기초음향학

음이란?

물리적으로 음파로 치완하여도 되며 탄성체 속을 전달되는 밀도 변화의 파이다.

파라고 하는 것은 매질의 어느 점에 일어난 진동의 주위에 계속 전달되는 현상이다.

음파는 매질의 입자진동의 방향이 파의 진행하는 방향과 일치하는 파이고

소밀파 또는 중파 라고 한다.

음파는 기체, 액체, 고체의 모든 물체속에서 전달된다.

고체 내부에는 종파와 횡파가 전달되지만

기체와 액체에는 어긋남에 대한 탄성이 없으므로 횡파는 존재하지 않는다.

음파에 의해 운반되는 매질은 없으며

음파는 단지 진동 에너지 이다.

매질 입자의 진동에너지나 탄성에 기본을 둔 위치에너지가 운반되는 것이다.

일반적으로 매질의 1점이 1회의 진동을 할 때 파는 1파장 진행한다.

1초간의 진동수, 즉 주파수(frequency)를 ƒ 라고 하고 파장(wave length)를 λ 라고하면

음속(sound velocity) 는 C= ƒ * λ 로 나타낼 수 있다

또 주기 (periodic time)를 T라고 하면

 

ƒ = 1/T 이고 C= λ/T 이다.

 

이것들은 진동에 대해서 전반 속도, 파장, 주파수, 주기사이의 기본적인 관계이다.

공기중의 음파의 전파속도는 다음식으로 나타난다.

 

c=331.5+0.6 * t

 

여기서 c : 공기중의 음파의 전파속도(음속), t : 공기의 온도(℃)

실용적으로 약 15℃ 일 때의 값으로서 c=340 m/s 를 이용한다.

음압은 직류가 아니며 교류적으 변화하고 교류의 크기는 보통 실효치로 표기한다.

실효치는 변동하고 있는 양의 순시치에 2승을 평균한 평방근을 취한 것 (root mean square)이고

교류를 같은 일을 하는 직류의 값으로 나타낸 것이다.

일반적으로 음압과 입자속도는 실효치로 나타낸다.

 

음장(sound fields)

음장이란 음의 존재하는 영역을 말하며

그 안에서 음파가 전파되는 형태와 환경에 따라 분류된다.

 

자유음장(free field)

자유 음장이란 반사가 전혀 없는 자유 공간에서의 음의 전파를 말한다.

이러한 조건은 대기중(지면으로부터 아주멀리 떨어져 있는곳)에서나

벽에 부딪히는 모든 소리가 흡수되는 무향실에서 성립한다.

자유 음장에서의 음의 전파는 음원으로부터의 거리가 2배 될 때마다 (음의 전파 음향으로)

음압레벨이 -6dB 감소하는 특징을 가지며 이것을 역 자승 법칙(Iverse square law)라 한다.

확산음장(diffuse field)

확산음장에서는 음이 무수히 반사되어 모든 방향으로 같은 크기와 확률을 갖고 전파된다.

이러한 음장은 잔향실(Reverberant room)에서 근사적으로 만들어진다.

실내에서의 실제 인텐시티는 0이지만

음압과 단일 방향 인텐시티를 연관시키는 이론 적인 관계식이 있다.

이것은 크기가 같고 방향이 반대인 성분을 무시한, 한 방향으로의 인텐시티 이다.

 

단일 방향 인텐시티는 음향 인텐시티 분석기로도 측정할 수 없으나 매우 유용한 물리량이다.

음압을 측정하여 음압과 단일방향 인텐시티 사이의 관계를 이용하면 음향 파워를 구할 수 있다.

능동(Active) 음장과 수동(Reactive)음장

음의 전파는 에너지의 흐름이 수반되지만 전파가 없어도 음압이 존재할 수 있다.

능동 음장은 에너지의 유동이 있는 곳이며

순수한 반동 음장(Reactive)에서는 에너지의 유동이 없다.

어떤 순간에 에너지가 밖으로 전파되면 그 다음 순간에 꼭 되돌아 온다.

