5. 스피커의 체계적 분석에 필요한 인자들(1)
by 이신렬 음향공학박사 글, 이무제 정리, 자료제공: A49, 소니캐스트
스피커 성능 측정에는 많은 인자가 고려되어야만 한다. 그림은 Spinorama 측정 포인트. Russ Welton 제공.
스피커의 성능을 체계적으로 분석하기 위해서는 다양한 면들을 고려해야만 합니다. 소리의 크기, 표현할 수 있는 주파수의 폭, 주파수 반응이 얼마나 평탄한지, 왜곡 특성은 어떠한지, 스피커의 지향 특성은 어떠한지 등이 전부 스피커의 성능을 체계적으로 분석해서 평가하기 위한 인자들입니다. 물론 이 뿐만이 아니고 몇 가지의 인자들이 더 존재하며, 스피커는 청취 공간과 상호작용하므로 청취자는 결론적으로 스피커의 소리 뿐 아니라 룸의 소리를 함께 듣는 셈이 되므로 청취룸의 특성을 분석하기 위한 인자인 확산이나 흡음, 잔향, 룸모드 등을 함께 고려해야만 합니다.
콘서트 환경에서의 저음은 극적인 경험 전달을 위해 매우 중요한 역할을 한다. 사진은 이승윤 콘서트 [역성] 현장.
5.1 소리의 높낮이 (주파수)
주파수를 로그 스케일로 표시한 것은 인간이 소리를 인식하는 방식과 유사하기 때문입니다. 라이브 공연에서 2kHz 이상 주파수는 음향 전파에 따른 공기 흡음으로 많이 감쇠됩니다. 거리에 따른 고 주파수 손실은 음원 거리감을 인지하는 중요 단서입니다. 라이브 공연장 뒤쪽으로 갈수록 고 주파수 에너지가 눈에 띄게 더 부드러워지기 때문에 지향성스피커를 사용하여 반사음을 피하고 멀리 떨어진 관객에게 고 주파수를 증폭시켜 공연자가 지각적으로 더 가깝게 다가갈 수 있도록 이퀄라이제이션합니다.
저 주파수의 경우, 인간은 높은 수준의 촉각적 지각(몸으로 느껴지는 진동)과 음정 및 음색적 지각이 함께 있기 때문에 상황은 더욱 복잡해집니다. 촉각적인 지각은 음악에 유쾌함을 더하는 요소이고, 음정 및 음색적 지각은 음악 그 자체입니다. 음정 지각은 약 100Hz 이상에서 시작됩니다. 매우 낮은 주파수에서는 음고 인지가 어렵고 촉각이 강해집니다. 록 콘서트에서는 일반적으로 저음을 크게 증폭시키는데, 일상에서는 경험할 수 없는 킥 드럼과 베이스 기타에 의해 온몸을 누르는 압박감을 느끼는 극적인 경험을 할 수 있기 때문입니다. 이는 전신 노출이며 다행히도 저 주파수는 청력손실 위험이 높지 않습니다.
지각적 측면에서 주파수를 피치(pitch)라고 합니다. 음정의 판단은 기본주파수와 배음 관계를 따릅니다. 대표적인 예로 피아노를 들 수 있는데 현이 유연하지 않기 때문에 모든 배음이 기본 음의 배수 관계가 아닙니다. 피치는 음량에 따라 달라지며, 볼륨을 높이면 저음은 약간 낮게, 고음은 약간 높게 들립니다. 음악 자체가 음량에 따라 변하기 때문에 모든 표현에서 사실감을 기대한다면 어느 정도 사실적인 재생 음량이 요구됩니다.
산업안전보건 기준과 청력 보호 관련 연구에 따른 청력 손실 기준. 이 지침은 대단히 느슨한 것으로 음악 감상의 미묘함을 위해서는 훨씬 더 엄격한 기준으로 청력을 보호해야만 한다.
5.2 소리의 크기 (진폭)
산업안전보건 기준과 청력 보호 관련 연구에 따른 청력 손실 기준. 이 지침은 대단히 느슨한 것으로 음악 감상의 미묘함을 위해서는 훨씬 더 엄격한 기준으로 청력을 보호해야만 한다. 인간은 약 100만 대 1의 음압 범위에 반응합니다. 음향 인텐시티로 해석하면 1조 대 1에 해당합니다. 이 엄청난 범위는 겨우 들리는 아주 작은 소리에서부터 통증을 유발할 정도로 큰 소리까지 모두를 아우릅니다. 이렇게 큰 숫자는 다루는 것이 비현실적이기 때문에 음압 레벨을 로그 척도를 사용하여 측정합니다. 단위는 데시벨(dB)입니다. 데시벨은 두 소리를 비교할 경우에도 사용할 수 있습니다.
청력보호 지침을 청력손실을 예방하는 것으로 잘못 이해하는 경우가 많습니다. 청력보호 지침은 청력손실을 허용하며, 1m 거리에서 일반적인 대화를 할 수 있을 정도로만 청력을 유지하는 것을 목표로 합니다. 청력보호 지침에는 재생 음악의 미묘함을 감상하는 부분까지는 포함하지 않습니다. 작업장 소음 노출에 록 콘서트, 사격, 오토바이, 이어폰 청취 등 비 직업적인 소음 노출까지 모두 추가해야 합니다. 음성 기준 정상 청력은 음악과 영화를 감상하거나 평가하는 데 있어 이미 상당한 손실을 보입니다.
그림 1. 스피커 주파수응답 곡선. (a) 스펙트럼 평활 곡선 (b) 높은 주파수 분해능 곡선 (c) 스피노라마 곡선. Toole 박사님 제공.
5.3 주파수응답 (Frequency Response)
주파수응답은 주파수에 대한 진폭 값으로 나타내며 스피커 음질을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 그림 1은 표준 스피커 테스트 신호레벨(2.83V; 8Ω 임피던스 기준 1W 출력)로 구동되는 주파수응답으로, 음압레벨은 표준 측정거리인 1m로 교정되었고, 스피커 감도(dB SPL @ 2.83V, 1m)를 확인할 수 있습니다.
그림 1 (a)와 (b)는 청취자를 향하는 직접 음을 나타내고, 벽면에 흡음되는 소리를 제외한 나머지 소리들은 반사되어 청취자에게 도달하게 됨으로 그림 1 (c)에 표시된 곡선처럼 더 많은 확인이 이루어져야 합니다.
그림 1 (a)는 스피커 음질 추측을 위한 출발점입니다. 이는 제품 사양서나 제품 리뷰에서 종종 등장하는 그래프입니다. 80Hz 이하에서 주파수응답이 급격히 감소하기 때문에 만족스러운 저음을 위해서는 서브우퍼 스피커가 필요하며, 80Hz는 서브우퍼에서 자주 사용되는 크로스오버 주파수입니다. 스피커 감도는 주파수에 따라 달라지므로 일반적으로 300Hz ~ 3kHz 평균 주파수응답을 기준으로 합니다. 100Hz ~ 3kHz까지 상승 곡선은 음원에 따라 소리가 다소 얇거나 밝거나 단단하게 느껴집니다. 인지된 음의 밝기는 저 주파수와 관련이 있는 경우가 많습니다. 고 주파수 감쇄는 청취자에게 균형잡힌 악기 배음을 빼앗아 개방감과 명료함을 잃게 하고, 둔한 느낌을 줍니다.
그림 1 (b)는 더 상세한 내용을 보여 주지만 문제를 정확하게 식별하려면 추가적인 정보가 필요합니다. 그림 1 (c)에 표시된 스피노라마(spinorama)는 정축 외 다른 방향으로 방사된 소리들을 함께 보여줍니다. 일반적인 실내에서 들리는 소리의 대부분은 반사 음이며, 아래 곡선으로 갈수록 반사 음들이 증가함을 알 수 있습니다. 스피커 유닛 공진은 실내로 넓게 방사되어, 공진과 관련된 주파수 범프는 모든 곡선에서 나타나고, 들릴 가능성이 높습니다. 공진은 넓게 방사되어 지향계수(directivity index)에서는 뚜렷하게 나타나지 않을 수 있습니다.
