기초 음향학(Acoustics) - 음향특성, 음의종류

기초 음향학(Acoustics) - 음향특성, 음의종류

 

 

1. 기초음향학

1) 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 1 점이 1 회의 진동을 할 때 파는 1 파장 진행한다.

 

1 초간의 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 T 라고 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 교류적으로 변화하고 교류의 크기는 보통 실효치로 표기한다.

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

일을 하는 직류의 값으로 나타낸 것이다.

일반적으로 음압과 입자속도는 실효치로 나타낸다.

반응형

 

2) 음장(sound fields)

음장이란 음의 존재하는 영역을 말하며 그 안에서 음파가 전파되는 형태와 환경에 따라 분류된다.

 

3) 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 2 배 될 때마다 (음의 전파 음향으로) 음압레벨이 -6dB 감소하는 특징을 가지며 이것을 역 자승 법칙(Iverse square law)라 한다.

 

4) 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 0 이지만 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.

 

5) 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 0 이다.

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.

 

 

2. 음의 종류

음은 일반적으로 여러가지 주파수로 구성되어 있다.

① 사람이 들을 수 있는 소리주파수 : 가청주파수(Audio frequency)

② 들을 수 없는 높은 주파수 : 초음파(ultrasonic)

③ 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(Whitenoise)이다. 소음에 대한 사람의 심리적 요인으로는 사소력 및 기억력 저하신경이 피로해지고 맥박이 빨라 혈압이오르며 소화불량을 초래더욱큰 소음은 청각 기관을 손상하며 건강을 해친다.

반면 소리를 잘연구해서 이용하면 사람의 인체에 무한한 도움이 되리라 믿는다.

 

※음의 분류

 

 

3. 음향특성

1) 주파수특성

진폭주파수 특성을 말하며 오디오 기기를 통과한 신호의 진폭주파수에 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 수 Hz-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.

 

2) S/N 비

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

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

S/N = -60 로 표기하는 경우 (잡음이 신호의 1000 배를 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/N 도 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.

 

3) 다이나믹 레인지

정식규격은 아니지만 기기의 최대 출력을 레벨과 출력 잔류 잡음 레벨의 비를 dB 로 나타낸 것을 다이나믹 레인지(Dynamic range)라고 한다.

 

4) 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.

 

5) 왜곡

대표적으로 고조파 왜곡과 혼변조 왜곡이다. 프로용 오디오기기에서는 주로 2 개의 왜곡에 대해 왜곡율을 표시하고 있다.

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

한편 순음 주파수의 신호가 아니고 주파수가 다른 2 개의 신호가 입력되었을 때에는 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 발생되기 때문에 아직 측정법이 확립되어 있지 않으며 오디오 측정 기술의 과제로 남아있다.

 

6) 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 dB 로 표시하는 경우도 있다.