소리의 반사와 흡수

300~600 Hz 이상의 음정을 가진, 파장이 짧은 소리들은 회절이 잘 일어나지 않으므로 빛살과 같이 직진성이 강합니다. 그러므로 벽이 소리를 반사하고 흡수한다는 성질을 고려해야 합니다. 물론 파장이 긴 소리들이 만드는 정재파도 소리의 반사 때문에 일어나는 것이지만 정재파는 온 방의 공기가 한 패턴으로 진동하는 광범위한 현상이지만 짧은 파장의 소리는 이와 달리 스피커에서 나온 소리가 어떤 경로를 통해 듣는 사람의 귀에 도달하는지가 중요한 비교적 국소적인 현상이라고 생각할 수 있습니다. 다음 그림은 스피커에서 발생한 소리가 귀에 도달하는 경로들을 나타낸 것입니다.

목욕탕 같이 온 벽이 모두 단단한 타일로 되어있는 곳에 들어가서 그 속에서 소리를 내면 그 소리가 보통 방에서 내는 소리와 아주 다르게 들립니다. 소리의 파동은 단단한 면에 부딪히면 손실이 적게 반사됩니다. 반면에 부드럽고 쿠션이 있는 면에 부딪히면 큰 부분이 흡수되어 반사되는 파동은 부딪힌 파동에 비하여 에너지가 많이 떨어집니다. 그러므로 목욕탕과 같이 타일벽으로 되어있는 방에서는 한번 발생한 소리가 여러번 반사가 일어날 때까지 소멸되지 않습니다. 이런 경향이 강한 방을 음향적으로 live한 방이라고 합니다. 반면에 흡음재로 도배되어 있고 두껍고 큰 커튼이 쳐져 있고 부드럽고 쿠션있는 가구들이 많이 들어있고 털이 긴 카페트가 깔려있는 방에서는 발생한 소리의 지속시간이 대단히 짧습니다. 이런 방을 음향적으로 dead한 방이라고 합니다.
다음의 표는 벽면의 재료에 따라, 진동수에 따라 소리의 에너지 흡수율이 어떻게 다른지 보여 줍니다. 분홍색 줄은 전 대역에 걸쳐 흡수율이 낮은 재료를 모았으며, 푸른 줄에는 고음을 잘 흡수하는 재료, 노란 줄에는 저역을 비교적 잘 흡수하는 재료를 모았습니다.

	진동수 (Hz)
재료	125	250	500	1000	2000	4000
유약 안바른 벽돌	0.03	0.03	0.03	0.04	0.05	0.07
페인트 칠한 벽돌	0.01	0.01	0.02	0.02	0.02	0.03
대리석과 광택 타일	0.01	0.01	0.01	0.01	0.02	0.02
리놀륨, 콜크, 고무 바닥	0.02	0.03	0.03	0.03	0.03	0.02
콘크리트에 접착된 쪽마루	0.04	0.04	0.07	0.06	0.06	0.07
콘크리트 벽, 바닥	0.01	0.01	0.15	0.02	0.02	0.02
콘크리트 위에 깐 카페트	0.02	0.06	0.14	0.37	0.60	0.65
스폰지 패드 위에 깐 카페트	0.08	0.24	0.57	0.69	0.71	0.73
얇은 커튼	0.03	0.04	0.11	0.17	0.24	0.35
두꺼운 커튼	0.14	0.35	0.55	0.72	0.70	0.65
콘크리트에 바른 얇은 비로드 천	0.03	0.04	0.11	0.17	0.24	0.35
거칠은 콘크리트 벽돌	0.36	0.44	0.31	0.29	0.39	0.25
페인트 바른 콘크리트 벽돌	0.10	0.05	0.06	0.07	0.09	0.08
합판 패널(뒷면 공간)	0.28	0.22	0.17	0.09	0.10	0.11
석고보드 패널(뒷면 공간)	0.29	0.10	0.05	0.04	0.07	0.09
보통 유리창	0.35	0.25	0.18	0.12	0.07	0.04
두꺼운 대형 유리창	0.18	0.06	0.04	0.03	0.02	0.02
목재 마루 바닥	0.15	0.11	0.10	0.07	0.06	0.07

