오디오 사운드와 배음: 배음이란 무엇인가?

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오디오 사운드와 배음: 배음이란 무엇인가?

 

우리가 소리를 듣는 것은 단순히 발음원에서 만들어진 소리만 듣는 것이 아니다. 그 발음원에서 우리의 귀까지 소리가 전달되는 과정에서 환경으로부터 만들어지는 소리까지 듣는 것이다. 같은 소리라도 무음실에서 듣는 소리와 거실에서 듣는 소리와 화장실과 같이 반사가 심한 장소에서 듣는 소리가 다 다르다. 녹음 장소가 스튜디오와 작은 실내 공연장, 커다란 콘서트홀, 커다란 야외 공연장, 성당이나 교회와 같이 울림이 풍부한 장소에 따라 다 다른 음향 특성을 가지고 있다.

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심지어 같은 형태의 공연장이라도 빈 무지크페라인 황금홀과 베를린 필하모니 콘서트홀, 암스테르담 콘체르트허바우홀과 우리나라 예술의 전당의 음향은 모두 다를 뿐만 아니라 좋은 음향을 만들어 내기도 하고 또한 그렇지 못하기도 하다. 이러한 차이는 어디에서 발생하는 것인가. 바로 공연장의 벽과 천장 등의 반사와 분산으로부터 만들어지는 음향이다. 이렇게 반사와 분산으로 만들어지는 것이 홀의 잔향이라고 하며 이 홀의 잔향이 바로 배음이다.

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오디오는 소리를 재생하는 기기가 아니라 음악을 재생하는 기기이다. 그래서 다른 음향 기기들과 사용 목적과 성능의 조건이 다를 수밖에 없다. 오디오 기기는 소리만 나오면 되는 것이 아니라 음원에 담겨 있는 내용을 왜곡 없이 얼마나 충실하게 잘 재현해 내느냐가 중요한 기기이다. 오다오 기기는 특별한 녹음 환경에서 만들어진 모든 정보를 모두 그대로 담아내는 것이 좋은 녹음이고, 이 녹음의 정보를 모두 재현해 내는 것이 좋은 오디오이다.

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오디오 시스템으로 듣는 음악은 모노톤의 소리가 아니라 여러 가지의 다양한 악기와 성악가의 노래가 어우러진 대단히 복잡한 파형의 소리이며, 이러한 소리를 왜곡 없이 제대로 재생하는 것은 실로 쉽고 간단한 일이 아니다. 또한 작은 소리(ppp)부터 큰 소리(fff)가 모두 포함되어 있으며, 그 변화가 급격하게 변하기도 한다. 거기에 더하여 소리의 주파수 대역이 20Hz의 낮은 대역부터 20khz를 넘는 높은 대역까지 포함되어 있다.

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그리고 음악을 표현하는 수단은 가슴을 울리는 웅장한 파이프 오르간의 저음부터 가슴을 찌르는 바이올린의 고음까지, 바이올린과 같은 현을 마찰시켜 나는 음부터 피아노처럼 와이어를 두드려 나는 소리, 가죽이나 딱딱한 나뭇조각이나 금속을 두드려서 나는 소리까지의 자연 음색 악기와 전자 기타, 신시사이저(synthesizer) 등의 전자 악기까지 이질적이고 다양한 음색을 가진 소리들을 빠짐없이 충실하게 재생해야 한다.

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녹음 과정은 우리의 몫이 아니라 연주자와 엔지니어의 역할이라고 하더라도 녹음된 음악을 재생하는 것은 온전히 우리의 몫이지만, 엔지니어들보다 열악한 환경에서 수행해야 하기 때문에 대단히 어려운 과정으로, 이 어려운 과정을 실패를 반복하지 않고 이루기 위해서는 소리에 대한 기본적인 지식이 있어야 과정과 결과를 이해를 하고 올바른 방향을 쉽게 찾을 수 있을 것이다. 이러한 취지에서 소리와 음악에 대한 기본 개념과 재생 과정에서 발생하는 문제들을 이해하고 이를 해결할 수 있는 방법을 찾아보는 것은 오디오 시스템을 반복되는 실패 없이 만들어 가는 데 도움이 될 수 있을 것이다.

