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음향공학
음향공학(音響工學)은 소리와 진동을 다루는 공학의 한 분야이다. 여기에는 기술에 음향과 진동의 과학인 음향의 응용이 포함된다. 음향 엔지니어는 일반적으로 사운드의 설계, 분석 및 제어에 관심이 있다.
음향공학의 한 가지 목표는 소음 제어라고 하는 원치 않는 소음을 줄이는 것이다. 원치 않는 소음은 동물과 인간의 건강과 웰빙(well being)에 중대한 영향을 미치고 학교에서 학생들의 학업 성취도를 감소시키며 청력 상실을 유발할 수 있다. 소음 제어 원칙은 음원 재설계를 통한 제어, 소음 장벽, 흡음재, 억제기 및 완충 구역의 설계, 청력 보호 장치(귀마개) 사용을 포함하여 다양한 방식으로 기술 및 설계에 구현된다.
소음 제어 외에도 음향 공학은 의학에서의 초음파 사용, 디지털 신디사이저 프로그래밍, 오케스트라의 소리를 향상시키기 위한 콘서트 홀 설계, 안내 방송을 알아들을 수 있도록 기차역 사운드 시스템 지정과 같은 소리의 긍정적인 사용도 다룬다.
음향 엔지니어는 일반적으로 음향학, 물리학 또는 기타 공학 분야에서 학사 학위 이상의 자격을 갖추고 있다. 음향 엔지니어로 활동하려면 일반적으로 중요한 과학 및 수학적 내용이 포함된 학사 학위가 필요하다. 음향 엔지니어는 건축 음향, 환경 소음 또는 진동 제어 와 같은 특정 분야를 전문으로 하는 음향 컨설팅에서 일할 수 있다. 다른 산업에서 음향 엔지니어는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있다. 도시의 사운드스케이프 및 가전제품과 같은 소리에 대한 인간의 반응을 조사한다. 믹싱 데스크용 오디오 신호 처리 소프트웨어를 개발하고 휴대폰용 확성기 및 마이크를 설계한다. 음향학자들은 또한 소리를 과학적으로 연구하고 이해하는 데 참여한다.
대부분의 국가에서 음향학 학위는 전문 인증 을 향한 첫 번째 단계가 될 수 있으며 학위 프로그램은 전문 기관의 인증을 받을 수 있다. 인증 학위 프로그램을 완료한 후 엔지니어는 인증을 받기 전에 다양한 요구 사항을 충족해야 한다.
개요
음향공학은 음파의 물리적인 거동과 그 성질, 그 외 부가적으로 유발되는 여러 음향적 현상을 연구하고 정의하는 물리학과 공학의 한 분야이다.
또는 영상, 공연, 건축, 방송 등에서의 청각적 요소들과 그것에 영향을 주는 특성, 그것을 다루는 기술을 의미하기도 한다. 음악과 아주 밀접한 관련이 있는 분야이지만, 음악은 소리를 이용한 예술성과 표현 기법 등에 중점을 둔다면, 음향학은 음파 그 자체에 대해 물리적 및 공학적 관점으로 접근하는 것에 중점을 둔다는 차이가 있다.
인간의 장기 중 두 개가 달린 것은 눈, 코(구멍이 두 개), 귀, 폐, 콩팥, 팔다리, 고환, 난소 정도다. 이 중 감각 기관은 눈, 코, 귀 뿐인데, 눈은 인간이 가장 많이 의존하는 감각인 시각을 전담하지만 눈을 감거나 어두운 곳에서는 감각이 차단될 수 있으며, 코는 인간의 후각이 다른 동물들에 비해 민감하지 않은데다가 아주 쉽게 피로해 져서 감각이 둔해지기 때문에 고차원적 인지라는 점에선 거의 무의미하다.
하지만 귀는 2개가 있음으로써 단순한 소리의 울림 그 이상을 들을 수 있게 된다. 귀는 감각이 차단되는 일이 없이 24시간 항상 열려 있는 감각기관인데다가, 인간의 청각은 생각보다 상당히 민감해 음파가 왼쪽 귀와 오른쪽 귀에 도달하는 속도와 세기의 차이를 감지해서 소리가 발생한 방향을 알 수도 있다. 또한 주관적 요소가 가장 쉽게 개입되는 감각 기관으로 어떤 소리가 먼저 울렸는지, 혹은 의식적으로 듣고자 하는 소리에 집중하는지 여부에 따라서도 소리의 크기를 다르게 듣기까지 한다. 이쯤 되면 음향이 얼마나 섬세한 감각을 연출하는지 알 수 있을 것이다.
