음향:hardware:specification:start
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목차
측정 및 스펙
장비의 측정과 성능에 대한 지표
왜곡
IMD
측정방법
세츄레이션
원래의 신호에 배음(harmonics) 성분이 더해져서, 소리가 왜곡2) 되는 현상.
기본적으로 파형을 납작하게 만드는 과정은 홀수 배음 의 생성, 파형을 비대칭으로 만들고 트랜지언트를 과장하는 과정은 쩍수 배음이다. 그래서 홀수 배음은 Phat으로 이야기 하고 짝수 배음은 Edge로 이야기를 하는 경우가 많다.
Tube
진공관의 증폭 한도 때문에 파형이 일그러지면서 생겨나는 현상. 진공관이 수용할 수 있는 전자 갯수의 한계치로 인하여 전자가 포화(세츄레이션)되면 더 이상의 증폭이 힘들어진다. 이로 인하여 홀수 배음이 발생하게 된다.
Transformer
트랜스포머를 철로 만드는 경우가 많아 IRON 이라고도 한다
전압 강하를 목적으로 사용되는 출력 트랜스포머에 의한 세츄레이션,
권선비에 따라 유도기 전력을 발생시켜서 전압 강하를 하기 때문에, 반대로 출력 쪽 코일에서 생성된 자기장이 다시 입력 측 코일을 유도 발전 시켜서 생겨나는 역기전력 때문에, 2차 3차의 새로운 배음 성분이 생겨난다.
하지만 saturation curve를 보면 알겠지만 부드럽게 포화가 진행되지 않고 급격히 진행되는 부분이 있기때문에, 주의.
최근 이러한 트랜스포머의 세츄레이션의 성질을 이용하여 원래는 트랜스포머를 안넣어도 되는 프리앰프인데도, 권선비를 잘 조합한 특수 트랜스포머를 내장하여, 소리를 세츄레이션시키는 프리앰프들이 있다.
트랜스포머의 구리선을 감는 코어의 재질에 따라 Nickel, Iron, Steel3) 등이 있으며, 자화되는 정도가 각기 다르기 때문에, 세츄레이션의 정도의 차이가 생긴다.
Tape
테이프 마그네틱 헤드의 영향을 받아 트랜스포머와 비슷한 Magnetic Hysterisis의 영향을 받는다 .
테이프 헤드는 위와 같이 생겼고, 녹음 시에는 헤드에 전달되는 전압과 전류에 따라, 산화철로 이루어진 테이프가 자화되고, 당연히 전압에 따라 자화되는 정도가 달라진다. 반대로 재생 시에는 자화된 테이프에 의해 헤드에서 역으로 전압과 전류가 발생되어 그것을 증폭하여 재생하게 된다.
여기서 일반적인 트랜스포머와 다른 점이 있는데 테이프는 AC 바이어스를 걸어서 녹음 및 재생을 함으로써 2배음의 발생을 억제하게 된다. 일반적으로 아래 그림처럼 바이어스가 없는 상태로 마그네틱 헤드를 통해 녹음, 및 재생하면 아래와 같이 원래의 파형이 그대로 녹음, 재생 되지 못한다. 많이 왜곡된 파형으로 재현되었음을 알 수 있다.
이러한 왜곡을 피하기 위하여, DC 바이어스를 이용하면, 그래프의 X축과 Y 축이 만나는 왜곡 지점을 피해서 왜곡이 없는 지점으로 파형의 녹음, 재생 지점을 이동 시킬 수 있다.
또한 DC 바이어스보다 더 나은 방식으로 AC 바이어스 방식을 사용하기도 한다.
따라서 테이프에서는 이 바이어스 값에 따라서 얼마나 파형이 왜곡되는 지에 대한 정도가 각기 다르다. 낮춤으로 인하여 2배음이 더 많은 세츄레이션이 발생할 수도 있고, 높힘으로 인하여 3배음이 더 많은 세츄레이션이 발생할 수도 있다.
컴프레서와의 차이는, 컴프레서는 센서로 소리의 크기를 감지해서 attack 과 release 에 걸리는 시간이 있는 반면, 테이프의 경우는 테이프의 양쪽 끝단에 가까워질수록 점점 ratio 가 증가하는 attack과 release가 없는 컴프레션이라는 점이 큰 차이 이다. (어떻게 보면 vari-mu와도 유사하게 동작한다고 볼 수 있지만, vari-mu도 본래는 컴프레서인지라, attack 와 release 가 있다.)
따라서 비슷하게 컴프레서를 사용해서 세츄레이션을 얻을 수 있는데 주로 Vari-mu 계열을 많이 사용한다.
https://www.youtube.com/watch?v=OJMLzS6vPPc
— retronica 2019/01/06 13:01
THD
Total Harmonic Distortion
거의 대부분의 오디오 장비는 입력 신호에 대한 약간의 왜곡을 발생 시킵니다. 이 왜곡에 간단한 형태 중 하나는 출력 신호에 배음을 추가 하는 것입니다.
