음향기초#4 소리의 특성

소리(음파)의 특성들

 

간섭(Interference)

둘 또는 그 이상의 파동이 서로 만났을 때 중첩의 원리에 따라서 합쳐진 파의 진폭이 변하는 현상. 이 현상은 소리의 진폭이나 주파수가 서로 겹쳐질 때 발생하는데, 서로 다른 파동이 만나면 위상에 의해 강화되거나 상쇄되는 효과를 나타내며, 이것이 소리의 크기나 품질을 변화시킵니다.

여러 파동이 겹쳐져서 중첩이 일어날 때, 마루와 마루가 더 해지거나 골과 골이 더해지면 더욱 큰 변위를 일으키는 파동이 만들어지는 것을 보강 간섭(Constructive interference)이라고 하고, 반대로 마루와 골, 혹은 골과 마루가 만나며 파동이 서로 상쇄되면서 진폭이 줄어드는 것을 상쇄 간섭(Destructive interference)이다.

 

# 상쇄간섭이 일어날 때 정확히 파형과 위상이 180도 차이가 나면 소리가 아예 안들리게 된다.

 

맥놀이 효과 (Beating Effect)

진동수가 거의 같은 두 소리가 중첩된 결과, 규칙적으로 소리의 크기가 커졌다 작아졌다 하는 일이 반복되는 현상이다. 이는 진동수 차이로 인해 시간에 따라 두 소리 파동 사이의 위상 차이에 변화가 생겨서 시간이 지남에 따라 두 파동이 보강 간섭과 상쇄 간섭을 반복하기 때문이다. 예로 우리의 전통적인 범종은 '우~웅~우~웅'하며 소리가 커졌다 작아졌다 하는 긴 여운을 남기는 데 이것이 맥놀이 현상이다.

이 현상은 두 주파수의 합과 차의 절반으로 나타나며, 즉 (f1 + f2) / 2와 (f1 - f2) / 2의 두 가지 주파수가 맥놀이 주파수로 나타난다. 예를 들어, 440Hz와 444Hz의 주파수를 가질 때, 맥놀이 주파수는 (440Hz + 444Hz) / 2 = 442Hz와 (444Hz - 440Hz) / 2 = 2Hz로 나타난다. 이러한 현상은 듣는 사람에게 일종의 “진동” 또는 “파도”를 느끼게 하며, 음악에서도 종종 사용되어 특정 주파수를 강조하거나 음색을 변화시킬 때 활용된다.

 

콤 필터링 효과(Comb-Filtering Effect)

두 개의 동일한 소리가 시간 차를 가지며 녹음될 때 주로 발생되는 빗살 모양 필터에 의한 캔슬링 현상이자 오디오 신호 처리에서 발생하는 음향 현상 중 하나이다. 두 개의 신호가 서로 위상적인 간섭을 일으키는 상황은 매우 다양한 상황에서 발생할 수 있으며 대표적으로 바닥, 또는 벽체에 의해 반사된 소리가 직접음과 일정한 시간차(위상차)를 가지고 만나는 경우 일련의 위상간섭 현상을 일으킨다. 이로 인해 특정 주파수 대역의 신호가 간섭에 의한 상쇄작용으로 크게 감소하여 신호의 음색이 크게 왜곡되는 부작용을 가져오게 되며, 이름은 주파수 응답 그래프가 이상한 모양의 빗살 무늬(Comb, 빗) 모양을 띠게 되는데서 유래되었다.

주로 다음과 같은 상황에서 발생한다. 발생된 악기음이 반사성 바닥면에 반사되어 마이크로 입력되는 직접 전달음에 위상적인 영향을 주게 되는 직접 음향과 반사 음향의 혼합 상황과 하나의 음원에 두 개 이상의 마이크를 설치할 경우 연주음이 거리차를 가진 두 개의 마이크에 시차를 가지고 입력되어 믹싱콘솔 내부에서 하나로 합쳐지면서 복사본과 원본 신호 간의 상호 간섭으로 인해 콤 필터 효과가 발생하는 경우다.

이와 같은 콤 필터링의 발생에 의한 음질 변화를 막기 위해서는 반사를 일으키는 바닥면의 각도를 변경하거나 바닥에 흡음성 소재를 깔아 반사음의 발생을 억제하는 방법이 효과적이며, 두 마이크의 위치를 조절하여 마이크에 픽업되는 신호의 음압 차이가 더 커지게 하여 신호의 상호 간섭이 적게 발생하도록 하는 방법이 효과적이다.

 

굴절(屈折, Refraction)

소리 파동이 한 매질에서 다른 매질로 들어갈 때 속도나 방향이 변화하여 결과적으로 파동의 진행방향과 소리의 진폭이나 주파수가 변하는 현상. 다른 밀도나 온도를 가진 매질에 따라서 파동의 진행 속력이 달라지기 때문에 서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동의 진행방향이 바뀌게 되며, 빛이나 소리 등 파동의 구체적인 종류와 무관하게 나타난다. 

