대부분의 사람들은 파도라는 단어를 들으면 파도치는 바다, 부서지는 파도, 심지어는 서퍼가 장관을 연출하는 모습을 떠올립니다. 하지만 음악과 사운드의 세계에서 파도는 조금 다르게 작동합니다.

그렇다고 파도와 음파가 공통점이 없다는 것은 아닙니다. 둘 다 공간을 이동하고 에너지를 전달하며 크기와 속도로 측정할 수 있습니다.

물론 가장 큰 차이점은 파도는 물을 통해 이동하는 반면 음파는 공기(또는 통과하는 물질)를 통해 이동한다는 점입니다. 그리고 파도는 그 움직임을 쉽게 볼 수 있지만 음파는 미세한 영역에서 작동하는 조금 더 복잡합니다.

이러한 파동이 어떻게 작동하는지 아는 것은 오디오 엔지니어, 스튜디오 건축업자, 음향 처리 개발자 등 사운드 작업을 하는 모든 사람에게 매우 유용할 수 있습니다. 그래서 가능한 한 가장 간단한 방법으로 모든 것을 분석해 보겠습니다!

음파란 무엇인가요?

음파의 핵심은 공기(또는 물 또는 고체)를 통해 움직이는 진동입니다. 소리는 까다롭지 않죠. 우리가 음악부터 목소리, 밤에 부딪히는 소리까지 모든 것을 들을 수 있는 이유입니다!

음파는 얼마나 빠르게 움직이는지(주파수), 얼마나 큰지(진폭), 시간에 따라 어떻게 변하는지를 포함한 몇 가지 주요 특성을 기반으로 설명합니다. 하지만 이 모든 것을 설명하기 전에 음파는 종파라는 특별한 종류의 파동이라는 것을 이해하는 것이 중요합니다.

앞으로 이동하면서 위아래로 움직이는 파도와 달리 종파는 이동하는 방향과 같은 방향으로 공기를 밀고 당깁니다.

종파가 어떻게 작동하는지 상상해 보려면 사람들이 어깨를 나란히 하고 길게 줄을 서 있다고 생각해보세요. 첫 번째 사람이 앞으로 몸을 기울여 다음 사람과 부딪히고, 그 사람이 다음 사람에게도 똑같이 하면 공기 분자가 소리에 반응하는 것처럼 연쇄 반응이 일어납니다. 이 앞뒤로 움직이는 움직임이 바로 소리를 압력파 라고 부르는 이유입니다.

이제 음악과 일상 생활에서 음파에 대해 이야기할 때 실제로는 음압파 에 대해 이야기하고 있습니다. 이 음파는 대략 20Hz에서 20,000Hz에 이르는 인간의 청각 범위 내에 위치합니다. 사람의 귀가 감지하는 소리 아래는 초저음역대로, 우리가 듣기에는 너무 낮지만 지진을 감지하거나 코끼리를 추적하는 데 유용합니다(예, 맞습니다). 사람의 귀가 들을 수 있는 범위 위에는 의료 영상부터 보석 세척에 이르기까지 모든 분야에 사용되는 초음파가 있습니다. 잠시 후에 다시 설명하겠습니다.

음악 외에도 음파가 중요한 역할을 하는 산업은 여러 가지가 있습니다. 의사가 인체 내부를 볼 수 있도록 돕는 것부터 잠수함이 수중을 항해할 수 있도록 하는 것까지 다양한 역할을 합니다. 하지만 뮤지션과 프로듀서인 우리에게 음파는 우리가 작업하는 모든 것의 기초이며, 음파를 더 잘 이해할수록 사운드를 더 잘 제어할 수 있습니다.

음파의 구성 요소는 무엇인가요?

음파는 어둠의 마법처럼 보일 수 있지만 물리학의 다른 모든 것과 마찬가지로 일련의 규칙을 따릅니다. 우리가 듣는 모든 소리에는 그 작동 방식을 정의하는 특정 특성이 있으며, 음파를 형성하는 몇 가지 주요 구성 요소가 있습니다.

