관악기

3. 소리 생성 원리

관악기는 길다란 파이프 속 공기 기둥(기주)에 정상파를 일으켜 소리를 낸다. 관악기는 파이프 양쪽 끝이 외부 공기와 통해 있는 양단개구(兩端開口) 형태이며, 열린 끝 부분에서 공기 분자가 진동하기 쉬워 정상파의 배(腹) 부분을 맡는다. 정확히는 안지름(내경, 內徑) d인 파이프에서 배의 위치는 관 끝에서 약 0.3d 떨어진 곳에 있다.^[17]

관악기 소리 생성은 공명실(공명기)에 연결된 유량 제어 밸브로 공기가 유입되며 시작된다. 공명기는 보통 한쪽 끝이 열린 긴 원통형이나 원뿔형 관이다. 밸브에서 나온 고압 펄스는 음속으로 관을 따라 이동하고, 열린 끝에서 저압 반사 펄스로 반사된다. 적절한 조건에서 밸브는 에너지가 증가된 펄스를 다시 반사하여 관 내부에 정상파가 형성될 때까지 반복한다.

일반적으로 관악기는 "호흡 등 공기의 흐름에 의해 발음하는 악기 중 적어도 한쪽 끝이 막히지 않은 관 속 공기의 진동을 이용해 소리를 내는 악기의 총칭"으로 설명되지만, 이는 명백한 오류이다.

"관"이라는 글자는 단순히 악기 공진계의 형태를 나타낼 뿐, 관 모양이 아닌 관악기나 공진계를 갖지 않은 관악기도 존재한다. 정확하게는 "적어도 1개의 개구부를 가진 공동(空洞)을 향해 불어넣어진 기체의 흐름에 의해 발생하는 진동을 이용하여 소리를 내는 악기의 총칭"으로 정의해야 한다.

"관악기"에 대응하는 인도유럽어는 영어로는 "Wind instrument(바람 악기, 숨 악기)", 독일어로는 "Blasinstrument(부는 악기)", 프랑스어로는 "Instrument à vent(바람 악기)"이므로, "관" 모양일 필요는 전혀 없다. 이는 완전한 오역^[15]이며, "오카리나는 관악기가 아니다"라는 오해를 낳는 근원이 되고 있다. 일부 문헌에서는 "관악기"라는 표현을 피하고 독일어에 준하여 "취주악기"라고 표기하기도 하는데,^[16] 이쪽이 명백히 적절한 번역이다. 오르간은 관악기로 분류되지만, 연주자 숨이 아닌 기계로 취주된다.

관악기는 목관악기와 금관악기로 나뉜다. 과거에는 악기 재질로 구분했지만, 현재는 발음 원리에 따라 입술 진동으로 소리를 내는 것을 금관악기, 그 외 관악기를 목관악기로 분류한다. 따라서 오늘날 플루트는 대부분 금속으로 만들어져 있음에도 목관악기로 분류되는 등, 이름과 실제 악기 분류가 일치하지 않는 경우가 있다.

불어넣은 공기로 인해 악기, 인체 일부, 또는 공기 자체가 진동하여 진동원이 된다. 발생한 진동에 대해 악기 공동 내부 공기가 공명하여 소리가 발생한다. 공동은 관 모양일 필요는 없으며, 하모니카처럼 공명계를 갖지 않는 악기도 있다. 오카리나는 관 모양이 아니고, 불규칙한 형태 내부 공간 공기가 공명하여 소리가 발생한다.

3. 1. 진동 방식

• 밸브(회전 밸브, 피스톤 밸브)를 사용해 추가 관을 통해 공기를 보내 전체 관 길이를 늘리고 기본 음높이를 낮춘다. 이 방법은 거의 모든 금관악기에 사용된다.
• 슬라이드 메커니즘을 사용하여 관을 길게하거나 짧게 한다. 이 방법은 트롬본과 슬라이드 휘슬에 사용된다.
• 관 측면 구멍을 열거나 닫아 진동수를 바꾼다. 손가락으로 구멍을 막거나 키를 눌러 닫는 방식으로, 거의 모든 목관악기에 사용된다.
• 공기 기둥 길이를 바꾸지 않고 다른 배음으로 공기 기둥을 진동시키는 방법(자연호른 및 배음렬 참조)도 있다.