우리나라 가정의 벽은 대부분 벽지 바른 콘크리트거나 벽지바른 석고보드 패널입니다. 벽지의 재질에 따라 높은 진동수의 흡수율이 차이가 나지만 대채로 위의 표에 있는 페인트 바른 콘크리트 벽돌이나 석고패널의 특성과 비슷할 것입니다. 벽지바른 콘크리트 이 표에서 푸른 줄에 있는 재료들은 높은 진동수의 소리를 잘 흡수하고 낮은 진동수의 소리는 잘 흡수하지 못합니다. 노란 줄에 있는 재료들은 그 반대의 특성을 가지고 있습니다. 합판 패널 같은 것은 그 자신이 휘기쉬우므로 낮은 진동수의 소리를 받아 자신이 직접 진동하므로써 그 진동수의 소리를 약화 시킬 수 있습니다. (소리 에너지가 합판의 진동에너지로 변하는 과정에서 큰 에너지 손실이 생깁니다.) 그러나 합판 자신이 진동하면서 흡수한 소리의 진동수 이외의 다른 진동수를 가진 소리를 내므로 원치않는 잡음을 내계됩니다. 그러므로 합판 패녈은 진동수가 낮은 대역의 정재파를 콘트롤할 수는 있지만 별로 권할만한 재료는 아닙니다. 우리나라 아파트의 천장은 대개 합판 패널인데 음향적으로는 별로 바람직하지 않습니다. 합판을 사용하는 경우는 합판 뒤에 각목들을 보다 촘촘히 대서 진동을 방지하는 것이 좋을 것입니다. 아파트의 거실에 설치된 대형 유리창도 합판 패널이나 석고보드와 같이 저음 공진을 약화시키고 잡음을 낼 수 있습니다.

스피커에서 직접 나오는 소리만 듣고 벽에서 반사되어 나오는 소리는 듣지 않는 것이 좋다고 생각한다면 완전히 dead한 방이 이상적입니다. 완전히 dead한 방에 가까운 것은 스피커 회사에서 스피커의 기술적 특성을 측정할 때 사용하는 무향실(無響室, anechoic chamber)입니다. 무향실의 벽과 바닥은 부드러운 재료로 울퉁 불퉁하게 만들어져서 정재파나 반사음이 거의 생기지 않습니다.
무향실과 같은 곳에 스피커를 놓고 들으면 방의 음향 특성에 영향을 받지 않고 레코드에 담긴 소리를 그대로 들을 수 있으니 이상적인 것이 아닐까하는 질문을 할 수 있습니다. 이 질문은 꽤 일리가 있는 것입니다. 레코드에 담겨있는 소리에는 악기에서 직접 마이크로폰에 도달한 소리만 있는 것이 아니라 악기에서 나와 레코딩한 실내의 벽이나 바닥에서 반사된 소리도 들어있습니다. 반사된 음은 직접들어온 소리보다 긴 거리를 여행해야 하므로 마이크로폰에 늦게 도달합니다. 그런데 시간차이가 그리 길지 않으니 우리가 메아리 처럼 따로 분리된 소리로 느끼지 않을 뿐입니다. 이렇게 직접음이 나온후 이어져 나오는 반사음들을 잔향(殘響, reverberation) 이라고 합니다. 이러한 잔향을 듣고 우리는 연주회장의 크기를 느끼게 됩니다. 넓은 연주회장에서 녹음된 클래식 음악 레코드의 경우 반사음은 직접음보다 아주 먼거리를 여행하는 것도 있으므로 잔향의 시간 지연이 큽니다. 음악 연주에서 잔향은 큰 역할을 합니다. 연주자도 이 잔향을 들으면서 연주하기 때문에 연주회장의 잔향 특성에 따라 연주 스타일까지 바뀔 수 있습니다. 어쨌든 직접음이든지 잔향이든지 레코드에 담긴 소리만 고스란히 들고 내 방의 벽에서 들리는 반사음은 안듣는게 좋겠다고 생각할 수 있습니다. 실제로 이러한 시도를 한 오디오 회사나 레코드 회사가 있었습니다. 일본의 Denon의 기술자들이 시도한 것으로 기억하는데 그 사람들은 무향실에 멀티채널 오디오 시스템을 구성하여 일반 스테레오 셋업에 덧붙여 잔향을 내는 스피커들을 청취자 주변에 설치하고 이러한 목적을 위하여 만든 레코드를 플레이하는 방식을 사용하였습니다. 그결과는 대단히 만족스러웠다고 합니다. 그렇지만 이러한 시스템을 일반 가정에 보급한다는 것은 흥미있는 시도이지만 상업적으로 성공하기에는 거의 불가능한 것입니다.