스피커 유닛 정상 작동범위에서 발생하는 공진은 최소위상으로 동작하며, 주파수응답 범프는 시간영역에서 국부적인 위상 천이 및 링잉(ringing)이 있을 것이라고 예측할 수 있습니다. 주파수응답 범프 모양과 높이는 가장 잘 들리는 지표입니다. 이러한 공명은 정밀한 이퀄라이제이션을 통해 감쇠시킬 수 있기 때문에 무향실 스피커 주파수응답 측정 데이터가 매우 중요합니다. 스피커에서 가장 잘 들리는 공진은 3kHz에서 볼 수 있는 낮은 Q(스펙트럼이 매우 넓은) 공진입니다. 이 공진 하나만 제거해도 스피커 음질이 크게 향상됩니다. 고 주파수 한계 근처 공진은 원치 않는 것이지만, 정상적인 음원에서는 크게 거슬리지 않습니다. 중간 주파수에서의 공진은 목소리와 많은 악기의 음색에 영향을 미치기 때문에 더 분명하게 느껴집니다.
음향 간섭은 크로스오버 주파수에서 두 스피커 유닛에서 음이 동시에 방사되고, 이러한 음의 상호작용과 인클로저 가장자리에서 발생하는 회절 음으로 인해 발생됩니다. 음향 간섭에 의한 주파수응답 피크 및 딥은 여러 방향에서는 보이지만, 음향파워에서는 감소하는 경우도 있습니다. 이런 이유로 청취 창(listening window)과 음향파워 레벨차이인 지향계수에서 이를 확인할 수 있습니다. 간섭 효과는 공명 효과보다 잘 들리지 않습니다. 스피커 사양서에 명기된 80Hz ~ 18kHz, ±3dB와 같은 정보는 실제로는 소비자에게 유용하지 않은 정보입니다.
그림2. 현재의 등라우드니스 곡선.(ISO 226:2003 버전), 40phon에서의 원래 ISO 표준은 파란색 선이다. Toole 박사님 제공.
5.4 등라우드니스곡선(Equal Loudness Contour)
라우드니스는 인지된 음압레벨을 나타내는 단위이고 주파수, 입사 각, 지속시간에 따라 달라집니다. 이는 단순한 설명이 불가능한 심리음향학적 인자입니다. 대부분의 연구자들은 헤드폰이나 무향실과 같이 음향적으로 단순한 상황에서 순음에 초점을 맞춰 연구했습니다.
플레처와 먼슨(1933)은 서로 다른 주파수 음량이 같다고 느껴지는 음압 레벨을 최초로 평가한 사람입니다. 1kHz 기준 음을 통해 다른 주파수 음들이 똑같은 크기로 들릴 때까지 레벨을 조정했습니다. 기준 음 음압 레벨과 동일한 음량 곡선을 그릴 수 있었고, 주관적인 기준을 나타내기 위해 데시벨이 아닌 폰(phon)을 사용했습니다. 이를 등라우드니스 곡선이라고 하였습니다. 플레처와 먼슨은 헤드폰을 사용했고, 헤드폰 보정 방식에 대한 문제로 선구적인 업적은 인정되었지만, 그들의 데이터는 더 이상 신뢰할 수 없습니다.
Robinson과 Dadson(1956)는 무향실에서 스피커를 통해 청취자에게 제시된 순음을 사용했고, 몇년 동안 ISO 표준으로 사용되었습니다. 저 주파수 등라우드니스 곡선에서 오류가 확인되었고, 스티븐스(1957)는 반사 공간에서 정상상태 부분옥타브 대역 음을 사용하였으며, 복합음 음량을 계산하는 기초로 사용했습니다(Stevens, 1961).
그림 2는 현행 등라우드니스 ISO 표준곡선을 나타내는데, 이는 Robinson과 Dadson(1956)의 데이터를 기반으로 한 것입니다. 이 표준은 이전 4개의 연구에서 나온 곡선과 비교하여 그 모양이 얼마나 다른지 보여줍니다. 이 곡선은 많은 청취자 평균응답이며 대상 간 차이가 큽니다. 그럼에도 불구하고 이 곡선들은 두 가지 중요한 특징을 공유합니다:
■ 주파수가 낮아지면 민감도는 급격하게 감소합니다. 저음이 중음과 고음만큼 크게 들리려면 음량이 훨씬 더 커야 합니다.
■ 저 주파수에서 곡선들이 점진적으로 모여들기 때문에 라우드니스의 동일한 변화를 얻기 위해 음압 레벨의 작은 변화가 필요합니다.
약 500Hz 이상 주파수에서 곡선 윤곽이 매우 유사하며, 비교적 일정한 간격으로 분리됩니다. 이 주파수 대역에서 사운드 레벨 10dB 변화는 10 폰 변화에 해당하며, 이는 체감 음량의 2배에 해당합니다. 낮은 주파수에서는 곡선이 서로 가까워집니다. 63Hz에서 10폰의 경우 약 7dB, 31.5Hz에서는 약 5dB를 나타냅니다. 저 주파수에서 사운드 레벨의 작은 변화는 청각적으로 중요한 영향을 미칩니다.
라우드니스 제어를 위한 회로는 다양한 종류들이 공개되어 있다. 인터넷 검색(bing.com)에 나오는 간단한 결과만 해도 이 정도다.
5.5 라우드니스 제어
라우드니스 제어는 수십 년 동안 오디오기기에서 사용되어 왔습니다. 볼륨을 줄이면 주파수응답이 자동으로 조절되어 불균형하게 줄어든 저음을 보완합니다. 단순한 저음 증폭으로 다이나믹 레인지가 넓은 음악의 모든 구성요소를 보정할 수 없습니다. 큰 소리는 약간의 저음 증폭이 필요하고, 작은 소리는 훨씬 더 큰 저음 증폭이 필요합니다.
사운드 재생에서 주파수응답은 무시할 수 없는 요소입니다. 사운드 재생시스템이 라이브 공연에서 들리는 소리를 정확하게 재현하려면 균일한 주파수응답과 원래 음압레벨로 재생해야 합니다. 하지만 대부분의 사람들은 여전히 기준레벨 대비 10폰 감소를 전경(foreground) 음악, 20폰 감소를 배경(background) 음악, 30폰 감소를 분위기(ambient) 음악 청취로 간주합니다.
다이나믹레인지가 큰 음악에는 하나의 음량 보정곡선이 적용될 수 없습니다. 모든 조건을 만족시키지는 못하지만 절충안을 고려할 가치가 있으며, 음악적 현실에 따라 조절할 수 있습니다. 따라서 60dB~80dB SPL과 같은 높은 음압레벨에 타협 보정을 하는 것이 합리적입니다. 60~80dB 타협 곡선의 경우 고 주파수에서는 큰 변화가 필요하지 않다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 수년동안 많은 라우드니스 보정장치가 저음과 고음을 함께 크게 증폭시키면서 음압 레벨을 낮췄습니다. 이러한 보정장치를 사용할 경우 일반적으로 음질이 저하되었는데, 이는 등라우드니스 곡선을 잘못 해석한 결과입니다. 10 또는 20 폰을 줄이면 기본적으로 고 주파수 보정이 필요하지 않습니다.
원래 또는 의도한 음량보다 낮은 레벨로 음악을 청취하면서 주파수 보정을 하지 않으면 음색이 변하고 저음이 왜곡됩니다. 안타깝게도 음악에는 다이나믹레인지가 있기 때문에 원음의 모든 구성요소에 대해 보정할 수는 없습니다. 진폭이 강하게 컴프레싱된 현대음악은 이러한 주파수 보정에 더 유리합니다. 대부분의 라우드니스 보정은 저 주파수에서 이루어지며, 기본적으로 베이스 음을 제어합니다. 사실 원래 사운드 레벨이 무엇인지 알 수 없기 때문에 라우드니스 보정을 정확하게 예측할 수 없습니다. 다만 어느 정도의 저음 증폭이 필요하며 저음 증폭량은 장소마다, 그리고 녹음마다 다를 수 있다고 말할 수 있습니다.
영화는 어느정도 표준화된 사운드 레벨로 믹싱되고 재생됩니다. 홈 시어터는 종종 0dB 볼륨 제어 설정에 유사한 음압레벨을 충족하도록 보정됩니다. 이는 라우드니스 보정이 예측 가능하게 작동할 수 있는 상황 입니다. 실제로 홈 시어터에서 0dB로 재생하는 것은 일반적으로 큰 소리로, 볼륨 설정이 10dB 이상 감소되는 경우가 많습니다. 많은 영화관 고객이 영화 소리가 너무 크다고 불만을 제기합니다. 감독들이 지속적으로 큰 소리를 고집하는 몇몇 블록버스터 영화의 경우 일부 소리, 총소리, 폭발음 등은 극적인 효과를 전달하기 위해 시끄러워야 합니다. 하지만 불필요한 큰 소리가 오래 지속되면 짜증스럽습니다. 영화 관객에게는 큰 문제가 되지 않지만, 무엇보다 장시간 음을 들어야하는 사운드 믹싱 엔지니어들은 청력 손실에 특히 신경을 써야 합니다.
