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방금 전 우리는 주파수 별 소리의 크기 응답(FR)에 대해 공부했습니다.
이번에는 ‘비선형 왜곡‘에 대해 알아볼게요 🙂
먼저 이 어려운 단어, ‘비선형왜곡‘이란 무엇일까요?
왜곡이란, 스피커가 입력 신호와 다른 출력 신호를 내보내는 현상을 말해요.
예를 들어, 100Hz의 신호를 스피커에 넣어주면 당연히 100Hz의 소리만 나야 하는데,
200Hz, 300Hz 등의 소리가 조금씩 섞여서 나오는 것을 말하는 거죠.
그렇다면 스피커에서 이러한 비선형 왜곡이 일어나는 이유는 무엇일까요?
앞선 글에서 우리는 소리를 “공기가 앞뒤로 움직이며 생기는 파동”이라고 배웠습니다.
스피커는 소리를 만들어내기 위해 앞뒤로 움직이며 공기를 밀고 당깁니다.
자, 다시 강조합니다.
소리는 공기가 앞뒤로 움직이며 생기는 파동이며 스피커는 소리를 만들어내기 위해 앞뒤로 움직이며 공기를 밀고 당기고
이때 공기를 많이 밀어낼수록 → 소리가 커집니다.
그렇다면 스피커가 잘 움직인다는 것은,
공기를 일정한 간격으로 잘 밀어주는 것을 의미하죠!
스피커는 전기적 신호를 → 기계적 운동으로 바꿔주는 장치인데요,
이 과정에서 발생하는 오차나 불균형으로 인해 공기를 원래의 신호만큼
일정하게, 잘 밀어주지 못 해서 생기는 것이 바로 비선형 왜곡입니다.
(선형적이지 못한 운동으로 인해 생기는 왜곡)
그러면 이제 비선형 왜곡의 대표적인 두 가지 형태에 대해서 설명하겠습니다.
첫 번째 – 소리 크기에 대한 왜곡입니다.
이 스피커에게 1만큼의 신호를 주었을 때 앞 뒤로 1mm를 움직인다고 가정해봅시다.
(*이때 움직일 수 있는 거리를 ‘변위’라고 합니다)
만약 스피커에게 10만큼의 신호를 주면 10mm,
100만큼의 신호를 주면 100mm, 즉 10cm를 움직일 수 있을까요?
당연히 불가능해 보이지 않나요?
스피커의 움직임에 관여하는 요소는 다양하지만
가장 먼저 눈에 보이는 것은 역시 진동판을 감싸고 있는 고무재질의 서라운드인데요
출처 : Wikipedia
스피커의 진동판이 앞뒤로 움직일 수 있는 범위에 물리적인 제한이 있다는 것을
이 서라운드만 봐도 직관적으로 알 수 있습니다.
스피커의 진동판이 너무 크게 움직이면
어느 순간부터는 소리 크기가 신호에 비례해서 증가하지 못해 줄어들고
또 일정 수준 이상이 되면 그 범위가 아예 제한되어버리는데
이것이 대표적인 비선형 왜곡 중 하나인 ‘컴프레션(Compression, 압축)’ 입니다.
두 번째 – 비대칭에 의한 왜곡입니다.
이상적인 스피커라면 공기를 앞뒤로 밀고 당길때 그 정도가 완전히 동일해야합니다.
눈치가 빠른분들은 벌써 눈치채셨겠지만, 이 또한 마찬가지로 현실에선 불가능합니다.
이처럼 스피커는 그 정도의 차이만 있을 뿐 완벽하게 대칭으로 운동할 수 없으며
이것이 앞서 설명드린 컴프레션과 더불어 비선형 왜곡의 대표적인 형태입니다.
THD
THD란 Total Harmonic Distortion의 약자인데요,
음향 신호에 포함된 배음 성분의 비율을 나타냅니다.
앞서 비선형 왜곡에 대해서 설명하면서 100Hz 신호 입력시 200Hz, 300Hz가 섞여나오는 것에 대해 잠시 소개했는데
이처럼 기음(100Hz)과 함께 나오는 배음, Harmonic(200Hz, 300Hz) 성분이 곧 왜곡, Distortion 입니다.
만약 이러한 THD가 전혀 없는 스피커라면
위 이미지처럼 입력된 신호(왼쪽)과 출력된 신호(오른쪽)이 동일하겠죠!
하지만 스피커는 앞서 설명드린 이유(컴프레션, 비대칭)에 의해 다음과 같은 배음 성분을 함께 재생하게 됩니다.
그리고 위처럼 입력된 신호는 깨끗하지만 출력되는 신호는 배음이 포함되는 것을 우리는
THD, Total Harmonic Distortion 이라고 부릅니다.
이 THD는 스피커 품질에 영향을 미치는 아주 중요한 요소이기 때문에
현 웹사이트를 비롯해 많은 음향 리뷰에서 꼭 다루는데요,
THD 데이터를 측정하고 해석하는 방법에 대해서는 이후 [3장:스피커 측정 데이터 함께 읽기] 에서 다루겠습니다.
이번 글에서 여러분은 이것만 기억해주세요!
- 스피커는 공기를 앞뒤로 밀고 당겨 소리를 재생한다.
- 이때 스피커에서는 컴프레션, 비대칭과 같은 비선형적인 움직임이 관찰되는데, 이것이 곧 비선형 왜곡이다.
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