[무대예술전문인 / 무대음향] 기초 음향 이론; 소리

소리(Sound)

 

소리의 진행 과정

소리는 물체의 진동에 의해 생긴다. 이 진동은 주변 공기의 압력을 변화시키며, 이 압력의 변화는 다시 그 주변 공기에 영향을 주어 파동의 형태로 전달된다. 우리 귀에 전달된 진동은 귀의 내부 구조에 의해 분석되어 뇌에 전달되고 뇌는 이미 기억하고 있던 진동의 내용에 따라 그 소리를 인식한다. 소리는 발생, 전달, 청취의 과정을 거치게 된다. 전달 과정이 없는 진공 속이나 장애물에 막혀 소리가 전달되지 못한다면 소리 또한 없는 것이다. 소리가 전달되어도 사람이 들을 수 없는 초음파는 소리라고 하지 않는다. 

 

소리의 종류

소리의 종류는 진동의 형태에 따라 순음(pure tone), 고른음(musical tone), 소음(noise)의 세 가지로 구분할 수 있다.

• 순음은 배음을 갖지 않는 단 한 개의 기본음 주파수만을 갖는 음을 말한다. 자연계에는 거의 존재하지 않는다. 순음의 파형은 사인파를 띈다.
• 고른음은 관악기나 현악기에서처럼 진동이 규칙적으로 고르게 일어날 때의 소리를 말한다. 가장 크게 들리는 기본음과 보다 작고 기본 주파수의 정수배로 형성되는 배음들을 가진다. 배음들은 순정적인 장화음의 성격을 갖고 잘 어우러지기 때문에 음악적인 소리(악음musical tone)라 하며, 하나의 소리(단음single tone)로 들린다.
• 소음은 진동이 불규칙하여 정수배의 배음이 아닌 복잡한 비율의 배음을 갖게 되면 배음들간의 불협화로 인해 생기는 음을 소음이라한다. 연구 및 측정을 위해 인위적으로 만든 White Noise와 Pink Noise 등이 있다. 인성(사람의 목소리)의 경우 자음은 소음, 모음은 고른음에 속한다. 순음을 합성하거나 배음을 조작하여 다양한 형태의 고른음과 소음 등을 만들 수 있는데, 이걸 복합음(Complex tone)이라고 한다.

 

소리의 요소

소리의 4가지 요소에는 높이(Pitch), 크기(Loudness or Sound Intensity), 음색(Timbre), 지속시간(Duration)이 있다.

소리의 높이는 음 진동 주파수의 높낮이와 관계가 있고, 소리의 크기는 음압의 크기와 음색은 진동 형태에 따라 형성되는 스펙트럼과 소리의 장단은 1차적으로 진동의 지속 시간과 관계가 있다. 

 

 

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소리 현상

 

진동(Vibration)

소리가 발생한다는 것은 먼저 공기 중에 무엇인가가 움직여야 한다. 발음체들의 진동은 단진자의 자연 운동을 빌어 설명할 수 있다. 단진자는 매달려 있는 수직점을 중심으로 좌우 대칭으로 주기적으로 움직인다. 이 좌우의 움직임을 상대적으로 양과 음의 방향으로의 움직임이라고 볼 수 있다.

• 주기(Period) 진자가 한 번 왕복하는데 걸리는 시간을 주기라고 한다.
• 진폭(Amplitude)은 중심으로부터 좌, 우까지의 거리를 진폭이라 한다.

 

진동의 전이; 파동

 

물체는 평형 상태를 이루고 있다가 외부의 힘을 받으면 그 평형 상태가 깨지면서 다시 원래의 상태로 돌아가려는 성질과 관성의 법칙 등이 작용하며 진동을 일으킨다. 이 현상은 공기에서도 그대로 적용된다. 진동은 주변 공기의 압력을 변화시키며, 압력의 변화는 다시 그 주변 공기압의 평형 상태를 깨어 연쇄적인 진동을 일으켜 전달된다. 이 연쇄적인 진동의 전달 과정이 파동이다. 

 

파형(Waveform)

 

진동이 전해지는 모양, 음의 파동의 모양을 시간상의 그림으로 나타낸 것을 파형이라 부른다. 

