악기가 소리를 생성하고 음색을 형성하는 방식

진동은 모든 소리가 시작되는 곳입니다

뉴사우스웨일즈 대학교 음향학 그룹(물리학자 조 울프가 주도)에 따르면, 대부분의 악기는 공명에 의존합니다. 이는 물리 시스템이 특정 주파수에서 진동으로 에너지를 저장할 수 있는 능력입니다. 튕긴 현, 공기 흐름에서 울리는 리드, 또는 막대로 두드린 드럼 스킨은 모두 공기 분자를 앞뒤로 밀어내는 진동하는 물체로 시작되며, 청취자의 귀로 소리로 전달되는 압력파를 생성합니다.

정상파가 음정을 설정합니다

현 또는 관악기 튜브 내에서 UNSW 그룹에 따르면, 반대 방향으로 이동하는 파도가 만나고 정상파 패턴으로 결합됩니다. 이 패턴에는 거의 움직이지 않는 고정점(노드)과 넓게 진동하는 다른 점(안티노드)이 있습니다. 현 또는 공기 기둥은 특정 고정 주파수에서만 이런 방식으로 진동할 수 있습니다. 이는 그 길이, 장력 또는 형태에 의해 결정되므로, 악기는 무작위 소음이 아닌 특정하고 반복 가능한 음정으로 정착합니다.

배음이 각 악기에 색을 부여합니다

진동하는 현 또는 공기 기둥은 거의 한 주파수만 생성하지 않습니다. UNSW의 음향학 자료에 따르면, 그것은 기본 주파수와 그 기본의 일련의 배음(정수배)을 생성합니다. 예시로, 사이트는 비올라의 C 현에서 7번째와 11번째 배음이 표준 균등 기질 음계의 음표들 사이 대략 절반에 떨어진다고 지적하며, 실제 배음 시리즈는 음악가들이 실제로 사용하는 음악 음계에 완벽하게 일치하지 않음을 보여줍니다.

이러한 배음들의 특정 혼합(어느 것이 큰지, 어느 것이 약한지)은 음향 전문가들이 음색 또는 톤 색깔이라고 부르는 것입니다. UNSW의 음향학 자료에서 설명하는 바와 같이, 이러한 배음 강도의 혼합은 플루트와 오보에가 동일한 악보 음정을 재생할 때 귀에 명확히 다르게 들리는 이유의 큰 부분입니다. 그러나 음색은 아래에서 논의된 대로 소리가 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지에도 의존합니다.

실제로 진동을 시작하는 것

정상적이고 음악적으로 들리는 진동은 저절로 시작되지 않습니다. 음향 연구자들이 비선형 구동 메커니즘이라고 부르는 것이 필요합니다. 미국음향학회에서 요약한 강연에서 물리학자 토마스 로싱은 바이올린 현 위의 활의 마찰, 클라리넷 리드를 통한 기류, 그리고 트럼펫 연주자의 울리는 입술이 모두 어떻게 정상 입력(활 움직임 또는 호흡)을 직선적으로 확대하기보다는 앞뒤 진동으로 변환하여 소리를 생성하는지 설명했습니다.

미국음향학회는 또한 피타고라스에 거슬러 올라가는 고대 관찰을 인정합니다. 현의 길이, 즉 그들의 주파수가 정수 비율로 정렬될 때 음정들이 함께 즐겁게 들린다는 것입니다. 실제 현과 파이프는 이 이상에서 약간 벗어나지만, 진동을 시작하는 동일한 비선형 메커니즘도 악기의 약간 불일치하는 자연 주파수를 거의 정확하게 조화음으로 끌어당기는 경향이 있습니다.

종이 바이올린처럼 들리지 않는 이유

모든 악기가 깔끔하게 조화로운 배음을 생성하지는 않습니다. 미국음향학회는 종이 그들이 주조되는 금속의 두께 때문에 거의 선형 방식으로 진동함을 주목하므로, 그들의 배음은 기본의 단순한 정수배가 아니며, 이는 정확히 종에 깨끗한 음악적 음이 아닌 특성적인 '딸랑거리는' 품질을 주는 것입니다. 심벌즈는 같은 이유로 강한 비선형성 때문에 혼란스럽게 진동하여 그들의 반짝이는 소음 같은 '쉬익' 소리를 생성하며, 큰 징은 비선형 주파수 곱셈에 의존하여 그들의 밀집되고 복잡한 음을 생성합니다.

악기족 간에 음역대가 어떻게 다른지

악기 설계는 또한 악기가 도달할 수 있는 기본 음정 범위와 배음이 얼마나 높이 확장되는지도 결정합니다. 마이크로폰 제조업체 DPA Microphones가 레코딩 엔지니어를 위해 편집한 참조 데이터는 여러 일반적인 악기에 대해 다음의 기본 음정 범위와 배음 함량의 대략적인 상한을 나열합니다.

표는 피아노와 바이올린이 겹치는 음정 범위를 차지할 수 있으면서도 왜 여전히 다르게 들리는지를 보여줍니다. 작성된 음정 자체를 넘어, 각 악기는 그 위에 자신의 특징적인 더 높은 주파수 배음 에너지의 스프레드를 추가합니다.

공명하는 몸체가 소리를 충분히 크게 들리게 만듭니다

단독으로 진동하는 현 또는 리드는 공기를 거의 움직이지 않으며 그 자체로는 거의 들리지 않을 것입니다. UNSW의 음향학 자료에 따르면, 악기의 몸체(바이올린의 뒷면판, 기타의 사운드 보드, 또는 관악기의 보어 내부의 공기 기둥)는 자신의 공명 주파수를 가지고 있으며, 이는 진동을 증폭하고 형성하여 방에 청각적 소리로 방사합니다. 같은 출처는 인간의 목소리에서 성대가 진동하여 원시 음색을 생성하고, 성도의 공명(포먼트)이 특정 주파수 대역을 선택적으로 증강하여 모음 음과 성악 음색을 형성함을 주목합니다.

음색은 단지 주파수 목록이 아닙니다

UNSW의 음향학 그룹은 음색이 한 순간의 주파수 스펙트럼뿐 아니라 소리가 시간 경과에 따라 어떻게 변하는지에 크게 의존함을 추가합니다. 음의 엔벨로프(현을 튕기거나 건반을 누른 후 전체 크기에 도달하는 속도, 지속 방식, 그리고 사라지는 방식)는 청취자가 악기를 인식하도록 하는 것의 일부입니다. 종이 위의 고립된 주파수 함량이 유사해 보일 수 있지만, 격리된 경우에도 그렇습니다.