공간감空間感에 대한 간?단한 고찰 2

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 앞내용입니쟈.

 졸필 많이들 따봉 해주셔서 몇 자 더 월루하며 두들겨 보겠습니다. 남은 하루도 모두 힘내셔요!

2에선 아래의 내용을 다룹니다.

음향에서 말하는 공간감

거리와 깊이 지각

우선 저번 내용을 간단히 정리해볼까요.  

 우리의 뇌는 공간을 인지하는데 있어 이전에 만들어 놓은 패턴을 사용한다는 말씀을 드렸었습니다. 세상을 살아가고 경험하면서 누적된 정보들을 학습하여 저장하고, 패턴화시킨 다음 비슷한 상황이 있을 때 꺼내 보는 것이지요. 우리가 평면에 불과한 사진이나 그림을 보더라도 입체감을 느끼는 것이 바로 그러한 이유지요.

 소리도 마찬가지입니다. 공간에 따른 소리 정보는 세상을 경험하면서 코딩되어 저장되고, 소리에 대한 경험이 많을수록 꺼내 볼 수 있는 데이터가 많으니, 소리 정보에 대한 이해도도 커지는 메커니즘이지요. 결국 평범한 관점에선 이해할 수 없는, '황금귀' 분들의 주장 중 몇몇가지는 '청력 자체의 물리적 차이'가 아니라 오랜 시간 소리와 음악을 듣고 판단하고 구분해온 '코딩 데이터(정보화된 경험)의 차이'에서 오는 것일 수도 있다는 것이랍니다. 물론, 너무나 미신적이고 물리적으로 불가능할법한 주장을 옹호하는 것은 아닙니다.

평양 제1목욕탕 내부 /사진=조선중앙통신, 대중탕의 경험을 기억해보면 시각적 특징 외에도 '울리는 소리'라는 청각적 경험을 떠올릴 수 있다.

  하여 시청각 경험이 다양한 사람이 실공간과 음공간을 인지하는데 유리한건 당연한 것이고, 이에 근거해 '여성에 비해 공간지각력 뛰어난 남성들이 음향취미를 더 즐기는 것 아닐까?'라는 생각과, '시각적 공간지각력 좋은 분들이 음악감상할때 공간감을 느끼는 것에도 더 유리한 점이 있지 않을까?'하는 의문 던지며 글을 끝냈었습니다.

 그럼 이제부터 본격적인 2부 내용을 진행해보겠습니다.

1. 방향 인지 기준 

 이전 글에서 인간은 방향方向을 인지하는 단서로 양이兩耳를, 정위定位를 인지하는 단서로는 두 귀 사이의 시간차와 음압차를 이용하고, 이것들을 통해 음향적인 공간감을 지각한다 말씀 드렸었습니다.

 이번 글에선 이전 대략적으로만 다루었던 방향 단서에 대한 이야기, 거기에 더해 거리 지각을 위해 필요한 Loudness perception음량 감각, Spectral perception확산 감각, Reverberation perception잔향 감각에 대해 논해보겠습니다.  

 아차, 우선 시작하기 전에, 음상音像과 정위定位에 대한 이야기를 먼저 해야할 것 같네요. 어디까지나 제가 공부하며 내린 정리이므로 절대 '옳은 것'이 아닙니다.

 음상은 Stereo imaging, 정위는 Sound localization입니다.  그리고 음악적 공간감을 스테이징이라 하는건 한국식 표현이고, Soundstaging이 정확한 명칭이라 합니다.

 또 사전을 찾아봐야겠지요오.

Stereo imaging: Stereo imaging refers to the aspect of sound recording and reproduction of stereophonic sound concerning the perceived spatial locations of the sound source(s)

Sound Localization: Sound localization is a listener's ability to identify the location or origin of a detected sound in direction and distance.

