소리란
공기의 밀도가 반복하여 변화(진동)하며 주변으로 퍼져나가는 것이다.
▼ 소리의 원리는 이전 글 참고 ▼
소리란? 소리의 기초 원리 (feat. 마이크와 스피커의 작동 원리)
이번 글은 소리의 진폭, 주기, 주파수, 파형을 다루고,
소리의 3대 요소인 크기(Volume), 높낮이(Pitch), 음색(Timbre)이 어떻게 달라지는지 다룬다.
# 소리의 파동(Wave)
소리가 발생하면 공기의 밀도가 변하면서 퍼져나간다.
이 때 공기의 밀도가 커졌다 작아졌다 진동하는 것을 그래프로 표현해보자.
x축에 시간, y축에 밀도를 표시하면, 아래와 같은 그림이 그려질 것이다.
* 이를 Time Domain Data라고 한다.(개발자들은 이 단어를 기억하자)
소리의 시간에 따른 밀도 변화를 파동(Wave) 혹은 음파라고 부른다.
그리고 파동의 모양을 파형(Wave Form)이라고 한다.
# 소리의 진폭(Amplitude)
공기가 ‘진’동하는 ‘폭’을 “진폭(Amplitude)” 이라고 한다.
즉, 공기의 밀도가 변화하는 폭을 의미한다.
구체적으로 진폭은 “진동의 중심”과 “최대값/최소값” 사이의 차이를 의미하며,
수치적으로 (최대밀도값 - 중심값)으로 계산한다.
진폭이 크다는건 공기가 크게 진동한다는 것을 의미한다.
즉, 마이크의 센서 판막을 세차게 흔들고,
우리의 귀에도 강렬한 공기의 진동을 밀어 넣어 고막을 사정없이 흔든다는 것이다.
고막이 세게 흔들리면 어떻게 인식 될까?
그렇다. 더 큰 소리로 느껴진다.
따라서 공기가 크게 진동하면 소리가 크게 들리며,
공기가 작게 진동하면 소리가 작게 들린다.
즉, 소리의 진폭(Amplitude)에 따라 소리의 크기(Volume)가 결정된다.
# 소리의 주기(Period)
소리는 동일한 패턴의 진동을 반복하며 이동한다.
주기는 이 패턴을 한번 왕복하는데 걸리는 시간이다.
[그림] 주기
예를 들어
파동의 최고점에서 다음 최고점 까지
10초가 걸린다면 주기는 10초가 되며,
0.5초가 걸린다면 주기는 0.5초가 된다.
# 소리의 주파수(Frequency)
주파수는 1초 동안 주기가 반복되는 횟수, 즉 진동의 속도를 의미한다.
단위는 Hz를 쓰며, 1초당 진동 횟수를 표시한다.
예를들어
2Hz는 1초 동안 2회의 주기가 반복됨을 의미하고,
4Hz는 1초 동안 4회의 주기가 반복됨을 의미한다.
그림에서 보는 것처럼 주파수가 높을수록 진동의 속도가 빨라진다.
그리고 이 진동의 속도(주파수)에 따라 소리의 높낮이(음정)이 결정된다.
구체적으로
주파수가 높을수록(진동이 빠를수록) 음도 높아지고,
주파수가 낮을수록(진동이 느릴수록) 음도 낮아진다.
(귀의 고막이 빨리 흔들릴수록 높은 음으로 느껴지고, 느리게 흔들릴수록 낮은 음으로 느껴진다)
예를 들어 우리가 목소리를 낼 때,
높은 음을 내는 것은 성대를 더 빠르게 진동 시키는 것이고,
낮은 음을 내는 것은 성대를 더 천천히 진동시키는 것이다.
* 여자들이 남자보다 고음을 잘내는 것도 성대를 더 빨리 진동 시킬 수 있기 때문이다.
* 반대로 성대를 천천히 진동시키는 건 남자들이 좀더 잘하는 편이다.
즉, 주파수(Frequncy)에 따라 소리의 높낮이(음정, Pitch)가 결정된다.
* 일반적으로 인간이 들을 수 있는 가청 주파수 대역은 20,000 Hz (=20 kHz) 이내라고 한다.
