스크랩 연재강좌- 소리의기초(1)

[막강오퍼(인상교)]

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소리의 기초(1)

1. 서론
사람의 오감 중에는 청각이라는 것이 있다. 이는 소리라는 것을 듣는 감각을 일컫는 것으로 대부분의 사람이 태어나면서 가지게 되는 하나의 선물이다. 과학이 발전하면서 사람들은 보이는 것에 대한 물리적인 정의를 서서히 이루어왔고, 비로서 보이지 않는 것에 대해서도 관심을 가지고, 그것 조차도 보이는 것으로 만들려고 노력하고 있다.

소리는 분명 지금 우리가 듣고 있는 무엇이다. 사방이 막힌 어두운 방을 상상해 보라. 우리는 아무것도 볼 수 없지만, 자신의 숨소리와 시계소리는 들을 수 있다. 이것은 단순히 공기의 압력 변화를 귀가 감지하면서 일어나는 일련의 과정이라고 얼버무리기엔 놀라운 일이다. 세상에 가득찬 이러한 소리들을 어떤 것은 아름답고, 어떤 것은 없었으면 좋을 시끄러운 소리라고 정의하기도 한다.
그렇다면 과연 소리는 어떻게 발생하고 전파되고 또 듣게 되는 것일까? 소리의 정체는 무엇이며, 어떻게 다루어야 하는가? 또한 어떻게 만들어 낼 수 있는가에 대해서 알아 볼 필요가 있다.

앞으로 우리는 사운드피플을 통해서 소리라는 오묘한 세계에 함께 들어가 보고자 한다.

2. 소리의 발생과 전파
소리란 매질의 압력이 압축되고 팽창되는 운동이 순환적으로 반복되는 일종의 압력 변화이다. 이는 공기 뿐 아니라 고체와 액체를 통해서도 소리가 전파되는 것을 보면 이해할 수 있다. 이처럼 매질이 있어야 한다는 것은 진공상태에서는 소리가 전파되지 않는 것을 확인하면서 쉽게 증명되었다.

소리는 누구나 만들어 낼 수 있다. 박수를 치거나 물건을 건드리거나, 혹은 악기를 연주함으로 쉽게 만들어 낼 수 있다. 이러한 소리의 발생은 매질(이하 공기)과 접촉하는 면의 진동으로 인한 것이다. 이렇게 물질이 진동하면서 공기에 노출된 접촉면이 공기에 압력을 가하게 되며, 압력이 공기 중에 전파되면서 우리의 귀가 그 압력의 변화를 소리로 인식하게 되는 것이다.

시간에 따라 변화하는 추의 수직운동의 사인커브 변환

위의 그림은 추의 수직진동이 어떻게 사인그래프로 표시할 수 있는지를 보여주고 있다. 아주 쉬운 예로, 원통에 종이를 감고 일정한 속도로 회전시켜보자. 그 다음 원통에 연필을 가만히 대고 있으면, 종이에는 직선이 계속해서 생겨날 것이다. 이젠 연필을 위 아래로 수직운동을 시켜보자. 그러면 종이에 위와 같은 사인 그래프가 생겨나게 되는 것이다.
이번엔 여러 개의 연필을 동시에 원통에 대고 서로 다른 속도로 수직운동을 시켜보자. 그러면 서로 다른 여러 가지의 사인그래프를 나타날 것이다. 일상 생활에서 듣게 되는 소리는 바로 이렇게 하나의 음이 아닌 여러 개의 연필을 서로 다른 속도로 움직였을 때와 같이 복합적으로 존재한다.

소리가 전파되면서 최초 발생된 압력은 거리가 멀어질수록 낮아지게 되며, 결국에 가서는 사라지게 된다. 소리의 크기가 감소되지 않고 얼마나 멀리 갈 수 있느냐는 매질이 되는 공기나 물체의 밀도에 큰 영향을 받는다. 매질의 밀도가 높을수록 빠르게 전달되는데, 한 예로 물은 공기보다 4배, 철은 14배나 빨리 소리를 전달한다.

