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3 음향판의 설계에 관하여
최동수  (Homepage) 2011-01-16 12:42:26, 조회 : 5,060, 추천 : 1230

3. 음향판의 설계에 관하여

여기서 말 하고자 하는 것들은 이미 다 알려진 사실인지도 모르지만, 그래도
그것을 한 번 더 간추려보는데 의의를 두고자 한다.
저자는 기타를 만들기 전에 오랜 시간을 두고 기타제작에 관한 출판물들을 거의
다 섭렵하였다.
그러나 음향판에 관해서는 내용 대부분이 일반적 원리로서 초심자에게나 적당한
수준으로 각별한 도움은 되지 못하였다.
결국 실습을 통해서 문제점과 해결방안을 터득할 수밖에 없었다.
알다시피 기타는 매우 비효율적으로 탄현에너지를 음향으로 변환시키는 악기이다.

-어떻게 해서든지 기타의 견고성을 해치지 않는 범위 내에서 음향판을 가벼운
구조로 만들 수만 있으면 탄현에너지를 발현에너지로의 변환이 증가될 것은
분명하다.

-음향판은 가능한 한 누그러진 상태로 되어야 한다. 따라서 제작하는 동안에
불필요한 내부응력이 남지 않도록 주의해야 한다.
위의 2가지야말로 좋은 기타를 만드는데 가장 중요한 요소이다.
이런 관점에서 기타제작에 도움이 될만한 주안점을 소개하고자 한다.


음향판용 목재와 두께 :

음향판용 목재는 일반적으로 널리 사용되는 European Spruce, Sitka Spruce,
Engelman Spruce, Redwood 및 Red Cedar 의 예를 들었다.

-European Spruce(German 또는 Norway Spruce) : 가문비나무, 소나무과,
북유럽에 가장 많은 조림수종이다.
가장 전통적인 기타 재료로 알려져 있다. 이 목재는 수축률 뿐 아니라 물리적인
성질(압축, 인장, 휨, 및 전단강도)이 실제로는Sitka Spruce나 Engelman
Spruce보다 떨어진다.
특기할만한 것은 이것을 제외한 나머지 목재는 뒤늦게 발견된 아메리카
대륙산이라는 점이다.

-Sitka Spruce : 소나무과, 알라스카와 남캘리포니아 해안선을 따라 분포.
가문비나무에 비하여 휨강도가 강하다.

-Engelman Spruce : 소나무과, 록키산맥 중부 워싱턴주 애리조나 주에 분포.
이상은 두께를 2.2 내지 2.7mm로 하는 것이 적당하다.
만약 두께가 그 이하의 경우 탄현 시 Over-power가 되거나, 그 두께를 초과하면
기타의 바람직한 음색인 또렷하고 파삭파삭하거나, 밝고 발랄한 소리를 내기 어렵다.
Engelmann Spruce는 약간 더 두꺼워야 될 듯하다. 자칫 German Spruce처럼 얇게
했다가는 낭패할 수도 있다.
  
-Red Wood(Sequoia) : 낙우송과, 캘리포니아 해안 분포. 보존성이 강하다.
수축률이 제일 작다.
항간에 Red Wood가 습기에 약하다는 소문이 있으나 자료상으로는 그렇지 않다.
침엽수중 가장 가벼워서 이론상으로는 음향판에 가장 적합하다.

-Red Cedar : 측백나뭇과, 알라스카에서 북캘리포니아에 분포. 짙은 향기가 있다.
병충해에 강하고 내수성과 내구성이 강하나 쪼개지기 쉽다.
위의 두께는  2.5 내지 2.9mm까지가 적당한 듯하다. 너무 얇게 만들면 쉽사리 Over-power
되고, 대형 콘서트홀에서 확성기 없이 연주하기에는 무리가 있다.

