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정위
정위(Sound Localization)란 청자가 청각 정보를 바탕으로 음원의 물리적 위치(방향, 거리, 높이)를 판별하는 음향학적·청각생리적 현상을 의미한다.
실제 물리적 음원의 위치를 맞추는 능력뿐만 아니라, 다채널 스피커 시스템(스테레오, 서라운드, 이머시브)에서 복수의 스피커가 조합되어 형성하는 가상의 팬텀 이미지(Phantom Image)의 위치를 청자가 인지하는 원리 전체를 포괄한다.
음원 위치 인지의 3축 좌표
음원 정위의 청각 기전
수평 정위 (Azimuth)
수평축 상의 위치 인지는 두 귀 사이의 차이 신호를 분석하는 양귀 간 차이(Binaural Cues)를 바탕으로 이루어진다.
양귀 간 시간차 (ITD, Interaural Time Difference): 소리가 좌우 귀에 도달하는 시간의 차이. 파장이 긴 저음역대(1.5kHz 이하)에서 수평 위치를 판단하는 핵심 기전이다.
양귀 간 음량차 (ILD, Interaural Level Difference): 머리에 의해 소리가 차단되는 음영 효과(Head Shadow)로 인한 양쪽 귀의 음압 차이. 파장이 짧은 고음역대(1.5kHz 이상)에서 주된 정위 단서가 된다.
수직 정위 (Elevation)
수평면을 벗어난 상하 높이(Elevation) 정위는 양귀 간 시간차나 음량차만으로는 설명할 수 없다.
머리전달함수 (HRTF, Head-Related Transfer Function): 소리가 귓바퀴(Pinna), 두상, 어깨 등에 반사되어 이도(Ear canal)로 들어갈 때 고유한 주파수 변형(스펙트럼 딥과 피크)이 발생한다. 뇌는 이 주파수 특성 변화를 분석하여 소리의 높낮이를 인지한다.
이머시브 오디오로의 확장: 귀 높이의 2채널 스피커만으로는 고도각에 해당하는 물리적 음파를 직접 재현하는 데 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 천장 스피커(Height Channel)나 객체 기반(Object-based) 렌더링을 활용하는 Dolby Atmos, Sony 360 Reality Audio 등의 이머시브 스피커 시스템이 활용된다.
거리 정위 (Distance)
직접음 대 반사음 비율 (Direct-to-Reverberant Ratio): 직접음의 비율이 높을수록 가깝게, 반사음(잔향)의 비율이 높을수록 멀게 인지한다.
고음역 감쇄 및 음량: 거리가 멀어질수록 공기 흡수에 의해 고주파수 에너지가 감소하며 절대 음량이 줄어든다.
정위감 (Localization Perception)
정위감은 재생 시스템(스피커, 헤드폰 등)이 형성한 스테레오 이미지(Stereo Image) 내에서 가상의 음상(Phantom Image)이 얼마나 또렷하고 일관되게 맺히는지를 청자가 느끼는 감각적/주관적 정밀도를 의미한다.
팬텀 이미지와 정위감의 형성
실제 스피커가 좌/우 2개만 존재하더라도, 두 스피커에서 동일한 신호를 같은 음량과 위상으로 재생하면 뇌는 소리가 중앙에서 나오는 것으로 착각한다. 이것이 팬텀 센터(Phantom Center)이다.
스테레오(2채널): 좌우 스피커 간의 음량차(Pan)와 시간차(Delay)를 이용하여 청자 앞 1차원 선상(Left-Center-Right)에 팬텀 이미지를 형성한다.
서라운드/이머시브 오디오: 스피커 개수가 늘어나도 정위감의 본질은 동일하다. 여러 개의 물리적 스피커가 조합되어 청자를 둘러싼 2차원 평면 또는 3차원 공간 상의 특정 좌표에 팬텀 이미지를 띄워줌으로써 입체적인 정위감을 구현한다.
정위감을 결정짓는 스피커 및 음향 요소
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Reference
- Jens Blauert, Spatial Hearing: The Psychophysics of Human Sound Localization, MIT Press.
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