톤 컨트롤이 소리의 순수성을 손상시킨다는 하이엔드 오디오 애호가 속설이 있고, 일부 장비는 이러한 톤 컨트롤이 없는 것을 자랑스럽게 생각합니다. 녹음이 완벽할 경우에는 문제가 없겠지만, 어떤 녹음에는 저음이 부족하고 어떤 녹음에는 저음이 너무 많습니다. 어떤 녹음은 너무 밝고, 어떤 녹음은 너무 어둡고, 개개인의 청력 문제도 함께 존재합니다. 여기에 기준 음량보다 낮은 음량으로 듣고 싶을 때가 있기 때문에, 저음 톤 컨트롤이 만족스러운 청취 경험을 제공하는데 매우 중요한 역할을 수행합니다. 쉽게 액세스할 수 있는 톤 컨트롤을 통해 청취자는 오디오 시스템, 공간 특성 및 개별 음악에 따라 실시간으로 자신만의 설정 값을 찾을 수 있습니다.
저음/고음 밸런스가 일정하지 않은 녹음은 톤 컨트롤을 통해 보완할 수 있습니다. 클래식의 경우 녹음 엔지니어가 제공한 것과는 다른 관점으로 오케스트라를 감상하고 싶을 수 있는데, 톤 컨트롤은 청취자가 이를 변경할 수 있는 기능을 제공합니다.
선형 왜곡과 비선형 왜곡의 차이를 직관적으로 표현한 그림. COMSOL Blog 제공.
5.6 선형 왜곡
오디오 장치는 이상적으로 입력된 신호의 완벽한 복사본 혹는 증폭 본이 출력되어야 합니다. 선형 왜곡은 이러한 완벽함에서 벗어난 편차를 말합니다. 선형 왜곡은 복잡한 음악에서 주파수 구성 요소의 진폭 또는 위상을 변경시켜 파형을 왜곡시킵니다. 인간은 주파수 진폭 변화에는 매우 민감하고, 위상 변화에는 매우 둔감합니다. 우리는 파형 자체를 듣지는 못하지만, 파형 스펙트럼에 매우 민감합니다.
음압 레벨에 따라 파형이 변화하는 것을 비선형 왜곡이라 하고, 비선형 메커니즘은 원래 신호에는 없었던 주파수를 추가시켜 불쾌감을 줍니다. 주파수응답은 모든 오디오장치에서 측정 가능한 가장 중요한 매개변수이며, 일반적인 목표는 가청 주파수 범위에서 평탄한 곡선을 갖는 것입니다. 주파수 기울기, 피크, 딥 등 이상에서 벗어난 다양한 종류의 선형 왜곡 가청도를 평가하는 방법을 배워야 합니다.
5.7 주파수 기울기
주파수응답에서 가장 단순한 편차는 아마도 주파수 기울기일 것입니다. 인간은 약 0.1 ~ 0.2dB/옥타브 기울기를 감지할 수 있으며, 이는 20Hz ~ 20kHz에서 약 1~2dB 기울기가 됩니다. 스펙트럼 오차가 작을 경우 빠르게 적응할 수 있지만, 크기가 크면 매우 잘 들리기 때문에 톤 컨트롤을 통해 정상적인 스펙트럼 으로 복구해야 합니다. 하지만 음질 주관평가 결과 음질에 대한 가장 일반적인 불만은 주파수 기울기 보다 특정 주파수 공명에 의한 착색입니다.
근접 마이킹에서의 솔로 보컬, 솔로 악기는 공명 감지가 대단히 어렵다. 따라서 스피커의 음질 평가를 위한 음원으로는 적당하지 않다.
5.8 주파수 공명 및 시간 공명
공명은 주파수 및 시간 영역에서 모두 존재합니다. 공간적인 공명은 더욱 복잡한데, 이는 청취자와 음원의 위치에 따라 소리가 달라지기 때문입니다. 공진은 전기, 음향, 기계장치에서 질량(인덕턴스), 컴플라이언스(커패시턴스)및 감쇠(저항) 요소로 구성됩니다. 질량과 컴플라이언스는 공진 주파수를 결정합니다. 댐핑은 에너지 손실량을 결정하며 Q값을 정의합니다. 이는 주파수 영역에서 공진 대역폭과 시간 영역에서 에너지 축적 및 소멸시간을 결정합니다. 높은 Q 공명은 주파수 영역에서 주파수응답의 좁고 날카로운 스파이크를, 시간영역에서 긴 빌드업 및 감쇠 시간을 가집니다. Q가 낮아질수록 공진은 주파수 영역에서 더 넓어지고, 음의 지속시간이 짧아집니다. 결국 주파수응답은 평탄해지고 공진이 사라지며, 시간 영역의 잘못된 동작이 사라집니다. 따라서 공진을 최소화하도록 설계된 시스템은 평평하고 부드러운 주파수응답을 가질 수밖에 없습니다.
음악 공명은 청취실의 모든 부분으로 전파되며, 음색을 구성합니다. 이러한 공명은 좋은 것입니다. 인간은 공명을 감지하는 특별한 능력을 갖도록 진화하였습니다. 스피커에 공진이 존재하면 음원 공진에 추가되어 음색이 왜곡됩니다. 이러한 왜곡은 재생되는 모든 사운드에 일률적으로 추가됩니다. 이러한 공진은 원치 않는 것이며, 방 전체에 퍼지기 때문에 이를 제거하는 것이 스피커 설계자의 주요 과제 중 하나입니다.
흥미로운 사실은 반사 음은 직접 음의 반복으로 누적된 소리로 인지되어 넓은 주파수대역 공명을 더 잘 듣게 만듭니다. 이로 인해 스피커 결함이 더 분명해집니다. 직접 음이 강한 잔향이 적은 공간에서 음악을 들으면 작은 크기의 공명이 적게 들립니다.
스피커 주파수응답에서 피크를 생성하는 가장 일반적인 메커니즘은 공진이지만 딥의 원인은 파괴적인 음향간섭일 가능성이 높으며, 매우 날카롭고 매우 깊은 딥이 나타납니다. 넓은 피크와 딥은 좁은 음향간섭 딥보다 듣기 쉽습니다. 스피커 결함 주파수와 음원 음색이 일치할 때만 왜곡 음이 들리기 때문에 솔로 악기 테스트 음으로는 스피커 왜곡 판단이 어렵습니다. 따라서 광대역 소음이 주파수응답 불규칙성을 더 잘 드러냅니다.
다양한 실험을 통해 Q가 작아질수록 잘 감지되고, 음원별로는 백색 소음이 가장 잘 감지되고, 그 다음으로 교향악이 잘 감지되며, 재즈 여성보컬 감지가 가장 어렵습니다. 스펙트럼 밀도가 높고, 소리가 연속적일수록 잘 감지되기 때문에 스펙트럼 복잡성이 테스트 음원에서 중요합니다.
연속적인 소리는 일시적인 소리보다 공명을 더 잘 드러냅니다. 공명을 잘 감지하는데 필요한 반사 음은 녹음된 소리 자체에 있을 수도 있고, 청취실에 있을 수도 있습니다. 인간은 200Hz 이상 시간영역 링잉에는 민감하지 않고, 스펙트럼 피크에 민감합니다. 하지만 200Hz 이하 저음 주파수에서는 스펙트럼 피크와 링잉이 모두 들릴 가능성이 있습니다.
가장 공명을 감지하기 어려운 소리는 솔로악기, 목소리, 특히 근접 마이킹에서 녹음된 소리입니다. 단순한 보컬 및 악기 녹음은 스피커 간 차이를 잘 드러내지 않습니다. 가장 유용한 음원은 광대역 스펙트럼입니다. 감동을 주기 위한 시연에서는 잔향이 거의 없는 솔로 보컬, 기타, 작은 콤보 등의 단순한 소리를 사용하고, 비교적 잔향이 적은 방을 이용하는 것이 좋습니다. 스피커가 가진 문제를 찾으려면 넓은 대역폭과 잔향이 많은 복잡한 악기 음을 반사가 있는 방에서 들어보길 추천합니다.