입력 신호에 대한 출력 신호의 왜곡 정도를 알 수 있는 정보
측정방법
시스템에 특정 레벨의 1kHz(또는 991kHz, 1kHz 로 측정하면 많은 오류 발생의 여지가 있기 때문에 대신 991kHz를 사용하는 경우가 많다.)를 입력하여 발생하는 THD와 노이즈 플로어(THD+N)와 1kHz톤의 레벨과의 비율을 측정한다.4)
THD 의 비선형성
THD 는 입출력 레벨에 따라 일정하게 발생하지 않는다. 즉 비선형적이다.
J48 은 Jensen 트랜스포머를 내장하고 있는 임피던스 변환 및 신호 볼티지 감압을 할수 있는 DI 이다. 이 장비의 레벨에 따른 THD 그래프는 아래와 같다.
THD 를 볼때 주의해야 할 점
Reference
최대 입출력 레벨
최대 입력 레벨
장비가 입력 받을 수 있는 최대 신호 크기
사인파를 이용하여 측정하며 사인파의 RMS 레벨과 Peak 레벨이 3dB 정도 차이가 나기 때문에 AES17을 적용하여 정확한 Peak 레벨을 알아낸다.
진공관 기기나 테이프 머신과 같은 기기들은 신호가 정확하게 제한되지 않고 어느 정도 소프트 클리핑 되면서 제한되기 때문에 THD가 1%(-100dB, 상당한 왜곡)로 측정되는 레벨을 기준으로 표기하는 경우가 많다. 하지만 정확하게 오실로스코프로 파형을 관찰하여 피크에서 클리핑이 관찰되는 레벨을 표기하는 것을 선호하는 제조사도 많다.
ex.) Max input level : 22dBu(THD < 1%)
최대 출력 레벨
출력에 표준 부하 저항(라인 레벨 : 600Ω 또는 2KΩ)으로 부하를 고정시킨 후, 사인파를 이용하여 오실로스코프 등을 사용하여 측정하며 사인파의 RMS 레벨과 Peak 레벨이 3dB 정도 차이가 나기 때문에 AES17을 적용하여 정확한 Peak 레벨을 알아낸다.
진공관 기기나 테이프 머신과 같은 기기들은 신호가 정확하게 제한되지 않고 어느 정도 소프트 클리핑 되면서 제한되기 때문에 THD가 1%로 측정되는 레벨을 기준으로 표기하는 경우가 많다. 하지만 정확하게 오실로스코프로 파형을 관찰하여 피크에서 클리핑이 관찰되는 레벨을 표기하는 것을 선호하는 제조사도 많다.
ex.) Max Output level : 22dBu(THD, 2KΩ, < 1%)
CMRR
Common Mode Rejection Ratio
공통 모드 제거 비
밸런스 오디오 입출력에서는 + 신호와 - 신호가 서로 합쳐지면서 공통된 신호에 해당하는 것들은 제거하고 서로 반대의 위상이었던 오디오 신호는 증폭된다.
이 때 공통된 신호 (주로 노이즈) 가 제거 되는 정도를 CMRR 이라 한다.
주로 장비 스펙에서 CMRR 이 좋으면 밸런스 입출력 회로의 +쪽 과 -쪽의 부품의 편차가 거의 없다는 뜻이다.
CMRR은 일반적으로 데시벨(dB)로 표현되며, 숫자가 클수록 공통 모드 신호의 제거가 더 잘되는 것을 의미한다. 일반적으로 음향기기에서는 60dB 이상의 CMRR을 목표로 한다.
CMRR 성능이 떨어지면 그 결과로 고음역대의 hiss 노이즈로 나타난다. 왜냐하면 제거되지 않은 공통 모드 노이즈는 보통 화이트 노이즈로 나타나게 되는데, 화이트 노이즈는 전 주파수 대역별로 같은 레벨로 존재하고 그렇기 때문에 고역대로 갈수록 에너지(Watt)자체는 커지게 된다. 따라서 상대적으로 화이트 노이즈는 고역대가 더 크게 들리기 때문이다.
크로스톡
스테레오 장비나 멀티 채널 오디오 장비에서 한 채널에서 바로 옆의 다른 채널로 소리가 새어 들어가는 정도를 말한다. 스튜디오 믹싱 콘솔의 크로스톡은 보통 -90dB~-100dB 정도 된다.
Crosstalk
“CrossTalk” refers to the degree to which sound leaks from one channel to another in stereo or multi-channel audio equipment. In a studio mixing console, cross talk is typically around -90dB to -100dB.
스테레오 크로스톡
레코드판의 스테레오 크로스톡
보통 레코드판에 사용되는 바늘 카트리지의 경우 -25~30dB 정도의 스테레오 크로스톡이 발생한다. 이것은 매우 높은 수준의 크로스톡이 발생한다고 볼 수 있다.5) 그 이유는, 레코드판의 스테레오 구현 방식에 대한 문제 인데, 레코드판의 스테레오 재생 방식은 아래와 같다.
