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소리란 무엇인가?

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작성자 스테레오팀 작성일16-08-11 16:15 조회1,042회 댓글0건

본문

 

1. 소리는 종파

소리(Sound)란 진동으로 만들어진 파동이 공기를 진동시키며 전달하는 종파(Longitudinal wave)가 우리 귀에 전달되어 인식하게 된다. 

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                                                      [ 소리의 전달 파형의 모습]



또 종파의 전달과정을 그림으로 보면 아래와 같다.
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             [수평 평면에서의 전파모형]                                   [원형 공간에서의 전파모형]

                                       
소리가 종파라는 것은 옆에 있는 매질이 진동하여 전해다는 것을 의미하고, 이것은 진동하는 매질의 고유진동수와 혼합하여 변형될 수 도 있다는 것을 암시한다. 즉, 매질이없는 진공중에는 소리는 전달되지 않지만, 빛(횡파)이나 전파는은 진공중에도 전달된다는 것은 소리의 특질을 이해하는 데 중요한 요소인 것이다.
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쉬운 예로 핸드폰에 음악을 틀어놓고, 나무판플라스틱판 그리고 금속판위에 놓으면 우리는 소리가 다른 것을 느낄 수 있다.
밀폐된 공간에서의 소리도 공간의 크기와 벽면의 재질에 따라 다르게 느껴진다.      
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                                      [밀폐된 공간에서의 음파 전달모형]          

                          
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                                [자유공간에서 음파의 전달모형]
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                                         [음파의 회절하는 모형(좁은틈을 통과할때, 모서리부분에서)]

2. 소리의 발생
먼저 소리가 발생되는 모형을 관찰해보자. 가여금 줄처럼 나무판에 고무줄을 매달고 중심을 잡고 길게 잡아당겨다가 놓으면 최초에는 1파장(λ)의 진동이 되지만 그림과 같이 λ/2, λ/3, λ/4, λ/5등의 파동으로 변형된다.
이것은 원음이 발생되는 것과 동시에 n차 고조파라고 불리우는 배음이 발생하고 그것이 오른쪽 그림처럼 합성되어 들려온다.

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그러면 스피커에서는 소리가 어떻게 발생되는 것인가?

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일반적인 3way -저음(Woofer), 중음(Midrange), 고음(Tweeter)-스피커에서는 아래와 같은 방법으로 발생되어 합성되어 들려온다. 스피커에서 발생되는 소리의 저음, 중음, 고음으로 분류하여 파형으로 보면 아래와 같은 모습이다.

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3.소리의 3 요소 

알반적으로 소리의 삼요소는  크기(강약), 고저(높낮이) 그리고 음색(맵시)이라 하는데, 그모습을 파형에서 분석하면 아래와 같다.

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아래는 음색이 다른 악기를 기본음(440 Hz)으로 연주한 파형이다. 음색에 따라 파형이 현저히 다른 것을 알 수 있다.

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그런데 같은 440 Hz (A4)인데 왜 음색이 다른 것일까? 위 악기들의 배음을 분석(spectrum)해 보면 아래와 같이 보여진다.

 

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조금더 이해하기 쉽게 바이올린(520 Hz) 음에 대하여 배음를 살펴본다.

기본음(1st)에 대하여 무려 25~30 개의 배음이 발생하면서, 그 배음은 점점 소리의 크기가 작아지지만 바이올린만의 특유의 음색을 내고 있다.

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4. 파형의 합성

위에서 살펴 본 것과 같이 음색을 결정하는 파형은 어떻게 합성되는지 알아본다.

 

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   위상이 같은 파형을 합성하면 파고의 크기가 2배인 파형으로 합성된다.

 

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   위상이 180차이를 보이는 같은 파형을 합성하면 파고크기가 0 인 직류와 같은 파형이 합성된다.

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 주기가 서로다른 파형을 합성하면 우측 그림과 같이 복잡한 파형이 생긴다. 이때의 크기는 백터의 합인 곡선을 표시한다.

아래 그림은 단순한 45도 위상차이를 보이는 정현파의 합성과, 위상이 180도인 정현파의 합성, 그리고 역으로 복잡한 파형의 스팩트럼을 분석하고 분해한 보습이다.  

 

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 소리는 매질을 통해서만 전파되다는 것은 매질에 따라 변화할 수 있다는 것이고, 반사, 흡수, 회절 되면서 파형의 변화를 초래할 수 있고, 그것은 음색의 변화로 이어질 수 있다는 것이다.

또한 파형의 시간축에 대한 위상의 차이는 소리의 파형 뿐 아니라, 크기까지도 변형시킬 수 있다.

이러한 소리의 특징에 대항 이해는 네트워크 설계, 케이블의 선택, 저항등의 회로소자의 선택, 흠음재료와 방법의 선택, 스피커 재료의 선택등에 광범위하게 영향을 파악하는데 중요한 것이다. 

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