Posted on 2008/09/01 17:49
Filed Under 두드린 자는 그 문이 열리리니

배경
음향관련 장비 즉 CDP, 엠프, 스피커 등을 보면 여러 가지 스펙이 나와 있습니다만, 그 스펙의 내용을 올바르게 이해하기는 쉽지가 않은 것 같습니다. 제가 2007년 12월에 "음악파일 인코딩 성능"을 측정하여 그 수치 및 그래프를 공개한 적이 있는데, 그 글을 읽은 분들의 반응 중 대부분은 "좋은 내용인 것 같기는 한데, 어떻게 읽는지 알 수가 없다"는 반응이셨습니다. 즉 그러한 측정방법 및 수치에 관한 지식이 전혀 없는 분들이 대부분이었습니다. 그 글을 공개한 곳이 파코즈라는 웹싸이트인데 그곳은 컴퓨터의 하드웨어에 관한 정보를 교환하는 곳 입니다. 그래서 그런 곳이라면 '아마 대부분 아시겠지'라고 생각했었는데, 그게 아니더군요.
그래서 관련 정보를 찾아보니, 역시 인터넷 상에 그러한 내용에 대하여 알기 쉽게 설명을 해 놓은 곳이 거의 없더군요. 있어도 상당히 난해하게 수학적으로 분석을 하는 자료가 대부분이고... 뭐 거의 논문 수준이었습니다. 그래서 저는 이 글에서 가능한 쉽고 이해하기 편하게 설명을 하려고 했습니다만 쉬울지 어려울지 모르겠습니다. 이해하기 어려운 부분이 있으면 주저하지 마시고 코멘트 다시거나 Trackback 주시면 수정하겠습니다.

시작하기에 앞서
"좋은 소리가 나는 장치는 좋은 측정치를 가지고 있다." 라고 말을 할 수 없습니다. 하지만 "측정수치가 좋으면 소리가 좋아질 확률이 높다"라고는 할 수 있습니다. 무슨 말인지 혼란스러우시죠? 아래의 그림을 보시면 좀 더 이해하기 쉬우실 것 같습니다.

01.GoodSoundSet.png
그림1. 좋은 소리와 좋은 측정치

초등학교 시절에 배운 집합 개념으로 이해를 하시면 보다 더 쉽게 이해가 되실 것 같습니다. 즉 "좋은소리"에 해당하는 집합이 "좋은 측정치"를 포함하는 집합의 개념입니다. 필요충분조건의 개념을 생각하시면 되겠습니다.
이러한 대표적인 예가 진공관 엠프 입니다. 진공관 엠프는 관의 특성에 따라 달라지지만 그 동작원리상 트랜지스터 엠프보다 대부분의 특성이 나쁩니다. 하지만 진공관 엠프는 진공관 엠프 나름대로 소리의 특징이 있고, 또한 그런 소리를 좋아하시는 분들이 많이 계십니다. 그 이유는 좀 복잡하므로 추후 별도의 글로 말씀 드리겠습니다.

오디오나 MP3 플레이어등을 다루는 웹싸이트에 있는 게시물들을 보면 "측정치가 좋으므로 이게 소리가 더 좋다." 또는 그와는 반대로 "측정치는 측정치일 뿐, 소리와는 별 상관이 없다." 라고 하시는 분들이 많이 계시는데 다시 한번 그림1.의 개념을 생각해 보셨으면 합니다.

제가 말씀 드리고 싶은 점은 "측정치가 좋으면 적어도 좋은 소리를 재생할 확률이 높다." 라는 점 입니다. 따라서 제조업체들은 그러한 측정치를 의무적으로 명시하고 있으며, 저희 같은 소비자들은 그러한 측정치를 올바르게 이해할 수 있어야만 좋은 제품을 구매할 수 있습니다.


측정방식

음향관련 장비를 측정하는 장비는 크게 3가지 영역으로 나누어집니다. 신호를 발생시키는 장비, 측정을 하려는 장비 그리고 측정하려는 제품을 통과하여 나온 신호를 측정하는 측정기로 구분이 됩니다.