빈도

주파수는 우리가 소리를 듣는 방식에 영향을 미치는 가장 큰 요소 중 하나입니다. 간단히 말해서 음파가 진동하는 속도를 말합니다. 주파수는 헤르츠 (Hz) 단위로 측정하며, 1초에 몇 번이나 파동이 순환하는지 알 수 있습니다.

진동이 빠를수록 주파수가 높아집니다. 그리고 주파수는 음정을 결정하는 요소입니다. 예를 들어 피아노의 중간 C 음은 약 261.6Hz의 주파수를 가지며, 이는 공기가 초당 그 속도로 진동하여 음을 만들어낸다는 것을 의미합니다. 반면 저음은 60Hz 정도에 머물고, 날카로운 개 휘파람 소리는 20,000Hz 이상으로 치솟을 수 있습니다(편리하게도 사람의 청력이 한계에 도달하는 지점입니다).

파장

파장(λ)은 음파의 크기, 즉 음파가 한 번의 완전한 주기로 얼마나 멀리 이동하는지를 나타냅니다. 음파를 얼렸다가 눈앞에 펼쳐 놓으면 파장은 한 피크에서 다음 피크까지의 거리가 됩니다.

이를 파악하는 간단한 공식이 있습니다:

λ=c/f

그 의미는 다음과 같습니다:

• λ(파장): 파동의 한 전체 주기의 길이
• c(음속): 소리가 공기를 통해 이동하는 속도(상온에서 초당 약 343미터)
• f(주파수): 파동이 진동하는 속도(헤르츠 단위로 측정)

따라서 100Hz 사운드가 있는 경우 이를 연결하면 됩니다:

λ = 343/100 = 3.43미터

이는 파도의 길이가 3미터가 넘는다는 뜻입니다!

이제 이를 1,000Hz 사운드와 비교해 보겠습니다:

λ = 343/1000 = 0.343미터

보시다시피 고주파는 파장이 짧기 때문에 저음(저주파)은 크고 넓게 느껴지는 반면 고음(고주파)은 더 집중되고 방향성이 있습니다.

이 때문에 저음은 벽을 통과할 수 있는 반면 고음은 더 쉽게 흡수되거나 반사되는 경향이 있습니다.

진폭

진폭은 소리의 힘 또는 볼륨을 나타냅니다. 음파를 크게 또는 부드럽게 만드는 음파의 일부입니다. 좀 더 기술적으로 말하면 음파가 통과할 때 공기 입자가 정지된 위치에서 얼마나 멀리 밀려나는지를 나타냅니다. 움직임이 클수록 음파는 더 강해지고 소리는 더 커집니다.

드럼을 가볍게 두드리면 공기가 거의 움직이지 않아 조용한 소리가 난다고 생각해보세요. 하지만 드럼을 힘껏 두드리면 공기가 훨씬 더 극적으로 압축되고 팽창하여 더 큰 소리가 납니다.

이것이 바로 진폭이 작동하는 방식입니다.

파형에서 진폭은 파동의 높이를 의미합니다. 파동이 클수록 진폭이 커지며, 이는 우리가 더 큰 소리로 인식합니다. 파동이 작을수록 진폭이 작아져 더 조용한 소리로 들립니다.

그러나 음량 외에도 진폭은 소리가 공간과 상호작용하는 방식, 물리적인 느낌, 심지어 음악에서 감정적으로 인식되는 방식에도 중요한 역할을 합니다.

속도

소리의 속도에 대해 이야기할 때(콜드플레이의 최고의 노래 중 하나가 아닐 수 없습니다) 음파가 매체를 얼마나 빨리 통과하는지를 말합니다. 공간을 헤아리기 어려운 속도로 이동하는 빛과 달리 소리는 통과할 대상이 필요합니다. 공기, 물, 금속 등 무엇이든 될 수 있습니다. 그리고 그 무언가가 무엇인지에 따라 음속이 달라집니다.