• '''리드''' 악기(클라리넷, 오보에 등): 마우스피스에 유연한 리드가 있어 압력 제어 밸브를 형성한다. 챔버 내부 압력이 증가하면 리드에 걸리는 압력 차이가 감소, 리드가 더 열려 공기 흐름이 증가한다.^[2][3] 공기 흐름 증가는 내부 압력을 더 높여, 마우스피스에 도달하는 고압 펄스는 더 높은 압력 펄스로 관 아래로 반사된다. 관 내부 정상파는 4분의 1파장 홀수 배수,^[4] 마우스피스에는 압력 배마디, 열린 끝에는 압력 마디가 있다. 리드는 공명기에 의해 결정되는 속도로 진동한다.

• '''입술 리드'''(금관악기): 연주자는 입술 긴장을 조절하여 공기 흐름 영향으로 진동하게 한다.^[5][6] 마우스피스에 저압 펄스가 도착했을 때 입술이 가장 닫히고 공기 흐름이 가장 낮아지도록 진동을 조절, 관 아래로 저압 펄스를 반사한다. 관 내부 정상파는 4분의 1파장 홀수 배수, 마우스피스에는 압력 배마디, 열린 끝에는 압력 마디가 있다.

• '''에어 리드'''(플루트, 피플 플루트): 관 구멍(입) 위로 흐르는 얇은 공기 시트(평면 제트)가 날카로운 가장자리(라비움)와 상호 작용하여 소리를 생성한다.^[7] 제트는 연주자가 얇은 슬릿(플루)을 통해 불 때 생성된다. 리코더와 플루트 오르간 파이프는 슬릿이 악기 제작자가 제작, 고정 형태를 갖는다. 트랜스버스 플루트나 팬 플루트는 슬릿이 연주자 입술 사이에 형성된다.

• 리드/입술 리드 악기: 220Hz(A3), 660Hz(E5), 1100Hz(C#6).
• 에어 리드 악기: 440Hz(A4), 880Hz(A5), 1320Hz(E6).

• 싱글리드(단簧): 얇은 판 하나(리드)에 공기를 불어넣으면, 악기 일부에 부딪혀 되돌아오면서 진동한다. 클라리넷 계열, 색소폰 계열.
• 더블리드(복簧): 두 장 리드를 맞대고 그 사이로 공기를 불어넣으면, 리드가 서로 부딪혀 되돌아오면서 진동한다. 오보에 계열, 파고트 계열,
• 프리리드(자유簧): 자유롭게 진동하는 얇은 판에 공기를 불어넣어 진동시킨다. 하모니카, 리드오르간,
• 에어리드(무簧): 불어넣은 공기 자체가 리드가 되어 진동한다. 즉, 눈에 보이는 리드는 없다. 공기 묶음(에어빔)을 악기 모서리(에지)에 대면 공기 흐름에 흐트러짐이 생기고, 이것이 진동원이 된다. 플루트 계열, 리코더, 尺八, 샤쿠하치.
• 립리드(입술簧): 입술을 살짝 맞대고 그 사이로 숨을 내쉬면 입술이 진동한다. 여기에 악기 취구를 댄다. 트럼펫, 호른,

3. 2. 개관과 폐관

• 개관의 경우: 관 길이의 4배의 짝수 분의 1 (관 길이의 2배의 정수 분의 1)
• 폐관의 경우: 관 길이의 4배의 홀수 분의 1

• 개관의 경우：　　$\backslash lambda\backslash !\; =\; \{2l\; \backslash over\; n\}$　，　$\backslash mathbf\{f\}\; =\; \{nv\; \backslash over\; 2l\}$　　　(n = 1 이상의 정수)

• 폐관의 경우：　　$\backslash lambda\backslash !\; =\; \{4l\; \backslash over\; o\}$　，　$\backslash mathbf\{f\}\; =\; \{ov\; \backslash over\; 4l\}$　　　(o = 1 이상의 홀수)

3. 3. 음높이 조절

• 여러 길이의 관을 사용하여 다른 음높이를 연주 (예: 파나플루트). 여러 음을 동시에 연주할 수 있다.
• 밸브(회전 밸브, 피스톤 밸브)를 사용하여 추가 관을 통해 공기를 보내 전체 관의 길이를 늘리고 기본 음높이를 낮춘다. 거의 모든 금관 악기에 사용된다.
• 슬라이드 메커니즘을 사용하여 관을 길게하거나 짧게 하여 진동하는 공기 기둥의 길이를 바꾼다. 트롬본과 슬라이드 휘슬에 사용된다.
• 관 측면의 구멍을 열거나 닫아 진동수를 바꾼다. 손가락으로 구멍을 막거나 키를 눌러 닫는다. 거의 모든 목관 악기에 사용된다.
• 공기 기둥의 길이를 바꾸지 않고 다른 배음으로 공기 기둥을 진동시킨다 (자연 호른 및 배음렬 참조).

