<재미있는 소리탐구>

과학수업 내용중에는 소리처럼 항상 우리 곁에서 일어나고 있는 일들이 많다. 우리가 늘 접하는 소리인데도 불구하고 학문적으로 접근하다면 재미없고 지루한 수업이 되기도 한다. 필자가 만든 프로그램을 통해 소리의 진폭과 진동수에 대한 개념을 쉽게 이해하고, 나아가 소리를 이용한 게임들을 통해 소리의 성질을 체험할 수 있게하여 재미있는 수업을 만드는데 기여하고자 한다.

1. 파동의 성질

가. 제작배경

파동단원은 학생들이 어려워하는 부분 중에 하나다. 진동수, 진폭, 파장, 주기 등등 이런걸 왜 배워야 하는지, 도대체 어디에 쓰이는 건지 막막하기만 하다. 그러다 보니 수업을 하고 있는 선생님이나, 듣고 있는 학생들이나 모두 수업시간이 지겨워 지곤 한다.

‘선생님 그런데 그게 왜 중요해요?’ 라는 질문을 받을 때 마다 파동의 원리는 소리와 전자기장 나아가 현대물리에서도 중요한 원리가 된다는 대답만으로는 학생들에게 충분한 답이 될 수는 없을 것이다. 그래서 쉽고 재미있게 가르쳐 보려고 프로그램을 만들게 되었다. 처음에는 단순히 파동만 보여주려고 했는데 만들다 보니 자꾸 욕심이 생겨서 횡파뿐 아니라 종파도 추가하게 되었고, 배의 위치도 옮길 수 있게 하였고, 학생들의 지루함을 달래기 위해 수영선수도 지나가게 해 보았다. ‘선생님 상어는 안 나오나요?’라는 질문을 하는 학생이 있다. 현재는 없다. 언젠가 상어가 출현할지도... 상어의 존재를 질문하는 학생들을 보니 어쨌거나 학생들의 관심을 끄는데는 성공한 것 같다. 그렇다면 절반의 성공은 거둔셈이다.

나. 사용방법

1) 1번 위치에 있는 버튼으로 파동을 움직이게 하거나 멈출 수 있다. 가끔 파동을 멈추게 해야 설명하기가 쉽기 때문이다.

2) 2번 위치에서 파동, 진동수, 진폭을 조절할 수 있다. 단 파장을 작게하고 진폭을 크게하면 아래쪽에 용수철로 그려지는 횡파의 모양이 이상해 질 수 있다. 진동의 한계를 넘어서기 때문이다. (오히려 학생들은 이런 황당한 경우를 더 좋아하긴 하지만...)

3) 3번 위치에는 수영선수 버튼과 색칠하기 버튼이 있다.

수영선수 버튼을 누르면 수영선수가 좌에서 우로 헤엄쳐 간다.  제자리에서 진동만 하는 배와 대조되기도 하고, 여러 가지 의미를 부여하여 설명할 수도 있다. 색칠하기 버튼을 이용하여 7번 위치에 파도 색깔을 바꿀 수 있다. 누를때마다 조금씩 진해지다가, 나중에는 선만 남게 된다. 교과서에 나오는 선만 앙상한 횡파처럼 보여야 할 때도 있어서 만들어 넣었다.

4) 4번 위치에 용수철로 종파를 표시하였는데 종파의 진동수는 쉽게 아는데 진폭과 주기를 어려워하는 경우가 있다. 진폭은 4번위치에 화살표처럼 진폭이 50일때는 진동중심에서 좌우로 50씩 움직인다. 종파의 경우도 한번 설명해 주면 좋다.

5) 5번 위치에 배를 등장시켰는데, 이 배도 마우스로 잡아 위치를 옮길 수 있도록 하였다. 파동의 성질 중 매질은 이동하지 않는다는 것을 보여주기 위해 만들어 놓았다. 가끔 주기를 측정할 때는 배를 중간위치로 옮기는 것이 좋다.

