1. 음향 신호와 레벨
① 교류 전압
- 교류는 시간에 따라 전압이 변하므로 표시 방법에 따라 전압이 달라진다.
- 최댓값(peak value)는 교류에서 변화하는 각 시점의 전압(순싯값) 중 신호가 최대가 될 때의 값이다.
- 피크 대 피크값(peak to peak value)는 교류의 한 주기에서 최댓값과 최솟값의 차이이다.
- 평균값(average value)은 정현파 주기의 0℃에서 180℃까지 양의 값을 갖는 기간을 평균한 것이며, 이 평균값은 최댓값에 약 0.637을 곱한 값이다.
- 실횻값(RMS:root mean square)은 교류를 직류와 동일한 전력 효율을 낼 수 있는 파워로 환산한 값이다. 최댓값에 약 0.707을 곱한 값이다.
- 피크 팩터(peak factor)는 파고율, 크레스트 팩터(crest factor)라고 하며, 최댓값을 실횻값으로 나눈 비율을 데시벨로 나타낸다. 사인파 교류의 피크 팩터는 3dB이며, 구형파(사각파)는 최댓값과 평균값이 같으므로 피크 팩터는 0dB이다.
② 음향 기기의 레벨 표시
- dBm은 작은 크기의 전력을 계량하는 단위로 0dBm=1mW로 정의된 상대적인 크기를 나타내는 단위이다.
- dBW는 dBm에 비해 높은 전력을 계량하기 위한 단위로 1W를 기준으로 한다.
- dBu는 작은 크기의 전압을 나타내는 단위로 0dBu=0.775V이다. 일반적인 음향 기기의 입력 및 출력 레벨을 표기하는데 가장 많이 사용된다.
- dBV는 전압을 나타내는 단위로 임피던스와 무관하며, 0dBV=1V이다. 2.2를 더하면 dBu값으로 나타낼 수 있다.
- dBFS(Full Scale)는 디지털 오디오 시스템 레벨 단위로, 디지털 오디오에서 신호를 수용할 수 있는 최대 범위를 뜻한다. 최댓값을 0으로 하고 그 이하의 레벨을 마이너스 값으로 표기한다. 디지털 오디오의 최댓값 이상으로 신호가 입력되거나 증폭되면 클리핑(clipping)에 의한 왜곡이 발생한다.
③ 오디오 레벨 미터
- 음향 신호의 전압 레벨을 표시하는 장치로, 실시간으로 레벨을 확인할 수 있는 오디오 레벨 미터는 VU미터와 PPM미터로 나눌 수 있고, 일정 시간의 평균 레벨을 나타내는 방식으로 LUFS 레벨 미터를 주로 사용한다.
- VU미터(Volume unit meter)는 오디오 신호의 평균 전압 레벨을 표시하는 미터이다. (RMS값을 주로 나타낸다고 생각하면 편하다) 일반적으로 -20VU에서 +3VU까지의 범위를 표시하는데, 0은 기기 표준 레벨을 뜻하며, +4dBu의 표준 레벨(=0VU)을 사용하는 기기의 VU미터에서 0은 약 1.23V의 출력 전압이다.
- 피크 미터(PPM: peak program meter)는 입력 신호의 최댓값을 연속적으로 나타내는 레벨미터이다. VU미터보다 반응이 매우 빠르고, 표시하는 레벨의 범위도 -60dB 이하에서부터 디지털 신호의 최고 레벨인 0dB까지로 매우 넓다.
- LUFS(loudness unit full scale)레벨 미터는 일정 시간 동안의 평균 레벨이다. 계측기에 입력된 오디오 신호에 등청감곡선을 반영한 필터(K-weighting)를 적용한 후 알고리즘을 통해 일정 시간의 평균값을 산출한다. 이렇게 계측된 LUFS 레벨은 마이너스의 값을 가지는데 이는 0이 최댓값이 dbFS를 기준으로 하기 때문이다. LUFS레벨을 적용하면 콘텐츠의 실제 청감상 전달 음량을 예측할 수 있고 서로 다른 음악이나 프로그램을 연속하여 재생할 때 청감 상의 크기가 비슷하게 유지될 수 있다.