에너지는 스프링에서와 같이 저장되므로 실제 인텐시티는 0이다.

일반적으로 음장은 능동적인 성분과 반동적인 성분을 모두 갖고 있다.

반동 음장에서 음장파워를 구하기 위해 음압을 측정하는 것은 신뢰할 수 없는데

그 이유는 반동적인 부분은 방사되는 음향파워와 관계가 없기 때문이다.

그러나 음향 인텐시티는 측정할 수 있다.

음향 인텐시티는 에너지의 유동을 말하는 것이므로 음장에서 수동성분의 의한 기여는 없다.

 

 

음의 종류

음은 일반적으로 여러가지 주파수로 구성되어 있다

사람이 들을 수 있는 소리주파수 : 가청주파수(Audio frequency)

들을 수 없는 높은 주파수 : 초음파(ultrasonic)

20Hz 이하의 들을 수 없는 주파수 : infrasonic

1 순음(Pure tone)

실제 자연계에는 순음이 거의 존재 하지 않지만 대부분의 소리는

여러 가지 주파수의 순음으로 분해하여 고찰할 수 있으므로

이론적으로 다루기가 간단하며 이론 연구나 음향측정에 사용된다.

오직 한 개의 주파수를 갖는 진폭이 일정한 음으로서 한 개의 선 스펙트럼으로 표시되며

그 음압의 파형은 정현파로서 다음과 같은 식을 갖는다.

 

p(t)=Asin(2πft+θ)

 

p(t) : 순시음압 A : 진폭 f : 주파수 θ : 위상각 t : 시간

 

2 복합음(Complex sound)

주파수가 서로다른 많은 순음이 합하여진 소리로서

많은 선 스펙트럼을 나타낸다.즉 일정한 주기를 갖는 순음의 집합이다.

 

3 비주기적 파형을 가진 잡음

소리의 파형이 주기적으로 반복되지 않고

그변화가 불규칙적인 소리를 비주기적 파형을 가진 잡음 이라고 한다.

잡음은 일정한 파형이 없으며 일정한 소리의 높이에 대한 감각을 주지 않는다.

아주 짧은 시간 내의 순음 또는 복합음과 같이 생각되는 소리도

시간적으로 불규칙적으로 변하면 잡음이 되는 것이다.

잡음 중에서도 스펙트럼이 연속되고 평균진폭이 넓은 주파수 범위에서 동일한 것은

백색 잡음(White noise)이다.

소음에 대한 사람의 심리적 요인으로는

사소력 및 기억력 저하

 

신경이 피로해지고 맥박이 빨라 혈압이오르며 소화불량을 초래

더욱큰 소음은 청각 기관을 손상하며 건강을 해친다.

반면 소리를 잘연구해서 이용하면 사람의 인체에 무한한 도움이 되리라 믿는다.

 

*음의 분류*

분류	종류	내용
내용에 의한 분류	자 연 음	자연계에서 발생된 음
	음 악 음	악기에서 발생된 음
	음 성	인간이 발성한 음
	소 음	이외 시끄로운 음
주파수 스펙트럼에 의한 분류	순 음	단일 주파수의 음
	복 합 음	주파수가 다른 많은 순음으로 구성
	단 음	하나의 기본음과 그 정수배의 음으로 구성된음
주파수 영역에 의한 분류	초 저주파	귀애 들리지 않는20Hz 이하의 낮은 음
	가 청 음	귀에 들리는 20-20kHz 의 음
	초 음 파	귀에 들리지 않는 20KHz 이상의 음
시간 영역에 의한 분류	주기성의 음	음악이나 음성같은 음
	비주기성의 음	소음과 같이 주기가 없는음
	펄스성의 음	지속 시간이 짧은음

 

 

음향특성

 

주파수특성

진폭주파수 특성을 말하며 오디오 기기를 통과한 신호의 진폭

주파수에 따라서 어떻게 변하는가를 나타낸 것이다.

스피커의 경우는 음압주파수 특성을 말하며

주파수에 의한 출력음압 레벨의 변화를 나타낸 것이다.

