배경
제가 컴퓨터를 처음 다루었을 때는 초등학교 5학년 때 입니다. 그 당시 학교 앞에 컴퓨터 학원이 생겼고 호기심에 학원에 가서 컴퓨터를 배웠습니다. 그때 제가 배우던 컴퓨터를 인터넷에서 검색을 해 보니 8비트 컴퓨터였네요. 하드 드라이브가 없어서 롬팩을 갈아 끼우면, 컴퓨터는 그 롬팩을 읽어서 부팅을 하였었고, 그래픽 처리를 위한 G팩, 공학 및 계산 처리를 위한 F팩, 일반적인 프로그래밍(GW-BASIC) 용도의 I팩 등이 있었습니다. 결국 그 당시에 부모님이 거금을 투자하여 구입을 해 주신 FC-80(29만8천1백원) 이라는 MSX호환 기종과 컴퓨터 전용 칼라 모니터를 보유하였지만, 프로그램을 짜거나 공부("우등생 중학영어" 라는 소프트웨어까지 구매했었는데...)를 하지는 않고 "올림픽 게임"등의 오락만 했던... 기억이 나네요.

FC-80 에 대한 보다 더 자세한 사항은 아래의 링크를 참조.
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B8%88%EC%84%B1_%ED%8C%A8%EB%AF%B8%EC%BD%A4#FC-80

그런 옛날의 PC들은 소음이 거의 없었는데 시간이 흐름에 따라, CPU와 그래픽 카드의 클럭이 점점 올라가고 하드 드라이브의 회전수가 점점 빨라지고 그리고 파워공급장치의 용량이 점점 늘어나면서 컴퓨터에는 팬이 필수사항이 되어 버렸고, 요즘은 팬 없이는 컴퓨터를 구성하기가 매우 어려워 졌습니다.

하지만 컴퓨터를 오랫동안 사용하다 보니, 이제는 시끄러운 소음이 싫어서, 조용하고 쾌적한 환경에서 컴퓨터를 사용하고 싶어졌습니다. 게다가 요즘처럼 컴퓨터를 통하여 음악을 듣거나 영화를 보려면 조용한 컴퓨터는 필수이지요.

그래서 컴퓨터의 소음 관련 여러 가지 정보를 찾아보니 생각보다 정보가 너무 없었습니다. 국내의 웹사이트에서는 참고할 만한 내용이 거의 없었고 외국의 웹싸이트 중 Silent PC Review(이하 SPCR) 라는 곳 하나만 컴퓨터 소음에 관한 정보를 전문적으로 제공을 하고 있었습니다.

아래의 글은 SPCR의 글 중 "A Primer on Noise in Computing" (http://www.silentpcreview.com/article121-page1.html)을 현재 우리나라의 상황에 맞게 수정하여 필요한 부분만 이해하기 쉽게 내용을 수정하여 제가 다시 작성을 하였습니다. 원문이 보고 싶으신 분은 링크를 타고 가셔서 보시길 바랍니다.


소리와 소음은 무엇이며 어떻게 다른가요?
소리란 무엇일까요? 간단히 말하면 소리란 "우리가 듣는 것" 입니다. 이를 기술적으로 정의를 하면, "특정한 음원으로부터 기계적인 진동에 의하여 발생이 되는 공기를 통하여 전달이 되는 압력파"를 말합니다. 순음은 마이크를 통하여 입력이 되는 소리의 모양을 오실로스코프로 보면 아래의 그림과 같은 sine파 형태의 신호가 보입니다.
 

그림 1. 440Hz의 순음을 마이크를 통하여 오실로스코프로 본 모습.


일정한 상태를 유지하고 있는 음으로 신호 발생기 등을 이용하여 만들 수 있습니다. 순음과 대비되는 개념으로 복합음 (complex tone)이 있습니다. 순음은 일반적인 환경에서는 들을 수 없는 인공적인 소리입니다. 실제로 대부분의 소리는 수많은 주파수, 진폭,시간차의 조합으로 구성이 되어 있는 복합음이 대부분입니다.