 풀어 말해보자면 음상은 음악 속에서의 각각의 악기나 보컬들의 공간 위치인데, 재생 계통이나 소스 차원에서 어느정도 조절이 가능한 것입니다. 하지만 정위는 청취자 입장에서 거리감이나 높낮이 등의 실제적인 느낌, 즉 음의 위치 자체를 인지하는 것입니다. 혼용하기 쉬운 개념이라 적어봤습니다.

 결국 제가 공부한 개념에서, 정해진 헤드폰, 스피커에서 나오는 소리가 뿜어내는 '정위감'은 이론상 항상 똑같아야 합니다. 하지만 우리는 그렇게 느끼지 않죠.

 현실 공간 곳곳으로 퍼져나가는 소리를, 마이크로 담아내어 스피커로 재생 시켰을 때, 현실과 같게 혹은 그 이상의 청각적 공간감을 느낄 수 있도록 하는 것이 기술이자 엔지니어의 역량인 것이겠지요.

용문산관광지 마을길, 사진=양평군

 마치 평면 착시 그림처럼, 실제하지 않는 것을 마치 실제하는 것처럼 느끼도록 하는 것입니다. 저한텐 마법과도 같은 일입니다. 이성적으로는 불가능해야 할 것 같은데, 그걸 직접 느끼는 경험은 매번 참 신비롭습니다.

 그럼 이제부터 방향을 느끼는 기준에 대해 좀 더 자세히 적어보겠습니다. 방향 인식은 두 귀 사이의 시간차(Interaural Time Difference; ITD)와 음압차(Interaural Intensity difference; IID)로 구분됩니다. 

 A와 B의 거리 차이는 결국 음이 귀로 도달하는 시간차를 발생시킨다. 이것이 ITD이다.

"In general, a sound is perceived to be closer to the ear at which the first wavefront arrives, where a larger ITD translates to a larger lateral displacement. However, at frequencies above about 1500 Hz, the wavelength of sound becomes comparable to the diameter of the head, the head starts to shadow the ear farther away from the sound, and ITD cues can become ambiguous. At these higher frequencies, the IID generated by head shadowing becomes important to perceptual decoding of azimuth angle." - Wakefield. Computer Music Journal Volume 25, Issue 4 2001 58p

 ITD는 중저역대 (100Hz~1.5kHz), IID는 고역대(1.5kHz~)에 영향을 끼칩니다. 통상 음은 ITD가 클수록 더 커다란 측면 변위로 인식하여, 음파가 먼저 도달하는 쪽의 귀에 더 가깝다고 느끼게 됩니다. 하지만 1.5kHz 이상의 주파수에는 음의 파장이 머리의 직경과 대등하지고, 머리가 음원에서 보다 먼 쪽의 귀를 가리게 됩니다. 따라서 ITD 단서는 애매해집니다. 이런 고역에서는 머리의 여과효과를 받는 IID가 방위각 인지에 있어 중요한 요소가 됩니다. 

 음파의 중요한 성질은 저주파일수록 회절의 정도가 커지고, 음이 지나가는 통로의 넓이가 파장보다 넓다면 방해없이 직진한다는 것입니다. 1.5kHz 주변의 음파는 머리의 직경(약 20 cm)과 비슷한 파장을 가지고 있습니다. 파장이 머리의 직경보다 긴, 약 1.5kHz 이하의 음역에서 음파는 머리 직경에 따른 음 여과 현상에 영향을 받지 않습니다. 이렇게 되면 양 귀 사이의 위상차(Phase Difference)가 발생, 양이 단서 인지의 주 역할을 하게 됩니다. 

 그러나 파장이 머리 직경보다 짧아지는 1.5kHz 이상에서는 위상차가 발생하지 않으므로 ITD의 단서가 모호해집니다. 따라서 차라리 아예 멈춰버리는 IID가 방위각의 인지를 대신하게 됩니다. 고음이 머리를 돌아 나아가지 못하고 멈추게 되며, 머리의 음 여과 현상(Head Shadow)에 의한 시간차가 점점 커지는 거지요.  f = c/λ (f:주파수 c:음속 λ:파장)

 다만, IID는 ITD에 비해 정위감에 미치는 영향이 상대적으로 미미하기에, 양이 단서의 핵심 요소는 ITD라는 것이 중요한 사실입니다. 초고역으로 정위감을 또렷하게 느끼시는 분들은 대단하신겁니다. 대부분 못 느낄겁니다.

