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음향기기(acoustic-apparatus, 音響器機)란 가청 영역대의 소리를 녹음, 저장, 재생, 증폭, 변조하는 등의 소리가 기록되고 다시 소리가 되는 과정에 필요한 모든 기기를 칭한다. 오디오 애호가들인 오디오필(Audiophile)들은 보통 Hi-Fi를 추구한다. Hi-Fi의 완성도를 높이기 위해 이들은 원음을 더 잘 전달할 수 있는 음향기기들을 찾기 시작했고, 특히 음원이 디지털화되면서 음향기기는 여러 방식으로 발전하였다. 음향기기 자체의 음질을 높이기 위한 연구가 진행되어 평균적인 음향기기의 품질 향상이 이루어졌다. 또한 음향기기의 특성과 품질을 측정할 수 있는 측정 장비들과 측정치들의 개발과 발전 또한 이루어지면서 음향기기의 구체적인 문제점을 과학적으로 찾아내고 개발자들은 이것을 바탕으로 기기를 수정하며, 소비자들은 이것을 바탕으로 기기를 구매하는 시대가 도래했다.

음향기기의 종류

마이크로폰

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마이크로폰(영어: microphone)은 마이크(영어: mike, mic, /ˈmaɪk/)라고도 하며, 가청음을 전기적인 에너지 변환기나 센서로 전달하여 소리를 전기 신호로 변환해 주는 장치를 말한다. 동작 원리에 따라 콘덴서 마이크로폰, 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰, 다이내믹 마이크로폰 등으로 나눌 수 있다.

DAC

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디지털-아날로그 변환회로(영어: DAC, digital-to-analog converter)는 부호화된 디지털 전기 신호를 아날로그 전기 신호(전압, 전류 등)로 변환하는 전자 회로이다. 음향기기에서의 DAC는 거치형 DAC와 휴대용 DAC로 나뉘어진다.

앰프

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앰프는 신호의 전력을 증가 시키는 전자 장치이다. 증폭 소자에 따라서 진공관 앰프와 TR 앰프로 나눌 수 있다. 진공관 앰프는 TR 앰프에 비해 설계하기 쉽지만 진공관 앰프에서 생성되는 배음(Harmonics)에 의해서 원음의 소리가 왜곡된다. 그러나 이 배음들 중 짝수차 배음들의 왜곡은 음악을 감상할 때 소리를 듣기 좋게 바꾸어 주기 때문에 진공관 앰프 자체의 음색을 선호하는 오디오필들도 다수 존재한다. 그러나 Hi-Fi를 지향하는 오디오필이라면 왜곡이 적은 TR앰프를 사용하여야 한다.

DAP

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디지털 오디오 플레이어는 디지털 오디오 파일을 재생하는 전자 제품이다. 흔히 말하는 MP3플레이어가 이에 포함 된다. 오디오파일들이 다루는 DAP는 이러한 MP3플레이어를 넘어선 고음질 재생 장치로, 고급 DAC와 고급 앰프 칩을 장착한 것들을 말한다. 오디오파일들은 24bit/192kHz 무손실 음원 등의 고음질 음원을 다수 보유하고 있어서 이들을 위한 DAP는 용량이 크고, microSD 슬롯을 보유하고 있다. 음장 효과를 위한 이퀄라이저 효과 등을 다수 보유하고 있고, 대부분 편리한 음악 감상을 위해 곡넘김과 재생, 일시정지를 위한 버튼이 따로 존재한다.

스피커

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스피커(영어: speaker, 문화어: 확성기, 고성기, 스피카)는 전기 신호를 소리로 바꿔 주는 변환기이다. 스피커는 재생 대역에 따라서 우퍼와 트위터, 미드우퍼, 서브우퍼로 나뉘어 질 수 있으며 내부 구조는 간단하게 스피커 통이라고 불리우는 인클로저와 재생을 담당하는 스피커 유닛으로 나눌 수 있다. 하나의 유닛으로 전 대역의 소리를 재생하기는 어려움이 있어 대부분 여러 개의 유닛을 이용하는데, 이 때 전기 신호를 주파수 별로 나눌 수 있는 필터들이 있는 크로스오버 네트워크가 내장된 경우도 존재한다.