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소리와 음악

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우리가 오디오 시스템으로 듣는 감칠맛 나는 바이올린, 짜릿한 트럼펫, 감미롭고 애절한 클라리넷, 옥구슬 굴러가는 피아노, 가슴을 두리는 듯한 킥드럼, 이러한 음색의 차이는 도대체 무엇으로 결정되는 것일까. 우리가 듣는 음원에는 어떻게 기록되고 오디오 시스템으로는 어떻게 재생되는 것일까. 이 모든 음은 악기가 만드는 공기의 진동을 기록하고 이 기록에는 소리의 3 요소인 음량(Volume), 음정(Interval), 음색(Tone Color)으로 이루어진 끊임없이 변하는 소리들의 향연이 포함되어 있다.

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음량은 소리의 크기를 말하며 앰프의 볼륨과 같은 의미이다. 음악의 음원에는 큰 볼륨의 소리와 작은 크기의 소리가 모두 어우러지며 만들어 내며 하모니를 이루는 음악이 담겨있다. 음정은 우리가 도, 레, 미, 파, 솔, 라, 시, 도로 표시하는 소리의 고, 저를 표현하는 소리들의 높낮이로 앰프, 스피커의 주파수 대역과 밀접한 관계가 있고, 음색은 소리의 고유의 표정이라고 할 수 있으며 다양한 크기의 여러 개의 음정이 겹쳐지고(화음) 다음에 설명하는 배음이 더해져서 고유의 음색이 만들어진다.

 

(파장 A:음정, B:위상, C:음량)

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기음(Fundermental Tone)와 배음(Harmonics Overtone) 그리고 위상(Phase)은 소리를 특성을 표현하는 중요한 요소들이며 이에 대한 이해는 오디오에서 재생되는 음의 구성과 특성과 문제를 이해하고 파악하는 데 중요한 것들이다. 모든 소리를 구성하는 것들은 기음과 배음으로 구성되어 있으며 기음과 배음의 관계를 이해하는 것은 오디오를 통하여 좋은 음을 재생하는 방법을 찾는데 중요한 지표이다.

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기음(Fundermental Tone)은 악기의 소리와 사람의 목소리에서 음의 고저와 크기를 표현하는 음을 말하며, 각 악기나 사람의 목소리는 고유의 주파수 대역을 가지고 있다. 이 주파수 대역은 단순히 악기나 사람이 표현할 수 있는 대역을 말하는 것으로 악기나 사람의 음색과 같은 음의 표정을 의미하는 것은 아니다. 아래는 사람과 악기가 표현할 수 있는 주파수 대역을 알기 쉽게 그래프로 표현한 것으로 기음의 주파수 대역이다. 배음이 없는 기음만의 음은 음의 고저와 크기만이 표현되는 소리의 특정 주파수의 음은 악기에 관계없이 동일하게 들린다. 사람의 목소리의 특징과 악기의 소리의 미묘한 음색의 차이는 공명으로부터 나타나는 배음이 더해져서 나타나는 결과이다.

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(악기별 주파수대역 그림)

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악기별 주파수 대역(기음)

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악기를 포함하는 모든 소리를 만들어내는 기기는 표현할 수 있는 기본 주파수 대역인 기음이 있다. 표현할 수 있는 주파수 대역은 악기마다 다르며 위의 표와 같다. 위의 표에 표기된 기음의 주파수 대역을 살펴보면 가장 낮은 대역이 콘트라바순의 25Hz부터 가장 높은 음도 파이프오르간의 12kHz로 모든 음이 가청주파수 대역 안에 들어간다.

