스펙트로그램 Spectrogram이란 무엇인가?

「소리의 물리학 기초」에서 소리는 진동수(음높이)와 진폭(음량)이 시간에 따라 변하는 파동이라고 설명했습니다. 문제는 이 세 가지 정보—시간, 진동수, 진폭—를 귀로만 듣고 동시에 파악하기가 쉽지 않다는 점입니다. 특히 새소리처럼 아주 짧은 시간에 여러 음이 빠르게 지나가는 경우, 귀는 그 세부 구조를 뭉뚱그려 듣게 됩니다. 스펙트로그램은 바로 이 세 가지 정보를 한 장의 그림으로 펼쳐 보여주는 도구입니다. 이 글에서는 스펙트로그램이 정확히 무엇을 보여주는지, 그리고 그것을 만드는 도구가 어떻게 발전해 왔는지를 다룹니다. 실제 새소리 예시를 하나하나 읽어보는 것은 다음 글에서 이어 갑니다.

스펙트로그램의 세 축 — 시간, 주파수, 강도

스펙트로그램(소노그램이라고도 부릅니다): 녹음된 소리를 그래프로 표현한 것으로, 가로축은 시간, 세로축은 주파수(킬로헤르츠, kHz)를 나타내고, 소리의 세기(음량)는 음영이나 색상의 밝기로 나타냅니다. 즉 한 그림 안에 주파수 정보와 음량 정보를 동시에 담고 있습니다.

Black-capped Chickadee의 간단한 휘파람 노래를 예로 들어 보겠습니다.

도감에서는 흔히 "헤이 스위티(hey-sweetie)"라고 표기하는 이 소리는, 스펙트로그램으로 보면 약 0.2초의 침묵을 사이에 둔 두 개의 휘파람으로 이루어져 있습니다. 첫 번째 휘파람은 약 4.0kHz(피아노의 가장 높은 도 음 정도)에서 시작해 3.5kHz로 내려가고, 두 번째 음은 이보다 약 400Hz 낮은 3.6kHz 부근입니다. 귀로 들었을 때는 그냥 "두 음"으로만 들리던 소리가, 스펙트로그램에서는 각 음의 시작 주파수와 끝 주파수, 두 음 사이의 정확한 간격까지 눈으로 확인할 수 있게 됩니다.

소리를 그림으로 바꾸는 세 가지 방식

소리를 시각화하는 도구는 목적에 따라 세 가지로 나뉩니다.

·흑백 스펙트로그램: 가로축은 시간, 세로축은 주파수만 보여줍니다. 음높이가 시간에 따라 어떻게 오르내리는지는 잘 보이지만, 같은 음 안에서 소리가 커지고 작아지는 미묘한 변화는 잘 드러나지 않습니다. 위 그림 A

·오실로그램: 가로축은 시간, 세로축은 소리의 세기(진폭)를 보여줍니다. 소리가 클수록 그래프의 파동이 위아래로 크게 출렁입니다. 주파수 정보는 담지 않는 대신, 음량이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 정확히 보여줍니다. 위 그림 B

·색채 스펙트로그램: 오늘날 가장 널리 쓰이는 방식으로, 가로축은 시간, 세로축은 주파수를 보여주면서 동시에 소리의 세기를 색상으로 나타냅니다. 흰색이나 금색에 가까울수록 큰 소리, 보라색이나 분홍색에 가까울수록 작은 소리입니다. 결국 앞의 두 도구가 각각 따로 보여주던 정보를 한 그림 안에 합쳐 놓은 셈입니다. 위 그림 C

같은 Black-capped Chickadee의 "헤이 스위티" 노래를 세 가지 방식으로 각각 그려 보면 차이가 분명해집니다. 흑백 스펙트로그램만 봐서는 두 번째 휘파람 중간에 아주 짧게 소리가 끊기듯 작아지는 순간이 있다는 것을 알아채기 어렵습니다. 이 미묘한 음량 저하는 오실로그램에서야 뚜렷하게 드러납니다. 색채 스펙트로그램은 이 둘을 합쳐, 주파수가 어떻게 변하는지와 그 순간 소리가 얼마나 컸는지를 동시에 보여줍니다.

시끄러운 소리와 순음은 그림에서도 다르게 생겼다

스펙트로그램을 읽는 데 익숙해지면, 소리의 종류에 따라 그림의 모양 자체가 크게 다르다는 것을 알게 됩니다. 순음(휘파람 소리)처럼 한 순간에 하나의 주파수만 내는 소리는 스펙트로그램에서 가로선으로 나타납니다.

순음(휘파람소리)

반면 손가락을 튕기는 소리나 문을 쾅 닫는 소리처럼 여러 주파수가 한꺼번에, 짧은 순간에 뒤섞여 나는 소리는 세로선으로 나타납니다. 이런 소리를 '시끄러운(noisy)' 소리라고 부릅니다.

