츠비커 라우드니스 측정 모델 (Zwicker Loudness Model)

츠비커 라우드니스 모델(Zwicker's Loudness Model)은 인간의 청각 기관이 가진 물리적·생리적 특성을 수학적으로 시뮬레이션하여, 인간이 주관적으로 느끼는 소리의 크기(Loudness)를 정량적으로 계산해 내는 고전적 심리음향학 알고리즘이다.

츠비커 모델은 인간의 귀를 단순한 마이크가 아니라, 주파수별로 쪼개진 수많은 '필터 뱅크(Filter Bank)'의 집합체로 바라본다. 인간의 청각 인지 과정을 다음과 같은 단계로 정량화하여 최종 라우드니스 값(Phon 또는 Sone)을 도출한다.

입력된 오디오 신호를 인간의 달팽이관 기저막 분해능과 일치하는 24개의 임계 대역(Critical Band, Bark Scale) 필터 뱅크에 통과시킨다. 1kHz 이하에서는 약 100Hz 단위로 촘촘하게, 고음역으로 갈수록 대역폭이 넓어지는 인간 중심의 주파수 격자를 기반으로 에너지를 일차 연산한다.

각 Bark 채널로 들어온 소리에 주파수별 민감도 곡선(ATH 및 등청감 곡선)을 대입하여 실제 청감 효율을 계산한다. 이때 특정 대역의 에너지가 강할 경우, 인접한 대역의 소리를 인지하지 못하게 만드는 동시 마스킹(Simultaneous Masking)과 소리가 치고 빠진 뒤 일정 시간 귀가 먹먹해지는 시간적 마스킹(Temporal Masking) 알고리즘이 적용되어 '부분 라우드니스(Specific Loudness)' 분포도를 그려낸다.

드럼의 킥이나 스네어처럼 극도로 짧은 트랜지언트 성분이 들어왔을 때, 인간의 뇌가 에너지를 축적하는 시간 창(Time Window) 특성을 시뮬레이션한다. 약 $100\text{ ms}$ 내외의 시상수(Time Constant)를 가진 시간 적분 필터를 거치게 하여, 지속시간이 짧은 소리가 실제보다 작게 들리는 청각 현상(가너의 법칙)을 정확하게 추적한다.

• 산업 소음 평가 (NVH): 가전제품(냉장고, 에어컨)의 구동 소음이나 자동차 엔진/실내 흡음재 성능을 평가할 때 '인간에게 얼마나 불쾌하고 시끄럽게 들리는가'를 재는 절대적인 표준으로 사용된다.
• 전통적인 심리음향 미터: 일부 마스터링 플러그인이나 음향 분석 장비의 인스턴트(Instantaneous) 라우드니스 분석 기저로 동작한다.

• 저음역 해상도 부족: 500Hz 이하의 저음 영역을 100Hz 단위로 고정하여 계산하기 때문에, 현대 음악의 초저역(서브 베이스)이나 미세한 저음 주파수 변화를 완벽하게 반영하지 못한다.
• 고정형 필터의 오류: 입력되는 소리의 물리적 크기(dB SPL)에 관계없이 필터의 모양과 대역폭이 항상 일정하게 고정되어 있어, 소리가 극도로 커지거나 작아질 때 발생하는 달팽이관의 비선형적 압축 특성을 완벽히 모사하지 못한다.