2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2004 · 문제 17 · 파동·음향

혀로 빚는 통나무의 음색 — 디저리두

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2004 문제 17 ‘Didgeridoo’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2004 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「파동과 소리」(소리의 발생·전달, 소리의 3요소, 공명) / 고등학교 「물리학」의 파동 단원(정상파·기주 공명·소리의 성질·배음) / 「과학탐구실험1」의 탐구 수행 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

관악기, 입술 리드(입술 판막), 관 공명, 한쪽 열린 관(기주 공명), 고유 진동수, 배음(하모닉), 음원–필터 모형, 성도(vocal tract) 공명, 음향 임피던스, 포먼트, 드론(지속음), 스펙트로그램, 푸리에 변환(FFT), 순환 호흡

원리 살펴보기

속이 빈 통나무 하나로 어떻게 웅웅대는 저음부터 새·짐승 울음까지 수십 가지 음색을 낼까? 오스트레일리아 원주민(애버리지니)의 전통 악기인 디저리두는, 연주자가 관 한쪽 끝에 입술을 느슨하게 대고 부르르 떤다. 떨리는 입술이 판막처럼 공기를 끊었다 흘렸다 하며 관을 울리는 소리의 원천이다(입술 리드) — 트럼펫·트롬본 같은 금관악기와 같은 방식이다. 긴 관은 고유 진동수에서 공기 기둥이 크게 울리는 공명관이어서, 관의 공명에 맞는 진동수가 특히 세게 살아남아 낮게 깔리는 지속음(드론)을 만든다.

여기까지는 금관악기와 같지만, 디저리두의 진짜 비밀은 그다음이다. 연주자의 입안과 목구멍, 곧 성도(聲道)가 또 하나의 공명 상자로 작동해, 입술이 만든 배음 풍부한 소리를 걸러 특정 대역만 도드라지게 만든다. 성도가 공명하는 진동수(음향 임피던스가 큰 곳)에서는 공기 흐름이 억눌려 소리가 약해지고, 그 사이 대역(임피던스가 작은 곳)은 잘 빠져나와 스펙트럼에서 봉우리로 솟는다 — 이 봉우리가 음색을 결정하는 포먼트다. 그래서 혀와 입 모양을 바꾸면 포먼트가 움직여, 말할 때 모음이 바뀌듯 음색이 변한다 — 음색을 조각하는 것은 통나무가 아니라 연주자의 입과 목인 셈이다.

디저리두의 열쇠인 ‘음원–필터’ 원리는 악기와 공학 곳곳에 나타난다. 금관악기 연주는 입술 리드로 관을 울리고 입·목 모양으로 음색을 다듬으며, 음성학·음성 합성의 포먼트는 성대 소리를 성도가 걸러 모음을 구별해 원리가 같다. 음향 필터·공명기 설계는 특정 대역만 통과·억제해 소리를 다듬고, 소음 제어용 머플러는 관·공동 공명으로 소음 진동수를 골라 잡는다.

실험 설계

준비물

디저리두 대용 관(길이 1~1.5 m의 PVC 관이나 종이·플라스틱 관), 스마트폰과 무료 스펙트럼 분석(FFT)·스펙트로그램 앱, 마이크(스마트폰 내장 또는 외장), 관을 받칠 스탠드, 줄자, (선택) 입술 진동(버징)을 연습할 개인용 마우스피스나 짧은 관.

변인

독립변인은 연주자의 성도 모양(혀의 높이·위치와 입 벌림)이다(한 번에 이 형태만 바꾼다). 종속변인은 소리 스펙트럼에서 도드라지는 포먼트 대역의 진동수와 세기이다. 통제변인은 대용 관의 길이·안지름, 입술을 떠는 방식과 부는 세기, 마이크 위치, 기온(음속)이다. 관을 바꾸는 실험은 성도를 고정하고 관 길이만 바꾼다.

실험 순서

  1. 관 한쪽 끝에 입술을 느슨하게 대고 떨어(버징) 낮은 지속음(드론)을 낸 뒤, 스펙트로그램으로 기본 진동수와 배음의 기준 스펙트럼을 기록한다.

  2. 드론을 내면서 혀를 올렸다 내리거나 입 모양을 ‘이–아–오’로 바꾸며, 도드라지는 밝은 띠(포먼트)가 오르내리는지 관찰·녹음한다.

  3. 입·혀 모양을 몇 가지로 나누어(혀 높음/낮음, 입 좁힘/벌림) 각 조건을 여러 번 기록하고 포먼트 진동수를 읽는다.

  4. 성도는 그대로 두고 길이가 다른 대용 관으로 바꿔, 드론의 기본음과 포먼트가 각각 어떻게 달라지는지 본다.

  5. (선택) 순환 호흡으로 소리를 끊지 않고 이어 내며, 숨을 바꾸는 순간에도 드론·포먼트가 유지되는지 살핀다.

