Acoustical Design Methods for Concert halls I
- 정재선
- 2015년 12월 21일
- 13분 분량
콘서트 홀을 위한 음향설계 방법을 앞으로 2주간 이야기할 것이다. 우선 홀 설계에 앞서 우선 공간의 형태와 콘서트 홀의 관계에 대한 기초적인 내용을 다루어야 할 것 같다. 그래서 1984년 9월에 Architectural Record에 실린 Nicholas Edwards의 “Considering Concert acoustics and the Shape of rooms”의 내용을 바탕으로 해서 홀 설계 방법에 대한 최근 연구방법과 동향 등을 살펴보려 한다.
공간에서 음악을 재현하는 룸 어커스틱에서 룸 형태는 음악의 성능을 위한 콘서트 홀, 오페라 하우스, 기타 공간의 음향을 디자인하는 디자이너들이 직면하게 되는 가장 중요한 물음 중의 하나일 것이다.
비평가들은 종종 음악을 위해서 직사각형의 슈박스 형태(shoebox)의 공간이 비슷한 사이즈의 팬-형태(fan-shape)보다 좋은 음향 특성을 가진다고 말한다.
세계에서 가장 훌륭한 콘서트 홀로서 인정되는 비엔나 뮤직페어라인잘, 암스테르담에 콘서테보우, 보스톤 심포니홀 같은 곳은 모두가 기본적으로 평단면상에서 직사각형이고, 요즘 일반적인 객석 표준인 2000석보다 적은 객석을 가지고 있다.
Boston Symphony Hall Musikvereinssaal in Vienna Concertgebouw in Amsterdam
세계 3대 공연장
물론 이런 접근 방법이 어커스틱과 룸의 형태 사이의 관계적 증거를 제공하진 않지만, 많은 시간이 지나는 동안에 몇몇 음향설계자들은 거기에 어떠한 관계가 있는지에 대한 의문점을 가지기 시작하였다.
룸 어커스틱 분양에서 최근에 얻어진 지식을 바탕으로 많은 연구자들은 우리가 이렇게 높게 평가하는 오래된 홀의 음향적인 성공에 대해 어떤 주목할 만한 제안을 할 수 있게 되었고, 거기에는 룸의 형태와 음악을 위한 좋은 음향과의 밀접한 상관관계가 있음을 확인하게 되었다.
요즘과 같이 급속한 변화가 이루어지는 과학분야처럼, 룸 어커스틱 분야도, 변화가 많은 역사를 가지고 있다. 때때로, 음향 기술자들의 협의적인 제한된 지식은 음악을 위한 만족스럽지 못한 결과를 도출하기도 한다.
음악을 위한 룸의 설계를 위한 초창기 음향학적인 노력은 보스턴 심포니 홀이 개관하면서 좋은 결실을 이루게 되었다.
1905년 이후에 지어진 콘서틀 홀들 중에 보스톤 심포니 홀을 포함해서, 오래된 홀들보다 좋은 등급으로 아직 랭크 된 홀이 하나도 없다는 사실은, 19세 음향 설계자들이 그들의 후임자들에게 전달하는 내용들이 잘못되거나 부족한 음향적 바탕에 있었음을 시사하는 것임에 틀림없다고 할 것이다. 이것은 그런 만족스런 음향적인 결과들을 이끌어낸 전통적인 건물에 내재된 구조적인 제한들에 의한 것과 직사각형의 평면에 따르는 건설의 비용에 의한 예기치 않은 상황이라고 하기 쉬울 것이다.
보스톤 심포니 홀을 설계한 음향학자, Wallace Clement Sabine은 건축가 Mc Kim, Mead 와 White가 팬 형태의 룸을 제안했었고, 그러나 이런 형태는 음악 성능을 위한 룸으로 “불확실한 장점” 가진다는 이유로 포기했다고 기록하고 있다.
Sabine은 미국과 유럽의 지휘자들과 음악가들로부터 의견을 수렴한 후에 룸의 형태에 관한 그의 생각을 정리하게 되었다. 음향학자들의 충고를 따라서, 건축가들은 직사각형의 설계로 진행하게 되었고 이 홀은 결국 보스톤 심포니의 전용 홀이 되었다.
사빈은 설계 초기부터, 설계기준을 정량화하는데 집중하였는데 잔향시간의 양을 정량화하는 것을 제안하였고, 80년대 지어진 보스톤 심포니 홀은 사빈의 의지에 따라서, 음향학자나 건축가들은 룸의 형상 효과보다도 잔향시간에 좀더 집중하였고, 아마 그 이유는 잔향시간이 좀더 정량화하기 편할 수 있었기 때문이었다.