 편이 단서는 청취자의 Elevation(고도각?)에서의 정위 인지 단서입니다. 귓바퀴, 머리, 어깨, 몸통 등 청취자의 신체 부위가 특정 음을 여과하는 현상, 즉 머리전달함수(Head-related transfer function; HRTF)를 이용합니다. 상술하였던 IID도 결국 머리전달함수 중 일부라 할 수 있지요. 편이 단서 중 가장 큰 영향을 끼치는 요소는 6-8 kHz 와 12 kHz 근처의 주파수에서 음원의 Elevation에 따라 다르게 반응하는 귓바퀴의 Pinna notch filtering(음 여과?)입니다. 이리 여과된 청각 정보는 뇌의 청각피질에서 처리되게 되지요.

2. 거리와 깊이를 느끼는 기준

 거리 지각은 청취자와 음원 사이의 심도 인지인데요. 양이, 편이 단서의 정보가 모두 쓰입니다. 그중 가장 중요한 것은 음의 진폭(음량)으로, 이 음량이 거리를 감지할 때의 가장 직접적인 단서가 됩니다. 역제곱법칙에 의해서 거리가 늘어나면 늘어날수록 음량은 사그러드니깐요. 배그같은 넓은 맵의 총게임을 해보신 분들은 똑같은 총에서 나는 소리의 음량을 가지고 거리를 가늠하는 경험을 해보셨을겁니다.

 조금 더 자세히 말해보자면, 거리 지각은 음량감, 확산감, 잔향감으로 나뉩니다. 음량감은 음의 높낮이로, 확산감과 잔향감은 공간에서 반사되는 음의 양으로 심도를 결정하게 됩니다. 상술했던 목욕탕의 예시나 산의 메아리를 기억하면 될 듯 하네요.

  음량감에 대해 알아보기 위해, 우선 인간이 민감하게 여기는 음역대에 대해 적어 보겠습니다.

 UC Dabis의 CIPIC연구소에서 2001 발표한 논문에 따르면

"The strong response…around 5 kHz corresponds to the quarter-wavelength depth resonance...In the frequency-domain, most HRTFs exhibit the prominent depth resonance around 3 to 4 kHz…"

 5kHz의 강한 응답은 이도 공명 현상과 상응하고, 대부분의 머리전달함수는 3~4kHz에서 공명 현상을 보인답니다.

 또 SoundBlaster의 제작사 Creative 사의 개발백서에 따르면 

 “The central cavity…is around 15mm in depth and so the quarter wavelength resonance associated with this is about 5.7 kHz. In practice, this resonance can amplify the sound pressure levels by 10 dB or more. The auditory canal is about 25mm in length and around 7mm in diameter, which gives rise to an additional λ/4 resonance at 3.4 kHz…providing a similar amplication of the signal of about 10 dB. In all, the outer ear boosts the sound signals by more than 20 dB at 3 kHz.”

 사람의 이갑개 깊이는 대충 15mm 이고, 이러면 공명 대역이 5.7kHz정도가 되어 이정도 음압에서 10dB가량 공명 증폭, 이도의 길이는 약 25mm에 직경 7mm 가량이라 3kHz에서 10dB가량 공명 증폭 된답니다. 결국 외이는 20dB 정도를 3kHz에서 증폭시킨다네요.

 결국 3~5 kHz 대역은 인간의 청각이 가장 예민하고, 음의 선명도나 음상의 중심을 잡아주어 보컬의 배음이 위치하는 대역이라고 할 수 있는 것이지요. 이러한 귀의 공진성으로 인해 생기는 민감한 대역은 결국 음량감을 좌우하게 만드는 것입니다. 

