파랑 :

간섭

소리가 전파하는 도중 다른 소리를 만났을 경우를 생각해 보자. 지금까지 다루었던 벽과 같은 장애물, 바람, 온도변화 등의 공통점은 모두 소리의 전파에 변화를 초래했다는 점인데, 소리가 전파되며 만나는 다른 소리 역시 변화를 초래하는 요인이 된다. 그리고 실제로 음악을 들을 때, 우리는 여러 음원에서 나오는 소리를 합쳐 듣는 경우가 대부분이기도 하다. 이는 실내악이나 교향악을 들을 때든, 오디오를 통해 소리를 들을 때든 음원은 하나 이상이며, 그 방향도 각기 다른 경우가 많다. 만약 비슷한 음파들이 동시에 다른 방향으로부터 도달하면 서로 합쳐질 수도 있고 상쇄될 수도 있다. 이러한 현상을 통틀어 간섭이라고 한다. 두 음원이 같은 음을 발산한다면 각각의 스피커는 음파를 만들어 낼 것이다. 이때 두 파면이 만나는 지점들은 서로 합쳐져 이론적으로는 진폭이 배가 되는 소리를 만들어 내고 한 파면의 마루와 다른 파면의 골이 만나게 되면 서로 상쇄되어 이론적으로는 소리가 없어질 것이다. 전자의 경우를 보강간섭이라고 하고, 후자의 경우를 상쇄간섭이라고 한다. 하지만, 실제 실내의 상황 속에서는 벽에 부딪혀 되돌아오는 수많은 반사음과 복잡하게 얽혀 전달되기 때문에 이런 현상을 실생활에서 발견하기는 어렵다. 그러니 이러한 극단적인 경우를 제외하더라도 실제로 같은 방 안에서도 소리가 잘 들리는 지점과 그렇지 않은 지점이 있는 것은 사실인데 소리의 상호 간섭이 이런 현상을 일으키는 요인이 된다. 


맥놀이 현상

주파수가 서로 가까운 소리끼리 만나서 일어나는 상호 간섭현상을 맥놀이라고 한다. 싸인 파를 옆으로 계속 이어놓으면 맥놀이 현상이 연속적으로 일어나는 것을 볼 수 있을 것이고, 그 주기는 맥놀이를 일으키는 두 소리의 주기의 차이와 같다. 맥놀이 현상은 실제로 악기 조율에 널리 사용된다. 고주파끼리일수록 진동수의 차이는 그만큼 더 크다. 일반적으로 맥놀이 주파수가 0.5Hz 미만인 지점까지 맞출 수 있다면 이는 잘 된 조율로 인정한다. 반대로 맥놀이 주파수가 점차 커지면 거친 소리를 내며 이는 불협화음을 만들어내는 한 가지 요소가 된다. 

이제까지 소리의 기본적인 특성들과 소리가 음원으로부터 전파되면서 발생하는 문제들을 보았다. 소리는 공기의 진동으로 우리에게 전달된다. 공기의 진동은 시간에 따른 음압 변화라는 2차원적 그래프로 나타낼 수 있다. 이론적으로 모든 정보가 이 그래프 안에 들어갈 수 있으며 이를 오실로스코프를 통해 볼 수도 있다. 또한 마이크의 진동을 통해 기록하여 LP나 CD에 소리 정보를 저장해 놓을 수 있으며, 또 스피커의 진동을 통해 이를 소리로 재생할 수도 있다. 이 속에는 소음을 비롯한 모든 음악적 정보가 다 들어있는데 우리의 귀는 이 단순한 이차원적 그래프 안에서 음악 소리와 소음을 구별하고 피아노 소리와 바이올린 소리도 분리해 낸다. 다음 장에서는 소리의 기초 구성성분인 싸인 파와 그것의 합성, 그리고 공명 등을 통해 소리의 분석과 합성의 과정을 보기로 한다.

