방음의 원리

일상에서 "소리"라고 하면 보통 귀로 듣는 감각을 떠올린다. 그런데 모든 소리가 들리는 건 아니고, 들린다고 다 소리인 것도 아니다. 초음파는 분명히 소리지만 우리 귀에 안 들리고, 이명은 외부 소리 없이도 들린다. 그래서 소리라는 단어 하나를 놓고도 사람마다 떠올리는 게 다를 수 있다. 논의를 진행하려면 정의부터 맞춰야 한다. 일상에서 쓰는 말과 과학에서 쓰는 말이 다를 때가 많기 때문이다.

과학에서 소리란, 압력·응력·입자 변위·입자 속도 같은 물리량의 진동이 탄성이나 점성을 가진 매질을 통해 퍼져나가는 현상이다. 이 키워드들을 알면 소리의 특성을 대부분 이해할 수 있다. 하지만 노트북을 사려고 트랜지스터 원리까지 알 필요 없듯이, 방음이 목적이라면 이걸 전부 파고들 필요는 없다.

핵심만 남기면 두 가지다. 무엇이 떨리는가, 그 떨림을 어떻게 막을 것인가.

본격적으로 들어가기 전에 소리의 성질을 알아야 한다.

소리의 크기는 데시벨(dB)로 측정한다. 데시벨은 로그 스케일이라서 직관과 다르게 움직인다. 10dB 올라가면 에너지는 10배, 20dB 올라가면 100배다.

왜 이렇게 느끼는지에 대해서는 여러 설명이 있는데, 한 가지 그럴듯한 해석은 이렇다. 멀리서 코끼리가 달려온다고 해보자. 1마리인지 2마리인지는 생존에 큰 영향을 끼친다. 한 마리면 싸워볼 만할 수도 있다. 반면 22마리인지 23마리인지는 중요하지 않다. 엄청 많이 온다는 것만 알면 도망가면 된다. 이것이 사람이 로그 스케일로 소리를 느끼는 이유다.

수치로 보면 일상적인 대화가 60dB 정도, 지하철 안이 80dB, 콘서트장이 110dB쯤 된다. 방음에서 "몇 dB 줄였다"는 표현이 자주 나오는데, 10dB 줄이면 체감상 절반쯤 조용해진 느낌이 든다. 다만 같은 10dB라도 주파수에 따라 느낌이 다르다.

주파수는 1초에 몇 번 떨리는지를 말한다. 단위는 Hz(헤르츠). 낮은 주파수는 느리게 떨리고, 높은 주파수는 빠르게 떨린다. 사람 귀는 대략 20Hz에서 20,000Hz 사이를 들을 수 있다.

파장은 떨림 한 주기가 공간에서 차지하는 길이다. 주파수와 파장은 반비례한다. 주파수가 낮으면 파장이 길고, 주파수가 높으면 파장이 짧다. 공기 중에서 100Hz 소리의 파장은 약 3.4m, 1000Hz는 약 34cm, 10000Hz는 약 3.4cm다.

방음에서 이게 중요한 이유는 파장에 따라 소리의 행동이 완전히 달라지기 때문이다. 저주파는 파장이 길어서 웬만한 장애물을 그냥 돌아서 지나간다. 벽이나 흡음재가 파장보다 작으면 효과가 거의 없다. 그래서 저주파를 막으려면 두껍고 무거운 구조물이 필요하다. 고주파는 파장이 짧아서 작은 흡음재로도 쉽게 줄일 수 있다. 대신 작은 틈새로도 잘 빠져나간다. 문 밑 틈이나 콘센트 구멍처럼 사소해 보이는 곳으로 고주파가 새어 나온다. 저주파를 막는 것과 고주파를 막는 것은 접근이 다를 수밖에 없다.

주파수에 대해 하나 더 알아두면 좋은 게 있다. 사람 귀는 주파수마다 민감도가 다르다. 같은 크기의 소리라도 주파수에 따라 다르게 느껴진다. 사람 귀는 2,000~5,000Hz 대역에서 가장 민감하다. 대화 소리가 이 근처다. 반면 저주파(100Hz 이하)나 고주파(10,000Hz 이상)는 같은 음압이어도 더 작게 느껴진다.

이걸 정리한 게 등청감곡선(equal-loudness contour)이다. 주파수별로 "똑같이 크게 들리려면 실제로 얼마나 큰 소리가 필요한지"를 보여준다. 방음에서 이게 중요한 이유는 물리적으로 같은 양을 줄여도 체감이 다르기 때문이다. 저주파를 10dB 줄이는 것과 중주파를 10dB 줄이는 건 숫자는 같아도 느낌이 다르다. 사람이 민감한 대역을 우선 처리해야 체감 효과가 크다.