* 즉, 1초에 20,000 이상 진동하는 고주파의 소리는 듣지 못한다.
# 소리의 파형(Wave Form)
파형은 소리가 진동하는 모양을 말한다.
소리의 진폭(볼륨)과 주파수(음정)가 같더라도,
파형이 다르면 서로 다른 소리로 느껴지는데 이를 음색이라고 한다.
피아노, 바이올린, 리코더, 그리고 사람의 목소리가 다르게 느껴지는 것도
각각 소리의 파형이 달라서 다른 음색으로 느껴지기 때문이다.
즉, 소리의 파형이 음색(Timbre)을 결정한다.
# 음정(Pitch) 심화
그런데 주파수가 2배가 되면, 음은 얼마나 높아질까?
1. 음정/옥타브/반음/온음
주파수가 2배가 되면, 음정은 한 옥타브(도~ 다음 도)가 높아진다.
피아노의 정 가운데 있는 건반 “라(A)”는 440 Hz의 주파수를 내도록 설계되어 있다.
따라서 그 다음 라(A)는 2배의 주파수인 880Hz의 주파수를 갖는다.
서양음계는 한 옥타브를 12등분한 12음계를 사용한다.
따라서 각 음마다 21/12(=1.06) 씩의 주파수 차이를 갖게 된다.
(주파수를 21/12씩 12번 곱하면 2배가 된다.)
참고로 피아노 건반은 한 옥타브가 7개(도, 레, 미, 파, 솔, 라, 시)로 구성되어 있어
각 건반 사이는 2음계(온음: 22/12)씩 차이가 나며
시~도, 미~파 사이만 1음계(반음: 21/12)씩 차이가 나도록 설계되어 있다.
| 계명 | 라(A) | 시(B) | 도(C) | 레(D) | 미(E) | 파(F) | 솔(G) | 라(A) |
| 주파수(Hz) | 440 | 440 x 22/12 (= 493.88) |
440 x 23/12 (= 523.25) |
440 x 25/12 (= 587.33) |
440 x 27/12 (= 659.26) |
440 x 28/12 (= 698.46) |
440 x 210/12 (= 784.00) |
440 x 2 (= 880) |
2. cent 단위
주파수와 음정(Pitch)를 다루다보면 cent라는 단어를 접하게 된다.
cent는 미세한 주파수/음정을 다루기 위한 단위로 1옥타브 = 1200cent 이다.
따라서 1옥타브를 12음계로 나눈 1음계(반음)은 100cent(=1200cent/12)가 된다.
즉, 100cent = 21/12 Hz가 되고, 1 cent = 21/1200 Hz가 된다.
정리하면 다음과 같다.
1200cent == 12 * (100cent=1반음) == 12반음 == 1옥타브 == 주파수 2배 == 440HZ(기본 라) * 2 == 880HZ(다음 라)
*FDI: JS의 Web Audio API 에서는 OscillatorSourceNode의 detune 프로퍼티를 cent단위로 설정한다.
지금까지 다룬 소리의 기초에 대한 내용을 정리하면 다음과 같다.
# 소리 기초 정리
1. 소리
- 공기가 진동(밀도 변화)하며 이동하는 것
- 스피커(성대)는 공기를 진동시켜 소리를 만들고, 마이크(귀)는 공기의 진동을 소리로 인식한다.
2. 파동(음파, Wave)
- 시간에 따른 소리의 진동(밀도 변화)
3. 진폭(Amplitude)
- 소리의 진동 폭.
- 진폭은 볼륨(Volume, Gain)을 결정한다.
4. 주기(Period)
- 동일한 패턴의 왕복운동 1회에 소요되는 시간
5. 주파수(Frequency)
- 소리가 1초동안 진동하는 횟수(Hz단위)
- 주파수는 소리의 높낮이(음정, Pitch)를 결정한다.
6. 파형(WaveForm)
- 소리의 진동 모양.
- 파형은 소리의 음색(Timbre)을 결정한다.
다음 글에서는
▼소리 분석을 위해 오디오 데이터를 추출/변환 하는 방법을 다룬다.▼
오디오 데이터 추출 및 변환: ADC, 샘플링, 샘플레이트, 채널
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