6. 스피커의 체계적 분석에 필요한 인자들(2)
by 이신렬 음향공학박사 글, 이무제 정리, 자료제공: A49, 소니캐스트
지난 글에서는 스피커 성능의 체계적 분석을 위해서 어떤 요소들과 인자들이 다뤄져야하는지에 대해 이야기했습니다. 소리의 크기, 주파수의 폭, 주파수 반응의 평탄 정도 등 이미 몇 가지는 사운드 엔지니어 및 음향 애호가들에게 잘 알려져 있지만 또 다른 몇 가지들은 오해하고 있거나 잘 알려져 있지 않은 것들도 있습니다. 우리가 특히 주의해야할 것은 스피커와 청취 공간의 상호작용입니다. 우리는 스피커의 소리 이상으로 청취 공간의 복잡한 반사와 확산, 흡음이 만들어내는 소리들을 듣습니다. 따라서 스피커의 성능 분석에는 반드시 측정 공간의 요소들까지 포함해야만 합니다.
그림 6. 서로 다른 시간 및 주파수 해상도 예. (a) 높은 해상도 정상상태 주파수응답. (b), (c) 및 (d)는 주파수 및 시간 해상도가 다른 폭포수 응답. Toole 박사님 제공
5.10 폭포수 응답(waterfall response)
폭포수 응답은 진폭, 주파수, 시간의 세 가지 영역을 하나로 결합해서 보여주기 때문에 매우 매력적입니다. 문제는 부적절하게 설명된 폭포수 응답이 많다는 것입니다. 이 응답은 안타깝게도 사람들을 속이기 위해 많이 사용되어 왔습니다. 우리는 주파수와 시간 영역에서 고 해상도 데이터를 동시에 볼 수 있기를 원합니다. 하지만 이것이 항상 가능한 것은 아니며, 일반적으로 둘 중 하나만 가능합니다. 그림 6은 주파수와 시간 해상도를 서로 다르게 선택했을 때 결과를 보여줍니다.
그림 6 (a)는 높은 해상도(약 3Hz) 정상상태 주파수응답을 보여줍니다. 오디오 인터페이스를 이용한 무료 측정 프로그램(예. REW)을 통해 이러한 데이터를 쉽게 생성할 수 있습니다. 주파수 영역에서는 세부적인 정보를 제공하지만 시간 영역에서는 세부적인 정보를 알려주지 않습니다. 그림 6 (b), (c), (d)는 동일한 상황을 다른 주파수 해상도로 보여줍니다.
그림 6 (b)에서 초기 주파수응답은 좁은 7Hz 대역 폭이 선택되었기 때문에 (a) 곡선과 거의 유사합니다. 그러나 폭포를 구성하는 연속곡선은 모두 매우 유사하게 보이는데, 이는 주파수영역 세부 해상도를 위해 시간영역 해상도를 142ms로 넓게 설정했기 때문입니다. 표시된 500ms 감쇠 내에서 모든 연속곡선은 142ms 창 내의 평균이기 때문에 큰 변화는 없습니다. 초기 이후 처음 몇 개 곡선은 거의 동일하며, 그 이후 곡선은 진폭이 완만하게 떨어집니다. 이 청취실은 많은 주파수에서 제어되지 않은 잔향이 있는 것처럼 보이지만 이것은 잘못된 데이터입니다.
(c)에서는 주파수 분해능이 14.3Hz로 감소하게 되고, 최고 주파수응답이 더 부드러워져 디테일은 덜 드러나지만 70ms의 향상된 시간 분해능 덕분에 이제 감쇠 곡선의 세부적인 변화를 볼 수 있습니다. 모든 곡선이 더 빠르게 감쇠하고 감쇠 초기에 하나의 공진 주파수가 이동한 증거가 있습니다. 500Hz 인근 주파수에서는 350ms에 도달하기 전에 최저레벨 아래로 이미 떨어진 것을 볼 수 있습니다.
(d)에서 최고 주파수 응답과 그 뒤의 모든 응답은 주파수 분해능이 더욱 낮아져 25Hz로 훨씬 부드러워졌습니다. 그러나 시간 분해능이 40ms로 훨씬 개선되었기 때문에 시간 영역에서 일어나는 일들을 더 많이 볼 수 있습니다. 원으로 표시된 영역에서 (a)에서 하나의 감쇠 공진처럼 보였던 것이 실제로는 진폭이 큰 공진이 매우 빠르게 감쇠하고, 진폭이 작은 공진이 더 오래 울리는 두 개의 인접한 공진임을 확인할 수 있습니다. (a)에서 보였던 다른 모든 공진이 매우 빠르게 감쇠하는 것을 볼 수 있습니다. 실제로 이 방에는 감쇠가 오래 지속되는 공진이 하나만 있었고, 그 진폭이 처음에 10dB 이상 낮아져 인지가 될 가능성이 낮습니다.
이처럼 스피커 측정 사이트나 제조업체에서 폭포수응답 데이터로 잘못된 결론을 도출하는 사례가 많이 있습니다. 이를 극복하기 위해 웨이블릿, 위그너-빌 및 가버 분포와 같이 시간/주파수 트레이드 오프를 다루는 다른 분석이 존재합니다.
5.12 주파수 위상
우리는 파형이 고막을 움직여 인지를 하기 때문에 파형에 민감해야 하고, 위상과 절대 극성은 인지 가능해야 합니다. 하지만 스피커 극성을 바꾸고 위상을 변경하여 음악 파형을 왜곡하는 테스트를 해보면 그런 차이를 인지하기 어렵습니다. 이것을 듣지 못했을 수도 있지만 실제 청취에서는 이 부분이 중요한 요소가 아닐 수 있습니다.
청취자가 평평한 주파수 특성을 선호한다는 증거는 많지만, 가장 높은 등급을 받은 스피커 위상 곡선이 가장 매끄럽다는 점을 제외하면 위상 선형성은 중요한 요소로 보이지 않습니다. 공진은 주파수응답 범프와 위상응답의 급격한 변화로 나타나기 때문에 청취자는 공진이 없는 스피커에 일반적으로 매력을 느낍니다. 가장 바람직한 주파수응답은 수평에 가까운 응답이며, 위상응답은 부드러움 외에 특별한 형태가 없습니다. 이는 우리가 평탄한 진폭 스펙트럼을 좋아하지만, 위상 이동에는 민감하지 않다는 것을 의미하며, 파형이 반드시 동일할 필요가 없다는 것을 의미합니다.
