[논문]신라대종의 진동과 음향

김석현; 이중혁; 변준호

doi:10.7776/ask.2017.36.3.186

신라대종의 진동과 음향
Vibration and sound of Silla Great Bell 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.3, 2017년, pp.186 - 193

김석현 (강원대학교 기계융합공학부) , 이중혁 (강원대학교 대학원 기계융합공학과) , 변준호 (강원대학교 대학원 기계융합공학과)

초록
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신라대종은 성덕대왕신종을 계승하여 새 천년을 울리기 위해 제작되었다. 본 연구에서는 신라대종이 구조와 음향 측면에서 성덕대왕신종과 어떻게 유사한지를 조사하였다. 먼저 설계 및 제작 과정을 소개하고 두 종의 크기를 비교하여 유사성을 평가하였다. 한국 종소리의 세 가지 주요 특성은 웅장하고 조화로운 타격음, 역동적인 맥놀이와 길게 지속되는 여음이다. 이 세 가지 특성을 물리적 인자를 사용하여 객관적으로 평가한다. 이를 통하여 수려한 외관과 웅장하고 아름다운 소리를 내는 대형 한국 범종의 제작에 유용한 자료를 제공하는 것이 본 연구의 목적이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Silla Great Bell was manufactured in order to ring for the new millennium in succession to King Seongdeok Divine Bell. This study investigates how Silla Great Bell is similar to King Seongdeok Divine Bell in respect of structure and sound. First, design and manufacturing processes are introduced and dimensions of the two bells are compared and the similarity is estimated. Three main characteristics of the sound of a Korean bell are magnificent and harmonic striking sound, dynamic beat, and long lasting hum tone. These three features are compared and objectively estimated using physical parameters. The purpose of the study is to provide useful information to manufacture Korean bell which has beautiful appearance and excellent sound.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 신라대종이 그 구조와 음향 측면에서 성덕대왕신종에 얼마나 가깝게 제작되었는가를 정량적으로 평가한다. 신라대종이 성덕대왕신종과 동일한 구조와 진동 특성을 갖도록 설계하는 과정을 소개하고, 주조 후의 제원을 측정하여 얼마나 가깝게 재현되었는가를 검증한다.
소리를 지배하는 진동 및 음향 특성치의 비교를 통하여 두 종의 소리가 어떻게 닮았고 어떤 점에서 차이가 나는지를 객관적으로 평가한다. 이러한 비교 결과를 통하여 향후 성덕대왕신종과 같이 웅장하고 아름다운 소리를 갖는 범종을 제작하는 데에 유용한 정보를 제공하고자 한다.
많은 국민들은 성덕대왕신종을 타종하여 소리를 직접 듣기를 염원하고 있으나 현재는 녹음된 소리만 들을 수 있을 뿐이다. 이에 2014년 경주시는 성덕대왕신종을 새로이 만들어 향후 새천년을 울리려는 목적으로 성덕대왕신종 테마공원을 조성하는 사업^[2]을 추진하였다. 공원의 중심에 위치하는 새 종은 신라대종이라 명명되었으며, 2014년 9월 설계가 시작되어 2016년 6월 제작이 완료되었다.

가설 설정

신라대종과 성덕대왕신종의 타격음의 음높이, 웅장함과 조화로움을 비교하기 위하여 성덕대왕신종과 신라대종의 고유주파수를 측정치를 Table 4에 보인다. 가장 낮은 여음을 만드는 1차 고유주파수 쌍은 (0, 2) 모드가 만드는데, 두 종의 주파수 쌍은 0.03 Hz 이내로 일치한다. (0, 3) 모드가 내는 기본음 주파수는 음높이에 큰 영향을 미치는데, 두 종의 차이는 3 Hz 미만으로 거의 대등하다.
(0, 3) 모드가 내는 기본음 주파수는 음높이에 큰 영향을 미치는데, 두 종의 차이는 3 Hz 미만으로 거의 대등하다. (1, 2)와 (1, 4) 모드가 고유주파수 쌍을 보이지 않는 것은 타격 및 측정 지점인 당좌가 해당 모드의 L모드 또는 H모드의 절점에 위치하기 때문이다.

