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2011-Mar

고급 Distortion과 측정 데이터들

작성자: 토미™ 조회 수: 48177

 00.Distortion.jpg



11.png 
Distortion이란 우리나라말로 번역을 하면 “왜곡”이라는 단어가 사용이 되는데, 어떠한 장치에 입력을 하는 신호와 장치를 통과하여 출력이 된 신호를 비교하여 신호의 모양이 서로 다른 경우 “왜곡(변형)” 되었다고 합니다.

신호처리를 하는 관점에서 살펴보면 “왜곡”이라는 의미는 입력되는 신호의 모양이 어떠한 시스템을 통과하고 난 이후에 “모양이 달라졌거나, 없던 신호가 생겨나거나 하는 것”을 의미합니다.

이해를 돕기 위하여 사진을 가지고 비교를 해 보면, 프로젝터의 경우 프로젝터와 스크린의 상하좌우 위치에 따라서 영상의 모양이 왜곡되므로 거의 대부분의 프로젝터는 이를 보정하기 위한 “키스톤 기능”을 가지고 있습니다.

keystone.jpg
정상 상태의 영상(정 가운데)과 프로젝터와 스크린의 위치에 따라 왜곡된 사진


즉 영상을 왜곡 없이 보려면 키스톤 기능을 사용하여 화면을 적당하게 조정하여 사용을 해야 왜곡이 없는 영상을 볼 수가 있습니다. (이 외에도 광각렌즈를 사용하는 경우에도 왜곡이 되고, 평면이 아닌 라운드형의 스크린을 사용하는 경우에도 왜곡이 되고 … 사진(영상처리)분야 역시 Distortion과 관련 내용이 많습니다.)

이야기의 주제가 조금 벗어났는데 아무튼 오늘의 주제인 음성신호처리 분야에서 Distortion의 종류를 살펴보면 아래와 같은 것들이 있습니다.


1. Frequency Response Distortion
Frequency Response Distortion은 골든이어스의 측정 데이터 중에서 가장 많이 보여드리는 데이터인 주파수 응답특성 그래프를 생각하시면 됩니다. 입력단에 FLAT한 신호를 입력하고 출력단의 주파수 응답특성과 비교하여 FLAT하지 않을수록 왜곡이 생기는 것으로 보는 관점입니다. (입력된 신호와 다른 신호가 나오므로 왜곡이라는 관점.)

07.Frequency_Response.png


입력되는 Original 신호(하얀색)와는 달리 초록색의 출력특성은 주파수응답특성이 FLAT하지 않습니다. (Low Pass Filter의 설계가 잘못된 제품입니다.frequency domain의 관점) 그리고 이러한 특성은 아래의 그림과 같은 관점(시간과 소리의 크기, time-domain의 관점)으로 볼 수도 있습니다.


01.Original_Wave.png
Original Signal (입력신호)

02.HighPass_Wave.png
High Pass Filter를 통과한 Signal

03.LawPass_Wave.png
Low Pass Filter를 통과한 Signal  


2. Amplitude Distortion
입력되는 신호의 크기와 출력되는 신호의 크기(Amplitude)가 선형적(Linear)으로 비례하지 않는 경우를 말합니다.

예를 들면 2배를 증폭하는 앰프가 있다고 가정하면 입력신호 1V가 입력이 되면 2배가 증폭되어야 하므로 2V가 출력되어야 합니다. 그리고 0.5V가 입력이 되면 역시 2배가 증폭되어야 하므로 1V가 출력이 되어야 하는데 그렇지 않은 경우 (0.9V가 출력된다거나 1.1V가 출력된다거나 등등…)에 발생하는 왜곡입니다. 이러한 가장 대표적인 예는 음반을 녹음할 때 사용하는 Compressor를 사용하는 경우가 되겠습니다.

