 음향 임피던스(characteristic acoustic impedance, [math(Z_0)])는 밀도([math(\rho_0)])와 음속([math(c_0)])의 곱이므로, [math(Z_0=\rho_0c_0)]인데 물의 밀도는 [math(\rho_0=1000{\rm\,kg/m^3})]이며 음속은 [math(c_0=1445{\rm\,m/s})]이므로 고유 음향 임피던스 [math(Z_0=1\,445\,000{\rm\,Rayl})]지만 공기의 그것은 20 ℃에서 [math(Z_0=413.3{\rm\,Rayl})]에 불과하기 때문이다. 음압의 세기([math(I)])는 음압([math(p)])과 고유 음향 임피던스([math(Z_0)])의 영향을 받는데 [math(I = \dfrac{p^2}{Z_0})]이기 때문에 [math(Z_0)]가 크면 클 수록 같은 음압이 발생해도 음압의 세기는 약해진다. 그래서 수증 음압은 공기 중일 때 기준 음압인 20 μPa보다 작은 값인 1 μPa를 기준으로 한다.
3. 음압 데시벨(dBSPL)의 정도[편집]
여기서부터는 소음성 난청 증상을 줄 수 있는 소음으로 분류된다.
4. 기타[편집]
vsauce3 유튜브 채널에선 1100 dBSPL의 에너지량을 구했다.
위 영상에 따르면 1100 dBSPL의 소리에 0.1초 동안 노출되었다고 했을 때 그 일률은 1098 W = 1098 J/s로[6] 우주 전체 질량을 에너지로 환산한 값인 4×1069 J을 한참 상회하는 값이기 때문에(약 816 dBSPL), 실제로 발생한다면 질량-에너지 등가원리[7]를 통해 약 1.113×1080 kg의 질량에 해당되는 에너지가 발생하며, 에너지(=질량)의 밀도가 매우 높아 결과적으로 블랙홀이 형성된다. 이 블랙홀의 슈바르츠실트 반지름([math(r_{\rm S})])은 [math(r_{\rm S}=1.747\times10^{37})]광년으로 계산되며 이는 관측가능한 우주의 크기 9.3×1010광년을 한참 뛰어넘는다. 데시벨에 관련된 자료가 왜 없는지에 대해 아주 잘 설명해주는 동영상이라고 볼 수 있다. 데시벨 자체가 로그 스케일인만큼 값이 워낙 커지기 때문이다.
위의 영상에 나오듯이 195 dBSPL 이상은 충격파로 간주하게 된다. 이를테면 아폴로 계획의 새턴 V 로켓 발사 시 소음이 204 dBSPL이었다. 이 정도면 고막이 문제가 아니라 아예 사망까지 갈 수도 있는 수준이다[8]. 물론 로켓 발사 시 이 충격파를 받을 만큼 가까운 곳에 사람이 있을 리는 만무하지만 사람보다는 인접한 기계들에 무리가 갈 수 있으므로 로켓 이륙 패드에 살수장치나 나일론 패드 등 여러 장치를 해두어 전투기 이륙 수준의 소음으로 소리를 줄였다. 한편, 바이코누르 우주기지에서는 영하 40도까지 떨어지는 지리적 특성상 살수장치를 사용하기가 어려웠고[9], 이 때문에 매우 큰 굴을 파 음파를 흩뜨리는(서로 부딪히게해 상쇄시키는) 방식으로 해결했다.
자연에서 발생한 소음 중 가장 큰 소음으로 기록된 것은 크라카타우 화산이 폭발할 때 낸 폭음이다. 추정값은 170~180 dBSPL인데, 웬만한 인위적 소음 저리가라 할 정도로 컸다.
생물체가 내는 소음 중에서는 딱총새우가 내는 소음이 가장 크다. 이 소음은 로켓 발사소음보다도 훨씬 커서 무려 210 dBSPL에 이른다[10].
[1] 이를 심리 음향학에서 청력의 절대 역치(Absolute Threshold of Hearing)라 부른다.[2] 2004년에 올라온 기사에 의하면 무소음 컴퓨터들의 경우 30 dBSPL 이하를 기준으로 잡고 있으며 컴퓨터 내부에 들어가는 부품(케이스에 장착된 시스템 팬, CPU 쿨러, 그래픽카드 등)의 여러 상황에 따라 다를 수 있긴 하지만 보통 30~60 dBSPL 정도가 대부분이고 소음이 매우 심한 컴퓨터의 경우 70~90 dBSPL 혹은 그 이상의 소음까지 발생한다.[3] 전남대학교 기계공학과 음향연구실이 신병교육대 등에서 사격할 때의 민원을 위해 개발 및 설계한 소음기이다.[4] 왜 권총이 소총보다 소리가 크냐면 권총은 총열이 짧아서 연소되지 못한 화약이 밖에서 터지고 이 에너지가 소리로 발산되기 때문이다. 소총은 충분히 긴 총열에서 에너지가 탄두의 운동에너지로 권총보다 많이 전환되기 때문.[5] 이 이상부턴 말이 소음이지 사실상 충격파다.[6] 즉 실제 에너지는 1097 J이 된다.[7] 특수상대성이론에서 도출되는 원리로 [math(E=mc^2)]에서 알 수 있듯이 질량([math(m)])과 에너지([math(E)])는 광속([math(c)])을 매개로 서로 변환될 수 있으며 그 본질이 같다는 원리이다. 원자력 발전, 핵무기가 대표적인 예시로 이들은 핵분열 중 질량이 에너지로 바뀌는 현상을 이용한 것이다.[8] 204 dBSPL은 약 3.13기압으로 환산된다.[9] 물을 뿌려봤자 순식간에 얼기 때문이다. 한치의 오차도 없어야 할 로켓 발사에 매우 위험한 요소가 될 수도 있다. 지금도 저기서는 눈이 펑펑 내리는 날씨에도 아랑곳하지 않고 쏴댄다.[10] 210 dBSPL은 약 6.24기압으로 환산된다.
