Ⅲ. 음의 3요소
인간이 소리를 들을 수 있는것은,공기압력의 변화로부터 인간의 귀가 자극되어 청각에 의해 느껴질때 비로서 가능한데 한가지 고려할점은 모든압력의 변화를 소리로서 지각(知覺)할 수 있는것은 아니라는 사실이다.
일정범위에 해당하는 압력의 변화와 주파수만이 소리로 느낄수 있는것이다. 즉 인간이 들을수 있는 소리의 세기와 높이에 한계가 있다.
한편 같은 세기와 높이의 소리라고해도 서로 다른 특징을 나타내는 경우가 있는데 이떄는 음색이 다르다고 말한다.
이상과같이 자연계에 존재하는 소리를 분석해보면 소리의 세기,높이,음색의 3가지 중요한 기본 요소로서 구성되어 있음을 알수 있는데,이들을 소리의 3요소라고 칭한다.
3-1.소리의 세기(intensity) 또는 소리의 크기:
소리의 강약(强弱)또는 음압(sound pressure)을 말하며,소리의 압력에 관계되는 양(量)으로서 음악에서의 리듬(rythm)이 바로 그 것이며 ‘부드럽다’거나‘거세다’거나 하는 감정의 변화를 표현한다.
==> 동일한 피아노(piano)건반을 타격하는 힘의 차이
3-2.소리의 높이(pitch) 또는 소리의 고저(高低):
이것은 음정(音程)을 뜻하는데 소리의 기본 주파수 또는 파장에 의해 정해지고(주파수에 따른 차이),주파수가 낮은(파장이 긴)압력의 변화가 있으면 낮은소리로 주파수가 높은(파장이 짧은)소리는 높은 소리의 음정으로 표현된다. 여기서 음정이라 하는것은 음악에서 음(音)의 상대적인 높이의 비(比)를 말하며 두가지 음의 기본주파수를 f1,f2라고 하면 음정은 log(f2/f1)로 표시되며 그단위는 옥타브(octave)이다. 예를들어 f1가 f2의 2배라면 f2는 f1보다 1옥타브가 높다고 한다.
==> 피아노(piano)건반의 낮은음과 높은음의 차이
3-3.음색(timber):
파형의 시간적 변화에 따른 차이로소 소리에 함유되어 있는 기본주파수외에 여러가지 고주파(高調波:기본
주파수의 2배,3배---)에 의해 결정된다.
예를들면 피아노의 중앙a'음은 440Hz인데,바이올린으로도 같은 a'음을 낼수있다.그러나 기본주파수 440Hz는 같으나 두악기의 기본 주파수에 섞여있는 여러개의 고조파 성분이 각기다르기 때문에 우리는 쉽사리 두 악기의 소리를 구별할 수 있는 것이다.
==> 피아노(piano)음과 바이올린(violin) 음의 차이
*소리의 3요소를 좀더 상세하게 살펴보기로 하자*
3-1-1.소리의 크기:
소리에 있어서는 1000Hz의 순음을 대부분 기준 주파수로 삼는데 이 주파수에서의 MAF(minimum audible field:최소가청역)값은 압력으로 약 2 x 10-5 N/m2, 파워로는 10-12watt 정도에 해당되며, 소리의 크기를 지수(dB)단위로 나타낼 때의 기준값이 된다. 자유음장에 있어서 순음의 크기에 대한 인간의 청감에 대하여는 위에서 설명한바와 같고 일반적인 음장에서 마이크로폰으로 측정한음압은 이 민감도 곡선을 기준으로 가중치를 주어서 표현함으로서 인간의 주관적 청감특성을 표현한다.
음압 및 소리의 에너지량의 크기를 나타낼 때에는 지수적인 척도(logarithmic scale)로서 표현하는데 여기에는 두가지 이유가 있다.
첫쨰는 다루어야할 물리량의 상대적 크기는 그 차이가 너무나 크기 때문이다.
예를들어 음향출력의 경우 일반적 가청영역의 소리는 그 출력이 10-12watt에서 약 100watt에 해당하는 크기 척도의 차이를 갖게된다.
다른 한가지 이유는 외부자극에 대한 인간의 생리적 반응이 다행히도 지수적으로 나타난다는 weber-Fechner의 법칙이 청감에도 성립되기 때문이다.