01.Original_Wave.png
Original Signal (입력신호)

04.Compressor_Wave.png
선형적이지 않은 시스템에서의 출력신호
EX. 녹음 시에 사용하는 Compressor 

이미지 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Distortion



3. Harmonic Distortion 
Harmonic Distortion은 일반적으로 오디오 제품들의 평가에서 가장 흔히 사용되는 Distortion의 종류이고 오늘의 메인 주제이기도 합니다. (이 부분에 대해서는 뒤에서 조금 더 자세히 다루겠습니다.)

Harmonic Distortion이란 시스템에 Single Tone신호(1kHz)를 입력하면 출력신호에서도 그 신호만 재생이 되어야 하는데, 실제로 출력이 되는 신호를 살펴보면 1kHz의 입력신호 외에도 2kHz, 3kHz등에서도 신호가 발생하는데 이러한 성분(2kHz, 3kHz)을 Harmonics 성분이라고 합니다.

06.Harmonics.png
1kHz Sine Wave를 재생할 때 발생하는 Harmonic성분들


입력된 신호 이외의 신호(Harmonics)가 출력단에서 재생이 되므로 왜곡의 의미로 사용이 되고 이를 수치화 하는 방법으로 THD (Total Harmonic Distortion), IMD (Intermodulation Distortion) 등이 있습니다.

4. 기타 Distortion
기타 인덕턴스나 커패시턴스 성분으로 인하여 발생하는 Phase Distortion (스피커의 설계에서 중요한 역할을 합니다.) 그리고 시간상의 지연으로 발생하는 Group Delay등도 있으나 오늘은 여기까지만 알아보겠습니다.


정리를 하면
Distortion이란 어떠한 시스템에 입력된 신호와 출력이 된 비교를 하여 서로의 모양이 다른 것을 (모양이 변화하거나 없던 것이 생기거나 등등…) 의미합니다. 그리고 그러한 왜곡은 많이 발생할수록 원음의 재생을 추구하는 하이파이(High-Fidelity)의 관점에서는 바람직하지 않은 제품이 됩니다.





12.png 
이러한 Distortion은 그 종류에 따라서 테스트를 하는 방법이 조금씩 다른데, 오늘은 골든이어스에서 오디오 제품을 테스트할 때 사용을 하는 RMAA의 테스트 결과와 연계를 하여 살펴보겠습니다.

1. Frequency Response – Frequency Response Distortion

07.Frequency_Response.png
입력되는 Original 신호(하얀색)와 주파수응답특성이 FLAT하지 않은 제품에의 출력특성
(초록색, Low Pass Filter의 설계가 잘못된 제품)

  
주파수응답특성 그래프는 가로축은 소리의 높낮이를 나타내는 주파수로 되어 있고 세로축은 소리의 크기를 나타내는 dB로 되어 있습니다.

이때 그래프를 자세히 보시면 가로축(주파수)은 “Log Scale”로 되어 있는 것을 보실 수가 있습니다. (세로축의 가로크기가 일정하지 않고 주기적으로 변화합니다.) 주파수 응답특성에서 주파수축을 이렇게 표기를 하는 이유는 “이렇게 표기를 해야만 사람이 주파수에 대하여 실제로 느끼는 대로 표시가 되기 때문입니다.” 즉 데이터 표기를 할 때 사람의 인지능력을 고려하여 표기를 하고 있습니다.

그리고 주파수 응답특성에서 소리의 크기를 의미하는 세로축은 dB로 되어 있는데, dB은 단위 자체가 이미 사람이 인지를 하는 Log 스케일로 변환이 되어 있기 때문에 그래프 상에서 별도로 변환을 할 필요가 없습니다.

때문에 주파수 응답특성 그래프의 경우, 측정된 데이터들이 청감적인 느낌으로 이미 변환이 되어있어서 사람이 실제로 느끼는 느낌과 유사한 소리의 느낌을 표현하고 있습니다.