비록 다년간 잔향시간이 실질적으로 콘서트 홀의 설계를 위해 일반적으로 받아들일 수 있는 평가지수이긴 하지만 우리는 때때로 “최적” 잔향시간이 최적의 음향을 보장하지 않는다는 것을 인정해야만 한다. 가끔 어떤 홀은 “최적” 값 이하의 잔향시간을 가지고, 반면 어떤 홀은 음향적으로 열악하지만 “최적”잔향 값을 가지기도 한다.
이러게 잔향시간이 음향 품질의 전체를 대변하기엔 부족함으로 음향학자들은 리스너의 호감에 좀더 영향을 주는 다른 주관적인 음향적 인자들을 찾기 시작하게 되었고, 최근 많은 음향지표들이 발표되고 있고, 그들 중에 어떤 지수들은 룸의 형태에 많은 영향을 주고 있다.
“초기 음장” – 직접음의 약 1/4초 이내에 도착하는 반사음 영역- 은 리스너의 선호도에 중요하고, 이것은 음향 설계자들에게 룸의 최적의 사이즈를 결정하는데 어떤 단초를 제공하기도 한다.
그리고 최근에는, 많은 나라들에서 독립적인 연구 프로그램들을 통해서 학자들은 리스너의 선호도가 룸의 형태에 영향을 많은 받고 그리고 “음장의 측벽효과” 등에 많은 연관성이 있음을 알아내게 되었다.
음의 측벽효과를 증가시키는 것은 그림 6에서 보는 것처럼 전, 후, 위로부터 중간평면을 기준으로 한 고스트 이미지로부터 등가 입사되어 도착하는 것과 그림 1, 2, 8에서 보는 것처럼 리스너의 측측면으로부터 도착하는 사운드의 강도의 비율을 증가시키는 것이다.
귀/뇌는 1/5초 이내의 시간 안에 도착하는 반사음의 강도 부분을 통합하여 인식하게 되거나 또는 이로 인해 사람이 소리의 개별적인 도착을 인지하지 않게 되고 직접음 도착 후 “룸 사운드”의 영역을 하나의 느낌으로 인지하게 된다.
이런 사실은 소스로부터 직접 들리는 소리만으로는 심포니 음악에 대한 리스너의 선호도를 오히려 감소시킬 수 있다는 사실을 제시하기도 한다. 두말할 필요 없이, 측면효과는 단지 리스너의 선호에 영향을 주는 성질은 아닐 수 있다. 하지만 이런 측면효과에 대한 제안은 아마 사람들이 콘서트 홀에서 최고의 음향은 일반적으로 무대로부터 멀리 떨어져 있고, 종종 좋지 않은 음향은 무대에 가까이 있다는 것에 대해서 알고 있는 바 대부분 동의 할 것이다.
그러면, 잠시 여기서 유럽이나 일본에서 진행되었던 연구들을 검토해 보면,
Barron(1)은 아주 제한된 요건하에서, “envelopment”와 “warmth”로 표현되는 감각들은 음장의 측벽효과와 더불어 증가하는 것을 보여주었다.
Gottob(2)은 현존하는 홀에서 녹음된 소리를 실험실의 음장에서 재생함으로 측벽 반사와 리스너의 선호도와 밀접한 상관관계를 발견하였고,
Kurozumi와 Ohgushi(8)는 특히 소스의 거리 차에 의한 청각적 인식에 따른 사운드 퀄리티는 소리가 측벽방향으로 도착할 때 발생하는 리스너 귀에서 소리의 유사성을 최소화하는데 달려 있다는 것을 보여주었다.
Ando의 실험(4)은 최적 음장의 물리적 성질들이 고안되었다. 그는 측벽효과가 극대화 될 때 리스너의 선호도가 최대가 된다는 것을 리스너 귀에서의 소리의 유사성을 최소화하는 것으로 보여주었다.
Wilkens(5)는 라우드네스를 크게 하는 것이 음장에서 가장 우선하는 성질 중에 하나임을 제안하였다.
Blauert(6)는 측벽음(주관적인 크기가 증가할수록)과 함께 귀의 민감도가 증가하는 것을 증명해 보였다.
소리의 측면 비-측면 요소가 음향적으로 Soundrose의 단면의 투사에서 가장 흥미롭기 보이기 때문에 종종 가장 유익한 정보를 제공해 주기도 한다. 소리의 측면 축은 리스너의 귀로 지나가고, 반면에 중앙을 가로지는 면은 사운드 소스에서 리스너의 시야각의 방향에 머리의 중앙을 통과하여 수직으로 지나간다(그림6). 일반적으로 측면 축 상에서 보여지는 두 개의 90도 콘 내로 떨어지는 방향으로부터 도착하는 소리는 대부분 측면효과에 기여한다. 중앙을 가로지는 면에서 도착하는 소리는 - 즉, 리스너의 정 방향, 위, 아래, 뒤는 측면효과에 기여하지 않는다.