헤드폰

헤드폰은 사람의 귀에 직접 착용하여 소리를 내는 소형 스피커를 말한다. 이어폰도 헤드폰의 한 부류라고 말할 수 있다. 스피커는 시스템을 설계할 때 공간의 특성을 많이 고려하는 것과 달리 이들은 사람의 귀와 몸의 특성을 고려하여 설계한다.

음향기기의 측정치

과거에는 오디오파일들이 대부분 본인의 감상을 바탕으로 시스템을 설계하고 음향기기를 구매하였다. 그러나 현대에 들어서는 여러가지 측정방법이나 측정 장비들이 발달하였고, 이를 이용하여 측정된 측정치들을 오디오파일들이 이용하여 음향기기의 성능과 음향특성 등을 평가하는 비율이 높아졌다. 음향기기에서 일어나는 왜곡의 종류는 선형 왜곡과 비선형 왜곡으로 나뉠 수 있다. 먼저 선형 왜곡은 입력 신호의 증가 혹은 감소만이 있고 그대로 출력됨을 의미한다.주파수 응답 특성과 음향 방사 특성 등이 이에 해당한다. 비선형 왜곡은 입력 신호에 없던 것들이 나오는 것을 의미하는데, THD 등이 이에 해당한다.

주파수 응답(Frequency Response, FR)

주파수 응답 특성(Frequency Response, FR)

주파수 응답 특성(Frequency Response, FR)은 재생기기의 주파수(단위 : Hz) 별 음압(단위 : dB)을 나타낸 그래프이다. 스피커의 주파수 응답은 반사음이 없는 완전 무향실에서 측정한다. 측정 공간이 여의치 않을 경우에는 근거리 음장(Near Field)를 이용하여 스피커의 바로 앞 정축에서 측정하여 완전 무향실과 비슷한 정도의 음향 특성을 측정 가능하다. 이 때, 100Hz 미만과 16kHz 이상의 극고음은 유효하지 않은 응답이므로 신뢰해서는 안 된다. 이어폰과 헤드폰의 경우는 일반적인 마이크로 측정하면 사람의 머리와 몸, 귀 구조에 따라서 변화되는 소리의 데이터를 얻을 수 없다.

HATS(Head and Torso Simulator)의 모습

따라서 HATS(Head and Torso Simulator)와 커플러, 이어 시뮬레이터 같은 장비를 이용한다. 또한 우리가 듣게 되는 소리는 무향실에서 측정되는 소리와는 다르므로, 음장을 이용하여 보정해주어야 한다. 이 때 이용되는 것들에는 자유 음장 (Free Field Target, FF), 확산 음장 (Diffuse Field Target, DF), 올리브-웰티 타겟 (Olive-Welti Target) 등이 있다. 자유 음장은 무향실에서의 응답이 플랫하게 나온 스피커를 잔향실에 30도로 놓고 나온 FR의 결과를 이용한다. 확산 음장은 잔향실의 모든 방향에서 음원이 들어온다고 가정한 타겟이다. 현재 IEC와 ITU-R 표준으로 인정받고 있다. 올리브 웰티 타겟은 비교적 최근 연구된 것으로, 잔향실이 아닌 실제 리스닝 룸에서 측정한 결과를 이용하였다. 표준으로 인정받지는 않았기 때문에 널리 사용되지는 않는다.

CSD (Cumulative Spectral Decay)

CSD (Cumulative Spectral Decay)

CSD (Cumulative Spectral Decay)란 시간의 흐름에 따라 전체 응답에 대한 기여도를 나타낸 3차원 그래프이다. Spectrogram이라고 불리기도하며, 그래프의 모양이 폭포와 비슷하기 때문에 Waterfall이라고도 한다. CSD에서 구체적인 숫자들은 의미가 크게 있지 않다. 그래프의 모양과 전체적인 흐름이 중요하다. 이 그래프는 스피커의 공진에 관한 정보를 알 수 있게 해 주는데, 그래프의 높이가 시간에 따라서 빠르게 감소하지 않는 스피커는 공진이 많다고 해석할 수 있다. 일반적으로는 고음역대보다 저음역대에서 공진이 많다. 또한 전 주파수 대역에서 전체적으로 균형있게 감소하는 모습이 나타나는 것이 좋다고 해석할 수 있다.