보통 사람의 귀는 20-20KHz 의 범위를 들을 수 있으므로

이 범위의 주파수 특성이 평탄하면 문제는 없다.

믹싱 콘솔이나 전력증폭기의 전자회로는 수Hz-50KHz 정도 까지의

주파수 특성을 평탄하게 하는 것은 쉬운일이며

오히려 가청주파수대역 (20-20KHz)이외의 특성을 어떻게 처리하는가가 중요하다.

특히 PA(public address)용 콘솔에서는 불필요한 대역을 차단함으로서

스피커의 동작을 안전하게 하고

전체적인 시스템의 음질향상을 겨냥하는 경우도 있다.

 

S/N 비

기기의 출력단자에서 정격 출력레벨과 잔류 잡음레벨의 비를 dB로 나타낸 것이 S/N 비이다.

S는 SIGNAL

N은 NOISE

따라서 S/N 의 부호는 반드시 플러스가 되고 수치가 클수록 잡음이 적다는 것을 나타낸다.

 

S/N = -60 로 표기하는 경우 (잡음이 신호의 1000배를 의미)

 

S/N 은 정격출력이 같은 기기를 비교할 때는 도움이 되지만 잔류잡음의 절대값이 아니므로

정격 출력레벨이 다른기기를 비교할 때는 주의 하여야 한다.

또한 오디오기기에서 고출력이 될수록 S/N 이 좋아지지 않으며 귀에 거슬리게 된다.

오디오기기의 잡음 특성은 전적으로 초단부분에서 결정되고

그것이 앰프의 이득만큼 커져서 출력으로 나오는 경우가 많다.

초단의 잡음특성이 나빠도 이득을 줄이면 출력에 나오는 잡음의 양이 줄기 때문에

어느정도 이득일 때의 값인가를 명료하게 하지 않으면

S/N도 잔류 잡음레벨로 기기의 정확한 잡음특성의 비교는 되지 않는다.

그래서 사용되는 것이 입력환산 잡음레벨이고

그것에 출력에 나타난 잔류잡음 레벨을 그 기기의 이득으로 나눈 것이며

현재 이 입력 환산 잡음레벨이 그 기기의 잡음특성을 가장 잘나타낸 것이다.

다이나믹 레인지

정식규격은 아니지만 기기의 최대 출력을 레벨과 출력 잔류 잡음 레벨의 비를 dB 로 나타낸 것을

다이나믹 레인지(Dynamic range)라고 한다.

지향성

호흡구와 점원으로 부터 음이 그것들의 중심으로 하여

모든 방향으로 똑같이 방사되는 음원을 무지향이라고 한다.

그러나 같은 출력 같은 주파수 동위상의 두가지 점 음원이 일정간격으로 배열되면

그들에의해 생기는 음장은 두가지점을 연결하는 선을 대칭으로 하여

같은 방향에의해 두음원의 중점으로부터 거리가 똑같은 위치에서도 음의 세기가 다르다.

이와 같은 음원을 지향성 음원이라 한다.

지향성음원의 것을 A

무지향성음원의 것을 B

라 하면 지향계수는 10 log(A/B)를 말한다.

 

왜곡

대표적으로 고조파 왜곡과 혼변조 왜곡이다

프로용 오디오기기에서는 주로 2개의 왜곡에 대해 왜곡율을 표시하고 있다.

순음을 입력했을 때 이 순음의 2배 3배 4배..... 의 배음(고조파) 이 출력에 나타나는 경우가 많은데

이것을 고조파 왜곡이라 한다.

한편 순음 주파수의 신호가 아니고 주파수가 다른 2개의 신호가 입력되었을 때 에는

출력에 그주파수 신호의 합이나 차의 주파수 성분이 나타나는 경우가 많다.

이것을 혼변조 왜곡이라 부르며 그 입력신호와의 비를

혼변조 왜곡률(Intermodulation distortion:IMD)이라한다.