무대상에서 음원과 리스너 사이에서, 두 명의 뮤지션이 서로 소리를 듣는다고 가정할 때, 무대상에 중앙에서 원형의 패턴에 놓여 있는 부채꼴 형태의 룸을 위해서 컴퓨터에 의한 이미지를 구성하였다(그림 7). 리스너의 원근법으로부터, 이미지들로부터의 소리가 동시에 귀에 도착할 것이고, 그러나 직접음의 도착으로부터 분리될 것이다. 부채꼴의 형태에서, 이런 현상은 후 벽으로부터 에코로 인식된다. 음 선들은, 현재 사용하는 (그림 8, 9)를 위해 여기에서 발생 되어졌고, 무대에서 관찰된 에코와 연관이 있고 어떻게 측벽이 긴 후 벽면과 함께 무대상의 에코를 "집중"하게 작업을 하는지를 보여준다.
가상 공간의 단면에 단지 하나의 경계 벽이 있다. 한 점으로부터 발생한 소리가 리스너의 측벽에 의해 반사된다. 그리고 파장에 의한 경로는 음선으로 (그림 1) 나타난다.
컴퓨터는 한 점의 이미지를 처음으로 자리하면서 음 선을 구성하는데, 이것은 반사된 소리의 음 원인 것처럼 보인다. 소리와 리스너 사이와 이미지와 리스너 사이의 거리는 소리로부터 리스너와 이미지로부터 리스너까지의 소리가 이동한 시간이다. 그림 2에서, 음 선은 사각형의 룸의 경계 표면에 의해 단지 한번 반사된 소리를 나타낸다. 음 선들이 종종 좀더 많은 반사된 소리를 나타낼 때는, 그들의 패턴이 좀더 조밀하고 복잡하다(그림 3).
더욱이 단지 단면에서 명확하게 보이는 천정 반사도 있다(그림4). 그런 음 선들은 천정과 처마 반사로 나타나고, 나중에 벽들과 천정의 교차되는 근처에 반사된 소리로 된다.
평면과 단면상의 음 선은 룸에 경계 면에 의해서 여러 번 반사된 소리로 나타난다. Soundrose는, 위의 원근법이나 단면에 의해서 볼 수 있다(그림 5). 소리들이 리스너에게 개별적으로 도착한 것처럼 반사된 소리의 세기의 정도와 방향를 묘사하고 있다.
여기에 보이는 3개의 시퀀스는 9개의 다른 룸에서 리스너에게 도착하는 소리를 묘사하고 있고, 완전한 부채꼴에서부터 완전환 역-부채꼴의 영역까지 - 다시 말해서, 측벽이 무대로부터 하나의 극 각에서 24도, 그리고 다른 극 각이 후 벽 근처에 근접하는 각이 -24도. 표현은 세가지 다른 기술적 방법을 사용하였다. 위에는 Soundrose, 중간에는 ray, 맨 밑에는 image. 부채꼴에서 직사각형으로 룸의 형태가 바뀜으로, 리스너에게 전달되는 소리는 좀더 측면화 된다. (투사된 음 선은 천정과 처마로부터 반사된 소리를 포함한 위의 평면에서 보여지고, 게다가 측벽으로부터 소리도)
반면에 리스너는 넓은 부채꼴 형태의 룸에서는 거의 비 측면 소리를 받아들이고, 룸의 형태가 점차적으로 직사각형에 근접함으로 측면효과는 증가된다. 이것이 리스너에게 소리의 풍부함, 엔벨로프, 따듯함 같은 기쁜 음악적 인식을 가능하게 하는 측면 반사의 다양한 효과이다. (우리는 이런 그림들이 단지 음원과 리스너의 가상의 조합을 위해 소리 패턴들을 묘사하는 것임을 기억해야 한다. 그 패턴들은 리스너와 음원의 위치가 변하면 변할 것이다.)
역-부채꼴형태의 룸에서, 리스너에 도착하는 소리는 직사각형 룸에서 보다 좀더 측면화 되다. 더욱이, 많은 소리 이미지는 뒤로부터 위로부터 또한 앞에서부터 리스너 주변에 좀 더 고르게 분포된다. 그런 룸은 콘서트 홀 설계에서 차후 개선을 위한 밝은 미래를 제공할 것이다.