3. 소리의 3대 요소
이제 소리가 공기의 압력 변화로 발생되는 것을 알았다. 그러나 어떤 소리는 아름답고 어떤 소리는 시끄럽다고 느끼게 되는 것을 설명하기엔 압력변화에 대한 부분만으로는 역부족이다. 왜냐하면 소리에는 높낮이(Pitch)와 색(Timber), 그리고 세기(Loudness)가 복합되어 존재하기 때문이다.

소리의 높낮이라는 것은 주파수로 대변하여 표현한다. 주파수가 낮으면 낮은음(저음)으로 들리고, 주파수가 높으면 높은음(고음)으로 들리는 것이다. 주파수라는 것은 단위시간당 반복회수를 'cycle/sec' 표현하는 단위로 Hertz(Hz)로 표기한다. 소리가 높다는 것은 1초에 많이 반복된다는 것이며, 이 반복이라는 것은 공기의 압축과 팽창을 일컫는다. 즉, 공기가 압축된 후 다시 팽창되는 횟수가 주파수가 되는 것이다. 좀 더 자세히 말하자면 공기분자가 강제로 이동된 후 다시 제자리로 돌아오는 횟수를 말한다. 주파수에 대해서는 나중에 다시 살펴보도록 하겠다.

높이를 가진 음은 음색을 함께 갖는다. 색이란 것은 소리가 가지고 있는 밝거나 어둡거나 부드러운 등의 특징을 표현하는 것이다. 음색이란 배음(Harmonic)으로 결정되는데, 배음의 수나 배음의 홀짝수 관계에 의해 결정되는 것이 보통이다. (배음이란 기본이 되는 음의 정수배가 되는 음을 말하는 것으로, 한 예로 100Hz의 배음은 200,300,400..Hz 이다.) 아래의 그림에서 기본음인 196Hz의 정수배마다 배음이 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

<바이올린의 배음구조>

소리는 또한 세기의 요소를 가지고 있다. 이는 소리가 얼마나 큰가 작은가에 대한 표현이다. 어떤 소리가 있을 때 우리의 귀는 소리의 세기를 한꺼번에 전주파수 대역의 소리를 듣고 그 세기를 판별하게 된다. 실제로 사람의 귀는 저주파수에 둔감하고, 고주파수 대역에서 민감한 특성을 보이고 있다. 따라서 사물에서 발생하는 소리는 사람이 듣는 것과는 물리적으로 다소 차이가 있는 것이 사실이다.

4. 순음과 복합음
한 가지 주파수로 구성되어 있는 음을 순음이라 하며, 두 가지 이상의 주파수 성분으로 구성된 음을 복합음 이라고 한다. 앞에서도 말했듯이 일반적인 공간에 존재하는 소리는 복합음으로 존재한다. 이는 여러 가지 순음성분(여러개의 연필)이 복합적으로 존재한다는 것을 의미한다. 또한 순음성분은 그 기본음의 정수배 주파수음인 배음 성분으로 구성되어 있으므로, 단지 몇 개의 순음으로 구성된 복합음도 수많은 주파수들로 구성된다는 것을 알게 된다.
역으로 복합음은 많은 순음으로 분리될 수도 있다. 이것을 주파수분석이라고 하며, 소리라는 감각적인 성분을 물리적인 성분으로서 서로 비교할 수 있게 해주는 기초가 된다. 이로서 하나의 소리는 주파수별 음의 세기로 표현될 수 있게 된다.

아래는 어떤 물체가 발생하는 소리(복합음)를 녹음한 것으로, a는 시간에 따른 소리의 음압 변화, b는 그것을 아주 조밀하게(Narrow Band) 주파수 분석한 그림이며, c는 1/3옥타브 밴드(Octave Band)의 중심주파수별로 음압을 나타낸 그림이다. 여기에서 주파수분석의 대표적인 FFT(Fast Fourier Transform)라는 수식을 사용하였다. 주파수 분석에 대해서는 나중에 자세히 설명하도록 하겠다.

a.시간에 따른 음압의 크기변화

b. Narrow Band 스펙트럼

c. 1/3 Octave Band 스펙트럼

위의 그림에서 a의 수평 축은 시간을 나타내며, 수직 축은 크기를 나타낸다. 또한 b,c 그림에서의 수평축은 주파수(Hz), 수직축은 읍압레벨(dB)을 각각 나타낸다. 여기에서 dB은 음압을 나타내는 단위로 사용되고 있다.