스피커에서는 저역의 큰진폭에 의해 혼변조 왜곡이 발생하는 경우가 많고

이와같은 상태를 변조된다라고 한다.

고조파 왜곡이나 혼변조 왜곡은 일정한신호의 연속신호에 대한 왜곡이며

정적왜곡 이라고도 한다.

그러나 실제 오디오의 왜곡은 항상 레벨이 변동되고

이와 같은 신호에 대해 다른 종류의 동적 왜곡도 발생되기때문에

아직 측정법이 확립되어 있지 않으며 오디오 측정 기술의 과제로 남아있다.

크로스 토크(Crosstalk)

본래는 전화 용어이며 누화라는 역어가 주어져 있는 것으로도 알 수 있듯이

복수의 채널사이에 신호가 새는 것을 나타내는 것이다.

예컨데 크로스 토크가 60dB 일 경우에 두채널에 기본 신호레벨이 같으면

채널 A 에 +4dB 의 신호를 흘리면 채널 B 에는 -56dB 의 신호가 나타난다.

그리고 본래 크로스 토크로 표현 되는 것이며 부호는 플러스이지만 분자 분모를 반대로 하여

크로스토크 = -60 dB로 표시하는 경우도 있다.

사운드 시스템(Sound system)

컷오프 필터(Cut off filter)

이 필터는 정해진 값과 주파수의 의하여 불필요한 부분을 잘라내며

가장널리 사용되고 저역을 잘라내는 저역필터(low cut)와

고역을 잘라내는 고역필터(hight cut) 가 있다.

밴드 패스 필터(band pass filter)

이필터는 특정한 주파수만을 없애고 나머지 부분만을 그대로 통과시키는 필터로

컷 오프필터와 혼동하기 쉽다.

그러나 이름을 보는 방법으로 가령 하이패스(high pass)필터라면

고음만 통과 시키고 저음는 삭제하는 로우 컷(low cut) 필터와 유사하다.

반대로 로우패스(low pass)필터는 저음만 통과 심키고 고음부분을 삭제시키는 필터로

하이컷(high cut)과 유사하다.

 

밴드리젝트 필터(band reject filter)

이 필터는 특정주파수 만을 선택하여 없애는 필터로

너치필터(notch)와 대단히 유사하다고 볼 수 있다.

 

기타종류의 필터

가장기본적인 필터이외에도 각 필터의 조합에 따라 여러 종류의 필터가 있는데

가장 대표적인 것이 콤(comb)필터이다.

이 필터는 주파수 설정치가 머리를 빗을 때 사용하는 빗처럼

차례로 늘어져 있어 지어진 이름으로 무선 전화기나 비디오 등에 널리 사용된다.

필터의 구성방식

필터를 구성하는 방식에 있어 패시브(passive)방식과 액티브(active)방식으로 구분되는데

패시브 방식은 저항과 콘덴스의 조합으로 이루어진 비교적 간단한 것을 말하며

액티브 방식은 전자회로를 조합하여 성능과 기능을 향상시킨 것이다.

 

패시브 방식

패시브 방식은 저항과 콘덴서의 조합으로 이루어진 회로로

대표적인 예가 전기기타의 음질조정 장치이다.

보통 전기기타 에는 2개의 픽업에 각각의 톤 볼륨이 있다.

톤 볼륨은 시계방향으로 돌리면 고음으로 반시계방향으로 돌리면 저음으로 변한다.

이러한 톤 조절장치는 대표적인 패시브 방식의 로우패스(low pass)필터이다.

톤 볼륨을 완전 왼쪽으로 돌렸으때 기타의 음색은 저음이며

소리 크기도 약간 적어진다.

그러나 이 음색을 자세히 들어보면 정상적인 기타소리에서 저음이 늘어난 것이 아니라

고음이 없어진 소리로 마치 저음이 된 것 처럼 들린다.

반대로 톤 볼륨을 모두 오른쪽으로 돌리면 저음도 고음도 모두 나오며

소리도 약간 커지게 된다.

이때의 소리가 기타가 가지고 있는 원래의 소리이다.

