'악기'의 과학

 '소리(Sound)'와 '악기(Instrument)'는 밀접한 관계에 있다. '악기'에 초점을 맞추고, 소리의 성질에 관해 알아보자.

0. 목차

1. '소리'란 무엇인가?
2. 공명
3. 현악기
4. 관악기
5. 타악기
6. 음색이란 무엇인가?

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1. 소리의 정체

 '소리(Sound)'를 한마디로 정의하면 '압력의 변화가 매우 빨리 일어나는 현상'이라고 말할 수 있다. '소리가 없는 상태'란 대기압 그대로 변화가 없는 상태이다. 거기에 압력이 대기압보다 약간 높아지거나 낮아지는 변화가 일어나고, 그것이 귀에 전해지면 우리는 그것을 소리로 느낀다. 이 압력의 변화는 매우 작아서, 대기압의 100만 분의 1 정도이다. 우리가 소리를 느낄 때는 적은 경우에도 1초에 20번, 많은 경우에는 20000번이나 공기의 압력이 높아지거나 낮아지는 빠른 변화를 느끼는 것이다.

 '소리'가 '빠른 압력의 변화'임을 잘 나타내는 예로 '풍선의 파열'을 들 수 있다. 풍선을 손으로 누를 때, 풍선 안에는 압력의 변화가 생기지만 소리는 들리지 않는다. 그러나 풍선을 바늘로 찔러서 터뜨리면 '펑'하고 큰 소리가 난다. 풍선 안의 공기가 순간적으로 밖으로 나와 주위의 공기를 압축해, 압력이 높은 생긴다. 풍선의 파열에 의해 압력이 높아진 공기는 용수철처럼 수축하거나 팽창하는 공기의 특성에 의해, 곧 팽창에 원래의 대기압으로 돌아가려고 한다. 그러나 되돌아가려고 할 때, 팽창이 멈추지 않고 대기압보다 낮은 압력이 된다. 이처럼 공기의 압력이 일순간에 대기압보다 높아지거나 낮아진다. 이 공기의 압력 변화가 주위 공기 중에 전해지고 귀에 도달하면, 우리는 풍선이 파열했을 때의 소리를 느낄 수 있다.

1-2. 공기를 흔들면 소리가 난다.

 압력의 변화가 공기 중에 전달될 때, 공기 분자가 많아 압력이 높은 부분과 공기 분자가 적어서 압력이 낮은 부분이 교대로 나타나는 '소밀파(Wave of Condensation)'로 전해진다. 이것이 '음파(Sonic Sound)'이다. '음파(Sonic Sound)'가 귀에 도달하면 고막에 전달된다. 공기의 압력 변화는 뼈, '림프액(Lymph)', 그리고 '기저막(Basement Membrane)'이라는 막에 진동으로 전해지고, 최종적으로는 '유모 세포(Hair Cell)'라는 세포의 털을 움직인다. 그것이 '신경세포(Nerve Cell)'의 '신호(Signal)로 바뀌고, 뇌에 신호가 전해져 소리가 인식된다. 이처럼 '소리(공기의 압력의 변화)'는 '진동(Vibration)'을 만든다.

 반대로 공기를 '진동시켜 빠른 압력 변화를 일으키면 소리가 발생된다. 예컨대 책상을 두들기거나 열쇠를 떨어뜨리면 소리가 난다. 이것은 책상이나 열쇠가 진동하여, 주위의 공길을 밀어 공기의 진동을 일으켰기 때문이다. 반대로 스테레오 등의 스피커는 전기신호를 진동판의 진동으로 바꿔 소리를 발생시킨다. 반대로 마이크는 '공기의 압력 변화'를 '막의 진동'으로 변환시키고 그것을 '전기 신호'로 변환함으로써 소리를 얻을 수 있다.

1-3. 소리의 크기와 높이

 '공기의 진동'이 바뀌면 '소리'가 바뀐다. '공기의 진동'은 '소리의 크기'와 '소리의 높이'를 결정하기 때문이다.