우리가 가진 레코드들은 레코딩 기술자들이 레코딩 스투디오의 모니터 스피커에서 나오는 소리를 기준으로 조정하여 만든 것들입니다. 그러므로 레코딩 스투디오에서 가장 그럴듯하게 소리가 나게끔 만든 것입니다. 레코딩 스투디오는 대부분 무향실이 아니고 우리의 가정 실내처럼 벽면이나 바닥, 천장이 어느 정도 소리를 반사, 흡수하도록 되어있습니다. 다시 말하자면 우리가 가진 대부분의 레코드는 레코드에 녹음된 잔향뿐 아니라 스피커가 놓인 실내의 잔향도 같이 들을 때 가장 듣기 좋게 녹음된 것입니다. 그러므로 보통의 레코드를 무향실에서 재생시키면 아주 부자연 스러운 소리가 날 수 밖에 없습니다. 따라서 실내에 극단적인 흡음 처리를 하는 것은 바람직하지 않습니다. 흡음과 반사의 비율을 어느 정도로 하는 것이 좋겠는가 하는 것은 실내의 규격과 듣는 사람의 취향에 따라 다릅니다.

Olive와 Toole의 실험

여기서 반사음 또는 잔향을 조정하는데 도움이 되는 실험을 한가지 소개하겠습니다. NRC(National Research Council of Canada)의 Sean Olive와 Floyd Toole이 행한 실험인데 잔향에 대하여 매우 의미깊은 내용입니다. 다음 그림은 실험의 구성을 보여주는 것입니다.

이 실험은 전혀 소리의 반사가 없는 무향실에서 한 것입니다. 여기서 speaker 1 에는 원래의 음악 신호가 들어가고 speaker 2에는 원래 신호보다 시간이 지연된(delayed) 신호가 들어가는 것입니다. speaker 1 은 듣는 사람의 정면에 위치하고 speaker 2는 정면으로 부터 옆으로 위치하여 두 스피커 사이에 각도를 줍니다. 이런 실험 구성을 한 후 speaker 2 에 들어가는 신호의 크기, 지연 시간, 스피커 사이의 각도를 조절하여 듣는 사람의 느낌이 어떻게 변하는가를 알아봅니다. 실험 결과를 요약하면 다음과 같습니다. 지연 시간을 한가지로 고정하고 speaker 2 의 소리 크기를 0 에서부터 점점 크게하면 어느 시점에서 소리가 달라지는 것을 느끼기 시작합니다. 이 시점의 speaker 2 소리 크기를 가청 문턱(threshold of audibility)이라고 부릅니다. 이 가청 문턱을 넘어서 speaker 2 소리 크기를 점점 더 키우면 소리의 펼쳐짐(spaciousness)이 느껴집니다. 이때는 무향실이 보통의 방처럼 느껴지기 시작합니다. 소리 크기를 키울수록 펼쳐짐의 느낌이 점점 더 강해집니다. 가청 문턱보다 10dB 정도 더 커지면 두번째 문턱에 도달합니다. 두번째 문턱부터는 소리 소스의 위치가 옮겨진 것으로 느껴집니다. 소리의 펼쳐짐은 여전합니다. 이보다 소리 크기를 더 올리면 세번째 문턱에 도달하는데 이때부터는 speaker 2의 소리가 메아리(echo) 처럼 들립니다. 그래서 이러한 실험을 해보면 speaker 2 소리의 크기를 점점 키워가면 그 크기에 따라 3 가지 구별되는 느낌을 받습니다. 아주 작을 때는 소리의 펼쳐짐이 느껴지고 어느 정도 커지면 소리 소스의 위치가 변한 것처럼 느껴지고 더 커지면 메아리처럼 들린다는 것입니다. 그런데 지연 시간을 달리해보면 이 세가지 문턱의 위치가 변합니다. 지연 시간이 아주 길면 이 세가지 문턱의 소리 크기가 훨씬 작아집니다. 예를 들면 지연 시간이 길면 전보다 훨씬 낮은 레벨에서 메아리가 느껴집니다. 이러한 현상은 두 스피커 사이의 각도와는 별로 상관이 없었습니다. 그리고 스피커 2와 스피커 1 사이를 옆으로 벌리든지 위아래로 벌리든지 관계없었습니다. 다만 두 스피커를 같은 곳에 놓았을 때는 각 문턱의 크기가 5~10 dB 정도 높았습니다. 두 스피커를 같은 곳에 놓았을 때는 speaker 2 의 효과가 훨씬 감소된다는 것입니다.