즉 90도 각도로 파여진 그루브의 왼쪽면과 오른쪽 편이 각각 Left 채널과 Right 채널을 담당하며, 그 그루브를 읽어내는 바늘의 경우는 1개로 구성되어있기 때문에, 이러한 구조로 인하여 Left 채널과 Right 채널의 소리가 크로스톡되는 정도가 매우 높다.
이러한 특성 때문에, 레코드판 마스터링에서는 스테레오 이미지에 대한 조정 과정이 상당히 중요하다. 마스터 테이프로 녹음 된 음원을 레코드판으로 만들어서 재생해보면 이 카트리지에 의한 크로스톡으로 인하여 상당히 스테레오 이미지가 좁게 재생될 수 있을 수 있기 때문이다. 이 때문에 마스터링 과정에서는 지금도 스테레오 이미지 조정에 대한 부분이 상당히 중요하다.
또한, 레코드판 유통 시절에 만들어진 스테레오 음원을 CD로 리마스터링한 것을 CD 재생 시스템으로 재생해보면 극단적인 패닝이 되어 있는 경우가 많은데, 오히려 레코드판 재생 시스템에서 해당 음반을 레코드판 시스템으로 재생해보면 상당히 정상적인 스테레오 이미지로 재생되는 경우를 볼 수 있다. 따라서 이러한 레코드판 시스템으로 재생되도록 의도된 음원을 다시 CD 음원으로 리마스터링 하는 과정에서는 이러한 것을 고려하여 스테레오 이미지에 대한 재조정이 필요한 경우가 많다.
이러한 음반을 레코드판 재생 시스템에서 들어보면 그렇게 어색하지 않은 패닝을 가진 음원으로 재생된다.
어떤 의미로는, 원래 레코드판 시스템에서의 재생을 위해서 제작된 음반의 경우, 레코드판 시스템으로 재생해야 오리지널 원음의 재현, 또는 재생이라고 볼 수 있다. 이러한 음반을 다시 CD로 리마스터링해서 CD 시스템에서 재생할 경우 스테레오 이미지가 의도된 대로 구현 되지 않기 때문에 원래 의도와는 거리가 먼 재생이라고 볼 수 있다. 이러한 현상들 때문에 레코드판 청취에 익숙한 청취자들에게 CD가 레코드판에 비하여 “뭔가 안 좋다.”라는 선입견을 만드는 것에 일조하였을 수도 있다.6)
Waves 의 Abbeyroad 레코드판의 크로스톡 재현
Emo Generator를 통해 Left 채널에만 핑크 노이즈를 쏘았지만, 오른쪽 채널에도 -20dB 정도의 크로스톡이 발생 하였음을 알 수 있다.
위의 극단적인 패닝의 예시로 든 Art Pepper의 음반에 이 Waves Abbeyroad Vinyl 플러그인을 걸어서 들어보면 매우 흥미롭게, 비닐 시스템에서 재생되는 느낌을 체험 할 수 있다.
Gakken toy record maker
다이나믹 레인지
다이나믹 레인지(동적 범위)는 음향이나 음악에서 사용되는 개념으로, 소리의 가장 작은 부분과 가장 큰 부분 사이의 차이를 나타냅니다. 이는 소리의 다양성과 강도를 나타내며, 음악이나 오디오의 품질과 표현력을 결정하는 중요한 요소 중 하나입니다.
Dynamic Range
Dynamic Range is a concept used in audio and music, representing the difference between the quietest and loudest parts of a sound. It signifies the diversity and intensity of the sound, serving as a crucial factor that determines the quality and expressiveness of music and audio.
기술적 측면에서의 다이나믹 레인지
음향적인 측면에서 다이나믹 레인지는 소리의 볼륨 변화 범위를 의미합니다. 이는 헤드폰이나 스피커로 재생되는 음악이나 오디오에서 가장 조용한 소리와 가장 큰 소리 사이의 차이를 나타냅니다. 높은 다이나믹 레인지를 가진 오디오 시스템은 세부 사운드를 정확하게 재현하고, 음악의 원래 음량과 감정을 더욱 잘 전달할 수 있습니다. 그러나 압축된 오디오 형식이나 제한된 장비에서는 다이나믹 레인지가 줄어들 수 있어 음악이나 오디오의 품질을 저하시킬 수 있습니다.
계산 방법
마이크
마이크의 스펙에서 보면 MaxSPL과 Self-Noise 가 있다.
마이크에서 활용할 수 있는 범위는 바로 Self-Noise ~ MaxSPL 사이의 범위 이므로 마이크로폰의 다이나믹 레인지는 이 범위를 말한다.
예시)
- Self-Noise : 20dBA
마이크 프리앰프
마이크 프리앰프는 장비 마다 전부 다른 최대 입력 레벨 및 Gain Range 를 가지고 있기 때문에, 동일 등가 입력 노이즈를 측정하여 제시하게 된다. 마이크 프리앰프의 입력에 저항으로 부하를 주어서 노이즈 레벨을 측정한다. 바로 이 EIN 값이 마이크 프리앰프의 다이나믹 레인지를 말한다고 볼 수 있다. 하지만, EIN 은 150Ω을 기준으로 측정한 값이기 때문에, 마이크 프리앰프에 사용된 마이크의 출력 임피던스에 따라 얼마든지 다이나믹 레인지는 살짝 변할 수 있다.