02.MeasurementConcept.png
그림2. 음향장비 측정

즉 우리가 기대(예측)할 수 있는 신호를 인공적으로 발생을 시켜서(신호 발생기) 측정을 하려는 측정대상 제품에 입력을 하고 이를 통과하여 나온 신호와 원래의 신호를 비교하여(측정기) 그 차이를 보는 개념으로 대부분의 측정이 이루어집니다. (Room의 음향특성의 측정 같은 예외도 있습니다)
단순한 한가지 예를 들면 1kHz의 주파수를 가지는 1V의 정현파를 엠프에 입력을 하고, 엠프의 출력단에서는 출력신호의 전압이 얼마인지를 측정하면, 엠프의 출력이 얼마인지를 측정할 수 있게 됩니다.

이중 신호 발생기와 측정기에 해당하는 부분은 여러 가지 제품들 중에서 선택이 가능한데, 아래의 그래프들은 현재 제가 사용중인 Audio Interface(E-MU 1616M)를 RMAA V.6.06(Right Mark Audio Analyzer)를 사용하여 Loop Back Test(오디오 인터페이스의 출력신호를 입력신호에 직결하는 연결방식) 방법으로 측정을 한 것입니다

03.MeasurementActual.png
그림3. RMAA를 사용한 Audio Interface 성능측정

관련 게시물
이 글을 읽으시기 전에 아래의 글을 읽어보시지 않은 분들은 아래의 글을 먼저 읽어보셔야 이해가 쉽습니다. 아래의 내용을 이미 알고 게신 분들은 읽지 않아도 되겠지요.


Frequency Response (주파수 특성)
Frequency Response는 우리나라 말로는 "주파수 특성"이라고 합니다. 이것을 측정하는 방법은 측정하는 장비마다 조금씩 다른데, 일반적으로 white noise, pink noise, (하나의 정현파가 저주파부터 고주파까지의 주파수가 연속으로 변하는 신호인) sweep파 등을 입력단에 흘려 보내고, 출력단에서는 그것을 주파수 별로 측정을 하여 입력신호대비 얼마나 변화하였나?를 측정하는 방법입니다. 전형적인 주파수 특성을 나타내는 그래프는 아래와 같습니다.

05.FrequencyResponse.png
그림4. Frequency Response

가로축은 소리의 높낮이 즉 주파수를 나타내고(왼쪽이 저음이고 오른쪽이 고음) 세로축은 소리의 크기(위로 올라갈수록 큰 소리), 즉 dB의 단위로 되어 있습니다.
"주파수 특성이 좋다."라는 말의 의미는 저음부터 고음까지 소리의 크기가 일정한 그래프를 말합니다. 만일 저음족이 위로 올라가게 되면 원래의 신호보다 저음이 강하게 나온다는 의미이고(이퀄라이져를 생각 하시면 쉽게 이해 되실 듯) 고음쪽이 올라가면 원래의 신호보다 고음이 많이 나온다는 의미가 됩니다.
그림4를 보시면 제가 사용중인 E-MU 1616M의 경우 10kHz부터 고음영역이 약간씩 감소하기 시작을 하여 20kHz부근은 약 0.25dB, 30kHz부근은 약 0.5dB가량 감소되는 특성을 보여줍니다.
이러한 Frequency Response 특성은 그래프로 보여주면 가장 정확한 결과를 알 수가 있지만 이렇게 할 경우 다른 기기들과의 단순비교를 하기가 힘들어지고, 측정된 값을 정량화하기가 어렵습니다.(가능은 합니다만 복잡해진다는 의미입니다.) 따라서 대부분 아래의 표1.과 같이 지정된 주파수 범위(20Hz에서 20kHz까지)를 정하여 놓고, 그 범위 안에서 기준치로부터 얼마나 벗어나는가를 dB로 표현하는 방법을 사용하면 사람들이 보다 더 알기 쉽게 표현이 가능합니다.

05.FrequencyResponseTable.png
표1. Frequency Response 측정결과

따라서 이러한 표현방법은 측정결과를 단순 요약할 경우에 사용됩니다.

요약
* 그래프 표기법 - 직선에 가까울 수록(기복이 없을수록) 좋다.
* 수치(값) 표기법 - 작은 값일수록 좋다.


