Sound Intensity (소리의 세기)

해질녘·2026년 2월 20일

Speech Processing

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Sound Intensity

소리의 세기(intensity, strength)와 연관된 여러가지 단위, 표현방식에 대해 알아본다.

acoustic intensity (I)
intensity level (IL)
sound power
sound pressure
sound pressure level (SPL)

그 전에 기본 개념에 대해 복습

Power (전력, 일률)

단위 시간 당 방출되는 에너지의 양

단위: W (와트)

시간 당 일의 양 = 일률

Energy (전력량, 일, 에너지)

에너지의 총량.

단위: Wh (와트시) , J (줄)

따라서 파워와 에너지의 관계는 다음과 같다.

W = P · t

(예) 전자레인지에서 도시락을 돌릴 때 700W에서는 2분, 1000W 에서는 1분 30초를 돌리라고 안내가 되어 있다. 1000W 에서는 시간 당 공급하는 에너지가 많기 때문이다.

위의 파워와 에너지 관계를 가지고 아래 공식에도 적용되는 개념들이 있다.

그리고 데시벨 개념 복습

decibel (dB, 데시벨)

데시벨은 특정 물리량의 단위가 아니며, 두 값의 비율을 로그 스케일로 표현하는 방식이다.

로그 스케일은 소리를 표현하기 위해 도입되었는데

인간 청각의 반응이 로그 스케일에 가깝기 때문에
표현해야 하는 값의 범위가 넓기 때문에 사용한다.
- 예를 들어서, 0 dB 와 140 dB 의 산술적인 값 차이는 10의 14승배이다.

추가로 하나만 더 보자면 dBA 라는 개념도 있다

A-weighted sound level = dBA

dBA는 측정값의 각 주파수 성분에 A-가중치를 부여한 것이다. A-가중치는 등청감곡선을 반영한 것이다. 인간이 모든 주파수 성분을 동등한 level 로 인지하지 않기 때문에 보정한 값임. (즉 보정된 SPL = dBA SPL 이라고 할 수 있음.)

에너지 연관 개념 -> Intensity (에너지의 flow) & IL

복습끝

Acoustic Intensity (Sound Intensity, 음향 강도)

단위 면적을 수직으로 통과하는 음향 에너지의 흐름. = power per unit area

단위: W / m2 (제 곱미터 당 와트)
vector 값으로 방향성 있음.

사람이 들을 수 있는 Sound Intensity의 범위는 10^-12 watts/m2 ~ 10 watts/m2 이다. 이때 사람이 들을 수 있는 가장 작은 Intensity 인

$10^{-12} \text{ W} / m^{2}$

에 대해 threshold of hearing (가청 한계) 라고 한다.

사람이 들을 수 있는 범위가 숫자값으로 넓기 때문에 로그 스케일을 도입하여 IL로 표현한다.

Intensity Level (IL)

Acoustic Intensity를 기준값 대비 로그 스케일로 표현한 값이다.

단위: dB
기준값 : $I_0 = 10^{-12}\ W/m²$ (가청 한계)

Sound Pressure (음압)

공기 중에서 음파가 지나갈 때 대기압에서 순간적으로 변동하는 압력의 크기를 나타낸다.

단위: Pa (파스칼)
마이크에서 실제로 측정하는 것이 음압이다.

예를 들어서 일상 대화 수준의 음압은 0.006 pa 정도이며, 제트 엔진에서 발생하는 소음은 630 pa 정도이다.

사람이 들을 수 있는 범위가 매우 넓다. (100,000배)

그러므로 Sound Pressure 값을 Pa 로 나타내는 것이 아니라 로그 스케일을 도입하여 SPL 의 형태로 표현한다.

Sound Pressure Level (SPL, 음압 레벨)

Sound Pressure를 기준값 대비 로그 스케일로 표현한 값이다.

단위: dB (데시벨)

기준값: $p_0 = 20\ \mu Pa$ (인간 가청 한계, threshold of hearing)
측정 방법: 음압을 측정하는 기기를 SLM (소음계) 라고 하며, SLM 은 마이크, 앰프, 평균 power 를 계산할 수 있는 장치로 이루어진다. 보통 측정된 음압을 변환하여 dB SPL로 표현한다.
SLM은 IEC 61672-1에 규정되어 있다.

SPL 과 IL의 관계

사실 SPL 과 IL 의 관계식은 거의 비슷해 보인다.

Intensity 라는 값이 power 의 제곱에 비례하기 때문에 I를 P로 변환하면 제곱을 붙여서 표현하고 그래서 10이 아니고 20이라는 계수가 붙는다.

그런데 왜 다른 개념으로서 존재하는 것인가?

실제로 현실에서 측정하면 Sound Pressure 와 Sound Intensity가 다르게 나타나기 때문이다. 예를 들어서 실내의 좁은 공간에서 벽에 반사가 된다고 생각해보자. Pressure 의 경우 스칼라값이라 중첩될수록 높게 측정되지만, Intensity 는 벡터값이라 여러 방향에서 반사되면 상쇄되어 낮게 측정될 수 있다.

SPL 과 IL 이 동일한 이상적인 공간을 Free Field 라고 한다. 반사, 굴절, 회절이 없는 공간으로 음원으로부터 나와서 진행하는 직접음이 방해를 받지 않는 공간이다.