선형위상을 갖는 스피커 시스템을 설계하는 경우 청취 공간에서 선형위상이 적용되는 위치는 매우 제한적입니다. 스피커 직접 음에 대해서는 선형위상이 수용될 수 있지만, 단 한 번의 반사로도 선형 위상이 파괴됩니다. 종합적으로보면 녹음실 반사로 인해 녹음 신호 선형위상 유지가 어렵고(녹음 환경), 선형위상을 가진 스피커 설계가 어려우며(스피커), 반사되는 실내에서 청취자에게 선형위상이 제공되기 어렵습니다(청취 환경).
그림 7. 스피커 주파수 및 위상 응답.
수년에 걸쳐 많은 연구자들이 위상 변화가 음질에 미치는 영향을 확인한 결과, 인위적으로 신호를 조작할 경우 헤드폰이나 무향실에서는 인지가 가능함이 밝혀졌습니다. 하지만 반사가 심한 방에서 스피커를 통해 음향이 재생되는 음악의 경우에는 위상 변화가 거의 들리지 않습니다. 위상 이동 차이가 들리는 경우에도 청취자의 선호도는 명확하지 않습니다.
주파수별 지연값을 나타내는 군지연(group delay) 가청성을 조사한 결과, 반사 공간에서 군지연 감지 임계값이 1.6~2ms 이상이라는 것이 밝혀졌습니다. 일반 가정용 스피커 및 모니터스피커에서는 이 값을 초과하지 않습니다. 선형위상을 가진 스피커 유닛은 음색보다는 공간감에 영향을 크게 미칩니다.
5.13 저 주파수 위상 천이
저 주파수를 녹음하고 재생할 때 신호경로에서 고역통과필터 특성이 삽입될 때마다 저 주파수 위상이 변화됩니다. 첫 번째 단계인 마이크로폰에서 발생한 다음, 녹음 환경에서 사용되는 다양한 이퀄라이저에서 발생합니다. 또한 많은 오디오장치에서 고역 통과 필터를 거칩니다. 이 모든 것의 마지막에는 라우드스피커가 있습니다. 분명히 우리가 듣는 저 주파수는 위상 천이에 의해 크게 손상됩니다. 문제는 우퍼/서브우퍼가 얼마나 위상천이에 기여하고 있으며, 만약 들린다면 이를 보정해야 할 필요가 있는지 입니다.
저 주파수 위상 천이는 특별히 녹음된 음악과 인위적인 신호음을 사용할 경우 스피커를 통해 들을 수 있지만 그 효과는 매우 미미합니다. 고역 통과 응답으로 인한 위상왜곡은 차단주파수를 5Hz 정도로 낮춰도 들을 수 있고, 저음의 단단함이 부족해지고 울렁거림이 발생합니다. 음원에서 효과가 들릴 수 있다고 해도 의견 차이가 있지만, 이 모든 것은 음원이 매우 깨끗한 상태라고 가정할 경우이고 현재도 그렇고 가까운 미래에도 그럴 가능성은 높지 않습니다.
스피커의 극성
5.15 스피커 극성 차이
청취 테스트 결과 일부 청취 조건에서 일부 악기 소리가 스피커 극성 반전으로 명확하게 들리는 것은 확실합니다. 일반적인 음악 프로그램에서는 극성 반전이 쉽게 들리지 않지만, 엄선되고 단순화된 많은 음악 설정에서는 극성 반전이 들립니다. 따라서 원래의 음향 파형을 가장 정확하게 재생하기 위해서는 극성을 추적하고, 올바른 극성으로 신호를 재생하는 것이 합리적일 수 있습니다.
귀의 비대칭 감지 프로세스는 음향 신호와 청취 조건이 맞을 경우 극성 반전 효과를 들을 수 있습니다. 재생기기에서 극성 반전 스위치가 있는 경우 선호하는 설정을 찾을 수 있지만, 어떤 설정이 올바른지 알 수 없으며 앙상블의 목소리와 악기마다 약간씩 다를 수 있습니다.
McIntosh MC275는 명품 파워앰프로 유명하지만 적지않은 왜곡이 존재한다. 하지만 그 왜곡이 특유의 음악적 즐거움을 만들어줘 스테디셀러로 굳어졌다.
체급이 큰 스피커를 구매 후 작게 듣는다면 스피커에서 발생하는 왜곡을 근본적으로 줄일 수 있다. 사진은 B&W 802 D4.
5.16 비선형 왜곡
순음이나 노이즈를 사용할 때 왜곡을 쉽게 측정하고 들을 수 있습니다. 비선형 왜곡은 대부분의 경우 백분율로 나타내며, 이는 고조파 왜곡 및 상호변조 왜곡으로 나타납니다. 하지만 신호 음이 음악일 경우에는 즐거운 경험이 될 수 있습니다. 음향 마스킹 효과로 인해 왜곡 음이 측정 값보다 작게 들립니다.
넓은 대역폭의 고밀도 스펙트럼은 훨씬 더 복잡한 왜곡을 발생시키지만, 훨씬 더 효과적인 마스킹 신호이기도 합니다. 마스킹은 큰 저음 성분이 음성을 포함한 가청 스펙트럼 전체에 영향을 미칠 수 있습니다. 이것은 저음이 많은 록 콘서트에서 가사를 이해하기 어렵게 만들거나, 큰 저음이 울리는 영화에서 대사를 이해하기 어렵게 만드는 이유를 설명합니다.
오디오장치의 비선형 동작은 입력 신호와 출력 신호가 레벨에 따라 변한다는 뜻입니다. 입력이 특정 비율만큼 증가하면 출력도 같은 비율만큼 중가해야 합니다. 하지만 비율이 변경되면 오디오 출력 파형 모양이 변경됩니다. 이러한 왜곡 파형은 새로운 소리를 생성시킵니다.
