8-2. 다중 서브우퍼를 이용한 최신 룸 튜닝법
by 이신렬 음향공학박사 글, 이무제 정리, 자료제공: A49, 소니캐스트
다채널 DSP 서브우퍼 출력은 평탄하고 정확한 룸 튜닝에 필수적이다.
청음실을 위한 룸 모드 제어방법에는 흡음재를 사용하는 고전적인 방식에서부터 다중 서브우퍼 스피커를 사용하는 최신기법까지 다양합니다. 흡음재를 사용하는 경우 많은 공간과 비용이 크게 들어가는 단점과 함께 룸 모드의 완벽한 제거가 원천적으로 불가능하다는 본질적인 한계가 있습니다. 따라서 서브우퍼 대역에서는 대표 청취자 위치에서 룸 이퀄라이제이션이 추가적으로 적용되어야만 완벽한 룸 모드 제어가 가능해집니다. 다중 서브우퍼 스피커를 이용한 방식은 음향 측정 장비를 이용하여 원하는 다양한 청취위치에서의 룸 임펄스응답을 측정하고, 이 측정 데이터를 MSO(Multiple Subwoofer Optimizer)와 같은 룸 튜닝 최적화 프로그램을 이용하여 각 서브우퍼 스피커 신호처리 세팅값을 입력할 경우 측정한 모든 위치에서 룸 모드 제거가 가능하고, 흡음공사가 필요없으며 일반적인 가정에서도 설치가 가능합니다. 또한 여러개의 서브우퍼에서 음을 동시에 재생하여 층간 소음을 줄일수 있고, 작은 출력의 서브우퍼 사용이 가능하여 설치비가 크게 절약되는 장점이 있습니다. 최근들어 이러한 다중 서브우퍼 솔루션을 지원하는 다양한 제품들이 시장에 출시되고 있어 일반인들도 저렴한 비용으로 시스템 구축이 가능해 졌습니다. 이번 글에서는 다중 서브우퍼를 사용하는 다양한 기법에 대해 알아보고 장단점을 비교해 보겠습니다.
그림1. 4채널 서브우퍼 출력을 지원하는 AVR (Denon A10H).
1. 동일신호를 재생하는 다중 서브우퍼 스피커 이용
직사각형 방에서 동일한 신호를 재생하는 2개 또는 4개 서브우퍼는 룸 중앙 영역에서 좌석 간 주파수응답 편차를 크게 줄일 수 있습니다.
그림2. 서브우퍼 스피커 배치에 따른 평균공간분산(MSV) 계산. Welti(2002a, 2002b)
그림 2. (a)는 모서리에 있는 한개 서브우퍼가 룸의 모든 수평면 모드에 에너지를 공급하는 것을 보여줍니다. MSV(Mean Spatial Variation)는 방 중앙 정사각형 영역에서 계산되었으며, 이는 청취 좌석 간 주파수 변동을 나타냅니다. 모든 모드가 활성화된 상태에서는 MSV가 매우 높습니다. 한개 서브우퍼를 모서리에서 벽 중앙으로 이동하면 서브우퍼가 최소 압력 위치에 놓이기 때문에 28Hz 1차 폭 모드(0,1,0)가 자연적으로 감쇠됩니다. 좌석구역 null 중 하나(점선)가 제거되기 때문에 MSV는 약간만 감소했습니다.
그림 2. (b)는 반대쪽 벽 중앙에 두 번째 동일한 신호를 재생하는 서브우퍼를 추가하면 23.5Hz에서 1차 길이 모드(1,0,0)와 70Hz 근처에서 함께 발생하는 홀수 모드 (3,0,0)가 함께 상쇄됩니다. 룸 중앙 청취영역에서 이러한 null을 제거하면 MSV는 크게 감소합니다. 그러나 두 개의 서브우퍼는 47Hz에서 2차 길이 모드(2,0,0)를 더 증폭하여 더 큰 진폭을 만듭니다. 56Hz에서 2차 폭 모드(0,2,0) 이득은 방의 양쪽 끝에 서브우퍼가 있어 중앙 고압 영역에서 이 모드를 대칭적으로 구동한 결과로 보입니다. 그러나 2차 모드의 압력 널은 방 벽 사이의 25%와 75% 위치에 있기 때문에 지정된 청취영역을 놓치게 됩니다. 모드 (2,0,0) 및 (0,2,0)의 진폭 게인은 저음 효율성을 높이는데 도움이 됩니다. MSV는 낮아지고, 공진 피크를 줄이기 위한 이퀄라이제이션은 실제로 해당 주파수에서 시스템에 헤드 룸을 증가시키므로 실행이 가능합니다.
