입체음향 시스템(Stereo system)의 설명

입체음향 시스템(Stereo system)의 설명

 

 

1. 사운드 시스템(Sound system)

1) 컷오프 필터(Cut off filter)

이 필터는 정해진 값과 주파수의 의하여 불필요한 부분을 잘라내며 가장 널리 사용되고 저역을 잘라내는 저역필터(low cut)와 고역을 잘라내는 고역필터(hight cut) 가 있다.

 

2) 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 로우컷(low cut) 필터와 유사하다. 반대로 로우패스(low pass)필터는 저음만 통과 심키고 고음부분을 삭제시키는 필터로 하이컷(high cut)과 유사하다.

 

3) 밴드리젝트 필터(band reject filter)

이 필터는 특정주파수 만을 선택하여 없애는 필터로 너치필터(notch)와 대단히 유사하다고 볼 수 있다.

 

4) 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.

 

 

2. 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.

1) 패시브 방식

패시브 방식은 저항과 콘덴서의 조합으로 이루어진 회로로 대표적인 예가 전기기타의 음질조정 장치이다.

보통 전기기타 에는 2 개의 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.

 

2) 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 무방하다.

 

3) LC 네트워크 방식

앰프 및 스피커로 음향시스템을 구성한 경우 앰프 하나에 3way(고음, 중음, 저음)로 된 시스템이 있다고 하면 이 경우 소리를 3 개로 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.

 

 

3. 주파수 대역별 분할방식

반응형

1) 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 3 개 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 v 를 가했을 때의 값으로 만약주파수를 더 높여 걸어주면 임피던스는 급격히 증가 하게 된다).

 

2) 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 LC 네트워크에 비해 손쉽기 때문에 LC 네트워크 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 제품들은 24dB/Oct 로 상당히 우수한 특성을 보이고 있지만 아직 그다지 흔한 것은 아니지만 일부 디지털방식의 크로스 오버들은 48dB/Oct 의 경이적인 성능을 발휘하는 제품도 있다.

 

3) 바이앰프(Bi-amp) 방식

이 방식은 LC 네트워크와 크로스 오버방식을 일부 혼용한 것으로 대표적인 것이 노래방이나 소형오디오에서 사용하는 서버 베이스 방식이다.

기존에 설치된 앰프 시스템에 저역의 특정한 주파수대역 필터를 포함하는 앰프와 스피커를 추가하는 방법으로 비교적 저렴한 비용으로 좋은 성능을 얻을 수 있다. 반면 기존에 설치된 스피커와 추가된 서브 베이스간에 역위상에 위한 충돌을 주의 해야 한다.

 

4) 입체음향(Stereo sound)

입체음향 관련기술은주로 미국 일본 유럽등 선진국을 중심으로 발달되어왔다. 반면 우리나라의 입체음향기술은 이들 선진국에 비해 크게 뒤떨어지고 있다. 특히 국내에서도 3 차원 그래픽 기술에 비해 입체음향기술은 상대적으로 낙후된 감이있다.

 

 

4. 입체음향의 정의

[원음장을 풍부하게재현하고 음의 고저 음색뿐아니라, 방향감이나 거리감까지도 재생하여 임장감을 가지게 하는 음향] 일본 음향학회가 발간한 음향용어 사전에서도 [음향의 방향감 거리감등 음향공간의 입체적인 인상과 임장감을 주는 음향]으로 정의 하고 있다.

관련 서적과 논문들을 토대로 입체음향을 정의 하면 [음원이 발생한 공간에 위치하지 않은 청취자가 음향을 들었을 때 방향감 거리감 및 공간감을 지각할 수 있도록 공간정보가 부가된 음향]이다.

1) 위치인식의 이동음

청취자가 음원에 대한 공간적 단서를 지각할 수 있는 것은 머리 전달계의 고유특성에 의하여 두 귀에 입사한 두 신호간의 차이가 발생하기 때문이다.

