음향 이론 - 소리의 특성

음악의 녹음과 재생에서 연주자의 메시지는  두 종류의 에너지를 다루어야 합니다.  즉 음파(Sound Wave)와 전기신호(Electrical signal)입니다. 소리의 생성과 귀의 청각 기능해 대해 알아봅니다.

소리의 생성

소리는 어떻게  생성되는지 알아봅시다. 일반적으로 어쿠스틱 악기(acoustic instrument)는 악기  주위에 있는 공기 입자를 진동시켜서 소리를 발생시키게 됩니다. 다시 말하자면 공기 입자의 간격이 악기의 진동에 따라 변한다고 볼 수 있을 것입니다. 예를 들어서 현(string)이 앞으로 움직이면 현 앞에 있는 공기 입자의 간격은 좁아지고 뒤로 움직이면 넓어지게 됩니다. 이러한 물리적 현상은 연못에 돌을 던졌을 때 생기는 파형처럼 악기 주위로 퍼져 나갑니다. 그리고 우리 귀에 전달되는 것입니다. 또 다른 예로 모니터 앰프(monitor amplifier)를 생각해 봅시다. 앰프의 출력 신호를 스피커에 공급하면 스피커 콘은 신호에 따라 앞 뒤로 진동하게 됩니다. 이때 스피커 콘이 앞으로 움직이면 콘 앞의 공기 입자들의 간격은 좁아져서 압축(compression)이 되고 콘이 뒤로 움직이면 그 간격은 넓어져서 팽창되게 됩니다. 그리고 압축될 때의 공기 압력은 정상 압력(nomal atmospheric pressure)보다 증가하고 팽창될 때의 압력은 감소하게 됩니다. 그리하여 스피커 주위의 공기 압력은 콘의 진동에 따라 정상압력을 중심으로 압축과 팽창을 반복하게 되는 것입니다. 이 과정은 1초에 340m씩 스프링이 움직이는 것처럼 앞으로 진행하게 됩니다.

 

소리의 특성

음향적인 현상들을 하나의 그래프로 나타낼 수 있는데 그래프에서 가장 높은 점은 파형의 피크(peak) 그리고 가장 낮은 점은 트러프(trouhg)입니다. 이 트러프는 (-)피크라고도 부릅니다. 그리고 그래프의 중심선은 공기의 정상 압력을 가리킵니다. 파형은 정상 압력에서 피크 압력으로 그리고 트러프 압력에서 다시 정상 압력으로 진행합니다. 여기에서 기준의 정상 압력에서 다음의 정상 압력까지를 한 사이클(one cycle)이라고 하고 이때 소요되는 시간을 주기(period)라고 합니다. 크기(Amplitude)에 대해 알아봅니다. 그래프의 수직선은 파형의 크기를 가리킵니다. 파형에서 제일 높은 점을 피크 크기라 하는데 이것이 높을수록 소리는 크게 들리게 됩니다. 크기는 흔히 레벨(level)이라고 합니다. 그리고 라우드스피커와 같은 음원은 신호에 다라 수없이 진동함으로써 주파수를 형성합니다. 주파수란 1초 동안 완성된 사이클의 수를 말하고 진동이 빠를수록 높아집니다. 이때 측정 단위는 헤르츠(Hz)를 사용합니다. 그리고 1옥타브란 기준 주파수보다 두 배 높은 주파수를 말합니다. 예를 들어서 기준 주파수가 220Hz라면 1옥타브는 440Hz가 됩니다. 그리고 440Hz의 1옥타브는 880Hz입니다. 하지만 440Hz와 660Hz 사이의 간격이 220Hz라 해서 이것을 1옥타브라 하지 않고 이것은 완전 5도입니다. 대부분의 악기들은 매우 넓은 주파수 범위를 가집니다. 하지만 악기의 음질과 연주자의 테크닉 등의 상황에 따라 변할 수 있습니다.

 

파장(Wavelength)과 하모닉스

음원의 한쪽에 펜을 부착시킨 다음 펜 아래에 있는 그래프용지를 일정한 속도로 움직이면 음원의 진동이 나타나게 됩니다. 만일 음원이 순수한 사인파라면 이와 동일한 파형이 종이에 그려지게 됩니다. 파장은 파장=공기 중의 속도/주파수 공식으로 구할 수 있습니다. 이 공식에서 알 수 있듯이 파장은 주파수가 낮을수록 길어지고 높을수록 짧아집니다. 또 파장은 주파수뿐만 아니라 소리의 속도에 따라서도 달라지는데 일반적으로 소리의 속도는 340m/sec입니다. 그러나 실제로 소리의 속도는 공기 습도와 온도에 따라 많은 영향을 받습니다. 지금까진 순수한 사인파를 이용한 소리의 특성을 알아보았습니다. 순수한 사인파란 오디오 신호 발생기에서 만들어지는 전기 파형으로 여기에는 오직 하나의 주파수만 있습니다. 하지만 우리가 듣는 악기나 자연의 소리들은 수많은 주파수들로 구성되어 있습니다. 복잡해 보이지만 어떤 소리든 그것을 구성하고 있는 주파수들은 모두 순수한 사인파이기 때문에 생각보다는 단순합니다. 주파수가 다른 세 개의 순수한 사인파로 구성된 소리의 형태를 가정해 봅니다. 여기서 가장 낮은 주파수를 기본주파수라 하는데 이 기본 주파수에 의해 소리의 피치가 결정됩니다. 또 주파수들 가운데 높은 주파수들을 오버톤이라 하고 오버톤은 기본 주파수에 따라 달라지게 됩니다. 하모닉스는 오버톤의 집합이며 소리의 음색을 결정하기도 합니다. 우리가 오르간, 트럼펫, 피아노 등의 악기들을 구별할 수 있는 것은 각 악기들의 하모닉스가 다르기 때문입니다.