그림 2. (c)는 두 개의 동일한 벽 중앙 서브우퍼를 하나 더 추가하여 길이 및 너비 축을 따라 2차 모드의 세 가지 압력 최대값 모두에서 동 위상 여기 신호를 발생시킵니다. 이 경우 모드가 크게 감쇄되어 시스템 효율성이 크게 떨어집니다.
그림 2. (d)는 서브우퍼를 네 모서리에 배치하여 2 (c)의 4개의 벽 중앙 위치에 비해 전체 사운드 레벨을 크게 증가시키고 좌석 간 편차를 줄이는 데 큰 도움이 되지만, 2 (b)의 두 개의 벽 중앙 서브우퍼 솔루션보다 약간 더 좌석간 편차가 크다는 것을 알 수 있습니다. 이 방법은 효과가 있지만 좌석 간 편차를 줄이는 것과 최종 시스템 출력 사이에 절충안이 존재합니다.
Welti (2012)는 홈 시어터에서 사용하는 더 크고 현실적인 청취공간을 포함하고 더 많은 좌석을 추가했습니다. 그는 홈 시어터에서 흔히 볼 수 있는 더 넓고 사실적인 청취 공간을 포함하여 더 많은 좌석 배치를 추가했으며, 객석 뒤쪽에 더 가깝게 배치했습니다.
그림 3. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성 예. Welti(2012)
그림 3은 홈시어터 시스템에서 다양한 청취 위치 및 서브우퍼 스피커 배치에 따른 평균공간분산 계산 예를 나타내고, 그림 4는 이러한 배치에 따른 MSV 값을 보여줍니다. 중앙에 위치한 작은 청취 영역(SC 및 SR)과 2차 널 라인을 피하는 LRm(Large Rear Modified) 배열이 좌석간 주파수 편차가 적은 것을 알 수 있습니다. 이것은 표 하단의 평균 값에서 매우 명확하게 나타납니다.
그림 4. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성에 따른 평균공간분산(MSV) 계산. Welti(2012)
그림 5. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성에 따른 평균출력레벨(MOL) 계산. Welti(2012)
그림 5는 홈시어터시스템 구성에서 두 번째로 중요한 부분인 주어진 서브우퍼 세트에서 가장 높은 사운드레벨을 생성하는 청취자 및 라우드스피커 배치에 대해 알아봅니다. MOL(평균출력 레벨)은 각 스피커 배치에 대해 상대적인 저 주파수 효율성을 제공하는 인자입니다. (20?40Hz의 모든 좌석에 대한 평균 SPL, 사용된 서브우퍼 수를 고려하여 정규화됨).
다중 서브우퍼 배치와 관련하여 효율성에 대한 탁월한 승자는 각 모서리에 하나씩 4개의 서브우퍼를 배치하는 4C입니다. FBQ 및 LRQ 서브우퍼 배치도 나쁘지는 않습니다. MSV 측면에서 가장 우수한 특성을 나타내었던 벽 중앙 서브우퍼 배치는 더 높은 파워 및 더 큰 서브우퍼를 요구합니다.
많은 청중을 수용하기 위한 현실적인 방안은 작은 영역에서 우수한 음향성능을 나타내는 서브우퍼 구성을 채택하고, 일부 좌석이 다른 좌석보다 저 주파수 음향 특성이 더 낫다는 것을 현실로 받아들이는 것입니다. 그렇게 하면 적어도 일정 수의 청취자가 좋은 저음을 들을 수 있고, 좋은 좌석이 식별됩니다. 낮은 MOL은 더 강력한 서브우퍼를 사용하여 해결할 수 있습니다. 낮은 MSV는 스피커 배치에 큰 영향을 받습니다.
그림 6. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성에 따른 성능 평가 결과. Welti(2012)
2. Double Bass Array
직사각형 방은 패시브형 멀티 서브우퍼가 장점을 가집니다. 여러 서브우퍼에 신호처리를 도입하는 경우 성능이 더욱 향상됩니다. 이 아이디어는 Goertz et al. (2001)에 의해 개발되었고, 전면 벽에 서브우퍼를 배치하여 방의 뒤쪽으로 전파되는 평면파를 생성하고, 후면 벽 서브우퍼는 적절하게 지연시키고 극성을 반전시켜 전면에서 발생된 서브우퍼 스피커 파동이 후면 벽에 도착했을 때 그 파동을 역 위상 신호를 재생하여 상쇄시킵니다. 이상적으로 이것은 룸 모드를 제거하고, 방에있는 모든 사람이 좋은 저음을 듣게 됩니다. 이것이 제대로 작동하려면 완벽한 직사각형 방이 필요하며, 이를 DBA(Double Bass Array)라고 부릅니다.