싸인 파와 순음

음향학을 다루면 항상 제일 먼저 등장하는 파가 바로 싸인 파이다. 싸인 파가 내는 순음은 소리굽쇠나 음향 실의 기기 같은 전자매체를 통해서 들을 뿐, 실제 음악에서 많이 사용되는 소리는 아니다. 그러나 여러 종류의 소리를 음향학적으로 설명하는데 가장 기본이 되며 또한 음악에서 사용되는 다양한 음향들도 수많은 싸인 파의 합성으로 설명되기 때문에 여기서 그 기본개념을 다룬다. 앞서 싸인 파가 내는 순음은 기계적인 소리를 통해 듣는 경우가 많다고 했는데 음역에 따라 다른 소리를 내며 일상적인 소리와는 다른 점이 많이 있다. 우선 낮은 음역에서 이 소리는 고물 라디오에서 나는 잡음과 같이 칙칙거린다. 높은 음역에서 순음은 연속적인 소리를 내기는 하지만 이 역시 듣기 좋은 소리라고 볼 수는 없다. 또한 벽으로 막혀 있어 어느 정도의 잔향이 있는 방에서 순음을 들을 때는 그 소리가 오는 방향을 잘 알 수 없다. 순음의 경우 음소 판단의 중요한 단서가 제공되지 않기 때문이다. 또한 어떤 사람은 순음을 들을 때면 한쪽 귀로 더 크게 듣는다. 특별히 이러한 양이 불균형 현상을 가지지 않은 정상적인 사람이라도 순음의 경우 소리가 점점 커지면 음높이가 변하는 것으로 들린다. 지금까지 예를 든 모든 현상이 일상적인 음악 소리, 즉 배음을 가진 소리에서는 거의 일어나지 않는다. 다행스럽게도 이러한 많은 문제점을 가지고 있는 순음을 우리는 음향학이나 음악심리학 교과서에서 혹은 실험실의 기계를 통해서만 접한다. 그런데도 이렇게 비실용적인 음을 중요하게 다루는 이유는 우리가 듣는 모든 합성음을 수학적으로는 싸인 파의 합성으로 설명할 수 있기 때문이다. 


싸인 파의 합성과 분석 : 푸리에 스펙트럼 분석

프랑스의 수학자 푸리에는 어떤 음파라도 그것이 주기적이지만 하다면 특정한 강도, 주파수, 위상을 가진 싸인 파의 합성으로 설명할 수 있다고 밝혔다. 또한 합성의 요소가 되는 싸 인파들의 주파수는 모두 기본음의 자연수 배로 되어있으며 모든 종류의 합성음을 여러 개의 싸인 파로 분석하는 수학적 분석 방법을 발견했다. 이것이 바로 유명한 푸리에 스펙트럼 분석이다. 그러나 실제 음파 속에서 고배 음들은 그 에너지가 미약하기 때문에 대개의 경우 저 배음 몇 개만 가지고도 본래와 비슷한 음파 형태를 얻을 수 있는데 여기에 예외적인 것이 사각 파이다. 사각 파는 수많은 홀수 배음이 있어야만 얻을 수 있기 때문이다. 주기는 기본음 1주기 동안 3배 음은 3주기, 5배 음은 5주기를 갖고 이들 세 곡선이 모두 같은 위상에 있음을 알 수 있다. 이상이 사각 파를 만드는 조건들이다. 사각 파는 오르간 파이프와 몇몇 목관악기에서만 나타나는 특수한 예이며 이를 제외한 대부분의 악 음은 홀수배음만 아니라 짝수 배음도 가진다. 그리고 각 배음에 에너지가 어떻게 분포되었는지에 따라 그 합성으로 생기는 파의 모양은 바뀌게 되고 이들 소리는 우리에게 음색의 차이로 지각된다.