그렇다고 등청감곡선만 맹신하는 것도 위험하다. 민감한 대역과 불쾌감을 느끼는 대역이 다르기 때문이다. 저주파는 귀에 작게 들려도 불쾌감이나 압박감을 유발하는 경우가 많다. 시공하는 곳이 가정집인지, 스튜디오인지, 콘서트장인지에 따라 타겟하는 주파수가 달라지는 이유다.

방음에서 중요한 매질은 크게 두 가지다. 공기와 구조물.

공기가 떨리는 소리를 공기전달음(airborne sound)이라고 한다. 말소리, 음악, TV 소리처럼 공기를 타고 오는 것들이다. 옆방 통화 소리가 들린다면, 공기의 떨림이 벽을 거쳐 이쪽까지 전달된 것이다.

구조물이 떨리는 소리는 구조전달음(structure-borne sound)이다. 위층 발소리, 세탁기 진동, 배관 타고 오는 물소리가 여기 해당한다. 공기가 아니라 바닥, 벽, 파이프 같은 고체를 통해 전달된다.

똑같이 시끄러워도 원인이 다르면 해법이 다르다. 공기음이 문제면 틈새를 막아야 하고, 고체음이 문제면 진동이 구조물을 타고 퍼지는 걸 끊어야 한다. 어떤 매질이 떨리는지 파악하는 게 방음의 첫 단계다.

다만, 공기를 통해 전달되는 소리라면 틈만 완벽히 막으면 끝일 것 같다. 하지만 틈을 다 막아도 소리가 들린다면, 그건 공기가 구조물을 진동시키고, 그 구조물이 다시 반대편 공기를 진동시킨 것이다. 틈새를 막은 다음에는 구조물이 떨리는 걸 막아야 한다.

방법은 크게 세 가지다. 차단, 흡수, 감쇠.

차단은 떨림이 넘어오지 못하게 경로를 끊는 것이다. 공기음의 경우 틈을 막아도 구조물을 타고 소리가 넘어올 수 있다. 이때는 벽을 무거운 재료로 만들어 물리적으로 흔들리기 어렵게 만든다. 질량을 키워 벽이 흔들리는 것을 원천적으로 방지하는 것이다.

고체음의 경우 구조물 사이에 고무나 스프링 같은 완충재를 넣어서 진동 전달을 막는다. 다만 완충재의 진동 특성을 신경 쓰지 않으면 효과가 없거나, 오히려 소리를 키울 수도 있다. 완충재 위에 볼링공을 떨어뜨린다고 생각해보자. 완충재가 너무 딱딱하면 충격이 그대로 전달되어 아랫집에서 큰 소리가 들린다. 반대로 너무 물렁하면 볼링공이 바닥까지 푹 꺼지면서 충격이 그대로 전달된다. 진동 특성에 맞는 적당한 강성이 필요하다. 이걸 제대로 계산하지 못하고 고무 소재를 아무거나 쓰는 경우가 많은데, 특정 주파수가 오히려 증폭되는 역효과가 날 수 있다.

흡수는 떨림의 에너지를 열로 바꿔서 없애는 것이다. 스펀지, 미네랄울, 카펫 같은 다공성 재료가 대표적이다. 소리가 재료 안에서 이리저리 부딪히면서 에너지가 줄어든다. 다만 흡수는 주로 실내 반사음을 줄이는 데 효과적이지, 벽 너머로 소리가 넘어가는 걸 막지는 못한다. 벽에 스펀지를 붙였는데 옆방 소리가 여전히 들린다면, 놀랍도록 당연한 것이다.

감쇠는 구조물 자체의 진동을 빨리 죽이는 것이다. 얇은 철판을 두드리면 한참 울린다. 하지만 손으로 잡은 채 두드리면 진동이 금방 사그라든다. 구조물에 에너지를 흡수하는 재료를 붙여서 같은 효과를 내는 것이 감쇠다. 과거에는 소리를 막기 위해 단순히 질량을 늘렸지만, 최근에는 감쇠를 이용한 소음 관리가 주로 연구되고 있다. 건축물의 하중 한계 내에서도 의미 있는 방음 성능을 낼 수 있게 되었다.

방음이 잘 안 되는 경우 대부분은 문제와 해법이 맞지 않아서다. 공기전달음 문제에 흡음재를 붙이거나, 구조전달음 문제에 벽만 두껍게 하면 효과가 없다. 뭐가 떨리는지 먼저 파악하고, 거기에 맞는 방법을 써야 한다.