그림 2. 일반적인 복합음(complex tone)의 형태

그리고 이러한 모든 소리는 주파수(또는 pitch)와 진폭(또는 volume)의 2가지 요소를 가지고 있습니다. Hertz(Hz)는 소리의 주파수 단위이고 decibel(dB)은 진폭에 해당하는 음압(sound pressure level, SPL, 이하 SPL로 사용)의 단위입니다.

그러면 소음이란 무엇일까요? 간단히 말하면 소음이란 "원하지 않는 소리" 입니다. 따라서 소음의 정의에 심리적인 요인이 포함되므로, 소음을 기술적으로 정의를 하기란 거의 불가능 합니다. "원하지 않는" 이라는 수식어구는 조용한 방에서 잠을 자려고 할 때 들리는 물방울 떨어지는 소리도 될 수가 있고, 책을 읽으려고 할 때 길에서 공사를 하는 소리가 될 수도 있고, 컴퓨터를 사용할 때 컴퓨터에서 나오는 컴퓨터의 팬 소리가 될 수도 있습니다.

일반적으로 소음은 소리의 크기인 SPL만으로 이야기를 하는데, 실제 인간은 일반적인 환경소음보다 더 작은 소리도 구분을 할 수 있는 능력이 있습니다. 예를 들면 시끄러운 술집 같은 곳에서는 환경소음이 사람의 목소리보다 큰데, 이러한 곳에서도 한 사람의 목소리에만 집중하여 이야기를 할 수 있는 능력 같은 것이 있습니다.

소음이란 상대적인 것이지만 어떤 종류의 소리는 소음으로만 기술되어집니다. 기계적인 소리 중에서 예를 들면, 주파수가 매우 높고 제한된 대역폭의 조그만 자동차의 엔진소리, 조그만 드릴의 회전하는 소리 또는 조그만 팬이 고속으로 돌아가는 소리 등은 우리들이 소음으로만 인식을 하는 소리들입니다. 자연에서의 이러한 예로는 벌이나 말벌의 윙윙거리는 높고 날카로운 소리는 대부분의 사람들이 소음으로 인식을 합니다.


상대적인 소리의 크기
소리의 크기를 나타내는 데시벨(dB)은 선형적인 단위를 사용하지 않고 로그(log) 단위를 사용합니다. 이러한 이야기는 좀 복잡한 주제이지만 우리가 이해하여야 하는 부분이므로 주의를 기울여 읽어보시기 바랍니다.

 

그림 3. 지수(빨간색), 선형(초록색), 로그(파란색) 스케일
출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Logarithmic_scale

l  1 dB의 차이는 인간이 인식을 할 수 있는 가장 작은 차이이다.

l  3 dB의 차이는 대부분의 사람들이 일반적인 상황에서 명확하게 구분을 할 수 있는 차이다.

l  10 dB의 차이는 2배의 소리의 크기를 인식하는 차이다.

예를 들면 A 소리가 85dB로 측정이 되고 B소리가 75dB로 측정이 되면(10dB의 차이), B소리는 A소리에 비하여 절반의 크기로 들리게 됩니다. 그리고 C소리가 95dB로 측정이 되면 C소리는 A소리보다 2배가 크게 들리고 C소리는 B소리보다 4배가 크게 들리게 됩니다.

그리고 소리는 로그 단위를 따르고 있기 때문에 음원이 더해질 경우 단순한 선형적인 방식으로 계산이 되지는 않습니다.

l  2개의 30dB의 소음원의 크기는 33dB이다.

l  4개의 30dB의 소음원의 크기는 36dB이다.

l  8개의 30dB의 소음원의 크기는 39dB이다.

l  16개의 30dB의 소음원의 크기는 42dB이다.

즉 동일한 음원의 갯수를 2배로 하면 소리의 크기는 3dB만큼 증가합니다.


소음 기준표
dB의 숫자만으로는 실제 소리의 크기에 대한 감을 잡기 어려우므로 음압(SPL)과 실제 환경과의 관계를 나타내는 표를 만들어 보았습니다.