2. Dynamic Range, Noise Level - Amplitude Distortion
이 부분은 Amplitude Distortion과 직접적인 관련은 없지만 음반을 녹음할 때 Compressor를 사용하게 되면 음반에 녹음이 되는 소리의 실제적인 Dynamic Range가 줄어들게 되므로 Amplitude Distortion과 연관 지어서 생각을 해 보겠습니다.

08.dynamic_range.png


재생 가능한 소리의 크기차이와 관련이 있는 Dynamic Range와 Noise Level은 주파수 응답특성 그래프와 마찬가지로 가로축은 로그스케일의 주파수로 그리고 소리의 크기를 나타내는 세로축은 dB단위로 표기가 되고 있습니다.

그리고 소리 크기의 단위인 dB은 인간의 인지능력을 고려하여 만든 단위이므로 이 부분 역시 실제로 사람이 느끼는 느낌과 측정된 수치들은 거의 일치합니다. 즉 기기의 다이나믹레인지가 좁으면 기기에서 재생 가능한 소리의 크기의 변화가 작은 제품이고(수치에 비례하여) 노이즈 레벨이 높으면 잡음이 많이 들리는(수치에 비례하여) 제품이라는 의미입니다. 그리고 그 변화의 정도는 청감상의 느낌과 측정된 수치상의 값과 잘 들어맞습니다.

3. THD(Total Harmonic Distortion), IMD(Intermodulation Distortion) – Harmonic Distortion
앞서 살펴본 Distortion의 측정 데이터들은 실제로 측정이 되는 데이터와 청감상의 느낌과 잘 맞습니다. 왜냐하면 실제로 측정이 되는 데이터를 인간이 느끼는 단위로 변환을 해서 사용을 하기 때문인데요, Harmonics 성분을 측정하는 방법인 THD, IMD의 경우에는 불행하게도 그러하지 못합니다.

06.Harmonics.png


THD, IMD를 나타내는 데이터 역시 다른 데이터들과 마찬가지로 가로 – 주파수, 세로 dB의 단위가 맞습니다만, Harmonics 성분을 인간이 인지하는 경우에는 고려해야 하는 요인이 한가지 더 있습니다. 바로 Masking Effect입니다.





13.png 
이 부분에 대해서는 소개를 해 드릴 분들이 계신데요, 관련된 연구를 하신 Earl Geddes and Lidia Lee라는 부부입니다. 
자세한 내용을 알고 싶으신 분은 참고하세요 : Sound Quality Perception 

아래의 그림은 하모닉 성분과 마스킹이 되는 영역(점선의 안쪽은 가려서 들리지 않는 영역)을 나타내고 있는데요, 낮은 차수의 하모닉 성분들은 마스킹이 되는 영역 안에서 재생이 되므로 잘 안 들리고 높은 차수의 하모닉 성분들은 마스킹이 되는 역역의 밖에서 재생이 되기 때문에 상대적으로 더 잘 들리는 것을 보실 수가 있습니다.

그리고 그 아래의 그림(low level signal)을 보면 소리의 크기가 큰 경우(high level signal)에 비하여 소리의 크기가 작게 재생되면 마스킹이 되는 영역이 좁아지므로 하모닉 성분이 더 잘 들리는 것을 보실 수가 있습니다.

09.harmonics.png


때문에 Harmonics 관련 Masking효과를 고려하지 않는 현재의 표기방법(THD, IMD)으로는 실제로 사람이 느끼는 청감적인 느낌과 잘 맞지가 않으니, 새로운 단위를 만들고 가중치를 두어서(잘 들리는 쪽에 비중을 높게 그리고 잘 안 들리는 쪽은 비중을 낮게) 표기를 해야 사람이 실제로 느끼는 것과 더욱 유사한 수치로 표현이 가능하게 됩니다.

