The Importance of a geometry design

홀의 기하학적 비율과 소리의 질과의 관계는 예전부터 중요한 이슈로 다가왔다. 왜냐하면 콘서트 홀의 음향적 현상은 그것의 기하학에 아주 많이 의존하고 있었기 때문이다. 그래서 이번 호에서는 이런 기초적인 기하학적인 파라미터들을 조사해 보고자 한다.

먼저 다른 이야기로 시작하면, 요즘 자동차업계의 신장 경쟁이 치열해지면서 안정적 주행 성능을 위한 조향장치와 서스팬션의 구조에 대한 논의가 언론 상에서 벌어지는 것을 우리는 흔히 볼 수 있을 것이다. 전륜과 휴륜구동과 4륜구동의 주행성능의 차이와 뒷바퀴의 서스팬션의 토션빔과 멀티링크의 차이는 결국 차의 기하학에 관한 이야기이다. 이런 논의는 임계적 주행 상황에서의 차의 대처 능력을 가늠하는 중요한 원칙이기도 하고 차의 동적 상황에서의 무게중심의 안정성, 즉 밸런스의 유지라는 중요한 바로미터가 되는 것이다. 피쉬테일 현상(자동차의 무게 밸런스가 무너지면서 뒤쪽이 많이 흔들리는 현상)으로 인한 사고가 많이 발생하면서 이런 논의가 많이 생겨나는데, 이런 부분은 결국 기하학적인 밸런스를 위한 셋팅 능력의 필요성도 중요하지만 근본적인 기하학적 밸런스에 대한 설계 능력이 관건 일 것이다.

이처럼 기하학적 밸런스가 자동차의 안정적 운행에 중요한 것처럼 음향의 지오메트리(Geometry-앞으로 기하학적 구조를 지오메트리로 칭하겠다)도 좋은 홀을 위한 선결조건이라고 할 것이다. 뭐 여러 형태의 지오메트리 공간에서도 좋은 음질을 못 많든다고 하는 것은 아니다. 왜냐하면 디지털 기술의 발전으로 제어능력들이 향상되었기 때문에 스피커의 지향 특성의 제어능력이 향상되었기 때문이다. 하지만 클래식 공연장의 경우는 지오메트리가 절대적이기 때문이다. 비록 최근에 전기적 가변음향장치가 디지털 기술과 알고리즘의 개발로 인해서 많은 진보를 이루고 있지만, 지오메트리가 엉망인 공간을 개선할 수 있다는 이야기는 아니고 좋은 공연장의 요건하에서 다양한 상황에 대한 셋팅 값을 변화시키겠다는 의도인 것이다.

그림 1

그림 1-1

Figure 1 modular hybrid regenerative concept.

Fgure 2 AFC3 REV module DSP block diagram (larger figure presented in appendix A)

그러면 여기서 기하학적 구속조건들과 함께 홀이 다른 파트(무대, 천정, 벽체, 좌석 영역, 발코니)사이의 관계를 고려하여 시각적 데이터를 관찰하려고 한다. 음향적인 분석은 오토데스크 에코텍을 활용하였다. 설정된 구속조건 내에서, 콘서트 홀의 다른 부분들과의 공간적 관계는 동일하게 적용하였다. 오토데스크 에코텍에 의해서 생성된 결과 따라서 그것을 분석하고 파라미터들이 변함에 따라서, 결과는 질적 양적으로 그려질 수 있다.

그러면 여기서 지오메트리의 변화에 따른 음선을 궤적을 분석해서 지오메트리의 변화에 따른 음질의 변화 양상을 관찰해보도록 하자.

1) The Plan Geometry analysis

평면 분석은 평면 지오메트리가 단지 변수 파라미터이라는 원칙에 기초하고, 홀의 높이와 발코니의 높이는 동일하게 멈추게 할 것이고, 이런 분석 방법은 후의 몇몇 분석에도 분석에서도 동일하게 적용될 것이다.

우리는 기본적으로 슈박스 형태의 공간의 비율적 변화를 관찰하려고 했다.