오디오 인터페이스 및 컨버터
어떤 장비의 노이즈 플로어 값 은 매우 낮기 때문에 0dBu=0.775V 이므로, 그 이하의 값인 - 부호로 내려가게 된다. 따라서 노이즈 플로어 값이 -100dBu 라면 그 실제 볼티지 값은 0.000021909V 정도 되는데,
이때, 이 값은 0dBu 를 기준으로 그 이하의 값을 계산한 것 이므로
해당 장비의 최대 입력 레벨을 같이 포함하여 장비의 최소 레벨 부터, 최대 레벨 까지의 범위를 구할수 있다.
최대 입력 레벨이 22dBu 이면서, 노이즈 플로어 값이 -100dBu 인 제품의 경우 다이나믹 레인지는
22+100=122dB
가 된다.
실제 장비 예시
UA apollo x6
ua apollo x6의 마이크 입력의 경우 PAD on에서 최대 입력 레벨이 26dBu7) 이고, 스펙에 기제된 다이나믹 레인지가 122dB 이므로, 122-26= 96, 즉 이 오디오 인터페이스의 마이크 입력의 노이즈 플로어는 -96dBu라고 볼 수 있다.
RME octamic
RME 옥타 마이크의 경우는 최대 입력 레벨이 21dBu, SNR 로 표기를 하는 것이 110dB 인데, SNR 값은 노미널 레벨을 기준으로 잡는 레벨이므로 실질적으로는 노이즈 플로어는 -106dBu8) 라고 볼 수 있다. 따라서 이 장비의 다이나믹 레인지는 21+106= 127dB 이다.
Rode K2
이 마이크의 MaxSPL 은 162dBSPL 이고, Self-Noise 는 10dBA 이다. 따라서
음악적 측면에서의 다이나믹 레인지
음악의 다이나믹 레인지에 대한 연구 논문
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4753356/
음악적 측면에서의 다이나믹 레인지는 음악이 연주되는 구간 중에서 가장 작은 소리와 가장 큰 소리를 내는 구간의 차이를 말한다.
일반적인 음악에서 다이나믹 레인지는 12dB 정도라고 알려져 있으며, EDM 이나 Rock 에서는 6dB 로 매우 다이나믹 레인지의 폭이 좁기도 하다. 재즈에서는 12~20dB 까지의 다이나믹 레인지가 표현되며, 다이나믹 레인지가 가장 큰 장르는 클래식으로 20dB~30dB 정도 까지의 다이내믹 이 표현되기도 한다.
VU 미터를 잘 살펴 보면 -20VU ~ +3VU 까지 표시하도록 되어있는데, 이러한 음악의 다이나믹 레인지가 넓기 때문에 20dB 정도의 표현을 하도록 설계되어있다고 보면된다. 즉 연주가 작을때는 -20VU 근처에서 바늘이 움직이고 음악이 최대로 다이내믹이 클 때는 0VU 나 +3VU 까지도 바늘이 표현 될 수 있도록 만들어져 있다.
기술적 측면에서의 다이나믹 레인지와 용어가 혼동되는 경향이 있어서 Loudness Range로 점차 바꿔 부르는 추세이다.
?다이나믹 레인지?
오디오 인터페이스나 장비의 스펙을 다이나믹 레인지로만 보는 것은 위험합니다.
오디오 인터페이스나 장비의 스펙에서 다이나믹 레인지를 평가하는 경우가 많습니다.
하지만 이러한 장비들의 스펙을 다이나믹 레인지로만 평가하는 것은 오류가 많습니다.
일반적으로 ADC 나 DAC 같은 컨버터 칩셋과 밸런스 입력/밸런스 출력을 구성하는 경우, 해당 밸런스 입출력 회로의 구성에 따라 다이나믹 레인지의 측정값은 현저하게 달라질 수 있습니다.
예를 들면 출력단에 DAC 컨버터 이후에 밸런스 출력 회로를 임피던스 밸런스드 회로로 구성하는 경우, 단순히 캐패시터 를 이용하여 밸런스 출력 회로를 구성하기 때문에, 해당 출력의 다이나믹 레인지는 컨버터 칩셋의 다이나믹 레인지와 거의 근접하게 됩니다. 이런 장비는 다이나믹 레인지가 상당히 높게 측정되게 됩니다. 일설에는 오디오 인터페이스 회사들이 측정을 하지않고 그냥 컨버터 칩의 다이나믹 레인지를 그대로 표기한다. 라는 말이 많이 퍼져 있지만, 이것은 사실이 아닙니다. 일부 소수의 측정 능력이 없는 회사들의 경우는 컨버터칩의 스펙을 그대로 기재할 수도 있겠지만, 대부분의 오디오 인터페이스 회사들은 다이나믹 레인지를 측정 못할 이유가 전혀 없습니다.9) 실제로 측정치를 표기 하고 있다라고 보시면 됩니다.