일반적으로, 이런 위의 연구 결과들은 Envelopment, warmth, loudness, and intimacy로 묘사되는 음장의 긍정적인 성질들이 모두 음의 측벽효과가 증가함으로써 향상된다는 것을 보여주는 것이다. 어떤 연구자도 아직은 선호하는 측벽효과의 최상의 한계를 아직 발견하진 못했다: 최대한의 리스너 선호도는 최대한의 측벽효과에 의해 이루어질 수 있다. 모든 이들 저자들은 측면 사운드의 에너지의 중요성을 지적하고 있다는 것은 사실이다. 이것은 어떻게 하면 음악연주를 하는 룸의 설계에서 측면에너지를 증가시킬 수 있느냐는 질문으로 이어졌다.
룸의 형태와 음장의 측벽효과를 사이의 관계를 연구하기 위해서, Nicholas Edwards는 IMAGES라는 컴퓨터 프로그램을 개발하였고, 이것은 무대에 소스로부터 방사되는 음이 “Rays”에 의해서 룸의 경계면에서 반사되고, 특정 리스너 위치에 최종적으로 도달하는 경로를 추적하는 것이다.
거울에 의해서 반사된 빛의 결과로부터 이지미의 위치를 찾는 방법처럼, 컴퓨터의 프로그램에서 음원의 “이미지” 또는 “가상의 소소”의 위치를 찾는 것을 개발하게 된 것이다(그림1과 2). 이것의 기초적인 기능은 요즘 모든 시뮬레이터의 기초가 되게 되었다. 이런 이미지의 위치로부터, 룸 안에서 음원의 선(Ray)의 경로를 추적할 수 있다. 이런 컴퓨터 모델은 룸 패널 표면을 크게 하거나 높은 주파수에서 높은 타당성을 가질 수 있을 것이다. 확산이 비록 실질적인 룸에서 중요하지만, 시뮬레이션에서 포함되진 않았다.
그림 11 가청의 음상 이미지의 두 가지 예(1,2차)를 가진 룸 상황과 에너지 임펄스 응답
그림 12 직접음, 초기 반사, 늦은 잔향을 포함하는 룸의 에너지 임펄스 단순 모델
컴퓨터 모델로부터 얻어지는 방향 정보를 연구하기 위한 실질적이고 유용한 분석 툴은 그림 5에서 보는 “Soundrose”이다. Soundrose는 반사된 사운드 에너지의 민감도와 방향에 관한 오디토리움의 임펄스 응답을 보여준다. Soundrose상의 방사 라인의 상황은 반사된 음파의 도착으로부터의 방향을 나타낸다. 방사라인의 길이는 사운드의 민감도의 크기를 나타낸다. 좀더 정확하게 말하면 평면상에서 음원에서 리스너의 시야 라인과 측벽 축을 통해 지나는 민감도 크기의 대수값 성분의 비율이다. 최근에 3-D 시각화 기술의 발전과 더불어 2-D에 의해 표현되던 Impulse response표현 방법은 3-D 상에서 3차원 방향의 응답특성을 표현하게 되었다. [9]
이런 3차원 기술들은 음향에서도 좀 더 데이터 해석에 대한 좀더 구체적인 근거로 작용하면서 음향설계 방법에서도 혁신적인 방법을 고안하게 되었고, 여기엔 그림13,14,15에서 보는 Marshall Day Acoustics의 IRIS와 같은 툴이 대표적이라고 할 수 있을 것이다. 이 IRIS 툴은 Soundrose의 평면적 접근을 뛰어넘어 각 수음점에서의 3D impulse response 값을 보여주고 있다. 그리고 또한 CATT, Odeon, EASE, Sys-noise 등 여타의 툴에 의한 Data Verification 영역을 뛰어 다양한 비선형 개발 툴들을 활용한 반사벽체의 최적화 알고리즘 개발 영역 쪽으로 진화하고 있다.
Iris의 3D impulse Iris를 활용한 각 수음점의 impulse 특성
Iris plot에 대응하는 Omnidirectional impulse response
그림 13. Marshall Day Acoustics Iris를 활용한 3D impulse 측정 및 분석[9]
그림 14. Target acoustic signature and its primary reflection, Position 2/3rd back in the Hall [15]
3D intensity plots in Concertgebouw for positions 3D intensity plots in Disney Hall for Positions
R2(top) and R3(bottom) R2(top) and R3(bottom)
그림 15. Concertgebouw와 Disney Hall의 Receiver Position에 따른 3D intensity plots[10]
위의 이런 3차원 분석은 좀더 구체적인 관찰을 통해서 벽에 의한 영향을 세밀하게 관찰할 수 있게 해주었다. 이런 연구는 한층 더 진화하여 리스너 위치에서 최적의 값을 찾기 위해 반사벽체의 3차원 형상을 최적화 하기 위한 방법들을 연구하게 되었다. 이런 3차원 형상에 대한 연구는 결국 3차원의 비선형적 접근을 고민하게 하였고, 반사 벽체의 각도에 대한 다차원적 제어를 위한 연구에 모티브가 되었고, NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 곡선과 곡면에 대한 제어를 위한 연구로 발전하게 되었다. [11]
그림 16. 1st order ray study of a concave reflector in the Confederation Centre
그림 17. 1st order ray study entire(concave) lateral reflector array in the Confederation Centre
그림 18. 1st order reflection and receiving points for the convex reflectors at the Confederation Centre
그림 19. 2nd order reflection and receiving points for von Kuster Hall soffit reflector design.