음향판을  경사지게 :
음향판 전면을 중앙에서 주변으로 또는 브릿지에서 몸통 하단 쪽으로 점진적으로
얇게 다듬어주면 음향의 방출이 향상될 수가 있다.
이는 약간의 고운 쌘딩으로 가능하며 두께의 차이는 0.25mm 정도면 충분하다.
이 작업은 미리 절반 정도만 해두었다가 나머지는 기타조립 후 마무리 쌘딩 시에 하면
적절하다.
지나치게 얇아지면 고음발현이 약해진다.

각종 상목의 강성 조절 :
브릿지 바로 하측에 1mm 정도 두께의 얇은 판목을 대어주면 Concert 기타에
걸맞게 강한 탄현이 가능하고 발현도 강해지는 것은 가능하나, 뭔가 기타 고유의
부드럽고 감미로운 즉 엷은 음색을 잃게 된다.
자칫 음의 발현이 더디거나 거문고 같은 소리를 내게 되므로 주의를 요한다.
외국에서 이런 방식으로 제작된 명기는 그렇지 않은데 반하여, 유독 우리나라에서
제작된 기타의 경우 그 정도가 심하고, 또 의아스러운 것은 제작가 자신이 이런 소리가
강미가 있다고 만족하고 있다는 사실이다.
마치 일제 기타를 벚꽃에 빗대듯이, 우리에게도 뭔가 치즈와 김치의 차이가 있는 듯 하다.
발현음의 밝고 따스함은 음향판의 유연함과 상목의 강성이 덜함에 따른다고 생각된다.
그러나 음향방출은 발현출력과 견고성의 절충으로 이루어질 수밖에 없으므로,
음색을 살리고자 견고성을 무시했다간 Over-power 되거나 망가지기 십상이니 어쩌랴….


성공 사례 검토 :

1) 부챗살 재료 선정 :
부챗살용 재료로 가볍고 강한 Red Cedar을 쐐기로 쪼개서 사용하였다.

2) 부챗살 단면 조정 :
4각형 단면의 Moment of inertia(여기서는 편의상 강성치)의 공식에 대입 해보자.
I = b×/12에서   I = 강성치 이고,   h  = 높이 이며,   b = 가로두께 이다.
가)  b=4,  h=6 이면 : 단면적= 24,  강성치 = 4 ×/12 = 864/12 = 72.
나)  b=3.5,  h=7이면 : 단면적= 24.5,  강성치 = 3.5 ×/12  =1,200/12 = 100.
나)의 결과 치를  보면 흔히 사용되는 4×6mm 보다 단면적은 비슷한데 비하여,
강성치가 38%나 증가되는 것이다.
즉 재료의 강성치가 높이의 3제곱만큼씩 크게 달라진다는 것을 알 수 있다.
계산상으로는 가로두께(b)를 3mm로 해도 충분하지만 혹시라도 음향판에 부챗살의
자국이 나타나는 문제를 염려하여 3.5mm를 채택하였다.
부챗살의 단면을 3각형으로 다듬는 경우, 사실상 3각형부분 높이의 절반만큼
기하학적 유효 높이가 줄게 되어 강성이 저하될 뿐 아니라, 또 3각형의 모서리는
훼손되기 쉬우므로 둥글게 다듬어 단면의 효율을 높였다.
브릿지를 경계로 볼 때 사운드 홀 쪽은 눌리는 힘이 작용하고, 뒤쪽은 들리는
힘이 작용한다.
이 경우 브릿지의 중심부위에는 이론상 아무 힘도 걸리지 않는 중립축이 있기
마련이다.
브릿지 아랫부분의 부챗살을 깎아 낮춰주어 조금이라도 음향판의 뻣뻣함을
누그러트렸다.

3) 부챗살 수효 조정 :
전통적인 7개의 부챗살 중 가운데 것을 생략하여 6개로 줄이고, 그 대신 1mm의
판목으로 접합부위를 보강하였다. 부챗살은 12번 프렛을 초점으로 하여 같은
간격으로 배치하였다.
3.5×7mm의 부챗살 6개를 채택한 경우 강성치의 합계가 6 × 100 = 600으로 되어,
4×6mm의 부챗살 7개의 강성치의 합계 7 × 72 =504와 비교할 때 전체적인 강성이
오히려19%나 증가된 것을 알 수 있다.

