싱잉볼 물리적 특성 - 진동(Vibration)

물리적 특성

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진동(vibration)

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싱잉볼에서 소리(sound)가 아닌 진동(vibration)에 대해서 시작하게 되어 궁금해 하시겠지만 진동을 이해하면 싱잉볼에 더 친근하게 다가갈 수 있어 먼저 이야기를 한다. 모든 물체는 진동을 한다. 지구와 달 같은 천체는 원 운동하는 물체이다. 원운동을 평면의 옆에서 보면 좌우로 운동하는 것처럼 보이는데 이를 단진동이라 한다. 지구가 태양 주의를 돌 듯이 전자는 원자 주위를 회전한다. 세상을 이루는 가장 작은 원자와 거대한 천체가 모두 단진동이다. 소리는 바로 이런 진동을 통해 만들어진다. 그리고 진동수에 따라 소리의 음이 달라진다. 더 깊이 들어가면 빛은 진동수에 따라 색이 달라진다.

 

 

원운동을 평면의 옆에서 보면 좌우 운동의 단진동 운동

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모든 물체는 고유한 진동수를 가진다. 자동차, 유리병 모두가 고유진동수 또는 고유진동주파수를 갖고 있어, 물체에 고유진동수(natural frequency)로 진동을 가하면 진동이 증폭하게 된다. 이를 공명(resonance)이라고 한다. 우리 주변에서 볼 수 있는 공명 현상의 대표적인 사례가 그네의 운동이다. 사람이 타고 있는 그네를 밀 때 그네 운동의 고유 진동수에 맞게 그네를 밀게 되면, 그네는 높이 올라갈 수 있게 된다. 이는 그네를 물체의 운동으로 생각했을 때, 운동하는 물체의 진동수와 같은 고유 진동수의 힘을 가했을 때, 진폭이 커지게 되는 것으로 이해할 수 있다. 음향학적으로 보면 현악기, 관악기, 타악기도 모두 공명 현상을 이용하여 소리를 만들어, 진동이 달라지면 음색도 달라지고, 진동하는 파장에 따라 고유진동수가 결정되고 옥타브(octave, 서로 다른 주파수의 관계가 2배 관련의 음)가 만들어진다.

 

진동에 대한 클라드니판(chladni plate)

 

물리적 진동의 효과를 관찰은 1787년 음향학의 아버지라고 불리는 독일의 물리학자 클라드니(Ernst F. F. Chladni)에 의해 시작되었다. 독일의 음향물리학자이자 음악가인 그는 진동하는 금속판에 모래를 넣는 실험을 하여 클라드니판(Chladni plate)을 만들어 오늘날 클라드니판을 통한 소리를 볼 수 있다. 이를 더욱 발전시켜 현대 과학은 전자영상기법인 유한요소해석방법(FEA, Finite Element Analysis)을 사용하여 진동과 소리를 관찰하고 있다.

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모든 싱잉볼의 기본은 싱잉볼을 치거(strike)나 쓰다듬(stroke)을 때 네 박자의 맥동을 발생시키는 구조로 종(bell)과 와인유리컵(wine glass)과 유사하다. 싱잉볼을 치면 우리는 볼 수 없지만 싱잉볼의 테두리는 그 지점에서 안쪽으로 움직이고 그 사이의 테두리는 바깥쪽으로 확장합니다. 이는 싱잉볼의 모양 안에서 일어나는 기본적인 움직이다. 물체의 힘, 진동과 물리적 효과가 어떻게 작용하는지 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 유한요소해석방법(FEA)으로 확인해 보면 그림처럼 진동영역(A, Anti-node)과 비진동영역(N, Node)의 패턴을 만든다.

 

 

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싱잉볼 진동 FEA 분석(Brandon August, 2012)

 

앞에서 소개한 고대 중국의 편종(biangzhong)에 대해 신옌센(sinyan shen)은 종과 같은 형태의 네 박자의 진동을 만들며 두 개의 음정(note)을 만든다고 하였다. 이는 일반적인 종의 음향학 분석에서 나타나는 동일한 특성이고, 신예센도 종과 동일하다고 말하였다. 우리나라의 선덕여왕신종(일명 에밀레종)에 대한 연구결과에서도 네 개의 진동파를 만들고 진동모드가 1차 진동모드와 2차 진동모드로 구분하여 두 음정을 확인하였다.

일반적 종과 선덕여왕신종 진동모드