위상(phase)은 파동의 진폭(amplitude)와 주기(period)에 대한 시간적인 위치나 상대적인 상태를 나타내는 개념입니다. 즉 비교할 상대적인 대상이 있어야 위상에 대해 이야기 할 수 있습니다. 파동은 주기적인 진동 현상으로, 위상은 이 주기적 진동이 시간 상에서 어느 지점에 위치하고 있는지를 나타냅니다.

간단하게 말하면, 위상은 파동의 진폭이 어떤 시간적 순간에 있는지를 표현하는 것으로, 파동의 시작점을 기준으로 얼마나 진행되었는지를 나타냅니다. 위상은 주기적인 파동에서 특히 중요한데, 서로 다른 파동의 위상 차이가 파동 간의 상호작용과 중첩을 결정하며 음향 현상을 이해하는 데 필수적입니다.

위상은 주기적인 파동의 한 사이클에서 0부터 360도까지의 범위로 표현되며, 이를 라디안(radian)으로 나타내기도 합니다. 위상 차이가 0인 경우, 두 파동은 같은 위상에 있으며, 이것을 인 페이즈(in-phase)라고 합니다. 반대로 위상 차이가 180도인 경우, 두 파동은 정반대 위상에 있으며, 이것을 안티 페이즈(anti-phase)라고 합니다. 그리고 그 사이의 어떤 값인 경우에는 다른 상태를 나타냅니다.

음향학에서 위상은 파동의 복잡한 상호작용, 음향 신호의 합성, 음악 악기의 음색 등 다양한 음향 현상을 연구하고 설명하는 데 사용되며, 위상 정보는 음향 처리 및 음향 엔지니어링에서 중요한 역할을 합니다.

Phase is a concept in acoustics that represents the temporal position or relative state of amplitude and period within a waveform. It requires a relative reference point to discuss phase. Waves exhibit periodic oscillations, and phase indicates where these periodic oscillations are positioned in time.

In simple terms, phase expresses where the amplitude of a wave is at a specific moment in time, relative to the starting point of the wave. Phase is especially crucial in periodic waves, as differences in phase between different waves determine their interaction and interference, contributing to our understanding of acoustic phenomena.

Phase is typically measured within a range of 0 to 360 degrees over one cycle of a periodic wave and can also be expressed in radians. When the phase difference is 0 degrees, two waves are in phase, referred to as “in-phase.” Conversely, when the phase difference is 180 degrees, the waves are in opposite phase, known as “anti-phase.” Any value in between represents a different phase relationship.

In acoustics, phase plays a vital role in studying and explaining complex interactions in waves, sound signal synthesis, and the timbre of musical instruments. Phase information is essential in audio processing and sound engineering, influencing various aspects of sound manipulation and signal processing.

Phase invert

파형의 극성을 뒤집는 것

각 주파수는 각기 다른 파장을 가지고 있기 때문에, 파장의 길이에 따라 같은 위상 변이라고 해도 전혀 다른 시간의 차이이다.

각각 주파수 별 위상의 변이

모든 오디오 파형은 주파수별 사인파의 총합으로 나타낼 수 있다. 따라서, 어떤 복잡한 오디오 파형이라도 수많은 사인파의 합으로 이루어진다.¹⁾

따라서 복잡한 파형을 이루는 여러 주파수의 사인파형은 각각의 위상을 가질 수 있는데, 시그널 프로세서를 거치면서 위상 왜곡이 발생할 수 있다. 특정 주파수들의 위상이 변한다는 뜻이다.

어떤 스피커의 세로축을 위상각에 대한 그래프로 나타낸 위상 그래프는 아래와 같다.

하지만 이 그래프의 세로축을 위상각→ 시간 딜레이 값으로 변환하여 그래프를 다시 표현하면 아래와 같다. 각 주파수의 파장의 길이가 다르기 때문에 위상 그래프와 그룹 딜레이 그래프는 이와 같은 표현 방식의 차이를 보여준다.

https://www.merlijnvanveen.nl/en/study-hall/165-group-delay-101}

이렇게 세로축을 위상각이 아닌 시간 딜레이 값으로 통일하여 표현한 것을 그룹 딜레이라고 한다. 그룹 딜레이는 소스의 원 소리가 앰프와 크로스오버, 스피커 유닛, 베이스 리플렉스 등을 거치면서 얼마나 주파수 별로 소리가 지연되는 지를 보여 준다.

