소음을 측정할 때에는 여러가지 방법론이 있다. 일반적으로 많이 쓰이는 것은 음압레벨을 통해 소음을 분석을 하고 음질적인 측면을 본다면 라우드니우스를 보게 된다. 그렇다면 두 개은 어떤 차이점이 있을까? 두 데이터의 상관성은 있는지도 궁금할 수도 있다. 상관성이 있다고 볼 수도 있지만 아예 없다고 볼 수도 있다. 왜냐면 두 데이터는 계산 방법 자체가 다르고 이론적으로 다르기 때문이다. 하지만 소음이라는 특성을 두고 본다면 유의한 관계가 있다고도 볼 수 있다.
음압레벨과 라우드니우스의 기술적 정의
먼저 음악레벨에 대해서 이야기를 하도록 하겠다. 영어로는 SPL(Sound Pressure Level)이고 SPL은 단어 그대로 사운드에 대한 압력을 레벨로 표시하는 방법이다. 소리는 공기와 같은 매질을 통해 전달이 되면서 매질 내에서 압력 변화가 발생하게 되는데, 이러한 음의 압력을 계측 하는 것이 SPL 방법이다. 일종의 '소리를 표현하는 방법' 중 하나로 이해 할 수 있다.
SPL은 (2.1)로 정의가 되어 있고 식을 물리적인 의미로 바라보면, 측정하려는 음압과 기준 음압의 비율을 로그로 정의 한 것이며, 그 단위는 dB로 정의 된다. 요약하면, 기준 음압 기준으로 어느정도로 압력이 변했는지로 정의된다. 일반적으로 기준 음압은 당연히 가청 음압에서의 최저값이 자명하고, 그 값은 20upa로 알려져있다.
- SPL=20㏒10(P/Pref)(㏈) (2.1)
다음은 라우드니우스에 대한 기술적 정의에 대해 알아보겠다. 영어로 LOUDNESS는 사운드 메트릭스(음향 지수) 중 하나이며, '음의 크기에 대한 주관적 지각량'로 정의되어 있다. 주관적 지각량이라는 말이 에매할 수 있지만, 여기서는 개인의 특성보다는 '마스킹 효과'를 고려한 값이라고 이해하는 것이 좋을 것 같다. 단위는 'sone' 혹은 'phon'을 사용하고, sone과 phon은 간단한 로그식으로 정의되어있다.
- 마스킹 효과란, 조용한 상태에서는 작은 음도 명확하게 들리지만, 주위 소음이 큰 경우 작은 음은 인지하기 어려운 것을 의미
등청감곡선을 통한 dB, dB(A), phon, sone 단위들에 대한 이해
먼저 등청감곡선이라는 것에 대해서 알아보도록 하겠다. 앞에서는 간단하게 각각의 정의에 대해 설명하였고 지금부터 각각 어떤 관계들이 있는지 알아보자. 결론을 먼저 말한다면, dB과 phon/sone 을 사람 손으로는 풀어낼 수 없다. 또한 dB값은 측정이 가능하나, sone은 측정된 음압을 여러가지 모델을 통해 컴퓨터로 계산된 후처리 데이터다.
등청감곡선(equal loudness contours for pure tones)은 그래프는 흔히 우리가 알고 있는 등청감곡선이다. 영어로 된 표현을 보면, '순음에 대한 등 라우드니스 곡선' 이라 표현되어 있는데, 이를 통해 등고선들이 LOUDNESS를 의미함을 감각적으로 이해할 수 있다. 등청감 곡선 상에 10,20,30,40 ~의 의미는 1khz 순음(다른 주파수가 섞이지 않은)을 가진 음이 각각의 숫자의 dB 값을 나타낼 때의 LOUDNESS 값을 의미한다. 즉, 1khz 순음에서의 40dB는 40phon(LOUDNESS)으로 정의 된다.
또한 등고선 이므로, 1khz의 순음의 40dB을 가진 소리는 100hz의 순음의 약 50dB를 가진 음과 '동일한 소리로 인식이 된다' 라는 의미이다. 단순히 dB값으로 나타냈을때는 50dB가 더 크지만, 사람이 느끼는, 즉 LOUDNESS의 단위로 했을 땐 동일한 소리로 인식이 됨을 의미한다. 이를 통해 LOUDNESS 단위인 phon은 주관적인 크기를 가짐을 알 수 있다. phon과 sone의 관계도 있다. phon은 다음과 같은 간단한 식으로 sone 으로 변환 할 수 있다. 이 때 phon이 40인 경우, 1 sone임을 알 수 있다. 각 phon 값에 대해 sone을 정리해보면, 아래 표와 같이 지수배로 증가함을 알 수 있다.
- log(sone) = 0.03(phon-40)
phon과 sone은 단순 식으로 변환할 수 있는 단위이며, 특별한 물리적인 의미는 없다. 하지만 sone의 단위를 사용하는 명확하다. phon이든 sone이든 둘 다 어느 정도의 소리인지는 감각적으로 알기 힘들다. 하지만 sone 단위를 사용 경우에는 물리적으로 이해하기가 편한 부분이 있다. 예를 들어서 1sone에서 2배의크기로 소리가 인지될 때 loudness 값은 2sone으로 실험적으로 알려져있다. 3배인 경우 3sone, 4배인 경우 4sone이다. 따라서 phon 단위보단 sone이 감각적으로 소리의 세기에 대해 예측하기 좋은 단위이다.
청감 보정 선도 ( A-Weight -> dB(A) )
등청감곡선에 의하면 사람은 주파수에 따라 다른 감도를 느낀다는 것을 알 수 있다. 그래서 dB값으로 소음 수준을 측정하는 것보단 보정 값을 적용하는 경우가 실제 사람이 느끼는 경우에 가깝다고 볼 수 있다. A보정 곡선을 보게 되면 1kHz 순음 40dB의 값을 0으로 노멀라이즈한뒤 뒤집은 다음에 간략한 그래프와도 동일하다. 사람은 1kHz에서 가장 민감한 반응을 보이므로, 보정값이 '0'이며 주로 저주파 대역에서 보정값을 크게 두었다. 실험적으로 저주파 대역에서는 민감도가 낮고, 고주파로 갈 수록 민감도가 높기 때문이다.
LOUDNESS와 dB(A)의 차이
위의 내용을 본다면, dB(A)도 LOUDNESS도 둘 다 사람의 주관적인 감각량을 정량화 함을 알 수 있다. 하지만 엄연히 다른 값들이다. LOUDNESS와 dB(A) (dB는 SPL임) 서로 다른 지수이다. LOUDNESS는 음질 지수 중 하나이고 SPL(즉 dB(A))
는 소리를 측정하는 방법 중 하나이다. 위에서 언급했다시피, LOUDNESS는 A보정 곡선 처럼 보정 값이 아니라, 여러가지 모델(ex zwicker loudness)을 이용하여 복잡한 수식으로 계산해서 나온 값이며, dB(A)는 단순 보정 값임을 알 수 있다.
따라서 측정 시 dB(A)값은 바로 산출이 가능하지만, LOUDNESS는 후처리 과정이 필요하다. 추가적으로 LOUDNESS에 대한 이해가 부족할 때 dB(A)와 LOUDNESS를 러프하게 변환하는 식을 본 적이 있어 공유한다.
- dBA = 33.22 × log (sones) + 28 (정확도 ± 2)
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