On the receiving plane (the audience) the white dots indicate reflections arriving within the first 35ms. The red dots represent reflections arriving between 35ms and 50ms.
그림 20. 2nd and 3rd order reflection and receiving points for von Kuster Hall soffit reflector design.
그림 21. 2차 반사의 음향 시뮬레이션 : 검정색 음선 형태는 수직 표면을 향하는 직접 파장, 적색 음선 형태는 (두 개의 연속적인 반사 뒤에) 반사된 파장. 녹색 라인은 반사에 의해 커버되는 지역을 보여준다.
그림 22. 발코니가 없는 경우, 음선은 룸의 천정에서 반사된다. 비교적 큰 룸인 이유로, 이 반사들은 큰 지연시간과 함께 리스너에게 도달할 수 있다. 엔벨로프의 느낌과 명료도에 중요한 부분을 차지하는, 초기반사가 너무 적다.
그림 23. 작은 공간의 좌석들 때문에, 발코니의 낮은 면들은 초기 반사를 만들어낸다. 최고 높은 발코니 위엔, 측벽들 사이에 발전되어질 수 있는 잔향시간을 위한 일반적으로 충분한 천정고가 있다. 최고 높은 발코니 밑의 지역은 반사들을 만들어낼 수 있게 근본적으로 사용되어질 것이고, 명료도와 더욱이 음압과 초기 에너지를 증가시킨다.
그림 16,17,18에서는 3차원 공간에서 오목 반사채(Concave)와 볼록 반사채(Convex)의 1차 반사의 최적화 방법을 보여주는 그림이고, 그림 19,20,21,22,23에서는 처마(soffit) 밑의 2,3차 반사에 의한 영향에 대한 최적화 방법에 대한 연구를 보여주는 내용이다. [11, 13]
여기서 한층 더 들어가서, 우리는 비-측면과 측면 카테고리 속으로 입사되는 모든 각을 배치할 수 있다. 비-측면 각은, (그림6) 정중면으로 불리는 것에 가깝게 위치하고, 중앙의 뒤에, 바로 위에, 음원에 가시선에 가깝게 있다. 반면에 측벽각은 비-측벽각과 수직을 이루는데, 사람의 귀는 측벽입사각 쪽으로 향해 있다. 측벽 축 근처 방향으로부터 도착하는 사운드는 대부분 측벽효과에 기여하게 된다. Ablan Bassuet은 소리의 공간분포에 대한 분석을 위한 시각화 기술을 연구하면서 그림 24에서 보는 것처럼 측면구간에 구체적인 내용을 3차원으로 표현하기도 하였다. [10]
그림 24. 측면 에너지의 분해
여기서 우리는 그림에서 보는 것처럼 콘 이내에 방향으로부터 도착하는 사운드는 측벽의 사운드이고, 콘 밖에서부터 도착하는 사운드 비-측벽 사운드라는 것을 일반화 할 수 있을 것이다.
IMAGE 컴퓨터 모델을 이용해서, 콘서트 홀에서 발견할 수 있는 몇몇 공통적인 음향 현상을 설명할 수 있게 되었는데, 예로 부채꼴 형태 홀에서 발견될 수 있는 후벽 에코를 연구할 수 있다. 만약 부채꼴 형태의 룸의 후벽이 반사적이라면, 강한 “후벽 에코”는 무대에 좋지 않은 영향을 주고, 뮤지션들을 위한 마이킹 컨디션을 어렵게 만들 것이다.
만약 우리가 그림 7에서 이미지의 위치를 연구한다면 에코의 원인을 설명할 수 있을 것이다. 원형 패턴 안에 이미지 라인이 무대 쪽에 집중되어 있는 것을 알 수 있다. 더욱이, 무대쪽의 연주자들에게, 후벽으로부터 도착하는 소리와 직접음 사이의 에너지 부족, 후벽으로부터 돌아오는 소리의 상관관계와 세기, 그리고 연주자들 반대편인 룸의 끝으로부터 도착하는 에코는 복잡하고 힘든 청감 환경을 제공하게 된다.