공명 가청도 실험은 지각 과정에 중요한 통찰력을 제공하고, 스피커 성능 목표를 설정하는데 도움이 됩니다. 감지 가능한 임계값보다 높으면 쉽게 들을 수 있고, 낮으면 개발 비용 및 재료 비용을 낭비할 수 있습니다. 이 데이터는 저가형 스피커를 설계할 때 귀중한 자산이 됩니다.
댐핑을 추가하면 Q가 감소하므로 링잉이 줄어듭니다. 또한 주파수응답에서 피크 진폭도 함께 줄어드는데, 이 모든 것이 좋아 보입니다. 하지만 피크가 더 넓어져 더 잘 들리게 되고, 임계값이 낮아져 공명이 쉽게 들립니다. 큰 Q 공명은 음악이 정확히 공진주파수에 있고, 에너지를 축적할 수 있을 만큼 충분히 오래 유지될 때에만 활성화됩니다.
핵심 질문은 "주파수응답 피크와 링잉 중 무엇을 더 잘 듣는가?" 입니다. 200Hz 이상 주파수에서는 스펙트럼 피크를 잘 들을 수 있습니다. 따라서 공명 가청도는 주파수응답 곡선으로 설명할 수 있습니다.
그림 3. 280Hz에서 가청 가능한 높은 Q 공진 문제가 있는 스피커. 점선은 스무딩 처리, 실선은 2Hz 해상도 무향실 데이터. Toole 박사님 제공.
그림 3은 스무딩 처리된 스피커 측정 데이터를 나타냅니다. 점선과 같이 스무딩 처리된 측정 값의 경우 음질 문제를 느낄 수 있지만 그래프만으로는 설명할 수 없습니다. 스피커를 통해 재생되는 대부분의 소리는 정상이지만, 여성 보컬이 특정 음을 지속할 때 문제가 발생합니다. 이 가수는 스피커 공진주파수와 정확히 일치하는 보컬 포만트를 가지고 있었기 때문에 매우 높은 Q 문제를 가졌고, 이 문제가 들리게 되었습니다. 스무딩 처리된 측정 데이터에서는 문제가 없어 보였지만 무향 데이터에서는 문제가 보였습니다. 이는 스피커 인클로저 공진 문제로 쉽게 해결되었습니다.
음원의 일부 주파수와 스피커 공진 주파수가 정확히 일치해야 공진이 발생하기 때문에 공진이 들릴 확률은 낮습니다. 하지만 실제로 발생합니다. 스피커의 인지적인 문제를 예측하려면 고 해상도 측정이 필수적입니다. 무향 데이터를 이용하여 이퀄라이제이션을 하는 액티브스피커의 경우 고 해상도 무향실 측정데이터가 필요합니다.
5.9 스피커 공진 찾기
스피커 유닛은 최소위상장치이기 때문에 파라메트릭 이퀄라이제이션을 사용할 수 있으며, 진폭을 줄이면 공진 가청도가 줄어듭니다. 최소위상장치는 반전이 가능하기 때문에 디지털신호처리를 가진 액티브스피커가 존재합니다. 피크와 딥을 포함하는 주파수 응답곡선에서 음향 간섭과 주파수 공진을 구별하는 것은 중요한데, 음향 간섭은 반전할 수 없는, 이퀄라이제이션으로 수정할 수 없는 비 최소위상 문제입니다. 다행히도 음향간섭은 청감적으로 덜 들립니다.
그림 4. 무향실과 청취실 라우드스피커 측정 데이터. 두 가지 방법으로 약 400Hz 이상에서 이퀄라이징 처리됨. Toole 박사님 제공.
그림 4는 공간평균에서도 쉽게 식별할 수 있는 여러개의 주파수 공진을 가진 스피커를 보여줍니다. 스피커 공진은 방 안으로 광범위하게 방사되지만, 음향 간섭는 청취 위치에 따라 다릅니다. 그림4 (a)는 네 개의 강한 공진을 보여줍니다. 가장 중요한 공진은 3kHz의 넓은 주파수 범프입니다. 이 범프는 공진 감지 임계값보다 몇 배 더 높으며, 다른 중간 Q 공진은 반사 공간에서는 임계값이 더 낮아지므로 음원에서 들을 수 있습니다. 이 스피커는 일반적인 모노포닉 이중 맹검 평가에서 그다지 높은 평가를 받지 못한 제품입니다. 이퀄라이징 방법은 두가지로 구분할 수 있습니다.
1. 6명 공간평균 곡선을 평평하게 함. (그림4 (b))
2. 무향실 정 축 주파수 응답을 평평하게 함. (그림4 (c))
이 스피커는 이퀄라이제이션이 적합하지만 크로스오버 결함으로 인해 약 1.5kHz 간섭 딥이 발생하는 문제를 가집니다. 이는 음향 간섭 문제이기 때문에 공간평균이 증가할수록 형태가 변하고 사운드파워 곡선에서는 거의 사라집니다. 이 문제는 지향계수에서 나타납니다. 이것은 최소위상이 아니며, 이퀄라이제이션을 해서는 안 되지만, 자동 EQ 알고리즘을 사용할 경우 이퀄라이제이션이 적용됩니다.
위 그래프는 무향실 스피커 자체 성능과 공간평균 정상상태 주파수응답에서 성능을 볼 수 있고, 이중 맹검 주관평가와 연관시킬 수 있습니다. 어떤 이퀄라이제이션이든 음질이 향상되며, 원래 스피커 주관평가는 3.9/10, 6개 지점 공간평균 이퀄라이제이션은 5.0/10, 무향실 정축 이퀄라이제이션은 5.3/10으로 상승했습니다.
(b)와 같이 6개 지점 공간평균 이퀄라이제이션은 3kHz 대역 공진만 감쇠된 것을 알 수 있습니다. 이것이 가장 심각한 문제였기 때문에 주관평가 점수가 크게 올라갔습니다. 중간 Q 공진은 여전히 존재했고, 약간의 변화만 있었습니다.
(c)와 같이 무향실 정축 이퀄라이제이션은 주관평가 점수가 약간 더 높아졌습니다. 정 축 주파수 조작으로 스피커가 개선된 것은 분명하며, 좋은스피커로 시작했다면 6개 지점 공간평균 이퀄라이제이션이 필요하지 않았을 것입니다.
제조업체는 좋은 스피커를 만들고, 고객은 그런 스피커를 구매해야 합니다. 완벽하게 매끄러운 공간평균 이퀄라이제이션을 얻기 위해서는 이퀄라이제이션만으로는 충분하지 않습니다. 청취실의 남은 문제는 이퀄라이제이션이 도움이 될 수 있는 룸 모드 처리가 필요합니다. 중요한 사실은 (c)에서 이퀄라이제이션이 정 축 방향 주파수응답 간섭 딥도 함께 채웠다는 사실입니다. 그 결과 스피커 공진이 추가되어 사운드파워 곡선에서 나타납니다.
그림 5. 모노, 스테레오, 멀티채널 청취 스피커 주관평가. Toole 박사님 제공.
그림 5는 모노, 스테레오 및 5채널 청취 주관평가 성능을 비교한 것입니다. 활성 채널을 더 많이 추가하면 할수록 스피커 성능 세부사항을 식별하는 능력이 감소합니다. 음악과 영화에서는 모노포닉 구성 요소가 두드러지므로 스피커 성능은 가장 까다로운 테스트 방법인 모노에서 평가해야 합니다.
스피노라마 데이터를 통해 스피커 공진을 인지할 수 있습니다. 스피노라마 데이터에서 강한 공진을 나타내는 스피커는 정상상태 실내곡선에서도 스피커 공진을 찾을 수 있지만 항상 그런 것은 아닙니다.
유일한 측정데이터가 정상상태 룸 커브인 경우, 공진 및 반 공진으로 인한 피크와 딥, 그리고 서로 다른 시간에 마이크로폰에 도달하는 음으로 인한 보강 및 상쇄 간섭 피크와 딥을 서로 구분하는 것이 중요합니다. 스피커 공진은 소리 음색을 변화시키는 반면, 음향 간섭을 일으키는 반사된 소리는 공간감, 즉 방 안의 소리로 인식되기 때문에 효과는 매우 다릅니다.
무향실 측정데이터에서 공진이 드러나지 않는다면 정상상태 룸 곡선 변동은 확실히 음향 간섭에 기인합니다. 천이주파수 이상에서 스피커와 마이크로폰 경로에 강력한 음향 공진 메커니즘이 존재할 가능성은 거의 없습니다.