관련하여 더 자세한 내용을 알고 싶으신 분들께서는 아래의 문서를 읽어 보시면 됩니다.
AES presentations on Distortion Perception I and Distortion Perception II

그리고 위의 링크에 있는 논문에서 Harmonics관련 측정을 하는 새로운 단위체계 (new metric)로 아래의 공식을 제안하고 있습니다. 바로 마스킹 효과를 고려하여 현재 Harmonics관련 측정되는 THD, IMD 의 값에 일종의 weighting과 같은 개념을 적용하자는 내용입니다.

10.Gm.png


복잡한 공식만 있으니 감이 잘 안 오실 것 같은데 Harmonics 관련 측정 데이터를 위의 공식을 사용하여 변환을 해 보면, Gm 수치의 값이 1이하인 경우에는 사람들이 듣지 못하고 (inaudible) 3정도가 되어야 겨우 들을 수 (barely audible)가 있는 정도로 테스트 참가자들이 느꼈는데, 이는 인간이 느끼는 청감적인 느낌과 잘 맞았다고 합니다.

그래서 The GedLee Principals에서는 아래와 같이 결론을 내렸습니다.

* THD and IMD have no correlation to the subjectively perceived distortion in a nonlinear system.
* This study offers strong support for the contention that distortion metrics must include some form of masking model.
* A new metric, Gm, is proposed which has been shown to have a very high level of correlation to the subjective perception of distortion in a nonlinear system.


현재 전 세계적으로 소리의 왜곡을 측정할 때에 사용이 되는 THD, IMD 측정방법은, Masking효과를 고려하지 않았기 때문에 청감적인 느낌과 관련이 없는 값들이 측정되므로 Masking 효과를 적용하여 새로운 단위를 사용해야 하고 이러한 단위로 새로운 단위인 Gm 을 제안한다.


참고.
현재 골든이어스에서는 RMAA를 사용하여 THD, IMD를 표기하고 있는데, 위와 같은 내용 때문에 Gm 을 지원하는 다른 프로그램을 알아봤지만 이를 실제로 적용을 하기에는 현실적으로 아래와 같은 몇 가지 문제가 있었습니다.

1. Gm 은 학계에서 아직까지 정설로 인정되지 않았다고 합니다. (말 그대로 “제안”만을 한 상태인 것 같습니다.)
2. Gm 을 지원하는 응용프로그램을 못 찾았습니다.

결론은 Harmonics관련하여 골든이어스를 비롯한 다른 대부분의 곳에서 사용을 하는 현재의 측정방법(THD, IMD)이 청감적인 느낌과 잘 맞지는 않지만, 청감적인 느낌과 일치하는 새로운 단위의 측정 데이터를 제시하는 것은 현실적으로 어렵습니다. T.T

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jancook

2011.03.10 22:28
워후... 꽤 복잡하군요 ㅠㅠ...
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토미™

2011.03.10 22:34

예전에 조죠조님이 한번 간단하게 결론만 알려주신 내용인데 좀 풀어서 (? 더 꼬였을 수도... T.T) 써 봤습니다.
이해가 안 가시면 결론만 알고 계시면 됩니다.

"현재 사용되는 THD, IMD는 음질과는 관련이 별로 없다. 다른 대안(Gm과 같은)을 찾아봐야 한다." 정도로 이해하시면 됩니다.

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#대인배_랄랄라

2011.03.10 22:41
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우아! 수고하셨습니다. 

싱글톤에서 발생되는 하모닉스가 저러한데, 악기의 하모닉스가 신호화되면 대체 어떻게 나타날지.. 정말 궁금해요!