이 두 신호차에 대한 특성은 머리 전달함수에 내포되어 있기 때문에 이를 이용하면 입체화 되지 않은 단순음에 공간적 정보가 부과된 바이노럴 타입의 입체음을 생성할수 있다.머리 전달 함수는 입사히는 각도에 따라 달라지기 때문에 여러 위치에서 임펄스에 의한 방사가 그친후에도 천장이나 벽으로부터 반사가 계속되어 울리는 음으로 공간감생성에 중요한 요인이 되고 동시에 거리감 생성에도 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

반사음과 잔향을 인공적으로 제어하여 특정실내에 음원이 있는 것과 같은 음향효과를 생성하는 기술을 음장제어 기술이라 한다.

 

2) 음장재생의 시도

지금부터 약 60 년전에 스테레오 재생장치가 개발되었는데 이 시기에는 재생뿐만 아니라 녹음시스템도 따라서 변화하는 것을 볼 수 있다.

기본적으로 발전된 방식은 멀티녹음 방식과 더미헤드 방식으로 더미헤드 마이크는 인간의 모양을 본뜬 것으로 고막의 위치에 마이크를 집어넣는 이 녹음시스템의 원리는 간단하지만 그 효과는 대단히 우수하여 현재까지도 그 기술적인 계보가 계승되고 있다.

그러나 자연스러운 재현을 위해 더미헤드를 사용한 녹음방식에는 유감스럽게도 간과해서는 안될 약점이 있는데 그것은 더미헤드를 사용하여 녹음된 음을 스피커를 사용하여 재생하는 경우 음상이 흐트러지기 때문에 오직 헤드폰만을 사용하여 재생하여야만 정상적으로 재생된다는 것이다.

이 장애를 당시 기술로는 해결할 수 없었기 때문에 세월의 흐름과 함께 더미헤드의 존재도 차츰 잊혀져 가고 있다.

 

 

5. 입체음향(Stereo sound)

1) 4 채널 시스템(4channel system)

기존의 2 채널 스테레오에서는 재현이 어려웠던, 청취자의 뒤쪽에서 들리는 음을 재현가능하게한 것이 4 채널

재생이다. 4 방향의 음을 수용하는 것으로 자연스런 음장을 재현하도록하는 이 방식은 큰 붐을 이루었지만 그럼에도

불구하고 결과적으로 대실패로 끝나 버렸다.

실패한 이유는 하드웨어 형식의 통일이 이루어지지 않았던 것 (CD-4, SQ, RM 등등)과 소프트웨어 쪽에서 4 채널 재생을 살펴보면 문제가 있었다.

(예를 들면 반주는 청취자의 뒤쪽에서 들리고 노래는 앞쪽에서 들리는 것)

오디오 라는 것은 진실의 추구이므로 부자연스러운 것은 좋지 않다고 볼 수 있다. 그런 의미에서 당시 하드웨어 및 소프터웨어의 미숙이 청취자의 공감과지지를 얻지 못했던 것이다. 하지만 디지털 기술의 진보에 의해 위상 레벨까지 컨트롤이 가능하게된 현재 4 채널 재생이 다시 각광을 받기 시작하고 있다.

결국 2 채널 보다는 4 체널 시스템이 공간 음장을 보다 자연스럽게 재생할 수 있는 이점이 있기 때문이다. 이러한 시스템중에는 특수한 프로세서에 의한 재생방법이 있는데 특정적인 프로세서를 사용하는 일부 시스템은 공간 음장을 보다 리얼한 재현이 가능하게 됨에 따라 사운드와 영상이 일치된 효과도 크게 볼 수 있게 되었다.

 

2) 더미헤드 방식(Dummy head system)

이전 방식과는 달리 더미헤드만을 사용하여 녹음하는 것이아니고 어떤형태(주로 위상가공) 로 디지털 프로세싱을 하는 것이다.

이러한 방식으로 서독의 아헨 대학에서 개발된 아헤나 콥스를 필두로 동경 FM 방송에 사용되고 있는 스페리컬 사운드 마이클잭슨이나 스티비원드 등의 앨범에서 볼수 있는 홀로포닉 그리고 새로운 것으로 사이버 포닉 등이 있다.

