공연장 실내음향

1. 공연장의 실내음향 이론

- 공간음향에서 소리에 영향을 미치는 가장 큰 요소는 공간의 크기와 마감재(재질)이다. 특히 잔향음의 길이를 결정하는 중요한 요소가 된다.

 ① 실내공간에서의 소리 전파

   - 공간에서의 소리는 직접음(direct sound)와 반사음(reflection sound)이라고도 하는 간접음으로 나눌 수 있다.
   - 직접음은 발생한 소리 중 청취자가 가장 먼저 듣는 소리로, 반사에 의한 변형 없이 전달되므로 점음원에 적용되었던 역제곱의 법칙이 적용된다.
   - 초기 반사음(early reflection sound)은 직접음이 도달한 직후 주변 경계면에 반사된 소리가 청취자에게 도달하게 되는 것이다. 초기 반사음 중 직접음 도달 후 약 30ms(약 10m) 이내에 도달하는 반사음은 직접음과 위상 간섭을 일으켜 음색을 변화시킬 수 있고 30ms 이상의 지연시간을 가진 반사음은 직접음과 분리하여 에코로 인지하게 된다. 
   - 잔향음(reverberation sound)은 음원에서 발생한 소리가 난반사되어 청취자에게 전달되는데 이를 가리킨다. 소리의 반사가 반복 될수록 청취자에게 도달하는 음의 밀도는 높아진다. 
     공간의 크기가 크면 긴 잔향 시간을 얻을 수 있다. 공간이 작으면 소리가 반사하면서 에너지를 잃게 되어 감쇠량이 증가한다.(즉, 잔향시간이 짧아진다.
     하지만, 직접음이나 초기 반사음과 다른 점은 수많은 반사음이 서로 중첩되어 거의 모든 방향에서 청취자에게 입사되어, 잔향음의 레벨은 하나의 공간 전체에서 일정하게 유지된다.  
   - 실내공간에서는 음원으로부터 청취 거리에 따라 직접음의 레벨과 잔향음의 레벨 비율이 달라진다. 음원에서 거리에 따라 "직접음 레벨>잔향음 레벨" 이었다가, 직접음 레벨이 계속 감소하여 직접음 레벨=잔향음 레벨이 되는 거리를 임계거리(critical distance)라고 한다.

  ② 공연 성격에 따른 최적 잔향시간

   - 잔향시간이 짧으면 명료도가 높아지는 대신, 음악적으로 건조하고 딱딱한 느낌을 받게 되고, 잔향시간이 길어지면 풍부하고 아름답게 표현되지만 명료도가 떨어진다. 따라서 대사가 있는 음성 위주의 프로그램은 짧은 잔향시간을 필요로 한다. 

  ③ 음장 가변 장치

   - 반사체와 흡음재를 활용하는 기계식 음장 가변 방식과 마이크와 스피커 시스템을 이용하는 전기식 음장 가변 방식으로 나눌 수 있다.
   - 기계식 음장 가변 장치 중 가변 흡음 장치를 이용한 방식은 흡음 재질이나 반사 재질 구조물의 위치와 각도를 제어하여 잔향 시간을 조절한다.
   - 기계식 음장 가변 장치 중 가동 칸막이벽을 이용한 방식은 움직이는 벽을 사이에 두고 벽 뒤 공간의 체적을 이용하여 잔향 시간을 조절한다.
   - 기계식 음장 가변 장치 중 가동 칸막이 커튼을 이용한 방식은 실내 공간 벽부의 반사체를 두꺼운 흡음 커튼으로 가리거나 열어 잔향 시간을 조절한다.
   - 기계식 음장 가변 장치 중 잔향 체임버를 이용한 방식은 홀의 상부에 잔향 체임버를 두고, 천장에 개폐문을 설치해 이를 여닫는 것으로 잔향 시간을 조절한다.
   - 전기식 음장 가변 장치 중 인라인(in-line) 방식은 무대에서 연주하는 직접음을 수음한 뒤 잔향을 생성해 스피커로 전달한다.
   - 전기식 음장 가변 장치 중 넌 인라인(non in-line) 방식은 공간의 반사음을 이용하여 잔향을 부가한다. 따라서 기존 공간의 잔향음과 초기 반사음을 수음하기 위해 객석 구역에도 마이크를 설치하여 전체 실내 공간의 음장 환경을 가변시키는 방식으로 구동한다. 별도의 리버브 프로세서를 사용하지 않고 마이크와 스피커 간의 피드백 제어 만으로 잔향을 생성, 부가하는 방식으로 운영한다.
   - 전기식 음장 가변 장치 중 하이브리드(hybrid regenerative) 방식은 인라인 방식과 넌인라인 방식을 조합한 방식으로, 기본적으로 넌 인라인 방식을 따르지만 마이크의 수량을 줄이고 디지털 시그널 프로세서를 이용한다.

