소리 간섭 실험 – 노래에서 목소리 또는 MR 만 따로 듣기

[임성숙(매원고)]

소리를 듣는 다는 것은 한 곳에서 생긴 진동이 공기를 통해 전달되는 것을 귀에서 감지해서 듣는 것이다.

즉 음파는 공기를 매질로 해서 전달되는 종파형태의 파동이다.

과학적으로 소리를 듣는 원리를 알면 소리를 들리지 않게 하는 방법도 알아낼 수 있다.

  - 만약 매질인 공기를 없앤다면 음파는 전달되지 않는다.
  - 또는 공기가 진동하는 것을 못하게 하면 음파는 전달되지 않는다.

(음파도 파동이기 때문에 간섭을 시키면 보강간섭과 상쇄간섭이 일어난다. 상쇄간섭을 만들면 음파를 없앨 수 있다.)

이런 방법으로 공기의 떨림을 방해하는 것이 노이즈 캔슬링이다.

음파가 발생할 때 공기 입자가 진동하는 것과 반대방향으로 똑같은 진동을 만들어 주면 공기 입자들은 진동하지 않고 멈춰있게 된다. 

즉 그네를 흔들때 반대쪽에서 똑같은 힘으로 밀고 당기면 그네는 제자리에서 움직이지 않는 것과 같다.

과학에서는 위상차라는 표현을 사용한다. 위상차를 180도로 만들면 상쇄간섭이 일어나 공기의 진동이 생기지 않는다.

노이즈 캔슬링은 이어폰에 달린 마이크로 주변 소음을 감지하고, 내부 회로를 통해 그 소음과 반대되는 파동을 만들어 함게 내 보내는 원리다. 그럼 소음은 상쇄되어 사라지게 된다. 하지만 목소리의 파동은 변화시키지 않기 때문에 목소리는 잘 들리게 할 수 있는 것이다.
 

그렇다면 스피커를 이용해서 음악 소리에서 원하는 소리만 사라지게 할 수 있을까?
다음 실험을 통해 알아보자.

실험 동영상을 먼저 보자.

https://youtu.be/u6VpTtmD4Xk

 스테레오 스피커를 이용해서 똑같은 소리를 좌우에 발생시키고 한쪽만 소리 위상을 180도 바꿔 주면 서로 반대로 진동하는 파동이 발생한다. 그럼 2개의 음파가 상쇄간섭이 일어나 사라지게 된다.

그래서 2개의 스피커를 가까이 붙여 주면 노이즈 캔슬링처럼 소리는 사라져 들리지 않게 된다.

한개씩 들어보거나 떨어뜨려 놓으면 정상적으로 소리가 나오는 것을 알 수 있다. 

1. 블루투스, 스트레오 스피커를 준비한다. (좌우가 각각 따로 나가는 스피커를 이용해야 한다.)

2. 스마트폰에서 Function Generator 앱을 설치하고 실행한다.
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.keuwl.functiongenerator&hl=ko&gl=US

Function Generator - Google Play 앱

3. 좌우 같은 진동수 (440Hz) 의 파형을 발생시키고, CH1 만 위상(PHASE)을 선택해서 180도로 바꿔 주면 된다. 그럼 왼쪽 스피커와 오른쪽 스피커는 같은 소리지만 반대되는 파동이 만들어 지게 된다.

4. OUT을 누르면 소리를 발생시키거나 중지시킬 수 있다.
 - 소리를 발생시키면 소리가 잘 들린다. 이때 2개의 스피커를 가까이 접촉시키면 노이즈 캔슬링처럼 소리가 잘 안들리게 된다. 
 - 스피커를 떨어 뜨려 놓면 다시 소리가 잘 들린다.

5. 또다른 방법은 2개의 스피커를 붙여 놓고, 앱에서 위상차만 바꿔 보는 방법이 있다. 위상차가 0 일때는 큰 소리가 나오다가 위상을 점점 180도로 바꿔 가면 소리도 점점 사라지는 걸 볼 수 있다.
 

스테레오 스피커를 붙여 두고 왼쪽과 오른쪽 진동수를 1Hz 정도 차이를 내면 맥놀이 현상을 들을 수 있다. 맥놀이 현상은 좌우 스피커의 진동수 차이가 적을수록 길어지고, 진동수 차이가 커질수록 짧아진다. 

교탁에 스테레오 스피커를 가까이 두고(붙이는 거 아님) 왼쪽과 오른쪽에 같은 진동수를 발생시킨다.
교실 뒤쪽에 가서 뒤 벽을 따라 걸어 보면 보강간섭이 되는 곳에서는 소리가 크게 들리고 상쇄간섭이 되는 곳에서는 소리가 사라지는 것을 경험할 수 있다. 