굴절 

반사 벽과 같이 고체로 된 물체만이 소리의 전파에 영향을 미치는 것은 아니다. 소리가 기온이나 밀도가 다른 지역을 통과한다든지, 바람 부는 지역을 지나갈 때 소리는 휘어지게 된다. 이러한 소리의 휨 현상을 굴절이라고 한다. 우선 기온과 관련된 굴절 현상을 보자. 야외음악회에 가본 사람이라면 낮보다는 밤에 더 멀리서도 잘 들린다는 사실을 경험했을 것이다. 보다 일상적인 예를 들자면 교회의 종소리가 낮보다는 밤에 더 잘 듣게 되는 것을 느낄 수 있다. 물론 밤이 조용하기 때문에 이러한 소리를 더 잘 들을 수 있기도 하지만, 소리의 속도가 기온과 관계가 있어 기온이 다른 대기를 통과하면서 소리가 굴절되기 때문이기도 하다. 즉, 해가 지고 저녁때가 되면 따뜻한 공기는 위로 올라가고 지면의 온도가 하강한다. 소리는 찬 공기보다 높은 따뜻한 공기 속에서 빠르게 전달되기에 파면은 그려진 것처럼 지면을 향해 휘어지게 된다. 휘어짐이 납득되지 않는다면 보다 현실성 있는 예를 생각해 보자. 즉, 수레의 왼쪽 바퀴는 빨리 돌고, 오른쪽 바퀴는 천천히 돈다면 수레는 오른쪽으로 휘어지면서 나가게 된다. 맑고 갠 날은 지면의 복사열 때문에 지면과 인접한 공기가 가장 더우므로, 지면에 가까운 음일수록 전파속도가 빠르고 파면은 위로 굽어지므로 소리는 공중 쪽을 향하여 굴절할 것이다. 따라서 음원에 가까운 위치가 아니면 소리가 훨씬 작게 들릴 것이다. 온도의 변화만 아니라, 바람 역시 이와 유사한 효과를 낸다. 어느 정도 고도 위에서 바람이 불면, 지면에 가까운 공기는 거의 정지해 있고 풍속은 고도와 함께 증가하는 상황이 된다. 이런 경우, 청자가 바람 부는 방향 쪽이 있다면 바람은 이 관찰자에게 가까이 가면서 상층부로 갈수록 더욱 빠른 음을 실어다 준다. 따라서 마찬가지로 파면이 굴절되어 소리는 치면 쪽으로 휘어져 더 큰 소리를 듣게 된다. 이와는 반대로 바람이 부는 방향을 향하여 소리를 친다면 소리는 잘 전달되지 않는다. 언뜻 생각하면 바람이 음파를 밀어내기 때문이라고 생각할 수 있겠으나 아무리 강한 바람이라도 음속을 능가하지는 않는다. 그런데 풍향이 관찰자로부터 음원을 향하는 경우라면, 풍속이 대기 속에서보다 지면 가까이서 더 느리다. 따라서 파면은 공중을 향하여 굴절되며 소리는 청자에게 제대로 전달되지 않는다. 굴절은 음파만 아니라 모든 유형의 파에서 다 나타나며, 사막의 신기루 현상 역시 광선이 공기밀도가 다른 지역을 통과하면서 나타나는 것이다. 또한 한 매체에서 다른 매체로 바뀔 때는 완전히 방향을 바꾸게 된다. 물 속에 막대리를 꽂아 놓았을 때 빛이 두 가지 다른 물질의 경계에서 휘어지는 현상 역시 파의 굴절에 해당한다. 


회절

회절은 소리가 장애물은 만나 휘어지는 또 다른 형태인데, 흡수나 반사, 굴절과는 달리 주파수에 따라 크게 달라진다. 요즘 고속도로의 양옆에 차음 벽을 설치하는 경우가 많은데 만약 소리가 회전되지 않는다면 벽의 건너편 방향에서는 소음을 듣지 못해야 마땅하다. 그런데 실생활에서는 그렇지 않다는 것을 우리는 잘 경험하고 있다. 그것은 벽을 넘어 소리가 지면 쪽을 향하여 휘기 때문이다. 일정한 입구의 넓이가 통과할 때, 파장이 짧은 고주파는 그사이를 그대로 통과할 수 있지만, 이 입구의 넓이보다 파장이 길면 회절하지 않고는 통과할 수 없다. 따라서 파장이 길수록, 즉 주파수가 넓을수록 소리는 옆으로 분산되는 것이다. 그렇기 때문에 차음 벽은 고주파의 소리는 어느 정도 막아주는 데 반해 저주파의 소리에는 별다른 효능을 발휘하지 못한다. 방파제를 생각해 보면 수면파의 회절이 이루어지지 않는다면 방파제의 왼쪽에는 파장이 긴 물결이 해안까지 전달되지 않아야 한다. 그러나 실제로는 물결이 분산되어 방파제 입구와 수직인 방향만 아니라 항구 안의 모든 부분에 도착한다. 물론 파도가 본래 밀려오던 방파제와 수직 방향의 물결이 가장 강할 것이지만, 직접적으로 파도의 영향을 받지 않는 이른바 파도의 음영지역인 방파제 뒷면까지도 파는 전달된다. 소리가 만약 회절하지 않는다면, 우리는 직접 대면하지 않고는 대화를 나눌 수 없을 것이다. 입에서 발산되는 소리는 입의 수직 방향만 아니라 입 주위의 양옆으로 분산되는데, 이는 음파가 직경 몇 센티미터밖에 되지 않는 입을 통과하면서 회절하기 때문이다. 트럼펫과 같은 관악기의 끝에서 발산되는 소리도 마찬가지다. 왼쪽 귀가 오른쪽 음원을 들을 수 있는 것도 같은 이유다. 이 역시 회절 때문이다. 저음의 경우 파장이 머리보다 크기 때문에 회절이 잘 되기 때문에 양쪽 귀에서 들리는 음의 세기가 거의 동일하다. 그러나 파장이 짧은 고음은 음영을 많이 형성하므로 한 귀가 다른 귀보다 더 잘 들린다. 이런 양 귀에 들어오는 파의 차이가 음원의 위치를 추정하는 음소 판단의 단서 중 한 가지로 활용된다. 보통 오디오의 스피커를 보면 고음 발산시키는 부분은 좁은 입구를 가지고 있고, 저음을 발산시키는 부분은 입구가 넓음을 볼 수 있다. 스피커의 저음은 파장이 길어 넓은 입구를 통과하더라도 회절하여 고르게 분산되지만 전방을 향한 고른 원추형을 이룬다. 파장이 짧은 고음이 넓은 입구를 무난히 통과할 경우 음원으로부터 직선 방향으로만 계속 나가는 성질이 있어 방안에 골고루 퍼지기 힘들기 때문이다. 수면파의 예를 들었듯이 회절은 음파에만 적용되는 것은 아니다. 빛 역시 분산된다. 그런데 빛은 소리에 비해 파장이 짧기 때문에 소리보다는 훨씬 덜 분산된다. 예를 들어 구급차가 밤에 전조등을 켜고 사이렌을 울리며 골목의 끝에 근접해 있고, 골목의 모퉁이를 돌아 음영지점에 사람이 서 있는 경우를 생각해 보자. 이때 회절 현상으로 인하여 사람은 구급차가 내는 사이렌 소리를 잘 들을 수 있다. 그러나 전조등의 빛은 그다지 눈부시게 전해져오지 않을 것이다. 그 이유는 가시광선의 파장이 대부분의 일상적인 물체나 통로에 비해 매우 작으므로 거의 회전되지 않기 때문이다.