6) 6번 위치에 타이머가 있다. 주기가 얼마인지는 화면상에 표시해 놓지 않았다. 2번위치에서 진동수를 정해놓고 타이머를 이용하여 배의 진동수나 주기를 학생들과 함께 측정해 보기 바란다. (단 1번 진동하는 시간을 측정하려면 너무 힘드니, 10번 진동하는 시간을 측정해서 10으로 나누는 것이 좋다)

다. 수업시간에 활용방법

1) 파장,진동수,진폭 개념 익히기

파장 : 골에서 골까지, 마루에서 마루까지의 거리, 또는 똑같은 모양이 반복되는 곳 까지의 거리입니다. 잠시 정지 버튼을 누른후 파장의 길이를 확인해 본다

종파의 경우에는 밀한곳에서 밀한곳, 또는 소한곳에서 소한곳까지의 거리다.

진동수 : 1초동안 진동한 횟수를 말한다.

진동수를 변화시켜 가면서 확인해 보고, 타이머를 이용해 직접 측정해 볼 수도 있다.

종파의 경우 가운에 빨간 용수철이 1초동안 진동하는 횟수를 세어보면 된다.

진폭 : 진동의 중심에서 마루나 골까지의 거리

진폭을 변화시켜 가면서 확인해 보세요

종파의 경우에는 빨간용수철이 움직이는 폭의 1/2 이 진폭이 된다.

2) 주기 측정하기

주기 : 1번 진동하는데 걸리는 시간

학생들과 진동하는 시간을 우측위에 있는 타이머를 이용해서 직접 측정해 보게 한다.

단 1번진동하는 시간을 측정하기는 오차도 크고 어려우니 10번 정도 진동하는 시간을 측정하여 나누기 10을 하는 것이 좋다.

2. 윈도우 미디어 플레이어를 이용하여 소리보기

가. 개요

상용프로그램을 사용하지 않고도 학생들도 누구나 사용할 수 있는 기본 프로그램을 가지고 파형을 분석할 수 있다는 것은 의미가 있는 일이다. 윈도우를 설치하면 기본적으로 생기는 윈도우 미디어 플레이어에도 파형을 볼 수 있는 기능이 있다. 이 기능을 이용하여 파형을 분석해 보자.

나. 사용방법

1) 컴퓨터를 이용하여 전자 피아노에서 나오는 낮은도, 높은도, 큰소리, 작은소리나 또는 소리굽쇠의 소리를 녹음한다. 녹음된 파일을 미리 준비해 두면 좋다.

- 주의 : 노래소리는 파형이 복잡해 분석이 거의 불가능하다.

2) 윈도우 미디어 플레이어 메뉴에서 보기-시각화-막대와 파동-한계를 선택한다.

- 한계로 설정해 놓으면 위 그림처럼 소리가 재생될 때 파형을 볼 수 있다.

3) 녹음된 소리를 불러들여 실행시킨다.

4) 소리의 크기에 따른 진폭과 소리의 높낮이에 따른 진동수를 일시정지를 눌러 관찰한다.

다. 수업시간에 활용방법

1) 일시정지를 눌렀을 때 한 화면에 보이는 시간은 약 0.023초임을 알려준다.

2) 일시정지를 눌렀을 때 파형이 10개가 보인다면 주기는 0.0023초가 되고 진동수는 434.8Hz 정도가 된다.

3) 낮은도 음이 나올 때 일시정지 버튼을 눌러 화면상에 나오는 파형을 세어보고 진동수가 얼마인지 알아내 보자

4) 높은도 음이 나올 때 일시정지 버튼을 눌러 화면상에 나오는 파형을 세어보고 진동수가 얼마인지 알아내 보자

3. 음성 변조 프로그램

가. 제작배경

소리의 성질에 대해서 이론적으로 배운 것을 바탕으로 실제로 자신의 목소리를 가지고 검증해 볼 수 있는 프로그램을 만들게 되었다. 자신의 목소리를 녹음하고, 진폭과 진동수를 바꾸어 볼 수 있고, 나아가 자신의 목소리로 연주도 해보고, 졸라맨 목소리도 만들어 보며 놀아보자.

나. 사용방법

1) 우선 컴퓨터에 마이크를 통해 소리가 입력될 수 있도록 설정 한다.