1. 소리의 크기: 콘서트 등에서 큰 스피커 앞에 서서 소리를 들으면, 몸에서 진동을 느낄 수 있다. 한편, 말소리로 몸에 진동을 느끼는 일은 거의 없다. 이것은 소리의 크기가 압력의 높고 낮음의 차이로 정해지기 때문이다. 큰 소리에서는 몸으로 진동을 느낄 정도로 공기의 진동이 커서, 압력의 차가 크다.
2. 소리의 높이: 소리의 높이도 진동과 관계가 있다. 일반적으로 나무판을 두들겨 나오는 소리보다, 금속판을 두들겨 나오는 소리 쪽이 높다. 이것은 '나무판의 진동수'가 '금속판의 진동수'보다 작기 때문이다. 우리는 진동수가 작은 소리를 '낮은 소리'로 느끼고, 진동수가 큰 소리를 '높은 소리'로 느낀다.

1-4. 악기의 종류

 악기는 크게 '타악기(Percussion Instruments)', '현악기(String Instrument)', 관악기(Wind Instrument)'의 세 가지 종류로 나누어진다. '타악기'는 손이나 채로 두드리거나 흔들어 소리를 내는 악기를 말하고, '현악기'는 줄의 진동을 이용하여 튕기거나 활로 그어서 소리를 내는 악기를 말하며, '관악기'는 입으로 불어서 관 안의 공기를 진동시켜 소리를 내는 악기를 말한다. '타악기'에는 '북(Drum), '드럼(Drum)', '팀파니(Timpani)' 등이 있고, '현악기'에는 '바이올린(Violin), '기타(Guitar)', 거문고 등이 있으며, '관악기'에는 클라리넷, 플루트, 색소폰 등이 있다.

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2. 공명(Resonance)

 소리의 발생에는 '공명(Resonance)'이라는 현상도 있는데, 이것은 악기가 소리를 내는 데 중요하게 작용한다. 이 가운데 '현악기'와 '관악기'는 '공명 현상'과 밀접한 관계를 가지고 있다. 그러면 공명 현상이란 무엇일까?

 소리굽쇠를 예로 해서 생각해보자. '소리굽쇠(Tuning Fork)'는 특정한 진동수의 소리만을 내는 U자형의 금속 기구이다. 소리굽쇠를 두들겨 진동시켜도 소리굽쇠만으로는 큰 소리가 되지 않는다. 소리굽쇠는 막대 모양이므로, 표면적이 작고 공기를 미는 효과가 낮아서, 공기의 큰 진동을 만들어내기 어렵기 때문이다. 그런데 소리굽쇠를 '공명상자(Resonance Box)'라고 불리는 상자에 놓으면 큰 소리가 난다. 이것은 소리굽쇠의 진동에 의해 공명상자가 진동하고, 공명상자의 판자에 의해 공기가 밀려 공기가 크게 진동하기 때문이다.

 일반적으로 형태가 정해진 물체는 '고유 진동수(정해진 진동수)'에서 크게 진동하는 성질이 있다. 그때 소리가 발생하는 것을 '공명(Resonance)'이라고 한다. 소리굽쇠의 경우, 소리굽쇠의 진동수와 공명상자의 고유 진동수를 같게 한다. 그래서 소리굽쇠의 진동에 의해 공명상자가 진동해 큰 소리가 발생했다. 결국 공명이 일어난 것이다.

'소리굽쇠'와 '공명상자'

3. 현악기

 먼저 '현악기'에서는 큰 소리를 내는 데 '공명(Resonance)'이 이용된다. 현악기에서는 현을 문지르거나 치거나 튕김으로써 현을 진동시켜 소리를 낸다. 그러나 그것만으로는 큰 소리가 울리지 않는다. 소리굽쇠의 경우와 마찬가지로, 현은 표면적이 작기 때문에 공기를 밀어서 큰 진동을 만들 수 없다. 그래서 현악기에서는 '브릿지(Bridge)'라고 불리는 부분을 통해 판에 현의 진동을 전해 공명을 시켜서 큰 소리를 낸다. 이것은 바이올린, 기타, 거문고 등 현악기에 모두 공통된 메커니즘이다.