비 선형성을 정량화하기 위해 원래 입력신호와 왜곡 및 노이즈신호 백분율로 표현하는 여러가지 방법을 개발했습니다. 입력신호가 순음인 경우 왜곡은 해당 신호의 고조파 배음으로 표시됩니다. 이 방법의 문제점은 기본 주파수가 높아질수록 고조파 성분이 가청범위를 벗어나기 때문에 더 이상 유용한 측정 지표가 되지 못한다는 것입니다.
이 방법에 비해 간격이 가까운 두 개 톤을 고 주파수로 스캔하는 것이 더 유용합니다. 각 톤은 일련의 고조파 왜곡을 만들지만 비선형적으로 상호작용하여 조합 톤인 상호변조 왜곡을 생성합니다. 마스킹은 고 주파수에서 훨씬 더 효과적이기 때문에 더 잘 들리고, 본질적으로 비 음악적이기 때문에 더 거슬립니다.
고조파 왜곡은 상대적으로 양호하고, 상호변조 왜곡은 나쁘다는 인식이 있습니다. 테스트 신호 맥락에서는 사실이지만, 둘 다 동일한 문제를 정량화하는 다른 방법일 뿐이며, 테스트 신호는 사람의 목소리나 음악의 근사치에도 못 미칩니다. 이러한 측정이 마스킹 현상을 무시하기 때문에 인지와 측정값 사이의 불일치가 발생합니다. 측정 값에는 부분 또는 완전히 마스킹된 왜곡 요소가 포함되어 있습니다. 측정된 것 중 일부는 들리지 않을 수 있습니다.
고조파 또는 상호변조 왜곡 측정은 음악이나 영화를 듣는 동안 사람의 반응을 정확하게 예측할 수 있는 방식으로 왜곡을 정량화하지 못합니다. 자체적으로 비선형적인 장치인 인간 청각기관의 특성을 무시하기 때문에 상관 관계가 낮습니다. 누군가가 어떤 것을 들으면서 비선형 왜곡을 인지할 수는 있지만, 미리 그 한계값을 정의할 수는 없습니다.
최근에는 심리음향학적 발전을 활용하고 컴퓨터 분석 및 모델링 기능을 활용하여 근본적인 지각 메커니즘을 파악하고 더 나은 테스트 방법을 개발하려는 새로운 연구가 시도되고 있습니다. 하이파이 스피커의 경우 일반적으로 스피커를 한계 조건에 가깝게 구동하지 않기 때문에 스피커 왜곡이 뚜렷하게 드러나지 않지만, 대규모 공연장에서는 이러한 상황이 자주 발생할 수 있습니다.
스피커의 물리적 크기는 지향성에 많은 영향을 끼친다. 사진은 Wilson Audio Alexia V로 각 드라이버마다 인클로저를 따로 제작하여 전 대역에서 일정한 지향 특성을 확보했다.
5.17 스피커 지향성
스피커, 악기, 목소리 등에서 방사되는 소리는 파장이 소스 크기에 비해 길면 모든 방향에서 동일한 크기의 소리가 들립니다. 80Hz 이하에서 작동하는 12인치 서브우퍼의 경우 파장이 4.3m보다 길기 때문에 소리가 모든 방향으로 동일한 에너지로 방사됩니다. 따라서 서브우퍼 진동판이 위쪽, 아래쪽, 옆쪽 중 어느 방향을 향하든 방사되는 소리는 거의 변하지 않습니다.
그러나 높은 주파수, 즉 파장이 짧은 주파수에서는 방사된 사운드가 진동판 앞쪽으로 더 집중되어 점차 좁아지는 빔 형태로 방사되는 경향이 있습니다. 파장이 스피커 진동판 크기에 접근하여 더 작아지면 방향성이 더 강해집니다. 주파수가 증가함에 따라 스피커 크기를 줄이면 주파수 및 시간 영역 성능이 훨씬 개선되면서 일정한 지향성을 얻을 수 있습니다.
매우 낮은 주파수에서는 저음이 모든 방향으로 방사되므로 지향성 제어는 수백 Hz 이상에서만 효과적입니다. 실제로 룸 천이주파수 아래에서는 룸 모드에 의해 소리가 지배됩니다. 크로스오버 주파수 선택은 주파수 응답과 지향성을 모두 고려해야 하고, 크로스오버 주파수에서 저역 통과 드라이버와 고역 통과 드라이버 지향성은 비슷해야 합니다.
크로스오버를 이용하여 주파수를 나누면 왜곡을 줄이는데 유리하고, 매우 복잡한 음을 여러 드라이버가 나눠 출력하므로 상호변조 왜곡 발생 가능성이 줄어듭니다. 크로스오버가 많아지면 문제가 복잡해지지만, 지향성을 잘 일치시키는 웨이브가이드, 컴퓨터를 이용한 크로스오버 설계로 청각적 결함을 크게 제거할 수 있습니다.
대형 패널스피커의 경우 지향성은 방사표면 크기와 파장에 의해 결정되므로, 전체 오디오대역을 방사하는 대형 진동 표면은 주파수가 증가함에 따라 지향성이 강해집니다. 정전형 및 전자기형 진동판은 변위가 제한되어 있기 때문에 충분한 사운드를 내기 위해서는 패널 크기가 커져야 합니다.
5.18 룸 공진
모든 소리는 실내에서 다소 복잡한 방식으로 반사되지만, 몇 가지 특별한 현상이 발생합니다. 반 파장 또는 반 파장의 배수로 떨어져 있는 평면 사이에서 양방향으로 이동하는 소리는 정재파(standing wave)가 발생합니다. 이것이 룸 모드(room mode)입니다.
양벽이 반 파장 배수 거리에 위치하는 경우 해당 주파수에서는 공진이 발생합니다. 이는 직사각형 방 길이, 너비, 높이를 따라 각각 존재하기 때문에 이를 축 모드(axial mode)라고 합니다. 정재파가 있을 때 방 안을 돌아다니면 공진주파수 음량이 변합니다. 실제로 방 치수를 따라 1차 공진주파수 음을 방출하는 스피커를 한쪽 벽에 설치하고, 청취자가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 걸어가면, 방의 양쪽 끝에서는 소리가 거의 똑같이 커지고, 중간 지점에서는 소리가 거의 사라집니다. 이와 달리 청취자가 한 지점에 있고, 다양한 저 주파수 신호를 스캔하면 특정 주파수에서는 소리가 커지고, 다른 주파수에서는 소리가 작아지는 큰 음압 변동이 생깁니다. 다른 종류의 모드들도 함께 존재하지만 대부분의 방에서 축 모드가 지배적인 요소입니다. 우리가 듣는 것은 음압 성분이지만 저항성 흡음재 작동 원리를 이해하기 위해서는 입자속도도 매우 중요합니다.