 이제 거리지각의 나머지 요소들, 확산감과 잔향감에 대해 적어보겠습니다. 이 둘을 조성하는 Reflected sound(반사음)는 주로 폐쇄공간(녹음실, 공연장 등) 내의 음원에서 발생하는 Direct sound(직접음)으로 인해 생기게 되고, 아래 피겨와 같이 분류됩니다.

사진=unika vaev, tornex. 직접음, 초기반사음, 잔향음 

 가장 먼저 청취자에 도달하는 직접음은 음상을 판단하게 합니다. 이후 공간에 반사되어 직접음 이후 20~50ms (음악은 20 ~ 80ms) 안에 도달하는 초기 반사음(Early Reflected Sound)이 뒤따르죠. 초기 반사음은 해상도의 향상과 긍정적 확산감을 만들어내고, 그 이후 모든 방향에서 지속되는 반사음 복합체인 잔향음(Reverberation)이 잔향감을 이끌어 내게 됩니다. 초기 반사음이 음악 감상에 있어 굉장히 중요한 역할을 수행한다는 사실을 알 수 있죠. 이와는 별개로, 직접음과 시간차가 90ms를 넘은 반사음은 자연스러운 현장감에 악영향을 끼치는 메아리(Echo) 현상으로 인지됩니다.

 직접음과 최초 반사음 사이의 시간차가 클수록, 청취자는 음 경험에서 동떨어진 느낌을 받게 됩니다. 이는 곧 현장감과 친밀감의 결여로 이어지게 되지요. 수치적 연구에 따르면, 최초 반사음은 직접음이 발생한 35ms 안에 도달하여야 직접음과 반사음의 차이를 명징하게 구분하지 못하게 된다고 합니다. 이게 상술했던 해상도 향상과 확산감을 이끌어내는 요소지요. 이런 경우 소리의 위치는 선착한 음의 방향으로 인식이 되는데요, 이 현상을 Hass effect라고 합니다. 더하여, 그 시간차가 50ms를 넘기 시작하면 청취자는 동떨어졌다는 느낌을 받게 되는거지요.

 이헤폰은 배치니 음원 튜닝이니 고민하지 않아도 이런 Hass effect 실패로 인한 Directional unstablitiy(방향성 불안정?)으로부터 자유롭습니다. 스피커에 비해 가지는 장점 중 하나지요.

 마지막으로 Echo 현상은 시간차가 90ms가 넘어가고, 통상 잔향음보다 비정상적으로 크게 들리는 잔향음을 말합니다. 이런 불필요한 공진 현상은 상술했듯 감상 경험에 악영향을 끼치게 되죠. 헤드폰 제조사들이 하우징에 별별 짓을 다 하는 이유 중 큰 요소가 바로 이 메아리현상입니다. 괜히 오만가지 재질 구조 흡음재를 계속 테스팅해보는게 아니지요오.

 참고로 완전히 개방된 공간에선 반사가 불가능하기에 고역의 Timbre 변화로 방향감을 파악합니다. 저역 파장이 고음보다 길기때문에 멀리 뻗어나가는데 유리하거든요. 옛날 전쟁 영화나 판타지같은거 보시면 뿔피리 뿌우우우! 하는 친구들 소리가 낮은게 그런 이윱니다. 고역은 멀리 갈수록 힘이 빠지거든요.

 자, 마지막으로 표 하나로 정리해보겠습니다.

 제가 이걸 2편으로 끝내려고 했는데요. 망했어요.ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ....다음편!  이어폰과 헤드폰에서의 공간감

으로 언젠가 돌아오겠습니다.

 졸필 읽어주셔서 감샤합니쟈. 내용에 하자가 있다면 부디 괘념치 마시고 빠른 겐세이 댓글 적어주시면 감사하겠습니다.