그런데, 오히려 고성능의 밸런스 출력 회로인 Active Buffer 를 구성하는 경우, 해당 회로에서 노이즈가 추가 될 수 있기 때문에 오히려 임피던스 밸런스드 아웃보다 떨어지는 다이나믹 레인지를 보여주는 경우도 있습니다.
오히려 하이엔드 컨버터나, 하이엔드 오디오 인터페이스들의 다이나믹 레인지 수치가 떨어지는 경우가 많은데, 이런 케이스에 해당된다고 볼 수 있습니다. 오히려 높은 다이나믹 레인지의 수치는 저가형이나 포터블형의 오디오 인터페이스에서 볼 수 있는 경우가 많습니다.
따라서, 어떤 장비나 오디오 인터페이스의 성능을 다이나믹 레인지로만 보고 평가를 하는 것은 크나큰 함정에 빠질 수 있습니다.
EIN
주파수 응답
주파수 응답(Frequency Response)은 오디오 장치, 시스템 또는 구성 요소가 재생 또는 처리할 수 있는 주파수 범위를 나타냅니다. 이것은 해당 장치가 오디오 신호 내 다양한 주파수에 어떻게 반응하는지를 측정하는 것입니다. 주파수 응답은 일반적으로 그래프나 차트 형태로 표현되며, 해당 장치의 성능을 인간 청각을 위한 20Hz에서 20,000Hz로 범위로 보여줍니다. 평탄한 주파수 응답은 해당 장치가 모든 주파수를 동등하게 재생함을 의미합니다.
Frequency Response
“Frequency Response” refers to the range of frequencies an audio device, system, or component can reproduce or process. It measures how the device responds to various frequencies within an audio signal. Frequency response is typically represented in the form of a graph or chart and shows the device's performance over the range of frequencies relevant to human hearing, typically from 20 Hz to 20,000 Hz. A flat frequency response indicates that the device reproduces all frequencies equally.
측정 방법
Hammerstein-Wiener model
내용
시스템의 출력이 입력에 비선형적으로 의존할 때, 때로는 입력-출력 관계를 두 개 이상의 상호 연결된 요소로 분해하는 것이 가능합니다. 이 경우 선형 전달 함수로 역학을 표현하고 선형 시스템의 입력과 출력의 비선형 함수를 사용하여 비선형성을 캡처할 수 있습니다. Hammerstein-Wiener 모델은 정적 비선형 블록과 동적 선형 블록의 직렬 연결로 이러한 구성을 달성합니다. Hammerstein-Wiener 모델 응용 프로그램은 전기 기계 시스템 및 무선 주파수 구성 요소 모델링, 오디오 및 음성 처리, 화학 공정의 예측 제어와 같은 여러 영역에 걸쳐 있습니다. 이 모델은 편리한 블록 표현, 선형 시스템과의 투명한 관계,
Hammerstein-Wiener 모델은 비선형 모델에 대한 유연한 매개변수화를 제공하기 때문에 블랙박스 모델 구조로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 선형 모델을 추정하고 이 모델에 입력 또는 출력 비선형성을 추가하여 충실도를 개선할 수 있습니다. 또한 Hammerstein-Wiener 모델을 회색 상자 구조로 사용하여 공정 특성에 대한 물리적 지식을 수집할 수 있습니다. 예를 들어, 입력 비선형성은 액추에이터의 일반적인 물리적 변형을 나타낼 수 있고 출력 비선형성은 일반적인 센서 특성을 설명할 수 있습니다. 비선형 모델을 피팅해야 하는 시기에 대한 자세한 내용은 식별된 비선형 모델 정보 를 참조하십시오.
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| Hammerstein 모델 측정에 사용되는 다양한 레벨의 Convolution impact |
참조
“Identification of cascade of Hammerstein models for the description of non-linearities in vibrating devices”
“진동 장치의 비선형성 설명을 위한 Hammerstein 모델 캐스케이드 식별”
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00619301/document
article_nl_long.pdf
선형 시스템
MaxSPL
마이크
스피커
스피커의 MaxSPL은 청취거리 1미터에서 스피커가 낼 수 있는 최대 dBSPL(Peak)를 말한다.(패시브 스피커가 최대로 견딜 수 있는 한계는 Power handling이라고 한다. 많은 사람들이 MaxSPL과 Power handling을 혼동한다. 이 둘은 서로 다른 개념이다.)
앰프가 내장된 액티브 스피커들은 제조사의 스펙 제시에서 MaxSPL 값을 쉽게 찾아볼 수 있으며, 앰프와 따로 매칭하여 사용하는 패시브 스피커의 경우 앰프의 최대 Peak 출력과 패시브 스피커의 감도(dBSPL/W) 값을 통해 MaxSPL 값을 계산 할 수 있다.