녹음 스튜디오 흡음재 사용 예제
5.19 흡음재
우리가 사용하는 대부분의 흡음재는 유리섬유, 셀룰로스 또는 미네랄 울 섬유가 서로 엉켜있거나 침출(leach)된 폼 형태로 소리가 통과되는 경로를 복잡하게 만드는 저항성 소재입니다. 소리는 탄성 매질(압축 공기 유체)을 통해 전파되는 압력 파동으로, 통과하면서 압축과 이완을 일으킵니다. 공기 분자는 소리의 진행방향으로 진동하면서 앞뒤로 움직이지만 이동하지는 않습니다. 파동은 음속으로 이동하지만 공기 입자 자체는 진동만 할 뿐입니다. 이러한 움직임이 저항성 흡음재 내부에서 강제로 발생하면 섬유 엉킴 내 이동하는 난기류로 인해 일부 에너지가 손실되어 흡수되어 열로 변환됩니다. 저항 손실은 공기 입자가 움직이고, 다공성 물질이 상당한 유동 저항을 가지고 있는 경우에만 발생할 수 있습니다.
압력과 입자속도는 서로 반비례합니다. 딱딱한 벽에 부딪힌 공기입자는 갈 곳이 없어 입자속도는 0이 된다는 것을 직관적으로 이해할 수 있습니다. 딱딱한 벽에 도달한 음파는 벽을 움직이지 못하고 반사되어 압력이 쌓인다는 점도 본능적으로 이해할 수 있습니다. 따라서 반사 경계면에서는 압력이 최대가 되고 입자속도는 최소가 됩니다. 저항성 흡음이 유용하려면 방 경계에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 경계에 인접한 부분은 흡음을 하지 않으며, 경계로부터 입자속도가 최대인 1/4 파장거리에서 흡음 효율이 최대로 증가합니다. 저항성 흡음재는 낮은 주파수에서 매력적인 솔루션이 아닙니다. 100Hz의 1/4 파장은 86cm로 청취 공간이 심각하게 줄어듭니다. 어느 거리에서든 저항성 흡음재는 약간의 흡음을 하기 때문에 중-고 주파수에서 매우 효과적입니다.
저 주파수에서 널리 사용되는 대안은 멤브레인 흡음재입니다. 방 경계에 음압이 쌓일 때 경계가 유연하면 움직이면서 음장 내 에너지를 밖으로 빼내고, 방으로 다시 반사되는 양이 줄어듭니다. 소리 에너지는 움직이는 벽면의 마찰손실로 인해 열로 바뀝니다. 바닥이나 벽에서 음이 느껴지면 멤브레인 흡음이 일어나고 있는 것입니다. 방의 경계에서 적절하게 흡음되지 않으면 멤브레인 흡음재를 추가해야 합니다. 멤브레인 흡음재 대부분은 특정 주파수대역, 좁은 대역, 때로는 넓은 대역 소리를 흡음하도록 튜닝되어 있습니다. 감쇠가 필요한 주파수를 파악하여 올바른 멤브레인 흡음재를 사용하고, 실내 정상파 패턴에서 해당 주파수 고압 영역을 찾아 가장 효과적인 곳에 흡음재를 배치하는 것이 중요합니다. 이 모든 것은 파장과 관련이 있습니다.
RPG diffuser system. Skyline(위), Modffractal(아래)
5.20 확산재
음성과 악기에서 나오는 소리 에너지량이 정해져 있고, 그 소리를 강당의 모든 부분에 전달해야 하는 공연장에서는 산란 혹은 확산 표면이 필요합니다. 가구가 비치된 청취실의 경우 흡음이 심해서 확산 음장을 얻을 수 없습니다. 청취실과 홈 시어터에서는 강한 반사나 평행한 표면 사이의 플러터 에코를 차단하기 위해 흡음의 대안으로 산란/확산재를 사용합니다.
두 개의 반사되는 평행 벽 사이에 서서 손뼉을 치면, 박수 소리가 벽 사이에서 연속적으로 울립니다. 실제 문제는 박수 소리가 스피커에서 나와 청중석에 앉아있는 사람들에게 플러터 에코로 들리는 경우입니다. 따라서 한 사람이 시스템의 양 스피커로 이동하면서 손뼉을 치는 동안 다른 사람이 청취 공간을 돌아다니면서 플러터 에코가 생기는지 확인하는 것입니다. 플러터 에코가 있는 경우 문제가 되는 반사표면을 찾아 흡음 또는 확산시킵니다.
손뼉치기는 약 2kHz 이상에서 최대값을 나타내므로 이를 감쇠하는 데는 1인치 두께의 저항성 흡음재로 충분합니다. 확산 표면 위치가 결정되면 확산판 두께 결정이 필요하며, 파장을 기준으로 답을 찾아야 합니다. 각 확산재는 디자인과 깊이에 따라 소리를 산란시키지 못하는 차단주파수를 가지므로, 산란된 부분에 노출된 청취자는 원음의 고역통과 필터링된 버전만을 듣게 됩니다. 따라서 반사된 음장의 스펙트럼이 왜곡되지 않도록 산란/확산된 사운드는 룸 천이주파수 이상 대역 폭을 모두 커버하는 것이 바람직합니다.
대략적으로 기하학적(예: 반원통, 다면체 모양) 확산재 깊이는 30cm 이상이어야 하고, 엔지니어링(예: 슈뢰더, QRD) 확산재는 20cm 이상이어야 합니다. 확산이 유용하려면 가장 낮은 주파수의 1/7 파장 이상이어야 합니다. 이는 300Hz에서 약 18cm입니다. 거울 반사방향으로 방출되는 사운드는 차단주파수 이하에서는 큰 에너지를 가지며, 그 이상 주파수에서는 크게 감쇠됩니다. 물론 구체적인 상황에 따라 다르겠지만, 확산재에 의해 스펙트럼 일부만 조작된다는 사실을 무시할 수는 없습니다.