대표적인 예로 우리나라 속담 ‘낮말은 새가 듣고, 밤말은 쥐가 듣는다.’라는 말이 있다. 밤과 낮에는 높이에 따른 공기의 온도가 다르기 때문에 소리가 굴절되면서 진행한다. 온도가 높을수록 소리의 속력이 빠른데 낮에는 지면 쪽의 공기 온도가 더 높아서 소리가 위로 굴절되며, 지면 쪽의 공기 온도가 더 낮은 밤에는 소리가 아래로 굴절된다.

 

도플러 효과(Doppler Effect)

파동 발생원(음원)과 관측자(청취자) 중 하나 또는 모두가 운동하고 있을 때 실제 음원의 주파수와 다른 높이로 들리는 현상을 말한다.

흔히 사이렌을 울리며 지나가는 자동차가 청취자를 향해 다가올 때는 실제 사이렌 소리보다 높은 음정으로 들리고, 청취자를 지나쳐 멀어져갈 때에는 점점 음정이 낮아지는 현상으로 설명되기도 한다. 만약 소리를 내는 음원이 관측자에게 접근하고 있다면, 더 높은 주파수의 소리를 듣게 되고 높아진 톤으로 들립니다. 반대로 소리를 내는 원점이 관측자에서 멀어지고 있다면, 관측자는 더 낮은 주파수의 소리를 듣게 되고 소리는 낮아진 톤으로 들리게 된다. 이것은 음원이 청위자를 향해 이동할 때 실제 음 파의 파장에서 음원의 이동 속도를 뺀 만큼 유효 파장이 짧아지기 때문에 발생하게 된다. 또한 음원과 청취자의 거리에 변화가 없는 상황에서 일정한 속도의 바람이 불 경우 바람의 속도가 음파의 속도에 영향을 주게 되어 음정이 변화하여 들 리는 유사한 효과가 발생하게 된다.

 

회절(回折, Diffraction)

입자가 아닌 파동에서만 나타나는 성질로 파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상이다. 입자와 달리 파동의 경우, 틈을 지나는 직선 경로뿐 아니라 그 주변의 일정 범위까지 휘어져 돌아 들어간다. 물결파를 좁은 틈으로 통과시켜 보면 회절을 쉽게 관찰할 수 있는데, 파장이 일정할 때 틈의 크기가 작을수록 회절이 잘 일어나, 직선의 파면을 가졌던 물결이 좁은 틈을 지나면 반원에 가까운 모양으로 퍼진다.

회절의 정도는 틈의 크기와 파장에 영향을 받는데 틈의 크기에 비해 파장(Wave Length)의 길이가 길수록 더 잘 회절하게 되고 파장이 짧은 고주파 일수록 덜 회절하게 된다. 그래서 파장이 긴 저음이 파장이 짧은 고음에 비해 더 잘 회절하므로 장애물에 가려진 지역에는 고음보다는 저음의 에너지가 더 많이 공급되어 주파수의 균형이 깨진 소리가 전달될 수 있다.

다양한 예로 담장 너머의 사람이 보이지는 않아도 담장 너머의 말소리는 담장 위쪽을 돌아 반대편까지 전달된다. 라디오의 AM방송은 FM방송에 비해서 수신이 잘 된다. 이는 AM방송에 쓰는 전파의 파장이 FM방송에 사용되는 파장의 길이보다 길어서 건물이나 장애물을 만났을 때 회절되어 구석구석 잘 전달되기 때문이다.

 

반사(反射, Reflection)

소리의 반사 현상은 소리 파동이 특정 표면에 부딪혀 돌아오는 현상을 말합니다. 장애물이나 벽 등을 만나면 일어나며, 반사된 소리는 듣는 사람에게 원래 소리와 함께 도달합니다. 소리의 반사는 “입사각과 반사각이 같다”는 반사의 법칙을 따르는데, 반사된 파동은 입사된 파동과 간섭하여 보강 및 상쇄 간섭의 패턴을 생성할 수 있다. 이러한 반사 현상은 음향의 반향이나 공간의 특성을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

두 매질의 경계면으로 입사된 음파를 입사파(Incidence Wave), 경계면에서 원래 매질로 다시 반사되는 음파를 반사파(Reflected Wave), 다른 매질로 투과 되는 음파를 투과파(Transmitted Wave) 라고 한다. 이때 두 매질의 경계면 상태가 입사되는 음파의 파장에 비해 상당히 울퉁불퉁 요철 구조 일때는 반사파가 정확히 같은 각도를 유지하지 않고 여러 방향으로 퍼져 진행하게 되는 현상을 산란(Scattering)이라고 한다.