SPL (dB)	전형적인 상황	상태
140	대포의 발사음 전투기 이륙 소리 (30미터 떨어진 곳)	고통을 느끼는 한계치
120	항공기(제트엔진) 이륙 소리 (60미터 떨어진 곳) 시끄러운 공장	거의 참을 수 없는 상태
100	대규모 오케스트라의 최대 음량 지하철 역 승강장 (최대 소음치) 고함치는 소리 (1.5미터 떨어진 곳)	극단적으로 시끄러움
80	차량이 많은 도로의 인도	매우 시끄러움
60	레스토랑, 백화점, 가장 시끄러운 게이머 PC	시끄러움
50	일반적인 말소리 (1미터 떨어진 곳) 시끄러운 WORKSTATION	잘 들림
35 ~ 45	조용한 사무실이나 도서관; 일반적인 PC	약한 소리
25 ~30	잠들 때의 침실, 조용한 PC	조용함
20 ~ 25	조용한 속삭임, 매우 조용한 PC TV 또는 녹음실의 배경소음	매우 조용함
15 ~ 20	매우 조용함 / 무팬 PC	거의 들을 수 없음
< 15	사람의 내장기관의 소리	일반적으로 들을 수 없음
0	들을 수 있는 일반적인 한계치	들을 수 없음

출처 : SPCR(Silent PC Review), The Science of Sound (Second edition, Thomas D. Rossing)의 소음 기준표를 참조하여 작성.



인간의 청각능력
데시벨(dB)은 모든 주파수의 소리를 진폭만 같으면 같은 크기의 소리로 표기되지만 실제 인간의 청각은 그렇지 않습니다. 왜냐하면 인간의 청각 민감도는 주파수의 특성과 소리의 크기에 따라서 변하기 때문인데, 약 4kHz정도가 가장 민감하고 이보다 낮은 저음 영역은 상당히 둔감하고, 이보다 높은 고역이 경우는 상대적으로 약간 덜 민감합니다.

 

그림 4. 주파수와 음압별 등청감 곡선
출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Equal-loudness_contour

이러한 인간의 청각능력의 특성을 보상하기 위하여 "A-weighting"의 단위가 SPL을 측정하기 위하여 만들어 졌습니다. "A-weighting"의 표기법은 dB을 사용하지 않고 dBA라는 단위를 사용하며, 서로 다른 주파수의 크기를 인간이 실제로 느끼는 상대적인 크기로 표현을 합니다. 즉 교각에서의 소음크기를 측정할 때에는 교각의 아래에서 측정을 하는데, 이런 경우 대부분의 소리는 저주파음으로 구성이 됩니다. 여기에서 측정이 된 약 90dBA의 소리와 약 4옥타브 위의 고음인 바이얼린의 90dBA의 소리 크기는, 실제로 물리적인 소리의 크기는 교각의 소리가 훨씬 크지만 인간이 느끼는 소음의 크기는 모두 90dBA로 비슷합니다. 즉 "A-weighting"의 단위는 보이는 그대로 사용하면 됩니다.



그림 5. A,B,C,D weighting 특성 그래프
출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/A-weighting

"A-weighting"의 단위는 SLM(Sound Level Meter), Spectrum Analyzer를 비롯한 그 밖의 음향측정장치와 인간의 청각특성을 보상해 주기 위한 Munson과 Fletcher의 연구에 기반을 둔 접근법입니다.


dB에 기반을 둔 Sound Pressure Level 과 Sound Power
Sound Pressure Level : 지금까지는 데시벨(dB)에 기반으로 한 모든 측정치들은 SPL에 기반을 두고 있습니다. SPL값을 측정하기는 쉬운데, 그 이유는 미터 단위로 떨어져서 측정을 하고 환경소음이 6dB이하로만 유지되면, 여러 가지 환경요인을 보정 할 수가 있고, 그렇게 보정 되어진 측정치는 측정법 자체가 단순하므로 잘못 될 만한 곳이 없으므로, 매우 정확하다고 할 수 있습니다. 따라서 1미터 떨어진 거리에서 데시벨 단위의 SPL을 측정하는 것은 소리의 크기를 나타내는 다른 표준이 없는 상황에서 현실적인 표준이 되었습니다. 하지만 이러한 측정법은 사진을 보는 것과 같이 사물을 한가지 측면에서만 보여줍니다. 즉 그러한 측정법은 소리의 전체적인 음향특성을 보여주지는 못합니다. 즉 사물을 다른 각도에서 보면 매우 다른 모양이 보여지는 것처럼, SPL을 측정하는 장비의 각도, 위치 그리고 음향적인 환경에 따라서 매우 다른 결과가 측정될 수 있습니다.