시끄러운 소리

딱따구리의 드럼질이 대표적인 예입니다. 나무를 두드리면 나무의 여러 부분이 서로 다른 주파수로 동시에 진동하기 때문에, 드럼질 소리는 스펙트로그램에서 넓은 주파수 대역에 걸친 세로선 다발로 나타납니다. 그런데 이 세로선이 반복되는 속도는 종마다 다릅니다. 몸집이 작은 Downy Woodpecker는 1초에 약 15번, 오히려 몸집이 더 큰 Hairy Woodpecker는 1초에 약 26번이나 더 빠르게 두드립니다. Yellow-bellied Sapsucker는 여기서 한 걸음 더 나아가, 빠르게 시작해서 점점 느려지는 독특한 리듬으로 두드립니다. 세 종 모두 소리만 들으면 비슷한 '딱딱딱' 소리로 뭉뚱그려 들리기 쉽지만, 스펙트로그램에 찍힌 세로선 사이의 간격을 재 보면 종을 구분하는 확실한 단서가 됩니다.

느리게 재생하면 더 잘 들린다

스펙트로그램의 진짜 위력은 눈으로 본 것을 다시 귀로 확인할 때 드러납니다. White-throated Sparrow의 노래는 흔히 "푸어 올드 샘 피바디 피바디 피바디(poor old sam peabody peabody peabody)"라고 표기됩니다. 마지막 "피바디(peabody)" 안에 사실은 세 개의 음이 들어 있는데, 그냥 들었을 때는 이 세 음을 구별하기가 쉽지 않습니다. 하지만 스펙트로그램에서는 세 음이 뚜렷이 나뉜 세 개의 표시로 명확하게 보입니다. (위의 첫번재 그림 참고)

Common Yellowthroat의 노래도 마찬가지입니다. 도감에는 "위치티-위치티-위치티(witchity-witchity-witchity)"로 표기되는데, 스펙트로그램을 보면 각 "위치티" 구절이 실제로는 서너 개의 음으로 이루어져 있고, 반복되는 구절마다 거의 똑같은 모양을 하고 있다는 것을 확인할 수 있습니다. 이 노래를 절반이나 4분의 1 속도로 느리게 재생하면, 스펙트로그램에서 본 그 음들을 실제로 하나하나 구별해 들을 수 있게 됩니다. 다만 속도를 절반으로 줄이면 진동수도 절반이 되어, 노래 전체의 음높이가 원래보다 한 옥타브 낮게 들린다는 점은 감안해야 합니다.

이런 방식이 가장 극적으로 통하는 예가 Pacific Wren의 노래입니다. 이 굴뚝새의 노래는 '노래 복잡성의 정점'이라고 불릴 만큼 정교한데, 10초 넘게 이어지는 동안 너무 많은 음이 너무 빠르게 지나가서 정상 속도로 들으면 그냥 하나의 흐릿한 지저귐으로만 들립니다. 그런데 스펙트로그램을 함께 보면서 절반, 나아가 4분의 1 속도로 느리게 들으면, 그 안에 촘촘히 들어찬 개별 음들을 하나씩 알아들을 수 있습니다. 스펙트로그램이 없었다면 애초에 무엇을 느리게 들어야 할지조차 알기 어려웠을 것입니다.

[심화] 전 세계 새소리 데이터베이스, Macaulay Library
이 글에서 다룬 예시들은 모두 코넬 조류학 연구소가 운영하는 매콜리 도서관(Macaulay Library, macaulaylibrary.org)의 녹음을 바탕으로 한 것입니다. 이곳은 세계 최대의 동물 소리·영상 아카이브로, 23만 건이 넘는 녹음을 무료로 열람할 수 있습니다. 종을 검색해 녹음을 듣는 것은 물론, 자신이 녹음한 소리로 직접 스펙트로그램을 만들어 볼 수도 있습니다. 책이나 글로 스펙트로그램의 원리를 읽는 것과, 실제 소리를 스펙트로그램과 나란히 놓고 직접 맞춰 보는 것은 완전히 다른 경험이니, 이 글에 나온 새 이름을 하나씩 검색해 직접 들어보시는 것을 권합니다.

다음 글에서는 여기서 소개한 읽는 법을 바탕으로, 더 다양한 새소리의 스펙트로그램을 하나씩 함께 뜯어보겠습니다.

참고 자료

Cornell Lab of Ornithology, Handbook of Bird Biology, 10장 「새 발성 행동」 10.1.2 「소리의 시각화: 스펙트로그램」, 10.1.3 「시각을 사용하여 청각 보조하기」.