Figure 3. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 3는 콘서트 홀 내에 소리의 반사 도표를 나타내고, 모델은 일반적인 콘서트 홀의 모델이고, 채색된 라인은 소리의 경로로 표현되었고, 다른 색은 다른 음향 퀄리티를 가리키고, 그것은 도표에서 보여지는 것처럼, 녹색은 직접은, 노란색은 유용한 소리, 오랜지 라인은 경계 소리, 빨간 색은 에코, 밝은 블루 라인은 리버브 라인, 그리고 블루 라인은 마스크된 소리, 도표에서 분석함으로써, 우리는 레드 라인을 발견할 수 없었고, 이것은 에코가 없다는 것이다. 그리고 유용한 소리가 전체 체적를 커버하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

이렇게 기본적인 고려에 의해 지어진 지오메트리를 가지는 공연장의 경우 비교적 고른 음압 분포 및 여러 가지 음향에 필요한 지표를 가시화함으로 형상에 대한 기초자료로 활용할 수 있게 된다.

다음의 실험의 앞서의 실험에서 높이를 줄인 지오메트리 형상을 시뮬레이션한 자료인데,

Figure 4. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 4의 경우에, 음원은 세 차례에 의해 강화되었고, 음향의 퀄리티는 쉽게 가시화될 수 있었고, 그림 2와 그림 4를 분석함으로써, 우리는 음원으로부터 가까워 질수록, 우리가 얻는 소리는 더욱 강해진다는 결론을 얻을 수 있다. 동시에 수음 소음의 가능성은 높아지게 된다.

우리는 여기서 그림 2에서와 다르게 객석에서의 유용한 소리의 밀도의 상승이 높아지는 것을 확인할 수 있을 것이다. 또한 무대에서의 에너지의 강도가 상대적으로 강해지는 것을 확인 할 수 있을 것이다.

Figure 5. statistical reverberation time analysis

그림 5는 콘서트 홀의 통계적 잔향시간을 보여주고, 보라색 영역은 이 체적에 스피치와 음악에 적합한 음향적 퀄리티를 가르킨다.

그러면, 그림 6에서의 공간을 매우 길게 뒤로 연장하게 되면 어떠한 현상이 발생하는지를 관찰해 보고자 한다.

Figure 6. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 6의 경우에, 콘서트 홀의 체적은 매우 길고 좁은 공간으로 연장되었고, 우리는 홀의 뒤에 적은 소리가 도달하는 것을 시각화할 수 있고, 이것은 좋은 않은 음향 퀄리티를 의미하고, 결론적으로, 너무 길게 연장된 슈박스 형태는 콘서트홀 디자인 동안에 피해야만 한다.

이렇게 동일한 높이와 폭에서도 길이가 길어짐으로 인해서 홀 뒤쪽의 음의 충실도는 상당히 떨어지는 것을 우리는 눈으로 쉽게 관찰할 수 있다.

폭이나 길이의 변화가 객석에 고른 음압을 전달하는 것과 어떻게 연관이 있는지 대략적으로 짐작할 수 있을 것이다. 세계 3대 공연장의 비율이 전체적으로 비슷한 맥락도 이런 의미와 같이한다고 할 수 있을 것이다.

좀더 세부적인 벽체의 디테일이나 확산음장에 대해서는 이야기 하지 않겠지만, 음의 전달과 공간의 비율관계에서 적절한 황금비를 찾는 일이 얼마나 중요한지를 보여주는 대목이라고 할 수 있겠다.

그러면, 앞서 그림에서처럼 뒤쪽으로 연장된 경우와 반대로 앞으로 짧아진 경우도 있을 수 있는데, 이런 경우 음향에 어떤 현상에 발생하는지 관찰하기로 하자.

Figure 7. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 7의 경우에, 콘서트 홀의 체적은 매우 길고 좁은 공간에서 단축했고, 우리는 전체 체적에 너무 많은 다른 방향의 소리의 도달하는 것을 시각화할 수 있고, 이것은 또한 좋지 않은 음향을 의미하고, 이것은 너무 짧고-뚱뚱한 슈박스 형태도 콘서트홀 디자인하는 동안 피해야만 한다.

우리가 스튜디오나 공연장에서 사람의 인식과정에서 소리의 방향성에 영향을 받는 인자들(HRTF, ITD, ILD)을 고려하는 것은 몇몇 인자들 ASW, LEV의 공간적 파라미터를 이해하는데 중요하기 때문에 벡터 해석을 통한 방향성과 에너지의 강도를 조사하는 것이다.

그림 7도 전형적인 방향성의 혼란을 초래함으로 좋은 음질을 구현한다고 할 수 없을 것이다.