 

주파수(Frequency)

 

파형이 시작되어 다시 반복하기 전까지 걸리는 시간을 주기라고 하며, 이 주기가 1초 동안 몇 번 일어나는가 1초 동안 이루어지는 진동의 횟수를 주파수라고 한다. 주기와 주파수는 역수 관계가 된다. 주파수의 단위는 헤르츠(Hz) 또는 CPS(Cycle Per Second)라고 한다. 

• 주파수 = 1 / 주기

 

한 주기가 진행하는 거리를 파장이라 하는데, 파장의 값은 아래와 같다.

• 파장 = 음속 / 주파수
  = 음속 X 주기

 

음속이란 소리가 공기 속에서 1초 동안 전달되는 속도를 말한다. 온도에 따라 변하며 공식은 아래와 같다.

• 음속 = 331.5 + -.6t
  t = 온도

 

보통 섭씨 15도에서의 값 약 340m/s를 음속으로 사용한다

예) 1,000Hz란 1초에 1,000번의 진동 주기를 갖는 소리를 말하며 이 소리의 주기는 1 / 1,000초(=0.001초, 1ms), 파장은 340 / 1,000m, 34cm가 된다.

 

음높이(Pitch)

 

주파수의 높고 낮음은 우리 귀에는 음높이의 높고 낮음으로 들린다. 주파수가 높으면 상대적으로 파장이 짧고 음이 높게 느껴지며, 주파수가 낮으면 상대적으로 파장이 길고 음이 낮게 느껴진다.

 

진폭(Amplitude)

 

진폭은 진동의 폭을 의미하며 같은 주파수에서는 진폭이 클수록 크게 느껴진다. 소리의 크기(loudness)는 같은 진폭의 소리라 하더라도 주파수에 따라 달라진다. 

 

음의 세기(Intensity)

 

음의 크기 정도를 세기(intensity)라고 부르며, 음 세기의 레벨(sound intensity level)을 데시벨(decibel, dB)로 나타낸다. 소리의 크고 작음은 주변 환경에 따라 주관적이며 상대적으로 인식하게 된다. 소리의 크기를 측정하거나 조절할 때 전력이나 전압을 다루면 수치 차이가 크고 복잡하여 보기가 어렵다. 따라서 소리 크기에 관한 상대적인 비교값을 간단한 수치로 나타낼 수 있게 한 것이 데시벨이다. 데시벨(decibel)의 deci는 1/10을 의미하고 bel은 전화를 발명한 알렉산더 그레엄 벨(Alexander Graham Bell)의 이름을 딴 것이다. 벨의 단위로 표시하면 값이 너무 작아 소수를 사용해야 하므로 1/10인 데시벨을 사용한다.

 

 

위상(Phase)

소리는 자연히 서로 섞이는 현상이 있다. 다른 두 파형이 동시에 생성되면 두 파형은 서로 합쳐져 새로운 파형을 만들어낸다. 같은 주파수와 진폭의 두 파형이 정확히 같은 시간에 겹쳐지면 주파수는 같지만 진폭은 두 배로 커진다. 이걸 위상이 같다고 말한다. 같은 주파수와 진폭을 가졌더라도 한 파형이 지연 생성되어 양과 음의 움직임의 방향이 달라지면 서로 상쇄시켜 아무 소리도 듣지 못하게 된다. 이 경우 위상이 180도 전환되었다고 한다. 

 

 

배음(Partials)

일상적으로 듣는 음악적인 소리는 단진동이 아닌 복합 진동에 의한 소리로 기본음(Fundamental tone)과 배음(Overtones)들을 갖고 있는 복합음이다. 

 

 

스펙트럼(Spectrum)

소리를 발생시키는 물질이나 구조물의 구조 및 재질, 형태 등의 성질에 따라 다양한 모양의 진동이 일어나게 된다. 이는 곧 기본 진동과 함께 다양한 형태의 부분진동이 일어나는 것으로 음을 형성하는 배음들의 많고 적음과 각 배음들의 크기와 위상이 각각 다르게 나타나 다양한 모양의 파형을 형성하며, 다양한 음색으로 인식된다.

 

 

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음의 지각

 

귀의 구조 및 기능

 

인간의 귀는 외이, 중이, 내이 세 부분으로 나뉜다. 외이는 귓바퀴(pinna)와 외이도(Auditory canal)로 이루어져 있다. 중이는 고막(eardrum)과 망치뼈, 모루뼈, 등자뼈 세 개의 뼈로 이루어진 이소골(ossicle)과 유스타키안관(Eustachian tube)으로 이루어져 있다. 내이는 달팽이관이라 불리는 와우각(cochlea)과 전정실, 삼반 고리관으로 이루어져 있다. 