우리는 룸의 형태가 무대쪽에서 인지되는 강한 에코를 발생시키는지를 부채꼴 형태의 오라토리움에서 에코의 분석을 수행하였다. 음선들을 통해서, 우리는 어떻게 룸의 경계면들이 에코를 만들어내는지를 알 수 있었다. 비록 후 벽으로부터의 음의 반사가 무대에 에코를 발생시키는데 주된 역할을 하지만, 그림 25에서 보는 것처럼 에코의 많은 부분들은 측벽에 의해서 후 벽 쪽으로 유입되어 인도되는 경로에 의해서도 발생하는 것을 알 수 있다.
그림 25. 부채꼴은 룸의 후면 방향으로 향하는 – 측벽의 반사가 있다 하더라도 – 앞쪽과 중간 영역에 어떤 반사된 소리로 부터 이득을 볼 수 없다. [14]
그림 26. 측면 반사의 부족은 단지 벽체나 천정에 음향적 반사 판을 설치함으로 부분적으로 보상될 수 있다.
많은 부채꼴의 형태의 홀에서 에코는 후벽에 흡음재질의 마감처리의 활용을 통해 억제할 수 있지만, 이것은 차후에 보면 알 수 있게 되겠지만 모두가 만족할 수 있는 솔류션은 아닐 것이다.
측면의 사운드와 룸의 형태와의 관계는 그림 10상에 다이어 그램의 결과에서 관찰 할 수 있다. 이 순서에서 원칙적으로 건축적 변수는 중앙선에 관련한 측벽의 각도이다. 이 각은 대다수 부채꼴룸을 위한 24도부터, 직사각형을 위한 0도, 대다수의 역부채꼴 룸을 위한 -24도까지 다양하다. 여기서 홀의 크기는 축소된 보스톤 심포니 홀을 기초로 했으며, 단순하게 하기 위해 측벽과 뒤 객석 발코니를 생략했다. 음원은 악장 위치 근처인 무대에 위치시키고, 리스너는 주 객석의 뒤쪽에 위치 시켰다. 벽과 천정면은 음의 완벽한 반사체로 가정되었고, 객석 좌석 영역은 완벽한 흡음재로 가정하였다. 앞서 논의 한 것처럼 후벽의 에코를 억제하기 위해서, 우리는 더욱이 부채꼴 형태의 움의 후벽에 흡음재질로 가정했다.
넓은 부채꼴 형태의 룸은 측면 방향으로부터의 매우 적은 양의 사운드가 도달되는 것을 관찰할 수 있다. 이런 룸에서의 음향은 일반적으로 얇고, 모노럴하고, 거리감이 있는 사운드, 톤의 충만함이 부족하다고 표현된다. 이런 룸에서 측면 사운드의 부족은 확실하게 좋지 못한 음향의 원인이 된다. 거기에서 또한 우리는 다른 인자들도 관찰할 수 있다. 예를 들어 악기가 매우 복잡한 패턴으로 소리가 방출된다고 가정해 보자. 바이올린은 강한 상 방향에, 부밍 노이즈를 포함하고, 높은 주파수 소리를 방사하고, 악기의 중간주파수 소리가 대부분 측면 쪽으로 방사되는 동안에, 저주파수는 모든 방향으로 방사된다. 악기의 방사의 정확한 디테일은 악기와 악기 음표 사이에 매우 다양하고 복잡하다.
리스너들에게 악기의 충분한 음질을 들려지기 위해서는, 악기에 의해 많은 방향에서 방사된 소리가 리스너들에게 잘 반사되어야만 한다. 여기서 리스너에게 도착하는 많은 음선은 룸의 형태에 따라 많은 영향을 받는다는 것을 관찰할 수가 있다. 도착하는 음선의 수와 더욱이 공간적으로 음원으로부터의 방사량을 증가시키면 증가시킬 수록, 악기의 충분한 음질을 리스너에게 제공하는 악기의 역할은 룸의 형상효과에 따라 배가될 수 있을 것이다.
대체적으로 리스너의 위치에 도달하는 음선의 수는 넓은 부채꼴 형태의 룸보다는 직사각형 형태의 룸에서 크게 나타난다. 우리는 부채꼴 형태의 룸에서 보다 직사각형 형태의 룸에서 충분한 음질을 기대할 수 있다.