일반적인 니어필드 소형 모니터 스피커의 스펙에 해당하는 64Watt(Peak)에 85dBSPL/W의 감도 값을 넣었을 때의 결과는 아래와 같다.
정확히 Dolby Volume/SMPTE RP200에 맞는 결과가 도출되었다.12)
Reference
비선형성
음향 분야에서 말하는 선형 시스템은 레벨이 크고 작음에 따라 특성이 일정한 것을 말하고, 반대로 비선형 시스템은 레벨이 크고 작음에 따라 특성이 일정하지 않은 것을 말합니다. 이것은 변화 특성에도 적용할 수 있어서, 레벨이 크고 작음에 따라 일정하게 변화하는 것을 선형 시스템, 레벨이 크고 작음에 따라 일정하지 않게 변화하는 것을 비선형 시스템이라고 할 수 있습니다.
대표적인 비선형성을 가지는 요소들은 아래와 같은 것들이 있고, 이 외에도 많은 다른 비선형성 요소들도 있습니다.
Nonlinearity
In the field of acoustics, a linear system refers to one whose characteristics remain constant with changes in amplitude, whether it is high or low. Conversely, a nonlinear system indicates characteristics that do not remain constant with changes in amplitude, whether it is high or low. This concept can also be applied to dynamic characteristics, where a system that undergoes consistent changes with variations in amplitude is termed a linear system, and a system that undergoes inconsistent changes with variations in amplitude is termed a nonlinear system.
주파수 반응(Frequency Response)
이는 음향 장비가 다양한 주파수 범위에서 입력 신호를 얼마나 정확하게 재현하는 지를 나타냅니다. 장비의 주파수 응답이 선형적이지 않을 경우, 특정 주파수 범위에서 음향 재생이 강조되거나 약해질 수 있습니다. 이로 인해 원하는 소리의 미세한 세부 사항이 놓칠 수 있거나, 불필요한 주파수 강조나 감소로 인한 음질 변화가 발생할 수 있습니다.
THD(Total Harmonic Distortion)
이는 입력 신호에 비해 장비의 출력에서 생성되는 왜곡된 추가 음향 신호의 비율을 나타냅니다. THD가 높으면 원본 신호에 비해 추가적인 배음이 생성되어 원하는 소리의 왜곡이 발생할 수 있습니다. 작은 THD 값은 음향 장비가 입력 신호를 정확하게 재현하고 왜곡을 최소화하는데 도움이 되며, 높은 THD 값은 비선형성의 증거일 수 있습니다
이렇게 주파수 반응과 THD는 음향 장비의 성능과 음질에 중요한 영향을 미치는 비선형성과 관련된 사양입니다. 따라서 이러한 사양을 검토하여 음향 장비의 품질과 성능을 평가하는 것이 중요합니다.
선형 시스템과 비선형 시스템
대표적인 선형 시스템
대표적인 비선형 시스템
마이크 프리앰프의 선형성
마이크 프리앰프는 일반적으로 선형 시스템으로 간주됩니다. 마이크 프리앰프는 마이크에서 들어오는 약한 신호를 증폭하여 더 강한 신호로 변환하는 역할을 합니다. 이 과정에서 이상적인 마이크 프리앰프는 일반적으로 입력 신호의 크기에 비례하여 출력이 증폭되는 선형성이 높은 동작을 수행하도록 만들어져야 합니다.
하지만 몇몇 프리앰프 모델은 음향적 특성을 강조하거나 왜곡을 추가하는 등의 비선형성이 높은 동작을 하게 됩니다.
마이크의 비선형성
이러한 비선형성은 마이크의 디자인, 가격, 사용 용도에 따라 다를 수 있습니다. 일반적으로는 높은 품질의 마이크 제품은 비선형성을 최소화하도록 설계되며, 실제 사용 시에도 보다 선형적인 응답을 제공하려고 노력합니다.
스피커의 비선형성
스피커의 진동판과 마이크의 진동판은 원리적으로는 비슷한 물리적 원리를 가지고 있지만, 그 용도와 특성에 따라서 비선형성의 정도는 다를 수 있습니다.
요약하자면, 스피커의 진동판과 마이크의 진동판은 비슷한 물리적 원리를 가지고 있을 수 있지만, 스피커는 음압을 진동으로 변환하는 역할을 하며 입력 신호에 따라 비선형성이 나타날 수 있습니다. 스피커 제조사들은 선형성을 유지하기 위한 기술과 노력을 들이며 성능을 향상시키려고 노력합니다.
사람의 청각의 비선형성
등청감곡선
Equal Loudness Curve, ISO226
등청감곡선에 관한 연구는 Bell 연구소의 fletcher munson15)에 의해 시작되었고, 그 후 Robinson과 Dadson에 의해 제시된 등청감곡선(Equal Loudness Curve)이 국제 표준(ISO226)으로 자리 잡았다.