도플러 효과

소리는 전파되면서 그 강도가 기하급수적으로 감소하지만, 주파수는 전파 과정에서 변하지 않는다. 그러나 여기에 예외가 있다. 음원이나 청자, 혹은 이 두 가지 모두가 이동하고 있는 경우가 바로 그것이다. 만약 이동으로 인하여 음원과 청자 사이가 거리가 서로 가까워진다면 주파수는 증가하고, 멀리 떨어지면 주파수는 감소한다. 도플러 효과라고 불리는 주파수 변화 현상이다. 음원은 한자리에 있고, 관찰자가 음원 쪽을 향하여 이동하면 청자는 더 많은 파를 만나게 되고, 빨리 이동할수록 더 많은 파를 만나게 된다. 청자가 음원에서 멀어지면 나중에 발산된 마루가 관찰자에게 도달하려면 더 먼 거리를 진행해야 하므로 발산된 주파수보다 낮게 들릴 것이다. 이번에는 청자의 위치는 고정되어 있고 음원이 움직이는 경우를 생각해 보자. 음원은 일정한 주파수를 내면서 청자를 향하여 이동하고 있다고 생각해 보자. 이때 음파는 음원으로부터 바깥 방향으로 원을 그리며 퍼져나가고, 음원이 자리를 옮겼더라도 앞의 지점에서 낸 소리의 중심은 여전히 발산 지점이다. 음원이 그렇기 때문에 첫 번째 지점에서 낸 소리는 가장 바깥에 있는 첫 번째 원으로 퍼져나갔을 것이고, 두 번째 지점에서 낸 소리는 그보다 약간 덜 퍼져 두 번째 원을 그릴 것이다. 그리고 각 원의 중심, 즉 당시 음원의 위치가 계속 달라지므로 나중에 낸 소리, 즉 안쪽의 원일수록 중심이 오른쪽에 있어 특정 시점에서 파의 공간적 분산을 나타내는 사진은 정지된 음원의 경우에 비해 파간 거리가 오른쪽에서는 가깝고 왼쪽으로 먼 형태가 될 것이다. 이때, 오른쪽의 짧은 파장은 관찰자 청자가 높은 진동수를 듣게 될 것이다. 그러니까 청자가 움직이던, 반대로 음원이 움직이든 음원과 청자가 가까워지면 피치가 올라가는 것으로 들리고, 멀어지면 피치가 내려가는 듯한 느낌을 받게 된다. 물론 그 속도가 일정 수준이 되어야만 귀로 느낄 수 있기 때문에 음원 쪽을 향하여 걸어간다거나 하는 정도의 속도로는 그 차이를 감지할 수 없기 때문에 도플러 효과가 음악적으로 크게 문제가 되지 않는다. 그러나 음원의 속도가 아주 빠르게 이동한다면, 예를 들어 경적을 울리며 기차가 달려온다든지 하는 경우에는 누구나 피치의 변화를 뚜렷하게 느낄 수 있다. 도플러 효과는 빛에서도 똑같이 적용되며 소리에 있어서보다 더 현실적인 면에서 도움을 주기도 한다. 천문학자들은 멀리 떨어진 은하에서 오는 광파의 도플러 변화를 관찰하여 행성의 속도를 추정하기 때문이다. 빛에 있어서 진동수 변동은 색 변화로 나타나는데, 이는 음에 있어서 피치 변화나 마찬가지이다. 