Noise Level (잡음수준)

Noise Level은 소리가 재생될 때 잡음이 얼마나 발생하는가를 측정하는 것 입니다.

04.NoiseLevel.png
그림5. Noise Level

04.NoiseLevelTable.png
표2. Noise Level

즉 입력단에 신호를 입력하지 않았을 때 출력되는 신호를 측정하는 것을 말합니다.

관련 용어 정리
dBA : dB로 측정된 값을 사람이 실제로 느끼는 소음을 기준으로 하는 좌표계인 A-Weighting을 적용한 값입니다.
RMS : Root Mean Square의 약자로 한글로는 평균값 정도가 될 것 같네요. 일반적으로 오디오 신호의 경우 소리의 크기가 연속적으로 바뀌므로 평균값을 측정하여 소리의 크기를 정하는 방식입니다.
Peak : 여기에서는 RMS와 비교되는 개념으로 순간적인 최대 출력의 값을 측정하여 소리의 크기를 정하는 방식입니다. 당연히 Peak값이 RMS보다 훨씬 크게 측정이 됩니다.
DC offset : 전기적인 의미로는 장비에 직류전류성분이 얼마나 포함되어 있는가를 나타냅니다. 일반적으로 신호를 증폭하려면 바이어스 전류라는 것을 흘려서 반도체들을 동작시키는데 이때 바이어스전류의 조절이 잘못되면 장비내에서 직류성분이 흐르게 됩니다. 이런 직류성분은 소리를 왜곡시키고 다른 연결된 장비에 손상을 줄 수도 있으므로 반듯이 없어야만 합니다.
그리고 음향기기에서는 모든 소리의 평균값을 말합니다. 즉 모든 소리의 평균값을 계산하였을 때 이 값이 +이면 기준선 보다 위쪽에서 재생이 되고 -이면 기준선 보다 아래에서 재생이 되는 것을 의미합니다. 따라서 이 값이 0이 아닐 경우에는 Clipping등의 현상이 발생할 확률이 높아집니다.
스피커를 예로 들면 + 신호가 스피커에 흐를 때 우퍼가 앞으로 나오고 - 신호가 스피커에 흐를 때 우퍼가 뒤로 들어간다고 가정을 하면, DC offset이 +값이 나오면 스피커의 우퍼는 평균적으로 DC Offset만큼 앞으로 나온 상태에서 떨리게 됩니다. 따라서 소리의 왜곡이 생기게 됩니다.

요약
* 그래프 표기법 - 아래쪽에 그려질수록 좋다.
* 수치(값) 표기법 - 작은 값일수록 좋다. (RMS, Peak, DC offset 모두)


Dynamic Range

Dynamic Range는 가장 작게 재생 가능한 소리의 크기와 가장 크게 재생 가능한 소리의 크기차이를 말합니다. 아래의 그래프에서는 1kHz의 신호를 입력을 한 후 그 출력을 비교한 것 입니다.  

06.DynamicRange.png
그림6. Dynamic Range

06.DynamicRangeTable.png
표3. Dynamic Range

다이나믹 레인지가 커질수록, 소리의 크기변화가 커질 수 있으므로 맑고 투명한 소리의 재생이 가능해집니다. 거꾸로 말하면 Dynamic Range가 낮은 장비의 경우 뿌연 유리창을 통하여 밖을 보는 느낌의 소리가 들리게 되고, Dynamic Range가 높은 장비의 경우 깨끗하게 잘 닦여서 있는지 없는지 구분이 안 되는 듯한 창을 통하여 밖을 쳐다보는 느낌의 소리 재생이 가능해집니다.

요약
* 그래프 표기법 - 그래프로는 거의 표시하지 않는다.
* 수치(값) 표기법 - 큰 값일수록 좋다. DC offset은 작을수록 좋다.


THD + N (Total Harmonic Distortion + Noise)
THD는 Total Harmonic Distortion의 약자로 우리나라말로는 전 고조파 왜율 이라고 합니다. (한자라서 그런지 개인적으로 한글이 더 어려운 것 같네요.)  