6. 스피커의 체계적 분석에 필요한 인자들(2)
by 이신렬 음향공학박사 글, 이무제 정리, 자료제공: A49, 소니캐스트
지난 글에서는 스피커 성능의 체계적 분석을 위해서 어떤 요소들과 인자들이 다뤄져야하는지에 대해 이야기했습니다. 소리의 크기, 주파수의 폭, 주파수 반응의 평탄 정도 등 이미 몇 가지는 사운드 엔지니어 및 음향 애호가들에게 잘 알려져 있지만 또 다른 몇 가지들은 오해하고 있거나 잘 알려져 있지 않은 것들도 있습니다. 우리가 특히 주의해야할 것은 스피커와 청취 공간의 상호작용입니다. 우리는 스피커의 소리 이상으로 청취 공간의 복잡한 반사와 확산, 흡음이 만들어내는 소리들을 듣습니다. 따라서 스피커의 성능 분석에는 반드시 측정 공간의 요소들까지 포함해야만 합니다.
그림 6. 서로 다른 시간 및 주파수 해상도 예. (a) 높은 해상도 정상상태 주파수응답. (b), (c) 및 (d)는 주파수 및 시간 해상도가 다른 폭포수 응답. Toole 박사님 제공
5.10 폭포수 응답(waterfall response)
폭포수 응답은 진폭, 주파수, 시간의 세 가지 영역을 하나로 결합해서 보여주기 때문에 매우 매력적입니다. 문제는 부적절하게 설명된 폭포수 응답이 많다는 것입니다. 이 응답은 안타깝게도 사람들을 속이기 위해 많이 사용되어 왔습니다. 우리는 주파수와 시간 영역에서 고 해상도 데이터를 동시에 볼 수 있기를 원합니다. 하지만 이것이 항상 가능한 것은 아니며, 일반적으로 둘 중 하나만 가능합니다. 그림 6은 주파수와 시간 해상도를 서로 다르게 선택했을 때 결과를 보여줍니다.
그림 6 (a)는 높은 해상도(약 3Hz) 정상상태 주파수응답을 보여줍니다. 오디오 인터페이스를 이용한 무료 측정 프로그램(예. REW)을 통해 이러한 데이터를 쉽게 생성할 수 있습니다. 주파수 영역에서는 세부적인 정보를 제공하지만 시간 영역에서는 세부적인 정보를 알려주지 않습니다. 그림 6 (b), (c), (d)는 동일한 상황을 다른 주파수 해상도로 보여줍니다.
그림 6 (b)에서 초기 주파수응답은 좁은 7Hz 대역 폭이 선택되었기 때문에 (a) 곡선과 거의 유사합니다. 그러나 폭포를 구성하는 연속곡선은 모두 매우 유사하게 보이는데, 이는 주파수영역 세부 해상도를 위해 시간영역 해상도를 142ms로 넓게 설정했기 때문입니다. 표시된 500ms 감쇠 내에서 모든 연속곡선은 142ms 창 내의 평균이기 때문에 큰 변화는 없습니다. 초기 이후 처음 몇 개 곡선은 거의 동일하며, 그 이후 곡선은 진폭이 완만하게 떨어집니다. 이 청취실은 많은 주파수에서 제어되지 않은 잔향이 있는 것처럼 보이지만 이것은 잘못된 데이터입니다.
(c)에서는 주파수 분해능이 14.3Hz로 감소하게 되고, 최고 주파수응답이 더 부드러워져 디테일은 덜 드러나지만 70ms의 향상된 시간 분해능 덕분에 이제 감쇠 곡선의 세부적인 변화를 볼 수 있습니다. 모든 곡선이 더 빠르게 감쇠하고 감쇠 초기에 하나의 공진 주파수가 이동한 증거가 있습니다. 500Hz 인근 주파수에서는 350ms에 도달하기 전에 최저레벨 아래로 이미 떨어진 것을 볼 수 있습니다.
(d)에서 최고 주파수 응답과 그 뒤의 모든 응답은 주파수 분해능이 더욱 낮아져 25Hz로 훨씬 부드러워졌습니다. 그러나 시간 분해능이 40ms로 훨씬 개선되었기 때문에 시간 영역에서 일어나는 일들을 더 많이 볼 수 있습니다. 원으로 표시된 영역에서 (a)에서 하나의 감쇠 공진처럼 보였던 것이 실제로는 진폭이 큰 공진이 매우 빠르게 감쇠하고, 진폭이 작은 공진이 더 오래 울리는 두 개의 인접한 공진임을 확인할 수 있습니다. (a)에서 보였던 다른 모든 공진이 매우 빠르게 감쇠하는 것을 볼 수 있습니다. 실제로 이 방에는 감쇠가 오래 지속되는 공진이 하나만 있었고, 그 진폭이 처음에 10dB 이상 낮아져 인지가 될 가능성이 낮습니다.
이처럼 스피커 측정 사이트나 제조업체에서 폭포수응답 데이터로 잘못된 결론을 도출하는 사례가 많이 있습니다. 이를 극복하기 위해 웨이블릿, 위그너-빌 및 가버 분포와 같이 시간/주파수 트레이드 오프를 다루는 다른 분석이 존재합니다.
5.12 주파수 위상
우리는 파형이 고막을 움직여 인지를 하기 때문에 파형에 민감해야 하고, 위상과 절대 극성은 인지 가능해야 합니다. 하지만 스피커 극성을 바꾸고 위상을 변경하여 음악 파형을 왜곡하는 테스트를 해보면 그런 차이를 인지하기 어렵습니다. 이것을 듣지 못했을 수도 있지만 실제 청취에서는 이 부분이 중요한 요소가 아닐 수 있습니다.
청취자가 평평한 주파수 특성을 선호한다는 증거는 많지만, 가장 높은 등급을 받은 스피커 위상 곡선이 가장 매끄럽다는 점을 제외하면 위상 선형성은 중요한 요소로 보이지 않습니다. 공진은 주파수응답 범프와 위상응답의 급격한 변화로 나타나기 때문에 청취자는 공진이 없는 스피커에 일반적으로 매력을 느낍니다. 가장 바람직한 주파수응답은 수평에 가까운 응답이며, 위상응답은 부드러움 외에 특별한 형태가 없습니다. 이는 우리가 평탄한 진폭 스펙트럼을 좋아하지만, 위상 이동에는 민감하지 않다는 것을 의미하며, 파형이 반드시 동일할 필요가 없다는 것을 의미합니다.
