기타의 과학

어제 장력에 대한 토론이 있었지요.
http://www.guitarmania.org/z40/view.php?id=gowoon15&no=4196#bottom
혹시나 도움이 될까 하여 제가 아는 과학적 상식을 전해 드립니다.
기타 전판과 측후판등, 울림통에서 좋은 소리가 형성되는 기본 원리에 대해서입니다.

특히 전판이 소리에 품질에 많은 영향을 끼치는데,
크게 세 가지의 factor를 감안해야 합니다.
음의 전달, 음의 반사, 그리고 음의 흡수입니다.

그러나 그 중 음의 전달 특성은 다시 음의 반사와 음의 흡수에 따라 결정되므로 결국 두가지 factor만 남는군요.
현에서 발생한 진동은 대부분 브릿지를 통해 기타 전판에 직접 전달되고
동시에 현에서 발생한 음파 역시 전판을 통해 울림통 내부로 전달됩니다.
(사운드홀을 통해 직접 전달되는 부분은 논외로 하지요)
이렇게 전판에 전달된 진동에너지는 전판에 흡수되거나 울림통 안쪽의 공기로 전달됩니다.
전판에 흡수된다는 의미는 진동에너지(기계적에너지)가 다른 형태의 에너지로 바뀌는 것을 말합니다.
주로 목재 분자 내부마찰에 의한 열에너지 형태로 바뀝니다.
열에너지는 귀에 들리는 에너지가 아니므로 결국 음량의 손실이 일어남을 말합니다.

자, 그렇다면 어떠한 원리로 음파에너지(진동에너지)가 열에너지로 바뀌는 것일까요?
여기서 다시 물체의 고유진동수라는 개념이 나옵니다.
모든 물체는 그 재질, 크기, 장력에 다라 고유진동수가 정해져 있습니다.
그런데 외부에서 가해주는 강제진동의 주파수와
물체 자체가 가지는 고유진동수가 일치할수록 그 주파수의 에너지가 많이 흡수되어 열로 바뀝니다.
왜 두 주파수가 일치할 때 흠수되어 열에너지로 바뀌는가에 대해서는 너무 전문적인 이야기이므로 생략하겠습니다.

그런데 나무판은 균질한 물질이 아닙니다.
나뭇결도 있고 기공도 있고 나무 재질도 부위마다 조금씩 다릅니다.
따라서 국부적으로 더 나아가 분자적으로 고유진동수가 다 다릅니다.
나무판 전체가 떨리는 메인 고유진동수보다 훨씬 높은 주파수 성분들이지요.

그리고 기타현에서 만들어지는 음 역시 하나의 음정이라 해도 사실은 복잡한 주파수 성분이 합성이 되어있습니다.
그래서 악기마다 같은 음정이라 해도 음색이 다 다르게 되는 것입니다.
그렇게 합성된 메인주파수가 바로 음정, 즉 "도레미"를 형성하게 됩니다.

그래서 그 음정을 구성하는 어떤 특정한 주파수들은 나무의 국부적 고유진동수와 같아져 흡수가 많이 되고,
어떤 주파수들의 음은 고유진동수와 안 맞아 흡수가 덜 일어나고 그럽니다.
그래서 나무판을 거친 음파는 음색이 변하게 됩니다. 물론 흡수된 양만큼 전체 음량도 줄게 되겠지요.
그러나 메인주파수(음정)는 변하지 않지요. 변해서도 안되구요.

만일 나무판의 메인 고유진동수(손으로 때렸을 때의 음정)가 440Hz 라면 큰일납니다.
왜냐하면 '라'음의 주파수가 440이므로 그 음 대부분이 흡수되어 소리가 죽어버리기 때문입니다.
품질이 안좋은 기타는 저음부 소리는 크게 나는데, 고음부 소리는 작거나 또는 그 반대이거나 하지요?
바로 위에 말씀드린 음의 흡수가 한쪽으로 치우치기 때문입니다.

그렇게 음파성분 중 일부분이 흡수되어 음색이 변한 음파는 울림통 내부에서 다시 복잡한 울림을 만듭니다.
이 때에도 역시 나무판 안쪽면에서의 반사와 흡수가 음색과 음량에 많은 영향을 미치겠지요.

그렇게 아름답게 다듬어진 음파가 다시 전판을 통해 바깥으로 전달되고 우린 그 소리를 듣게 되는 것입니다.
(물론 전판을 통하지 않고 사운드홀을 통해 직접 전달되는 부분도 많습니다.)

-----
나무판의 이러한 흡수/반사 특성은 분석장비로 정밀하게 분석할 수 있습니다.
그 분석장비 별 거 아닙니다. 여러 분야에 널리 쓰이고 있는 파형분석기 종류일 뿐입니다.
나무에 반사되거나 나무를 통과한 음파가 얼마만큼 열에너지로 흡수되어 사라지는가?
어떤 부분의 주파수가 흡수되어 음색이 변하는가? 등등의 현상을 분석할 수가 있지요.

따라서 기타를 만들기 전에 전판을 테스트하여 그 음색을 미리 예측할 수도 있습니다.
물론 기타의 구조등 다른 요소들도 많지만 일차적인 검증으로는 충분하다 할 것입니다.

  
  
* 수님에 의해서 게시물 복사되었습니다 (2008-08-16 07:43)