Sound Power : SPL과 마찬가지로 dB의 단위로 측정이 되는 Sound Power는 음원에 의하여 방사가 되는 전체 음향 에너지의 총 합을 표현하므로 보다 SPL보다는 더 완전한 표현법입니다.

전구를 예로 들면 전구는 빛을 모든 방향으로 방사를 합니다. 따라서 전구에서 방사되는 모든 빛 에너지를 측정하려면 (전압과 전류를 측정하여 와트로 표기하는 것은 전구의 효율 등의 이유로 인하여 전구의 실제 전체적인 밝기와는 차이가 있습니다.) 전구에서 방사되는 모든 방향의 빛을 측정하여 합하여야 합니다. 그리고 전구에서의 전체적인 밝기의 합 개념이 바로 소리에서의 Sound Power입니다.

Sound Power는 여러 장의 사진을 합쳐 놓은 3D 이미지와 비슷합니다. 그것은 음원 주위로 여러 개의 마이크를 다양한 위치에 놓고 측정을 하여, 이러한 여러 개의 값을 하나의 값으로 변환을 합니다. SPL과는 다르게 그것은 환경 변수에 영향을 받지는 않습니다. Sound Power는 보다 더 광범위한 환경에서 SPL값 보다 더 정확하고, 특별히 비교를 하는 목적에 있어서, 인간의 청각능력과 더 잘 맞습니다.


그 밖의 소리의 특징들
앞에서 우리는 인간의 청각특성 중 등청감곡선(equal-loudness contours)에 관하여 조금 알아보았습니다. 인간의 청각특성 중  이외의 특성에 관하여 알아보겠습니다.

Variability : Variability를 말로 풀어보면 "특정한 시간 동안 얼마나 소리가 변화하는가." 라고 할 수 잇습니다. 소음을 이야기 할 때 항상 나오는 사실은, 규칙적으로 빨리 변화하거나 특정 시간 동안 극적으로 변화하는 소음은, 일정하고 꾸준히 나오는 소음보다 더 인지하기가 쉽고, 사람으로 하여금 불쾌감을 느끼게 합니다. 예를 들면 온도에 따라서 팬 속도가 빨리 변화하는(2000RPM ~ 5000RPM) A팬과 항상 속도가 5000RPM으로 유지가 되는 B팬이 있다면 A팬 소음이 B팬 소음보다 더 성기시게 들립니다. 그리고 이것은 Seagate가 그들의 백서에서 밝히고 있는 하드 드라이브의 Idle일 경우와 Seek일 경우의 소음차이를 더 적게 하는 것이, 가장 작은 Idle소음을 얻는 것보다 더 중요한지를 설명하는 이유입니다.

 

출처 : http://www.seagate.com/support/kb/disc/disc_drive_acoustics.html

Pure Tones Vs. Broadband : Pure tone 즉 순음의 예로는, 소리 굽쇠를 치거나 기타의 현을 튕길 때 나오는 크기가 점점 작아지는 순음도 있지만, 전자오르간의 held key나 팬이 회전하는 소리와 같은 꾸준하고 지속적인 소리들이 순음의 예로 더 적당합니다. 아무튼 이러한 순음과는 다르게 폭포가 떨어지는 소리나 바다에서 파도가 치는 소리 등을 Broadband라고 합니다. 즉 넓은 주파수 대역의 다양한 주파수 성분을 고르게 가지고 있는 소리를 Broadband라고 합니다. 그러한 소리 중 자연에서 일어나는 Broadband 소리를 Pink Noise라고 합니다. (일반적으로 Pink Noise는 주파수가 높아질 수록 크기가 작아집니다.) 반면에 기계적으로 생성이 되는 Broadband한 소리는 주파수 특성이 평평합니다. 즉 저음부터 고음까지 소리의 크기가 일정합니다. 이것을 일반적으로 Pink Noise보다 더 많이 Broadband의 예로 사용이 되어지는 White Noise라고 합니다. 그리고 인간의 청각 특성은, 소리의 크기가 약간 차이가 난다면, 순음(Pure Tone)보다는 이러한 Broadband 소리가 편하게 들립니다. 일반적으로 시끄러운 팬 소리를 표현할 때 "휘~~~잉" 하는 넓은 주파수 대역의 바람소리로 표현하지 않고 "윙~~~" 하는 보다 더 높고 날카로운 소리로 표현하는 이유가 여기에 있습니다.