제안 방법

[3] 이러한 특성은 최종적으로는 청중의 주관적 느낌으로 평가되겠으나, 본 연구에서는 물리적 인자를 사용하여 두 종의 소리를 객관적으로 비교하였다.
4는 범종을 주조하기 위하여 제작된 주형틀을 보인다. 내형은 건조사형으로 조형하고 외형의 문양은 밀납법^[9]으로 정밀하게 음각 조형하였다. 상단의 용뉴를 포함하는 종 고리도 밀납법으로 정밀 조형하였다.
내형의 치수는 외형에서 두께를 빼서 결정하였다. 두께 분포를 정할 때는 중량도 고려하였으나, 음향을 우선적으로 고려하여 고유주파수의 분포가 성덕대왕신종의 주파수에 최대한 가깝게 되도록 결정하였다. 고유주파수 분포를 가깝게 만들기 위하여 두께 분포를 미세하게 조절하면서 유한요소해석을 반복하는 과정이 필요했다.
마지막으로 여음이 지속되는 길이는 타격조건에 무관한 물리적 인자인 감쇠비(damping ratio)^[16]를 사용하여 객관적으로 비교하였다.
먼저, 외형의 주요 부분을 평균치를 사용하여 축 대칭형으로 설계하였다. 내형의 치수는 외형에서 두께를 빼서 결정하였다.
종 표면의 문양은 장구한 세월을 통하여 마모되고 훼손되었으나, 전문가들의 고증을 통하여 복원하여 자연스러운 형태로 재현되었다. 밀납법으로 문양 조형의 정밀성을 높였고, 하주법으로 용탕을 주입함으로써 재질 내부의 기포와 불순물을 제거하였다.
내형은 건조사형으로 조형하고 외형의 문양은 밀납법^[9]으로 정밀하게 음각 조형하였다. 상단의 용뉴를 포함하는 종 고리도 밀납법으로 정밀 조형하였다. 옛날과 달리 오늘날에는 우측 수직 통로의 상단 주입구에서 아래로 용탕을 주입하는 하주식 주조법^[8]을 사용한다.
신라대종이 성덕대왕신종과 동일한 구조와 진동 특성을 갖도록 설계하는 과정을 소개하고, 주조 후의 제원을 측정하여 얼마나 가깝게 재현되었는가를 검증한다. 소리를 지배하는 진동 및 음향 특성치의 비교를 통하여 두 종의 소리가 어떻게 닮았고 어떤 점에서 차이가 나는지를 객관적으로 평가한다. 이러한 비교 결과를 통하여 향후 성덕대왕신종과 같이 웅장하고 아름다운 소리를 갖는 범종을 제작하는 데에 유용한 정보를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 신라대종이 그 구조와 음향 측면에서 성덕대왕신종에 얼마나 가깝게 제작되었는가를 정량적으로 평가한다. 신라대종이 성덕대왕신종과 동일한 구조와 진동 특성을 갖도록 설계하는 과정을 소개하고, 주조 후의 제원을 측정하여 얼마나 가깝게 재현되었는가를 검증한다. 소리를 지배하는 진동 및 음향 특성치의 비교를 통하여 두 종의 소리가 어떻게 닮았고 어떤 점에서 차이가 나는지를 객관적으로 평가한다.
이러한 맥놀이는 종의 원주상의 위치에 따라 그 강약이 전혀 다른데, 맥놀이 지도를 사용하여 방사 특성을 비교하였다.
또 두 자료 모두 주형의 제작에 필요한 치수를 연속적으로 주지 못하는 한계가 있다. 이러한 실측치의 측정 오차와 18.9 t의 중량^[4] 그리고 성덕대왕신종의 음향특성을 종합적으로 고려하여 축대칭형의 주형을 설계하였다.
타격음의 음높이, 웅장함, 조화로움, 맥놀이에 의한 소리의 역동성, 여음의 지속시간 측면에서 물리적 인자들을 사용하여 신라대종과 성덕대왕신종의 종소리를 비교한 결과는 다음과 같다.

데이터처리

고유주파수 분포를 가깝게 만들기 위하여 두께 분포를 미세하게 조절하면서 유한요소해석을 반복하는 과정이 필요했다. 고유주파수의 해석에서는 상용유한요소해석 프로그램인 ANSYS 15.0을 사용하였다.^[5] 유한요소모델은 종 상단 일부에 Wed15 요소를, 몸체의 대부분에 Hex20 요소를 사용하여 총 11,520개의 요소로 구성하였다.
6은 기본음에 대한 부분음의 주파수 비를 보인다. 주파수 비는 고유주파수 쌍의 평균치를 사용하여 계산하였다. 타격음에서 큰 레벨을 보이는 주요 부분음에서 두 종의 주파수 비는 거의 일치한다.

이론/모형

감쇠비는 당목의 종류나 타격력의 크기, 그리고 측정 위치에 무관하게 진동음의 지속 시간을 비교할 수 있는 물리적 인자이다. 본 연구에서는 종의 감쇠비가 매우 작음을 감안하여 시간파형으로부터 대수감소법^[15,16]으로 측정하였다.
성덕대왕신종의 구조는 염영하^[3]와, 경주박물관^[4]의 실측치에 따라 설계하였다. Fig.