07.THD.png
그림7. THD+N (-3dB)

07.THDTable.png
표4. THD+N (-3dB)

THD는 기준주파수(fundamental frequency, 기음, 파란색 부분)의 신호를 입력단에 넣고 거기에서 발생하는 N배의 Harmonic(고조파, 빨간색 부분)를 모두 합한(Total)후 그 Harmonic (즉 Distortion, 왜곡)들의 양을 모두 합하여 원래의 신호의 양과 비교하여 그 비율을 측정하는 것 입니다. 이를 수학적으로 표현을 하면 아래와 같이 됩니다.

00.Fomula.png

Harmonic에 대한 조금 더 자세한 설명은 "음악감상을 위한 소리의 기본지식"을 참조하시기 바랍니다.
그리고 일반적으로 THD+N은 아래의 그림8과 같이 표현을 합니다. RMAA(RightMark Audio Analyzer)는 사운드 카드의 특성을 측정하는 목적의 프로그램이므로 출력이 항상 고정되어 있습니다. 때문에 한가지 출력값(정격출력)만 측정을 하면 되지만, 엠프 같은 경우는 스피커의 임피던스값에 따라서 그리고 엠프의 출력에 따라서 THD+N값이 변하므로 일반적으로 아래의 그림과 같이 측정을 합니다.

08.THD+N.png
그림8. THD+N
출처 : http://www.tripath.com

그림8.은 Tripath사의 증폭소자를 측정한 것으로 4Ω의 부하와 8Ω의 부하를 연결하고 출력을 고정한 후 그림7과 같은 방식으로 하나의 THD+N값을 구하고, 또 다시 출력을 조금씩 올려가면서 연속적으로 측정을 한 값을 연결하여 그린 그래프입니다.
이렇게 표시를 하면 장비의 특성을 입체적으로 보실 수 있습니다. 즉 그래프를 보면 측정된 소자의 특성은, 4Ω시 THD+N 특성이 8Ω시보다 나쁜 대신, 최대 출력은 4Ω시에는 약12W, 8Ω시에는 약 6W로 나오고 있음을 알 수 있습니다.

요약

* 그래프 표기법 - 그림7처럼 표기. 아래쪽에 그려질수록 좋음.
* 수치(값) 표기법 - 작은 값일수록 좋다.


IMD (InterModulation Distortion)

IMD는 2개의 서로 다른 주파수를 가진 신호가 만났을 때 발생을 합니다. 즉 서로 다른 주파수간의 합이나 차 또는 Harmonics의 합과 차의 조합으로 만들어 집니다.

09.IMD.png
그림9. IMD

09.IMDTable.png
표5. IMD

E-MU 1616M의 경우 그림9.의 그래프상에 2차,3차 고조파가 나오긴 합니다만, 이것은 IMD의 예제라기 보다는 Harmonics의 예제인 것 같아서, 인터넷을 뒤져 IMD설명에 적당한 그래프를 찾아서 아래에 넣고 그래프에 설명을 추가하였습니다.

10.IMDCalc.png
그림10. IMD 발생원인
출처 : http://www.mwrf.com/files/30/16649/Figure_02.gif

그림10은 5kHz와 6kHz의 신호를 입력한 후 결과를 본 것입니다. 만들어지는 원인을 수학적으로 설명하면 아래의 계산법과 같이 설명이 가능합니다. 3차 distortion까지 표시하면 너무 복잡하므로 2차 distortion까지만 계산하여 표시하였습니다.

1. 5+6 = 11
2. 6-5 = 1
3. 11-1 = 10
4. 11+1=12

IMD가 생기는 전기적인 원인은 Harmonics가 생기는 원인과 마찬가지로 비선형(non-Linear)인 특성을 가지는 소자를 사용할 경우에 발생을 합니다.

요약
* 그래프 표기법 - 2차 및 3차 Harmonic성분이 적을수록 좋음. 즉 기준 주파수 2개만 보이고 평평하면 좋음.
* 수치(값) 표기법 - 작은 값일수록 좋다.