직사각형 룸에서, 우리는 음이 다양한 방으로부터 리스너에게 도달하는 것을 관찰할 수 있다. 이것은 컴퓨터 시뮬레이션에서이지만, 우리는 룸에서 소리의 좋은 분배를 위해 때때로 필요하다고 말하는 “사운드 확산” 표면들이 없는 천정과 완벽하게 평탄한 벽이라는 가정하에서 IMAGE라는 프로그램에서는 음선을 분석하였지만 추후 많은 연구들이 그림 28에서 보는 것처럼 확산 음장을 구성하여 다양한 연구를 수행하였다.
그림 27. 확산처리가 없다는 가정하의 직사각형 룸(a), 부채꼴(b), 타원 형 룸(c)의 소리의 전파[14]
그림 28. 확산처리가 된 직사각형 룸(a), 부채꼴(b), 타원 형 룸(c)의 소리의 전파[14]
그림 29. Fan, Box, Reverse Fan 설계를 위한 Color C80 in SPL과 Dummy-head Icon – 부채꼴 형태의 홀(top left)은 더미-헤드 값의 편차가 너무 크고, 위 섹션 아이콘이 너무 작기 때문에 무적절한 C80값을 가진다. 박스 형태(center left)는 헤드들 사이의 편차가 줄어들고 좀더 나은 C80값을 가진다. 역-부채꼴 형태(bottom left) 명확히 홀-내에서 최소의 편차와 최고의 C80값을 가진다. 전후를 참조해서, 각 면은 그것들의 C80 에너지 레벨을 표현하기 위해서 색깔이 배정되었다. 적정한 C80값은 light blue를 최소로 시작해서 점차 증가해서 yellowish green을 최대값으로 색으로 대응하였다. 각 홀의 리스닝 표면에 색깔의 분석은 아이콘에 의해서 보여진 결과값으로 확인해준다.
그림 30. Fan, Box, Reverse Fan 설계를 위한 Color C80 in SPL과 Dummy-head Icon – 콘 각도들로부터, 하나는 부채꼴 형태(top right)는 명확하게 다른 홀보다도 특별하게 중간 지역에서 후면으로 갈수록, 리스너 위치에서 너무 적은 측면효과를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 박스 형태(center right)는 역-부채꼴 형태(bottom right)가 그런 것처럼 측면효과가 향상되었다. 역-부채꼴 형태는 홀의 뒤에서 좀더 좋은 측음화를 가지고 박스는 홀의 중간에서 우수한 측음화를 가진다.
이 페이지에서 콘서트 홀의 뷰들은 음원의 위치에서 뒤벽을 향해 보는 것 같은 이미지이다.
그림 31. 부채꼴과 슈박스와 역-부채꼴을 위한 평면상의 투사에서 나타난 더미-헤드 음선 다이어그램. 하나는 초기 반사 음이 부채꼴에서 최소의 측음(Top), 슈박스(Center)에서부터 역-부채꼴(Bottom) 구조로 갈수록 점차 측음이 증가하는 것이 좌측 열에서 음선 다이어그램과 음선 궤적을 통해서 알 수 있다. 부채꼴 홀과 박스 형태의 홀에서 다소 확장하기 하는 것은, 사이드 벽체들로부터 정 반사할 수 있는 사운드와 보여진 위치의 관측자에게 도달하는 사운드, 소스 매우 가까이에서 반사되어야 하고, 더욱이 가능한 측면화가 제한적이다. 무대로부터 멀어진 홀의 측벽에 면들의 존재함으로 역-부채꼴의 측음화는 증가되고, 리스너에게 소리를 정 반사하기 할 수 있게 된다.
그림 32. 부채꼴(top right), 슈박스(center right) 와 역-부채꼴(bottom right) 설계를 위한 평면 투사에서 더미-헤드 사운드 로즈 다이어그램 – 사운드 로즈 아이콘를 구성하는 레이의 상대적 크기는 색과 길이를 사용하여 나타내진다. 하나는 부채꼴 홀에 비해서 슈박스 홀과 역-부채꼴 홀에서 측음화가 향상되는 것을 알 수 있다. 하나는 또한 그것들의 기하학적 발생을 나타내는 측면화된 소리의 일반적인 지향적인 특성들을 알 수 있다. 여기서, 홀의 후면에 자리를 위한 슈박스와 역-부채꼴 설계의 우수한 측음화는 그림 8과 9의 시각화 결과와 일관되다.
역-부채꼴 형태의 룸은 거기에 한층 더 강한 음장의 측면효과가 있고 리스너의 좌우로부터 강력한 사운드가 도달하게 된다. 이런 형태의 룸은 아마 콘서트 홀의 설계에 있어서 더 나은 향상을 위한 훌륭한 미래를 약속할 것이다. 이것은 아마 측면효과를 위한 그들의 잠재력이 직사형의 측면효과보다 더 좋게 나타날 것이다. 아마 이런 형태 내에서 관객과 연주자를 수용하는데 어려움이 있기 때문에, 그런 형태의 공연장이 매우 적게 건설되었다.