성능/효과

1) 신라대종에서 가장 오래 지속되는 여음을 만드는 1차 고유주파수는 64 Hz로, 성덕대왕신종의 주파수에 일치한다. 이 주파수 음에 대한 맥놀이 교정을 통하여 3.
3은 주요 고유진동모드를 보이는데, 각각의 주파수 별로 음의 방사 특성을 가늠해볼 수 있다. (0, 2) 모드가 내는 1차 고유주파수는 종소리에서 가장 오래 지속되는 여음을 만든다. (0, 3) 모드는 타격음의 음높이를 지배하는 기본음을 만든다.
2) 이 여음을 만드는 1차 고유주파수의 진동 감쇠비는 0.000096으로 성덕대왕신종의 감쇠비보다 25 % 작다. 그 결과 여음은 성덕대왕신종보다 더 오래 지속된다.
03 Hz 이내로 일치한다. (0, 3) 모드가 내는 기본음 주파수는 음높이에 큰 영향을 미치는데, 두 종의 차이는 3 Hz 미만으로 거의 대등하다. (1, 2)와 (1, 4) 모드가 고유주파수 쌍을 보이지 않는 것은 타격 및 측정 지점인 당좌가 해당 모드의 L모드 또는 H모드의 절점에 위치하기 때문이다.
3) 신라대종에서 타격음의 음높이를 지배하는 기본음 주파수는 171 Hz로 신종의 168 Hz에 가깝고, 주요 고차 부분음들도 신종에서와 비슷한 분포를 보인다. 그 결과 두 종의 타격음의 음높이는 비슷하다.
4) 신라대종은 0 ~ 600 Hz 범위에서 성덕대왕신종과 같이 20여 개의 많은 고유주파수 성분이 크게 기여한다. 그 결과 신종과 같이 웅장한 타격음을 낸다.
그 결과 당좌방향과 이로부터 매 45° 간격의 8개 방향에서 강한 여음의 맥놀이를 들을 수 있다.
재료시험 결과, 화학적 조성은 Cu 85.3%, Sn 14.4%, Zn 0.04%, Pb 0.04%, Si 0.01%, P 0.07%이며, 인장강도는 259 MPa로 나왔다. 이러한 값은 전통 한국 범종의 주물청동의 물성에 부합한다.
2는 최종 설계 단면도이며 Table 1에서 주요 부분의 치수를 비교한다. 해석결과 종에 타격력을 가장 효과적으로 전달할 수 있는 타격중심(center of percussion)^[6]은 Fig. 2에서 표기된 것처럼 하단으로부터 846 mm로 계산되었다. 그러나 성덕대왕신종과 동일하게 문양을 배치하기 위하여 성덕대왕신종의 당좌 중심의 높이 856 mm를 그대로 적용하였다.

후속연구

이와 같이 강하고 적절한 주기의 맥놀이는 주조 후 맥놀이 교정을 통하여 만들어졌다. 이에 대한 상세한 설명은 후속연구에서 다룰 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신라대종을 제작한 이유는?	신라대종은 성덕대왕신종을 계승하여 새 천년을 울리기 위해 제작되었다. 본 연구에서는 신라대종이 구조와 음향 측면에서 성덕대왕신종과 어떻게 유사한지를 조사하였다.
	한국 종소리의 세 가지 주요 특성은 ?	먼저 설계 및 제작 과정을 소개하고 두 종의 크기를 비교하여 유사성을 평가하였다. 한국 종소리의 세 가지 주요 특성은 웅장하고 조화로운 타격음, 역동적인 맥놀이와 길게 지속되는 여음이다. 이 세 가지 특성을 물리적 인자를 사용하여 객관적으로 평가한다.
	신라대종과 성덕대왕신종의 타격음의 각 주파수 대역은 얼만큼 일치하는가?	신라대종과 성덕대왕신종의 타격음의 음높이, 웅장함과 조화로움을 비교하기 위하여 성덕대왕신종과 신라대종의 고유주파수를 측정치를 Table 4에 보인다. 가장 낮은 여음을 만드는 1차 고유주파수 쌍은 (0, 2) 모드가 만드는데, 두 종의 주파수 쌍은 0.03 Hz 이내로 일치한다. (0, 3) 모드가 내는 기본음 주파수는 음높이에 큰 영향을 미치는데, 두 종의 차이는 3 Hz 미만으로 거의 대등하다. (1, 2)와 (1, 4) 모드가 고유주파수 쌍을 보이지 않는 것은 타격 및 측정 지점인 당좌가 해당 모드의 L모드 또는 H모드의 절점에 위치하기 때문이다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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상세보기
W. T. Thompson and M. D. Dahleh, Theory of Vibration with Applications 5th ed. (Prentice Hall, New Jersey, 1998), pp. 31-32.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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