공기 중(상온)에서 소리는 초당 약 343미터(초당 1,125피트 )의 속도로 이동합니다. 하지만 물속에서 소리를 지르면 소리는 공기 중보다 4배 더 빠르게 이동합니다. 그리고 금속 파이프를 두드리면 진동이 금속을 더 빨리 통과합니다.

그렇다면 왜 이런 일이 발생할까요?

이는 분자가 서로 다른 물질에 얼마나 빽빽하게 밀집되어 있는지에 달려 있습니다. 공기와 같은 기체에서는 분자가 상당히 퍼져 있기 때문에 파동이 통과하는 데 시간이 오래 걸립니다. 액체에서는 분자가 서로 가깝기 때문에 소리가 더 빨리 이동합니다. 분자가 빽빽하게 모여 있는 고체에서는 소리가 가장 빠르게 움직입니다.

그렇기 때문에 기차 선로에 귀를 대고 있으면(권장하지 않습니다) 소리가 공기를 통해 사람에게 도달하기 훨씬 전에 다가오는 기차 소리를 들을 수 있습니다. 또한 공기 중의 습기가 음파의 속도와 흡수를 변화시키기 때문에 짙은 안개 속에서 목소리가 이상하게 들리는 것과 같이 소리는 환경에 따라 다르게 작동하는 이유이기도 합니다.)

강도

진폭이 음파의 크기를 알려준다면 강도는 음파가 얼마나 강한지를 알려줍니다. 보다 구체적으로, 강도는 음파가 단위 면적당 전달하는 전력의 양으로, 평방미터당 와트(W/m²) 단위로 측정합니다.

손전등이라고 생각하세요. 희미한 손전등은 적은 양의 에너지를 일정 영역에 퍼뜨리지만, 고출력 손전등은 같은 공간에 엄청난 양의 빛을 발산합니다. 소리도 같은 방식으로 작동합니다. 파동에 더 많은 에너지가 담겨 있을수록 더 강렬합니다.

강도가 중요한 이유는 우리가 소리를 인지하는 방식에 큰 역할을 하기 때문입니다. 진폭은 파동의 높이를 알려주는 반면, 강도는 전달되는 총 에너지의 양을 알려줍니다. 작은 스피커와 스타디움 사운드 시스템은 모두 한 지점에서 동일한 진폭을 생성하지만, 스타디움 시스템은 훨씬 더 넓은 영역에 그 출력을 분산시켜 훨씬 더 강렬하게 들립니다.

이것이 바로 거리가 소리의 크기에 영향을 미치는 이유이기도 합니다. 음파가 퍼지면 에너지가 더 넓은 공간에 분산되기 때문에 강도가 떨어집니다. 콘서트가 스피커 근처에서는 귀가 먹먹하게 들리지만 뒤로 갈수록 희미해지는 이유가 바로 이 때문입니다.

단계

위상은 파동의 타이밍을 살펴봅니다. 위상은 특정 순간에 음파의 주기가 어느 지점에 있는지를 나타냅니다. 파형을 정지시키고 그 파형의 특정 지점을 가리킬 수 있다면 위상을 파악할 수 있습니다.

위상은 도 단위로 측정하며, 한 번의 완전한 파동 주기는 360°입니다. 0° 또는 360°의 파도는 시작점이며, 180°는 파도의 절반이 지나고 거꾸로 뒤집힌 것을 의미합니다.

여러 음파가 상호 작용할 때 그 위상에 따라 함께 작동할지 아니면 서로 반대되는지 결정됩니다.

두 개의 동일한 파동이 위상이 같으면(같은 지점에 정렬되어 있으면) 서로를 강화하여 소리가 더 강해집니다. 그러나 위상이 맞지 않는 경우, 즉 한 파동의 피크가 다른 파동의 딥과 일치하는 경우 부분적으로 또는 완전히 상쇄되어 소리가 감소하거나 제거될 수 있습니다.

