주파수 대역과 스펙트럼, 음향의 주기와 위상

스피커

 

반갑습니다. 저번 포스팅에서는 진폭과 라우드니스 그리고 주파수와 피치의 정의와 다양한 주파수의 진동음들에 대해서 다뤄 봤었습니다. 이번 포스팅에서는 주파수 대역(Frequency Band), 주파수 스펙트럼(Frequency Spectrum), 주기(Period), 위상(Phase)의 개념에 대해서 이야기해 볼까 합니다. 아직 음향학에 대해선 배우고 있는 단계이기 때문에 함께 배워간다는 마음으로 읽어 주시기 바랍니다.

 

1. 주파수 대역(Frequency Band)

현재 우리는 지구의 기후를 지역에 따라 열, 건조, 온대, 냉대, 한대 등으로 표기하는 것과 같이 악기의 음향 특성도 주파수의 대역에 따라 저음역, 중저음역, 중고음역, 고음역 등의 주파수 대역으로 나누어서 표시합니다. 각각의 대역의 특징들을 살펴보겠습니다. 먼저 저음역(Low Frequency Band, LF)란 저음 악기의 기본음이 포함된 대역입니다, 주파수의 범위는 30~350Hz 사이입니다. 다음으로 중저음역(Low-Mid Frequency Band, LMF)이란 저음 악기의 배음과 중음 악기의 기본음이 포함된 대역입니다, 범위는 350~800Hz 사이입니다. 중고음역(High-Mid Frequency Band, HMF)은 중음 악기의 기본음과 배음, 고음 악기의 기본음이 포함된 대역입니다, 범위는 800~4000Hz 사이입니다. 마지막으로 고음역(High Frequency Band, HF)로 고음 악기의 기본음과 배음이 포함된 대역입니다, 범위는 4000~20000Hz 입니다.

 

2. 주파수 스펙트럼(Frequency Specturm)

주파수 스펙트럼이란 음악 또는 악기에 포함된 음향 에너지를 주파수 별로 나타낸 것입니다. 리얼 타임 애널라이저(Real Time Analyzer, RTA) 또는 주파수 스펙트럼 애널라이저는 악기의 주파수 스펙트럼을 실시간으로 표시해주는 오디오 분석기입니다. 장비에 따라서는 저주파 대역부터 고주파 대역까지 다양한 형태의 모델들이 있습니다.

 

3. 주기(Period)

주기는 같 현상이 일정한 시간의 간격으로 반복되는 것을 뜻합니다. 단 하나의 주파수로 구성된 단음(Simple Tone)은 동일한 파형이 일정한 간격으로 반복되기 때문에 파형의 주기는 주파수에 반비례합니다. 파형의 주기란 해당 음의 파형이 한 번 진동할 때의 시간을 뜻합니다. 공식은 T=1/f 입니다, 여기서 T는 주기(ms), 1sec = 1000ms, f는 주파수(Hz) 입니다.

 

4. 위상(Phase)

위상은 한 주기 동안 신호의 진폭 변화를 각도로 나타낸 것입니다. 고층 아파트의 높이를 미터(meter)가 아닌 층(floor)으로 나타내면 쉽게 이해할 수 있듯이, 신호의 진폭 변화를 주파수가 아닌 위상으로 나타낸다면 다양한 면에서 편리합니다. 포지티브(Positive, +)와 네거티브(Negative, -)로 구분하여 나타냅니다. 포지티브 위상은 0~180도 사이의 진폭 변화입니다, 어떠한 주파수든 90도에서 파형의 최대 진폭이 발생합니다. 네거티브 위상은 180~360도 사이의 진폭 변화입니다, 이것 또한 주파수와는 관계없이 270도 또는 -90도 에서 최대 진폭이 발생합니다. 동상(In-phase)란 주파수가 같은 두개의 신호가 결합이 될 때 서로의 위상이 같다면 합성 레벨이 2배로 증가합니다. 역상(Out of Phase)란 주파수는 같은 두 개의 신호가 결합할 때 위상이 180도 차이가 난다면(Anti-phase) 합성 레벨이 제로(Zero)로 사라집니다. 위상 변이(Phase Shift)란 동상이나 역상이 아닌 30도, 90도, 110도 등으로 차이가 날 경우, 이 경우에는 신호의 레벨보다 음색이 심하게 변하게 됩니다. 이러한 현상을 위상 변이에 따른 음질 또는 음색 변화라고 합니다. 이러한 현상은 특히 마이크를 많이 사용하는 드럼키트 혹은 반사음이 심한 장소에서 자주 나타납니다.