(설정방법은 아래 사이트 참고)

http://sciencelove.com/mic/micset.htm

2) 3번 위치에 있는 버튼을 이용해서 자신의 목소리를 녹음한다. 녹음 버튼을 누르고 마이크로 말을 한 다음에 스톱 버튼을 누르면 된다. 제대로 녹음이 되었는지 들어보고 싶으면 플레이 버튼을 누른다.

3) 1번 위치에있는 진폭 슬라이더를 움직이며 소리의 크기를 바꾸어 보자.

4) 2번 위치에 있는 진동수 슬라이더를 움직여 소리의 진동수를 바꾸어 보자.

5) 4번 위치에 있는 피아노 건반을 이용하여 녹음된 목소리로 연주해 보자.

(목소리로 연주를 시도할 경우에는 녹음버튼을 누르기 전부터 “아~~~” 하고 소리를 내다가 녹음 버튼을 누른다. 그렇지 않으면 앞부분에 소리가 녹음되지 않아 피아노소리로 연주할때 소리가 바로 나오지 않게되어 연주 할 수 없게 된다. 그리고 주의할 점은 녹음이 끝난 후 10초정도 기다렸다 스톱버튼을 누른다. 그렇게 하지 않으면 고음을 연주할 때 소리가 상당히 짧아지게 된다.)

6) 5번 위치에서는 소리가 날 때마다 파형이 바뀌는데 이 파형은 실제파형이 아니라 시뮬레이션 된 파형이다.

7) 6번 위치에 있는 버튼을 이용하면 수업 순서에 맞게 1가지씩 제시하며 보여줄 수 있다.

다. 수업시간 활용방법

1) 소리의 세기 실험

음성변조 프로그램을 실행시키고 목소리를 녹음한 후 진폭을 변화시켜 가면서 소리의 세기가 어떻게 달라지는지 확인해 볼 수 있다.

2) 소리의 높낮이 실험

음성변조 프로그램을 실행시키고 목소리를 녹음한 후 진동수를 변화시켜 가면서 소리의 높낮이가 어떻게 변하는지 확인해 보자.

진동수의 변화가 소리의 높낮이를 변화시킨다는 것을 알게 되었다면, 졸라맨 목소리도 만들어 보고, 자신의 목소리로 연주도 해 보자.

3) 응용실험 졸라맨 목소리의 원래 목소리를 알아내기

졸라맨 목소리를 녹음한 후 진동수를 낮추어 보면 졸라맨을 녹음한 사람의 원래 목소리를 알아낼 수 있다.

4. 그밖에 소리관련 프로그램 이용하여 응용하기

기본적으로 컴퓨터에 마이크를 통해 소리가 입력될 수 있도록 설정이 되어 있어야 한다.

가. 제작배경

- 직접 체험하는 것보다 더 좋은 것은 없다. 따라서 개인 또는 반 전체가 자신들이 내는 소리를 이용해서 작동하는 게임을 즐기면서, 소리에 대한 개념을 이해하는데 도움을 주고자 하였다.

나. 소리관련 프로그램들

1) 박수경주게임(진동)

<박수 경주 게임>

<조절레벨>

진동에 대한 개념을 박수게임을 이용해서 설명, 1번 진동(박수 1번) 할 때 마다 우주선이 1칸씩 이동하는 게임을 통해 박수소리 1번이 진동 1번과 같다는 개념을 설명할 수 있다. 즉 학생들이 손바닥을 빨리 진동할수록(박수를 빨리 칠수록) 우주선의 이동속도도 빨라지게 된다.

- 주의할 점은 학생들의 소리가 위 <조절레벨>그림처럼 현재레벨로 들어오게 되는데 게임이 시작되고 현재레벨의 이동 폭을 잘 보고 있다가 작동레벨을 그 사이 값으로 맞추어 주어야 한다.

(예를 들어 과학실이 울림이 많아 입력되는 소리의 크기인 현재레벨이 80에서 90사이를 왔다갔다 한다면 작동레벨을 85정도로 맞추어 주어야 정상적으로 작동한다)

- 이 프로그램은 작동레벨보다 소리가 커졌다 작아져야지만 움직이게 만들어져 있다. 따라서 학생들이 함성을 계속해서 지르면 우주선은 움직이지 않는다.