3. 4. 벨 (Bell)

4. 특징

관악기 소리는 ‘관’ 자체의 소리가 아니라 관 내부의 공기 기둥 진동에 의한 소리가 주요 부분을 차지하므로, 관의 재질이나 두께는 음높이에 거의 영향을 주지 않을 뿐만 아니라, 음색에도 기본적으로 큰 영향을 주지 않는다.

금관악기는 한쪽 끝이 점차 넓어지는 형태(나팔꽃 모양, 벨)를 하고 있는데, 이것은 관 내부의 공기 기둥 진동이 주변 공간으로 효율적으로 방사되도록 음향 임피던스의 임피던스 정합을 위한 것이다. 목관악기는 이러한 구조가 전혀 없거나, 있다 하더라도 벨의 넓어지는 정도가 작기 때문에, 일반적으로 금관악기가 목관악기보다 큰 소리가 난다.

연주자의 신체도 음색에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 구강이나 인두 내부 공간을 넓히는 방법, 울림을 조절하는 방법의 차이가 음색에 큰 영향을 미친다. 이 점에서 인체도 악기의 일부를 구성한다고 할 수 있다.

관은 구부릴 수 있다. 구부려도 음색에 큰 영향은 없다. 관을 구부릴 때는 금속 관의 손상을 방지하기 위해, 먼저 곧은 상태의 관에 물을 채우고, 그것을 얼린 상태로 구부린다. 원래는 녹인 납을 사용했지만, 냉동 기술이 확립된 이후로는 물이 사용되게 되었다.

5. 건강 문제

일부 관악기, 특히 높은 압력으로 숨을 불어넣어야 하는 악기를 연주하면 안압이 상승하는데, 이는 녹내장의 잠재적 위험과 관련이 있다. 2011년 한 연구에서는 금관악기와 목관악기 연주 시 "일시적이고 때로는 극적인 안압 상승과 변동"을 관찰했다.^[12] 또 다른 연구에서는 안압 상승 정도가 악기와 관련된 구강 내 저항과 상관관계가 있으며, 고저항 관악기를 연주하여 안압이 간헐적으로 상승하는 것이 시야 손실 발생과 관련이 있다는 것을 밝혔다.^[13] 인디언 플루트와 같은 다양한 민족 관악기에서 사용되는 구강 내 압력 범위는 일반적으로 서양 클래식 관악기보다 낮은 것으로 나타났다.^[14]

참조

_[1] 서적 Musical Instruments Through the Ages Pelican
_[2] 서적 Fundamentals of Musical Acoustics Dover
_[3] 웹사이트 Clarinet Acoustics: an Introduction http://www.phys.unsw[...] University of New South Wales 2010-12-12
_[4] 웹사이트 Open vs. Closed Pipes http://www.phys.unsw[...] University of New South Wales 2010-12-12
_[5] 서적 Fundamentals of Musical Acoustics
_[6] 웹사이트 Brass Instrument (Lip Reed) Acoustics: an Introduction http://www.phys.unsw[...] University of New South Wales 2010-12-12
_[7] 논문 Aeroacoustics of Musical Instruments https://ris.utwente.[...] 2012
_[8] 웹사이트 Flute Acoustics: an Introduction http://www.phys.unsw[...] University of New South Wales 2010-12-12
_[9] 논문 On the Edgetone 1961
_[10] 논문 Effect of material on flute tone quality 1971
_[11] 웹사이트 Producing a harmonic sequence of notes with a trumpet http://hyperphysics.[...]
_[12] 논문 Intraocular Pressure Fluctuations in Professional Brass and Woodwind Musicians During Common Playing Conditions
_[13] 논문 Increased Intraocular Pressure and Visual Field Defects in High Resistance Wind Instrument Players 2000-01-00
_[14] 백과사전 Intraoral Pressure in Ethnic Wind Instruments http://www.Flutopedi[...] 2013-08-00
_[15] 문서 "Wind instrument"의 잘못된 번역에 대한 설명
_[16] 서적 音楽工学 誠文堂新光社
_[17] 웹사이트 관악기 https://ko.wikisourc[...]