소리가 장애물을 만났을 때 : 흡수와 반사

이제 소리가 공간에서 전파되다가 장애물을 만났을 경우를 상상해 보자. 앞서 실외 음악을 언급하면서 무대 뒤쪽의 반사 구조물과 계단식 객석이 소리를 반사함으로써 분산을 막아주는 것을 보았다. 소리가 장애물에 부딪혔을 때 소리는 두 가지 경우로 나뉜다. 즉, 소리는 장애물에 의해 흡수되거나 반사된다. 여기서 두 가지 경우란 양자택일의 상황이란 뜻이 아니다. 아주 완벽하게 딱딱한 벽에 소리가 부딪힌다면 전혀 흡수되지 않고 완전히 반사될 것이고, 커튼이나 무향실의 벽과 같이 소리를 거의 완벽하게 흡수하면 반사되는 소리는 없어질 것이다. 그러나 실상황에서 정도의 차이만 있을 뿐 흡수와 반사가 함께 이루어진다. 그렇기 때문에 흡수된 소리는 전체에서 반사된 소리를 뺀 나머지이다. 소리는 얼만큼이 흡수되었는가 하는 흡음률은 전체의 소리 중에서 흡수된 소리의 비율이다. 소리가 모두 반사되었다면 흡음률은 0이고, 모두 흡수되었다면 1이 된다. 따라서 모든 물체의 흡음률은 0부터 1까지의 수로 나타내어질 수 있다. 흡음률은 비율이기 때문에 소리의 강도에 따라 변하지는 않는다. 다시 말해 똑같은 재질의 대상이라면 큰 소리든, 작은 소리든 일정한 비율로 흡수하고 반사한다는 것이다. 그러나 주파수에 따라 흡음률이 약간씩 변하는 경우는 있다. 대부분의 재질은 고주파를 잘 흡수하기 때문에 흡음률의 값은 고주파에서 더 크다. 이점은 실내음향학 부분에서의 상세한 논의를 전제로 차치하고, 주파수에 따라 변하는 또 다른 요인을 살펴보자. 소리가 장애물에 부딪혔을 때는 입사각과 반사각이 같다. 그리고 벽면과같이 매끈한 면에서 이루어지는 반사를 정반사라고 부르고 울퉁불퉁한 면에서 이루어지는 반사를 난반사라고 한다. 그런데 우리의 실생활에서는 아무리 매끈한 벽이라 하더라도 약간의 요철을 가지게 마련이다. 여기서 주파수가 관련된다. 고주파일수록 파장이 짧아 웬만한 요철에는 정반사되기 때문에 고음은 1cm 정도의 요철이 있어야 난반사를 시작한다. 한편 파장이 긴 저음은 1mm 이하에서도 난반사할 수 있다. 일반적으로 잘 만들어진 매끈한 거울의 요철은 음파에 영향을 주지 않는다. 한편 반사 벽면이 둥근 모양을 하고 있을 때는 소리가 한곳으로 모이기 때문에 초점이 발생한다. 음원이 둥근 벽을 향하여 소리를 보내면 벽면은 다시 이를 반사하여 그림의 오른쪽에 있는 반대편 둥근 벽면에 부딪힌다. 이렇게 되면 청자가 있는 위치에 소리의 초점이 모아져 아주 큰 소리를 들을 수 있게 된다. 물론 다른 장소에서는 아주 작은 소리만을 들을 수 있게 된다. 미국 시카고시에 있는 과학 산업박물관에 있는 한 갤러리는 이러한 현상을 적용하여 보여주는 방이다. 또한 솔트레이크시에 있는 모면 터 버너 클 연주회장은 천장이 둥근 모양으로 되어 있어 일정한 두 지점에서는 속삭이듯 말하는 소리도 들을 수 있도록 설계되어 있다. 