그림 7. Doyble Bass Array 구성 예제.
이 기술의 단점은 직사각형 방에서만 효과가 극대화 된다는 것입니다. 방 구조가 복잡해질 경우 룸 모드 제거 효과가 크게 저하될 수 있습니다. 서브우퍼가 4개의 전면 벽과 4개의 후면 벽 바닥, 천장 및 측벽에서 25% 떨어져 배치될 때 최상의 성능을 기대할 수 있습니다. 이 동일한 서브우퍼는 벽 안에 장착되거나 벽 위에 장착됩니다.
3. 모든 청취공간에서 사용 가능한 다중 서브우퍼 및 신호처리 이용 (MSO)
실제로 이상적인 직사각형 방은 존재하지 않습니다. 충분한 시간과 좋은 실력을 가진 사람들은 여러 번의 시행착오를 통해 이러한 방에서 향상된 저음을 제공하는 위치와 설정의 조합을 찾을 수 있습니다. 그러나 컴퓨터 도움을 받을 경우 올바른 설정 조합을 찾는데 들어가는 노동력을 크게 줄일 수 있습니다. 이 기술을 이용하는 프로그램을 Multiple Subwoofer Optimizer (MSO)라고 부르고, 각 서브우퍼와 각 청취자 위치에서 실제 음향측정 (진폭 및 위상 또는 임펄스 응답과
같은 전체 복소수 데이터) 데이터를 구합니다. 그런다음 MSO를 이용한 반복연산을 통해 각 서브우퍼로 전송되는 신호를 구하고, 이를통해 좌석 간 주파수 편차를 최소화합니다.
MSO는 모든 청취위치에서 원하는 저 주파수 특성을 가지기 위해 모든 액티브 서브우퍼가 어떤 신호처리를 해야 하는지를 정의합니다. MSO는 최적 서브우퍼 위치 선택을 지원하고, 개별 서브 우퍼에 공급되는 신호를 수정할 수 있습니다. 개별 서브우퍼 신호처리 항목은 다음과 같습니다.
■ 각 서브우퍼 스피커 신호 레벨 (게인)
■ 각 서브우퍼 스피커 위상 (지연 시간)
■ 각 서브우퍼 스피커 주파수응답 (파라메트릭 EQ)
최적화 프로세스는 서브우퍼 스피커 위치와 청취자 위치를 선택하는 것으로 시작됩니다. 특정 위치는 다른 위치보다 우수한 성능을 나타낼수 있지만, 서브우퍼 위치에는 제한은 없습니다. 알고리즘은 주어진 조건에서 최선의 결과를 찾습니다. 서브우퍼는 모든 곳에 배치될 수 있으며, 모든 청취 위치에서 측정이 이루어집니다. 컴퓨터는 최적화 과정을 통해 최적의 솔루션을 찾을 수 있습니다. 설치 시 상당한 유연성이 있습니다. 최적화 이후 일부 위치가 최대 출력으로 구동되지 않는 것으로 확인되면, 해당 위치에서 훨씬 더 작고 낮은 출력의 서브우퍼를 사용할 수 있습니다. MSO는 동일한 서브우퍼를 필요로 하지는 않지만 최대한 유사한 디자인과 유사한 대역폭을 가질수록 좋습니다.
그림 8. MSO 메인 화면 (3곳 청취위치에서 적용 전/후 주파수응답)
그림 8은 MSO 프로그램 메인 화면을 나타냅니다. 음향 측정장치을 사용하여 4개의 서브우퍼 위치에서 3곳의 청취위치까지 임펄스응답을 측정한 후, 이 측정 데이터를 MSO 프로그램에 입력시키면 사용자가 정의한 주파수 대역인 20 ~ 200Hz 범위에서 평탄한 주파수응답을 계산합니다.
4. 저음 관리 (Bass management) 기법.
MSO는 모든 서브 우퍼에 동일한 신호가 입력된다고 가정합니다. 원작 영화 사운드트랙의 개별 채널은 광대역이며, 메인 라우드스피커는 약 40Hz까지 작동합니다. 영화관 블록버스터 영화는 더 낮은 강력한 저음을 원하기 때문에 저주파수향상(Low Frequency Enhancement) 혹은 저주파수효과(Low Frequency Efect)라고 불리는 새로운 채널이 만들어졌습니다. 대역폭은 120Hz 미만 주파수로 제한되었으며, 사운드트랙 신호레벨은 더 많은 헤드룸을 허용하기 위해 10dB 감소했는데, 이는 당시 아날로그 사운드트랙의 한계였습니다. 재생 시에는 다시 10dB가 복원됩니다. 영화관에서는 전용 서브우퍼가 LFE 신호를 재생하여 극적인 음향 효과를 더합니다. 이렇게 추가적인 대역폭 채널은 5.1 또는 7.1 구성에서 0.1로 식별됩니다.