선형위상을 갖는 스피커 시스템을 설계하는 경우 청취 공간에서 선형위상이 적용되는 위치는 매우 제한적입니다. 스피커 직접 음에 대해서는 선형위상이 수용될 수 있지만, 단 한 번의 반사로도 선형 위상이 파괴됩니다. 종합적으로보면 녹음실 반사로 인해 녹음 신호 선형위상 유지가 어렵고(녹음 환경), 선형위상을 가진 스피커 설계가 어려우며(스피커), 반사되는 실내에서 청취자에게 선형위상이 제공되기 어렵습니다(청취 환경).
그림 7. 스피커 주파수 및 위상 응답.
수년에 걸쳐 많은 연구자들이 위상 변화가 음질에 미치는 영향을 확인한 결과, 인위적으로 신호를 조작할 경우 헤드폰이나 무향실에서는 인지가 가능함이 밝혀졌습니다. 하지만 반사가 심한 방에서 스피커를 통해 음향이 재생되는 음악의 경우에는 위상 변화가 거의 들리지 않습니다. 위상 이동 차이가 들리는 경우에도 청취자의 선호도는 명확하지 않습니다.
주파수별 지연값을 나타내는 군지연(group delay) 가청성을 조사한 결과, 반사 공간에서 군지연 감지 임계값이 1.6~2ms 이상이라는 것이 밝혀졌습니다. 일반 가정용 스피커 및 모니터스피커에서는 이 값을 초과하지 않습니다. 선형위상을 가진 스피커 유닛은 음색보다는 공간감에 영향을 크게 미칩니다.
5.13 저 주파수 위상 천이
저 주파수를 녹음하고 재생할 때 신호경로에서 고역통과필터 특성이 삽입될 때마다 저 주파수 위상이 변화됩니다. 첫 번째 단계인 마이크로폰에서 발생한 다음, 녹음 환경에서 사용되는 다양한 이퀄라이저에서 발생합니다. 또한 많은 오디오장치에서 고역 통과 필터를 거칩니다. 이 모든 것의 마지막에는 라우드스피커가 있습니다. 분명히 우리가 듣는 저 주파수는 위상 천이에 의해 크게 손상됩니다. 문제는 우퍼/서브우퍼가 얼마나 위상천이에 기여하고 있으며, 만약 들린다면 이를 보정해야 할 필요가 있는지 입니다.
저 주파수 위상 천이는 특별히 녹음된 음악과 인위적인 신호음을 사용할 경우 스피커를 통해 들을 수 있지만 그 효과는 매우 미미합니다. 고역 통과 응답으로 인한 위상왜곡은 차단주파수를 5Hz 정도로 낮춰도 들을 수 있고, 저음의 단단함이 부족해지고 울렁거림이 발생합니다. 음원에서 효과가 들릴 수 있다고 해도 의견 차이가 있지만, 이 모든 것은 음원이 매우 깨끗한 상태라고 가정할 경우이고 현재도 그렇고 가까운 미래에도 그럴 가능성은 높지 않습니다.
스피커의 극성
5.15 스피커 극성 차이
청취 테스트 결과 일부 청취 조건에서 일부 악기 소리가 스피커 극성 반전으로 명확하게 들리는 것은 확실합니다. 일반적인 음악 프로그램에서는 극성 반전이 쉽게 들리지 않지만, 엄선되고 단순화된 많은 음악 설정에서는 극성 반전이 들립니다. 따라서 원래의 음향 파형을 가장 정확하게 재생하기 위해서는 극성을 추적하고, 올바른 극성으로 신호를 재생하는 것이 합리적일 수 있습니다.
귀의 비대칭 감지 프로세스는 음향 신호와 청취 조건이 맞을 경우 극성 반전 효과를 들을 수 있습니다. 재생기기에서 극성 반전 스위치가 있는 경우 선호하는 설정을 찾을 수 있지만, 어떤 설정이 올바른지 알 수 없으며 앙상블의 목소리와 악기마다 약간씩 다를 수 있습니다.
McIntosh MC275는 명품 파워앰프로 유명하지만 적지않은 왜곡이 존재한다. 하지만 그 왜곡이 특유의 음악적 즐거움을 만들어줘 스테디셀러로 굳어졌다.
체급이 큰 스피커를 구매 후 작게 듣는다면 스피커에서 발생하는 왜곡을 근본적으로 줄일 수 있다. 사진은 B&W 802 D4.
5.16 비선형 왜곡
순음이나 노이즈를 사용할 때 왜곡을 쉽게 측정하고 들을 수 있습니다. 비선형 왜곡은 대부분의 경우 백분율로 나타내며, 이는 고조파 왜곡 및 상호변조 왜곡으로 나타납니다. 하지만 신호 음이 음악일 경우에는 즐거운 경험이 될 수 있습니다. 음향 마스킹 효과로 인해 왜곡 음이 측정 값보다 작게 들립니다.
넓은 대역폭의 고밀도 스펙트럼은 훨씬 더 복잡한 왜곡을 발생시키지만, 훨씬 더 효과적인 마스킹 신호이기도 합니다. 마스킹은 큰 저음 성분이 음성을 포함한 가청 스펙트럼 전체에 영향을 미칠 수 있습니다. 이것은 저음이 많은 록 콘서트에서 가사를 이해하기 어렵게 만들거나, 큰 저음이 울리는 영화에서 대사를 이해하기 어렵게 만드는 이유를 설명합니다.
오디오장치의 비선형 동작은 입력 신호와 출력 신호가 레벨에 따라 변한다는 뜻입니다. 입력이 특정 비율만큼 증가하면 출력도 같은 비율만큼 중가해야 합니다. 하지만 비율이 변경되면 오디오 출력 파형 모양이 변경됩니다. 이러한 왜곡 파형은 새로운 소리를 생성시킵니다.