빛을 가지고 하는 영의 간섭실험도 스피커로 할 수 있다. 

(나중에 기회가 되면 이 부분만 따로 떼서 실험해 보겠다)

일단 목소리만 사라지는 실험 영상을 보자.

https://youtube.com/shorts/ZL843daukgo

1. 네모의 꿈 노래 사라지게 하기

 - 위에서 했던 실험처럼 두 개의 스피커를 가까이 하면 노래 소리가 사라지는 것을 경험할 수 있다. 원리는 위 실험과 같다.
 - 스피커를 멀리 하면 노래가 잘 들리지만 가까이 하면 노래 소리가 사라진다.
 - 아래 링크에 네모의 꿈 노래 좌우 위상을 180도 바꿔 반대로 파동이 발생하는 노래를 준비해 두었다. 스테레오 스피커가 준비 되었다면 실험해 보기 바란다.
https://youtu.be/5yZcozxUSDA

2. 가수 목소리만 듣기 – 반주만 사라지게 하기

 목소리와 반주가 함께 들어있는 음악을 준비한 후 목소리와 반주를 따로 분리한 다음 반주만 위상을 180도 바꿔 준다.
 음악을 발생시키면 노래와 반주가 동시에 나오다가 두 개의 스피커를 가까이 붙여 주면 반주는 사라지고 가수의 목소리만 들을 수 있다.
 노이즈 캔슬링처럼 반주만 반대로 파동이 만들어지기 때문에 반주만 들리지 않게 된다.
 두 개의 스피커를 다시 떨어 뜨리면 정상적인 노래를 들을 수 있다. 

아래 링크에 가면 네모의 꿈 노래 반주만 반전시켜 놓았다. 스테레오 스피커를 이용하여 목소리만 들리는지 테스트 해 볼 수 있다.
https://youtu.be/UeGIz-s0Osw

3. 반주소리만 듣기 - 목소리 사라지게 하기

 목소리와 반주를 분리한 다음 목소리만 위상을 180도 바꿔 준다.
 그럼 반대로 스피커를 붙여 주면 목소리는 사라지고 반주 음악만 들을 수 있다.

아래 링크에 네모의 꿈 목소리만 반전시켜 놓았다. 같은 방법으로 목소리가 사라지고 반주만 들리는지 테스트해 볼 수 있다. 

가수가 부른 노래에서 원하는 부분만 가수 목소리를 없애고 내가 듀엣으로 부르는 것처럼 불러볼 수 있다.

https://youtu.be/26X5OWHdlfo

1. 좌우 스피커가 스테레오로 제대로 작동하는지 확인하는 방법

아래 링크를 실행시키면 한쪽에서는 목소리만 한쪽에서는 반주만 나온다.
좌우 스피커가 따로 작동하는 것이다. 
만약 목소리와 반주가 좌우에서 다 나오면 스피커가 정상적인 스테레오로 작동하지 않는 것이다.

그냥 소리가  2개의 스피커로 나온다고 볼 수 있다.  
이런 상태 에서는 위에 제시한 실험을 할 수 없다. 

https://youtu.be/xzxaTfV3CIw

2. 네모의 꿈 노래 종합반전
 - 노래 하나에서 목소리만 반전되었다가 반주만 반전되었다가 노래전체가 반전되는 음악을 한번에 들을 수 있다.
이것 저것 따로 실행시키지 않고 아래 노래 하나로도 모든 실험이 가능하다.

https://youtu.be/sph_WigMcEY

직접 노래에서 목소리와 반주를 분리해 보고 싶으면
아래 보컬 리무버 사이트에 들어가서 자신이 가진 노래를 업로드하면 된다.

그럼 목소리와 반주를 따로 분리해서 음악을 만들어 준다.
https://vocalremover.org/ko/

자신이 좋아하는 노래를 이용해서 목소리나 반주만 위상을 바꾸고 싶다면
재과만에 조웅희 선생님이 올려 주신 아래 방법을 따라하면 된다.

단계 1: (음원의 보컬과 반주를 분리하는 방법입니다.)
https://ior.ad/9yvP

단계 2: (한 쪽의 반주만 역위상으로 재생되도록 음원을 편집하는 방법입니다.)
https://ior.ad/9ywh

학교에서 배운 것을 배운것으로 끝나는게 아니라 다양하게 실생활에 응용하면 좋겠다.

목소리나 반주의 일부만을 사라지게 할 수 있다면

가수와 듀엣으로 노래를 부르거나, 아니면 가수가 노래하는 것을 내 악기로 반주해 줄 수 있지 않을까?

출처: https://sciencelove.com/2769 [김정식 허명성의 과학사랑:티스토리]