 바이올린은 기타보다 크기가 작은 악기이지만 훨씬 큰 소리를 낼 수 있다. 그 이유도 공명이다. 기타에서는 몸통의 앞판이 주로 진동하고, 뒤판은 별로 진동하지 않도록 되어 있다. 한편, 바이올린에는 몸통의 '브릿지(Bridge)' 부근에 막대가 있는데, 이것이 앞판과 뒷판을 연결한다. 그래서 뒤판에도 진동이 전해져 공명이 일어나고, 진동하는 표면적이 커져서 큰 소리가 난다.

 현악기에서는 현의 길이에 의해 소리의 높이를 바꿀 수 있다. 현의 진동수는 현의 길이에 반비례하고, 소리의 높이는 진동수에 비례한다. 그래서 하나의 현악기로 넓은 음역을 커버할 수 있다. 그래서 현악기의 향판에는 넓은 음역에서 공명하는 재료가 필요하다. 예컨대 바이올린의 앞판에는 전통적으로 진동하기 쉬운 목재가 쓰인다. 악기의 재질을 결정하는 것도 공명이다.

바이올린(Violin)

4. 관악기

 '관악기'도 '현악기'와 마찬가지로 '공명(Resonance)'에 의해 소리가 커진다. 연주자가 불어 넣는 공기의 흐름을 진동시켜, 그에 의해 관 속의 공기 자체를 공명시키는 것이다. 그 메커니즘은 관악기의 종류에 따라 '금관악기(Brass Instrument)', '리드 악기(Reed Instrument)', '에어 리드 악기(Air Reed Instrument)' 세 가지로 나누어진다.

 관악기에서는 관에 뚫린 구멍을 막음으로써, 관 속의 '공기 기둥의 길이'를 바꾸어 소리의 높이를 바꾼다. 현악기와 경우와 마찬가지로 '공기 기둥의 길이'와 '진동수'는 반비례한다. '취구(숨을 불어 넣는 구멍)'에 가까운 쪽의 구멍을 열면, 공기 기둥이 짧아져 진동수가 커지므로 높은 소리가 난다.

4-1. 금관 악기

 첫째 메커니즘은 '트럼펫(Trumpet)'이나 '트럼본(Trombone)', '호른(Horn)' 등의 금관 악기를 울리는 것인데, 입술이 진동함으로써 공기의 흐름에 강약이 생긴다.

트럼펫(Trumpet)

4-2. 리드 악기

 둘째 메커니즘은 '리드(Reed)'라고 불리는 얇은 판 모양의 부품이 진동하는 것이다. '오보에(Oboe)'나 '클라리넷(Clarinet)', '섹소폰(Saxophone)' 등에서 사용되는데, 리드가 하나인 것과 둘인 것이 있다. 리드가 진동해 개폐함으로써, 공기의 흐름에 강약이 생긴다. 식물의 잎을 이용한 '풀잎 피리'는 리드 악기와 같은 원리로 잎이 진동함으로써 소리가 난다.

4-3. 에어 리드 악기

 셋째 메커니즘은 '플루트(Flute)', '퉁소(Tungso)', '리코더(Recorder)' 등에서 쓰이는데, 공기 그 자체가 진동한다. 그래서 이들 악기는 '에어 리드 악기(Air Reed Instrument)'라고 불린다. '에어 리드 악기'는 숨을 일정하게 하고 '에지(Edge)'의 위와 아래로 교대로 흐른다. 그렇게 되면 악기의 관 속에서 보면, 공기의 흐름이 주기적으로 변하게 된다. 결국 공기의 진동이 일어나는 셈이다.