악기의 면에서의 소리전파

앞서 말한 구면파와 평면파와 같은 원리를 가진 악기를 찾아보자. 우선 모든 악기는 모든 부분이 진동체이며, 진동의 종류도 다양하다는 점을 상기할 필요가 있다. 현악기의 경우 현은 1차원적 진동을 하지만 그 진동이 몸통의 한 면에 전달되면 2차원적 진동으로 바뀌게 되고 울림통 속의 공기는 3차원적으로 진동한다. 이 부분에서는 2차원적 진동을 다루는데 악기의 면은 크게 보아 막과 판의 두 종류로 나누어진다. 악기의 면을 구성하는 막은 비교적 부드러운 재질로 되어있고 그 가장자리는 팽팽하게 당겨져 있다. 반면에 판이란 상대적으로 딱딱한 물체를 일컬으며 그 자체의 재질과 크기에 따라 진동의 특성이 변한다. 같은 2차원적 진동면이지만 북 종류의 악기는 막으로 되어있고 실로폰이나 심벌즈의 진동면은 판에 속한다. 막이란, 북의 면은 대개 가죽이나 플라스틱으로 되어 있으며 그 가장자리를 팽팽하게 당겨서 장력을 유지한다. 막은 장력에 의해 조율된다는 점에서 현과 유사하지만 2차원적 진동에 속하기 때문에 진동의 양상은 훨씬 더 복잡하다. 가장 쉬운 예로 팀파니나 큰 북의 면과 같이 가장자리에서 고르게 당겨주는 원형의 막을 생각해 보자. 여기에서의 선은 진동의 폭이 극소화된 지점을 나타내는 선을 가리키는데 처음 두 개는 둥근 대칭형으로 되어있으나, 뒤의 두 개는 비대칭적임을 볼 수 있다. 그렇다면 판은 나무나 쇠 등 딱딱한 물체로 되어있고 막으로 된 면과는 달리 그 가장자리에서 당겨줌으로써 생기는 장력을 가지지 않는다. 그렇기 때문에 진동체의 딱딱한 정도, 즉 힘이 가해짐으로써 생긴 움직임에 대한 복원력이 진동의 특성을 결정짓는 중요한 변수가 된다. 판의 진동 양태는 다양하고 복잡하다. 실로폰의 면과 같이 긴 형태의 면은 심벌즈와같이 넓고 둥근 판과 서로 다르다. 

3차원적 파

면에서의 파보다 3차원적 파는 가시화시키는 것이 힘들다. 눈에 보이지도 않는 파를 그대로 사진 찍을 수는 없지만 벨 연구소 등에서 3차원적인 파를 눈으로 볼 수 있도록 카메라를 이용하여 파의 전달 과정을 가시화할 수 있는 기법을 고안해 냈다. 소리가 전파되는 양상은 서로 크게 다르다. 소리의 근원이 점이거나 혹은 구면과같이 완전한 대칭을 이룰 때는 구면파를 형성하며 퍼진다. 이와는 달리 선으로 된 근원이나 얇은 면으로 원은 원통형으로 확산한다. 물론 실제 소리의 근원은 점일 수도 없고 선이나 면일 수 없지만 우리가 일상생활에서 접하는 소리 근원을 대체로 이러한 종류로 나누어 볼 때 작은 스피커는 원형을 그리며 퍼지고 큰 면을 가진 스피커는 원통형으로 확산한다. 유형의 대칭구조는 반사되는 물건이 없는 무향실에서만 관찰될 수 있다. 3차원적인 진동이 전달되는 과정은 매우 복잡하고 특히 고체에서의 진동은 더 복잡한 양상을 보인다. 고체는 종파와 횡파 모두를 전달하기 때문이다. 고체를 통한 파의 전파의 예가 지구의 진동, 즉 지진이다. 소리란 본래 전파를 그 기본 전제로 한다. 소리굽쇠가 진동하면 이 진동은 공기 중에서 모든 방향으로 음파를 형성 내 나간다. 만약 진공 속에서 소리굽쇠의 진동 현상이 일어나 전달 매체인 공기가 없어 소리가 전파되지 않았다면 소리가 나지도 않은 것이다. 