사실상 룸의 형태가 음악 연주를 위한 음향의 모든 면에 영향을 미치게 된다. 비평적인 리스너들은 종종 부채꼴 형태의 룸이 비슷한 사이즈의 직사각형 룸의 음향 퀄리티보다 떨어진다고 평하기도 한다. 우리는 평면 형태상의 기본적인 차이가 소리에 차이의 큰 척도의 원인이 된다는 것을 여기서 추론할 수 있다.
최근의 연구의 결과들은 측면 사운드의 중대한 중요성을 보여준다. 그림 29,30,31,32는 보스톤 심포홀 크기의 3차원 공간에서 부채꼴, 슈박스, 역-부채꼴 홀의 3차원 공간에서 여러 수음점을 지정하여 다양한 음향지수 값(C80, Lateral Fractions, early reflections, soundrose)을 분석하였다[12]. 여기에서 뿐만 아니라 많은 연구들에서 측면 사운드 에너지와 다른 음향 인자들에서 룸의 형상의 효과들을 입증하였다. 더욱이 음향적 학문분야는 직사각형 룸이 음향적으로 우수하다는 긴 기간 동안의 비평가들이나 뮤지션들의 의견들에 가깝게 동의하고 있다.
아마 가장 흥미진진한 것은 아직도 극복해야 할 과제들이 많지만 3차원 디자인, 분석 툴들의 발전에 힘입어 약간의 시행착오가 있고 비교적 시도해 보지 않은 역-부채꼴 형태를 구체적으로 발전시켜 나감으로 현재에 직사각형 룸에서 발견된 “최상”의 음향을 향상시킬 수 있는 전망이 있다는 것이다. 이것은 아마 보스톤 심포니홀, 컨서트게보우, 뮤지퍼라인잘 보다 더 좋은 음향 성능을 가지는 새로운 콘서트 홀을 설계할 수 있는 가능성이 있다는 것이다. 다음 호에서는 음향 파라미터의 구속조건을 만족시키기 위한 콘서트 홀의 벽체 구성 방법 대한 내용을 다루어 보려고 한다.
References
1. Barron, M "The effects of early reflections on subjective acoustical quality in concert halls," Ph.D.
Thesis, University of Southampton, England, 1974.
2. Gottlob D., "Comparison of objective acoustic parameters in concert halls," Ph.D. thesis, University of Gottingen, 1973.
3. Kurozumi, K., and Ohgushi, K, "The relationship between the cross- correlation coefficient of two-channel acoustic signals and sound image quality," J Acoust. Soc Am. 74 (1934), 1726-33.
4. Ando, M, "Calculation of subjective preference at each seat in a concert hall," J Acoust. Soc. Am.
74 (1933), 373-337.
5. Wilkens, H., in Cremer (see refrence 7), 604.
6. Blauert,. I, Raumliches Horen, Hirzel, Stuttgart, 1974.
7. Cremer, L., "Principles and applications of room acoustics," Vol 1, Applied Science Publishers, England, 1978
8. Meyer, J "Acoustics and the performance of music", Vol 33, Technical Handbook Series on Musical Instruments, Verlag des Musikinstruments, Frankfurt am Main, 1978.
9.Malcolm Dunn, "Visulization of early reflections in control rooms", Audio Engineering Society Convention Paper, Presented at the 137th Convention 2015 October 9-12.
10. Alban Bassuet, "New Acoustical Parameters and Visualization Techniques to Analyze the Spatial Distribution of Sound in Music Spaces", Procedings of the international Symposium on Room Acoustics, ISRA 2010, 29-31 August 2010, Mebourne, Autralia.
11. John O'Keefe, Payam Ashtiani, "A New software tools to facilitate NURB based geometries in acoustic design", International Symposium on Room Acoustics, 2013 June 9-11, Toronto, Canada.
12. Adam Stettner, "Computer Graphics techniques for Acoustic Simulation", SIGGRAPH '89, Boston, 31 July-4 August, 1989
13.KahleAcoustics, "Philharmonie de Paris Acoustic Brief Section on Concert Hall only"
14. Takatoshi Yokota, Shinichi Skamoto, Hideki Tachibana, "Visulization of Sound Propagation and Scattering in Rooms"
15. Alban Bassuet, Dave Rife, Luca Dellatore, "Computational and Optimzation Design in Geometric Acoustics", International Symposium on Room Acoustics, 2013 June 9-11, Toronto, Canada.
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