위상 제거는 모든 오디오 엔지니어의 골칫거리입니다. 예를 들어 드럼 키트를 녹음할 때 스네어 소리가 이상하게 얇게 들린다면 마이크 사이의 위상 제거가 원인일 수 있습니다. 또한 믹서나 DAW에서 위상을 뒤집으면 사운드가 다시 살아날 수 있는 이유이기도 합니다.

음악에서 위상이 중요한 이유에 대한 전체 블로그가 있으니 자세히 알고 싶으시다면 확인해 보세요.

전파에 따른 음파의 다양한 유형

모든 음파가 같은 방식으로 움직이는 것은 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 모든 음파는 매체를 통해 에너지를 전달하지만, 전파 방식(음파가 이동하는 방식에 대한 전문 용어)은 상황에 따라 다를 수 있습니다.

전파는 파동이 공간을 이동하는 방식과 같습니다. 어떤 파동은 같은 방향으로 밀고 당기는 반면, 어떤 파동은 위아래로 움직이거나 복잡한 패턴으로 퍼져나갑니다.

음파의 이동 방식과 그것이 중요한 이유에 따라 음파의 주요 유형을 분류해 보겠습니다.

종파

종파는 일상 생활에서 가장 많이 사용되는 음파 형식입니다. 종파는 움직이는 방식에 따라 정의됩니다. 공기 입자는 파동이 이동하는 방향과 같은 방향으로 앞뒤로 진동합니다.

저는 슬링키의 한쪽 끝을 앞으로 밀면서 뒤로 당기면 특정 구간에서 코일이 뭉쳐서 퍼지는 모습을 상상하는 것을 좋아합니다. 기본적으로 종파는 압축(입자가 서로 밀리는 부분)과 희박(입자가 흩어지는 부분)을 통해 이동합니다. 이러한 밀고 당김의 끊임없는 순환이 소리가 공기를 통해 이동하여 우리 귀에 도달하는 방식입니다.

공기와 물에서 종파가 들리는 이유는 이러한 물질은 다른 유형의 파동 이동을 지원하는 구조를 가지고 있지 않기 때문입니다. 하지만 파동은 고체를 통해서도 이동합니다.

이 파동은 우리가 듣는 거의 모든 소리의 원인이기 때문에 기타 줄의 진동부터 하이햇의 선명한 두드림까지 음악의 모든 것의 핵심입니다.

횡파

횡파는 종파의 사촌인 종단파와는 조금 다르게 움직입니다. 입자가 파동과 같은 방향으로 앞뒤로 진동하는 대신, 횡파는 파동의 이동 경로에 수직으로 움직이기 때문에 에너지는 앞으로 이동하지만 입자는 위아래로 움직인다는 특징이 있습니다.

로프를 흔들어 보면 쉽게 이해할 수 있습니다. 한쪽 끝을 잡고 위아래로 흔들면 파도가 로프를 따라 이동하는 것을 볼 수 있지만, 실제 로프의 재질은 파도의 길이를 따라 움직이는 것이 아니라 좌우로 움직입니다. 이것이 횡파가 작동하는 방식입니다.

중요한 차이점은 횡파는 고체에서만 발생한다는 것입니다. 고체는 상하 운동을 지탱하는 데 필요한 단단한 구조를 가지고 있기 때문입니다. 액체와 기체는 이러한 내부 저항이 없습니다.

횡파는 우리가 소리를 듣는 방식에는 포함되지 않지만, 우리 주변 세계에서 재료의 기계적 특성을 이해하는 데 큰 역할을 합니다. 횡파는 지진 활동, 단단한 구조물의 진동, 심지어 악기가 공명하는 방식에서도 나타납니다. 음을 연주할 때 어쿠스틱 기타의 몸체가 진동하는 것을 느껴본 적이 있다면 횡파가 작동하는 것을 경험하고 있는 것입니다.

표면 파도

표면파는 종파의 요소와 횡파의 요소를 결합한 두 가지의 장점을 모두 갖춘 것과 같습니다. 표면파는 단순히 앞뒤로 또는 위아래로 움직이는 대신, 서로 다른 두 물질 사이의 경계를 따라 이동하면서 원형 또는 구르는 동작을 만듭니다.