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그런데 실제 악기의 소리에는 기음 뿐만 아니라 기음의 2,3,4,5 ... 정수배의 배음이 포함되어 있다. 이 배음은 소리의 높낮이인 음조를 결정하지는 않으나, 많으면 25차까지 나타나며 기음과 합쳐져서 악기의 각기 다른 음색을 만들어 낸다. 배음은 기음에 비해 작은 크기를 가지고 있으며 차수가 늘어날수록 점점 작아지는 경향이 있으나 특정 차수에 다시 커지는 경우도 있으며, 기음과 어우러져 특유의 음색을 만들어 낸다.

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예로 바이올린의 명기 스트라디바리우스는 구성하고 있는 나무의 재질과 래커의 재질, 제작의 방법에 의해 만들어진 공명 구조가 배음을 조화롭게 만들 수 있도록 설계되어 있어 그렇게 아름다운 소리를 만들어 낸다고 한다. 국내 오디션 프로그램에서 박진영 심사위원이 참가자들에게 노래할 때 '소리 반 공기 반'을 요구하는 것은 목으로만 노래하지 말고 몸통이나 머리의 울림을 사용하여 배음을 만들어 깊이 있고 부드러운 소리를 만들라는 요구를 하는 것이다.

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배음은 음을 풍요롭게 만들어 주고 미묘한 음색을 만들어 주며, 클래식 음악뿐만 아니라 모든 음악의 아름다운 하모니를 만들어 주는 중요한 요소인 것이다. 특히 모든 소리의 독특한 음색을 만들어 내는 것이 바로 배음인 것이다. 악기의 소리는 음의 발성 구조에 따라 현을 문질러서 소리를 내는지, 줄을 두드려서 소리를 내는지, 리드를 불어서 소리를 내든지 등 각각 고유한 발성법에 따라 소리의 특징이 정해진다. 그런데 그 발성법에는 반드시 악기의 울림이 만들어 내는 공명구조에 의한 배음에 의해 더욱 독특한 악기의 독특한 음색 특성을 가지게 된다. 같은 구조의 클라리넷과 오보에가 가지는 음색 특성은 관을 통해 울리는 배음에 의한 것이다.

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기본적인 음색, 주파수 대역, 사운드 스테이지 등 다양한 곳에 배음이 중요한 키포인트를 쥐고 있으며, "밝다, 어둡다, 실키하다, 푸석하다, 날카롭다, 부드럽다, 답답하다, 섬세하다, 뭉툭하다, 두텁다, 엷다, 공간감이 있다" 등등의 대부분의 악기나 오디오 음의 평가 용어들은 모두 배음이 기음과 합성되어 만들어내는 음의 특성을 표현하는 것이다.

 

(배음 그림 1)

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배음(Harmonic overtone)

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배음은 기음의 2차, 3차, ... 등의 정수배의 음을 말한다. 배음 중에 2차, 4차 ... 등 짝수차의 배음을 짝수차(우수차) 배음, 3차, 5차, ... 등 홀수 차의 배음을 홀수차(기수차) 배음이라 하며 같은 배음이라도 음에 미치는 영향은 많이 다르다. 배음의 차수는 음을 만들어내는 악기나 사람의 목소리를 내는 구조에 따라 어느 차수까지 만들어지는지는 그 특성에 따라 다 다르다. 같은 종류의 악기라도 악기의 만듦새나 구조와 연주하는 연주자의 연주 형태에 따라에 따라 배음의 구조가 달라지며, 어떤 악기는 25차수의 배음까지도 만들어진다. 배음은 기음으로부터 악기 등의 공명으로부터 만들어지며 연주할 때의 홀의 반사음도 배음으로 만들어진다.