5. 스피커의 체계적 분석에 필요한 인자들(1)
by 이신렬 음향공학박사 글, 이무제 정리, 자료제공: A49, 소니캐스트
스피커 성능 측정에는 많은 인자가 고려되어야만 한다. 그림은 Spinorama 측정 포인트. Russ Welton 제공.
스피커의 성능을 체계적으로 분석하기 위해서는 다양한 면들을 고려해야만 합니다. 소리의 크기, 표현할 수 있는 주파수의 폭, 주파수 반응이 얼마나 평탄한지, 왜곡 특성은 어떠한지, 스피커의 지향 특성은 어떠한지 등이 전부 스피커의 성능을 체계적으로 분석해서 평가하기 위한 인자들입니다. 물론 이 뿐만이 아니고 몇 가지의 인자들이 더 존재하며, 스피커는 청취 공간과 상호작용하므로 청취자는 결론적으로 스피커의 소리 뿐 아니라 룸의 소리를 함께 듣는 셈이 되므로 청취룸의 특성을 분석하기 위한 인자인 확산이나 흡음, 잔향, 룸모드 등을 함께 고려해야만 합니다.
콘서트 환경에서의 저음은 극적인 경험 전달을 위해 매우 중요한 역할을 한다. 사진은 이승윤 콘서트 [역성] 현장.
5.1 소리의 높낮이 (주파수)
주파수를 로그 스케일로 표시한 것은 인간이 소리를 인식하는 방식과 유사하기 때문입니다. 라이브 공연에서 2kHz 이상 주파수는 음향 전파에 따른 공기 흡음으로 많이 감쇠됩니다. 거리에 따른 고 주파수 손실은 음원 거리감을 인지하는 중요 단서입니다. 라이브 공연장 뒤쪽으로 갈수록 고 주파수 에너지가 눈에 띄게 더 부드러워지기 때문에 지향성스피커를 사용하여 반사음을 피하고 멀리 떨어진 관객에게 고 주파수를 증폭시켜 공연자가 지각적으로 더 가깝게 다가갈 수 있도록 이퀄라이제이션합니다.
저 주파수의 경우, 인간은 높은 수준의 촉각적 지각(몸으로 느껴지는 진동)과 음정 및 음색적 지각이 함께 있기 때문에 상황은 더욱 복잡해집니다. 촉각적인 지각은 음악에 유쾌함을 더하는 요소이고, 음정 및 음색적 지각은 음악 그 자체입니다. 음정 지각은 약 100Hz 이상에서 시작됩니다. 매우 낮은 주파수에서는 음고 인지가 어렵고 촉각이 강해집니다. 록 콘서트에서는 일반적으로 저음을 크게 증폭시키는데, 일상에서는 경험할 수 없는 킥 드럼과 베이스 기타에 의해 온몸을 누르는 압박감을 느끼는 극적인 경험을 할 수 있기 때문입니다. 이는 전신 노출이며 다행히도 저 주파수는 청력손실 위험이 높지 않습니다.
지각적 측면에서 주파수를 피치(pitch)라고 합니다. 음정의 판단은 기본주파수와 배음 관계를 따릅니다. 대표적인 예로 피아노를 들 수 있는데 현이 유연하지 않기 때문에 모든 배음이 기본 음의 배수 관계가 아닙니다. 피치는 음량에 따라 달라지며, 볼륨을 높이면 저음은 약간 낮게, 고음은 약간 높게 들립니다. 음악 자체가 음량에 따라 변하기 때문에 모든 표현에서 사실감을 기대한다면 어느 정도 사실적인 재생 음량이 요구됩니다.
산업안전보건 기준과 청력 보호 관련 연구에 따른 청력 손실 기준. 이 지침은 대단히 느슨한 것으로 음악 감상의 미묘함을 위해서는 훨씬 더 엄격한 기준으로 청력을 보호해야만 한다.
5.2 소리의 크기 (진폭)
산업안전보건 기준과 청력 보호 관련 연구에 따른 청력 손실 기준. 이 지침은 대단히 느슨한 것으로 음악 감상의 미묘함을 위해서는 훨씬 더 엄격한 기준으로 청력을 보호해야만 한다. 인간은 약 100만 대 1의 음압 범위에 반응합니다. 음향 인텐시티로 해석하면 1조 대 1에 해당합니다. 이 엄청난 범위는 겨우 들리는 아주 작은 소리에서부터 통증을 유발할 정도로 큰 소리까지 모두를 아우릅니다. 이렇게 큰 숫자는 다루는 것이 비현실적이기 때문에 음압 레벨을 로그 척도를 사용하여 측정합니다. 단위는 데시벨(dB)입니다. 데시벨은 두 소리를 비교할 경우에도 사용할 수 있습니다.
청력보호 지침을 청력손실을 예방하는 것으로 잘못 이해하는 경우가 많습니다. 청력보호 지침은 청력손실을 허용하며, 1m 거리에서 일반적인 대화를 할 수 있을 정도로만 청력을 유지하는 것을 목표로 합니다. 청력보호 지침에는 재생 음악의 미묘함을 감상하는 부분까지는 포함하지 않습니다. 작업장 소음 노출에 록 콘서트, 사격, 오토바이, 이어폰 청취 등 비 직업적인 소음 노출까지 모두 추가해야 합니다. 음성 기준 정상 청력은 음악과 영화를 감상하거나 평가하는 데 있어 이미 상당한 손실을 보입니다.
그림 1. 스피커 주파수응답 곡선. (a) 스펙트럼 평활 곡선 (b) 높은 주파수 분해능 곡선 (c) 스피노라마 곡선. Toole 박사님 제공.
5.3 주파수응답 (Frequency Response)
주파수응답은 주파수에 대한 진폭 값으로 나타내며 스피커 음질을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 그림 1은 표준 스피커 테스트 신호레벨(2.83V; 8Ω 임피던스 기준 1W 출력)로 구동되는 주파수응답으로, 음압레벨은 표준 측정거리인 1m로 교정되었고, 스피커 감도(dB SPL @ 2.83V, 1m)를 확인할 수 있습니다.
그림 1 (a)와 (b)는 청취자를 향하는 직접 음을 나타내고, 벽면에 흡음되는 소리를 제외한 나머지 소리들은 반사되어 청취자에게 도달하게 됨으로 그림 1 (c)에 표시된 곡선처럼 더 많은 확인이 이루어져야 합니다.
그림 1 (a)는 스피커 음질 추측을 위한 출발점입니다. 이는 제품 사양서나 제품 리뷰에서 종종 등장하는 그래프입니다. 80Hz 이하에서 주파수응답이 급격히 감소하기 때문에 만족스러운 저음을 위해서는 서브우퍼 스피커가 필요하며, 80Hz는 서브우퍼에서 자주 사용되는 크로스오버 주파수입니다. 스피커 감도는 주파수에 따라 달라지므로 일반적으로 300Hz ~ 3kHz 평균 주파수응답을 기준으로 합니다. 100Hz ~ 3kHz까지 상승 곡선은 음원에 따라 소리가 다소 얇거나 밝거나 단단하게 느껴집니다. 인지된 음의 밝기는 저 주파수와 관련이 있는 경우가 많습니다. 고 주파수 감쇄는 청취자에게 균형잡힌 악기 배음을 빼앗아 개방감과 명료함을 잃게 하고, 둔한 느낌을 줍니다.
그림 1 (b)는 더 상세한 내용을 보여 주지만 문제를 정확하게 식별하려면 추가적인 정보가 필요합니다. 그림 1 (c)에 표시된 스피노라마(spinorama)는 정축 외 다른 방향으로 방사된 소리들을 함께 보여줍니다. 일반적인 실내에서 들리는 소리의 대부분은 반사 음이며, 아래 곡선으로 갈수록 반사 음들이 증가함을 알 수 있습니다. 스피커 유닛 공진은 실내로 넓게 방사되어, 공진과 관련된 주파수 범프는 모든 곡선에서 나타나고, 들릴 가능성이 높습니다. 공진은 넓게 방사되어 지향계수(directivity index)에서는 뚜렷하게 나타나지 않을 수 있습니다.