2. 공연장의 실내음향 성능 평가지표

  ① 잔향시간(RT : reverberation time)은 청취 위치에 전달된 직접음이 멈춘 후 잔향의 크기가 60dB 감소할 때까지의 시간(RT60)으로 정의한다. 주파수의 별도표기가 없는 경우 500Hz의 값을 기준으로 한다.
  ② 초기감쇠시간(EDT : early decay time)은 청취 위치에 전달된 직접음이 멈춘 후 잔향 감쇠가 10dB 감소할 때까지의 시간을 6배 한 것이다. 일반적인 실내공간에서는 EDT가 잔향시간에 비해 작은 값으로 표시되는 경우가 많고, 청취자는 같은 잔향시간일 때 EDT 값이 클수록 청감상 적으로 잔향감을 크게 느낀다. 
  ③ 초기지연시간(IDT : intial delay time)은 청취 위치에서 전달된 직접음과 1차 반사음 사이의 시간차로 실내공간의 음향적인 친밀감(퍼포머와 가깝게 느끼는 정도)을 표현할 수 있는 지수이다. 직접음 도달 후 20ms 이내에 도달하는 1차 반사음은 청감상 음향적 친밀감을 높이는 효과가 있고, 20~80ms의 범위에 도달하는 초기반사음 중 측면 방향으로 전달되는 반사음은 공간에서의 확산감을 높이는데 기여한다. 
  ④ 음성 명료도(D50 : Deutlichkeit)는 음성을 얼마나 정확하게 청취할 수 있는지를 평가하는 척도이다. 청취자에게 직접음 도달 후 50ms 이내에 도달하는 초기 반사음은 직접음의 크기를 보강하고 명료도를 높여주는 효과가 있다. D50 값이 클수록 명료도가 높고 작을수록 명료도가 낮다. 일반적으로 연극, 강의의 경우 55~65%, 음악회의 경우 40%의 값을 권장한다.
  ⑤ 음악 명료도(D80 : Clarity)는 악기 연주 청취 시 명료도를 평가하는 척도이다. 청취 위치에 직접음으로부터 80ms 이내에 도달하는 반사음의 에너지를 80ms 이후에 도달하는 에너지와 비교한 값이다. 
  ⑥ 음성전달지수(STI : speech transmission index)는 실내 공간에서 원음 왜곡의 정도를 측정해 음성 명료도를 가늠하기 위해 정의한 것이다. 가청 주파수대역 중 7개의 주파수에 대한 신호 대 잡음비(SNR)의 형태로 계산한다. 
  ⑦ 저음비율(BR : bass ratio)은 저음 잔향시간과 중음 잔향시간의 비율이다. 보통 클래식 콘서트홀에서는 1.3~1.4 이상의 저음비율이 필요하며, 대사의 명료한 전달이 중요한 경우 1.0~1.2가 적절하다. 
 ⑧ 측면음 에너지 비율(LF : lateral efficiency dfraction)은 청취자에게 직접음 정면방향인 0º에 도달할 때 양 측면 ±20º와 ±90º 사이에서 입사하는 반사음 에너지가 전체 반사음에서 차지하는 비율을 뜻한다. 청취자가 듣는 반사음 중 측면 방향의 반사음은 소리를 통해 공간의 크기와 형태 등을 느낀느 청감상 공간인상에 영향을 준다. 권장하는 LF 값은 0.2~0.4이다. 
  ⑨ 양이상관도(IACC : interaural cross corelation)는 청취자의 두 귀에 도달하는 음의 유사도를 평가하는 지수로, 주관적인 공간감 즉 확산감과 공간인상을 가늠하는 지표이다. 값이 0에 가까울수록 두 귀를 통해 전달되는 소리가 다름을 뜻하고 1에 가까워질수록 두 귀에 같은 소리가 전달된다는 뜻이다. 클래식 공연장의 경우 0.4~0.5 값을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.
  ⑩ 음의 절대 크기(G10 : total energy level)는 무향실과 같은 자유음장 지역에서 음원으로부터 10m 지점에서 절대 음압레벨과 특정 실내공간의 지점에서 측정한 음압레벨의 비로 정의한다. 