 

귓바퀴는 소리를 모으며 공간 음향을 지각하는 데 중요한 역할을 하고 귀를 보호 한다. 외이도는 귀 내부로 소리를 유도하는 통로 역할을 한다. 고막까지 전달된 소리는 고막에 의해 진동으로 바뀌며, 진동은 세 개의 뼈로 이루어진 이소골에 의해 내이의 와우각으로 전달된다. 진동은 와우각 안의 섬포에 의해 청신경을 위한 신호로 바뀌어 청신경을 통해 뇌로 전달되어 소리를 지각하게 된다.

 

소리는 외이와 중이를 거치지 않고 두개골이나 몸의 진동이 청신경을 자극해 지각되기도 한다. 이를 골전도 청각이라 하는데, 자신의 소리 지각이나 낮고 음량이 큰 외부로부터의 음의 지각은 골전도 청각이 큰 역할을 한다. 자신의 소리를 녹음하여 들어보면 골전도 청각이 제외되기 때문에 평소 생각하는 자신의 소리와 다르고 어색하게 들린다.

 

 

가청 한계

 

음의 파동이 전달되어도 인간이 듣고 소리라고 느낄 수 있어야 음이라 할 수 있다. 소리가 너무 작거나 커서 들을수 없다면 소리라고 할 수 없다. 인간이 지각할 수 있는 가장 낮은 음압 0dB SPL을 최소 가청 한계(threshold of audibility)라 하고, 인간이 들을 수 있는 가장 큰 소리를 120dB SPL인 최대 가청 한계(threshold of pain)이라 한다. 산업계에서는 134dB SPL을 최대 가청 한계로 하고 있다.

 

소리가 최소와 최대 가청 한계 안에 있다 하더라도 인간이 들을 수 있는 주파수 범위는 한계가 있는데 이 주파수 범위를 가청 주파수 (audio frequency)라고 한다. 가청 주파수 범위는 대략 20Hz ~ 20kHz이지만 사람마다 각각 다르다. 

 

일반적으로 20Hz보다 낮은 주파수의 음은 이소골이 같이 따라 진동을 하지 않고 음의 높이보다는 리듬 또는 육체의 감각으로 인식하기 때문에 인간이 들을 수 있는 낮은 한계 주파수를 20Hz라고 한다. 20Hz보다 낮아 사람이 들을 수 없는 음을 초저주파음(infrasound)이라고 한다. 20kHz보다 높아 인간이 들을 수 없는 음을 초음파(supersonic wanes)라고 한다. 동물은 사람보다 더욱 높은 40kHz 이상의 소리도 들을 수 있다. 

 

 

음의 크기

 

같은 음압이라도 주파수의 높낮이에 따라 느끼는 크기가 다르다. 1~5kHz의 중음역에서 가장 민감하게 들을 수 있다. 1kHz를 기준으로 하여 같은 크기로 들리는 다른 주파수의 음압을 구한 그래프를 등청감곡선(equal loudness curve)라 하고, 기준으로 하는 1kHz 순음의 음압을 phone 폰이라고 한다. 그래프에 따르면 4kHz 부근의 음을 가장 예민하게 지각하며, 저음역에서는 음압이 높아야 들린다. 귀의 구조 특성상 나오는 결과값이며 중이의 이소골이 고막의 진동에 따라 진동을 하게 되나 낮은 음압의 낮은 음에는 이소골 진동이 일어나지 않아 잘 듣지 못하게 된다. 

 

 

마스킹현상

 

큰 소리에 의해 동시에 울리는 작은 소리가 들리지 않게 되는 현상을 마스킹 현상이라고 한다. 마스킹 현상에 의해서도 음색이 변하게 된다.

 

 

청각 보호 기능과 피로

 

동물은 자극을 주면 움츠러들어 본능적으로 자신을 보호하게 된다. 또한 자극을 한 번 받으면 같은 크기의 다음 자극은 초기처럼 크게 느끼지를 못하며 보다 작은 자극은 느끼지 못할 수도 있다. 음악에서는 큰 음을 원할 경우는 작음 음을 어느 정도 지속하다가 갑자기 큰 음을 연주하게 하여 효과를 극대화시키는 것은 이런 현상과 관계가 있다.