스피커 유닛 정상 작동범위에서 발생하는 공진은 최소위상으로 동작하며, 주파수응답 범프는 시간영역에서 국부적인 위상 천이 및 링잉(ringing)이 있을 것이라고 예측할 수 있습니다. 주파수응답 범프 모양과 높이는 가장 잘 들리는 지표입니다. 이러한 공명은 정밀한 이퀄라이제이션을 통해 감쇠시킬 수 있기 때문에 무향실 스피커 주파수응답 측정 데이터가 매우 중요합니다. 스피커에서 가장 잘 들리는 공진은 3kHz에서 볼 수 있는 낮은 Q(스펙트럼이 매우 넓은) 공진입니다. 이 공진 하나만 제거해도 스피커 음질이 크게 향상됩니다. 고 주파수 한계 근처 공진은 원치 않는 것이지만, 정상적인 음원에서는 크게 거슬리지 않습니다. 중간 주파수에서의 공진은 목소리와 많은 악기의 음색에 영향을 미치기 때문에 더 분명하게 느껴집니다.
음향 간섭은 크로스오버 주파수에서 두 스피커 유닛에서 음이 동시에 방사되고, 이러한 음의 상호작용과 인클로저 가장자리에서 발생하는 회절 음으로 인해 발생됩니다. 음향 간섭에 의한 주파수응답 피크 및 딥은 여러 방향에서는 보이지만, 음향파워에서는 감소하는 경우도 있습니다. 이런 이유로 청취 창(listening window)과 음향파워 레벨차이인 지향계수에서 이를 확인할 수 있습니다. 간섭 효과는 공명 효과보다 잘 들리지 않습니다. 스피커 사양서에 명기된 80Hz ~ 18kHz, ±3dB와 같은 정보는 실제로는 소비자에게 유용하지 않은 정보입니다.
그림2. 현재의 등라우드니스 곡선.(ISO 226:2003 버전), 40phon에서의 원래 ISO 표준은 파란색 선이다. Toole 박사님 제공.
5.4 등라우드니스곡선(Equal Loudness Contour)
라우드니스는 인지된 음압레벨을 나타내는 단위이고 주파수, 입사 각, 지속시간에 따라 달라집니다. 이는 단순한 설명이 불가능한 심리음향학적 인자입니다. 대부분의 연구자들은 헤드폰이나 무향실과 같이 음향적으로 단순한 상황에서 순음에 초점을 맞춰 연구했습니다.
플레처와 먼슨(1933)은 서로 다른 주파수 음량이 같다고 느껴지는 음압 레벨을 최초로 평가한 사람입니다. 1kHz 기준 음을 통해 다른 주파수 음들이 똑같은 크기로 들릴 때까지 레벨을 조정했습니다. 기준 음 음압 레벨과 동일한 음량 곡선을 그릴 수 있었고, 주관적인 기준을 나타내기 위해 데시벨이 아닌 폰(phon)을 사용했습니다. 이를 등라우드니스 곡선이라고 하였습니다. 플레처와 먼슨은 헤드폰을 사용했고, 헤드폰 보정 방식에 대한 문제로 선구적인 업적은 인정되었지만, 그들의 데이터는 더 이상 신뢰할 수 없습니다.
Robinson과 Dadson(1956)는 무향실에서 스피커를 통해 청취자에게 제시된 순음을 사용했고, 몇년 동안 ISO 표준으로 사용되었습니다. 저 주파수 등라우드니스 곡선에서 오류가 확인되었고, 스티븐스(1957)는 반사 공간에서 정상상태 부분옥타브 대역 음을 사용하였으며, 복합음 음량을 계산하는 기초로 사용했습니다(Stevens, 1961).
그림 2는 현행 등라우드니스 ISO 표준곡선을 나타내는데, 이는 Robinson과 Dadson(1956)의 데이터를 기반으로 한 것입니다. 이 표준은 이전 4개의 연구에서 나온 곡선과 비교하여 그 모양이 얼마나 다른지 보여줍니다. 이 곡선은 많은 청취자 평균응답이며 대상 간 차이가 큽니다. 그럼에도 불구하고 이 곡선들은 두 가지 중요한 특징을 공유합니다:
■ 주파수가 낮아지면 민감도는 급격하게 감소합니다. 저음이 중음과 고음만큼 크게 들리려면 음량이 훨씬 더 커야 합니다.
■ 저 주파수에서 곡선들이 점진적으로 모여들기 때문에 라우드니스의 동일한 변화를 얻기 위해 음압 레벨의 작은 변화가 필요합니다.
약 500Hz 이상 주파수에서 곡선 윤곽이 매우 유사하며, 비교적 일정한 간격으로 분리됩니다. 이 주파수 대역에서 사운드 레벨 10dB 변화는 10 폰 변화에 해당하며, 이는 체감 음량의 2배에 해당합니다. 낮은 주파수에서는 곡선이 서로 가까워집니다. 63Hz에서 10폰의 경우 약 7dB, 31.5Hz에서는 약 5dB를 나타냅니다. 저 주파수에서 사운드 레벨의 작은 변화는 청각적으로 중요한 영향을 미칩니다.
라우드니스 제어를 위한 회로는 다양한 종류들이 공개되어 있다. 인터넷 검색(bing.com)에 나오는 간단한 결과만 해도 이 정도다.
5.5 라우드니스 제어
라우드니스 제어는 수십 년 동안 오디오기기에서 사용되어 왔습니다. 볼륨을 줄이면 주파수응답이 자동으로 조절되어 불균형하게 줄어든 저음을 보완합니다. 단순한 저음 증폭으로 다이나믹 레인지가 넓은 음악의 모든 구성요소를 보정할 수 없습니다. 큰 소리는 약간의 저음 증폭이 필요하고, 작은 소리는 훨씬 더 큰 저음 증폭이 필요합니다.
사운드 재생에서 주파수응답은 무시할 수 없는 요소입니다. 사운드 재생시스템이 라이브 공연에서 들리는 소리를 정확하게 재현하려면 균일한 주파수응답과 원래 음압레벨로 재생해야 합니다. 하지만 대부분의 사람들은 여전히 기준레벨 대비 10폰 감소를 전경(foreground) 음악, 20폰 감소를 배경(background) 음악, 30폰 감소를 분위기(ambient) 음악 청취로 간주합니다.
다이나믹레인지가 큰 음악에는 하나의 음량 보정곡선이 적용될 수 없습니다. 모든 조건을 만족시키지는 못하지만 절충안을 고려할 가치가 있으며, 음악적 현실에 따라 조절할 수 있습니다. 따라서 60dB~80dB SPL과 같은 높은 음압레벨에 타협 보정을 하는 것이 합리적입니다. 60~80dB 타협 곡선의 경우 고 주파수에서는 큰 변화가 필요하지 않다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 수년동안 많은 라우드니스 보정장치가 저음과 고음을 함께 크게 증폭시키면서 음압 레벨을 낮췄습니다. 이러한 보정장치를 사용할 경우 일반적으로 음질이 저하되었는데, 이는 등라우드니스 곡선을 잘못 해석한 결과입니다. 10 또는 20 폰을 줄이면 기본적으로 고 주파수 보정이 필요하지 않습니다.
원래 또는 의도한 음량보다 낮은 레벨로 음악을 청취하면서 주파수 보정을 하지 않으면 음색이 변하고 저음이 왜곡됩니다. 안타깝게도 음악에는 다이나믹레인지가 있기 때문에 원음의 모든 구성요소에 대해 보정할 수는 없습니다. 진폭이 강하게 컴프레싱된 현대음악은 이러한 주파수 보정에 더 유리합니다. 대부분의 라우드니스 보정은 저 주파수에서 이루어지며, 기본적으로 베이스 음을 제어합니다. 사실 원래 사운드 레벨이 무엇인지 알 수 없기 때문에 라우드니스 보정을 정확하게 예측할 수 없습니다. 다만 어느 정도의 저음 증폭이 필요하며 저음 증폭량은 장소마다, 그리고 녹음마다 다를 수 있다고 말할 수 있습니다.
영화는 어느정도 표준화된 사운드 레벨로 믹싱되고 재생됩니다. 홈 시어터는 종종 0dB 볼륨 제어 설정에 유사한 음압레벨을 충족하도록 보정됩니다. 이는 라우드니스 보정이 예측 가능하게 작동할 수 있는 상황 입니다. 실제로 홈 시어터에서 0dB로 재생하는 것은 일반적으로 큰 소리로, 볼륨 설정이 10dB 이상 감소되는 경우가 많습니다. 많은 영화관 고객이 영화 소리가 너무 크다고 불만을 제기합니다. 감독들이 지속적으로 큰 소리를 고집하는 몇몇 블록버스터 영화의 경우 일부 소리, 총소리, 폭발음 등은 극적인 효과를 전달하기 위해 시끄러워야 합니다. 하지만 불필요한 큰 소리가 오래 지속되면 짜증스럽습니다. 영화 관객에게는 큰 문제가 되지 않지만, 무엇보다 장시간 음을 들어야하는 사운드 믹싱 엔지니어들은 청력 손실에 특히 신경을 써야 합니다.