분야
현대의 음향학은 발달한 과학 기술의 도움을 받아 섬세한 소리의 가공과 표현이 이루어지고 있고, 일단은 물리학과 기계공학의 원리 아래 이루어지지만[3] 생리학과 심리학의 영향도 결코 무시할 수 없으며 결국 음향학은 미적 가치를 추구하기 때문에 예술과 음악학의 범주에도 포함된다. 좋은 음악가/엔지니어가 되려면 음향에 대한 이해도 필수다. 이러다 보니 사실상 독자적인 학문. 음향 기기의 배치를 공부하려면 대학 공업수학도 익혀야 한다.
기본적으로는 물리학의 영역에 있는 학문이지만, 현대에 들어서는 음향을 컨트롤하기 위해서 전자회로와 컴퓨터공학에 대한 지식이 필수적으로 필요하기 때문에 여러 공학과도 접점이 있다. 위에서 언급한 생리학, 심리학 등은 Bioacoustics, Psychoacoustics라는 하위 학문으로 따로 다루기는 하지만, 공학적인 의미에서의 음향학보다는 중요도가 높지 않다.
음향학에서는 소리의 크기를 표현하기 위해 로그 스케일을 사용한다. 이는 사람의 귀가 소리의 크기를 선형적으로 판단하지 않고 로그 단위로 판단하기 때문이다. 예를 들면, 사람의 귀로 들었을 때 소리가 2배 더 크게 들린다면 이는 실제로 10의 (2-1)제곱, 즉 10배의 압력 차이가 난다는 것을 의미한다. 따라서 물리적인 단위로서의 압력(Pa)와 실제 사람이 듣는 소리의 크기에는 괴리가 있고, 이를 줄이기 위해 로그 스케일로 소리의 크기를 표현하는 것이다. 이것이 바로 아래의 응용사례들에서 많이 보게 되는 데시벨과 SPL(Sound Pressure Level)의 정의이다.
물리 음향학 · 음향 공학
시간과 공간에 따른 음파의 거동과 그 특성을 연구하고, 이를 공학적으로 응용하는 방법을 다루는 물리학과 공학의 한 분야이다.
- 물리학, 일반 공학에서의 음향학
음향학은 기본적으로 음파의 본질인 진동과 파동, 즉 역학적 파동(Mechanical Wave)의 전파와 거동을 다루는 학문이다. 건축에서의 몇 가지 예외적인 사례들을 제외하면 보통은 공기나 물을 매질로 놓고 다루게 되며, 이때 이 매질들을 통하여 전파되는 음파의 거동은 유체역학의 이론을 이용하여야 설명할 수 있다. 따라서, 음향학에서는 열역학이나 유체역학도 상당한 비중을 차지하게 된다.[4] 이런 유체역학의 이론을 이용하여 질량 보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 그리고 매질의 열역학적 상태를 식으로 표현하여 연립하고[5] 정리하면[6] 음파의 시간과 공간에 따른 거동을 나타내는 방정식인 음향 파동 방정식을 얻을 수 있다.
일반적인 경우, 단순한 상황(선형 음향학)에서는 압력의 변위와 매질 내 입자의 속도 사이에 일정한 관계가 성립하고, 결과적으로 매질의 운동 조건(매질의 크기나 모양, 진폭, 진동수, 매질이 여러 종류일 경우에는 각 매질의 분포 등)을 알면 매질 내 압력의 분포, 즉 음파의 거동을 계산할 수 있게 된다. 이러한 과정은 대게 위에서 언급한 음향 파동 방정식을 푸는 과정에서 사실상 필수적으로 거치게 되며, 따라서 음향 파동 방정식은 음파의 물리적인 거동을 표현하기 위한 음향학의 근간이라고 할 수 있다.
