기계를 이용한 소리의 분석과 합성

각 악기의 공명 기관

악기마다 대개 물리적 공명 장치가 사용된다. 실로폰이나 마림바의 나무 건반 아래의 쇠로 된 관, 혹은 가믈란 악기에 사용되는 대나무 관, 이들은 모두 어떤 부분음들, 특히 그 음이 속한 음계에 있는 부분음들이 더 크게 소리 나게 하고, 또 더 길게 지속하게 하는 역할을 한다. 많은 고악기는 공명현을 가지고 있다. 이것이 있으므로 해서 현을 켜서 생기는 부분음들의 상대적 강도에 영향을 미치고, 또 현을 그은 후 핑거링은 다른 음으로 옮겨간 후에도 음이 지속되게 하는 역할을 한다. 바이올린의 몸통 역시 바이올린 음색에 지대한 영향을 미친다. 유명한 과 내리 바이올린의 활을 그어 브릿지를 진동시켜 주파수별 반응을 본 그래프가 있는데 여기서 세로축의 높낮이는 어떤 주파수의 부분음이 증폭되고 어떤 주파수의 부분음이 감촉되는지 하는 상대적 높낮이이다. 특히 특정 주파수의 부분음을 필터링하여 감촉시키는 것은 바이올린 음향에 있어 대단히 중요하다. 예컨대 특정 주파수 영역에서는 비음의 특성을 내기 때문에, 좋은 바이올린은 대개 이 주파수 역대의 배음들은 진폭이 작다. 한편 좋지 않은 바이올린은 이 증감이 두드러지지 않으며 필터링되지 않은 거친 소리를 낸다. 한편 금관악기의 긴 관은 자연수 배가 되는 주파수들에 대해서만 공명한다. 악기가 연주될 때 어떤 관이 공명하느냐 하는 문제는 연주자가 어떤 입술 모양을 하느냐에 따라 결정된다. 물론 목관악기의 관 구조 역시 공명기인데 손가락으로 키를 조작하여 관에 난 구멍을 여닫음에 따라 공명주파수가 바뀌게 된다. 사람의 목소리를 내는 입 역시 목으로부터 입술까지 통하는 성도 역시 일종의 관악기로 볼 수 있다. 우리는 입술 모양을 바꿈으로써 이러한 공명하는 주파수의 범위, 즉 특정 주파수 대역을 바꿀 수 있고 그렇게 함으로써 우리가 소리 내는 각각 다른 모음이 결정된다. 

 

소리의 분석

소리를 분석하기 위해서는 다음의 과정을 거친다. 우선 한 개의 소리에 어떤 자연수 배음들이 포함되어 있는지를 알기 위해 마이크로 소리 한 개만을 뽑아서 전기필터나 컴퓨터 프로그램을 이용하여 그 스펙트럼을 분석하며 입력 진폭에 대한 출력 진폭을 주파수별로 조사한다. 공명곡선 표를 보면 가로축에 표시된 공명주파수를 정점으로 하는 좁은 주파수 영역에 출력 진폭이 집중되어 있음을 알 수 있다. 합성음의 경우 주파수 분석기를 사용하여 스펙트럼을 분석해 보면 기름과 그 자연수 배음에 거의 모든 에너지가 분포되어 있다. 주파수 분석기와 그 모니터에 나타난 합성음의 선 스펙트럼에는 주파수 분석기에 나타난 합성음의 주파수별 분포가 나타나 있는데 가로축은 주파수, 세로축은 그 주파수의 강도를 나타낸다. 모니터에 나타난 그래프를 보면 주파수가 기름의 자연 수배가 되는 지점에는 거의 수직선과 같은 에너지 집중 현상이 있음을 알 수 있다. 그렇기 때문에 이러한 그래프를 가리켜 선 스펙트럼이라고 한다. 그런데 이를 실제 음악과 연관시켜 생각해 보면 한가지 문제점이 나타난다. 여러 가지 부분음들의 강도는 시간을 따라 계속 변하며 시간이라는 또 하나의 차원이 필요하다. 이렇게 되면 주파수와 강도, 이외 시간의 차원이 첨가된 3차원적 그래프로 표현해야 한다. 소리는 발생하면서 곧 강도가 정점에 달하고 그 이후 점차 소멸하여 간다. 시간에 따른 자연수 배음들의 강도 변화를 보면 기름으로부터 제6  자연수 배음들이 갖는 강도를 시간의 흐름에 따라 나타낸 것이고, 시간에 따른 타악텁텁의 소리 주파수별 강도 변화와 비교하여 볼 수 있다. 후자는 주기적 소리가 아니기 때문에 에너지가 어느 정도 분산되어 있음을 볼 수 있고, 이는 공명주파수의 범위가 상대적으로 넓음을 의미하는 것이다. 후자에서 주파수의 좌우가 바뀐 이유는 고배 음을 잘 보기 위해서이며 시간 역시 그림의 뒤쪽에서 앞쪽으로 흐름으로써 강도가 큰 소리의 시작 부분부터 강도가 작은 소멸 부분으로의 변화를 잘 볼 수 있다. 


소음

음악적 소리의 스펙트럼에서는 기름과 그 자연수 배음들의 주파수에 에너지가 집중되어 있었다. 그리하여 그래프를 그리면 뾰족한 부분들이 있었고, 대개의 경우 고배 음으로 가면서 에너지가 감소하였다. 그러니까 지금까지 보았던 끝이 뾰족이 날카로운 그래프들은 자연수 배음을 가진 모든 종류의 악 음의 공통된 특징이었다. 다만 어떤 배음에 에너지 많이 분포되어 있고, 또 어떤 주파수대가 더 많이 공명하는지에 따라 음색과 음향이 달라진다. 그런데 소음의 경우에는 주기성을 가지지 않기 때문에 주파수도 있을 수 없으며 또 그렇기 때문에 기름이니 그 자연수 배음이니 알 수 없다. 마치 통계학에서의 정규분포와 같은 곡선을 보면 악은 스펙트럼에서 몇몇 자연수 배음에 에너지가 몰려 있었던 것에 비해, 수많은 아니 한 영역 안에서 무한한 주파수들에 에너지가 분포되어 있음을 알 수 있다. 앞서 소음은 주기성을 가진 소리가 없기 때문에 주파수가 없다고 했는데 우리의 일상생활 속에서는 소음 속에서도 상대적 음높이의 느낌을 받을 수 있다. 곡선에서 가장 높은 부분이 바로 음 고감각 주파수이다. 곡선의 최고지점이 어디 있느냐 하는 문제 이외에 또 하나의 변수는 곡선이 얼마큼 넓은 영역의 주파수에 퍼져있느냐 하는 점이다. 스펙트럼의 분포 영역에 따라 협대역 소음과 광대역 소음을 구별한다. 광대역 소음일수록 곡선은 완만해질 것이고 그만큼 음높이의 느낌은 약해질 것이다. 만약 분포 영역이 극대화되어 곡선이 완만도가 심해져 스펙트럼에 높은 부분이 없어지면 음높이의 느낌은 전혀 받지 못할 것이고 이러한 종류의 소음을 백색소음이라고 한다. 라디오의 주파수를 잘 맞추지 않아 나오는 소음 등의 잡음이 백색소음에 속한다. 반면에 에너지가 협대역에 집중적으로 분포되면 음높이의 느낌은 점차 강해질 것이고, 이를 백색소음과 구별하기 위해 분홍색 소음이라고 한다.