4) 상목의 변경(유연성 있는 상목) :
아랫상목의 크기를 일반적인 6×15mm 대신 4×10mm 크기로 축소하였다.
이를 위해 0.5mm두께의 얇은 Graphite 시트를 각 2mm 두께의 상목 사이에
넣어서 완만한 곡선형으로 합판을 만든 것이다.
상목 양쪽의 휜 부분을 몸통허리께에서 위쪽으로 치켜서 부착시켰다.
(이는 자동차 Torsion Bar의 원리에 착안한 것이다).

5) 비스듬한 상목 추가 :
아래몸통의 고음부 쪽에서 아랫상목의 중앙까지 비스듬하게 상목 하나를
추가하였다.
그동안 저음의 진동부위를 늘리기 위해 음향판의 강성을 여러모로 낮추었으므로,
이는 별도로 고음의 발현을 향상시키기 위한 조치였다.

6)  “八”자형의 작은 상목 조정 :
아래몸통 하측에 있는 “八”자형의 작은 상목은 길이를 줄이고 설치각도는 좁혔다.
(근래의 형상은 부챗살처럼 보이지만 류트 제작당시 원래 현가 뒤쪽에 있던
상목이었으므로 여기서도 상목이라 칭한다).

결론 :
이럭저럭 조금씩 강성을 줄여서 제작된 그 기타가, 희한하게도 엄청난 저음과
더불어 기타 특유의 부드럽고 감미로운 음색을 창출한 사례가 있다.
누구나 이렇게 만들어야 한다는 게 아니라 앞으로 기타의 음향판을 설계할 때
참고하라는 뜻에서 기록하였다.
저자의 의견은, 기타제작에 관한 한 세상에 진짜 “비결”은 없다는 것이다.
다만 이곳저곳 아주 쪼금씩 개량의 여지가 있는데 그게 바로 비결인지도 모른다.


적용 사례(1958년 이전 것은 제외함) :
- 쌔들 직하부에 상목 설치 :
   Robert Bouchet(1967), Daniel Friedrich(1969), Robert Holroyd(1983),Richard Schneider(1973).

- 브릿지 하부에 판목 설치 :
   Arcangel Fernandes(1958) Iganacio Fleta(1960),  Hernandez y Aguado(1963) Miguel Rodrigues(1976), Robert Ruck(1981),Masaru Kono(1963). Richard Brune(1986), Paulino Bernabe(1994).

- 아랫상목 자체를 비스듬히 설치 : Robert Ruck(1981), Robert Holroyd(1983),Martin Fleeson(1981).

- 구부러진 아랫상목 설치 : Herman Hauser Ⅲ(1989).

- 경사진 상목을 아랫상목의 중간까지만 추가 설치 : John Gilbert(1985).  
  
- 부챗살을 앞뒤로 나누어 설치 :  Richard Schneider(1973), Thomas Humphrey(1990).

- 부챗살을 격자형으로 설치 : Greg Smallman(1987),

- “八” 자형 작은 상목의 각도를 줄이고 짧게 설치 :    Arcangel Fernandes(1958),
Jose Ramirez Ⅲ(1960),  Miguel Rodrigues Jr.(1976),

- 八 자 상목을 아예 없이함 : Herman hauser Ⅲ(1989).