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이 배음은 대부분 주파수에 관계없이 모든 주파수 대역에서 존재하나 배음의 차수가 올라갈수록 크기(음량)가 작아지며 기음에 대한 영향력이 줄어든다. 그러나 악기나 연주자의 연주 형태에 따라 낮은 차수보다 특정 차수의 배음이 커지기도 한다. 이 배음이 왜 중요하느냐 하면 모든 악기의 음색을 구별 짖는 악기 고유의 음색을 결정하는 것이 이 배음이다.

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예로 바이올린의 명기 스트라디바리우스와 일반 바이올린을 구별할 수 있도록 하는 것이 바로 이 배음이기 때문이다. 또한 연주자의 연주 형태에 따른 공유의 음을 만들어 내어 연주자의 공유한 음색을 만들어 주기 때문이다. 그런데 20 KHz 이상의 소리는 귀에 들리지도 않는다고 하는데 오디오에서 이 대역이 중요한 이유는 이 대역에 존재하는 배음 때문이다.

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그런데 전자적인 파형으로 만들어내는 전자악기나 신시사이저(synthesizer), 반주악기 같은 전자 음향 합성기 등으로 만들어내는 음에는 기음만 있고 배음이 없다. 대중음악은 대부분 스튜디오에서 멀티채널로 레코딩하는데 어쿠스틱 악기로 녹음하면 그 악기에 대한 배음은 포함되나 악기들이 어우러져 나오는 앰비언스나 홀톤 등은 레코딩 될 수 없는 구조이다.

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더구나 전자악기를 독립적으로 그대로 받아 레코딩하게 되면 배음이 존재하지 않기 때문에 당연히 배음도 레코딩 되지 않는다. 그래서 배음이 포함되지 않은 레코딩의 소리는 잡음이 없고 깨끗하기는 하지만 소리가 경질이고 부드럽거나 풍요롭지 못하다. 물론 전자악기에서 인공적인 배음을 추가할 수도 있으나 배음의 패턴은 일정하지 않고 주파수에 따라 끊임없이 변하기 때문에 자연스러운 배음과는 달리 인공적인 음이 될 수밖에 없다.

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음향 기술과 전자 기술의 발전이 비약적으로 이루어지면 DSP를 사용한 소리의 기술이 S/W와 결합하여, 실제 악기와 같은 자연스러운 배음을 인공적으로 합성하려고 노력하고 있지만 악기의 종류와 연주자의 연주 습관 그리고 연주 당시의 연주자의 컨디션에 따라서도 달라지는 배음을 고려한다면 연주로 만들어지는 고유의 배음은 인공적으로 만들어질 수 없는 고유의 특성이다.

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피아노를 비롯한 타악기, 현악기, 관악기 등 모든 어쿠스틱 악기는 공명 구조를 가지고 있어 공명으로부터 만들어지는 고유의 배음을 가지고 있다. 이러한 배음이 슈타인웨이와 뵈젠도르퍼 피아노와 일반 피아노의 음색을 구별할 수 있게 하며, 스트라디바리우스 바이올린과 과르네리 바이올린과 일반 바이올린의 음색을 구별할 수 있게 한다. 또한 배음은 같은 음을 내는 현악기와 관악기의 다른 음색을 만들어 내는 역할을 한다. 실제 악기의 음은 아래의 그림처럼 배음 성분이 기음에 합성되어 깃털처럼 복잡한 파형을 만들어 내며 고유의 특성을 표현한다. 배음이 많이 포함될수록 파형은 복잡해진다.

 

기음과 배음이 합성된 파형

오디오에서 배음의 중요성

 

오디오의 음 중에서 가장 중요한 음은 물론 기움입니다. 기음은 음의 크기가 크고 분명하기 때문에 기본이 잘 되어있는 기기이면 웬만하면 잘 녹음되고 잘 재생된다. 그러나 배음은 기음에 비해 크기가 작아 노이즈에 취약할 뿐만 아니라 기음과 달리 높은 주파수 대역에 존재할 수도 있다. 그러나 배음은 하이파이 오디오에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이제부터 배음이란 무엇이고 어떠한 역할을 하는지에 대해 알아보려고 합니다.