3. 음향 장해 현상

  ① 음의 초점 현상(sound focusing)은 소리가 어느 한 곳으로 집중되는 현상을 말하며, 이 지역의 음압이 나머지 지역에 비해 급격히 상승하게 되어 실내 음압 분포를 나쁘게 한다. 
  ② 에코(echo, 반향)는 하나의 강한 반사음이 직접음과 명확하게 구분되어 들리는 것을 의미한다. 긴 거리에 있는 반사면에 의해 발생되고, 반사음의 음압이 클수록 영향은 더 크게 나타난다. 따라서 음원과 반사면의 거리를 5~8.5m 이하로 유지하거나 벽에 흡음처리, 확산처리 등으로 에코 발생을 막을 수 있다.
  ③ 플러터 에코(flutter echo)는 마주보는 평행한 면 사이에서 발생한 소리가 두 면에 짧은 간격으로 강하게 반사되어 반복되는 것이다. 
  ④ 실내공진(resonance)은 실내공간에서 마주보는 벽면이나 바닥과 천장이 서로 평행한 구조라면 마주보는 면 사이에서 특정 주파수의 소리가 증폭되는 현상이다.
  ⑤ 외부 소음 및 공조 소음의 소음은 청취자가 듣고 싶지 않은 원치 않는 소리이며 주관적이다. 소음을 측정 평가하는 방법으로는 청감특성을 고려한 NC(Noise Criteria)곡선을 주로 사용한다. 

 

4. 흡음과 확산

  ① 흡음

   - 재료 표면에 입사하는 음의 에너지가 마찰 저항, 진동 등에 의해 열 에너지로 변하는 현상으로, 어떤 소리가 재료에 입사되었을 때 흡음되는 비율을 흡음률이라하며, 모두 흡수하는 경우를 1, 모두 반사하는 경우를 0으로 하여 0~1 사이 값을 갖는다.
   - 소리를 흡수할 목적으로 사용하는 건축 재료를 흡음재라고 한다. 
   - 다공질형 흡음재는 섬유류나 스펀지와 같이 재료에 음이 입사되면 일부가 열에너지로 변화하여 음이 감쇠하는 현상을 이용하는 흡음재이다. 흡음스펀지 외에도 흡음커튼, 목모보드, 그라스울, 흡음뿜칠 등이 있다. 다공질형 흡음재는 주로 고음에서 높은 흡음률을 보이고, 낮은 주파수는 통과시키는 성질을 갖고 있는데 흡음재가 두꺼워질수록 점차 낮은 주파수의 흡음률도 높아지는 특징이 있다. 
   - 판진동형 흡음재는 얇은 판재 형태의 흡음재로 소리가 입사되면 판의 진동으로 음에너지 일부를 감소시킨다. 저음역의 공진주파수에서 흡음률이 최대가 되며 단단한 판 표면에 입사된 중고음은 대부분 반사한다.
   - 공명기형 흡음재는 항아리 모양의 구조에서 공명주파수 부근의 심한 진동에 의한 마찰열로 음에너지가 손실되는 현상을 이용한 흡음재이다.  ex)베이스 트랩

 

  ② 확산

   - 확산은 소리의 진동과 압력이 에너지를 소모하지 않고 고밀도에서 저밀도로 퍼져 나가는 현상을 말한다.

 

5. 공연장 구조와 실내음향 특성

 

- 풍부한 음량감 : 공연장은 객석에 공연 감상을 위해 충분한 음량을 전달해야 한다. 
- 적절한 잔향감 : 잔향음은 각 악기 소리가 서로 조화롭게 들리도록 만들며 연주 소리가 음악적으로 부드럽고 풍부하게 들리는 효과를 더해준다.
- 확산감 : 관객이 듣는 소리는 충분한 공간감과 확산감을 가져야 한다.
- 좋은 정위감 : 정위감은 공간에서 두 귀로 느끼는 소리의 위치로 객석에서 무대의 악기 위치와 방향, 거리에 따라 자연스러운 정위감이 전달되어야 한다. 
- 우수한 명료도 : 많은 악기 음 중에서 특정 악기의 음을 잘 알아들을 수 있는 것, 또 빠른 연주 시 연속된 음이 명료하게 들리는 것이 필요하다.
- 음향 장해현상의 제거 : 플러터 에코나 음의 초점 현상 등 음향 장애가 없어야 한다.
- 외부소음 유입 차단 : 외부 소음이 유입되거나 공조 소음이 크면 공연에 방해가 될 수 있으므로 불필요한 소리는 없어야 한다.
- 좋은 무대 모니터 환경 : 무대 위 퍼포머가 연주 소리를 잘 들을 수 있어야 한다.