실외 음악

음악은 주로 실내에서 연주되는 것이 보통이지만, 실내에서는 소리가 계속 벽을 부딪치며 돌기 때문에 여러 가지 사항을 고려해야만 한다. 이에 비해 실외에서 소리는 벽에 부딪히는 반사음이 뒤따르지 않고 바로 소멸하므로 반향도 없고 소리의 지속성도 없다. 따라서 거리가 멀어지면 소리가 급격히 작아져서 먼 거리에 있는 청중들에게 음을 고르게 배분하기에는 곤란하다. 소리의 세기는 거리의 제곱에 반비례하므로 거리가 산술급수적으로 멀어짐에 따라 그 세기가 기하급수적으로 감소하는 것이다. 따라서 본래 음원의 소리가 아주 큰 것이 아니라면 거의 들을 수 없는 상황일 것이다. 대부분 야외음악당의 공통적인 특징은 연주자의 뒤쪽에 반사 구조물이 있고 객석은 계단식으로 되어있다. 지면을 제외한 모든 방향으로 완전히 트인 공간에서는 소리가 더욱 쉽게 분산되기 때문에 반사 구조물과 계단이 서로 마주 보면서 소리의 분산을 막아 준다면 훨씬 더 효율적으로 소리가 전달될 것이다. 반사 벽은 주로 둥근 모양으로 되어있고 많은 경우에 무대의 윗부분까지 연결되어 있다. 이렇게 함으로써 청중을 위해서뿐 아니라, 연주자끼리 소릴 듣는 데에도 커다란 도움을 준다. 반사 벽은 무조건 소리가 분산되지 않도록 막아주기만 하면 되는 것이 아니라 음이 객석으로 골고루 전달되도록 설계되어야 한다. 반사 벽이 둥근 모양을 하고 있기 때문에 소리는 여러 가지 방향으로 반사되어 나간다. 한편 계단형으로 만들어진 객석은 대개 돌이나 시멘트 등으로 되어 있고 의자도 실내 음악회장과는 달리 딱딱한 재질로 되어있다. 소리를 잘 반사할 수 있기 위함이다. 그러므로 야외에서 듣는 박수 소리는 의자나 카펫 등에 흡수되지 않고 반사되어 더욱 선명하게 메아리친다. 계단형의 객석은 계단의 폭에 따라 음원과의 거리가 달라지고, 이에 따라 메아리의 시간 간격도 달라진다. 결국 실외 음악회장이라고 해도 모든 면이 개방된 것은 아니다. 우선 바닥이 개방되어 있을 수는 없고, 무대의 뒷면에는 보통 반사 벽이 설치되어 있으며 그 반대편에는 계단형의 객석이 있어 최소한 3면이 막혀있다. 실내음악 회장에서 문 하나만 열어도 소리가 달라질 수 있다는 점을 감안할 때 하나의 문만 개방됐다고 하더라도 그로써 발생하는 소리의 손실은 실로 대단한 것이다. 그렇기 때문에 야외에서 개최되는 독주회는 거의 없으며 대개는 합주, 특히 큰 소리를 내는 관악, 타악기로 된 밴드 음악이 대부분이다. 또한 많은 경우에 마이크와 앰프, 스피커를 사용하여 소리를 확장한 곡이 많이 연주된다. 

우리는 일상생활 속에서 서로 가까운 거리에서 대화할 때, 소리의 속도에 대해서는 별다른 의식을 하지 않는다. 상대방의 입으로부터 나의 귀까지 전달되는 현상이 즉각적인 것으로 느껴지지만 이는 음원과 청각기관 사이의 거리가 짧기 때문이다. 그런데 매우 큰 연주회장, 카네기홀과 같은 커다란 홀의 최상층 또는 뒷자리에 앉아본 경험이 있다면 소리가 우리의 귀까지 도달하는 데 걸리는 시간이 꽤 있음을 실감했을 것이다. 이는 음원과 청각기관이 먼 거리를 두고 있어 소리가 오는 동안 그만큼 긴 시간이 걸리기 때문이다. 대형 음악회장의 경우 뒷좌석에 앉은 사람은 지휘자의 몸짓을 본 후 약간의 시차를 가진 후 그 소리를 듣게 된다. 지휘자의 몸짓이 우리의 망막까지 도달하는 시간에 비해 연주 소리가 우리의 고막에 도달하는 시간은 백반 배 정도 더 걸리기 때문이다. 빠른 박자의 곡이라면 소리가 한 박자씩 늦게 전달될 수도 있기 때문에 눈을 감고 있지 않은 한 혼란스러움을 겪는 것이 보통이다. 그렇다면 소리는 어느 속도로 전파될까. 그리고 전달 매체에 따라 음속은 어떻게 바뀔까. 기온과 음속은 어떤 관계를 맺었는지 살펴보도록 하자.

음속과 주파수 그리고 파장

가장 흔히 오해할 수 있는 것은 저음은 느리고 고음이 빠르다든지, 반대로 저음이 더 빠르다 하는 등의 잘못된 상식이다. 이러한 오해는 오해를 불러일으키는 현상들이 있기 때문에 생겨난다. 합주할 때 높은음의 소리가 더 크게 들리기 때문에 그것이 더 먼저 귀에 도달하는 것으로 착각할 수도 있다. 이런 현상이 나타나는 이유는 우리의 귀가 고주파에 더 민감하기 때문이지 고음이 더 큰 소리를 낸다거나 더 빨리 전달되기 때문은 아니다. 반대로 군악대가 빌딩 숲을 지날 때 큰북 같은 악기 소리가 먼저 들려오는 경향이 있다. 그래서 오히려 더 저음이 빨리 전달되는 것이라고 생각할 수 있다. 저음이 고음보다 더 빠르게 움직이는 특성이 있기 때문이 아니라, 장애물을 만났을 때 일어나는 현상이 고음과 저음이 서로 다르기 때문이다. 파장이 짧은 고음은 장애를 만났을 때 휘어지는 특성이 적었지만 긴 저음은 잘 휘어지기 때문이다. 회절이라고 불리는 이런 휘어짐 현상 때문에 저음이 빌딩 사이를 잘 휘어져 통과하는 것이지 저주파가 고주파보다 빠르기 때문은 아니다. 파장이란 진동이 가지는 공간적 특성으로 진동의 한 지점으로부터 다음 진동에서의 같은 지점까지의 길이를 가리킨다. 현의 길이와 주파수는 반비례 관계에 있다. 이는 현의 길이가 파장을 결정하기 때문이다. 현의 길이가 길면 그만큼 파장이 길어지고 따라서 주파수는 이에 반비례 하여 낮아진다. 주기가 짧은 고주파일수록 파장은 짧다. 음속은 주파수에 따라 다르지 않다. 언뜻 보면 주파수와 음속이 비례하는 것 같지만, 주파수와 파장이 반비례 관계에 있기 때문에 결국 음속에는 영향을 미칠 수 없다. 


