피아노 건반별 감쇠 — 저음에서 고음까지

업라이트 향판(Ege 2013 형상)에 음마다 실제 현(Chabassier 2012 표: 길이·굵기·장력·현 자체 손실·해머)을 걸고, 한 음 전체(유니즌 현이 함께 움직일 때)의 기본음 감쇠를 예측했다. 비교 대상 = 실제 그랜드 피아노 음을 맞춘 Bensa 2003 의 손실값.

저음→고음 경향재현 · 실측 2.2 → 9.6 → 79.6 dB/s
세 음 모두범위 안 · 중앙값 2배 이내
예측식 확인3/3 · 시뮬레이션과 ±5%
새로 알게 된 것공명 우연 · 첫 모드가 C2 에 겹치면 30배

1. 향판: 실제 형상

Ege 2013: 업라이트 향판은 0.91×1.39 m 직사각형에 가깝고, 나뭇결이 긴 변과 33° 를 이루며, 마주 보는 두 모서리가 잘려 있고, 브리지 두 개(고음 3 cm·저음 5.5 cm 높이)가 나뭇결을 따라 달린다. 그래서 나뭇결 좌표에서 판 윤곽을 33° 돌려 그렸다 — 강성 방향은 그대로 두고 브리지는 곧은 보가 된다. 모서리 크기(25 cm)·브리지 위치·음별 부착점은 가정이다.

나뭇결 좌표로 본 향판 (빨간 점 = 음별 부착점)
고음 브리지저음 브리지C2C4C7가로선 = 나뭇결 방향 (판의 긴 변과 33°)

판 모양이 직사각형이 아니므로 풀이를 "임의 윤곽"으로 넓혔다. 계단 모양 경계 보정(0.75칸 안쪽)을 정사각형에서 잡고, 원판 정확해(λ = 10.2158)로 따로 검증해 3% 안에 든다. 가장 낮은 모드 71.2 Hz (실측 81 Hz), 리브 간격 10 cm.

2. 건반별 감쇠

음마다 부착점을 브리지를 따라 19곳 옮겨 가며 예측한 범위와 실제 피아노 값
131030100300감쇠 (dB/s, 로그)C2 (66 Hz)C4 (262 Hz)C7 (2098 Hz)▮ 모델 범위(부착점별) · ─ 중앙값● 실제 피아노 (Bensa 2003)
음Hz현 수현 자체향판 몫범위중앙실제1현 예측/시뮬
C265.620.571.340.7 – 4.11.92.21.24 / 1.19
C4262.231.6215.592.9 – 45.214.69.66.82 / 6.68
C72098.338.5677.0248.2 – 211.090.779.634.24 / 33.40

단위 dB/s. "현 자체"와 "향판 몫"은 기준 부착점(C2 저음 브리지 중앙, C4 고음 브리지 30%, C7 고음 브리지 90%)의 값. 마지막 열은 1현 예측식과 시뮬레이션 측정의 비교.

읽는 법. 실제 피아노는 저음에서 고음으로 가며 감쇠가 약 40배 빨라진다(2.2 → 79.6 dB/s). 모델의 중앙값(1.9 → 14.6 → 90.7)이 이 경향을 2배 안에서 따른다. 고음이 빨리 사라지는 이유는 두 가지가 겹친다: 현 자체 손실이 주파수와 함께 크고(0.6 → 8.6 dB/s), 향판으로 새는 몫도 커진다(파동이 기본 주기마다 한 번 브리지를 치므로 f₀ 에 비례).

3. 리브 간격 민감도 — 공명 우연

리브 간격첫 모드 HzC2 (실제 2.2)C4 (실제 9.6)C7 (실제 79.6)
10 cm71.20.7–4.1 (중앙 1.9)2.9–45.2 (중앙 14.6)48.2–211.0 (중앙 90.7)
14 cm65.69.9–186.0 (중앙 70.9)3.7–18.3 (중앙 7.1)61.4–246.6 (중앙 93.9)
18 cm62.11.0–9.0 (중앙 3.8)4.4–9.5 (중앙 7.7)70.3–202.6 (중앙 119.6)

리브 간격이 14 cm 이면 향판의 가장 낮은 모드(65.6 Hz)가 C2 기본음(65.6 Hz)과 겹친다. 그러면 현의 에너지가 공명으로 빨려 들어가 C2 감쇠가 실제의 약 30배가 되고, 약한 결합 예측식도 맞지 않는다(1현 예측 35.8 vs 시뮬 79.9). 10 cm(첫 모드 71 Hz, C2 보다 위)나 18 cm(62 Hz, 아래)에서는 C2 가 실제 값 근처로 돌아온다. 실제 업라이트의 첫 모드(81 Hz)도 C2 보다 위에 있다.

리브 간격을 정한 방법. 문헌 범위(10~18 cm) 안에서 가장 낮은 모드가 실측 81 Hz 에 가장 가까운 10 cm 를 골랐다. 건반별 감쇠(이 페이지의 비교)는 고를 때 쓰지 않았으므로 독립 검증이다. 다만 세 음·한 피아노·다른 악기(업라이트 향판 vs 그랜드 음 실측) 비교라 "경향 재현"까지만 말할 수 있다.

남은 것

코드 ~/projects/instrument-physics · 실험 python3 experiments/run_keyboard.py · 테스트 44개
문헌: Chabassier & Duruflé 2012 Inria RT-0425 · Bensa, Bilbao, Kronland-Martinet & Smith 2003 JASA 114(2) · Ege, Boutillon & Rébillat 2013 arXiv:1212.2323 · Leissa 1969