정의
물리적인 타악기나 2차원 이상의 발음체가 진동할 때 발생하는 Overtone (상음)들이 Fundamental Frequency - F0 (기본 주파수)의 정수배를 따르지 않고 불규칙한 Frequency - Hz (주파수) 비율을 띠며 복합적으로 울리는 물리적 형태다.
설명
18세기 후반 물리학자 에른스트 클라드니가 금속판에 모래를 뿌리고 활로 그어 진동 마디를 시각화한 실험에서 그 복잡한 수학적 패턴이 증명되었다. 현이나 관 내부의 1차원 공기 기둥은 파장이 정수배로 떨어지는 Harmonics (배음) 구조를 가지지만 타악기의 2차원 Membrane이나 3차원 금속은 고정 방식과 물리적 장력에 의해 파동이 굴절되고 반사된다. 이로 인해 Fundamental Frequency와 무관한 소수점 비율의 Inharmonics (비배음) 주파수들이 무수히 파생되어 고유의 차갑고 타격감 있는 질감을 형성한다. 현업 Audio 파이프라인에서는 이러한 비조화 성분들이 믹스 내부의 다른 악기들과 충돌하는 것을 막기 위해 Spectrum Analyzer를 띄워놓고 튀어나오는 특정 Resonance (공진)를 정밀하게 깎아내는 Tuning 과정을 반드시 거친다.
원리
- 2차원 파동 간섭 현상
Membrane이나 금속판 표면에서 발생한 에너지가 사방으로 퍼져나가다가 경계면에 부딪혀 반사될 때 정수배로 떨어지지 않는 복잡한 각도로 중첩되어 비조화 파동을 발생시킨다.
- Node 및 Antinode 불규칙 분배
진동하지 않는 정지점인 Node와 최대 진폭점인 Antinode가 기하학적 형태에 따라 다차원적인 패턴으로 분할되며 각 구획마다 고유한 독립적 주파수를 방사한다.
- 물리적 강성과 장력 비례
발음체의 두께 재질 밀도 그리고 표면에 가해지는 장력의 분포가 균일하지 않을수록 파동의 전달 속도가 부분적으로 달라져 Inharmonic 스펙트럼이 더욱 조밀하고 거칠게 형성된다.
- 1차원 Harmonic 구조 이탈
수학적으로 완벽한 배음 구조를 가진 현악기와 달리 물리적인 진동 특성 때문에 Fundamental Frequency의 1.5배 혹은 2.14배 같은 소수점 비율의 주파수 피크가 불규칙하게 생성된다.
구조
원형 Membrane의 진동 주파수 산출 구조식
예시
Snare Drum Resonance 제어
스네어 드럼 타격 시 원형 막의 가장자리와 중심부가 각기 다른 진동을 일으켜 Fundamental Frequency와 무관한 거친 Ringing 현상을 유발한다. 현업 Engineer는 드럼 헤드 테두리에 Dampener를 물리적으로 부착하여 불필요한 고주파 Inharmonic 에너지를 흡수하고 타격감만 간결하게 남긴다.
Cymbal Spectrum 믹싱
심벌즈는 타격 순간부터 수백 개의 비조화 모드가 동시에 폭발하며 Noise에 가까운 광대역 주파수를 쏟아낸다. 믹싱 단계에서 이 성분들이 보컬의 치찰음 대역이나 Synthesizer 의 고음역 트랜지언트를 덮어버리지 않도록 Equalizer를 사용하여 4000 Hz 이상의 튀는 피크를 찾아내어 하향 조정하는 파이프라인을 지킨다.
FM Synthesizer 금속음 타격 디자인
디지털 Audio 워크스테이션 환경에서 타악기 소리를 합성할 때 Carrier와 Modulator의 주파수 비율을 정수가 아닌 소수점 비율로 어긋나게 설정한다. 수학적인 연산 오류를 의도적으로 유발하여 현실의 3차원 발음체가 가지는 Inharmonic 진동 모드를 소프트웨어적으로 모방해내고 사실적인 충돌음을 창출한다.
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