신디사이저(Synthesizer)의 원리

 

 예전에는 각 각의 음원이 고유의 소리를 발생시켰지만 지금은 신디사이저 하나로 세상의 모든 소리를 만들어 내는 세상이 되었다. 그야말로 세상의 모든 소리를 만들 수 있으며 심지어는 세상에 없는 소리까지 발성할 수 있다. 그러니 세상의 모든 악기, 세상의 모든 동물, 세상의 모든 소리내는 물체, 인간의 상상속에나 존재하는 세상에 없는 것들까지 신디사이저에는 함께 소리로써 들어가 있다고해도 과언이 아니다. 

[그림1] 신디사이저(Synthesizer)

 신디사이저는 [그림1]에서 보는 바와같이 건반으로 모든 소리를 연주하고 발성하도록 되어 있다. 물론 악기음을 낼 경우는 피아노 건반의 음계와 같은 음계의 주파수 음정의 소리를 발생시킨다. 따라서 신디사이저의 건반은 소리를 발생시키는 스위치로 볼 수도 있다. 아무튼 신디사이저의 원리는 소리에 대한 이해를 하면 간단하게나마 파악이 된다. 

 쉽게 말해서 소리는 크기와 높이, 맵시라고하는 소위 소리의 3요소를 갖고 있으므로 이들 요소에 대해 이해하고, 복합음과 소리 크기의 시간적인 변화를 나타내는 소위 엔벨럽(Envelope)에 대한 이해를 하면 신디사이저의 원리를 이해할 수 있다. 물론 전기적인 회로에 대한 이해까지 다 할 필요는 없다.

 먼저 소리는 대부분이 기본음(fundamental frequency)과 그 배음(overtones)으로 합성된 복합음(complex tone)이다. 이 때 기본음과 배음구조가 같아서 소리의 높낮이 즉, 음정이 같을지라도 각 스펙트럼의 소리에너지 분포가 달라지면 그 합성음의 파형 즉, 소리 맵시가 달라진다. 따라서  우선은 기본음 사인파(sinusoidal wave)와 배음의 사인파를 발생시키는 회로가 필요하다. 발진회로를 이용하여 전기적인 사인파를 발생시킨다. 그런 다음 각 성분음(기본음과 배음)들의 세기를 각 악기음의 배음의 세기 패턴에 맞추어 바꾼 모든 성분음을 합성한다.  그러면 각 악기음의 음계와 음색에 맞추어진 파형을 얻을 수 있게 된다. 

 그러나 발진을 시키는 방법에 위와같은 방법외에 다른 방법이 있다. 그 중에 대표적인 방법이 삼각파나 사각파를 발진시켜 필터(filter)회로로 성분파를 걸러내고, 조절한 후에 합성하여 각 악기음의 음색을 만든다. 사각파나 삼각파는 그 자체에 아주 많은 배음성분을 갖고 있다. 

 발진을 해서 합성을 하여 음색을 맞추는 방법으로는 다양한 변조 방식이 있다.  사각파나 펄스(pulse)파의 폭을 변화시켜 변조하는 펄스폭변조(pulse width modulation)가 있고, 주파수변조(frequency modulation) 방법 등이 있다. 이런 회로적인 처리 방법을 알아보고 싶으면 별도로 공부해야 한다. 

[그림2] 소리의 발생과 소멸 과정(https://www.zytrax.com/tech/audio/sound.html)

 성분파를 합성할 경우, 단순하게 성분파를 더한다고 소리가 완성되는 것이 아니다. 사실 모든 소리는 발성할 때 시간에따라 소리의 크기 즉, 소리 진폭이 증가(Attack)하고, 약간 감소(Dacay)하고, 일정하게 유지(Sustain)하고, 진폭이 소멸(Release)하는 과정을 거친다. 다만 각 소리마다 이들 각 구간의 시간 간격이 다르기 때문에 각 악기의 고유한 ADSR 과정을 맞추어야 한다.

 위 과정은 아날로그(anolog) 방식을 설명했다. 아날로그 방식은 각 구간을 대부분 전압(voltage)을 조절하여 다루지만 디지털(digital) 방식은 발진파를 디지털 코드(참조: 2019/11/30 - [소리이야기] - 디지털 음원) 로 바꾸어 DSP(digital signal processing) 과정에서 알고리즘(algorithm)에 맞춘 프로그램(program)으로 합성, 변조하여 원하는 악기음을 발생시킨다. 디지털 방식에서의 변조는 PCM(pulse code modulation) 방법을 주로 사용한다. 악기음 같은 정형화된 소리 이외의 소리는 다이얼 스위치 등으로 여러 음향요소들을 임의로 변화시켜 발생시킬 수 있다. 

            ---------------- by  Dajaehun