악기특성상의 하모닉스 x 신호 하모닉스..쯤 되려나요? ㅋ;;
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[바보당]프렘

2011.03.11 00:50
음....읽다가 스크롤 넘기는 속도가 갈수록 빨라지는 느낌?!
....정독이 필요하네요 ㅠㅜ
잘 읽었습니다 ㅎㅎ;;
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[HD]utahboy

2011.03.11 03:39
아...영어가 많이 나오네.....ㅎㄷㄷ
좀 어려운 내용인것 같네요....(그냥 제 머리가 나쁜걸지도...)
측정편을 볼때 확실히 이런 사항들을 이해하고 봐야 하겠군요.
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날건달

2011.03.11 04:45
잘 보았습니다. 음... 이..... 읽을 때는 완전히 이해되는데 뒤돌아서는 순간부터는emoticon.....
휴~. 요사이엔 머리속에서 Distortion과 Masking이 부쩍 증가하고 있습니다....ㅠㅠemoticon
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wood

2011.03.11 05:16

좋은 내용 올려주셔서 감사드립니다. 

IMD,THD관련해서 그동안 궁금했던 부분들이 일정부분 해소되는거 같네요. 그 부분에 관해서 좀 더 알고싶으셨던 분들에게도 이러이러한 점이 있다는 간략한 소개만으로도 충분히 도움이 될거 같습니다.

저뿐만이 아니라 골귀오시는 분들이 측정데이터와 관련해서 제품을 직접 들을때 느끼는 실제 청감상의 느낌과 비교를 많이 하실텐데 그런 부분에 있어서 좀더 데이터를 바라보는 이해의 폭이 넓어질거 같네요...

이래나 저래나 파고들면 파고들수록 역시나 복잡해지는군요...^^;

측정 데이터는 '객관적인 평가'라는 관점에서 반드시 필요하지만, 저같은 아직 이해가 많이 부족한 일반인들이 측정된 데이터를 보고 함부로 단정지어서 이렇다 저렇다 평가하는건 조금은 지양해야할 필요가 있어보이기도 합니다...

그래도 다행인건 응답주파수와 다이나믹레인지, 노이즈레벨이 가장 피부에 와닿는 부분이니 그부분에 대한 이해는 최소한의 필수일 듯 싶네요.... ( 물론 뭐 응답주파수 하나만으로도 그것과 관련해서 꼬리에 꼬리를 물듯 알아야 할게 너무 많겠지만....;;;)


근데... 저 product A란 제품은 혹시...그......ㅋ


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cyoung

2011.03.11 08:27
머리가 나쁜건지 점점 더 어렵게 느껴지는군요. 아무튼 수고하셨습니다.
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[거지]파파동

2011.03.11 09:10

아. 박수를 치지 아니할 수가 없군용.

안그래도 rmaa결과값들의 의미에 대해서 정리를 해보려고 이것 저것 읽어보고 있었는데 깔끔하게 설명을 해주시네요.
감사합니다.

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복숭아님

2011.03.11 12:36

음.. 결론만 잘 읽었습니다. 그게 이해하기가 제일 쉽네요.
다른 말은 어이쿠 모르겠습니다.

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;;

2011.03.11 19:21
어..어렵네요..
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[HD]기계소년

2011.03.11 21:58

좀 어렵네요 ;;; (여러 번 읽어 봐야겠네요.)

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[거지]파파동

2011.03.12 03:01
개괄적으로 고차 배음으로 갈수록 해롭고,
기준주파수보다 낮은 쪽의 마스킹 영역이 더 좁은 거 같은데요,
Gm단위 등 특정 단위의 측정치를 구하는 것은 현실적으로 어려우시다면, THD그래프를 표시하는 것도 제품 성능을 유추하는데 도움이 될 거 같아서, 그 표시도 부탁드려 봅니당. (_._)(ㅡ.ㅡ)ㅋ
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토미™

2011.03.12 07:07

저도 처음에 살짝 오해를 했던 부분인데요, 낮은쪽 이라는 것이 기준 주파수보다 좌측(주파수가 낮은)의 하모닉 성분을 이야기 하는 것이 아니라 하모닉 성분의 차수가 낮은 것(기준 주파수와 가까운 하모닉 성분들)을 말하는 것 같습니다.

