고조파

3. 음악 및 음향학

대부분의 음향 악기는 여러 부분음(단순음 또는 정현파)을 포함하는 복합음을 방출하지만, 훈련받지 않은 귀는 이를 별개의 현상으로 인식하지 못하고 하나의 소리, 즉 음색으로 인식한다. 사람의 목소리나 활로 켜는 바이올린과 같은 악기들은 주기 함수 형태의 복합음을 생성하며, 이는 기본 주파수의 정수배에 가까운 부분음들로 구성되어 '조화 부분음' 또는 '배음'이라고 불린다.^[2]

기타 현이나 양 끝이 열린 플루트와 같은 1차원 공명기는 조화 부분음을 생성한다. 트럼펫이나 클라리넷처럼 한쪽 끝만 열린 관악기도 배음과 유사한 부분음을 생성하지만, 이론적으로는 홀수 배음에만 일치한다. 실제 악기는 비선형 음향 탄성 등 여러 요인으로 인해 정수가 아닌 부분음을 갖기도 한다.

기본 주파수의 정수배가 아닌 부분음은 비화성 부분음이라고 한다. 피아노, 피치카토 주법의 현악기, 비브라폰, 마림바 등은 조화 및 비화성 부분음이 혼합되어 특정 기본 음고를 인식하게 한다. 반면 심벌즈, 드럼 등은 비화성 부분음이 많아 특정한 음고를 느끼기 어렵다.^[3][4]

세타레스의 연구를 바탕으로,^[5] 역동적 음조성은 유사 정음 튜닝에서 각 부분음의 주파수를 해당 음표의 음고에 맞춰 유사 조화 음색의 협화음을 최대화하는 유사 조화 부분음 개념을 도입했다.^[6][7][8][9]

순정율 체계는 고조파를 기반으로 사용될 수 있다. 아놀드 드레이블라트는 개조된 더블베이스의 단현에서 활을 이용한 독특한 기법으로 다양한 고조파를 만들어냈고, 로렌스 볼은 전자 음악 생성에 고조파를 활용했다.

3. 1. 특징

주파수	순서	이름 1	이름 2	이름 3	정상파 표현	종파 표현
1 × f = 440 Hz	n = 1	1번째 부분음	기음	1번째 배음
2 × f = 880 Hz	n = 2	2번째 부분음	1번째 배음	2번째 배음
3 × f = 1320 Hz	n = 3	3번째 부분음	2번째 배음	3번째 배음
4 × f = 1760 Hz	n = 4	4번째 부분음	3번째 배음	4번째 배음

많은 악기에서 기본음이 없어도 상위 배음을 연주하는 것이 가능하다. 관악기에서는 ''오버블로잉''이라는 확장 기법을 사용하여 더 높은 음을 얻거나 다중음을 연주하여 배음을 생성한다. 현악기에서는 배음 또는 ''플라젤렛''이라고 불리는 매우 맑은 소리를 생성할 수 있다.

3. 2. 현악기의 고조파

더블 베이스를 제외하고는 다섯 번째 부분음보다 높은 자연 하모닉스를 사용하는 경우는 드물다.^[12]

인공 배음은 이미 짚어진 현에서 배음을 연주하여 만들 수 있다. 연주 기법은 지판에서 두 손가락을 사용하는 것이다. 첫 번째 손가락은 현을 줄여 원하는 기본음을 만들고, 두 번째 손가락은 적절한 배음에 해당하는 마디를 터치한다.

3. 3. 배음 창법

4. 전기공학

전기공학에서 고조파는 전원 주파수의 정수배로 발생하며, EMI의 발생원이 된다. 평활 콘덴서를 사용한 DC 전원 회로, 인버터 등에서 사용되는 PWM 스위칭 회로는 파형을 왜곡시킨다. 왜곡된 파형은 전원 주파수의 정수배로 노이즈를 발생시킨다. 이 노이즈는 전원의 역률을 저하시키고, 전자 회로의 오작동이나 정전을 일으킬 수 있기 때문에, 기술 기준에 의해 규제되고 있다. 전원 선로의 중성선(N)은 대지로의 귀선(리턴 패스)이지만, 무효 전력인 고조파 성분을 대지로 되돌리는 역할도 한다.

5. 무선공학

무선 공학에서는 무선기에서 송신하는 전파에 섞이는 목적 신호 이외의 성분(주로 고조파 및 저조파)을 스퓨리어스라고 부른다.^[1] 스퓨리어스의 강도는 전파법에 의해 제한되며, 일반적으로 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정한다.^[1]

무선 통신 등의 발진 회로에서 필요한 주파수의 1/n의 기본파(원 발진, 줄여서 원발)에서 의도적으로 왜곡 특성을 가진 회로를 통과시켜 고조파로서 목적 주파수의 신호를 발생시키는 것을 '''(주파수) 체배'''((frequency) multiplication)라고 한다. PLL에 의해 n배의 주파수 신호를 얻는 것도 체배라고 한다.

6. 기계공학

기계공학에서 평기어나 직선 래핑 기어는 물림 진동(회전수 × 잇수) 외에 고조파가 발생한다. 이를 줄이기 위해 평기어는 사선 톱니 기어나 산형 톱니 기어를 사용하고, 래핑 기어는 사선 래핑 기어나 곡선 래핑 기어, 하이포이드 기어를 사용한다.^[16] 톱니에 손상이 있는 경우에는 회전수에 의존하는 큰 진동과 그 고조파가 이상 진동으로 발생할 수 있다.^[16] 증기 기관이나 내연 기관 등 링크 기구에서는 지지부가 링크의 진동과 공진하여 고조파가 발생하거나, 고속 회전체에서도 축 주위에서 공진하여 고조파가 나올 수 있다.^[16]

7. 대조어

어떤 주파수 성분을 가진 파동에 대해, 그 정수분의 1의 주파수 성분(예: 기본 주파수의 1/2, 1/3, 1/4 ... 주파수)을 저조파라고 한다.

참조

_[1] 간행물 Russell Walker http://dx.doi.org/10[...] Institute for Operations Research and the Management Sciences 2020-12-21
_[2] site sub-index & mini-bio for Scholz Category:Scholz, Richard https://imslp.org/wi[...] 2020-12-21
_[3] 간행물 Large grand and small upright pianos http://www.acoustics[...] Acoustical Society of America 2024-01-13
_[4] book review "''Golo und Genovefa'' {{grey|[by]}} Hanna Rademacher" 1927-04
_[5] 서적 Tuning, Timbre, Spectrum, Scale https://books.google[...] Springer
_[6] 학술지 Spectral tools for dynamic tonality and audio morphing http://muse.jhu.edu/[...] 2009-09-20
_[7] 학술지 Tuning continua and keyboard layouts http://oro.open.ac.u[...] 2008-08-29
_[8] 학술지 Invariant fingerings across a tuning continuum http://oro.open.ac.u[...] 2007-Winter
_[9] 보고서 X System http://oro.open.ac.u[...] Thumtronics Inc. 2020-05-02
_[10] 간행물 https://www.its.bldr[...]
_[11] 웹사이트 Free Online Games for Kids http://doi.org/10.40[...] 2020-12-21
_[12] 사전 Oxford University Press 2020-12-21
_[13] 문서 https://www.hioki.co[...]
_[14] 문서 https://www.emc-ohta[...]
_[15] 문서 https://catalog.club[...]
_[16] 웹사이트 振動の世界 東京文映製作 - YouTube https://www.youtube.[...] 2020-12-16