톤 컨트롤이 소리의 순수성을 손상시킨다는 하이엔드 오디오 애호가 속설이 있고, 일부 장비는 이러한 톤 컨트롤이 없는 것을 자랑스럽게 생각합니다. 녹음이 완벽할 경우에는 문제가 없겠지만, 어떤 녹음에는 저음이 부족하고 어떤 녹음에는 저음이 너무 많습니다. 어떤 녹음은 너무 밝고, 어떤 녹음은 너무 어둡고, 개개인의 청력 문제도 함께 존재합니다. 여기에 기준 음량보다 낮은 음량으로 듣고 싶을 때가 있기 때문에, 저음 톤 컨트롤이 만족스러운 청취 경험을 제공하는데 매우 중요한 역할을 수행합니다. 쉽게 액세스할 수 있는 톤 컨트롤을 통해 청취자는 오디오 시스템, 공간 특성 및 개별 음악에 따라 실시간으로 자신만의 설정 값을 찾을 수 있습니다.
저음/고음 밸런스가 일정하지 않은 녹음은 톤 컨트롤을 통해 보완할 수 있습니다. 클래식의 경우 녹음 엔지니어가 제공한 것과는 다른 관점으로 오케스트라를 감상하고 싶을 수 있는데, 톤 컨트롤은 청취자가 이를 변경할 수 있는 기능을 제공합니다.
선형 왜곡과 비선형 왜곡의 차이를 직관적으로 표현한 그림. COMSOL Blog 제공.
5.6 선형 왜곡
오디오 장치는 이상적으로 입력된 신호의 완벽한 복사본 혹는 증폭 본이 출력되어야 합니다. 선형 왜곡은 이러한 완벽함에서 벗어난 편차를 말합니다. 선형 왜곡은 복잡한 음악에서 주파수 구성 요소의 진폭 또는 위상을 변경시켜 파형을 왜곡시킵니다. 인간은 주파수 진폭 변화에는 매우 민감하고, 위상 변화에는 매우 둔감합니다. 우리는 파형 자체를 듣지는 못하지만, 파형 스펙트럼에 매우 민감합니다.
음압 레벨에 따라 파형이 변화하는 것을 비선형 왜곡이라 하고, 비선형 메커니즘은 원래 신호에는 없었던 주파수를 추가시켜 불쾌감을 줍니다. 주파수응답은 모든 오디오장치에서 측정 가능한 가장 중요한 매개변수이며, 일반적인 목표는 가청 주파수 범위에서 평탄한 곡선을 갖는 것입니다. 주파수 기울기, 피크, 딥 등 이상에서 벗어난 다양한 종류의 선형 왜곡 가청도를 평가하는 방법을 배워야 합니다.
5.7 주파수 기울기
주파수응답에서 가장 단순한 편차는 아마도 주파수 기울기일 것입니다. 인간은 약 0.1 ~ 0.2dB/옥타브 기울기를 감지할 수 있으며, 이는 20Hz ~ 20kHz에서 약 1~2dB 기울기가 됩니다. 스펙트럼 오차가 작을 경우 빠르게 적응할 수 있지만, 크기가 크면 매우 잘 들리기 때문에 톤 컨트롤을 통해 정상적인 스펙트럼 으로 복구해야 합니다. 하지만 음질 주관평가 결과 음질에 대한 가장 일반적인 불만은 주파수 기울기 보다 특정 주파수 공명에 의한 착색입니다.
근접 마이킹에서의 솔로 보컬, 솔로 악기는 공명 감지가 대단히 어렵다. 따라서 스피커의 음질 평가를 위한 음원으로는 적당하지 않다.
5.8 주파수 공명 및 시간 공명
공명은 주파수 및 시간 영역에서 모두 존재합니다. 공간적인 공명은 더욱 복잡한데, 이는 청취자와 음원의 위치에 따라 소리가 달라지기 때문입니다. 공진은 전기, 음향, 기계장치에서 질량(인덕턴스), 컴플라이언스(커패시턴스)및 감쇠(저항) 요소로 구성됩니다. 질량과 컴플라이언스는 공진 주파수를 결정합니다. 댐핑은 에너지 손실량을 결정하며 Q값을 정의합니다. 이는 주파수 영역에서 공진 대역폭과 시간 영역에서 에너지 축적 및 소멸시간을 결정합니다. 높은 Q 공명은 주파수 영역에서 주파수응답의 좁고 날카로운 스파이크를, 시간영역에서 긴 빌드업 및 감쇠 시간을 가집니다. Q가 낮아질수록 공진은 주파수 영역에서 더 넓어지고, 음의 지속시간이 짧아집니다. 결국 주파수응답은 평탄해지고 공진이 사라지며, 시간 영역의 잘못된 동작이 사라집니다. 따라서 공진을 최소화하도록 설계된 시스템은 평평하고 부드러운 주파수응답을 가질 수밖에 없습니다.
음악 공명은 청취실의 모든 부분으로 전파되며, 음색을 구성합니다. 이러한 공명은 좋은 것입니다. 인간은 공명을 감지하는 특별한 능력을 갖도록 진화하였습니다. 스피커에 공진이 존재하면 음원 공진에 추가되어 음색이 왜곡됩니다. 이러한 왜곡은 재생되는 모든 사운드에 일률적으로 추가됩니다. 이러한 공진은 원치 않는 것이며, 방 전체에 퍼지기 때문에 이를 제거하는 것이 스피커 설계자의 주요 과제 중 하나입니다.
흥미로운 사실은 반사 음은 직접 음의 반복으로 누적된 소리로 인지되어 넓은 주파수대역 공명을 더 잘 듣게 만듭니다. 이로 인해 스피커 결함이 더 분명해집니다. 직접 음이 강한 잔향이 적은 공간에서 음악을 들으면 작은 크기의 공명이 적게 들립니다.
스피커 주파수응답에서 피크를 생성하는 가장 일반적인 메커니즘은 공진이지만 딥의 원인은 파괴적인 음향간섭일 가능성이 높으며, 매우 날카롭고 매우 깊은 딥이 나타납니다. 넓은 피크와 딥은 좁은 음향간섭 딥보다 듣기 쉽습니다. 스피커 결함 주파수와 음원 음색이 일치할 때만 왜곡 음이 들리기 때문에 솔로 악기 테스트 음으로는 스피커 왜곡 판단이 어렵습니다. 따라서 광대역 소음이 주파수응답 불규칙성을 더 잘 드러냅니다.
다양한 실험을 통해 Q가 작아질수록 잘 감지되고, 음원별로는 백색 소음이 가장 잘 감지되고, 그 다음으로 교향악이 잘 감지되며, 재즈 여성보컬 감지가 가장 어렵습니다. 스펙트럼 밀도가 높고, 소리가 연속적일수록 잘 감지되기 때문에 스펙트럼 복잡성이 테스트 음원에서 중요합니다.
연속적인 소리는 일시적인 소리보다 공명을 더 잘 드러냅니다. 공명을 잘 감지하는데 필요한 반사 음은 녹음된 소리 자체에 있을 수도 있고, 청취실에 있을 수도 있습니다. 인간은 200Hz 이상 시간영역 링잉에는 민감하지 않고, 스펙트럼 피크에 민감합니다. 하지만 200Hz 이하 저음 주파수에서는 스펙트럼 피크와 링잉이 모두 들릴 가능성이 있습니다.
가장 공명을 감지하기 어려운 소리는 솔로악기, 목소리, 특히 근접 마이킹에서 녹음된 소리입니다. 단순한 보컬 및 악기 녹음은 스피커 간 차이를 잘 드러내지 않습니다. 가장 유용한 음원은 광대역 스펙트럼입니다. 감동을 주기 위한 시연에서는 잔향이 거의 없는 솔로 보컬, 기타, 작은 콤보 등의 단순한 소리를 사용하고, 비교적 잔향이 적은 방을 이용하는 것이 좋습니다. 스피커가 가진 문제를 찾으려면 넓은 대역폭과 잔향이 많은 복잡한 악기 음을 반사가 있는 방에서 들어보길 추천합니다.