비 선형성을 정량화하기 위해 원래 입력신호와 왜곡 및 노이즈신호 백분율로 표현하는 여러가지 방법을 개발했습니다. 입력신호가 순음인 경우 왜곡은 해당 신호의 고조파 배음으로 표시됩니다. 이 방법의 문제점은 기본 주파수가 높아질수록 고조파 성분이 가청범위를 벗어나기 때문에 더 이상 유용한 측정 지표가 되지 못한다는 것입니다.
이 방법에 비해 간격이 가까운 두 개 톤을 고 주파수로 스캔하는 것이 더 유용합니다. 각 톤은 일련의 고조파 왜곡을 만들지만 비선형적으로 상호작용하여 조합 톤인 상호변조 왜곡을 생성합니다. 마스킹은 고 주파수에서 훨씬 더 효과적이기 때문에 더 잘 들리고, 본질적으로 비 음악적이기 때문에 더 거슬립니다.
고조파 왜곡은 상대적으로 양호하고, 상호변조 왜곡은 나쁘다는 인식이 있습니다. 테스트 신호 맥락에서는 사실이지만, 둘 다 동일한 문제를 정량화하는 다른 방법일 뿐이며, 테스트 신호는 사람의 목소리나 음악의 근사치에도 못 미칩니다. 이러한 측정이 마스킹 현상을 무시하기 때문에 인지와 측정값 사이의 불일치가 발생합니다. 측정 값에는 부분 또는 완전히 마스킹된 왜곡 요소가 포함되어 있습니다. 측정된 것 중 일부는 들리지 않을 수 있습니다.
고조파 또는 상호변조 왜곡 측정은 음악이나 영화를 듣는 동안 사람의 반응을 정확하게 예측할 수 있는 방식으로 왜곡을 정량화하지 못합니다. 자체적으로 비선형적인 장치인 인간 청각기관의 특성을 무시하기 때문에 상관 관계가 낮습니다. 누군가가 어떤 것을 들으면서 비선형 왜곡을 인지할 수는 있지만, 미리 그 한계값을 정의할 수는 없습니다.
최근에는 심리음향학적 발전을 활용하고 컴퓨터 분석 및 모델링 기능을 활용하여 근본적인 지각 메커니즘을 파악하고 더 나은 테스트 방법을 개발하려는 새로운 연구가 시도되고 있습니다. 하이파이 스피커의 경우 일반적으로 스피커를 한계 조건에 가깝게 구동하지 않기 때문에 스피커 왜곡이 뚜렷하게 드러나지 않지만, 대규모 공연장에서는 이러한 상황이 자주 발생할 수 있습니다.
스피커의 물리적 크기는 지향성에 많은 영향을 끼친다. 사진은 Wilson Audio Alexia V로 각 드라이버마다 인클로저를 따로 제작하여 전 대역에서 일정한 지향 특성을 확보했다.
5.17 스피커 지향성
스피커, 악기, 목소리 등에서 방사되는 소리는 파장이 소스 크기에 비해 길면 모든 방향에서 동일한 크기의 소리가 들립니다. 80Hz 이하에서 작동하는 12인치 서브우퍼의 경우 파장이 4.3m보다 길기 때문에 소리가 모든 방향으로 동일한 에너지로 방사됩니다. 따라서 서브우퍼 진동판이 위쪽, 아래쪽, 옆쪽 중 어느 방향을 향하든 방사되는 소리는 거의 변하지 않습니다.
그러나 높은 주파수, 즉 파장이 짧은 주파수에서는 방사된 사운드가 진동판 앞쪽으로 더 집중되어 점차 좁아지는 빔 형태로 방사되는 경향이 있습니다. 파장이 스피커 진동판 크기에 접근하여 더 작아지면 방향성이 더 강해집니다. 주파수가 증가함에 따라 스피커 크기를 줄이면 주파수 및 시간 영역 성능이 훨씬 개선되면서 일정한 지향성을 얻을 수 있습니다.
매우 낮은 주파수에서는 저음이 모든 방향으로 방사되므로 지향성 제어는 수백 Hz 이상에서만 효과적입니다. 실제로 룸 천이주파수 아래에서는 룸 모드에 의해 소리가 지배됩니다. 크로스오버 주파수 선택은 주파수 응답과 지향성을 모두 고려해야 하고, 크로스오버 주파수에서 저역 통과 드라이버와 고역 통과 드라이버 지향성은 비슷해야 합니다.
크로스오버를 이용하여 주파수를 나누면 왜곡을 줄이는데 유리하고, 매우 복잡한 음을 여러 드라이버가 나눠 출력하므로 상호변조 왜곡 발생 가능성이 줄어듭니다. 크로스오버가 많아지면 문제가 복잡해지지만, 지향성을 잘 일치시키는 웨이브가이드, 컴퓨터를 이용한 크로스오버 설계로 청각적 결함을 크게 제거할 수 있습니다.
대형 패널스피커의 경우 지향성은 방사표면 크기와 파장에 의해 결정되므로, 전체 오디오대역을 방사하는 대형 진동 표면은 주파수가 증가함에 따라 지향성이 강해집니다. 정전형 및 전자기형 진동판은 변위가 제한되어 있기 때문에 충분한 사운드를 내기 위해서는 패널 크기가 커져야 합니다.
5.18 룸 공진
모든 소리는 실내에서 다소 복잡한 방식으로 반사되지만, 몇 가지 특별한 현상이 발생합니다. 반 파장 또는 반 파장의 배수로 떨어져 있는 평면 사이에서 양방향으로 이동하는 소리는 정재파(standing wave)가 발생합니다. 이것이 룸 모드(room mode)입니다.
양벽이 반 파장 배수 거리에 위치하는 경우 해당 주파수에서는 공진이 발생합니다. 이는 직사각형 방 길이, 너비, 높이를 따라 각각 존재하기 때문에 이를 축 모드(axial mode)라고 합니다. 정재파가 있을 때 방 안을 돌아다니면 공진주파수 음량이 변합니다. 실제로 방 치수를 따라 1차 공진주파수 음을 방출하는 스피커를 한쪽 벽에 설치하고, 청취자가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 걸어가면, 방의 양쪽 끝에서는 소리가 거의 똑같이 커지고, 중간 지점에서는 소리가 거의 사라집니다. 이와 달리 청취자가 한 지점에 있고, 다양한 저 주파수 신호를 스캔하면 특정 주파수에서는 소리가 커지고, 다른 주파수에서는 소리가 작아지는 큰 음압 변동이 생깁니다. 다른 종류의 모드들도 함께 존재하지만 대부분의 방에서 축 모드가 지배적인 요소입니다. 우리가 듣는 것은 음압 성분이지만 저항성 흡음재 작동 원리를 이해하기 위해서는 입자속도도 매우 중요합니다.