SNR(Signal Noise Ratio, 신호 대 잡음 비)

신호와 잡음

음향 기기에서는 저항이나 콘덴서 같은 회로 소자에 의한 열 잡음, 누설 전류 잡음, 반도체 잡음, 외부 전자계에 의한 유도 잡음 등의 잡음들이 발생한다. 이러한 잡음들은 음원에서의 원 정보와는 거리가 먼 비선형 왜곡들이므로 잡음이 가능한 적은 것이 좋다. 잡음은 기기의 입력 단을 지정한 임피던스(보통 순 저항)로 종단시키거나 단락시킨 상태에서 출력 단에서 측정한 신호 레벨을 말한다. 즉, 기기에 아무런 신호를 입력하지 않은 상태에서 출력된 신호가 잡음이다. SNR은 신호와 잡음의 전압 비로 계산할 수 있고, 수식은 다음과 같다.

$SNR=20\log(\left({\frac {V_{signal}}{V_{noise}}}\right)(dB)$

SNR은 숫자가 클 수록 신호에 비해 잡음이 적다는 것을 의미한다. 이는 주로 앰프나 DAP등의 성능을 나타내는 중요한 측정치이다.

THD(Total Harmonic Distortion, 총 고조파 왜곡)

고조파 왜곡(Harmonic Distortion)이란 음향기기에 과대 입력이 가해져 파형이 Clipping되고, 그 결과 입력에 가하지 않은 신호가 출력에 나타나는 것을 말한다. 순음의 정수배의 고조파(배음)이 출력에 나타나는 것이 고조파 왜곡이다. 출력에 나타나는 모든 고조파 성분의 레벨의 합과 입력 신호의 레벨과의 비를 표시한것이 THD이다. THD는 입력 신호와 모든 고조파 성분의 전압 비로 정의되는데, 입력 신호(정현파)의 진폭을 $V_{1}$, 입력 주파수의 n배인 고조파 진폭을 $V_{n}$라 하면, THD는 다음과 같이 계산한다.

$THD={\frac {\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n}^{2}}}{V_{1}}}\times 100(\%)$

THD를 표시하는 방법에는 기본 주파수의 레벨을 0dB로 설정하고, 데시벨로 나타내기도 한다. THD를 표시할 때에는 테스트 신호 주파수, 레벨, 이득 조건을 표기해야 하며, 몇 차 고조파까지 측정했는지 명시해야 한다. 최근에는 THD를 표시할 때에 THD 뿐만 아니라 2차 왜곡과 3차 왜곡을 함께 표시하게 한다. THD의 에너지는 대부분이 저차 고조파인 2, 3차에 집중되어있기 때문에 2차 고조파는 짝수차 왜곡을 대표할 수 있고, 3차 고조파는 홀수차 왜곡을 대표할 수 있기 때문이다. 홀수차 왜곡은 주로 대칭적인 운동 왜곡으로 발생되고, 진동판이 입력 파형대로 움직이지 못할 때 발생한다.

THD+N

THD+N은 THD와 비슷하지만, 각각의 고조파를 측정하는 것이 아니라, 출력되는 모든 신호를 측정하여 이용하는 것이다. 이때의 출력에는 고조파 이외의 잡음(Noise)도 포함되기 때문에 THD+N이라고 나타내는 것이다. THD+N은 다음과 같이 측정한다.

$THD={\frac {\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n}^{2}+N^{2}}}{V_{1}}}\times 100(\%)$

위와 같은 방식으로 측정되기 때문에 THD+N은 항상 THD보다 큰 값을 나타낸다.

크로스토크(Crosstalk)

2채널 이상의 음향기기에서 특정 채널에 입력된 신호가 다른 채널에서 출력될 때, 이 신호를 크로스 신호라고 한다. 크로스토크 왜곡의 원인은 채널의 입력 단자, 출력 단자에서 상호간의 정전적 또는 전자적 커플링, 채널 간의 누설 전압 전류, 전원 내부의 임피던스를 통한 커플링 등이 주요 원인이다. 측정하는 방법은 다음과 같다. 일정 전압의 신호를 기준 동작 상태의 첫 번째 채널에 입력하고, 두 번째 채널도 기준 동작 상태로 설정하여 그 채널의 기준 입력을 가한 경우의 출력을 얻어 계산한다.