파도에 비유하자면 파도가 해안으로 밀려올 때 물은 반복적인 패턴으로 움직입니다. 수면 가까이에 있는 입자는 더 큰 원을 그리며 이동하는 반면, 더 깊은 곳에 있는 입자는 덜 움직입니다. 소리가 단단한 표면과 상호작용하는 경우를 포함하여 다른 물질의 표면 파동에도 동일한 원리가 적용됩니다.

수면 파도의 핵심은 깊이에 따라 에너지가 사라진다는 것입니다. 수면에서 멀어질수록 파도의 움직임은 작아집니다. 그렇기 때문에 심해 다이버들은 수면 위에서 보트를 던지는 것과 같은 움직임을 느끼지 못합니다.

주파수에 따른 다양한 음파 유형

우리가 들을 수 있는 음파가 있는 반면, 완전히 들을 수 없는 음파도 있습니다. 주파수에 따라 음파는 크게 세 가지 범주로 나뉩니다:

• 가청 음파: 사람이 실제로 들을 수 있는 주파수입니다. 20Hz에서 20kHz까지의 모든 소리가 이 범위에 속합니다. 나이가 들수록 상한이 낮아지는 경향이 있기 때문에 일부 고주파 소리는 젊은 귀에서만 들리는 경우가 있습니다(선생님이 듣지 못해서 반 친구들이 수업 시간에 성가신 모기 앱을 플레이했던 기억이 있으실 겁니다).
• 적외선: 초음파는 20Hz 이하의 초저주파수로 사람의 청각에는 너무 깊지만 매우 현실적이고 강력합니다. 음파는 지진 감지, 화산 활동 모니터링, 심지어 동물의 의사소통에도 사용됩니다 . 예를 들어 코끼리는 장거리에서 "대화"를 할 때 초음파를 사용합니다. 일부 연구자들은 초저주파를 불안감과 연관시켜 "방금 유령을 본 것 같다"는 순간을 설명하기도 합니다.
• 초음파: 20kHz 이상의 고주파 음파는 사람이 들을 수 있는 범위를 넘어서는 음파이지만, 실용적인 활용 분야가 무궁무진합니다. 의료 영상(초음파 스캔), 소나 기술, 심지어 일부 해충 퇴치에도 초음파가 사용됩니다. 박쥐나 돌고래와 같은 일부 동물은 인간의 인식을 뛰어넘는 방식으로 '보는' 반향 위치 파악에 초음파를 사용합니다.

음파에 대한 최종 생각

그렇다면 음파에 대한 이 모든 새로운 정보로 무엇을 할 수 있을까요?

우선, 음파를 이해하면 음악 제작, 믹싱, 녹음, 심지어 라이브 사운드 설정까지 더 잘 제어할 수 있습니다. EQ를 조정하고 들리는 파동의 주파수를 파악하거나 마이크를 배치하고 위상을 피하려고 할 때 소리가 어떻게 움직이는지 알면 더 나은 선택을 하는 데 도움이 됩니다.

재미있는 음파 실험을 해보고 싶으신가요?

스피커를 잡고 저주파 사인파(약 50~100Hz)를 재생한 다음 손을 가까이 가져가 보세요. 진동이 느껴지나요? 이제 고주파 사인파(5,000Hz 이상)를 재생해 보세요. 진동이 어떻게 사라지는지 보이시나요? 이것이 바로 파장과 주파수가 작용하는 것입니다. 주파수가 낮을수록 파장이 길어지고, 물리적으로 느낄 수 있는 방식으로 공기를 통해 더 많이 움직입니다.

결국 음파는 추상적인 과학의 일부가 아닙니다. 음파는 우리가 음악에서 듣고 느끼는 모든 것을 형성합니다. 그리고 음파를 더 많이 이해할수록 내 의지에 따라 음파를 더 많이 구부릴 수 있습니다.