녹음 스튜디오 흡음재 사용 예제
5.19 흡음재
우리가 사용하는 대부분의 흡음재는 유리섬유, 셀룰로스 또는 미네랄 울 섬유가 서로 엉켜있거나 침출(leach)된 폼 형태로 소리가 통과되는 경로를 복잡하게 만드는 저항성 소재입니다. 소리는 탄성 매질(압축 공기 유체)을 통해 전파되는 압력 파동으로, 통과하면서 압축과 이완을 일으킵니다. 공기 분자는 소리의 진행방향으로 진동하면서 앞뒤로 움직이지만 이동하지는 않습니다. 파동은 음속으로 이동하지만 공기 입자 자체는 진동만 할 뿐입니다. 이러한 움직임이 저항성 흡음재 내부에서 강제로 발생하면 섬유 엉킴 내 이동하는 난기류로 인해 일부 에너지가 손실되어 흡수되어 열로 변환됩니다. 저항 손실은 공기 입자가 움직이고, 다공성 물질이 상당한 유동 저항을 가지고 있는 경우에만 발생할 수 있습니다.
압력과 입자속도는 서로 반비례합니다. 딱딱한 벽에 부딪힌 공기입자는 갈 곳이 없어 입자속도는 0이 된다는 것을 직관적으로 이해할 수 있습니다. 딱딱한 벽에 도달한 음파는 벽을 움직이지 못하고 반사되어 압력이 쌓인다는 점도 본능적으로 이해할 수 있습니다. 따라서 반사 경계면에서는 압력이 최대가 되고 입자속도는 최소가 됩니다. 저항성 흡음이 유용하려면 방 경계에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 경계에 인접한 부분은 흡음을 하지 않으며, 경계로부터 입자속도가 최대인 1/4 파장거리에서 흡음 효율이 최대로 증가합니다. 저항성 흡음재는 낮은 주파수에서 매력적인 솔루션이 아닙니다. 100Hz의 1/4 파장은 86cm로 청취 공간이 심각하게 줄어듭니다. 어느 거리에서든 저항성 흡음재는 약간의 흡음을 하기 때문에 중-고 주파수에서 매우 효과적입니다.
저 주파수에서 널리 사용되는 대안은 멤브레인 흡음재입니다. 방 경계에 음압이 쌓일 때 경계가 유연하면 움직이면서 음장 내 에너지를 밖으로 빼내고, 방으로 다시 반사되는 양이 줄어듭니다. 소리 에너지는 움직이는 벽면의 마찰손실로 인해 열로 바뀝니다. 바닥이나 벽에서 음이 느껴지면 멤브레인 흡음이 일어나고 있는 것입니다. 방의 경계에서 적절하게 흡음되지 않으면 멤브레인 흡음재를 추가해야 합니다. 멤브레인 흡음재 대부분은 특정 주파수대역, 좁은 대역, 때로는 넓은 대역 소리를 흡음하도록 튜닝되어 있습니다. 감쇠가 필요한 주파수를 파악하여 올바른 멤브레인 흡음재를 사용하고, 실내 정상파 패턴에서 해당 주파수 고압 영역을 찾아 가장 효과적인 곳에 흡음재를 배치하는 것이 중요합니다. 이 모든 것은 파장과 관련이 있습니다.
RPG diffuser system. Skyline(위), Modffractal(아래)
5.20 확산재
음성과 악기에서 나오는 소리 에너지량이 정해져 있고, 그 소리를 강당의 모든 부분에 전달해야 하는 공연장에서는 산란 혹은 확산 표면이 필요합니다. 가구가 비치된 청취실의 경우 흡음이 심해서 확산 음장을 얻을 수 없습니다. 청취실과 홈 시어터에서는 강한 반사나 평행한 표면 사이의 플러터 에코를 차단하기 위해 흡음의 대안으로 산란/확산재를 사용합니다.
두 개의 반사되는 평행 벽 사이에 서서 손뼉을 치면, 박수 소리가 벽 사이에서 연속적으로 울립니다. 실제 문제는 박수 소리가 스피커에서 나와 청중석에 앉아있는 사람들에게 플러터 에코로 들리는 경우입니다. 따라서 한 사람이 시스템의 양 스피커로 이동하면서 손뼉을 치는 동안 다른 사람이 청취 공간을 돌아다니면서 플러터 에코가 생기는지 확인하는 것입니다. 플러터 에코가 있는 경우 문제가 되는 반사표면을 찾아 흡음 또는 확산시킵니다.
손뼉치기는 약 2kHz 이상에서 최대값을 나타내므로 이를 감쇠하는 데는 1인치 두께의 저항성 흡음재로 충분합니다. 확산 표면 위치가 결정되면 확산판 두께 결정이 필요하며, 파장을 기준으로 답을 찾아야 합니다. 각 확산재는 디자인과 깊이에 따라 소리를 산란시키지 못하는 차단주파수를 가지므로, 산란된 부분에 노출된 청취자는 원음의 고역통과 필터링된 버전만을 듣게 됩니다. 따라서 반사된 음장의 스펙트럼이 왜곡되지 않도록 산란/확산된 사운드는 룸 천이주파수 이상 대역 폭을 모두 커버하는 것이 바람직합니다.
대략적으로 기하학적(예: 반원통, 다면체 모양) 확산재 깊이는 30cm 이상이어야 하고, 엔지니어링(예: 슈뢰더, QRD) 확산재는 20cm 이상이어야 합니다. 확산이 유용하려면 가장 낮은 주파수의 1/7 파장 이상이어야 합니다. 이는 300Hz에서 약 18cm입니다. 거울 반사방향으로 방출되는 사운드는 차단주파수 이하에서는 큰 에너지를 가지며, 그 이상 주파수에서는 크게 감쇠됩니다. 물론 구체적인 상황에 따라 다르겠지만, 확산재에 의해 스펙트럼 일부만 조작된다는 사실을 무시할 수는 없습니다.