THD, IMD관련 어떻게 할까 고민입니다. (사실 요즘 출시되는 제품들 중 주파수응답특성이 좋은 경우는 대부분 THD, IMD는 신경쓰지 않으시도 될 정도로 좋더군요.)

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[거지]파파동

2011.03.12 07:24
점선으로 마스킹 영역을 표시한 그림에서 왼쪽 기울기가 더 급하길래 그런 추측을 해봤슴다.
기준 주파수에서 멀수록(고차 배음) 더 해롭다는 건 맞는거 같고요.

저도 뭐라 딱 말라기 어려운 게, 청감상 느껴지지 않긴 하지만 고가의 + 잘 만든 제품들은 왜곡률도 상당히 낮자나요. 거기에 의미를 두고 높은 가격을 지불하는 분도 계시고.(<- 바람직한 건지는 저도 잘..)
암튼 전에 말씀하긴 거 처럼 하모닉스 등이 원칙적으론 안나와야 되는게 맞는 거니까 제품 완성도를 평가하는 기준은 될 수 있는 것도 같고요...

 
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토미™

2011.03.13 10:20
마스킹 그래프를 다시보니 파파동님 말씀이 맞는것 같네요 ^^ 좌측과 우측의 기울기가 다르네요 ^^
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sonoacoustic

2011.03.14 16:38
고차/저차 배음 보다는, 홀수, 짝수 배음의 차이를 생각하시는게 좋을 것입니다. 일반적으로 홀수차 배음이 사람귀를 거스르게 하는 성분이기 때문입니다. 반면에 짝수차 배음들(2차, 4차, 6차...등)은 악기들에서 나타나는 전형적인 배음들로, 소리를 풍성하게 만들어주는 효과를 보입니다. 마스킹 효과로 설명한다면, 기본파와 근접한 배음이 바로 짝수차이고, 저차 배음보다는 고차 배음의 크기가 낮기 때문에 짝수차 배음은 마스킹 효과에 의해 가려질 수 있는 가능성이 크다고 볼 수 있습니다.
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토미™

2011.03.15 11:09
조금 다른 주제이지만 말씀하신 부분 역시 고려를 해야 하는 부분이 맞습니다. 짝수배 배음은 듣기 좋은 성분이니까요. 관련된 글은 http://goldenears.net/board/2763 에 있습니다. ^^

그리고 말씀하신 이유 때문에 모 잡지에서는 3차 하모닉 성분에 집중을 하는 것 같더군요.

제 생각에는 Reprocudtion의 관점에서 Gm 지원하는 프로그램으로 측정 해 보고 만일 하모닉 성분이 느껴지는 경우(Gm이 1 이상인 경우)에만 하모닉 성분을 따져 보는 것(짝수배, 홀수배)이 순서 같습니다.
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[HD] 츠판

2011.03.14 17:19

역시 어렵네요 벌써 3버째 읽는데 ㅎㅎ

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슈가로드

2011.03.29 20:35
잘 봤습니다. 궁금했던 부분이 상당부분 해소되었네요.^^;
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높이날아라

2012.10.06 22:18

원칙은 의미가 있습니다만, THD나 IMD 등을 대체할 거라고는 생각되지 않습니다.

어짜피 앰프나 디지털 소스기기류는 원래 정격출력시는 THD나 IMD 등이 매우 낮은 상태이기 때문에 이를 Gm으로 환산해 봤자 별 실익이 없습니다.

의미가 있으려면 스피커 같이 대음량시 왜곡이 크게 증가하는데 적용되어야 할 텐데, 스피커 쪽에서는 어짜피 THD, IMD를 잘 측정하지 않지요. 그러니  G같은 값이 별 의미가 없습니다.