그림 9. 80Hz 크로스오버 주파수를 가진 베이스관리(Bass Management) 기법 예제.
이러한 음향재생시스템은 일반가정에서 더욱 실용적으로 수정되어 베이스관리 (Bass Management) 기법이 탄생했습니다. 베이스관리기법는 다중채널 수신기 및 서라운드 프로세서 신호처리 옵션으로, 모든 개별 채널에서 가장 낮은 주파수 성분을 추출하고 합쳐서 저주파수효과(LFE) 채널에 이를 추가하고 서브우퍼 출력으로 전달합니다. 이 작업이 수행되는 대표적인 크로스오버 주파수는 80Hz이며, 이 주파수에서는 일반적으로 음상 정위가 어렵습니다. 베이스관리기법을 통해 베이스 음은 라우드스피커가 소형으로 식별된 모든 채널에서 제거되고, 대형으로 식별된 채널을 통해 재생되며 서브우퍼로도 재생됩니다. 그림 9는 일반적인 베이스관리기법의 구현 예를 보여줍니다.
L, C, R 및 서라운드스피커는 저주파수 재생에서 벗어나 왜곡을 줄이면서 더 큰 소리를 재생할 수 있으며, 서브우퍼가 저주파수 재생을 수행합니다. 스테레오 위치에 배치된 풀레인지 플로어 스탠딩스피커를 사용하고, 다른 곳에 더 작은 위성 스피커들을 배치하는 경우 룸 모드 제거는 매우 복잡해집니다. 이 경우 플로우 스탠딩스피커 우퍼는 음장 제어에 가장 적합한 위치에 있지 않을 가능성이 높기 때문에, 다른 곳에 배치된 서브우퍼와 통합하여 최적화하는 경우 효과적인 룸 모드 제거가 가능합니다. 이 경우 스테레오 풀레인지 스피커를 다른 위성채널 스피커와 함께 소형으로 취급하고, 룸 모드 제어를 위해 별도의 다중 서브우퍼를 사용하는 것이 가장 좋습니다.
5. 요약
음향 흡음은 1930년대부터 사용되어 왔으며, 수십 개의 회사가 흡음재를 제조하고 있습니다. 베이스트랩은 이후 개발 되었으며, 데드한 음향이 한때 유행이 되었습니다. 다행히도 우리는 그 시대에서 벗어났습니다. 하지만 작은 방에서의 베이스 제어는 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다.
새로운 시대의 오디오 애호가는 최신 지식을 이해하고 이를 사용하는 방법을 배워야 하겠지만 불행하게도 아직도 온라인에서는 오래 전에 이미 해결되었던 많은 문제에 대한 논쟁이 계속되고 있으며, 체계적인 음향 측정은 드물고, 사업적 이해관계가 있는 사람들은 계속해서 자신에게 유리한 방향으로 대중을 선동하고 있습니다.
룸 모드 제거에서 가장 흔한 오해는 단순히 서브우퍼를 한두 개 더 추가하고 동일한 신호를 재생 하면 룸 모드가 자동으로 개선된다는 것입니다. 개별적으로 측정된 서브우퍼 출력이 룸 모드를 효과적으로 제거하는 방식으로 합산되려면 측정이 현재와 같은 단순한 주파수 크기응답이 아니라 임펄스응답(진폭 및 위상)이여야 합니다. 이것은 룸 모드 제어의 기초자료이며, 모든 좌석위치에서 개별 서브우퍼별로 측정된 이후 측정신호를 기반으로 반복연산을 통해 각 서브우퍼 신호에 지연, 게인 및 이퀄라이제이션을 적용합니다.
청취자 좌석 간 편차를 줄이기 위해서는 대규모 베이스트랩를 사용하거나, MSO를 사용한 다중 서브우퍼 전략을 사용해야만 합니다. 디지털 프로세서를 탑재한 액티브 서브우퍼를 사용하면 청취자 그룹 전체 혹은 나만을 위한 룸모드 제거 설정을 모두 가질 수 있습니다. 여러개의 서브우퍼 스피커를 사용하고 임펄스응답 측정을 기반으로 하는 반복연산을 통해 베이스트랩의 대안으로 사용할 수 있습니다. 흡음재는 음향에너지를 제거하여 전체 음량을 줄이지만, 다중 서브우퍼 솔루션은 공간에 대한 제약없이 넓은 스위트 스팟을 효과적으로 제공하기 때문에 새로운 대안이 될 것입니다. MSO 기술 수혜자는 바로 청음자 당신입니다.