이 실험에서 speaker 2의 역할은 벽으로부터 반사된 소리와 똑같습니다. 반사된 소리는 스피커에서 직접 귀에 들어온 소리보다 진행 경로가 길므로 시간이 지연됩니다. 그리고 진행 경로가 길고 벽에서 흡수가 일어나므로 직접음보다 소리의 크기가 작습니다. 반사된 소리의 지연시간은 스피커와 옆벽 사이의 거리를 조절해서 바꿀수 있으며 반사된 소리의 크기는 반사되는 지점의 재료를 바꾸어 조절할 수 있습니다. 이 두가지를 잘 조절하면 Olive와 Toole의 실험 결과의 첫번째 문턱과 3 번째 문턱 사이에서 느끼는 소리의 펼쳐짐 효과를 얻을 수 있을 것입니다. 스피커와 듣는 사람의 거리를 D_d라고 하고 반사된 소리의 경로의 길이를 D_r라고 하면 반사된 소리의 레벨은 스피커의 직접음보다 20 LOG ( D_r / D_d ) dB만큼 낮습니다. 그리고 반사지점의 소리 에너지 흡수율을 K라고 하면 한번 반사될 때 -10 LOG(1-K) dB 만큼 소리의 에너지가 작아집니다. 그리고 지연 시간은 ( D_r - D_d ) / 340 초가 됩니다. 예를 들어 계산을 한번 해봅시다. D_d= 3 m, D_r= 10 m이면 지연시간은 (10-3)/340=0.02 초 = 20 mS가 됩니다. 거리차이로 반사음은 20 LOG(10/3)=10.4 dB 낮아집니다. 이 반사가 흡수율 0.2의 벽면에서 일어났다면 반사될 때 -10 LOG (1-0.2)= 0.96dB 의 레벨이 감소하여 반사된 소리의 크기는 직접음보다 10.4+0.96=11.4 dB 만큼 낮을 것입니다. 그렇다면 아래의 그래프에서 보면 20 mS의 시간지연에 대하여 11.4 dB는 두번째 문턱과 첫번째 문턱 사이에 있으므로 spacious sound의 범위에 들게됩니다. 이런 식으로 스피커와 벽사이의 거리와 반사 지점의 재료를 적절히 조절하면 원하는 소리를 얻을 수 있습니다. 그런데 한 벽면만 조절하는 것이 편하므로 천장이나 바닥을 흡음 처리하고 양쪽 벽만 반사에 사용하는 것이 좋습니다. 흡음 처리를 할 때 모든 천장면이나 바닥면을 할 필요는 없습니다. 반사되는 지점, 즉 스피커와 듣는 위치의 중간 지점에만 흡음 처리를 하면 됩니다. 그리고 양쪽 벽면의 반사지점에는 여러가지 재료를 시험하여 가장 좋은 것을 고르면 됩니다. 스피커가 놓인 벽면은 스피커 근처에만 흡음 처리를 하고 듣는 사람이 뒷쪽 벽에 다가서 앉아 있다면 머리 근처의 벽면만 흡음처리 하면 됩니다. 처리되는 면적은 그다지 클 필요가 없이 가로 세로의 크기가 50-100 cm 정도면 충분할 것입니다. 왜냐하면 반사를 중요하게 생각하기 시작해야하는 진동수 300 Hz의 소리 파장이 약 1 m 이기 때문입니다. 스피커 뒷벽의 경우는 스피커보다 좌우 위아래로 50cm 정도 큰 면적을 처리하시면 됩니다.
다음은 Olive와 Toole의 실험 결과를 나타낸 그래프입니다. 계산을 하실 때 참고하십시요.

한참 읽었는데 도대체 뭘 어떻게 하라는 것인지 확실히 모르겠다. 이벽에는 이런 것을 붙이고, 소파는 여기에 놓고, 스피커는 여기 놓고, 너는 여기에 앉아 듣거라.....뭐 이렇게 확실하게 말할 수 없나요????하는 질문을 하실지도 모르겠습니다. 집집마다 상황이 다 다르고 취향도 모두 다른 사람들인데 여기에 정답이 있겠습니까? 다만 위에 말씀드린 것들을 참고하셔서 각자 실험을 해보시고 혼자 사는 집이 아니라면 같이 사시는 분들의 의견도 존중해서 잘 꾸며보십시요. 음악을 듣는 데는 음향뿐아니라 분위기도 중요한데 음질 향상만 생각하다가 벽에다 이부자리를 붙여놓는다든지 이상하게 생긴 칸막이를 버텨놓으면 음향적으로는 좋아질지는 몰라도 그 소리가 좋게 느껴지지 않을 것입니다. 스피커를 놓은 위치도 중요한 것인데 이에 대한 설명은 오디오 기기-스피커 편에 소개하도록 하겠습니다.

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