그러나 기본적으로는 헤드폰에의한 재생에 구속되는 것이 더미헤드 방식이다. 그가운데는 홀로포닉과 같이 보통 스피커로도 어느정도 한정된 리스닝 포인트라면 재생가능한 것도 있지만 역시 그효과는 헤드폰 재생시보다 크다고 볼 수 없다.

그러나 전에는 이것이 큰 약점이 되었지만 최근에 와서 헤드폰 스테레오가 보급화되어 헤드폰으로 음악을 듣는 것이 보편화 되었기 때문에 약점이라 말할 수 없게 되었다.

이것이 전화 위복이 되어 현재 더미헤드방식은 좌우전후의 정위에 상하 정의를 덧붙인 입체음장 공간재생 목적의 녹음시 스테레오로 표준적인 위치를 차지하고 있다.

 

3) 디지털 프로세싱(Digital processing system)

최근 가징 대두되어 온 것이 디지털프로세싱에 의한 입체음향 시뮬레이터 방식으로 롤랜드의 RSS 나 Q 사운드 등이 이 방식에 포함된다. 그러나 이 두 개의 시스템은 커다란 차이를 보인다.

Q 사운드는 평범헌 스테레오 신호를 이용하여 서라운드 효과를 재현하는 의사 서라운드 방식으로 평면을 지나는 입체음향의 재현에 국한된 반면 RSS 는 상하 좌우 전후방의 소리를 사용자 임의의 소리로 조절 가능하다.

RSS 가 단순한 더미헤드 방식과 크게다른 것은 아무런 별도의 재생장치 없이 보통의 스테레오 스피커로도 음장 재현이 가능하다.

 

더미헤드 방식으로 녹음된 것을 스피커로 재생하면 오른쪽에서 들려야할 음이 왼쪽에서도 들리기 때문에 뇌가 인식하는 음장은 매우 부자연스러운 것이 된다. 이 문제를 위의 두방식은 좌우의 스피커로부터 나오는 음의 분리특성을 향상시키는 것으로 해결하고 있다. 즉 좌우 스피커로부터 나오는 음이 섞이는 부분에 역상을 만들어 음이 섞이는 부분을 소멸시키고 오른쪽스피커로부터 나오는 음은 오른쪽 귀 에만 왼쪽스피커로 나오는 음은 왼쪽 귀 에만 들리도록 한다.

더미헤드의 장점은 높은 음장재현성의 흭득이지만 단점은 헤드폰에 의한 재생만 가능하다는 문제점을 디지털프로세싱으로 해결하는 RSS 는 입체음향의 가능성을 비약적으로 높였다고 할 수 있다. 다만 단점으로 지적되고 있는 리스닝 포인트만 만족시킨다면 현존하는 2 채널 시스템 중에서 가징 우수한 시스템이다.

근본적으로 인간은 감정에 의하여 좋은 사운드를 판단한다.

음을 인식하는 것은 바로 귀가 아니고 머리인 것이다.

우리들이 보편적으로 듣고 있는 스테레오 사운드도 실제로는 그런점에 착안된 허음상이다.

입체음향 재생기술은 어떻게 하면 인간의 뇌를 효과적으로 착각시키느냐 하는 것이다. 즉 어떻게 하면 뇌를 기분좋게 만드냐가 입체음향 재생의 최종적인 테마인 것이다.

 

 

6. 입체음향시스템의 종류

1) RSS(Roland sound space)

RSS 는 더미헤드계의 시스템을 마이크로 프로세서 의하여 시뮬레이션 하는 방식으로 전자악기는 그 구조상 라인 출력을 앰프, 스피커를 울려야만 녹음이 가능한 점을 개선 하였다. 따라서 악기과 직접 접속도 손쉽게 할 수 있다. RSS 는 사용자의 선택에 따라서 스피커 모드와 헤드폰 모드를 선택할수 있다.