8-2. 다중 서브우퍼를 이용한 최신 룸 튜닝법
by 이신렬 음향공학박사 글, 이무제 정리, 자료제공: A49, 소니캐스트
다채널 DSP 서브우퍼 출력은 평탄하고 정확한 룸 튜닝에 필수적이다.
청음실을 위한 룸 모드 제어방법에는 흡음재를 사용하는 고전적인 방식에서부터 다중 서브우퍼 스피커를 사용하는 최신기법까지 다양합니다. 흡음재를 사용하는 경우 많은 공간과 비용이 크게 들어가는 단점과 함께 룸 모드의 완벽한 제거가 원천적으로 불가능하다는 본질적인 한계가 있습니다. 따라서 서브우퍼 대역에서는 대표 청취자 위치에서 룸 이퀄라이제이션이 추가적으로 적용되어야만 완벽한 룸 모드 제어가 가능해집니다. 다중 서브우퍼 스피커를 이용한 방식은 음향 측정 장비를 이용하여 원하는 다양한 청취위치에서의 룸 임펄스응답을 측정하고, 이 측정 데이터를 MSO(Multiple Subwoofer Optimizer)와 같은 룸 튜닝 최적화 프로그램을 이용하여 각 서브우퍼 스피커 신호처리 세팅값을 입력할 경우 측정한 모든 위치에서 룸 모드 제거가 가능하고, 흡음공사가 필요없으며 일반적인 가정에서도 설치가 가능합니다. 또한 여러개의 서브우퍼에서 음을 동시에 재생하여 층간 소음을 줄일수 있고, 작은 출력의 서브우퍼 사용이 가능하여 설치비가 크게 절약되는 장점이 있습니다. 최근들어 이러한 다중 서브우퍼 솔루션을 지원하는 다양한 제품들이 시장에 출시되고 있어 일반인들도 저렴한 비용으로 시스템 구축이 가능해 졌습니다. 이번 글에서는 다중 서브우퍼를 사용하는 다양한 기법에 대해 알아보고 장단점을 비교해 보겠습니다.
그림1. 4채널 서브우퍼 출력을 지원하는 AVR (Denon A10H).
1. 동일신호를 재생하는 다중 서브우퍼 스피커 이용
직사각형 방에서 동일한 신호를 재생하는 2개 또는 4개 서브우퍼는 룸 중앙 영역에서 좌석 간 주파수응답 편차를 크게 줄일 수 있습니다.
그림2. 서브우퍼 스피커 배치에 따른 평균공간분산(MSV) 계산. Welti(2002a, 2002b)
그림 2. (a)는 모서리에 있는 한개 서브우퍼가 룸의 모든 수평면 모드에 에너지를 공급하는 것을 보여줍니다. MSV(Mean Spatial Variation)는 방 중앙 정사각형 영역에서 계산되었으며, 이는 청취 좌석 간 주파수 변동을 나타냅니다. 모든 모드가 활성화된 상태에서는 MSV가 매우 높습니다. 한개 서브우퍼를 모서리에서 벽 중앙으로 이동하면 서브우퍼가 최소 압력 위치에 놓이기 때문에 28Hz 1차 폭 모드(0,1,0)가 자연적으로 감쇠됩니다. 좌석구역 null 중 하나(점선)가 제거되기 때문에 MSV는 약간만 감소했습니다.
그림 2. (b)는 반대쪽 벽 중앙에 두 번째 동일한 신호를 재생하는 서브우퍼를 추가하면 23.5Hz에서 1차 길이 모드(1,0,0)와 70Hz 근처에서 함께 발생하는 홀수 모드 (3,0,0)가 함께 상쇄됩니다. 룸 중앙 청취영역에서 이러한 null을 제거하면 MSV는 크게 감소합니다. 그러나 두 개의 서브우퍼는 47Hz에서 2차 길이 모드(2,0,0)를 더 증폭하여 더 큰 진폭을 만듭니다. 56Hz에서 2차 폭 모드(0,2,0) 이득은 방의 양쪽 끝에 서브우퍼가 있어 중앙 고압 영역에서 이 모드를 대칭적으로 구동한 결과로 보입니다. 그러나 2차 모드의 압력 널은 방 벽 사이의 25%와 75% 위치에 있기 때문에 지정된 청취영역을 놓치게 됩니다. 모드 (2,0,0) 및 (0,2,0)의 진폭 게인은 저음 효율성을 높이는데 도움이 됩니다. MSV는 낮아지고, 공진 피크를 줄이기 위한 이퀄라이제이션은 실제로 해당 주파수에서 시스템에 헤드 룸을 증가시키므로 실행이 가능합니다.