$XT=20\log(V_{oL}/V_{iR})$

위 수식에서 $V_{oL}$은 두 번째 채널의 크로스 신호를 나타내고, $V_{iR}$는 첫 번째 채널의 입력신호를 나타낸다. 크로스 신호는 항상 원래 신호보다 작으므로 크로스토크 값은 음의 값을 나타내게 된다. 따라서 크로스토크의 값이 낮을수록 음향기기가 좋다고 평가할 수 있다. 크로스토크는 주파수에 따라 특성이 달라지며, 고주파수로 갈 수록 상승되는 특성을 가지고 있다.

IMD(Intermodulation Distortion)

IMD는 혼변조 왜곡이라고도 한다. 음향기기에 주파수가 다른 2개의 신호가 입력될 때, 출력에서 입력 신호의 주파수와 고조파 주파수 이외에도 신호 주파수의 합이나 차의 주파수 성분이 나타나는데, 이것을 혼변조 왜곡이라고 하며, 입력신호와의 비율을 구하여 측정치를 표시한다. 우리가 실제로 음향기기를 사용할 때에는 여러개의 주파수 성분이 포함된 음원을 재생하므로 IMD 데이터는 THD보다 실제 재생에서 더 의미가 있는 데이터라고 말할 수 있다. IMD의 측정 기준은 여러가지가 존재한다. IEC 60268-5의 기준에서는 두 번째 신호의 주파수가 첫 번째 신호의 주파수의 8.5배가 되도록 하여 측정한다. 이 때 IMD를 구하는 식은 다음과 같다.

$IMD_{2}=100\times \left({\frac {I(f_{2}+f_{1})+I(f_{2}-f_{1})}{I(f_{2})}}\right)\%$

$IMD_{3}=100\times \left({\frac {I(f_{2}+2f_{1})+I(f_{2}-2f_{1})}{I(f_{2})}}\right)\%$

SMPTE의 권고에서는 기준을 다음과 같이 제시하고 있다. SMPTE 표준 조건에서는 첫 번째 신호의 주파수를 60Hz, 두 번째 신호의 주파수를 7000Hz로 하고, DIN 단자를 사용할 경우에는 첫 번째 신호의 주파수를 250Hz, 두 번째 신호의 주파수를 8000Hz로 사용하여 측정한다. 이 때 첫 번째 신호의 진폭이 두 번째 신호의 진폭의 4배가 되도록 한다.

$IMD_{DIN}=100\times {\sqrt {\sum _{n>0}\left({\frac {(I(f_{2}+nf_{1})+I(f_{2}-nf_{1}))^{2}}{I^{2}(f_{2})}}\right)}}\%$

감도(Sensitivity)

스피커의 감도(Sensitivity)는 스피커의 입력 신호 중에 음향 에너지로 변환되어 방사되는 정도를 나타내며, SPL(Sound Pressure Level)이라고도 한다. 일반적으로는 스피커에 특정 주파수 신호를 입력하여 스피커의 정면 축상의 특정 거리에 생기는 출력 음압 레벨로 나타낸다. 무향실에서 스피커를 설치하고, 1W 정현파 신호를 입력하여 특정 주파수(일반적으로 1kHz)에서 음압 레벨을 측정한다. 측정하고자 하는 스피커의 임피던스가 8옴인 경우, 입력 전압은 2.83V이다.

$V={\sqrt {P\cdot Z}}={\sqrt {1\cdot 8}}\fallingdotseq 2.83V_{rms}$

위 경우, 측정할 때의 스피커와 마이크 사이 거리는 1m로 규정되어 있다. 입력이 $P$[W]이고, 마이크와 스피커 사이 거리가 $r$일 때 감도를 계산하는 방법은 다음과 같다.

$SPL=S+10\log P-20\log r$

스피커의 축상 1m 지점에서 얻을 수 있는 스피커의 최대 음압 레벨은 다음과 같이 계산한다. 이 때 $P_{max}$는 피크 전력을 의미한다.

$SPL_{max}=S+10\log P_{max}$

감도를 표시할 때에는 입력 신호의 레벨을 V나 W단위로 나타내야 하며 마이크와 스피커 사이 거리를 나타내야 한다.