RSS 의 최대 이점으로는 녹음이 간편하고 재생시 사용자는 어떠한 종류의 프로세서도 필요하지 않다는 것이다.

따라서 호환성이 대단히 높으며 재현성 또한 우수하다. 음악뿐 아니라 방송, 게임, 멀티미디어 등 각 분야에 걸쳐 거의 모든 용도에 우수한 사용성을 보인다.

 

2) 돌비서라운드(Dolby surround)

돌비서라운드는 영화용을 기본으로 한 "3-1 방식"의 노멀모드와 센터체널을 허음상으로 하는 펜티엄모드가 있다.

돌비 방식에서의 최대장점 이라면 2 채널 스테레오와 호환성이 있다는 점이다.

그러나 최대의 약점은 채널의 숫자만큼을 재생하기 위해서 채널수만큼의 스피커와 앰프 그리고 디코드가 필요하다는 것이다.

 

3) 서라운드(Surround)

서라운드란? "음으로 에워싸인다"라는 의미이며 2 채널 이상의 스테레오 감에 의해서 평상시에 우리들이 실제로 듣고 있는 자연스런 공간음향을 재현하는 것이 목적이다.

서라운드 방식에는 디스크리트 방식, 매트릭스 방식, 의사 서라운드가 있다. 현재 상용화 수준으로 개발된 해외의 대표적인 알고리듬 및 제품들로는 싱가포르의 크리에이티브(creative)사사 개발한 멀티미디용 사운드카드인 AWE641E 미국의 SRS(sound retrieval system)연구소가 발표한 트루서라운드(trusurround) 미국의 스패셜라이저 오디오 연구소의 인콤패스(enCOMPASS) 호주의 레이크 DSP 사의 휴론(huron) DSP 라는 전용보드의 이탈리아의 파로마 대학의 오로라(aurora)라는 에플리케이션 등이 있다.

일본의 하마다(hamada)교수는 두 개의 스피커가 인접할 경우 스테레오 효과가 떨어지는 것을 개선하기 위해 스테레오 다이폴 시스템(stereo dipole system) 을 제안했고 미국의 크리스탈리버 엔지니어링사는 청취 자가 머리를 움직일 경우 음파의 입사 각도가 달라져 음상의 방향감이 달라지는 것에 착안, 헤드트레커로 청취자의머리움직임을 추적해 머리움직임에 따른 방향감을 실시간으로 생성하는 시스템인 컨볼보트론(convolvotron)을 개발하였으나 헤드폰 전용으로 장비가 고가인 단점이 있다.

또 미국의 조지 워싱턴 대학에서는 사운드 렌더링(sound rendering)이란 기술을 소개 했다.

 

4) 홀로포닉스(Holophonics)

유고스컬리에 의해 만들어진 홀로포닉은 기본적으로 더미헤드(링고)를 사용해서 녹음하는 타입의 시스템이다.

그러나 마이크 이후의 프로세싱이 블랙화되어 있기 때문에 이시스템을 사용한 레코딩이나 라이브에는 항상 스컬리자신이 오퍼레터로 참가하고 있고 그래서 등장한지 10 년이 지다도 그 기술은 아직 비밀로 되어 있다.

이 홀로포닉 효과는 헤드폰으로 청취하는 경우에는 다른 더미헤드계의 시스템과는 별차이가 없다.

그러나 재생장치를 스피커로 바꾸면 그 차이가 확연히 나타난다. 즉 스피커재생에서 최적인 위치(sweet spot)를 한정시키지 않는다. 또한 최악의 경우 모노랄 재생에도 3 차원 재현효과가 가능한 것 등은 다른 더미헤드계 시스템으로는 흉내내지 못할 것이다.

이러한 이유로 홀로포닉은 뮤지션들로부터 기대가 높다.

스피커가 하나뿐인 라디오,독특한 음향특성을 갖는 자동차안 등에서도 재생장치의 구애됨이 없는 것이 홀로포닉의 적대적인 장점이다. 마이클잭슨 등이 이 방식을 사용해 앨범을 만들었었다.