그림 2. (c)는 두 개의 동일한 벽 중앙 서브우퍼를 하나 더 추가하여 길이 및 너비 축을 따라 2차 모드의 세 가지 압력 최대값 모두에서 동 위상 여기 신호를 발생시킵니다. 이 경우 모드가 크게 감쇄되어 시스템 효율성이 크게 떨어집니다.
그림 2. (d)는 서브우퍼를 네 모서리에 배치하여 2 (c)의 4개의 벽 중앙 위치에 비해 전체 사운드 레벨을 크게 증가시키고 좌석 간 편차를 줄이는 데 큰 도움이 되지만, 2 (b)의 두 개의 벽 중앙 서브우퍼 솔루션보다 약간 더 좌석간 편차가 크다는 것을 알 수 있습니다. 이 방법은 효과가 있지만 좌석 간 편차를 줄이는 것과 최종 시스템 출력 사이에 절충안이 존재합니다.
Welti (2012)는 홈 시어터에서 사용하는 더 크고 현실적인 청취공간을 포함하고 더 많은 좌석을 추가했습니다. 그는 홈 시어터에서 흔히 볼 수 있는 더 넓고 사실적인 청취 공간을 포함하여 더 많은 좌석 배치를 추가했으며, 객석 뒤쪽에 더 가깝게 배치했습니다.
그림 3. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성 예. Welti(2012)
그림 3은 홈시어터 시스템에서 다양한 청취 위치 및 서브우퍼 스피커 배치에 따른 평균공간분산 계산 예를 나타내고, 그림 4는 이러한 배치에 따른 MSV 값을 보여줍니다. 중앙에 위치한 작은 청취 영역(SC 및 SR)과 2차 널 라인을 피하는 LRm(Large Rear Modified) 배열이 좌석간 주파수 편차가 적은 것을 알 수 있습니다. 이것은 표 하단의 평균 값에서 매우 명확하게 나타납니다.
그림 4. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성에 따른 평균공간분산(MSV) 계산. Welti(2012)
그림 5. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성에 따른 평균출력레벨(MOL) 계산. Welti(2012)
그림 5는 홈시어터시스템 구성에서 두 번째로 중요한 부분인 주어진 서브우퍼 세트에서 가장 높은 사운드레벨을 생성하는 청취자 및 라우드스피커 배치에 대해 알아봅니다. MOL(평균출력 레벨)은 각 스피커 배치에 대해 상대적인 저 주파수 효율성을 제공하는 인자입니다. (20?40Hz의 모든 좌석에 대한 평균 SPL, 사용된 서브우퍼 수를 고려하여 정규화됨).
다중 서브우퍼 배치와 관련하여 효율성에 대한 탁월한 승자는 각 모서리에 하나씩 4개의 서브우퍼를 배치하는 4C입니다. FBQ 및 LRQ 서브우퍼 배치도 나쁘지는 않습니다. MSV 측면에서 가장 우수한 특성을 나타내었던 벽 중앙 서브우퍼 배치는 더 높은 파워 및 더 큰 서브우퍼를 요구합니다.
많은 청중을 수용하기 위한 현실적인 방안은 작은 영역에서 우수한 음향성능을 나타내는 서브우퍼 구성을 채택하고, 일부 좌석이 다른 좌석보다 저 주파수 음향 특성이 더 낫다는 것을 현실로 받아들이는 것입니다. 그렇게 하면 적어도 일정 수의 청취자가 좋은 저음을 들을 수 있고, 좋은 좌석이 식별됩니다. 낮은 MOL은 더 강력한 서브우퍼를 사용하여 해결할 수 있습니다. 낮은 MSV는 스피커 배치에 큰 영향을 받습니다.
그림 6. 홈시어터 좌석 및 서브우퍼 구성에 따른 성능 평가 결과. Welti(2012)
2. Double Bass Array
직사각형 방은 패시브형 멀티 서브우퍼가 장점을 가집니다. 여러 서브우퍼에 신호처리를 도입하는 경우 성능이 더욱 향상됩니다. 이 아이디어는 Goertz et al. (2001)에 의해 개발되었고, 전면 벽에 서브우퍼를 배치하여 방의 뒤쪽으로 전파되는 평면파를 생성하고, 후면 벽 서브우퍼는 적절하게 지연시키고 극성을 반전시켜 전면에서 발생된 서브우퍼 스피커 파동이 후면 벽에 도착했을 때 그 파동을 역 위상 신호를 재생하여 상쇄시킵니다. 이상적으로 이것은 룸 모드를 제거하고, 방에있는 모든 사람이 좋은 저음을 듣게 됩니다. 이것이 제대로 작동하려면 완벽한 직사각형 방이 필요하며, 이를 DBA(Double Bass Array)라고 부릅니다.
