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오디오와 음향에 관심이 많다면 THD(Total Harmonic Distortion)에 대해서 한 번쯤은 들어보셨을 거예요.
그리고 가이드 초반에도 THD에 대해 언급한 적이 있습니다.
(고조파 왜곡)
이제 그 THD를 어떻게 측정하는지, 그리고 특성과 한계에 대해서 살펴봅시다.
THD 측정 데이터는 이렇게 두 가지 형태로 제공됩니다.
사전에 약속된 소리 크기로 측정을 진행하고, 고조파 왜곡(배음)이 얼마나 포함되는지를 살핍니다.
따라서 THD 측정에서 가장 중요한 첫 번째는 정확한 소리 크기입니다.
스피커는 일반적으로 소리를 크게 낼수록 각종 왜곡이 증가하기 때문입니다.
그래서 아래와 같이 측정된 소리 크기와 그 기준을 표시하는 것이 가장 중요합니다.
데이터를 살펴볼 때도 어떤 소리 크기로 측정되었는지 먼저 확인해야 합니다.
위 데이터상에선 85dB SPL@1m 라고 표시되어 있는데요
저는 1kHz를 중심으로 2옥타브 간격(위 아래로 각각 2배)이내의 평균 크기가 85dB SPL이 되도록 세팅한 뒤 측정합니다.
이제 측정과 데이터 형성이 어떻게 진행되는지 알아봅시다.
THD 데이터 해석에서 가장 중요한 개념은 ‘기음(Fundamental) 대비 배음(Harmonics)의 비율’입니다.
위 이미지에서 주황색으로 표시된 2nd Harmonic은 기음이 재생될 때 함께 측정된 2차 배음의 소리 크기를 나타냅니다.
표시된 지점 500Hz가 재생될 때 함께 측정된 1kHz의 크기를 의미합니다.
마찬가지로 빨간색 3rd Harmonic은 3배인 1.5kHz를 의미하겠죠!
이들을 우리는 배음에 의한 왜곡이라 하여 Harmonic Distortion, HD라 부릅니다.
그리고 검은색으로 표시된 THD는 Total이 붙어, 이 짝수차와 홀수차의 배음왜곡을 합친 값을 나타냅니다.
여기까지 이해하셨나요?
그럼 이제 이 THD측정의 장점과 단점을 소개하겠습니다.
장점
주변 환경의 배경 소음(노이즈)으로부터 측정이 비교적 자유롭습니다.
THD 측정은 개별 주파수 하나 하나의 관점에서 보면 그의 배음에 해당하는 소리만 필요합니다.
그런데 일반적으로 우리가 측정하는 환경은 온갖 노이즈로 가득하죠!
가정집의 경우 아무리 조용하다고 해도 30dBA SPL 이상의 배경소음을 가지는 것이 보통입니다.
인간의 귀로는 아주 조용하게 느낄수도 있겠지만, 스피커와 마이크의 관점에서는 이것이 아주 큰 방해요소예요.
측정은 (측정된 신호음+디스토션)과 노이즈의 싸움입니다.
노이즈의 간섭을 낮출수록 보다 정확하게 측정할 수 있습니다.
THD측정시 노이즈로부터 어떻게 자유로울 수 있을까요?
THD 측정시, 왜곡(디스토션)이 스피커 자체의 문제라면, 몇 번을 측정해도 왜곡은 동일하게 나타납니다.
이것을 ‘정형왜곡’ 이라고 하죠.
반면에 측정 환경의 노이즈, 배경소음은 불규칙적입니다.
즉, 측정을 반복할수록,
왜곡은 점점 뚜렷하게 쌓이고 랜덤 노이즈는 그렇지 못하므로,
반복 측정과 평균 기법을 통해 노이즈의 영향으로부터 자유로운 측정이 가능합니다.
단점
THD측정은 기본적으로 측정된 기음 대비 배음 성분의 비율을 나타내게됩니다.
이 의미를 잘 생각해볼 필요가 있습니다.
위 그래프를 보면 측정된 기음 응답(Fundamental)이 저역에서 특히 많이 출렁거리는 것을 볼 수 있는데요.
실내 측정은 공간의 영향으로부터 자유로울 수 없기 때문에 온전한 원거리 응답을 얻을 수 없습니다.
그 때문에 ‘딥’이라는 응답의 골짜기를 위에서 보여줍니다.
그리고 이것은 THD 데이터 형성에 치명적인 영향을 줍니다.
깊은 딥이 존재하는 100Hz를 예시로 살펴볼게요!
만약 위 특성이 스피커의 원래 성능이라고 가정해봅시다.
