Tap Tone과 Tone wood – 나무의 구조와 특성 (A. 재료와 음질)

[나무의 종류와 구조]

나무조직의 95% 이상을 차지하는 물관세포는 직경이 16-42 마이크론, 길이는 활엽수 1-2mm, 침엽수 2-4mm 정도입니다. 나무 1cm^3에는 150만개 이상의 물관세포가 있다고 하는데 세포가 조밀한 활엽수가 대체로 침엽수보다 무겁고 강하여, 그 때문에 나무는 크게 Softwood (침엽수 계통)와 Hardwood (활엽수 계통) 두가지로 나뉩니다. (그렇다고 Hardwood가 반드시 모두 더 무겁고 단단한 것은 아닙니다.)

나무를 자른 단면을 보면 중심부에 여러물질이 침착되어 짙은 색깔을 띤 단단하고 무거운 Heartwood가 있고 바깥쪽에 Sapwood(물관부)가 있으며 이 물관부와 형성층을 사이에 두고 체관부가 바깥을 감싸고 있습니다. 형성층에서 안쪽으로는 물관세포가 분열되어 비대성장을 하며 바깥쪽으로는 체관세포가 분열되는데 오래된 체관세포는 바깥쪽으로 밀려 나가면서 각질화되고 갈라져 나무껍질이 됩니다.

나이테는 모두들 너무 잘 아시다시피 계절에 따른 성장속도의 차이(Early/Late Growth)에서 오는 물관세포 조직의 조밀도 차이에서 오는 현상입니다. 다만 일반적인 기대와 다른 점은 나이테 방향(Tangential)으로의 강도가 생각보다 높지 않다는 것입니다. 그러나 음향판에서는 이 방향은 판의 두께를 가로지르는 방향이므로 큰 의미는 없습니다.

기타의 전판은 주로 Softwood를 사용하고 측/후판은 Hardwood가 쓰이는데 Jacaranda, Rosewood, Ebony 등은 모두 Heartwood 부위 입니다. 요즘은 예전과 달리 흰 껍질 부위(Sapwood)가 섞여 들어간 하카란다를 많이 볼 수 있는데 모양을 위한 의도적인 것이라기 보다는 아마도 그 만큼 하카란다가 고갈되었기 때문이 아닌가 싶습니다.

[방향성과 강도]

나무는 위 그림과 같이 방향성을 갖는(Anisotropic) 재질로 물관세포의 방향인 Longitudinal 방향으로의 강도가 가장 크고 수분에 의한 신축은 가장 작습니다. Radial은 나이테에 직각방향이며 Tangential은 나이테에 접선방향을 말합니다. 나무의 단면을 확대하여 보면 물관세포의 배열이 골판지와 같은 형태로, 형성층의 같은 세포로부터 Radial 방향으로 분열된 세포는 일렬종대로 배열되어 일반적으로 이 방향의 강도가 Tangential 방향의 강도보다 높습니다.

Tone wood는 나이테에 직각으로 제재하여 (Quarter Sawn) Radial의 보다 나은 강도와 안정성을 이용합니다. 흔히 앞판이 Quarter Sawn인지를 알아볼때 나이테에 직각으로 가로지르는 광채가 있는지를 보는데 이는 방사조직(Medullary Ray - Radial 방향으로 배열된 판상세포)에 의한 광채로 보입니다. (이를 가리켜 수질선, 또는 Silk Wave라고도 합니다.) 이 광채가 고르고 선명하면 나무조직이 그만큼 균질하고 또 정확히 직각으로 제재된 나무일 것 입니다.

[세포벽의 성분]

물관세포 벽은 분자구조의 방향성이 다른 몇개의 층으로 구성되어 있는데 그 주성분은 Cellulose, Hemi-cellulose, Lignin 입니다. 셀룰로즈는 선형 분자구조를 가진 친수성이고 리그닌(목질소)는 자유로이 가지를 치는 비정형 분자구조의 배수성 물질로서 셀룰로즈의 사이를 감싸 단단하게 만든다고 합니다. 아마도 셀룰로즈는 철근, 리그닌은 콘크리트에 비교할 수 있지않나 생각합니다.