안전 안내

⚠ 안전

순환 호흡이나 오래 부는 연습은 과호흡을 부를 수 있어, 어지럼·두통·손발 저림이 오면 즉시 멈추고 앉아 숨을 고른다(장시간 연속 연주 금지). 입을 대는 관은 침으로 세균이 옮으므로 함께 쓰지 말고 각자 쓰거나 소독한 뒤 쓴다. 큰 소리를 오래 들으면 청력이 상하니 음량을 키우지 말고, PVC 관은 자른 가장자리를 매끈하게 다듬는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

드론을 내면서 혀를 높이 올려 입안을 좁히면, 스펙트럼에서 도드라지는 포먼트 대역은 높은 쪽으로 옮겨 갈까, 낮은 쪽으로 옮겨 갈까? 또 성도가 같아도 관 길이를 바꾸면 포먼트가 함께 움직일까, 기본음만 달라질까?

자료 정리

조건별 스펙트럼에서 포먼트 대역의 중심 진동수를 읽어 표로 모은다. 가로축을 성도 모양(혀 높이나 입 벌림), 세로축을 포먼트 진동수로 그려 성도 변화에 따른 포먼트 이동 경향을 본다. 드론의 기본음·배음 간격은 관 길이별로 따로 정리한다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

혀를 올려 입안을 좁히면 포먼트 대역은 높은 쪽으로, 입을 벌리면 낮은 쪽으로 옮겨 가는 경향이 예상된다(봉우리마다 이동 방향은 다를 수 있다). 반면 드론의 기본음·배음 간격은 성도를 바꿔도 거의 그대로이고 주로 관 길이에 따라 달라질 것으로 보인다. 관은 기본음(드론)을, 성도는 음색(포먼트)을 나누어 정한다는 것을 스펙트럼으로 확인하는 것이 이 탐구의 핵심이다. 곧 다양한 음색은 통나무가 아니라 연주자의 입·목이 배음을 걸러 빚어낸 결과다. 다만 학교 수준에서는 성도 임피던스를 직접 잴 수 없어, 포먼트 이동으로 성도 공명을 짚는 데 그친다.

더 탐구하기

  1. 혀·입 모양을 모음 ‘이·에·아·오·우’처럼 바꿔, 각 모음의 포먼트 자리가 사람 목소리의 모음 포먼트와 닮았는지 스펙트로그램으로 비교해 보자.

  2. 드론에 목소리를 얹어(성대를 같이 울리며) 새·짐승 울음 같은 소리를 만들고, 순수한 드론과 스펙트럼이 어떻게 다른지 살펴보자.

  3. 길이가 다른 대용 관을 여러 개 만들어, 한쪽이 입술로 거의 막힌 관의 4분의 1 파장 공명(f ≈ v/4L)처럼 기본음이 관 길이에 반비례하는지 확인해 보자.

  4. 순환 호흡을 익혀 소리를 길게 이어 내며, 숨을 바꾸는 순간에도 드론·포먼트가 유지되는지 확인해 보자.

연결 주제

같은 해 IYPT 2004의 소리·공명 형제들이다. 문제 5 ‘소라 껍데기’는 관·공동 공명을 배경 소음으로 ‘듣고’, 문제 12 ‘쿤트 관’은 관 속 정상파를 가루로 ‘보이게’ 만드는데, 디저리두는 그 관 공명을 입술과 성도로 ‘연주’해 음색을 빚는다 — 초점만 다른 같은 공명 물리다. IYPT 2020 문제 3 ‘소리 튜브’(흐름이 관을 자려발음으로 울리는 사촌)와는 마이크·스펙트로그램으로 배음·공명을 읽는 측정법을 공유한다.

참고문헌

[학생] UNSW Music Acoustics(J. Wolfe 그룹) ‘Didgeridoo/yidaki acoustics’ 해설 / 위키백과 ‘Didgeridoo’(구조·연주법·순환 호흡) / 영상 검색어 “didgeridoo spectrogram formant”, 앱 “phyphox” / [심화] A. Z. Tarnopolsky, N. H. Fletcher, L. C. L. Hollenberg, B. D. Lange, J. Smith, J. Wolfe, “The vocal tract and the sound of a didgeridoo,” Nature 436, 39, 2005, doi:10.1038/43639a (포먼트가 성도 음향 임피던스의 골과 대응함을 동시 측정으로 규명) · A. Z. Tarnopolsky 외, “Vocal tract resonances and the sound of the Australian didjeridu (yidaki). I. Experiment,” J. Acoust. Soc. Am. 119(2), 1194–1204, 2006, doi:10.1121/1.2146089 · N. H. Fletcher 외, “… II. Theory,” J. Acoust. Soc. Am. 119(2), 1205–1213, 2006, doi:10.1121/1.2146090 · J. Smith, G. Rey, P. Dickens, N. Fletcher, L. Hollenberg, J. Wolfe, “… III. Determinants of playing quality,” J. Acoust. Soc. Am. 121(1), 547–558, 2007, doi:10.1121/1.2384849 (좋은 디저리두일수록 1~2 kHz 대역 임피던스가 낮아 포먼트를 자유롭게 다룸). ※ 입술 리드와 성도 공명이 음색을 빚는 큰 그림은 정립돼 있다. 혀·입 모양과 포먼트 위치의 정량 관계, 관의 불규칙한 안지름(플레어)이 배음의 비(非)조화성에 주는 영향은 이 탐구의 개방 지점이다.

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