 

정재파(定在波, Standing Wave)

평행으로 서로 마주보는 벽 사이에서 음이 반사를 되풀이할 때 벽과 벽 사이의 거리가 음의 파장과 일정한 관계를 이루면, 음파의 산과 골이 서로 강해져 소리가 울리는 현상이 생긴다. 이에 따라 특정한 파장의 음(여러 소리)은 음파끼리 서로를 지워 소멸해버린다. 특히 정재파의 주파수는 음속을 평행면 사이의 거리를 두 배로 나눈 것(주파수)의 정배수이다.

정재파는 장방형의 실내에서 흔히 발생하며 일정한 크기를 가진 실내에서 마주한 두 벽체 간에 발생하는 정재파로 인해 특정 주파수가 최대 치로 보강되는 지점(배, anti-node)과 최저치로 상쇄되는 지점(마디, node)이 일정하게 분포하게 되며, 이를 룸-모드(Room Mode)라 한다.

중소형 실내공간에서 항상 발생하는 물리 현상으로 작은 규모의 소극장이나 지하의 소형 라이브 클럽 무대 등에서 흔히 목격할 수 있다. 특히 제한된 크기의 무대 지역에서 드럼 세트, 베이스 앰프 등 저역 주파수를 만들어 내는 악기를 마이킹 할 때 이와 같은 룸모드의 영향으로 특정 저역대가 이상 증폭되거나, 또는 상쇄되어 음 량이 빈약해 지는 현상이 발생한다. 이 때 룸모드를 피하기 위해 소리를 확성하는 스피커 또는 서브우퍼의 위치를 바꾸는 것은 룸모드를 줄이는데 거의 아무런 영향을 주지 못한다. 만일 룸모드로 인해 마이크로 입력되는 신호가 지나치게 작거나 커진다면 드럼 세트와 드럼용 마이크의 위치를 약간 움직여 보면 이와 같은 과다한 간섭이 발생하지 않는 응답특성을 얻을 수 있는 경우가 많다.

플러터 에코(Flutter Echo)

정재파와 유사하게 나란한 두 벽 또는 일정한 반사각도를 가진 벽체 사이에 서 발생하는 현상으로, 평행한 면이 서로 마주보고 있는 경우, 이들 사이에서 발생한 소리가 이 평행면 사이에서 반복적으로 반사되어 특정 주파수의 소리가 짧은 간격으로 강하게 반복되는 것을 말한다. 평행한 반사면 사이에서 음파가 반사를 되풀이하면서 발생하는 음은 복수 반사음이 늦어져 시간의 간격이 일정할 때 생기며, 하나의 주파수만이 강조된 ‘윙’ 하는 특유의 음이다. 일반 스튜디오에서도 가벼운 플러터 에코가 발생하기 쉬우므로 주의가 필요하다. 

# 직접음으로 부터 약 35ms-50ms이상 늦게 전달된 반사음은 직접음과는 분리된 단독음으로 들린다. 이것을 에코(Echo)라 한다.

 

공진(共振, Resonance), 공명(共鳴)

물체가 스스로 낼 수 있는 소리의 주파수 즉 고유진동수와 같은 주파수의 소리를 만나 진폭이 커지면서 에너지가 증가하여 저절로 울리는 현상을 말한다. 입구가 좁은 병에 입을 대고 불면 ‘붕~’ 하는 소리가 난다. 이것은 입으로 불어진 공기가 병 안쪽의 공기를 진동시켜 일정한 주기의 진동음을 만들 어내는 것이다. 이것을 공명(Resonance) 현상이라 하며 공명되는 주파수는 병 내부의 체적에 의해 결정된다. 외부의 자극에 의해 병과 같이 밀폐된 공간의 내부가 공명할 때 공명하는 주파수 에너지의 일부가 열로 변환되어 흡수된다. 이런 구조의 공명기를 헬 몰츠 공명기(Helmholtz Resonator)라고 하며, 공명하는 주파수를 공진주파수라고 한다. 헬몰츠 공명기의 원리는 다양한 방면에 활용되고 있다.

헬름홀츠 공명(Helmholtz Resonance)

19세기 독일의 음향학자인 헬름홀츠가 발견한 음향현상으로 입구에 관의 형태를 하고 있고 내부 체적이 존재하는 구조물에서 발생하는 공진현상을 말한다. 일반적으로 어떤 유체가 닫힌 용기나 공간 내에 포함되어 있을 때 발생하며, 공기나 다른 유체가 닫힌 공간 내에서 특정 주파수로 진동하는 현상을 나타낸다. 간단한 예로, 헬름홀츠 공명은 바람관 악기인 피리나 오카리나의 원리로 작용하며, 이러한 악기는 특정한 부분에서 소리를 내고 해당 부분에서 헬름홀츠 공명이 발생하여 음향이 증폭된다.

 

 

 

참고문헌 : 네이버 지식백과 - 두산백과 / 파퓰러음악용어사전 & 클래식음악용어사전 / 물리학사전,  홈레코딩 위키 by 리버사이드 재즈 레이블