안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
고속열차가 터널에 들어가는 순간부터 설명해볼게요. 열차가 시속 300km로 좁은 터널에 진입하면 앞쪽 공기가 옆으로 빠져나갈 틈이 없어서 주사기 피스톤에 밀리듯 압축돼요. 이렇게 만들어진 압축파는 음속으로 터널 안을 달려가는데, 문제는 이 파가 이동하면서 모양이 변한다는 거예요. 압력이 높은 부분은 온도가 높아 소리가 더 빨리 전달되니, 파의 뒷부분이 앞부분을 따라잡으면서 완만하던 압력 변화가 점점 가파른 벽처럼 서게 돼요. 충격파에 가까워지는 거죠.
이 가파른 압력파가 터널 반대쪽 출구에 도달하면 갇혀 있던 압력이 바깥으로 한꺼번에 풀려나면서 펑 하는 저주파 굉음과 진동을 만들어요. 이게 미기압파라고 부르는 현상이에요. 소음이 관측되는 곳은 주로 출구쪽인데, 열차가 들어가는 진입 순간에 원인이 만들어지니 입구와 출구 양쪽이 다 관련된 셈이에요. 터널이 길수록, 열차가 빠를수록 파가 가팔라질 시간이 길어져 소음이 커지고 콘트리트 궤도처럼 매끄난 터널일수록 파가 덜 흩어져서 더 심해져요.
그래서 대책은 압축을 천천히 일으키는 방향으로 가요. KTX 노선 터널 입구에 구멍 뚫린 후드를 길게 붙여놓은 걸 보셨을 텐데, 열차가 본터널에 닿기 전에 공기를 미리 조금씩 압축시켜 파의 시작을 완만하게 만드는 장치예요. 신칸센 열차 앞머리가 오리 부리처럼 길쭉한 것도 같은 목적이고요. 열차 속도가 올라갈수록 이 설계 싸움이 치열해져서, 차세대 고속열차 개발에서 미기압파 저감은 공기역학의 핵심 과제로 다뤄져요 :)