공명 가청도 실험은 지각 과정에 중요한 통찰력을 제공하고, 스피커 성능 목표를 설정하는데 도움이 됩니다. 감지 가능한 임계값보다 높으면 쉽게 들을 수 있고, 낮으면 개발 비용 및 재료 비용을 낭비할 수 있습니다. 이 데이터는 저가형 스피커를 설계할 때 귀중한 자산이 됩니다.
댐핑을 추가하면 Q가 감소하므로 링잉이 줄어듭니다. 또한 주파수응답에서 피크 진폭도 함께 줄어드는데, 이 모든 것이 좋아 보입니다. 하지만 피크가 더 넓어져 더 잘 들리게 되고, 임계값이 낮아져 공명이 쉽게 들립니다. 큰 Q 공명은 음악이 정확히 공진주파수에 있고, 에너지를 축적할 수 있을 만큼 충분히 오래 유지될 때에만 활성화됩니다.
핵심 질문은 "주파수응답 피크와 링잉 중 무엇을 더 잘 듣는가?" 입니다. 200Hz 이상 주파수에서는 스펙트럼 피크를 잘 들을 수 있습니다. 따라서 공명 가청도는 주파수응답 곡선으로 설명할 수 있습니다.
그림 3. 280Hz에서 가청 가능한 높은 Q 공진 문제가 있는 스피커. 점선은 스무딩 처리, 실선은 2Hz 해상도 무향실 데이터. Toole 박사님 제공.
그림 3은 스무딩 처리된 스피커 측정 데이터를 나타냅니다. 점선과 같이 스무딩 처리된 측정 값의 경우 음질 문제를 느낄 수 있지만 그래프만으로는 설명할 수 없습니다. 스피커를 통해 재생되는 대부분의 소리는 정상이지만, 여성 보컬이 특정 음을 지속할 때 문제가 발생합니다. 이 가수는 스피커 공진주파수와 정확히 일치하는 보컬 포만트를 가지고 있었기 때문에 매우 높은 Q 문제를 가졌고, 이 문제가 들리게 되었습니다. 스무딩 처리된 측정 데이터에서는 문제가 없어 보였지만 무향 데이터에서는 문제가 보였습니다. 이는 스피커 인클로저 공진 문제로 쉽게 해결되었습니다.
음원의 일부 주파수와 스피커 공진 주파수가 정확히 일치해야 공진이 발생하기 때문에 공진이 들릴 확률은 낮습니다. 하지만 실제로 발생합니다. 스피커의 인지적인 문제를 예측하려면 고 해상도 측정이 필수적입니다. 무향 데이터를 이용하여 이퀄라이제이션을 하는 액티브스피커의 경우 고 해상도 무향실 측정데이터가 필요합니다.
5.9 스피커 공진 찾기
스피커 유닛은 최소위상장치이기 때문에 파라메트릭 이퀄라이제이션을 사용할 수 있으며, 진폭을 줄이면 공진 가청도가 줄어듭니다. 최소위상장치는 반전이 가능하기 때문에 디지털신호처리를 가진 액티브스피커가 존재합니다. 피크와 딥을 포함하는 주파수 응답곡선에서 음향 간섭과 주파수 공진을 구별하는 것은 중요한데, 음향 간섭은 반전할 수 없는, 이퀄라이제이션으로 수정할 수 없는 비 최소위상 문제입니다. 다행히도 음향간섭은 청감적으로 덜 들립니다.
그림 4. 무향실과 청취실 라우드스피커 측정 데이터. 두 가지 방법으로 약 400Hz 이상에서 이퀄라이징 처리됨. Toole 박사님 제공.
그림 4는 공간평균에서도 쉽게 식별할 수 있는 여러개의 주파수 공진을 가진 스피커를 보여줍니다. 스피커 공진은 방 안으로 광범위하게 방사되지만, 음향 간섭는 청취 위치에 따라 다릅니다. 그림4 (a)는 네 개의 강한 공진을 보여줍니다. 가장 중요한 공진은 3kHz의 넓은 주파수 범프입니다. 이 범프는 공진 감지 임계값보다 몇 배 더 높으며, 다른 중간 Q 공진은 반사 공간에서는 임계값이 더 낮아지므로 음원에서 들을 수 있습니다. 이 스피커는 일반적인 모노포닉 이중 맹검 평가에서 그다지 높은 평가를 받지 못한 제품입니다. 이퀄라이징 방법은 두가지로 구분할 수 있습니다.
1. 6명 공간평균 곡선을 평평하게 함. (그림4 (b))
2. 무향실 정 축 주파수 응답을 평평하게 함. (그림4 (c))
이 스피커는 이퀄라이제이션이 적합하지만 크로스오버 결함으로 인해 약 1.5kHz 간섭 딥이 발생하는 문제를 가집니다. 이는 음향 간섭 문제이기 때문에 공간평균이 증가할수록 형태가 변하고 사운드파워 곡선에서는 거의 사라집니다. 이 문제는 지향계수에서 나타납니다. 이것은 최소위상이 아니며, 이퀄라이제이션을 해서는 안 되지만, 자동 EQ 알고리즘을 사용할 경우 이퀄라이제이션이 적용됩니다.
위 그래프는 무향실 스피커 자체 성능과 공간평균 정상상태 주파수응답에서 성능을 볼 수 있고, 이중 맹검 주관평가와 연관시킬 수 있습니다. 어떤 이퀄라이제이션이든 음질이 향상되며, 원래 스피커 주관평가는 3.9/10, 6개 지점 공간평균 이퀄라이제이션은 5.0/10, 무향실 정축 이퀄라이제이션은 5.3/10으로 상승했습니다.
(b)와 같이 6개 지점 공간평균 이퀄라이제이션은 3kHz 대역 공진만 감쇠된 것을 알 수 있습니다. 이것이 가장 심각한 문제였기 때문에 주관평가 점수가 크게 올라갔습니다. 중간 Q 공진은 여전히 존재했고, 약간의 변화만 있었습니다.
(c)와 같이 무향실 정축 이퀄라이제이션은 주관평가 점수가 약간 더 높아졌습니다. 정 축 주파수 조작으로 스피커가 개선된 것은 분명하며, 좋은스피커로 시작했다면 6개 지점 공간평균 이퀄라이제이션이 필요하지 않았을 것입니다.
제조업체는 좋은 스피커를 만들고, 고객은 그런 스피커를 구매해야 합니다. 완벽하게 매끄러운 공간평균 이퀄라이제이션을 얻기 위해서는 이퀄라이제이션만으로는 충분하지 않습니다. 청취실의 남은 문제는 이퀄라이제이션이 도움이 될 수 있는 룸 모드 처리가 필요합니다. 중요한 사실은 (c)에서 이퀄라이제이션이 정 축 방향 주파수응답 간섭 딥도 함께 채웠다는 사실입니다. 그 결과 스피커 공진이 추가되어 사운드파워 곡선에서 나타납니다.
그림 5. 모노, 스테레오, 멀티채널 청취 스피커 주관평가. Toole 박사님 제공.
그림 5는 모노, 스테레오 및 5채널 청취 주관평가 성능을 비교한 것입니다. 활성 채널을 더 많이 추가하면 할수록 스피커 성능 세부사항을 식별하는 능력이 감소합니다. 음악과 영화에서는 모노포닉 구성 요소가 두드러지므로 스피커 성능은 가장 까다로운 테스트 방법인 모노에서 평가해야 합니다.
스피노라마 데이터를 통해 스피커 공진을 인지할 수 있습니다. 스피노라마 데이터에서 강한 공진을 나타내는 스피커는 정상상태 실내곡선에서도 스피커 공진을 찾을 수 있지만 항상 그런 것은 아닙니다.
유일한 측정데이터가 정상상태 룸 커브인 경우, 공진 및 반 공진으로 인한 피크와 딥, 그리고 서로 다른 시간에 마이크로폰에 도달하는 음으로 인한 보강 및 상쇄 간섭 피크와 딥을 서로 구분하는 것이 중요합니다. 스피커 공진은 소리 음색을 변화시키는 반면, 음향 간섭을 일으키는 반사된 소리는 공간감, 즉 방 안의 소리로 인식되기 때문에 효과는 매우 다릅니다.
무향실 측정데이터에서 공진이 드러나지 않는다면 정상상태 룸 곡선 변동은 확실히 음향 간섭에 기인합니다. 천이주파수 이상에서 스피커와 마이크로폰 경로에 강력한 음향 공진 메커니즘이 존재할 가능성은 거의 없습니다.