- 국내 텔레비전 방송 프로그램의 표준 음량 기준은 -24 LKFS(=LUFS) ±2dB이며, 유튜브는 -14 LUFS, -1.0dBTP / 넷플릭스, 디즈니 플러스는 -27 LUFS, -2dBTP / 애플 뮤직은 -16 LUFS -2.0dBTF이다.
dBTP는 deciBel true peak로 트루 피크란 디지털 신호를 아날로그로 변환했을 때 디지털 레벨 미터와 차이를 보이는 '샘플 사이의 레벨'을 고려한 레벨이다.
④ 표준 운용 레벨
- 아날로그 오디오 신호의 표준 레벨은 방송 및 전문가용 기기(pro)와 소비자용 기기(consumer)에서 기준이 다르다. 제작을 위한 pro 기기의 표준 레벨은 +4dBu이고, 재생을 위한 consumer기기는 -10dBv이다. 이를 0VU를 표시할 때의 출력으로 이를 전압으로 바꾸면 각각 1.23V와 0.316V가 된다. 둘 차이를 dB로 환산하면 11.79dB이다.
- 디지털 오디오 기기는 대부분 dBFS 레벨 미터를 사용한다. dBFS는 최댓값을 0으로 하고 그 이하의 레벨을 마이너스 값으로 표기한다.
2. 음향 신호 레벨의 설정
① 다이내믹 레인지(dynamic range)는 유효한 레벨의 최댓값과 최솟값의 차이이다.
- 인간에게는 감지할 수 있는 소리의 크기 범위를 뜻하고, 음향 기기에서는 받아들여 처리할 수 있는 신호의 크기 폭을 뜻한다.
- 클리핑(clipping)은 음향 기기에 입력한 신호가 기기의 허용치보다 크거나 내부적인 증폭으로 처리할 수 있는 한계를 넘어설 경우 신호의 일그러짐이 급격히 커지고 파형이 잘리듯이 왜곡되는 현상이다.
- 음향 기기의 신호 처리 회로에 전원을 넣으면 전자의 열 교란 현상으로 백색잡음이 발생하는데 이를 열잡음(thermal niose)이라고 한다.
- 신호 대 잡음비(SNR)는 표준레벨에서 노이즈 플로어까지의 레벨 차이이다. SNR이 클수록 잡음의 영향이 감소되고, 여러 기기를 연결해 운용할 때에도 잡음의 영향을 보다 줄일 수 있다.
- 헤드룸(headroom)은 표준레벨에서 클리핑이 발생할 때까지의 레벨 차이이다. 레벨의 변화가 심한 음악이나 음성은 평균 레벨에 비해 피크 팩터가 크기 때문에 갑작스러운 레벨 변화에 일그러짐이 발생하지 않도록 적절한 헤드룸을 확보해야 한다. 아날로그 오디오 콘솔은 보통 레벨 미터의 0dB로부터 24dB 전후의 헤드룸을 갖고 있다.
- 유니티 게인(unity gain)이란 어떤 장치를 거칠 때 증폭률이 1인 경우를 말한다. 오디오 믹서의 채널 입력 노브 또는 채널 페이더에서 0 또는 U라고 표시되어 있는 위치가 유니티 게인이며, 페이더가 이 위치에 놓일 때 페이더 회로에 입력된 신호는 레벨의 변화 없이 다음 단계로 출력된다.
- 음향 기기의 다이내믹 레인지는 노이즈 레벨에서 클리핑 레벨까지의 레벨 범위를 데시벨로 나타낸다. 예를 들어 아날로그 믹서에서 클리핑 레벨이 +24dB이고 노이즈 레벨이 -92dB라면 24-(-92)=116dB가 다이내믹 레인지가 되는 것이다. 다이내믹 레인지가 클수록 레벨 변화가 큰 오디오 신호도 노이즈와 클리핑에 영향받지 않고 자유롭게 처리할 수 있다. 반면, 디지털 오디오 신호의 다이내믹 레인지는 양자화 비트 수에 따라 달라지며 6.02*(비트 수)dB로 계산된다.
② 게인 스트럭처(gain structure)는 음향 시스템에서 신호가 전달되는 경로의 "레벨 변화 과정"을 말한다.
- 결국 음향 시스템의 전체 게인의 합을 뜻하는 말로도 쓰인다.