일반적으로, 우리는 콘서트 홀의 슈박스의 지오메트리를 위한 적장한 비를 고려해야만 하는 것을 우리는 앞서 몇몇 실험을 통해서 관찰할 수 있었다.

그러면, 앞서는 객석 길이의 변화를 주로 관찰했다면, 천정의 높이와 무대의 높이에 따른 분석을 시도해 보자.

2) The ceiling height and Stage height analysis

천정의 높이와 무대의 높이 연구에서도, 앞서 평면의 기하학 연구에서와 같은 방법론으로 실시하었다.

Figure 8. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 8은 매우 낮은 천정 체적에서 반사 상황을 보여주고, 우리는 전체 체적에 다른 경우에서 보다 좀더 많은 직접음과 유용한 소리가 도달하는 것을 볼 수 있고; 전형적으로, 상부 레벨의 발코니에 너무 과한 강력한 소리가 도달하는 것을 관찰할 수 있는데, 이것은 좋지 않은 음향 퀄리티를 가르킨다.

그러면 반대로 상부의 천정 높이를 늘려 높이면 어떻게 되겠는가? 이를 관찰해 보자.

Figure 9. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 8과 비교해서, 그림 9은 매우 높은 천정의 사례에 반사 상황을 보여주고, 우리는 또한 높은 천정 체적이 많은 직접음을 흡음하는 것을 보여주고, 높은 레벨 발코니에 적은 반사음이 도달하는 결론을 이끌게 되고, 이는 또한 좋지 않은 음향 퀄리티를 가르킨다.

결론적으로, 평면 기하학 분석과 비슷하게, 적정한 천정 높이는 또한 콘서트 홀의 음향 퀄리티에 크게 영향을 미친다는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 이러한 방법을 통해서 또한 적절한 높이를 찾아야 한다.

다음은 공연장의 측면에 발코니들을 배치하는 경우가 있는데 발코니의 적정한 높이도 또한 고려해야할 지오메트리라고 할 수 있을 것이다. 그러면 또한 발코니의 높이 분석을 위해서 앞서 행한 방법으로 한번 분석을 해보도록 하자.

3) The balcony height analysis:

Figure 10. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림10는 두 발코니 레벨이 서로 너무 가까운 상황을 보여주고, 우리는 낮은 발코니 레벨이 상부 레벨 발코니의 밑으로부터 어떤 몇몇 반사된 음이 도달되나 사이드 벽으로부터 적은 반사음이 도달되는 것을 관찰할 수 있는데, 이것은 두 발코니 레벨 사이의 거리가 너무 가깝기 때문이고, 상부 발코니 레벨이 많은 양의 음을 막고 있는 상황이라고 할 수 있다. 이런 경우에 역시 음향 퀄리티는 좋지 않을 것이다.

그러면 여기서 아래 발코니로 유입되는 반사음을 막은 상부 발코니의 레벨을 높여보기로 하자. 이렇게 되면 또한 어떠한 현상이 관찰되는지 보도록 하자.

Figure 11. The sound reflection diagram generated by Autodesk Ecotect

그림 11은 두 개의 발코니 레벨이 서로 너무 떨어져 있는 상황을 보여주고, 우리는 낮은 발코니 레벨이 사이드 벽으로부터 어떤 몇몇 반사된 음이 도달하나 상부의 레벨 발코니로부터 적은 반사음이 도달하는 것을 관찰할 수 있다. 그림 9에서처럼, 이것 또한 원하지 않는 음향적 형태라고 할 것이다.

우리는 이런 반복적 상황을 잘 고려하여서 최적의 음향 지오메트리를 찾아야 하는 것이다.

결론

콘서트 홀의 지오메트릭 디자인을 분석함으로써, 우리는 콘서트 홀의 다른 부분과 체적이 최고의 사운드 퀄리티를 객석에 부여할 수 있는 논리적 방법 안에서 디자인되는 과정을 한번 관찰해 보았다. 단적으로, 외부 인자(사이트, 비용, 기타)외에, 콘서트 홀의 지오메트리 디자인은 음향학적으로 밀접한 관련을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있을 것이다.

References

[1] Beranek. Leo. Concert Halls and Opera Houses: Music, Acoustics, and Architecture. Springer, 2004

[2] Leonid Makrinenko, Acoustics of Auditoriums in Public Buildings, Acoustical Society of America, Woodbury, NY, (1994)