 같은 '에어 리드 악기(Air Reed Instrument)' 중에서도 리코더는 초등학교 교재로 쓰일 정도로 소리를 내기 쉽지만, 플루투나 퉁소는 간단히 소리를 낼 수 없다. 리코더에는 에지에 공기를 보내기 위한 통로가 있기 때문에, 에지에 공기를 닿게 하는 통로가 언제나 같다. 하지만 플루트나 퉁소는 입술의 모양이나 방향에 따라 에지에 공기가 닿는 각도가 다르다. 그것을 연주자가 조절해야 하기 때문에 소리를 내기 어렵다. 이처럼 만들어진 공기 흐름의 강약이 관 속의 공기에 공명을 일으킨다. 이 때 공명에 의한 관 속의 압력 변화와, 리드나 입술, 공기의 진동에 의한 공기 흐름의 변화가 타이밍 좋게 맞으면 소리가 난다. 관 속의 압력 변화에 따라 꼭 알맞은 타이밍으로, 연주자가 불어 넣는 공기의 흐름으로 에너지를 주면, 관 속의 공기의 진동을 지속시킬 수 있다.

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5. 타악기

 '현악기'와' 관악기'에 비해 '타악기'의 메커니즘은 훨씬 단순하다. '팀파니(Timpani)'와 '북' 등은 막을 두들겨 진동시켜서 소리를 낸다. '막(Membrane)'이라는 면에서 공기를 진동시키므로, 공기에 큰 압력 변화를 가져온다. 따라서 공명 없이도 큰 소리가 나온다.

 그런데 팀파니에서는 막의 한 가운데를 두들기지 않고, 가장자리로부터 4분의 1에서 5분의 1 정도 떨어진 부분을 두들겨 연주한다고 한다. 왜 그럴까? 현이나 막이 진동할 때, 진폭이 큰 부분인 '배'와 진동이 일어나지 않는 부분인 '마디'가 생긴다. 이들의 위치는 진동수에 따라 다르다. 팀파니가 음색이 좋게 울리기 위해서는 막의 한가운데에 마디가 오도록 진동시키는 것이 좋다. 그런데 한가운데를 두들기면 거기에서 진동이 일어나, 한가운데가 '마디'가 되는 진동이 되는 일어나지 않아서 좋은 음색을 얻을 수 없다.

배와 마디

6. 음색이란 무엇인가?

 소리에는 '크기'와 '높이' 이외에도 또 다른 성질이 있다. 그것은 바로 '음색(Tone Color)'이다. 예컨대 트럼펫과 바이올린에서 같은 소리를 내도, 분명한 소리의 차이가 있다. 이것이 바로 '음색'이다. 그러면 '음색은 어떻게 결정될까?

 악기의 소리'나 '사람의 목소리' 등 우리가 일상적으로 듣는 소리는 여러 진동수의 음이 겹친 '복합음(Complex Tone)'이다. 특히 악기의 소리는 예컨대 220Hz, 440Hz, 660Hz 등, 정수의 비로 나타낼 수 있는 '배음(Harmonic Overtone)'이 여럿 겹친 소리이다. 그리고 가장 진동수가 작은 배음을 '기본음(Fundamental Tone)', 또는 '기음'이라고 부른다. 방금 예시의 경우에는 220Hz의 소리가 기본음이다. 음색을 결정하는 것은 주로 이 배음의 조합과 강함이다. 예컨대 바이올린 소리에는 배음이 많이 포함되어 있지만, 플루트에는 배음이 적다고 한다. 같은 악기를 연주해도, 상급자와 초심자는 전혀 다른 음색을 낸다. 이것도 켜기와 불기의 방식에 따라 생기는 진동이 다르기 때문에, 배음의 조합이 달라지기 때문이다.

 더욱이 '공명(Resonance)'도 음색에 큰 영향을 미친다. 현악기의 향판은 넓은 음역에서 공명하는데, 현의 모든 진동에 같이 공명하는 일은 없다. 오히려 공명하기 일어나기 쉬운 진동수가 있다. 그래서 공명에 의해 크게 되기 쉬운 배음과 그렇지 않은 배음이 생긴다. 이러한 공명의 정도 차이도 음색의 특징을 만든다.