Stereo Crosstalk
Stereo Crosstalk는 단어의 의미 그대로 왼쪽 신호와 오른쪽 신호가 서로 얼마나 이야기를 하느냐?를 나타내는 것입니다. 이것을 전기적으로 표현을 하면 "서로 다른 채널간의 간섭"이라고 표현할 수 있습니다. 즉 왼쪽 채널의 소리는 오른쪽 채널에서 들리면 안 되는데 오른쪽 채널에서도 들리는 경우가 (또는 그와 반대의 경우) 발생을 합니다. 따라서 이러한 수치는 작을수록 좋습니다.

11.Crosstalk.png
그림11. Stereo Crosstalk

11.CrosstalkTable.png
표5. Stereo Crosstalk

Stereo Crosstalk가 발생을 하는 이유는 전자기유도작용 때문인데요, 소리라는 것을 전기로 표현을 하면 전압의 크기와 전류의 방향으로 설명이 가능합니다. 즉 소리가 커지면 전압이 높아지고 소리의 주파수가 높아지면 그 주기만큼 전류의 방향이 빨리 바뀌는 것 입니다.
한편 전자회로에 전류가 흐르게 되면 회로 주위로 자기장이 형성이 됩니다. 그리고 전류의 방향에 따라서 자기장의 방향이 결정됩니다. 이때 소리가 전달 되려면 전자회로에 흐르는 신호가 소리의 크기와 주파수만큼 전압과 전류의 방향이 바뀌어야 합니다. 때문에 전자회로에 소리의 진폭과 주파수만큼 전압의 크기와 전류의 방향이 바뀌게 되면, 회로 주위의 자기장도 따라서 변화하게 되며 이러한 자기장의 변화는 근처에 있는 회로에도 유도전류를 흐르게 하여 Crosstalk가 발생을 하게 됩니다.

요약
* 그래프 표기법 - 아래쪽으로 그려질수록 좋다.
* 수치(값) 표기법 - 작은 값일수록 좋다.


IMD (Swept frequency)
앞에서 살펴 본 IMD는 2개의 다른 주파수를 재생하면서 발생하는 IMD를 측정하는 것 입니다. 하지만 이 방법은 매우 다양한 선택 가능한 주파수 중 단지 선택된 2개만 결과를 보는 것이므로 마치 사물을 하나의 측면에서만 보는 것과 비슷하게 됩니다. (정면도만으로 물건의 모양을 알 수가 없지요?) 때문에 IMD (Swept frequency)에서는 5kHz, 10kHz, 15kHz와 Swept frequency를 사용하여 값을 측정합니다.

Swept frequency : 단어상의 의미로만 보면 swept는 "쓸다." 라는 의미의 동사인 sweep의 과거분사형으로 단어상의 의미로만 보면 주파수를 싹 쓸어버린다는 의미입니다. 파형을 말할 때 Swept의 의미는 하나의 sinusoidal signal(정현파)이 저음부터 고음까지 연속적으로 주파수가 바뀌면서 재생되는 것을 말합니다. 따라서 이러한 swept 파형이 재생이 되면 하나의 물결이 저음부터 고음까지 연속적으로 이동을 하면서 싹 쓸어버리는 모양이 되므로 swept라는 이름이 붙여졌습니다.

12.IMDSwept.png
그림12. IMD (Swept frequency)

12.IMDSweptTable.png
표6. IMD (Swept frequency)

요약
* 그래프 표기법 - 아래쪽으로 그려질수록 좋다.
* 수치(값) 표기법 - 작은 값일수록 좋다.


Summary
지금까지 살펴 본 이러한 값들은 아래의 표와 같은 요약본으로 만들 수 있습니다. 그리고 RMAA에서는 이러한 항목별로 범위를 정하여 놓고 그 해당 범위에 따라서 Poor (나쁨), Average(보통), Good(좋음), Very Good(매우 좋음), Excellent(최고 수준) 의 5가지 단계로 평가를 하고 있습니다.

13.SummaryTable.png
표6. 측정결과 요약

단순히 테스트 제품이 좋은지 나쁜지 결과만 알고 싶으신 분은 이 Summary 결과만을 보시면 되겠습니다.

2008/09/01 17:49 2008/09/01 17:49

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  1. Subject : frequency+response-으로 이어질 블로그링

    Tracked from blogring.org / 2008/12/17 06:03  삭제

    frequency+response-에 관한블로그를 요약한 것입니다.

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