Phon
임피던스와 비선형성
임피던스는 전기 및 전자 회로에서 흐름하는 전류에 대한 장애물 또는 저항을 나타내는 개념으로, 비선형성과도 관련이 있을 수 있습니다. 임피던스는 주로 저항(R), 인덕턴스(L), 그리고 캐패시턴스(C)의 조합으로 구성되며, 주파수에 따라 다양한 값을 가집니다.
비선형성과의 관련성은 주로 두 가지 방면에서 나타납니다:
비선형 임피던스: 임피던스의 값이 주파수나 전압에 따라 변하는 경우, 회로나 장치의 비선형성을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 일부 임피던스 요소가 주파수에 따라 변하거나, 비선형 소자가 포함된 회로에서는 입력 신호에 따라 임피던스가 변할 수 있습니다. 이 경우에는 입력 신호의 변화에 따라 출력 신호의 변화가 예측하기 어렵거나 비선형적일 수 있습니다.
비선형적 상호작용: 임피던스의 변화로 인해 회로나 시스템 내부에서 비선형적인 상호작용이 발생할 수 있습니다. 임피던스가 비선형적으로 변하는 경우, 입력과 출력 사이의 관계가 복잡해질 수 있고, 예측 불가능한 변화가 발생할 수 있습니다.
하지만 임피던스 자체는 비선형성을 나타내는 요소는 아닙니다. 임피던스는 회로나 시스템의 전기적 특성을 설명하며, 이를 통해 회로의 전압, 전류, 신호 전달 등을 분석할 수 있습니다. 그러나 비선형 소자나 비선형 동작이 포함된 회로에서는 임피던스의 변화가 비선형적인 결과를 낳을 수 있습니다.
아래의 두가지 케이스의 경우 주파수 반응은 비슷하게 측정되었지만, 주파수별 임피던스의 경우는 매우 상이한 특성을 가지고 있으며, 실제 청감상의 느낌은 매우 다를 수 있다.
스피커 임피던스
임피던스 = 전압2/전력 이기 때문에 저역대의 Resonant frequency 에서 임피던스 값이 크게 올라오는 이유는 그 지점에서 유닛이 공진하기 때문에 적은 적은 힘(전력)으로도 큰 전압(신호)이 출력 된다는 뜻이다. 즉 이 유닛은 특정 주파수에서 공진을 한다는 뜻이다.
마이크 임피던스
임피던스 = 전압2/전력 이기 때문에 저역대의 Resonant frequency 에서 임피던스 값이 크게 올라오는 이유는 그 지점에서 유닛이 공진하기 때문에 적은 적은 힘(소리 에너지)으로도 큰 전압(신호)이 출력 된다는 뜻이다. 즉 이 진동판은 특정 주파수에서 공진을 한다는 뜻이다.
디지털, 아날로그, 물리 구동 장치
물리 시스템들이 가장 비선형 요소가 크기 때문에, 우리는 디지털 시스템, 아날로그 시스템에 속하는 DAW 나 콘솔, 또는 오디오 인터페이스나 프리앰프, DAC 등을 바꾸는 것보다 물리 시스템에 속하는 스피커나 마이크를 바꾸는게 훨씬 큰 차이로 느껴지게 된다. 물리적 장치나 전기 장치들은 그것들의 물리적 규모가 클수록 비선형성이 높아지는 경향을 보이고, 반대로 집적화되어 물리적인 규모가 작아질 수록 선형성이 커지는 경향을 보인다. 그렇지만 대부분의 장비들은 최대한 선형성을 유지해야 입력에 대한 정확한 출력 결과를 얻을 수 있기 때문에 선형성을 최대한 구현하도록 제작하기 위하여 노력한다.17)
Self-Noise level
저항 등의 부품으로 인해 시그널 상에 화이트 노이즈가 발생한다. 화이트 노이즈는 전 주파수 대역에 걸쳐 동일한 레벨을 가지고 있기 때문에, 고역대로 갈수록 그 에너지가 점점 커지는 특성이 있고, 따라서 고역대의 화이트 노이즈가 상대적으로 더 잘 들린다.18)
Self-noise level
“Self-noise level” refers to the inherent noise level of a device.
White noise is generated in the signal due to components such as resistors. White noise has the characteristic of having the same level across the entire frequency spectrum, which means that as you go to higher frequencies, its energy becomes more prominent. As a result, higher-frequency white noise is relatively more audible.
Reference
감도
마이크
마이크가 소리의 크기를 얼마 정도의 신호값으로 변환 할 것 인지에 대한 팩터.
단위는 mV/Pa(신호/압력, 음압에 대해 생성되는 전기 소리 신호 비율)19)
이러한 단위 특성에 따라서 마이크의 감도가 낮으면 먼 거리의 소리가 덜 들어오게 되고, 마이크의 감도가 높으면 먼거리의 소리들도 잘 들어오게 된다.20)
감도 값의 측정은 마이크에서 “고정된 거리”인 1m 앞에서만 측정한 것이기 때문에, 거리에 대한 소리 크기를 감도 값에 아무리 대입해봐도 거리에 따라 얼마나 감도에 의한 신호 차이가 나는지 나오지 않는다.