음속을 결정하는 변수, 기온

우리에게 가장 현실적으로 다가오는 대기 중에서 소리의 속도를 쉽게 상상할 수 있는 숫자로 표현해 보면 보통 섭씨 20도 정도의 상온에서 음속은 초당 344미터의 속도로 움직인다고 한다. 이는 1km를 가는데 약 3초 정도가 걸린다는 뜻이다. 기온을 언급한 것은 음속이 기온과 밀접한 관계에 있기 때문이다. 기온에 따라 변하는 것은 기온이 높으면 분자 운동이 빨라져 인접 분자 간의 충돌이 빈번해지므로 음의 진동이 한층 빠른 속도로 전파되기 때문이다. 밀도와 관련지어 설명하면 온도가 높아지면 기체는 팽창하면서 밀도가 감소하게 되기 때문이다. 온도에 따라 소리의 속도가 변하는 현상은 목관, 금관악기 주자들에게는 현실적으로 아주 중요하다. 그렇기 때문에 낮은 기온에서는 공연 중에 관악기 연주자들이 중요한 구절을 연주하기 전에 악기 속에 소리 나지 않도록 따뜻한 공기를 불어 넣는 것을 종종 볼 수 있다. 이러한 큰 폭의 변화 때문에 섭씨 20도에서 조율한 파이프 오르간을 30도의 기온에서 연주하면 커다란 문제가 일어난다. 


매질에 따른 음속의 변화

음속은 전달 매질에 따라 달라진다. 그러면 음속을 면화 시키는 변인들은 무엇일까. 앞서 우리는 탄성과 밀도를 꼽았다. 즉, 매질의 탄성이 높을수록 그리고 밀도가 낮을수록 음속은 빨라진다는 점을 지적했다. 매질의 종류에 따라 탄성과 밀도가 바뀌는 것은 당연하다. 

면에서의 소리 전파 : 2차원적 파

2차원적 전파의 좋은 예로 물결, 즉 수면파를 들 수 있다. 수면의 파는 횡파와 종파의 결합체이며 그 속도가 파장에 달려있기 때문에 복잡할 수 있다. 그러나 파의 다른 속성들을 설명하는 데는 좋은 예가 될 수 있다. 가장 큰 이점은 우선 맨눈으로 관찰할 수 있고, 관찰한 바를 종이 위에 그림을 그려 설명할 수 있다는 점이다. 수면에서 물이 일으키는 파를 관찰할 수 있도록 고안된 것이 물결 탱크이다. 물결 탱크란 물결을 볼 수 있도록 만든 실험 장치로 물탱크의 바닥 면을 유리로 만들고 위에서 빛을 비추면 유리를 통과한 빛이 물탱크 아래의 종이 위에 파의 이미지를 형성하게 되는 것이다. 직선 모양의 파를 평면파라고 하며 동그란 모양의 파를 구면파라고 한다. 예를 들어 잠잠한 연못에 무언가를 집어넣고 일정한 속도로 위아래로 움직인다고 생각해 보자. 그러면 이 물체는 파의 근원지가 되고 물의 모든 표면으로 퍼져나갈 것이다. 특별한 변인이 없는 잔잔한 물속에서라면 모든 방향으로 퍼져나가는 속도는 같을 것이고 따라서 중심으로 하는 원형의 구면파가 만들어질 것이다. 각파 사이에는 일정한 거리가 있을 것이고 이것이 곧 파장이다. 결국 일정한 속도로 점점 바깥쪽으로 퍼져나가면 원은 점차 커질 것이고, 이에 따라 원형의 굴곡은 점차 펴지면서 직선을 닮아갈 것이다. 그렇게 멀리 퍼져나가면 나갈수록 궁극적으로는 평면파와 같이 될 것이다.