그림 7. Doyble Bass Array 구성 예제.
이 기술의 단점은 직사각형 방에서만 효과가 극대화 된다는 것입니다. 방 구조가 복잡해질 경우 룸 모드 제거 효과가 크게 저하될 수 있습니다. 서브우퍼가 4개의 전면 벽과 4개의 후면 벽 바닥, 천장 및 측벽에서 25% 떨어져 배치될 때 최상의 성능을 기대할 수 있습니다. 이 동일한 서브우퍼는 벽 안에 장착되거나 벽 위에 장착됩니다.
3. 모든 청취공간에서 사용 가능한 다중 서브우퍼 및 신호처리 이용 (MSO)
실제로 이상적인 직사각형 방은 존재하지 않습니다. 충분한 시간과 좋은 실력을 가진 사람들은 여러 번의 시행착오를 통해 이러한 방에서 향상된 저음을 제공하는 위치와 설정의 조합을 찾을 수 있습니다. 그러나 컴퓨터 도움을 받을 경우 올바른 설정 조합을 찾는데 들어가는 노동력을 크게 줄일 수 있습니다. 이 기술을 이용하는 프로그램을 Multiple Subwoofer Optimizer (MSO)라고 부르고, 각 서브우퍼와 각 청취자 위치에서 실제 음향측정 (진폭 및 위상 또는 임펄스 응답과
같은 전체 복소수 데이터) 데이터를 구합니다. 그런다음 MSO를 이용한 반복연산을 통해 각 서브우퍼로 전송되는 신호를 구하고, 이를통해 좌석 간 주파수 편차를 최소화합니다.
MSO는 모든 청취위치에서 원하는 저 주파수 특성을 가지기 위해 모든 액티브 서브우퍼가 어떤 신호처리를 해야 하는지를 정의합니다. MSO는 최적 서브우퍼 위치 선택을 지원하고, 개별 서브 우퍼에 공급되는 신호를 수정할 수 있습니다. 개별 서브우퍼 신호처리 항목은 다음과 같습니다.
■ 각 서브우퍼 스피커 신호 레벨 (게인)
■ 각 서브우퍼 스피커 위상 (지연 시간)
■ 각 서브우퍼 스피커 주파수응답 (파라메트릭 EQ)
최적화 프로세스는 서브우퍼 스피커 위치와 청취자 위치를 선택하는 것으로 시작됩니다. 특정 위치는 다른 위치보다 우수한 성능을 나타낼수 있지만, 서브우퍼 위치에는 제한은 없습니다. 알고리즘은 주어진 조건에서 최선의 결과를 찾습니다. 서브우퍼는 모든 곳에 배치될 수 있으며, 모든 청취 위치에서 측정이 이루어집니다. 컴퓨터는 최적화 과정을 통해 최적의 솔루션을 찾을 수 있습니다. 설치 시 상당한 유연성이 있습니다. 최적화 이후 일부 위치가 최대 출력으로 구동되지 않는 것으로 확인되면, 해당 위치에서 훨씬 더 작고 낮은 출력의 서브우퍼를 사용할 수 있습니다. MSO는 동일한 서브우퍼를 필요로 하지는 않지만 최대한 유사한 디자인과 유사한 대역폭을 가질수록 좋습니다.
그림 8. MSO 메인 화면 (3곳 청취위치에서 적용 전/후 주파수응답)
그림 8은 MSO 프로그램 메인 화면을 나타냅니다. 음향 측정장치을 사용하여 4개의 서브우퍼 위치에서 3곳의 청취위치까지 임펄스응답을 측정한 후, 이 측정 데이터를 MSO 프로그램에 입력시키면 사용자가 정의한 주파수 대역인 20 ~ 200Hz 범위에서 평탄한 주파수응답을 계산합니다.
4. 저음 관리 (Bass management) 기법.
MSO는 모든 서브 우퍼에 동일한 신호가 입력된다고 가정합니다. 원작 영화 사운드트랙의 개별 채널은 광대역이며, 메인 라우드스피커는 약 40Hz까지 작동합니다. 영화관 블록버스터 영화는 더 낮은 강력한 저음을 원하기 때문에 저주파수향상(Low Frequency Enhancement) 혹은 저주파수효과(Low Frequency Efect)라고 불리는 새로운 채널이 만들어졌습니다. 대역폭은 120Hz 미만 주파수로 제한되었으며, 사운드트랙 신호레벨은 더 많은 헤드룸을 허용하기 위해 10dB 감소했는데, 이는 당시 아날로그 사운드트랙의 한계였습니다. 재생 시에는 다시 10dB가 복원됩니다. 영화관에서는 전용 서브우퍼가 LFE 신호를 재생하여 극적인 음향 효과를 더합니다. 이렇게 추가적인 대역폭 채널은 5.1 또는 7.1 구성에서 0.1로 식별됩니다.