[나무의 수분함유율]

나무에는 두가지 수분이 있습니다. 물관내부에 차있는 Free water와 세포벽의 친수성 셀룰로즈에 수소결합으로 흡착된 Bound water입니다. Free water는 벌목 후 곧 쉽게 빠져나가지만 Bound water는 쉽게 건조되지 않으며 공기중 습기의 흡수/배출을 반복합니다. 또한 나무의 수축과 팽창을 일으킵니다.

나무의 수분함유율은 섭씨 100도 이상에서 24시간 이상 건조시켜 수분을 완전히 제거한 Dry wood의 무게를 기준으로 합니다. Dry wood가 100g 인데 수분을 흡수하여 112g이 되었다면 12(수분무게) / 100(건조된 순수 나무무게) = 12%로 표시합니다. 일반적으로 나무의 수분함유율은 10-15%를 기준으로 삼으며 (Typically 12%) 그 범위에서의 강도, 안정성이 가장 좋다고 보는 것 같습니다.

[밀도와 비중]

나무의 밀도는 1입방미터당 Kg수로 표시합니다. 어떤 스프루스가 400 Kg/m^3라면 비중은 0.4가 됩니다. (물 1m^3 = 1000Kg) 에보니(흑단)은 밀도 1200Kg/m^3으로 비중이 1.2에 달하므로 물에 가라앉습니다! 한편 Hardwood임에도 가장 가벼운 나무인 Balsa는 130Kg/m^3 정도 입니다. 거의 10배 차이가 납니다.

[탄성계수]

Longitudinal, Radial, Tangential 탄성계수 (Young’s Modulus)는 각각의 방향으로 어떤 길이만큼 나무를 압축하는데 필요한 힘의 크기이며 단위는 압력과 같은 Pascal 이지만 그 값이 크므로 보통 GPa(Giga Pascal = 10^9 Kg/ms^2)이 사용됩니다. 또 Shear Modulus(전단 탄성계수)는 Tap Tone에서 Shear Mode의 주파수를 결정합니다.

실제 기타에서는 Tangential 탄성계수는 음향판의 두께방향이므로 의미가 없습니다. Shear Mode또한 기타의 앞판이 옆판에 접착된 완성상태에서는 음향에 큰 영향이 없다고 생각합니다. 앞판의 가로/세로 방향인 Longitudinal/Radial Modulus가 악기의 음향에 가장 중요한 역할을 합니다.

[내부 저항]

나무가 변형을 일으키면 탄성에 의하여 원위치로 돌아가려 하지만 내부마찰에 의하여 에너지의 일부는 열로 소모되어 소성으로 남을 수 있습니다. 이러한 Internal Resistance는 음의 Sustain에 큰 영향을 미치지만 밀도, Longitudinal/Radial 탄성계수와 같이 비교적 간단하게 측정하기가 어렵습니다. 손쉬운 측정방법은 좀 연구를 해봐야겠습니다.

[나무특성의 측정]

밀도는 자와 저울만 있으면 계산할 수 있고 Longitudinal/Radial 탄성계수는 Tap Tone, 정확히 하려면 100 x 10 x 1mm 또는 비슷한 형태의 Bar 모양으로 샘플을 채취해 스피커로 공진 주파수를 찾으면 됩니다. 내부저항은 측정이 어렵지만 이는 음질보다는 서스테인에 영향이 크리라 생각됩니다.

탄성계수를 측정하기 위하여는 탭톤의 주피수를 측정하여 계산할 수 있는데 이는 Strobo-tuner 같은 것을 사용하지 않더라도 앞서 언급한 'Acoustics for makers'에 나온 것 처럼 간단한 발진장치와 스피커로 나무막대에 발진음을 쪼여 공진 주파수를 찾는 것도 아주 좋은 방법입니다. 발진장치는 컴퓨터 프로그램으로도 쉽게 만들 수 있습니다.



다음에는 도대체 이런 숫자들이 어떤 의미를 가지며 음향특성과 어떻게 연관지을 수 있을지 생각해 보겠습니다.