일반적으로 음향에서 가장 중요한 문제는 오디오의 품질인데, 이를 객관적으로 데이터화하는 것은 매우 어렵다.
여성 보컬의 아름다운 음색과 바이올린 연주자의 연주 솜씨를 얼마나 객관적으로 수치화해서 평가할 수 있는가!
이는 청감상의 주관적인 평가를 통해 음질을 평가할 수밖에 없는 이유이기도 하다
다만, 음향 장비에 있어서는 여러 신호 처리 단계를 거치면서 원신호를 얼마나 충실하게 재현하는가는 매우 중요한 문제이므로,
음향 기기의 특성을 여러 방면으로 기술적인 측정으로 분석함으로써 장비의 성능을 파악하는 것이 매우 중요하다
이번에는 음향기기의 특성을 측정하는 6가지 기본항목에 대한 개념을 설명하고 다음 차시를 통해 좀 더 자세히 알아보기로 한다.
음향기기 기본 측정 항목 音響 기준 수준 音響 주파수 응답 T THD+N 音響 위상 Cross-TalkS S Ratio
[그림]오디오 파워 앰프 측정
1. 기준수준
음향기기의 측정을 실시할 때에는 측정이 기본이 되는 기준레벨을 먼저 설정해야 한다.
출력 출력에서 1볼트 또는 1와트 등 출력 레벨이 특정 값에 도달했을 때의 입력 레벨
출력 출력에서 1% 디스토션과 같이 특정 값의 출력 왜곡이 발생했을 때의 입력 레벨
적절한 적절한 헤드룸 확보 및 양호한 노이즈 레벨을 제공하는 입력 레벨: 운영 레벨
기타 기타 장비 제조업체의 관련 테스트 문서에서 지정하는 입력 또는 출력 수준
이 중 하나를 기준 수준으로 사용하면 된다.
예를 들어 주파수 응답 측정은 주파수 1개 및 운영 수준에 대한 상대값으로 측정하고, THD+N은 지정된 측정 신호의 크기로 수행되어야 하며, 측정 결과를 표현할 때는 반드시 신호 수준의 값을 명시해야 한다.
특성을 측정하려는 장치에 의해 볼륨 컨트롤뿐만 아니라 톤 컨트롤이나 기타 설정에 따른 입출력 게인이 변경되는지 여부를 잘 살펴보고
측정결과에 큰 영향을 미치므로 어떻게 레벨을 설정하고 측정할지 판단해야 한다.
2.주파수
주파수 응답은 모든 주파수 범위에서 입력 수준에 대한 시스템 출력 수준의 변화를 나타내는 값이다.
사람의 가청 범위는 20Hz~20개 일반적이기 때문에, 이 범위에서 평탄한 응답을 갖는 오디오 시스템이 가장 자연스럽게 들린다고 할 수 있다
주파수 응답 측정에 사용되는 신호는 통상 2~3개를 사용하는데, 1개 정도를 중심으로 중간대역의 주파수 그리고 하한 저역 주파수 및 상한 고역 주파수대의 3개 정도를 사용하여 측정한다.
주파수 응답 측정 레벨은 일반적으로 최대 레벨에서 -20dB 낮은 레벨에서 측정하며
가장 낮은 주파수(20Hz)에서 가장 높은 주파수(20Hz)까지 입력 신호를 스위프하여 그 결과를 그래프로 표시한다.
일반적으로 주파수 평탄도에 대한 허용오차가 지정되지만 대부분의 기존 스테레오 음향장비는 ±3dB 주파수 평탄도에서 허용오차를 지정한다.
주파수 평탄도는 “평탄한” 응답이 가장 이상적이라고 할 수 있으나, 고주파 및 저주파 양단에서 출력 레벨이 떨어져 ±3dB인 주파수 평탄도 범위를 해당 시스템의 주파수 응답 허용 대역이라고 표현할 수 있다.
-3dB지점은 신호전력이 0dB 신호레벨에서 반감되는 주파수에 해당하며 일반적인 시스템의 주파수 응답특성 표시는 20Hz~20kHz에서 -3dB지점을 표시한 것이다.
인간은 0.1dB까지 미세한 신호 진폭의 차이를 감지할 수 있다고 알려져 있지만 일반적인 동적 신호 환경에서는 1dB 정도가 더 현실적이라고 할 수 있다.
음향기기의 일반적인 주파수 응답 예를 보여주는 음향기기 주파수 응답특성 AM Radio 100Hz ~ 5KHz FM Radio 50Hz ~ 15KHz 민수용 스테레오 장비 20Hz ~ 20KHz 방송용 음향기기 5Hz ~ 24KHz
3 . THD + N
총고조파 왜곡(THD)은 모든 대역내 고조파 에너지의 RMS 합계에 대한 기본 에너지의 상대적 수준이며, THD+N은 총고조파 왜곡에 노이즈를 합한(Total Harmonic Distortion plus Noise) 값을 나타낸다.