하지만 음향 파동 방정식은 2계 편미분 방정식이기 때문에 이를 푸는 것부터가 쉽지 않고, 또한 방정식을 유도하는 과정에서 여러 물리량 근사를 거치기 때문에, 선형화된 음향 파동 방정식으로는 자연에 존재하는 모든 음파를 완벽하게 기술할 수는 없다. 물리량 근사를 줄이면 비선형 음향학이라는 분과 학문이 되어버리고, 간혹 자연에서의 음향 현상들 중에서는 이를 통해서만 설명이 가능한 현상들도 있다. 대표적으로는 음파의 진행에 따른 파형의 변화[7]나, 음향 에너지의 흡수와 같은 현상들이 있다. 어쨌거나 이러한 비선형 음향학은 고려하여야 할 음향적 변수가 너무나도 많아지게 되며, 따라서 음향 파동 방정식 자체도 더 복잡해진다.
- 공력 음향
공력 음향학 (空力音響學, Aeroacoustics) 공력음향학은 소음원이 난류의 움직임이나 공력과 물체 표면의 상호작용으로서 발생하는 음향을 다루는 학문이다. 물체 표면 진동으로 발생하는 소음과 달리 항공우주공학에서 다루는 항공기 엔진의 제트 소음이나 헬리콥터의 로터소음을 생각하면 된다. 공력음향학은 1950년대 까지 미지의 영역이었으나, 1952년 Lighthill이 Lighthill stress tensor를 소음원으로 간주하는 음향 유추 이론을 발표함으로서 정립되기 시작되었다.
- 건축에서의 음향학[편집]
건축 음향학(建築音響, Architecture Acoustics) 공연장이나 강당, 극장, 스튜디오 등 소리가 울려퍼져야 할 건물을 설계, 시공할 때 원하는 음향을 얻기 위해 건축가는 다양한 방법으로 소리에 영향을 줄 수 있다. 다양한 목적에 따라 건축에 음향학이 개입할 방향이 달라지며 어떤 목적에 특화된 곳의 경우: 예를 들면 클래식 음악에 특화된 예술의전당,롯데콘서트홀에서 강연이나 스피커를 사용하는 대중 음악 등을 공연하는 것은 별로 바람직하지 못하다.
주로 벽의 구조와 자재가 음을 흡수, 반사하여 소리가 퍼지는 데 큰 영향을 주므로 중요하게 취급된다. 그 외 전기 설비도 고려해야 할 것이다.
전기음향
이 음향 공학 분야는 헤드폰, 마이크, 확성기, 사운드 시스템, 사운드 재생 및 녹음의 설계를 다룬다. 소리를 재생할 수 있고 전자 음향 공학에 의존할 수 있는 휴대용 전자 장치(휴대폰, 휴대용 미디어 플레이어 및 태블릿 컴퓨터)의 사용이 급격히 증가했다.
전기음향학이라는 용어는 초음파의 영향을 받는 이종 액체에서 발생하는 일련의 동전기적 효과를 설명하는 데에도 사용된다.
- 무대에서의 음향학
무대에서는 스피커 등 음향 기기의 배치와 믹싱을 통한 조정, 음향 반사 등의 요소 등을 다룬다. 음향 반사같은 경우 건축 단계에서 우선 고려되어야 할 것이고 야외에선 그 의미가 많이 희석되므로 현장에서의 음향 기기의 설치가 주된 일이다. 또한 이 일들을 통칭 PA(Public Address) 또는 SR(Sound Reinforcement)이라고 한다. 음향 장비를 다루는 것을 넘어서 설치까지 하다 보니 전기학 지식이 상당 수준 요구된다.