전체 자극(stimulus)의 인텐시티가 I, 자극의 작은 변화가 ΔI, 자극(인텐시티)의 작은변화에 대해 인간이 겨우 느낄 수 있는 감각의 역치 분해능(difference limen ; DL)을 ΔL 이라고 할떄 weber-Fechner의 법칙은 다음과 같이 주어진다.
ΔL = C1 (ΔI/I) 또는 L = C2logI
대표적인 A-보정치의 음압레벨
소음원으로부터의 거리 환경
dB re 20μPa
140
50마력 사이렌 │
130
제트기의 이륙 │
120
리벳기계 │ 주물공장
110
절단톱,공압피이닝 │ 전기로
100
착암기,직조공장 │
90
지하철,덤프트럭,공압드릴 │ 보일러실,인쇄공장
80
화물열차,진공청소기 │ 작업실,스포츠카의 실내
70
언어활동,승용차 │ 고속도로 부근,큰시장
60
대형변전기 │ 회계사무소,개인사무실
50
│ 심하지않은 교통소음,주거지
40
부드러운 속사임 │ 야간의 주거지역
30 스튜디오(언어활동)
│ 영화 및 오디오 감상용 스튜디오
20
│
10
│
0
작동자의 위치
그림3-1-1 각종 음원의 음압레벨
3-2-1.소리의높이
주파수의 분해 지각에 관하여는 2개의 가설리 있다. 가장 많이 추종되고 있는 가설은 Von Bekesy가 주장한 위치이론(place theory)이며 이 이론은 고주파수대역능 내이쪽이, 이는 고주파수대역이 helicotrema쪽의 기저막에 연결된 섬모세포에서 감지되어 분류된후 뇌에 전달되다는 것이다.
다른 한가지 이론은 주기이론(periodicity theory)으로서 청각신경을 통해 전달되는 임펄스들의 시간적 분포가 분해(encoding)되어, 음파의 일시적 데이터 구조를 형성함에 따라 뇌에서 주파수 혹은 피치(pitch)를 지각한다는 것이다.
소리의 음높이를 표현하는 방법으로는 주파수(frequency)와 피치가 있는데, 인간의 주관적 응답을 좀더 잘 표현한 것은 피치라고 할 수 있다.
피치는 소리의 파형(waveform)이 반복되는 율에 관계하는데 주관적 피치는 mel이라는 단위로 표현한다. 일반 성인의 가청범위인 20Hz-20kHz사이의 주파수 범위는 0-5400mels로 다시 나타낼 수 있다.
한편 소리의 음높이를 나타내는 피치는 주파수에 대한 의존성 뿐만 아니라 소리의 세기와도 밀접한 관계를 갖고 있다. 일반적인 경향을 말하자면 약 1kHz를 기준으로하여 같은 주파수의 소리라도 소리의 세기가 높아질수록 고주파에서는 높게, 저주파에서는 낮은음으로 들리게 된다.
귀에 순음이 주어질 경우라도 인간은 주어진 음의 정수배에 해당하는 고조파음(harmonics;overtones)들을 함께 느끼게 되는데 이를 aural harmonics라고 부른다.
이 밖에도 귀,특히 외이에서는 스스로 작은 소리를 생성할 수 있는데 이러한 상황들 때문에 인간이 느끼는 소리의 크기 및 높이를 정확하게 알아내는 작업은 매우 어렵다.
3-4.소리의 단위(물리적인 음의 레벨)
(1) 음압(Sound pressure) [Pa](=N/m2)
-음장(sound field)의 크기
-위치에 따라 변함
(2) 음향파워(Sound Power) [W]
-단위 시간당 음원이 발생하는 총 음향 에너지]
-음원이 갖는 고유의 특성
(3) 음향세기(Sound intensity) [w/m2)
-단위 시간당 단위 면적을 흐르는 음향 에너지
-방향과 크기를 갖는 vector량
소리의 세기를 표시하는 단위로서 압력단위가 사용된다.대기압(1bar:0℃에서 수은주 760mm)의 100만분의 1을 1마이크로바(micro bar)로 정의하며 이를 음압의 단위로 사용하고 있는데 CGS단위로는 1dyne/cm2,MKS단위로는 0.1Newton/m2에 해당한다.
일반적으로 많이 사용하고 있는 음압레벨(SPL:Sound Pressure Level)은 공기중에서 0.0002μbar를 기준으로 해서 다음과같이 표시된다.
