피아노음의 음향학적 고찰

Abstract

피아노는(pianoforte) 햄머액션(hammer action)에 의한 악기로 이탈리아인 Bartolommeo Cristofori(1655~1730)가 1709년에 발명하였다. 햄머액션은 건반을 누르면 햄머가 현을 때려서 발음하는데 이것이 계속 발전하여 19세기 말에 비로소 완성의 단계에 이르게 되었다. 피아노의 구조는 보편적으로 현, 체대, 조율판과 핀판, 철골, 울림판과 줄받침, 타현기구, 페달, 그리고 몸통으로 나눌 수 있는데 이 중 발음의 중심이 되는 현의 역할은 중요하다. 음에는 순음과 복합음이 있는데 일반적인 현진동은 복합음을 발생하며 피아노에서는 이들 복합음이 여러 가지 양상으로 나타나 음색에 변화를 주고 이러한 변화는 음역과 피아노 형에 따라서도 차이가 난다. 피아노의 조율은 평균율에 의하는데 먼저 소리굽쇠에 의해 A_4를 진동수 440Hz에 맞추고 여기에 따라 4도와 5도를 교차시켜 한 옥타아브를 조율한 후 전 음역이 이에 의해 동음조율이 된다. 그러나 현진동은 진동수가 기본음의 정확한 정수배가 되지 않는 비배음을 발생하기 때문에 실제적으로는 이론적인 기본진동수보다 고음은 조금 높게 저음은 조금 낮게 조율된다. 이와 같이 조율된 피아노에서 두 음이 동시에 울릴 때 윗부분 음에서 일어나는 교차음에 의해서 방해를 받게 되어 소리의 다소가 순간파동에 의해 갈라지면서 합쳐져서 나는 소리는 비록 상대적이지만 청각기관에 거칠다는 느낌을 주는데 이 상태를 불협화하다고 한다. 그러나 교차음이 전혀 없거나 매우 적을 때는 청각기관에 거칠다는 느낌을 주지 않는데 이러한 상태를 협화하다고 한다. 본 논문에서는 이와 같은 청각적인 감각이 과학적인 분석에 의하여 어떻게 나타나는가를 실험하였다. 소리를 주파수별 영역으로 나누어 실험하는데는 일반적으로 Octave 대역, 1/3Octave대역, 좁은 대역 해석법이 있는데 본 논문에서는 1/3Octave 대역 해석법을 사용하였다. Steinway&Sons Grand Piano와 YAMAHA Upright Piano의 음과 음정을 성능이 좋은 표준 마이크로폰과 Measuring Amplifier를 통해 특성이 매우 좋은 Tape Recorder에 녹음하여 Digital Frequency Analyzer에 의해 스펙트럼(Spectrum)으로 분석한 것을 카메라로 사진촬영하였다. 실험범위로는 피아노의 고음역 중음역 저음역의 음질을 비교하기 위하여 A_1, A_4, A_7을 주파수 스펙트럼으로 분석하였고, 음역 C_4-C_5 사이에서의 장?단2도, 장?단 3도, 완전4도, 증4도(감5도) 완전5도, 장?단6도, 장?단7도, 완전8도를 분석하여 각 음정의 협화도를 스펙트럼으로 관찰하였다. 그리고 힘의 강약에 따른 화음의 음질변화를 주파수 스펙트럼으로 분석하여 보았다. 실험의 결과 피아노의 저음역은 부분진동이 많으므로 소리는 탁하지만 여운이 길며, 중음력은 저음력보다는 부분진동이 적고 고음역으로 올라갈수록 부분진동이 적다는 것을 알 수 있었다. 또한 12개의 음정을 비교 검토한 바, 불협화도가 강할수록 스펙트럼의 강한 부분이 서로 인접해 있었고, 강약을 다르게 하여 친 화음은 가장 세게 친 음에 의하여 화음 전체의 음질이 변한다는 것을 알 수 있었다.;Piano, whose sound is produced by the hammer action, was invented by an Italian named Bartolommeo Cristofori (1655-1730) of Florence in 1709. When the keyboard is pressed, the hammer strikes string and then the sound is produced. This hammer action had been developed gradually and thus the modern piano was completed in the end of the 19th century. In generall, the piano structure consists of musical string, wooden frame, tuning pin, wrest plank, iron frame, sound board, bridge, key, action, pedal and case. The role of the musical string is very important because the string produces sounds, The tone is classified into two kinds, that, is, the pure tone and the complex tone. The string vibration, in general, produces the complex tone and in piano it is varied very widely, The tone color of a piano is changed not only by these various kinds of the complex tones but, also by the musical ranges and the type of piano. The tuning of the piano depends on the equal tempered scale. At first, the A of a piano is tuned to tuning fork of 440 Hz of standard pitch, and octove is tuned by fourth and fifth, From here all the other ranges are tuned by unison or octaves by eliminating beats, Actually within the treble range tones are tuned a little higher and within the bass range, they are tuned a little lower compared with the theorically fundamental frequencies because the frequencies of the overtones of real strings are not exact multiples of the fundamental mode. It is called inharmonicity. When two musical tones are sounded at the same time in the piano, their united sound is generally disturbed by the beats of the upper partials, so that, a greater or less part, of whole mass of sound is broken up into pulses of tone, and the joint effect is rough. This relation is called dissonance. But when there is no beats at all or very few boats are made no unpleasant disturbance of the united sound. This relation is called consonance. In this treatise, the auditory sensation has been analyzed by the scientific method, There are three methods of anlyzing sound frequency, namely octave band, 1/3 octave band and narrow band analysis. Here, the 1/3 octave band analysis method was used. The tone quality and intervals of the Steinway & Sons grand piano and the YAMAHA upright piano are measured by microphone, measuring amplifier, tape recorder, digital frequency analyzer and camera. In orded to compare the differences of tone qualities caused by the changes of musical ranges A_(1), A_(4) and A_(7) are chosen as the scope for the experiment and they are analyzed by frequency spectrum. The consonance and dissonance of intervals within C_(4) to C_(5) that is major minor seconds, major minor thirds, perfect, fourth, augmented fourth (diminished fifth), perfect fifth, major minor sixths, major minor sevenths and perfect eighth are analyzed 멳y frequency spectrum. In chord, the difference in tone quality that can be changed by the weight is analyzed in the same manner. As a result, of the experiment, the tone quality of the lower range of a piano due to dominance of upper partials is not clear but has a trailing tone. The middle range has less upper partials than the lower range. The higher range has least, upper partials. As a result after comparing 12 intervals between C_(4) to C_(5) the dissonance of intervals were closed by the dominant part, of spectrum. And the tone quality of a chord is varied according to the fact that the note is pressed with the most strong weight.