고조파 왜곡은 원래의 오디오 신호에 원치 않는 새로운 신호가 추가되는 현상으로,
신호가 주파수 F1의 사인파일 때 고조파는 원신호의 정수배로 F2, F3 등에서 발생하고, 총고조파 왜곡은 장비 허용 대역폭에서 측정된 모든 고조파의 합이다.
THD(총고조파 왜곡)와 N(노이즈)을 개별적으로 측정하지 않는 이유는 무엇인가?
이전에는 잡음 관련 THD를 측정하기가 어려웠으나 현대적인 FFT 측정 기법의 도입으로 THD와 N을 함께 측정하기가 비교적 쉬워졌기 때문이며,
THD+N 값이 장비의 성능을 쉽고 매우 실용적으로 설명해주는 하나의 중요한 성능 표시 단위이기 때문이다.
THD+N은 일반적으로 20Hz~20Hz 대역폭으로 측정되지만 측정 대역폭에 따라 결과 값이 상당히 달라지므로 유의해야 한다.
따라서 고역통과 또는 저역통과 필터를 사용하여 측정 대역폭을 제한하고자 하는 경우에는 결과를 제시할 때 사용된 대역폭을 반드시 표시해야 한다.
또한 THD+N 값은 적용된 신호의 크기와 주파수에 따라 다르지만, 일반적으로 1리를 중심으로 운영 수준 또는 최대 출력 수준에서 측정한다.
4) 위상
신호가 전자회로나 음향기기를 통과하면 지연이 발생하여 입력이나 출력 신호의 위상이 바뀌게 된다.
위상측정은 기준파형에 비해 측정된 파형의 주기로 양 또는 음의 시간 오프셋을 파악하기 위해 사용된다.
회로의 입력신호와 출력신호간의 위상차 또는 어떤 신호가 다른 회로를 통과한 출력신호간의 위상차 등과 같이 반드시 두 신호를 비교해야 위상이 의미가 있다.
일반적으로 장치의 입력출력 위상 및 채널 간 위상 두 가지를 가장 일반적인 위상특성으로 정의한다.
위상편이는 주파수에 따라 다르며 몇 개의 주파수로 위상측정을 하거나 통상 주파수 스위프에 의한 위상반응을 측정하며 위상은 각도로 표시된다.
5. Cross Talk (누화)
크로스톡(Crossstalk)은 2개 이상의 채널을 가진 음향 시스템에서 구동 중인 채널과 비교하여 사용되지 않는 채널로 옮긴 신호를 dB 단위로 측정한 것이다.
오디오시스템에서 한 채널의 신호가 다른 채널로 보내지는 현상은 바람직하지 않으며 이처럼 채널간 신호누출을 Cross-Talk라고 하며 접지 등에서 문제가 없는 한 실제기기에서 빼내기가 매우 어렵다.
크로스톡은 주로 채널 도체 간 용량 결합의 결과이며 일반적으로 주파수에 따라 증가하는 특성을 지닌다
통상 측정결과를 숫자 형태로 dB로 표현하는데 주파수를 swep하면서 측정하고 해당 장치의 동작대역폭에서의 성능을 나타낸다고 할 수 있다.
시스템의 비선형성을 감안하여 전원장치의 과부하 또는 과도한 신호레벨로 인한 신호손상을 방지하기 위해 측정신호레벨을 최대피크값에서 -20dB신호로 측정하는 것이 좋다.
6. 신호 대 잡음비
신호 대 잡음비(SNR)는 고조파를 제외한 모든 대역 내 잡음 에너지의 RMS 합계에 대한 상대적인 신호 전력 측정치이다.
음향장치에 소음이 얼마나 심한 정도를 표현하는데 이는 또 신호가 얼마나 큰지에 달려있으며 신호 대 잡음비(SNR)는 이러한 차이를 측정하는 것으로
전 주파수 대역에 걸쳐 잡음을 표현하기도 하지만 일반적으로 THD+N과 같이 단일 숫자로 표시함으로써 장비의 성능을 나타낸다.
측정 신호는 운용 레벨 또는 최대 피크 레벨로 설정하고 최대 피크 레벨을 사용할 경우 시스템의 전체 가용 범위라는 차원에서 다이내믹 레인지라고 표현하기도 한다
단, 음향장치의 입력 레벨이 증가하여 노이즈 플로어 레벨이 증가할 경우 SNR 결과에 의한 다이나믹 레인지 추정은 원치 않는다.
SNR은 고조파를 제외하기 때문에 장치의 전체 성능을 잘못 인식할 수 있으며 전체적인 음향장비의 성능을 평가할 때는 항상 총고조파 왜곡과 함께 SNR 값을 제시해야 한다.
몇몇 일반적인 음향장비 및 관련 응용분야의 SNR 예시를 나타내는 음향장비 및 응용분야 SNR(dB) AM Radio 50LP Records 60F M Radio 70CD Player 90 청각기관(순간) 85 방송용 음향장비 120 청각기관(종합) 120