그림 9. 80Hz 크로스오버 주파수를 가진 베이스관리(Bass Management) 기법 예제.
이러한 음향재생시스템은 일반가정에서 더욱 실용적으로 수정되어 베이스관리 (Bass Management) 기법이 탄생했습니다. 베이스관리기법는 다중채널 수신기 및 서라운드 프로세서 신호처리 옵션으로, 모든 개별 채널에서 가장 낮은 주파수 성분을 추출하고 합쳐서 저주파수효과(LFE) 채널에 이를 추가하고 서브우퍼 출력으로 전달합니다. 이 작업이 수행되는 대표적인 크로스오버 주파수는 80Hz이며, 이 주파수에서는 일반적으로 음상 정위가 어렵습니다. 베이스관리기법을 통해 베이스 음은 라우드스피커가 소형으로 식별된 모든 채널에서 제거되고, 대형으로 식별된 채널을 통해 재생되며 서브우퍼로도 재생됩니다. 그림 9는 일반적인 베이스관리기법의 구현 예를 보여줍니다.
L, C, R 및 서라운드스피커는 저주파수 재생에서 벗어나 왜곡을 줄이면서 더 큰 소리를 재생할 수 있으며, 서브우퍼가 저주파수 재생을 수행합니다. 스테레오 위치에 배치된 풀레인지 플로어 스탠딩스피커를 사용하고, 다른 곳에 더 작은 위성 스피커들을 배치하는 경우 룸 모드 제거는 매우 복잡해집니다. 이 경우 플로우 스탠딩스피커 우퍼는 음장 제어에 가장 적합한 위치에 있지 않을 가능성이 높기 때문에, 다른 곳에 배치된 서브우퍼와 통합하여 최적화하는 경우 효과적인 룸 모드 제거가 가능합니다. 이 경우 스테레오 풀레인지 스피커를 다른 위성채널 스피커와 함께 소형으로 취급하고, 룸 모드 제어를 위해 별도의 다중 서브우퍼를 사용하는 것이 가장 좋습니다.
5. 요약
음향 흡음은 1930년대부터 사용되어 왔으며, 수십 개의 회사가 흡음재를 제조하고 있습니다. 베이스트랩은 이후 개발 되었으며, 데드한 음향이 한때 유행이 되었습니다. 다행히도 우리는 그 시대에서 벗어났습니다. 하지만 작은 방에서의 베이스 제어는 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다.
새로운 시대의 오디오 애호가는 최신 지식을 이해하고 이를 사용하는 방법을 배워야 하겠지만 불행하게도 아직도 온라인에서는 오래 전에 이미 해결되었던 많은 문제에 대한 논쟁이 계속되고 있으며, 체계적인 음향 측정은 드물고, 사업적 이해관계가 있는 사람들은 계속해서 자신에게 유리한 방향으로 대중을 선동하고 있습니다.
룸 모드 제거에서 가장 흔한 오해는 단순히 서브우퍼를 한두 개 더 추가하고 동일한 신호를 재생 하면 룸 모드가 자동으로 개선된다는 것입니다. 개별적으로 측정된 서브우퍼 출력이 룸 모드를 효과적으로 제거하는 방식으로 합산되려면 측정이 현재와 같은 단순한 주파수 크기응답이 아니라 임펄스응답(진폭 및 위상)이여야 합니다. 이것은 룸 모드 제어의 기초자료이며, 모든 좌석위치에서 개별 서브우퍼별로 측정된 이후 측정신호를 기반으로 반복연산을 통해 각 서브우퍼 신호에 지연, 게인 및 이퀄라이제이션을 적용합니다.
청취자 좌석 간 편차를 줄이기 위해서는 대규모 베이스트랩를 사용하거나, MSO를 사용한 다중 서브우퍼 전략을 사용해야만 합니다. 디지털 프로세서를 탑재한 액티브 서브우퍼를 사용하면 청취자 그룹 전체 혹은 나만을 위한 룸모드 제거 설정을 모두 가질 수 있습니다. 여러개의 서브우퍼 스피커를 사용하고 임펄스응답 측정을 기반으로 하는 반복연산을 통해 베이스트랩의 대안으로 사용할 수 있습니다. 흡음재는 음향에너지를 제거하여 전체 음량을 줄이지만, 다중 서브우퍼 솔루션은 공간에 대한 제약없이 넓은 스위트 스팟을 효과적으로 제공하기 때문에 새로운 대안이 될 것입니다. MSO 기술 수혜자는 바로 청음자 당신입니다.