그룹 딜레이는 1차적으로 해당 주파수의 트랜지언트 표현에 대한 정보를 보여준다. 그룹 딜레이가 높은 주파수의 트랜지언트 표현은 딜레이된다. 저음역대의 그룹 딜레이가 높다면 저음의 트랜지언트가 느리게 재생된다는 뜻이다.

또한, 중간 중간 살짝 튀어나오는 부분들이 있을 수 있다. 이것은 초기 반사음이 커서 테스트 톤에 이 초기 반사음의 영향을 받은 결과이다. 초기 반사음은 한번 반사되어 돌아온 소리이기 때문에 딜레이되어 측정된다. 즉 어느 주파수에 초기 반사음이 크게 작용하는지 그룹 딜레이를 통해 알 수 있다.

그룹 딜레이 값으로 보면 큰 차이가 없는 것처럼 보이는 측정 데이터도 위상 그래프로 보면 큰 차이가 있을 수 있기 때문에 위상 그래프를 좀더 신중하게 봐야한다. 당연히 소리의 명료도는 주파수 별 위상에 영향을 크게 받기 때문이다.

패시브 스피커를 많이 다루는 Hi-Fi 컨슈머 시장에서는 패시브 크로스오버를 그룹 딜레이로 보면 별 차이가 없다는 식으로 주장하는 사람이 많다. 아마도 대부분의 Hi-Fi 스피커가 위상 문제가 생길 수 밖에 없는 패시브 크로스오버를 사용하기 때문에 자기 합리화를 하는 것으로 보인다. 매우 잘못된 정보 유통의 예시라고 볼 수 있다.

그룹 딜레이로 알 수 있는 대표적인 정보는, 주파수별 트랜지언트 성향, 및 초기 반사음의 영향 등이 있다.

드럼의 오버헤드 마이킹의 경우에 드럼의 전체 악기 소리를 받는 것이 때문에, 심벌의 소리 뿐만 아니라 킥이나 스네어, 탐탐의 소리도 당연하게 들어가 있다.

이때 킥이나 스네어에도 마이크를 따로 보강하는 방식으로 대기 때문에, 드럼의 전체적인 소리는 오버헤드 + 개별 마이킹 소리로 나게 되는데, 이 경우에 오버헤드에 들어온 킥의 소리와 킥 마이크에 들어온 소리의 위상 관계, 오버헤드에 들어온 스네어의 소리와 스네어 마이크에 들어온 소리의 위상 관계 등이 중요해진다.

킥의 경우를 예를 들자면, 오버헤드에 들어온 킥 소리와 킥 마이크에 들어온 킥소리 두가지를 서로 정위상으로 들어보고 역위상으로 들어보면서 킥의 기음역대에 대한 위상 캔슬이 발생하는지 아닌지 소리를 듣고 판단한다.

블리딩

동시에 여러가지의 악기가 마이킹 되어 있을 때의 위상 관계도 중요하다.

예를 들면 보컬 마이크에 작게 들어온 일렉트릭 기타의 소리, 그리고 기타 앰프의 마이크에 들어온 일렉트릭 기타의 소리는 같은 소리 이면서 보컬 과 기타 앰프의 소리가 서로 믹스에 관여 될 때, 두 마이크에 들어온 일렉트릭 기타의 소리의 위상 관계 등이 매우 중요해진다. 단 이러한 경우 3:1 법칙에 해당하기 때문에 서로 음원의 신호 차이가 10dB 이상 나게 되면 큰 위상 문제는 발생하지 않는다.

스테레오 음장 효과는 동일한 음원을 Left 채널과 Right 채널의 동일성/차이점을 통해서 발생하기 때문에, 좌/우 파형의 위상을 비교 하여 서로의 차이가 나는 정도로 스테레오 채널의 위상의 상관관계를 알 수 있다.

좌/우 파형중에 동일성을 가지는 부분은 Center 이미지, 좌/우 파형 중에 차이점을 가지는 부분은 Side 이미지 성분으로 스테레오 음장감을 표현하기 때문이다.