지향 특성(Directivity)

스피커의 정면으로부터 벗어난 각도에 따라서 주파수 특성이 바뀌는 모양을 지향 특성이라고 한다. 정면에서 음악을 감상할 때에는 스피커의 양 끝 지점에서 발생하는 소리가 청취자에게 도달하는 시간이 같아 소리의 위상차가 생기지 않는다. 그러나 정면에서 벗어나 음악을 감상할 때에는 스피커의 양 끝 지점에서 발생한 소리가 청취자에게 도달하는데에 시간이 다르게 소요되므로 위상차가 발생한다. 저음일수록 지향성이 떨어지고, 고음일수록 지향성이 높아지는데, 그 이유는 저음일수록 경로차에 의한 위상차를 무시할 수 있을 정도로 파장이 길어지기 때문이다.

지향 특성을 알 수 있는 수치는 지향각, 지향 계수, 지향 지수 등이 있다. 기준 축의 음압 레벨보다 6dB 작아지는 지점의 각도를 지향각이라고 한다. 지향각은 스피커의 지향 특성을 알 수 있는 수치 중 하나이다. 기준 축상의 거리 r지점의 음의 세기를 $I_{r0}$라고 할 때, 이것을 모든 방향의 음의 세기를 평균한 $I_{M}$으로 나눈 값을 지향계수(Directivity Factor, Q)라고 한다.

$Q=I_{r0}/I_{M}$

지향 계수의 단위를 dB로 나타낸 값을 지향 지수(Directivity Index, DI)라고 한다.

$DI=10\log Q$

임피던스(Impedance)

임피던스 그래프의 예시

임피던스는 스피커의 교류저항을 나타낸다. 스피커의 임피던스 값은 입력되는 신호의 주파수에 따라서 달라진다. 따라서 스피커의 임피던스를 표시할 때에는 주파수에 따라서 임피던스 값을 표시한 그래프로 나타낸다. 임피던스의 측정 방법에는 정전류 구동 방법에 의한 측정법과 정전압 구동 방법에 의한 측정법이 있다.

우선 정전류 구동 방법에 의한 측정법은 다음과 같다. 주파수에 따른 스피커의 임피던스 변화가 전체 전류에 영향을 미치지 못해야 전류가 일정하게 유지된다. 따라서 직류 회로에 1kΩ 정도의 저항을 넣고, 20~20000Hz의 Sweep 신호를 입력하여 스피커에 걸리는 전압을 측정하는 것이다. 스피커에 흐르는 전류가 거의 일정하므로, 전압은 임피던스에 비례하게 되는 것이다.

정전압 구동 방식에서는, 스피커를 정전압으로 구동하기 때문에 스피커에 흐르는 전류는 임피던스에 반비례한다. 따라서 각 주파수 별로 임피던스를 계산하여 그래프를 그릴 수 있다. 이 때 회로에 삽입되는 저항은 0.1~수 Ω 정도의 것을 사용한다. 저항에 걸리는 전압을 측정하여, 이것을 저항값으로 나누어 주면 전류를 쉽게 구할 수 있다.

정전압 구동 방식을 사용할 경우, 스피커를 구동할 때의 전압을 크게 할 수 있으며, 네트워크를 포함한 시스템 전체의 임피던스를 측정할 수 있다는 점에서 유용하다. 그러나 정전압 구동방식을 사용할 때에는 정전압을 유지하는 것과 오차 때문에 측정이 어려울 수 있다. 삽입되는 저항을 작게 하면 정전압 상태에 가깝게 할 수 있지만, 저항에 걸리는 전압 또한 작아져 측정하기 어렵다는 문제가 존재한다.

임피던스 그래프의 저음역대 영역에서 피크가 발생하는데, 위 그림에서의 $f_{s}$지점과 같은 피크점을 최저 공진 주파수라고 한다. 이것은 스피커가 재생할 수 있는 가장 낮은 저음의 주파수를 의미하고, 진동판을 손으로 두드릴 때 나는 소리가 이것이다.

참고자료

• 강성훈, 《월간 PA 2014년 4월호》, 170-174
• 《이신렬 박사님이 들려주는 측정 이야기, 이신렬》. 《네이버 블로그》. 인터뷰어: STUDIO51. 2016년 11월 22일. 
• 이신렬, 클리펠 장비를 활용한 스피커 설계 실무교육(차세대음향산업지원센터), 2013년 10월 15일
• 박용민, 오디오 인터페이스를 이용한 PC기반 음향 측정(차세대음향산업지원센터). 2014년 7월 17일
• 이신렬, 초고음질 이어폰/헤드폰 기초(차세대음향산업지원센터), 2016년 10월 29일
• Audio Precision Technical Library
• ARTA Manual