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우브

2013.07.10 08:08
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"한국에도 이런 사이트가 있다니!" 놀라워하면서 가입했습니다. 두번째 글을 올려봅니다. 저는 현재 미국에 거주하고 있고, 헤드폰보다는 스피커 측정과 제작에 주로 관심이 있습니다 디스토션 측정이 이곳에는 없는가 해서 궁금했었는데, 이런 이유가 있었군요. Geddes 까지 섭렵하셨다니 놀랍기만 합니다 (정말 매우 매우요). 도출하신 결론에는 수긍합니다. Geddes 연구가 학계에서는 정설이 되지 않았고, 특히 양적화하여 제시한 것을 사람들이 쓰고 있지는 않지만, 많은 오디오쟁이들이 보고된 현상 자체에는 의문 없이 동의하고 있는 같습니다. 디스토션을 측정해 사람들 (저를 포함) 더욱 공감이 가는 현상이구요.

 

그러나 Geddes  포함하여 스피커 만드는 사람들 사이에서 하나로 의견이 모아지지 않는 것은, 이러한 결과를 스피커 디자인에 어떻게 적용할 것인가입니다. 외국사이트를 많이 보신다면, 수 년전 Geddes diyAudio community 에서 벌였던 논쟁을 보셨을 거라 생각됩니다. Geddes의 논지는 far-field 스피커를 제대로 디자인한다면 (, 용도에 맞는 파워 핸들링의 드라이버를 선택하고 제대로 크로스오버를 적용한다면), 디스토션은 문제될 것이 없다는 것입니다. 어찌 보면 원론적이 이야기이지요. 이것은 아이러니하게도, 많은 프로용 스피커들에 적용되는 이야기이며, 가정용 hi-fi 스피커들, 특히 세밀한 음악감상용으로 제작된 (주로 작은) 스피커들은 스피커도 아니라고 에둘러 하는 말이기도 합니다. 가정에서 혹은 레코딩 스튜디오에서 가까이 세밀하게 듣는 경우 고차 배음이 상대적으로 많은 스피커는 청감상 quality가 떨어지는 문제가 있다는 것이 제 의견이며 많은 다른 사람들도 그렇게 생각하지요. 이것은 헤드폰의 경우에도 적용된다고 생각합니다.

 

따라서, 디스토션 (구체적으로 nonlinear distortion) 스피커의 품질을 평가하는 데에 매우 중요한 측정 결과라고 생각합니다. 헤드폰의 경우 조금 덜하긴 하겠지만 도움이 되는 정보라고 생각하구요. 그런데, 저역시 Geddes 연구 결과 대로, THD IMD 숫자에는 별로 주목하지 않습니다. 사실, 정도 왜곡이 사람 귀에 들릴까 들릴까의 문제와 그것을 양적화하는 것은 굉장히 어려운 일이지만, 있는 그대로 데이터를 보여주는 것은 있는 일이고 분명 도움이 된다고 생각합니다. 경험으로 가장 많은 정보를 담고 있는 측정방법은 harmonic distortion sweep 입니다. Multi-tone 아니라 single-tone으로 모든 주파수를 아우러서 1차부터 5차까지 모든 배음의 크기를 보여주는 것이지요. 물론 multi-tone 반응을 보여주지 않고, 정확한 배음 외에 다른 주파수들에 존재할 있는 왜곡을 보여주지는 못하는 단점이 있습니다. 그래프에서 모든 주파수 톤에 대한 응답을 담으려다 보니 다른 디테일을 희생할 밖에 없는 것이지요. 하지만, 스피커 드라이버의 경우, 제가 현재까지 모든 데이터에 의하면, single-tone distortion sweep에서 문제가 없이 깨끗하면 각종 multi-tone 테스트들도 문제 없이 패스하였습니다. 한번의 예외가 없이 말이지요. 만약 ARTA 쓰신다면 쉽게 있습니다. 예로 제가 측정한 데이터를 첨부해 봅니다. 7" 우퍼를 측정한 것인데, 정도면 가장 좋은 측정치에 속합니다. 3 (D3) 5 (D5) 홀수차 고차 배음이 이정도로 적은 7" 우퍼는 거의 없지요. 만약 헤드폰도 같은 방식으로 측정한다면 헤드폰에 따라 상당히 차이를 발견하실 것이라 생각됩니다. 이런 정보가 헤드폰 측정편에 더해진다면 얼마나 좋을까 상상해 봅니다. :-)


