악기


관악기

왼편의 그림은 파이프 오르간의 내부의 세로로 서 있는 관 들이다. 이 관들은 한쪽은 공기를 주입하기 위하여 열려 있고, 다른 쪽은 열려있는 것과 막혀 있는 것의 두 종류가 있다.

파이프 오르간과 같이 관 속에서의 음파공명을 이용한 악기관악기라 한다. 서양의 관악기는 목관악기, 금관악기로 분류한다. 목관악기는 목재를 재료로 해서 만들어진 관악기를 말하는 데 플루트, 피콜로는 지금은 거의 금속으로 만들지만 초기에 목재로 만들어졌기 때문에 목관악기라 한다. 금관악기로는 호른, 트럼펫, 트롬본, 튜바 등이 있고 목관악기와는 달리 리드(날라리)가 없어 입술에서 나오는 소리가 공명음을 만드는 원천이 된다.

국악에서의 관악기도 대금, 단소, 생황, 태평소, 퉁소 등 다양한 종류가 있다. 오른쪽 사진은 태평소인 데 이는 관이 내부 반경이 바깥쪽으로 갈수록 커지게 되어 있다. 넓은쪽 끝에는 구리로 만든 나팔을 붙여서 소리를 크고 방향성을 갖게 하였으며 좁은쪽에는 갈대로 만든 작은 리드를 꽂아 입에 물고 불게 하고 있다. 관대에 여덟 개의 구멍을 뚫어 구멍을 막고 여는 것을 조절하여 결과적으로 관 길이를 변화시키는 효과로 음 높이를 조절하고 있다.

모든 관악기의 한쪽은 뚫려져서 리드나 펌프질하는 공기 혹은 입속에서 내는 소리를 불어넣어 공명음을 유발시키게 되지만 나머지 한쪽이 막혀있는 경우와 열려 있는 경우로 나눌 수 있다.

양쪽이 열린 관의 공명

피리 등의 관악기는 아래 그림에서 볼 수 있는 것처럼 양쪽이 열린 관의 구조를 하고 있다. 양쪽이 열린 관속에서의 공명음은 열린쪽에서의 공기의 움직임이 가장 커지게 되는 배를 이루게 되는 데 이는 고정되지 않은 막대기가 진동할 때 가장자리에서 진동이 가장 크게 나타나는 것과 유사하다.

한편 관 내부에서의 음압의 파동을 생각한다면 열린 관의 가장자리는 대기와 노출되어 있기 때문에 음압이 0, 즉 압력이 대기압을 유지해야 한다. 따라서 두 가장자리가 마디를 이루어야 하여 앞의 현악기에서와 거의 같은 정상파를 만들것이다.

아래의 프로그램은 양쪽이 열려있는 관 내부에서의 공기의 움직임을 보여주는 데 효과를 높이기 위해 관의 폭을 크게 하여 나타내었다. 실제의 관악기에서는 관의 길이가 관의 폭에 비하여 훨씬 커서 세로방향의 공진은 무시할 수 있다.

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양쪽이 열린 관 내부의 정상파_ 양쪽이 열려있는 관 내부에서 형성되는 정상파를 보여주고 있다. 관의 바깥에 있는 푸른색의 수직평행선들은 대기로서 거의 1기압의 균일한 상태를 유지하고 있는 것을 보여준다. 따라서 관의 양쪽 가장자리는 대기에 노출되어 있기 때문에 1 기압을 유지하여야 하므로 현의 진동과 마찬가지로 음압은 0 으로 고정되어야 한다. 이 때문에 관의 양쪽이 음압으로 보아서는 마디가 되고 그 가운데를 (모드수-1) 만큼의 마디가 형성된다. 한편 공기분자의 변위로 파동량을 삼으면 열려있는 가장자리에서 가장 큰 값으로의 진동을 하게 되어 배를 형성하게 되고 그 중간에 모드수 만큼의 마디가 형성된다. 그림에서는 이 변위의 마디 붉은 마름모꼴 의 표시하였다. 주기적으로 외부의 공기가 유입되고 방출되는 것을 관찰할 수 있는 데 관 내부에서 노란 수직선은 관 속에서 공기의 정상파가 존재하지 않을 때부터 있던 공기를 나타내고 푸른색의 수직선은 외부의 공기를 나타낸다. 오른쪽 아래의 '모드'라고 표시한 슬라이더를 움직여서 모드를 1 ~ 10까지 변화시킬 수 있다.

한쪽이 열린 관의 공명

파이프 오르간중에서도 일부 기종은 관의 한쪽을 막아서 그 쪽에서의 공기의 움직임이 없어 변위로서의 음파마디를 이루게 한 것도 있다. 아래 프로그램을 운용해서 이러한 관악기 내부에서 형성되는 음파의 모양을 관찰해 보자. 여기서도 그림을 효율적으로 볼 수 있도록 실제의 관악기의 관의 폭보다 크게 나타내었다.

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한쪽이 열린 관 내부의 정상파_ 한쪽이 열려있는 관 내부에서 형성되는 정상파를 보여주고 있다. 관의 바깥에 있는 푸른색의 수직평행선들은 대기로서 거의 1기압의 균일한 상태를 유지하고 있는 것을 보여준다. 관의 열려있는 왼쪽 가장자리는 대기에 완전히 노출되어 있으므로 1 기압으로서 음압으로는 0 이 되어야 한다. 한편 막혀있는 오른쪽은 이동된 공기가 빠져나갈 수 없어 공기가 이동하지 않으며 따라서 압력은 최고 큰 범위로 변화될 수 있다. 따라서 양쪽이 열린 관과는 달리 열린 쪽의 음압의 파동량은 0 으로 되고 오른쪽은 배를 이르게 된다. 그리고 그 가운데를 (모드수-1) 만큼의 마디가 형성된다. 한편 공기분자의 변위로 파동량을 삼으면 열려있는 가장자리에서 가장 큰 값으로의 진동을 하게 되어 배를 형성하게 되고 막힌 쪽에서는 마디를 형성하게 된다. 그림에서는 이 변위의 마디 붉은 마름모꼴 의 표시하였다. 주기적으로 외부의 공기가 유입되고 방출되는 것을 관찰할 수 있는 데 관 내부에서 노란 수직선은 관 속에서 공기의 정상파가 존재하지 않을 때부터 있는 공기를 나타내고 푸른색의 수직선은 외부의 공기를 나타낸다. 오른쪽 아래의 '모드'라고 표시한 슬라이더를 움직여서 모드를 1 ~ 10까지 변화시킬 수 있다.


_ 파동량_ 정상파_ 음파_ 주기_ 진동_ 공명_ 마디



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