소리 1.  440Hz의 Pure tone

소리 2. Pink Noise

소리 3. White Noise

방향성 : 방향성은 소리가 나오는 방향을 알아내는 인간의 청각능력에 관련이 있는 특성으로 저음의 경우에는 방향성이 없고 주파수가 올라갈 수록 방향성이 더욱 높게 나타납니다. 즉 물리적으로 말을 하자면 저음의 경우 코너에서 굴절은 되지 않지만 인접한 표면이 닿아 있는 코너에서 반사는 됩니다. 이러한 물리적인 특성 때문에 방향성이 생기게 됩니다. 그리고 저음의 이런 특성을 활용한 것이 5.1채널 시스템 구성입니다. 즉 5.1채널에서 0.1을 의미하는 sub wooper의 경우 저음만을 담당하는데 이러한 sub wooper가 담당을 하는 저음의 경우 방향성이 약하기 때문에 sub wooper의 설치 위치에 제약을 덜 받습니다. (사실 저음에도 방향성이 강하면 여러 채널의 저음 성분만을 모아서 하나의 채널로 보내주는 5.1 시스템 자체가 문제가 생기겠죠.)

소리 4. 한쪽 채널에서만 들리는 40Hz의 Pure Tone. 구분이 잘 되시나요?

거리에 따른 감소 : 거리가 멀어지면 소리의 크기는 점점 작아집니다. 그리고 소리의 크기가 작아지는 비율은 반사파가 전혀 없는 무향실 또는 상공 1Km같은 곳에서는 거리가 2배로 되면 소리의 크기는 6dB의 단위로 감소합니다. 하지만 일반적인 방의 경우 벽이 존재하므로 소리는 음원으로부터 직접 오는 소리도 있지만 벽에 반사되어 나오는 반사파 또한 존재합니다. 때문에 실제로는 거리가 2배가 되어도 대부분 3dB보다 더 작은 비율로 소리의 크기가 작아집니다.

기계적인 진동 : 소리는 공기를 주기적으로 밀고 당기는 기계적인 움직임에 의하여 발생이 됩니다.(스피커를 생각하시면 쉽게 이해가 되실 듯 합니다.) 하지만 대부분의 소음측정 방식은 음원을 다른 것들과 고립시키고 소리의 크기를 측정합니다. 그러한 측정방식으로는 음원에 기계적인 진동이 있을 경우 제대로 된 소리의 크기를 측정할 수 없습니다. 예를 들면 하드 디스크의 경우 공기 중에 그냥 놓여져 있을 경우와 컴퓨터 케이스에 볼트로 꽉 조여져 있을 때 발생하는 소음의 크기는 엄청나게 달라집니다. 하드 디스크가 컴퓨터 케이스에 단단히 부착이 될 경우 하드 디스크의 진동이 컴퓨터 케이스에 전해져 함께 진동을 하여 상당히 커다란 소리가 발생을 합니다.

방의 음향특성 : 무향실에서 소음측정을 하면 반사파가 없기 때문에 일반적인 방에서 측정을 하는 것 보다 훨씬 더 작은 소음이 측정될 것입니다. 그리고 일반적인 방에서도 가구의 배치나 밀도, 바닥에 카펫을 깔았을 때와 그렇지 않았을 때, 창에 두꺼운 커튼을 쳤을 때와 그렇지 않을 때, 방의 구조가 대칭이냐 아니냐 등의 여러 가지 요인에 따라서 소음의 크기는 상당히 많이 변화를 합니다.