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배음은 단일음으로 구성되어 있는 기음과 달리 홀수차 배음과 짝수차 배음으로 구성되어 있다. 이 배음의 차수는 넓은 주파수 대역에 복수로 존재하며 기음과 함께 서로 어우러지며 사운드를 구성한다. 즉 배음은 기음의 2배, 3배, 4배 ... 등으로 배수배의 음으로 구성되어 있다. 배음의 크기는 일반적으로 차수가 커질수록 크기가 작아지나 일부 악기의 경우 2차 배음보다 4차나 5차의 배음이 더 크기가 큰 경우도 있으므로 음의 크기가 감쇄하는 비율이 일정하지는 않다.

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이 배음에 중 짝수차 배음은 소리를 부드럽고 따뜻하고 아름답고 조화롭게 만들어 주고 홀수 차 배음은 소리를 경질로 만들어 주는 것으로 알려져 있다. 짝수차 배음을 활용한 소리의 특성을 잘 활용하는 것이 진공관 앰프이다. 그러므로 재생의 관점에서 기음뿐만 아니라 배음을 잘 재생하는 것이 좋은 소리를 만들어 내는 좋은 방법이 될 수 있을 것이다.

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배음을 구성하고 있는 소리의 성분은 각 악기의 몸통 구조에서 만들어지는 음조의 소리를 아름답고 풍성하고 조화롭게 한다. 이러한 배음이 같은 음조를 연주하더라도 바이올린과 펠로, 콘트라베이스의 차이를 만들어 낼뿐만 아니라 현악기와 관악기, 그리고 타악기의 소리 차이를 만들어 낸다. 또한 바이올린에서 명기로 알려진 스트라디바리와 일반 바이올린의 소리를 결정하는 것이 바로 배음 성분이다. 기타의 연주 소리가 기타의 품질에 따라 다르고 전자 기타와 어쿠스틱 기타의 소리가 다른 것도 배음 성분이 다르기 때문이다.

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또한 클라리넷과 오보에, 바순의 소리가 다른 것도 배음 성분이 다르기 때문이며, 그랜드 피아노의 업라이트 피아노의 울림이 다른 이유도 피아노 몸체에서 울려 나오는 배음의 성분이 다르기 때문이며 이 배음의 성분이 뵈젠도르퍼나 슈타인웨이의 음색 차이를 만들어 내는 것이다. 이와 같이 악기의 배음이 그 악기의 고유 특성을 만들어 내며 기음과 어우러지며 악기의 소리를 풍요롭게 한다.

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그뿐만 아니라 연주회장의 반사와 분산에 의한 고유한 홀톤이나 독특한 음향을 만들어 내는 것이 바로 배음이다. 그러므로 배음의 영어명은 Harmonic overtone으로 기음을 조화롭게 만들어 주는 기음의 배수 차수의 음이다. 그러므로 소리나 음악을 듣는다는 것은 기음과 함께 어우러지는 배음을 함께 듣는 것이다. 그러나 전자악기로 만들어 내는 음은 어쿠스틱 악기와 같은 배음을 만들어 내는 공명 구조가 없기 때문에 배음이 없는 기음만 존재한다.

 

배음은 크기가 매우 작은 소리들이기 때문에 노이즈에 취약하다. 또한 배음이 존재하는 주파수 대역은 중고역에도 존재하나 대부분 높은 주파수 대역에 위치한다. 그러므로 배음을 잘 살려내면 전체적인 사운드가 섬세해지고 윤기가 있으며 특히 중음역이 충실하고 색채감이나 표현력이 생생해진다. 특히 음악의 미묘한 뉘앙스나 홀톤 등의 공기감을 잘 살려내어 음악의 맛이 살아난다. 그러므로 오디오의 좋은 사운드를 위해서는 배음의 역할이 매우 중요하다.