https://sites.google.com/site/personsandbrain/8945P_unit_C_10inch_dB.GIF


EDIT: 어떤 차수의 배음이 어떤 주파수와 음량의 원음에서 발생할 때 어느 정도 청감되느냐의 문제가 연구가 덜 되었기 때문에 데이터를 정확히 해석할 수 없다는 말씀에는 공감하지만, 그렇기 때문에 데이터가 대략 아직은 보여줄 만한 것이 아니다라는 의견에는 동의하지 않습니다. 그렇게 보자면, 선형적 왜곡 즉 주파수 응답 측정도 해석의 어려움이 있기는 마찬가지라는 생각이 들지요. 우리가 음량 및 주파수에 따른 equal loudness contour를 안다고 해도, 특정 스피커나 헤드폰의 선형적 왜곡이 어떻게 청감으로 변환되는지 정확히 해석하는 것은 훨씬 더 어렵고 북잡한 과제입니다. 예를 들어, 특정 주파수에서 특정 넓이와 깊이의 dip, peak들의 조합이 특정 음악에서 청감상 어느 정도의 왜곡을 초래한다고 말하는 것은 굉장히 복잡한 문제입니다. 따라서 우리는 주파수 응답을 볼 때, 어떤 헤드폰이 모든 주파수대의 평탄성에서 다른 헤드폰을 압도하지 않는 이상,  사람마다 보는 기준이 다를 수 있다는 것을 인정하게 됩니다.  어떤 헤드폰의 딥이나 픽이 청감상 어떤 영향을 미치는 지는 비교 청음시 나타나는데, 그런 때 주파수 응답 데이터가 손에 들려 있다면 많이 도움이 되지 않습니까? 비선형 왜곡 데이터도 마찬가지로 사용할 수 있다는 것이 저의 생각입니다. 특히 단순히 THD나 IMD가 아니라 HD sweep 을 손에 들고 많은 헤드폰과 스피커를 비교청취하신다면 분명 데이터가 도움이 되고, 헤드폰 평가에 보여줄 만한 가치가 있음을 판단하실 수 있을 겁니다. 단순히 원음대비 몇% 이하의 왜곡은 문제가 아닐 것이라는 생각으로 로그 % 스케일에서 어떤 % 아래의 데이터를 잘라버리기도 하는데, 이것은 Geddes 의 연구 결과에 반하는 것이지요. 즉, 작은 음량에서 0.05%의 5차 배음이 1% 의 2차 배음에 비하면 아무것도 아니다라고 반드시 말할 수 없다는 것이지요. 5차 정도까지의 배음은 왠만한 장비라면 비교적 큰 오차 없이 측정할 수 있습니다.

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uminhui

2016.02.17 14:32

위와 같이 유익한 글을 작성해 주셔서 감사합니다.


질문이 하나 있습니다.

차량용 오디오개발 중이며, 현재 Audio DSP(이하. ADSP) 에서 볼륨 컨트롤 후 Power AMP 를 통해 오디오 출력하는 구조를 가지고 있는 제품을 개발 중입니다.

1kHz Sine Wave를 ADSP에서 볼륨을 최대치까지 올리면 Power AMP를 거치면서 THD가 증가함을 확인할 수 있습니다.

그런데, 입력 전류가 THD 증가에 따라 급격하게 증가함을 확인 할 수 있었습니다.

인터넷을 보면 전류가 증가할 수 있다고 하긴 하는데 좀처럼 이해가 안되서요.

혹시 간단히 설명해 주실 수 있는 분 없으신지요???


제가 SW 하다보니 이쪽에 좀 이해도가 딸리네요.... 감사합니다.

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