Kasha Design 사례 검토 :

음향학자인 Dr.Michael Kasha는 기타제작가인 Richard Schneider와 공동 연구 끝에 과학적
개념에 입각하여 전혀 새롭고 획기적인 기타의 설계를 완성시켰다.
이 설계에 의하여 Schneider는 “Wanda"라는 이름의 기타를 제작한바, 이미 세계적인 명기의
반열에 올라있다.
Kasha Design에 대해 설명하자면 워낙 그 내용이 방대하므로 추후에 다루기로하고 여기서는
그 특징적인 요약만 하고자 한다.
- 브릿지의 형태가 비대칭형으로, 이를 근간으로 하여 구부러진 상목과 아래위로 나누어진 많은
수의 부챗살이 전적으로 음향이론에 따라 배열된다.
- 네크, 지판의 경사, 브릿지 쌔들의 높이 및 음향판의 작동에 이르기까지 모두가 발현에 직접적인
영향을 준다.
- 심지어, 기타에서 금기시 하던 관습을 깨고, 머리와 몸통의 아랫지주에 금속체를 묻어 탄현에
대한 관성까지 증진시켰다.
- 고유 음조를 후판이 음향판보다 반음을 낮도록 G 및 G#으로 조율하였다.
브릿지 부위에서 부챗살을 윗몸통과 아랫몸통의 양쪽으로 나누는 것은 비록 균등하게 배치하지는
못해도 참신한 발상 이다.
이 경우 발현 에너지의 배분에 변화가 생기게 된다. 이렇게 부챗살이 나뉨으로서 저음의 발현 시
괄목할만하게 큰 반응을 보여준 것은 확인 되었다.
그러나 음질이 더 좋아졌다거나, 음량이 늘어나도 엄청나게 커진 것은 아니었다.
현대 기타의 상목이나 부챗살의 배치야말로 오랜 세월을 거치며 오늘에 이르렀듯이, Kasha Design도
차후 더 많은 실험과 경험을 거쳐 개량을 거듭하여, 음향판의 보완 뿐 아니라 음질의 조율을 해야 할
여지가 있음을 체험하였다.
그러나 상하로 나뉜 부챗살이 음향판의 비틀림에 견디는 구조적 기능은 안정적이었다는 것은
기록 할만 하다.


Greg Smallman 사례 검토 :

Greg Smallman의 기타는 음향판이 아주 가벼운 대신 측판과 후판은 아주 탄탄하고  무거운 것으로
알려져 있다.
그가 자기류의 기타를 설계하기 전에 그는 세계적인 명기의 형상대로 부챗살을 모든 종류대로
다 만들어서 실험 해보았다고 한다.
그러나 크게 달라지는 게 없더라는 얘기다. 심지어는 부챗살이 향공을 건너지르도록 해봐도 별로
달라지지 않더라는 것이었다.
한번은 기타를 아주 탄탄하게(Tight) 만들었더니 소리가 빵빵거리더라는 것이다.

Smallman 기타의 특징을 대충 요약하면 :
- 전체 무게는 명기들의 평균무게(1600gr.) 보다 훨씬 무거운 2000gr. 이상.
- 음향판의 고유음정을 G내지 G#에 가깝도록 조율을 한다.
- 음향판 재료는 반드시 Red Cedar만 사용한다.
- 일반 부챗살 대신 80⁰ 각도의 18개의 Balsam으로 만든 부챗살로 대칭형 격자를 짠다.
- 부챗살 단면의 크기는 다듬기 전에 3×8mm로서 가늘지만 매우 강한 것이며, 그러고도
하측에는 Carbon Graphite Fiber를 부착한다.
- 음향판의 두께는 아주 얇은바, 브릿지 근처 중앙부위는 1.6mm정도이고 양쪽 변은 0.6mm밖에
안되는 경우도 있다고 한다.
물론 이 부분도 하측에 Carbon Graphite Fiber로 보강 하였다.
- 측,후면은 반사작용에 주안점을 두어 탄탄하게 제작하여 음향판의 울림을 모두 반향 시키도록 한다.

Smallman의 악기는 전통적인 설계와는 거의 반대방식으로 제작되었음에도 불구하고 세계적인
명기의 반열에 올라있는 것이다.


참고 문헌 :
American Lutherie(The Quarterly Journal of Guild of the America Luthier's)
- Gila Eban / Ted Davis /Graham Caldersmith / Jim Williams.
Guitars(from the Renaissance to Rock)
-Tom and Marry Anne Evans.


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