소리의 크기가 약간 변하는 이유는 패시브 방식이 가지는 단점으로

필터 자체 손실로 인하여 크기가 바뀌기도 하지만

구성이 간단하고 비용이 적게 들고 효과 또한 괜찮아 여러 분야에 널리 쓰이고 있다.

 

액티브 방식

액티브 방식의 필터는 크로스 오버 및 이퀄라이저를 비롯하여

쉘빙(shelving)필터 등이 이에 속하며 손쉽게 구분하는 방법은

전원을 이용하고 op amp 등을 사용하여 전자적인 회로를 구성한 여부로 판단하여도 부방하다.

LC 네트워크 방식

앰프 및 스피커로 음향시스템을 구성한 경우 앰프 하나에 3way(고음, 중음, 저음)로

된 시스템이 있다고 하면 이 경우 소리를 3개로 나누기 위해서

보통 네트워크 라고 부르는 장치를 사용한다.

네트워크의 구성은 코일과 콘덴서 그리고 저항을 이용하여 제작한다.

코일의 성질은 저역만 통과 시키고

콘덴서의 성질은 고음만을 통과하기 때문에 용량을 적절히 사용하여 음을 분리한다.

이것이 대표적인 패시브(passive)방식이다.

 

주파수 대역별 분할방식

스피커 네트워크 방식

이 방식은 가장 널리 이용되는 방식으로서

코일과 콘덴서의 임피던스적 특성을 이용하는 것으로

세심하게 설계된 것은 크로스오버에 못지 않는 성능을 낸다.

특징은 간편한 구조로 되어 있고 비용이 적게 들고

하나의 앰프만을 사용하기 때문에 각 대역간의 음향 밸런스가 잘 조합된다.

단점은 각 대역간의 크로스 폭을 정밀하게 조절하기 어렵기 때문에

3개 이상으로 대역을 분할하는 경우 각 대역간의 구분이 불분명해 지며

앰프와 스피커 사이의 저항을 비롯한 콘덴서, 코일이 삽입 되어

임피던스 변화가 심하게 발생되어 스피커의 능률이 떨어진다.

(임피던스(Z) 란? 교류신호 전압을 가했을 때 발생하는 저항값으로 코일과 저항은

직류전압과 교류전압에 대하여 상이한 특성을 발휘하는데 저항에는 직류전압이던 교류전압이던

원래 정해진 수치만큼의 전압과 전류의 강하를 보인다.

그러나 코일(coil)은 직류전압을 가하면 거의 0 Ω 으로 나타나지만 교류전압을 가하면

교류 주파수에 따라서 저항치가 변하는데 주파수가 높을수록 저항도 증가한다.

참고로 스피커에 표시도된 8 Ω 의 임피던스 수치는 1 KHz 1.0 v를 가했을 때의 값으로

만약주파수를 더 높여 걸어주면 임피던스는 급격히 증가 하게 된다).

크로스 오버 방식

이 방식의 가장 커다란 단점은 비용이 많이 추가되는 것이다.

분할하는 주파수 만큼 앰프가 필요하며 스피커의 위치에 따른

도달거리 위상차가 생기기 쉬우므로 여러개의 앰프를 사용하기 때문에 잡음또한 배가 된다.

그러나 우수한 성능의 크로스 오버를 만들기가 LC네트워크에 비해 손쉽기 때문에

LC네트워크 방식에 비해 음질이나 성능이 월등히 좋다.

다만 사용자가 주파수 분할에 대한 정확한 이론적인 근거나

스피커 주파수 특성에 대한 기준이 모자랄 경우 잘못된 주파수 분할에 의한

스피커의 파손이 종종 발생한다.

크로스 오버의 성능을 결정하는 요소중 가장 최우선인 것은

옥타브당 몇 dB 의 특성을 가지는 필터를 사용하는가 하는 것인가 이며

성능이 좋을수록 고음, 중음, 저음을 명확하게 구분한다.

과거 대략 10 여년 전에 발매된 크로스 오버들은 16dB/Oct 가 주류였으나

최근의 제