음성 신호의 종류(모노, 스테레오 등)

음성 신호의 종류(모노, 스테레오 등)

 

 

1. 음성 신호의 종류

오디오(audio)는‘음을 듣는다’는 뜻으로 AM, FM, TV 방송 등에서 여러 가지 소리를 인간이 감지하기 쉽게 동조, 증폭, 재생 등의 작용을 할 수 있는 장치를 오디오 시스템이라고 한다. 방송물에서의 음향은 없어서는 안 될 매우 중요한 요소이다.

 

 

2. 소리(sound)의 성질

물체는 각기 다른 고유의 진동 패턴을 가지고 있는데 어떤 물질에 생긴 진동이 퍼져 나가는 것을 파동(wave)이라고 한다. 진동이 소리로서 우리 귀에 들리기 위해서는 음을 전달하는 매질이 필요하다. 예를 들어, 물 속에서 소리가 들리는 것은 물이 매질이 되어 소리가 전달되었기 때문이고, 공기에 의하여 진동이 전해지는 것은 소리와 같은 파동이 공기를 매질로 하여 귀에 전달하기 때문이다. 소리는 공기 속을 전달해 가는 공기 입자의 소밀한 파형으로 파형의 진행 방향과 매질의 운동 방향이 같은 파를 종파라 하며 파형의 진행 방향 과 매질의 운동 방향이 직교하는 파를 횡파라고 한다. 또한 공기의 밀도 또는 압력의 변화를 소리라고 한다.

 

 

3. 소리의 3요소

소리의 3요소에는 음의 크기, 높이, 음색이 있다. 여기서 소리의 크기는 음압이 크면 큰 소리로 들리고 음압이 작으면 작은 소리로 들리는 것을 말한다. 소리의 높이는 음악에서의 음정을 나타내며 주파수가 높으면 피치가 높게 들리고 낮으면 낮은 피치로 들리는 현상으로 주파수로 표시한다.

음색(tone, timbre)은 파형과 스펙트럼에 따라 달라지며 음표상에서의 같은‘라(440 Hz)’일 경우라도 플루트와 피아노의 소리가 다른 것이 그 예이다.

1) 소리의 세기(intensity), 크기

크기, 음량, 소리의 강약, 음압에 관계되는 양으로 쓰인다. 소리의 세기는 파동의 진폭에 따라 결정되며 진폭이 크면 클수록 큰 소리이며, 진폭이 작으면 작을수록 작은 소리이다. 단위는 데시벨[dB]을 사용한다.

 

2) 소리의 고저(pitch), 높이

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높이, 음정, 소리의 주파수가 높고 낮음에 관계되며 파동의 진동수에 따라 결정된다. 진동수가 많으면 많을수록 높은 소리이며, 진동수가 적으면 적을수록 낮은 소리이다. 단위는 헤르츠[Hz]를 사용한다.

 

3) 음색(timbre)

맵시, 톤 컬러(tone color) 등 고조파 성분 소리를 나타내는 파형으로 측정기에서는 원음을 기준으로 [%]로 표현한다.

 

 

4. 음의 주파수와 속도

1) 주파수

주파수를 표현하는 소리의 높이는 산과 골이 1초 동안에 몇 번 반복되는지에 따라 결정된다. 즉, 일정한 시간 중에 반복되는 횟수가 많을수록 소리가 높은 고음에 가까워지고, 반대로 반복 횟수가 적을수록 소리가 낮은 저음이 된다.

주기적 현상이 매초 반복되는 횟수를 주파수(frequency)라 하며 시간적인 반복 간격을 주기라고 한다. 따라서 주파수는 주기의 역수가 되며 단위는 [Hz]이다. 여기서 주파수 [f]와 주기 [T]와의 관계식은 다음과 같다.

또한 사람이 들을 수 있는 주파수의 범위는 20∼20,000 Hz이며 이를 가청 주파수라고 한다. 반면 사람이 들을 수 없는 20,000 Hz 이상의 소리를 초음파라 하며 20 Hz 이하의 소리를 초저주파라고 한다.