Reference
스피커
헤드폰
소음 측정기
소음의 정도나 소리의 크기(라우드니스)를 측정하는 장치.
최근에는 디지털 방식으로 만들어져 예전 아날로그 방식에 비해 훨씬 정확하며, 저렴한 모델의 경우 dBA 만 측정 가능한 경우가 있고, 좀 더 고급형의 경우는 dBA/dBC 등 여러가지 가중치 측정및 Leq 측정 등이 가능하다.
최근에는 dBA 측정의 경우는 스마트폰 어플로도 거의 정확한 결과를 보여준다.
SPL Meter
A sound level meter is a device used to measure the intensity or loudness of sound, as well as the degree of noise. Modern sound level meters are typically digital, offering significantly improved accuracy compared to older analog models. Some lower-end models can measure sound levels in dBA (A-weighted decibels) only, while more advanced models can provide measurements with various weightings, including dBA and dBC.
In recent times, smartphone apps are also capable of providing nearly accurate results for dBA measurements.
Weighting
주파수 가중치
주파수 가중치는 소리의 주파수 성분에 따른 가중치를 나타냅니다. 주파수는 소리의 높낮이 또는 음성의 성질을 결정하는 중요한 파라미터 중 하나입니다. 주파수 가중치는 주파수 영역에 따라 소리의 인식에 다른 중요도를 할당합니다. 예를 들어, dBA (A 가중치)는 인간의 청각 특성을 고려하여 중점을 둔 가중치로, 주로 환경 소음 및 소음 노출 측정에 사용됩니다. dBC (C 가중치)는 높은 주파수 성분에 민감하게 반응하며, 산업용 소음 평가에 사용됩니다.
A-weighted
C-weighted
K-weighted
시간 가중치
Reference
https://www.ranecommercial.com/legacy/note145.html
https://www.soundonsound.com/sound-advice/why-specifications-matter-part-1
2)
distortion
13)
보이스 코일의 Displacement에 의한 force factor
15)
fletcher-munson curve
fletcher-munson curve
19)
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/understanding-microphone-sensitivity.html
고감도 마이크가 항상 저감도 마이크 보다 좋은 것은 아닙니다 . 감도는 마이크의 특성 에 대한 정보지만 반드시 마이크의 품질 에 관한 것은 아닙니다 . 마이크의 소음 수준, 클리핑 포인트, 왜곡 및 감도 간의 균형은 마이크가 특정 응용 프로그램에 적합한지 여부를 결정합니다. 감도가 높은 마이크는 아날로그에서 디지털로 변환하기 전에 더 적은 프리앰프 게인이 필요할 수 있지만 감도가 낮은 마이크보다 클리핑 전에 헤드룸이 적을 수 있습니다. 마이크가 음원에 가까운 휴대폰과 같은 근거리 응용 프로그램에서 더 높은 감도를 가진 마이크는 최대 음향 입력에 도달하여 잘리고 왜곡을 일으킬 가능성이 더 큽니다. 반면에 회의 전화 및 보안 카메라와 같이 소스에서 마이크까지의 거리가 멀어질수록 사운드가 감쇠되는 원거리 애플리케이션에서는 더 높은 감도가 바람직할 수 있습니다. 그림 3은 음원에서 마이크까지의 거리가 SPL에 미치는 영향을 보여줍니다. 음향 신호의 레벨은 소스로부터의 거리가 2배가 될 때마다 6dB(1/2)씩 감소합니다.
고감도 마이크가 항상 저감도 마이크 보다 좋은 것은 아닙니다 . 감도는 마이크의 특성 에 대한 정보지만 반드시 마이크의 품질 에 관한 것은 아닙니다 . 마이크의 소음 수준, 클리핑 포인트, 왜곡 및 감도 간의 균형은 마이크가 특정 응용 프로그램에 적합한지 여부를 결정합니다. 감도가 높은 마이크는 아날로그에서 디지털로 변환하기 전에 더 적은 프리앰프 게인이 필요할 수 있지만 감도가 낮은 마이크보다 클리핑 전에 헤드룸이 적을 수 있습니다. 마이크가 음원에 가까운 휴대폰과 같은 근거리 응용 프로그램에서 더 높은 감도를 가진 마이크는 최대 음향 입력에 도달하여 잘리고 왜곡을 일으킬 가능성이 더 큽니다. 반면에 회의 전화 및 보안 카메라와 같이 소스에서 마이크까지의 거리가 멀어질수록 사운드가 감쇠되는 원거리 애플리케이션에서는 더 높은 감도가 바람직할 수 있습니다. 그림 3은 음원에서 마이크까지의 거리가 SPL에 미치는 영향을 보여줍니다. 음향 신호의 레벨은 소스로부터의 거리가 2배가 될 때마다 6dB(1/2)씩 감소합니다.
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음향/hardware/specification/start.txt · 마지막으로 수정됨: 2024/02/26 저자 정승환