소리의 특성 - 엔벨로프, 다이내믹 레인지, 위상변이

소리의 특성 엔벨로프, 다이내믹 레인지, 위상변이, 양 귀의 특성에 대해서 알아봅니다.

엔벨로프(Envelope)와 다이내믹 레인지(Dynamic Range)

엔벨로프에 대해 알아봅니다. 소리의 특성은 또 다른 측면으로도 측정할 수 있습니다. 바로 시간에 따른 음의 피크 크기(레벨의 변화)인데 이것을 소리의 엔벨로프(Envelope)라 합니다. 이 엔벨로프는 어택(attack), 디케이 (decay), 서스테인(sustain)，릴리스(release) 등 네 가지의 섹션으로 분류됩니다. 어택은 레벨이 O(zero)에서 최대로 상승하는 섹션이고 디케이는 최대 레벨이 중간 레벨로 감소하는 섹션입니다. 그리고 서스테인은 중간 레벨을 유지하는 섹션이며 릴리스는 중간 레벨이 0으로 감소하는 섹션입니다. 예를 들어서 드럼과 같은 타악기는 어택과 디케이가 매우 빠르고 오르간이나 바이올린은 어택이 느린 반면 서스테인이 매우 긴 것이 특징입니다. 그리고 기타와 드럼의 심벌은 어택이 빠르고 릴리스가 느립니다. 다음은 다이내믹 레인지(Dynamic Range)에 대해 알아봅니다. 악기의 다이내믹 레인지란 악기가 만들어 낼 수 있는 가장 작은 레벨과 가장 큰 레벨 사이 의 간격을 말합니다. 피아니시모(pianissimo), 메조포르테(mezzoforte), 포르테(forte)그리고 포르티시모(fortissimo) 등과 같은 용어들은 음의 다이내믹 레인지를 음악적으로 표현한 것입니다. 목소리의 다이내믹 레인지는 피아니시모에서 포르티시모로 대단히 넓습니다. 반면에 하프시코드(harpsichord)는 다이내믹 레인지가 없는데 그 이유는 건반을 강하게 치더라도 현의 강도가 항상 일정하여 같은 레벨의 음만 만들어 내기 때문입니다.

위상(Phase)과 위상 변이(Phase Shift)

위상은 파형을 각도(angle)로 측정한 것으로 한 사이클은 360도입니다. 파형의 시작점은 0도이고 피크 점은 90도(+)와 270도(-)이며 360도에서 끝납니다. 만일 두 개의 동일한 파형 사이에 시간 지 연(time delay)이 생긴다면 두 파형 사이에는 위상 변이가 발생하며 이러한 물리적인 현상은 시간지연이 길수록 증가합니다. 위상 변이는 전기 위상 반전 (electrical phase reversal)과 음향 위상 반전(acoustic phase reversal)으로 나눌 수 있다. 전기 위상 반전은 크기가 같고 극상이 반대인 두 오디오 신호를 합할 때 생깁니다. 두 개의 케이블에 동일한 오디오 신호를 전송할 때 한쪽 케이블의 극성을 반대로 하면 두 오디오 신호 사이에는 위상 반전이 일어나고 이로 인해 신호의 합은 0이 됩니다. 이 현상을 가리켜 전기적인 표현으로 두 신호는 역상(out of phase) 관계에 있다고 말합니다. 하지만 두 신호가 동상이면 그 크기는 하나의 신호일 때보다 3dB 증가합니다. 음향 위상 반전은 마이크 두 개 중 하나는 음원의 포지티브(positive) 음압에 놓고 나머지 하나를 네거티브(negative) 음압에 놓을 때 생깁니다. 실제로 악기소리는 수많은 파형들로 구성되어 있습니다. 그렇기 때문에 그들의 관계를 주파수가 동일한 두 개의 사인파처럼 명확하게 측정, 분석할 수는 없습니다. 두 음향 신호는 시간에 따라 극성이 같은 부분도 있고 다른 부분도 있습니다. 심지어 극성이 다른 부분일지라도 크기가 다르다면 파형이 완전히 없어지지 않습니다. 파형의 극성이 같을 때를 코히어런트(coherent)라 하며 이 경우 두 파형의 합은 증가합니다. 그리고 파형의 극성이 반대일 때를 인코히어런트(incoherent)라 하며 파형의 합은 감소합니다.

귀의 특성 (Binaural Character)과 마이크

우리의 귀는 복잡한 구조로 되어 있으며 소리에 대해 대단히 민감합니다. 즉 매우 낮은 주파수(20Hz)부터 매우 높은 주파수(20kHz)까지 그리고 작은 소리(OdB)부터 큰 소리(130dB)까지 들을 수도 있습니다. 이것은 귀로 들을 수 있는 소리의 주파수 범위와 다이내믹 레인지가 매우 넓다는 것을 의미합니다. 만약 악기 소리를 한쪽 귀로만 듣는다면 양 귀로 들을 때와 어떤 차이가 있는지 알아봅시다. 한쪽 귀로도 악기 소리의 피치와 크기, 음색까지도 명확하게 알아낼 수는 있습니다. 하지만 악기의 위치를 정확하게 판단하기란 매우 어렵습니다. 결국 악기의 위치를 알기 위해서는 양 귀가 모두 필요합니다. 음원이 왼쪽 귀에 가까이 있다고 한다면 오른쪽 귀보다 왼쪽 귀에 전달되는 소리의 레벨이 크고 전달 시간도 짧습니다. 하지만 음원을 중앙으로 이동시키면 양 귀에 전달되는 소리의 레벨과 시간은 동일해집니다. 즉 우리는 양 귀에 전달되는 소리의 크기(level)와 시간(time)의 차이로 음원의 위치를 판단합니다. 이 특성은 스테레오 마이크 방식에서 매우 중요한 역할을 하므로 꼭 기억해 둘 필요가 있습니다. 스튜디오 또는 콘서트 홀처럼 밀폐된 장소에서는 벽과 천장, 그리고 바닥 등으로 인해 음원에는 없는 반사음들이 생깁니다. 우리는 이러한 반사음들을 잔향(reverberation)이라 합니다. 만일 콘서트 홀에서 악가를 연주하면 악기의 직접음과 잔향을 동시에 들을 수 있습니다. 그러나 우리의 양 귀는 소리의 위치를 인지할 수 있는 능력이 있어 악기의 직접음과 콘서트홀의 잔향을 구별할 수 있습니다. 반면 마이크는 사람의 귀와 비슷한 역할을 하지만 악기의 직접음과 잔향을 구별하거나 선택해서 받아들일 수 있는 능력은 없습니다. 그러므로 녹음한 음을 재생해서 들어보면 직접 원음을 들었을 때보다 잔향이 많이 포함되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 또한 콘서트 홀에서는 우리에게 전해지는 악기의 직접음과 잔향의 전달 방향이 다릅니다. 악기의 직접음은 우리의 앞에서 들리는 반면에 잔향은 모든 방향에서 들리기 때문에 우리는 악기의 직접음만을 쉽게 구별할 수 있습니다. 그러나 스피커를 통해 들리는 악기 소리는 직접음과 잔향이 동일한 방향에서 전달되므로 소리는 더욱 멀리 들립니다.