 

2) 음의 전달 속도(sound velocity)

공기 속에서의 소리의 전달 속도(sound velocity)를 음속이라고 한다. 소리의 속도는 음을 전달하는 매체의 탄성율과 밀도에 의하여 결정되며 그 속도는 보통 상온(15℃)에서 약 340[m/s]이며 임의의 온도일 때 음속 C와 온도 t (℃)의 관계는 C＝ 331.5＋ 0.6t [m/s]가 된다.

 

< 표01. 매질에 따른 음속 >

매질	온도(℃)	속력(m/s)
공기	0	331.5
수소	0	1,286
물	15	1,450
동	20	3,560
철	20	5,130
고무	0	54

 

 

5. 음압의 범위

1) 음의 세기(Intensity)

음의 크기 정도를 세기라고 부르며, 음 세기의 레벨은 데시벨로 나타낸다. 소리 크기에 대한 상대적인 비교값을 간단한 수치로 나타낼 수 있는 것이 데시벨이다. 데시벨(decibel)의‘deci’는 1/10을 의미하고 ‘bel’은 전화를 발명한 벨(Graham Bell, Alexander)의 이름을 딴 것이다. 벨을 구하는 공식은 다음과 같다. I는‘Intensity’ 의 약자로서 세기를 나타내며, I0은 기준 세기, I1은 비교하는 세기를 나타낸다.

벨의 단위로 표시하면 소수를 사용하여야 하므로 데시벨을 사용한다.

예를 들어, 1 W(와트, Watt)와 그 10배인 10 W를 비교하면 9 W의 차이가 나며, 50 W와 그 10배인 500 W를 비교하면 450 W의 차이가 난다. 모두 10배이지만 W의 직접적인 비교는 당연히 복잡하고 곱셈을 해야 하는 불편함이 있다. 이를 위의 식을 이용하여 데시벨로 환산하여 사용한다면,

10배의 차이는 10 dB이 된다. 좀 번거로운 수식이지만 간단히 덧셈으로 생각할 수 있게 해 준다. 1W를 기준 세기 전력으로 가정한 음 세기의 레벨 dB값은 표02과 같다.

 

< 표02. 전력과 dB값 비교 >

 

표02에서와 같이 전력이 두 배로 증가하면 세기의 레벨은 3 dB 증가하고 반이 되면 3 dB 감소하고, 10배가 증가하면 10 dB 증가한다는 것을 알 수 있다. 보다 적은 수치로 쉬운 덧셈을 통하여 비교할 수 있다.

 

2) 음압 레벨

소리의 상대적인 크기는 dB이라는 단위를 이용하여 표기한다. 하지만 이는 사람이 인식하는 소리의 크기를 절대적으로 나타내는 데는 부적절 하기 때문에, 여기에 음압 레벨(SPL: Sound Pressure Level)을 사용한다. SPL은 사람의 청력에 관한 절대적인 기준값을 가진다.

음의 세기는 음압의 제곱에 비례하므로 음압 레벨을 구하는 수식은 음세기의 레벨을 구하는 식에서 얻을 수 있다. I는 Intensity의 약자로서 세기를 나타내며, P는 Pressure의 약자로서 음압을 나타낸다.

즉, SPL은 음압값에서 구하게 되지만 결국 dB와 SPL의 값은 같다. 사람이 들을 수 있는 가장 큰 한계점의 큰소리를 1 W/m2로 하면, 소리라고 느끼기 시작하는 한계점의 소리는 10-12 W/m2가 된다. 이 10-12 W/m2를 기준 레벨 0 dB SPL로 하면 가장 큰 소리는, 10 log(1/10-12)=10 log 1012=10 * 12=120 dB SPL이 된다.

만일 자동차의 소리가 80 dB SPL이라 한다면 이 소리의 음압은 최소 가청 한계에서 80 dB 크고, 최대 가청 한계에서 40 dB 작은 소리를 뜻한다.

 

< 표03. 음압 레벨표 >

 

 

6. 음성 신호의 종류

1) 모노 신호

음향 제작 시스템에서 중요시되는 것은 신호의 구분이다. 방송용으로 사용되는 음성 신호는 모노(monophonic) 신호와 스테레오 신호, 다중신호, 5.1채널 등의 신호로 나누어진다. 모노 신호는 한 개의 마이크로폰으로 수음하고, 한 개의 스피커로 재생하는 수음·전송·재생의 시스템을 말하며, 방송 매체로는 중파 방송, 단파 방송 등에 사용된다.