2) 우주선 조절 게임(진폭)

- 학생들 개인 또는 전체의 소리 크기로 우주선을 조절하여 장애물을 통과하는 게임, 재미와 함께 자연스럽게 소리의 세기(진폭)에 대한 체험을 할 수 있다. 큰소리가 나면 우주선이 위로 올라가고 작은 소리가 나면 우주선이 아래로 내려오게 설계되어 있다.

- 주의할 점은 이 게임을 하고나면 학생들이 큰소리와 높은소리를 자꾸 혼동하게 된다. 왜냐하면 큰소리를 내려고 하다보면 자신도 모르게 고음을 내는 경향이 있기 때문이다. 그래서 학생들은 진폭이 고음을 낼 때 커진다는 착각을 하게 된다.

- 이럴 경우에는 노래를 부르며 우주선을 조절하게 함으로써 소리의 높낮이와 소리의 세기를 혼동하는 학생들의 개념을 확실하게 잡아 줄 수 있다.

3) 소리크기 측정 프로그램

<소리 크기 측정기>

- 소리의 세기(진폭)를 측정하는 장치이다. 어느 분단이 대답소리가 제일 큰지, 또는 누가 제일 크게 말하는지를 측정할 수 있다.

- 주의할 점은 컴퓨터 마이크에 가까운 쪽 소리가 더 크게 입력되므로 가능하면 경쟁을 하는 학생이나 분단과 일정한 거리를 유지하게 하는 것이 좋다.개인적으로 경쟁시킬때는 교실 뒷편에서 소리를 내게 하면 좋다.

4) 소음경보기

<소음 경보기>

- 소음경보기는 큰소리에 작동하도록 설계되어 있다. 자습시간에 활용하여 학생들이 떠드는 소리를 감지하여 경보를 울려 줄 수 있다.

- 민감도를 조절하기 위해서는 경보레벨을 조절해야 한다. 경보는 경보레벨보다 입력되는 현재레벨 소리가 커질때만 작동하기 때문이다.

- 수업시간 중 모둠별 실험시간이나 토론시간에 실행시켜 놓으면 어느정도 이상 소란스러워지는 것을 예방할 수도 있다.

5. 소리도 파동이다.

가. 집음기(소리도 반사한다.)

- 소리도 빛처럼 반사를 합니다. 집음기를 이용하면 오목거울이 빛을 반사시켜 한곳으로 모으는 것처럼 소리를 한곳에 모아 크게 들을 수 있습니다. 소리가 나는 쪽으로 방향을 향하고 원하는 소리를 모아 크게 들을 수 있답니다.

나. 소리렌즈(소리도 굴절한다.)

1) 소리도 빛처럼 굴절을 한다. 풍선에 드라이아이스를 넣어 이산화탄소를 채워주면 매질의 차이에 의해 풍선을 지나가는 소리가 빛에서 볼록렌즈가 빛을 굴절시켜 한곳에 모으는 것처럼 소리를 한곳으로 모아주게 됩니다.

2) 탐구과정

- 풍선안에 드라이아이스 조각을 넣고 끝을 잘 묶는다.

- 드라이아이스가 승화하여 이산화탄소가 발생하면 풍선안에 이산화탄소 기체가 채워지며 부풀어 오른다

- 풍선의 중심으로부터 60-70cm 정도 되는 곳에 스피커를 설치한다.

- 스피커가 설치된 풍선의 반대쪽으로 가서 풍선중심으로부터  15-30cm 정도 떨어진 곳에 소리가 모아져서 크게 들리는 곳이 어딘지를 귀를 가까이했다 멀리했다 하며 찾아본다.  (풍선에 귀를 직접 대는 것이 아님)

- 소리가 크게 들리는 곳을 찾으면 풍선을 치우고 소리를 들어본다.

- 풍선이 있을때와 없을때의 소리의 크기를 비교해 본다.

- 스피커의 위치를 풍선에 가까이하면 귀의 위치를 바꾸어 가며 소리를 들어본다.

6. 참고자료

이곳에 소개된 프로그램은 필자가 직접 제작한 프로그램들이며 아래 사이트에서 무료로 다운 받을 수 있습니다.

김정식과 허명성의 과학사랑 http://sciencelove.com