가장 처음 접하는건 교회의 음향. 실제로 재능이 있어 교회의 음향 담당을 하던 사람이 이쪽으로 발을 들여놓는 경우가 많다. 일단 음향 담당자들은 항상 마라톤을 한다. 조정실에서 편히 앉아서 조정 하는건 상상 말자. 본무대때나 그렇지 리허설때면 사방을 쑤시고 다니며 스피커에서 나오는 소리를 듣고 보컬들의 모니터를 들어보며 보컬 및 세션들의 요구에 맞춰 조정해주며 만족할때까지 뛰어야 한다. 심지어 본 무대에서도 방해가 안되는 선에서 움직이며 들어야한다. 또한 베이스 기타 라인 아웃또는 마이킹 및 드럼세트 마이킹이 결정나면 그 순간 아마추어들은 멘붕. 교회같은 곳에서 흔히 있는 아마추어 음향 조정자들이 베이스 기타 소리와 드럼세트 소리를 완벽하게 잡으면 준전문가 소리 듣는다. 베이스 기타 항목 참고. 우퍼도 달고 있으면 더욱 골치 아픈게 무대 음향. 또한 건축에서의 음향 지식도 가져야한다. 바로 장소에 따른 저음의 크기 조절 여부. 좁고 흡음제가 될만한 것이 없다면 저음을 줄이자. 특히 무대 뒷벽이 사다리꼴 모양으로 각져 있다면 저음을 좀 빼주자. 째랑째랑한 고음이 거슬리긴 하지만 이런 구조에서 저음을 과도히 넣으면 이상하게 벙벙거리며 울려서 듣기 거북해진다. 또한 날씨와 실내외 온도, 난방 기구가 복사식이냐 대류식이냐까지 따져야한다. 날씨 따라 어제 퍼펙트하던 음향이 오늘은 개판이 되기도 한다. 실외의 경우 낮에 하는 리허설과 밤의 본무대에 따라 음향을 잘 맞춰야한다. 낮에는 지면이 뜨겁고 공기가 차가워서 소리가 위로 꺾이지만 밤에는 반대로 지면이 차갑고 공기가 뜨거워 소리가 아래로 꺾인다. 속담인 낮 말은 새가 듣고 밤 말은 쥐가 듣는다처럼. 그래서 음향을 세팅할때 이런 점을 고려해야하고 야외에선 저음이 실종되기에 서브우퍼는 필수다.
최근에는 대부분의 음향장비들이 디지털화 되면서 네트워크 및 운영체제, 일부 서버, 각종 관련 소프트웨어등의 전반적인 지식까지 필수로 갖춰야 하는 추세다.
황금귀 개드립만치 무슨 발전소까지 음질에 영향을 끼치는 건 아니겠지만 여러 장비가 연결되는 상황에서 케이블의 영향은 꽤 크다. 장비가 많을수록 차폐가 중요해지는데, 노이즈 제거 위해서는 밸런스 케이블이 필수적이다. 전원 자체도 중요. 전원에 노이즈가 심하면 음향 장비에도 안 좋은 영향이 들어간다고. 그래서 전원에 노이즈가 많다면 전원을 깨끗하게 해주는 특수 장치도 설치해야 한다. 전원의 노이즈는 음질 열화는 물론이거니와 전기 회로를 망가뜨린다. 따라서 전원에 노이즈가 심하면 반드시 전원을 깨끗하게 해주는 장치가 필수다.
또한 무대나 벽에 음향 관련 단자 박스가 설치 돼있다면 음향용 케이블과 전원용 케이블이 같이 묶이는 일이 없어야한다. 케이블이 저가품이면 전원에서 나오는 전기 노이즈가 음향 케이블에 간섭해서 이상한 잡음이 계속 난다. 비단 이뿐만 아니라 무대 음향때도 음향케이블과 전원 케이블은 떨어뜨려 놔야 한다.
예술에서의 음향학
- 영상에서의 음향학
영상물에 있어서 굉장히 중요한 자리를 차지한다. 후시녹음 시절에는 일일이 대사도 집어넣어줘야 했지만, 동시녹음 시대인 지금도 음향은 넣어준다. 음악을 배우들이 연기하는 옆에서 연주해서 넣지 않기 때문이다.
지금 당신 앞에 정말 잘 찍고 잘 편집한 필름이 있다. 하지만 사운드가 제대로 되지 않으면 그 영화는 잘 찍은게 아니다. 특히 학생들에겐 사운드 트랙만큼 힘든 게 없다. 예산이 부족한 건 이해하지만 대부분의 학생들은 자신의 필름에서 사운드의 중요성을 간과하고 있으며 그 결과는 아름다운 그림에 뚝뚝 끊기고 지직거리는 소리가 나는 영화를 보여주게 되는 것이다.
만일 16미리 영화작업을 한다면 주의해야 할 것이, 옵티컬 사운드는 보통 음질이 나빠지는 것이 문제삼아지는데 16mm의 경우 그 열악함이 매우 크다. 유념하여 작업할 것.
참고자료
같이 보기