그런데 공간에 의해 해당 주파수에 딥이 발생하면, THD계산의 기준이 되는 ‘기음’의 크기 자체가 줄어들어버립니다.
이로인해 배음/기음의 비율이 달라지게되고, THD는 100Hz에 대한 200, 300Hz의 비율로 나타나기 때문에 실제 성능보다 과장되어 보이게 되죠!
이것이 THD측정의 대표적인 약점 중 하나입니다.
그리고 아쉽지만 무향실조차도 이로부터 자유로울 수 없습니다.
저음까지 확실하게 제어가능한 무향실은 아직 존재하지 않기 때문입니다.
따라서 데이터를 해석할 때 이러한 점을 감안해서 살펴보아야 합니다.
(저는 제 환경에서 측정된 100Hz이하의 THD 데이터는 참고만 할 뿐, 신뢰하지 않습니다.)
이제 두번째 플롯인 THD relative 플롯을 살펴봅시다.
THD relative 플롯은 이렇게 생겼습니다.
주로 데시벨 혹은 %로 나타내는데요, 리뷰 목적의 데이터로는 %가 직관적이라 생각합니다.
그렇다면 이 데이터는 어떻게 생성될까요?
THD relative 는 기음 대비 THD의 비율을 나타내는 플롯입니다.
이것은 주파수별 검은색의 Fundamental 에 대한 THD의 비율이므로, 역시 딥과 부밍의 영향을 지배적으로 받습니다.
이로 인해 아래와 같은 맹점이 생겨요.
위 그림을 보면 비슷한 주파수 대역에서 THD 정도도 비슷하지만, 기음의 레벨 차이로 인해 THD와의 비율 차이 또한 과장되어 보이기 쉽습니다.
실제로는 THD 정도가 비슷한 대역임에도 불구하고 말입니다.
그래서 이를 어느 정도 극복하기 위한 방법을 사용합니다.
바로 CHD(characteristic Harmonic Distortion) 라는 개념인데요, 저는 200Hz 에서 10kHz까지의 응답을 평균내어 기준선을 긋습니다.(빨간색)
그리고 기존 Fundamental 의 구불거리는 응답을 무시한 채, 빨간색 선을 기준으로 THD의 비율을 계산하는 방법입니다.
이렇게 하면 직관적인 Relative 플롯의 장점을 유지하면서도, 스피커 응답상의 딥과 부밍에 의해 THD relative 데이터가 오염되는 것을 어느 정도 방어할 수 있습니다.
그렇게 해서 나온 데이터가
이 데이터입니다.
이를 통해 이 스피커가 주어진 소리 크기에서 어느정도의 고조파왜곡(THD)을 가지고 있는지 직관적으로 확인할 수 있습니다.
앞서 말씀드린 여러가지 제약으로인해 이것이 스피커의 절대적인 성능을 대변할 수는 없습니다.
하지만 한 가지 진실은 통합니다.
“왜곡은 낮을수록 좋다.”
여기까지, THD 데이터가 만들어지는 과정과 두 가지 플롯에 대한 설명입니다.
이번 장에서 THD 데이터를 두고서 그저 “낮을수록 좋다.” 라는 책임없는 말만 남기게 되어 저도 마음이 불편합니다.
하지만 각 배음 왜곡이 어떤 원인에 의해 만들어지는지 간단하게라도 추측하려면,
스피커 드라이버부터 완제품 제작까지 이르는 자세한 배경지식이 필요하며
설령 이것을 다 안다고 할지라도, 이 THD 데이터만 보고 모든 왜곡의 원인을 추측하는 것은 불가능합니다.
더군다나 왜곡이 일어난 주파수 대역, 왜곡의 종류와 정도 그리고 원인에 따라서 이것이 실제 청감상 얼마나 문제되는지에 대해선 수많은 논의가 필요합니다.
심지어 우리가 듣는 음악은 측정 신호처럼 깨끗하고 정형화된 형태도 아닙니다.
그렇기 때문에 여기서 내릴 수 있는 결론은…
1.THD 측정은 배경소음으로부터 비교적 자유롭다.
2.하지만 측정 공간의 음향 특성에 의해 결과가 과장되거나 왜곡될 수밖에 없다.
3.이상적으로 정확하게 측정되었다 하더라도 이를 해석하거나 제품간 맞비교를 하는 것은 간단한 일이 아니다.
4.그럼에도 불구하고 왜곡이 낮은 제품이 좋은 제품이다.
정도입니다.
각 제품별 THD 특성에 대해서 설명이 필요한 부분이 있다면 제품별 리뷰에서 자세한 내용을 다루도록 하겠습니다.
다음장에서 뵙겠습니다 🙂
목차