일반적으로 모노 신호는 L(Left)/R(Right) 구분이 없는 것이고, 스테레오는 L/R의 구분이 되는 것이다. 즉, 이어폰이 양쪽 귀에 두 개라고 해도 신호 자체가 모노 신호라면 스테레오의 효과를 볼 수 없다. 예를 들어, 기차가 지나가는 소리를 스테레오로 녹음하는 것과 모노로 녹음하여 두 개의 스피커로 재생하여 보면 모노 신호의 소리는 두 개의 스피커의 정중앙에서 소리가 나는 느낌이 오는 반면, 스테레오 신호를 재생한 소리는 기차가 지나가는 방향에 따라 소리가 이동하는 느낌을 받게 되는데 이것이 스테레오(stereo)의 효과이다. 따라서 모노 신호의 경우는 어떤 소리든지 소리는 정중앙에서 들리기 때문에 영화나 스포츠 등을 시청할

때 생동감이 떨어진다.

모노 신호는 많은 마이크와 스피커를 사용한다고 해도 그 표현 범위인 음의 강약, 고저, 음색, 양감, 원근감, 임장감 등이 스테레오 신호에 비하여 저조하다.

< Fig01. 모노 신호(monophonic) >

 

2) 스테레오 신호

본래는 입체음향을뜻하는영어단어‘stereophonic sound’ 의약자이다. 입체 음향인 레코드나 방송에 대한 일반적인 것을 모노럴(monoral)이라고 한다. 사람은 귀로 음의 세기의 차이, 도달 시간의 차이를 포착하여 음원의 방향을 식별하는 능력이 있는데 이것을 양이 효과(binaural effect)라고 한다.

오케스트라나 뮤지컬, 연극 등과 같이 음원이 널리 퍼져 있는 음을 좌우 두 개의 마이크로폰으로 수음하면, 동일 음원에서 나온 음은 마이크로폰의 위치에 따라 음의 세기와 도달 시간에 차이가 생긴다. 이때 두 마이크로폰의 신호에는 사람의 양이 효과에 상당하는 정보가 포함된다. 이것을 L/R의 마이크로폰 케이블로 증폭기에 연결하여 2∼3 m 정도 떨어져 있는 좌우 두 개의 스피커로 재생하고, 두 스피커를 밑변으로 하는 이등변 삼각형의 꼭짓점 부근에서 들으면 좌우의 귀에 서로 다른 소리가 들리며 이것이 합성되어 현장의 음이 재현된 것처럼 느껴진다. 이것을 임장감이 좋다고 한다.

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< Fig02. 스테레오 신호(stereophonic) >

 

3) 5.1채널(돌비 AC-3)

AC-3(Audio Coding-3)은 돌비연구소가 개발한 디지털 오디오 코딩 중에서 세 번째의 것이란 뜻이다. AC-3은 5.1채널로 구성되는 것이 특징이다. 프런트의 L과 R, 센터, 리어의 L과 R, 이렇게 5채널에 0.1에 해당하는 채널인 LFE가 추가된 것이 5.1채널이다. LFE란 Low Frequency Effect의 약자로, LFE 신호를 재생하기 위한 서브우퍼이다.

< Fig03. 5.1채널 계통도(돌비 AC-3) >

 

< Fig04. 5.1채널 입체도(돌비 AC-3) >

 

따라서 이 0.1채널의 LFE는 그 불완전한 명칭과는 달리 소리에 미묘한 느낌을 주는 돌비 디지털의 숨은 주역이라고 할 수 있다. 즉, 프런트 스피커의 저역 재생 능력이 부족할 경우, 서브우퍼는 LFE(Low Frequency Effects) 재생뿐만 아니고 메인 채널의 저역까지 담당하게 된다.

이 돌비 AC-3 방식은 우리나라의 디지털 지상파 방송(ATSC)과 디지털 CATV 방송의 오디오 압축(음성 부호화)의 표준으로 사용되고 있다.