음압 레벨 측정과 가중치 필터: 소음계에 보정 값을 부여하는 이유
음압 레벨은 소음계(사운드 레벨 미터)로 측정합니다. 그런데 앞서 언급했듯이 인간 귀 감도는 주파수 특성이 평탄하지 않습니다. 주파수 음량에 따라 감도 차이가 있어서 대역에 따른 보상을 달리해야 하죠. 예를 들면 최소가청한계가 0 dB SPL 이하로 내려가는 4 kHz 부근이 가장 감도가 좋고, 낮은 주파수로 갈수록 감도가 떨어집니다. 또한, 소리 세기가 커질수록 주파수 변화에 대한 민감도가 떨어지게 되는데요. 이를 표시한 등청감곡선에 따라 기계를 보정해야 유의미한 결과를 얻을 수 있습니다.
▲ 이미지 출처: http://www.lindos.co.uk/
□ 가중치 필터: 소음계 보정 A-weighting 필터는 등청감곡선에서 40 phon* 등청감곡선을 바탕으로 설계합니다. 사람 귀가 가장 민감한 3~6 kHz 부근 주파수를 강조하며, 민감하지 않은 저주파 성분을 크게 감소시켜 보정하는 방식입니다. 마치 등청감곡선을 뒤집어서 주파수 가중치를 적용한 것과 같은 모양입니다. 쉽게 귀 민감도에 반비례하는 가중치를 각 주파수에 부여했다고 생각하면 되겠습니다. 이는 퀘이사존이 공개하는 이어폰/헤드폰 주파수 응답 그래프도 같은 원리인데요. 이어 시뮬레이터 + 분석기 측정을 통해 도출한 원시 값(RAW 그래프)에 이해가 쉽도록 하만 타깃, DF 타깃을 반전한 값을 적용합니다. * phon: 음 강도 단위. 1 phon = 1 kHz의 음압 레벨이 1 dB SPL일 때 값. ex) 40 phon은 1 kHz 음압 레벨이 40 dB SPL
A 가중치는 인간의 주관적 청감 특성에 잘 부합한다는 이유로 소음계에 가장 많이 적용하는 필터이며, 측정 표시 단위는 dB(A) 혹은 dBA입니다. 꽤 익숙하죠? 현시점에서는 A 가중치 필터가 이런 거구나 정도만 알고 있어도 충분합니다. 아래 이어지는 내용(ITU-R 468 가중치부터 D 가중치 필터까지)은 참고 정도만 해주시기 바랍니다.
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- ITU-R 468 noise weighting
▲ 이미지 출처: https://www.itu.int
ITU-R 468은 CCIR 468-4 혹은 CCIR-1k라고도 불립니다. 오디오 시스템에서 소음을 측정할 때 사용하는 규격인데요. 주로 영국을 비롯한 유렵 지역에서 활용합니다. 현재 널리 쓰이는 A 가중치 필터는 전자 장비 화이트 노이즈나 핑크 노이즈를 측정하기 위해 고안한 게 아닙니다. 사람의 귀는 클릭음과 무작위 잡음에 다르게 반응하는데, 이 차이를 해결하기 위해 CCIR-468 가중치를 만들었습니다. CCIR 곡선이 A-가중치와는 다른 점은 5~8 kHz 지역에서 높은 민감도를 나타내며 6.3 kHz에서 +12.2 dB로 피크가 나타납니다. 고개를 끄덕이며 '그렇구나'하고 넘어가시면 됩니다.
C-weighting 필터는 등청감곡선에서 100 phon 등청감곡선을 바탕으로 설계합니다. 음압레벨 85 dB 이상에 주로 사용하는데요. 전 주파수 영역에 걸쳐 거의 평탄하다가 양 끝부분에서만 롤-오프(감쇠)가 있는 형태입니다. Class 1에 해당하는 소음계 테스트 목적으로 여전히 사용되고 있으며 표시 단위는 dB(C) 또는 dBC입니다. + 여기에서 Class 1이란 주파수 대역에 따른 소음계 분류입니다. Class 1은 20~12,500 Hz인 정밀형이며, Class 2는 31.5~8,000 Hz인 보급형입니다. Class 1 마이크 종류로는 직경 1/2인치 또는 1인치 콘덴서형을 활용하고, Class 2는 콘덴서뿐만 아니라 다이내믹형을 활용하기도 합니다. 오차 범위에서도 차이가 있습니다. Class 1은 정밀형답게 ±0.7 dB이며, Class 2는 ±1.5 dB입니다.
B-weighting 필터는 70 phon 등청감곡선을 바탕으로 만들었습니다만, IEC-61672 국제 규격에 의해 A-weighting이 표준으로 자리 잡으면서 실제로는 잘 사용하지 않습니다. D-weighting 필터는 높은 고도 비행장비인 항공기 소음 특성을 측정하기 위해 활용하는 가중치입니다. 현재는 Non-bypass 제트기 엔진 등에서만 활용합니다.
□ 시간 가중 특성 옵션
▲ 'LAS'는 Slow, A-weighted Sound Level로 측정했음을 의미
소음계의 다이내믹 특성에는 빠름(fast)과 느림(slow)이 있습니다. 소음원 특성에 따라 지시계의 반응 속도를 적절하게 표준화시킨 시간 가중 옵션을 뜻하는 건데요. 일반적으로 slow는 충격 소음을 포함하지 않는 비교적 규칙적인 소음을 측정할 때 활용합니다. 반면에 fast는 빠르고 규칙적이며 변동폭이 4 dB 이상인 소음을 측정할 때 활용합니다. 만약 94.2 dBAF로 표기가 되어 있다면 A 특성 fast로 측정했다고 받아들이면 됩니다.
▲ GRAS 42AG 다기능 사운드 캘리브레이터, Class 1(출처: grasacoustics)
소음계는 주기적으로 교정을 해줘야 하는데, 1 kHz에서 94 dB SPL(1 Pascal)의 음압 레벨(SPL)을 발생시키는 장치인 캘리브레이터Calibrator를 마이크에 장착하여 교정합니다. 앞서 언급했듯이 음압은 여러 가지 이유로 변화합니다. 그래서 측정 전 교정 작업은 올바른 결과를 도출하기 위한 필수 작업입니다. |