음속(Speed of Sound, $c$)은 음파(소리)라는 물리적 파동 에너지(파면)가 매질을 통해 전파해 나가는 속도를 의미한다.
소리의 신호나 에너지가 공간상에서 이동하는 속도로, 매질 내 개별 공기 분자가 제자리에서 흔들리는 입자 속도(Particle Velocity, $u$)와는 완전히 구분되는 물리량이다.
음속은 소리의 크기(음압)나 주파수(높낮이)에 의해 결정되지 않으며, 오직 소리가 지나가는 매질의 물리적 성질에 의해서만 결정된다.
음속을 결정하는 기본 공식은 매질의 탄성 계수(Elastic Modulus, $K$)와 평형 밀도(Density, $\rho_0$)의 관계식으로 표현된다.
$$c = \sqrt{\frac{K}{\rho_0}}$$
기체(공기) 상태에서는 압력 변화보다 온도 변화가 음속에 가장 결정적인 영향을 미친다. 기체 분자 운동론에 따라 기체의 절대온도 $T(\text{K})$에 비례하는 다음 관계식이 성립한다.
$$c = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}}$$
섭씨온도 $t(^\circ\text{C})$를 이용한 1차 근사 실용 공식은 다음과 같다.
$$c \approx 331.3 + 0.606 t \quad (\text{m/s})$$
온도가 올라가면 공기 입자의 열운동 에너지가 증가하여 충돌 및 에너지 전달 속도가 빨라지므로 온도가 $1^\circ\text{C}$ 상승할 때마다 음속은 약 $0.6 \text{ m/s}$씩 증가한다.
파동이 매질을 진행할 때, 음속 $c$는 주파수 $f(\text{Hz})$와 파장 $\lambda(\text{m})$ 간의 정량적 연결 고리 역할을 한다.
$$c = f \cdot \lambda \quad \implies \quad \lambda = \frac{c}{f}$$
음향학적 의의: 온도가 일정하다면 매질 내에서 음속 $c$는 고정 상수이다. 따라서 주파수 $f$가 높아질수록 파장 $\lambda$는 비례하여 짧아지고, 주파수가 낮아질수록 파장은 길어진다.
| 개념 | 기호 | 정의 | 주요 특징 |
|---|---|---|---|
| 음속 (Wave Speed) | $c$ | 파동의 에너지(파면)가 앞으로 나아가는 속도 | 매질 조건이 일정하면 고정된 상수값 |
| 입자 속도 (Particle Velocity) | $u$ | 매질 입자가 제자리에서 앞뒤로 진동하는 속도 | 음압(소리 크기)에 비례하여 변동하는 벡터 |
| 위상 속도 (Phase Speed) | $c_p$ | 단일 주파수 파동의 동일 위상면이 진행하는 속도 | 비분산 매질(공기)에서는 음속 $c$와 동일 |
| 군 속도 (Group Speed) | $c_g$ | 여러 주파수가 변조된 파동 패킷(에너지)의 진행 속도 | 음향 에너지의 실제 전달 속도 |