SPL = 20log10(P/0.0002) (dB) ------------------- (1-3)
단, P:음압(μbar)
소리의 세기 I를 음압 P의 관계식으로 표시하면
I = P2/ρc (W/m2) ------------------------------------- (1-4)
단, P:음압(N/m2)
ρc:공기 특성 임피던스 rayls(MKS)
(대기압,18℃일때 ρc=409rayls)
또한 음의세기 I는 그 진행방향과 직각인 단위면적을 통과해서 단위시간에 운반하는 일의 크기로서 아래와 같이 관계식으로 표시된다.
I = 1/2Pξ(W/m2) ---------------------------------- (1-5)
단, P : 평면진행파의 음압의 피크값
ξ : 매질입자의 진동속도의 피크값
만일 소리의 세기를 대수비(對數比)로 표시하는 경우에는 아래와 같다.
10log10(I/IR)(dB) ---------------------------------- (1-6)
단, IR:기준되는 최소의 소리의 세기
I :소리의 세기
일반적으로 소리의 세기의 기준치 IR는 10-12(W/m2)으로 잡는다. 식(1-4)와 식(1-6)으로부터 아래의 관계식이 얻어진다.
10log10(P/PR)2=20log10(P/PR) (dB) --------------------- (1-7)
공기중에서 음압의 기준치 PR은 0.0002μbar 또는 0.0002N/m이다.이값은 젊은남자의 평균 최저 가정치이다.
*** 음의 성질 (summary) ***
- 음파
! 음파의 전파
! 음파의 투과
- 소리의 3요소
! 소리의 고저,크기,음색
- 음파의 물리적 성질
! 반사,굴절,회절,간섭
! 정상파,맥놀이,도플러 효과
! 음파의 흡수
! 음파ㅡ이 주파수 성분
3-5.소리의 반사,흡수,회절
소리는 진행도중에 어떤 장애물이 있으면 그 장애물의 성질이나 형상에 의해서 우회(迂回)하여 진행하든지(회절:回折),그 면에 반사(反射)하든지,또는 그속에 들어가 약해져 버린다(흡수:吸收)우리의 일상생활에서 이러한 현상은 동시에 뒤섞여 일어나는 것으로서 예를들면 건물 건너편에서 발생한 소리가 그 지점은 보이지 않는데 건물을 돌아서 이쪽으로 들려오는것은 회절현상이고 방안의 벽 가까이에 있으면 음원에서 뿐만 아니라 벽 쪽에서도 소리가 들려오는것은 반사 때문이다.
이불을 뒤집어 쓰고있으면 바깥의 소리가 약하게 들리는것은 흡수작용 때문이다. 반사,흡수,회절은 물질의 성질이나 형상에 따라 매우 복잡하게 나타나는 현상이지만 일반적으로 낮은 주파수의 소리일수록 장애물이 있어도 우회하여 나아가는 회절작용이 있거나 반사하는 성질이 강하고 높은 주파수일수록 반사도 되지만 흡수되어 버리는 성질이 강하다.
3-6.잔향(殘響)
우리가 오디오 시스템으로 소리를 들을때 스피커에서 곧바로 우리의 귀에 전달되는 직접음과 벽이나 마루 또는 천정등에 반사된 간접음의 두 가지를 동시에 듣고있다.
마찬가지로 음악홀에서 연주되는 악기의 소리도 직접귀에 도달되는 소리의 반사된 소리의 두가지를 합께듣고 있다. 따라서 소리의 발생을 중지시켰다고 해도 직접음이 우리귀에 도달하는 시간과 이보다 약간늦게 도달하는 간접음때문에 그 세기는 감쇄해있지만 소리는 남아 있는다. 이와같이 음원에서 소리의 발생이 중지된 뒤에도 소리가 남아있는 현상을 잔향(reverberation)이라고 한다.
일반적으로 이와같은 반사음에의한 잔향은 반사.흡수.회절등에 의해 발생되지만 스피커 시스템의 특성이나 리스닝룸(listening room)의 구조등에 의해 결정된다.
우리가 흔히 사용하고 있는 잔향시간이란 음원에서 발생된 최초의 소리의 세기가 정상상태에 도달한뒤 그 발생을 중지시켰을때 1/1000,즉 60dB감소할때까지 걸리는 시간을 말한다. 일반적으로 특별연설을 위한 강연장이나 녹음용 스튜디오는 잔향시간이 짧은것이 좋고 교회나 콘서트 홀은 잔향시간이 길수록 소리가 여운이 있게 들린다.
|
|