배음(Harmonics)

지난 포스팅에서 주파수는 음의 높낮이를 나타낸다는 것을 알았다.
그리고 우리가 알고 있는 음(pitch)인 도레미파솔라시도 또한 특정한 주파수를 가지고 있다는 것을 알았다.

그런데, 피아노에서 같은 음정인 C 건반을 누르고, 기타에서도 똑같이 C를 치고, 또 바이올린에서 똑같이 C를 연주하는데 왜 소리가 다른걸까?
이것은 악기마다 배음이란 것이 존재하기 때문이다. 그리고 악기마다 배음 구조가 다르기 때문이다.
우리가 C 음정을 누르고 있고 이것이 C라고 들리더라도, 실질적으로 C 음만 있는 것이 아니다. 단지 C 음의 세기가 가장 크기 때문인거지.

배음의 구조

배음이 어떻게 존재하는지 살펴보자면, 소리는 진동이라고 하였다.
악기 내부에서 진동하고, 진동하면서도 그 속에서 다른 잔진동들이 동시에 함께 진동한다.

위와 같이 기타의 줄처럼, 양 끝이 고정된 줄을 튕긴다고 상상해 보자. 줄은 위아래로 흔들리게 되고, 자세히 보면 그 속에 미세하게 여러 가지 진동들이 함께 일어나고 있을 것이다.

여기서 가장 크게 진동하고 가장 진동수가 적은 것이 기음(Fundamental)이다.
그리고 그 기음의 두 배의 진동수를 가진 것은 두 번째 배음(2nd Harmonics), 기음의 세배의 진동수를 가진 것은 3번째 배음(3rd Harmonics)로, 이렇게 정수배의 부분음들이 존재한다.

주파수로 생각하면, 라음인 A1은 110Hz의 주파수를 가지고 있다.
그리고 2배인 220Hz는 한 옥타브 위인 A2의 음을 나타낸다.
3배인 330Hz는 E3 의 음을 가지고 있고, 4배인 440Hz는 A4를 나타낸다.

라음인 A1 건반을 하나 누르더라도 위의 음들이 모두 포함하고 있다는 뜻이다.
A1을 눌렀을 때, 기음은 110Hz의 세기가 가장 크고, 그다음으로 220Hz의 세기가 크다. 그리고 이렇게 가다가 5번째나 6번째 이후의 배음의 세기는 급격하게 줄어든다.
실제 피아노에서 A1을 눌렀을 때 우리는 그걸 A1이라고 인식을 하는데 110Hz의 볼륨이 가장 크기 때문이다.

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음색 (Tone, Timbre)

이렇게 대부분의 악기는 기음과 정수배음, 그리고 비정수 배음이 함께 섞여 있는 복합파의 형태를 띄게 된다.
그리고, 이전에 말한 것과 같이, 같은 음을 누르더라도 악기마다 음색이 다른 것은 배음의 구조가 다르기 때문.
배음마다의 세기도 다르며, 비정수 배음들도 섞여 있어서 악기마다 고유의 음색이 있게 된다.

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순음 (Pure Tone)

대부분의 악기는 기음과 배음들이 있다고 하였는데, 배음이 아예 없는 것도 있을까?
자연에서는 그런 소리를 거의 찾을 수 없지만, 인위적으로 만들 수는 있다. 신디사이저로 만들 수 있는데 기음만 하나 있는, 즉 순음만 있는 Sine 파를 만들어 낼 수 있다.

Sine 파의 소리를 들어보면 굉장히 인위적인 소리가 난다는 것을 알게 된다.

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배음을 이용해서 우리는 무엇을 할 수 있을까?
신디사이저에서 Sine 파를 여러 개 쌓고 배음의 구조를 조절하면서 우리는 새로운 파형들을 만들어 낼 수도 있고,
배음을 더하는 원리를 이용한 Saturator 이펙터를 통하여 기존의 소리를 더욱 따뜻하고 특색 있게 만들어낼 수도 있다.


홀수 배음 & 짝수 배음
위에 주파수 110Hz를 가진 A1 음의 2번째 배음은 220Hz이면서 한 옥타브 위인 A2가 된다고 했고, 4번째 배음인 440Hz는 A4가 된다고 했다.
이렇게 옥타브 관계와 같이 짝수 배음은 안정된 느낌을 준다.
반면에, 홀수 배음을 더하면 특색있는 느낌을 준다.
이렇게 짝수 배음의 구조를 이용한 이펙터들과 홀수 배음을 이용한 이펙터들이 있으며, 이런 이펙터들이 짝수인지 홀수인지에 따라서 느낌이 다르다. 진공관 Tube : 짝수 배음의 구조
Tape Machine: 홀수 배음의 구조
Summing: 홀수 배음의 구조