5. 소리의 인식
소리는 항상 우리 주위에 가득 차 있다. 그러한 소리를 듣는다고 하는 것은 어떤 것일까? 또한 어떤 메카니즘을 거쳐서 느끼게 되는 것일까? 이렇게 우리가 가지고 있는 주된 관심은 단지 소리의 물리적인 특성(주파수, 레벨)이 어떻다 라는 점이 보다는 귀를 통해 느끼는 감각적인 측면에 있다고 해도 과언이 아니다.

우리의 귀의 구조는 아래와 같다.

<귀의 구조>

우리 주위에 우리가 지각하든지 못하든지 공기의 진동이라는 물리적 현상으로서 존재하는 소리는 귓바퀴를 통해 집음되어 외이도를 통과한 후 고막을 진동시킨다. 그리고 고막의 진동은 내이의의 정교한 구조에 의해서 신경신호로 변환되어 뇌로 전달된다. 다음으로 뇌가 소리의 신경신호를 인식하게 되어서 비로써 의미가 있는 음으로 탄생하게 되는 것이다. 물론 이 과정에서 귀의 각 조직들은 모두 유기적으로 기능을 하게 되는데, 이러한 기능에 대한 자세한 설명은 생략하도록 하고 몇 가지 대표적인 특징을 간략하게 소개하고자 한다..

귓바퀴에서 집음된 음은 외이도를 거치면서 외이도(평균길이 약 2.7-3cm)의 공명에 의해 3 ㎑ ~5㎑대역에서 약 15~20㏈의 음압 상승을 가져오며, 이때 귓바퀴는 음상 정위에 대한 정보를 제공해 준다.
고막은 둥근 모양으로 되어있고 단면적은 0.3-0.5[cm2]이다. 중이는 망치뼈(추골), 모루뼈(침골) 그리고 둥자뼈(등골)라는 세계의 뼈와 고실이라고 부르는 작은 공간과 목을 연결하여주는 유스테시오관으로 나누어 진다. 이 세 개의 뼈가 고막에서 전달되는 소리의 진폭을 작게 하는 대신 힘을 약 10-20배 증가시켜주며, 세 개의 뼈들로부터 내이의 달팽이 관 내의 액체에 소리가 전달되게 되는데, 이 달팽이관 내에는 기저막이 있고 이 기저막에는 신경 세포가 있어 소리의 감각을 대뇌에 전달시켜 준다. 소리의 크기는 이 기저막의 진동하는 진폭에 비례하여 들리고 고저는 이 기저막이 자극받는 위치에 따라 식별되게 되는 것이다.

지금까지 소리의 특징과 발생, 전파, 그리고 청취에 대해 알아 보았다. 사운드피플 외에도 다른 여러 곳에서 쉽게 접할 수 있는 내용이긴 하지만 가능한 한 압축하고 압축한 정보이므로 자세히 다루지는 못하였다. 하지만 앞으로 이어질 내용을 이해하기 위한 기초이므로 반드시 다루어져야만 하였다.

다음에는 소리의 기초(2)로서 소리의 물리적인 특징에 대해 더 자세히 알아보려고 한다. 여기서는 소음진동이나 전기음향, 건축음향 등에서 다루는 여러 가지 단위들에 대해 알아보고자 하며, 특히 음압레벨(SPL(dB) : Sound Pressure Level)과 음향출력(Watt:W)에 대해 자세히 살펴 볼 예정이다.

글 | 소비코 음향기술연구소

[막강오퍼(인상교)]

소리에 대해서 ..^^ 공부하시는데 조금은 도움이 될까 해서 퍼왔습니다..^^

[The Karel(박성배)]

OTL....