글 | 강성훈
1. 위상이란?
2. 위상 차
3. 위상 주파수 특성
4. 두 신호의 위상 차에 따른 합의 크기
5. 앰프와 스피커의 정위상 역위상 연결
6. 두 신호의 위상 차에 의한 콤필터 왜곡
7. 스테레오 시스템의 청취 위치에 따른 위상 차
8. 악기 음 멀티 픽업 시 위상 차
9. 위상 차를 이용한 마이크의 지향성 제어
10. 위상 차를 이용한 스피커의 지향성 제어
11. 필터에서 위상 변이
12. 스피커 네트워크 필터에서 위상 변이
13. 멀티 웨이 스피커 유닛 간의 위상 차
14. 스피커 간의 위상 차에 의한 간섭
15. 이퀄라이저의 부스트/커트에 의한 위상 변이
두 신호의 위상 차는 시간 차를 의미한다. 시간 차를 위상 차로 나타내는 것은 두 신호의 시간 차는 같아도 주파수가 달라지면 파장이 달라지므로 주파수에 따라서 위상 차가 다르기 때문이다. 따라서 시간 차로 나타내지 않고 위상 차로 나타낸다.
위상 차가 생기는 원인은 음향적인 것과 전기적인 것이 있다. 음향적인 원인은 두 음파가 시간 차를 가지고 공간에서 더해지는 경우에 생기는 것으로서 두 음파 간의 간섭, 콤필터 왜곡, 스피커 청취 위치나 스테레오 청취 위치에 따른 위상 차에 의한 음질 변화, 멀티 마이킹 시 악기 음이 상쇄되는 문제가 생긴다. 또한, 여러 대의 스피커를 스태킹 스플레이 하는 경우도 스피커 간의 위상 차 때문에 콤필터 왜곡이 발생되어 음질이 열화된다.
전기적인 원인은 신호가 음향 기기나 필터를 통과하면 위상 변이(phase shit)가 생긴다. 그리고 이퀄라이저를 부트스하거나 커트하면 위상이 변이된다. 또, 앰프와 스피커를 연결할 때 역 위상으로 연결하면 음상 정위가 명확하지 않고, 음압 레벨도 감소되는 문제가 생긴다. 그리고 위상 차를 이용하여 마이크나 스피커의 지향성을 제어하기도 한다.
위상 특성은 음향 기기의 음질에 많은 영향을 주는 중요한 파라미터이다.
위치나 스테레오 청취 위치에 따른 위상 차에 의한 음질 변화, 멀티 마이킹 시 악기 음이 상쇄되는 문제가 생긴다. 또한, 여러 대의 스피커를 스태킹 스플레이 하는 경우도 스피커 간의 위상 차 때문에 콤필터 왜곡이 발생되어 음질이 열화된다.
전기적인 원인은 신호가 음향 기기나 필터를 통과하면 위상 변이(phase shit)가 생긴다. 그리고 이퀄라이저를 부트스하거나 커트하면 위상이 변이된다. 또, 앰프와 스피커를 연결할 때 역 위상으로 연결하면 음상 정위가 명확하지 않고, 음압 레벨도 감소되는 문제가 생긴다. 그리고 위상 차를 이용하여 마이크나 스피커의 지향성을 제어하기도 한다.
위상 특성은 음향 기기의 음질에 많은 영향을 주는 중요한 파라미터이다.
4. 두 신호의 위상 차에 따른 합의 크기
그림 17에는 두 스피커에서 동 위상으로 신호가 방사되는 경우와 역 위상으로 방사되는 경우를 나타낸다. 이와 같은 경우에 두 스피커의 음압 레벨의 합은 두 신호의 위상 차에 따라서 달라진다.
두 신호의 크기가 A1, A2이고, 위상 차가 θ인 경우에 두 신호의 합의 크기 A는 (4)식으로 구한다.
그림 18(a)와 같이 A1, A2의 크기가 같고 동 위상(0도)이면, 합의 크기는 2배가 된다.
그림 18(b)와 같이 A1, A2의 크기가 같고 90도 위상 차가 있으면, 합의 크기는 1.4배가 된다. 이것은 레벨은 같지만, 2개의 다른 소음이 있는 경우에 해당한다.
그림 18(c)와 같이 A1, A2의 크기가 같고, 역 위상(180도)이면 합의 크기는 0이 된다.
5. 앰프와 스피커의 정위상 역위상 연결
스피커와 앰프를 연결할 때 그림 19(a)와 같이 앰프와 스피커의 극성이 일치하도록 연결해야 한다. 그림 19(b)와 같이 앰프와 스피커가 역 위상(앰프의 극성과 스피커 극성이 반대)으로 연결되면, 두 스피커의 위상 차가 180도가 되어 정중앙에서는 음이 상쇄되어 버린다. 따라서 스피커를 앰프와 연결할 때 앰프의 + 단자는 스피커의 + 단자, 앰프의 – 단자는 스피커의 – 단자에 연결해야 한다.
6. 두 신호의 위상 차에 의한 콤필터 왜곡
콘서트 홀이나 리스닝 룸에서 음악을 청취할 때, 그림 20과 같이 직접음과 지연된 반사음이 더해진 경우를 본다. 이때 두 음파가 위상 차 없이 도달하는 주파수는 음압 레벨이 6dB 증가되고, 위상이 180도 차이가 나는 주파수는 상쇄된다. 그 결과 직접음의 평탄한 주파수 특성이 그림 21과 같이 피크 딥이 생기고, 이것을 콤필터 왜곡(comb filter distortion)이라고 한다.
두 음파의 지연 시간이 Td(s)이면, (5)식에서 N이 홀수인 주파수는 상쇄되어 dip이 생기고, N이 짝수인 주파수는 6dB 증가된다. 그림 22는 직접음에 5ms 지연된 반사음이 더해진 경우의 콤필터 왜곡 특성이다. 피크 딥 주파수는 두 음파의 경로 차(d)로도 계산할 수 있고, c는 음속이다.
콤필터 왜곡 특성은 반사음의 지연 시간에 따라서 달라진다. 그림 22와 같이 반사음의 지연 시간이 짧으면 딥 간의 간격이 넓고, 지연 시간이 길어지면 딥 간의 간격이 좁아진다. 주파수 특성에서 딥 간의 간격이 좁으면 왜곡으로서 잘 지각되지 않지만, 딥 간의 간격이 넓으면 왜곡이 지각되기 쉽다. 특히 1~5ms 지연된 반사음에 의한 왜곡은 잘 지각되고, 음질에 미치는 영향도 크다.
이상의 특성은 직접음과 반사음의 레벨이 같은 경우의 특성이고, 반사음 레벨이 낮으면 그림 23과 같이 딥이 깊지 않다. 또, 실제 공간에서는 반사음이 무수히 많으므로 그림 24와 같은 특성으로 나타나고, 평활화 처리하면 피크 딥이 없어져서 왜곡으로서 지각되지 않는 경우도 있다.
7. 스테레오 시스템의 청취 위치에 따른 위상 차
일반적으로 홀에는 그림 25와 같이 무대 좌우에 2 채널 스테레오 스피커 시스템을 배치한다. 스테레오 시스템에서 최적 청취 위치는 두 스피커 사이를 하나의 변으로 이루는 정삼각형 꼭지점(1 지점)이다. 이러한 경우에 두 스피커의 중앙에서 벗어난 지점에서는 두 스피커로부터 도달하는 음파의 시간 차이 때문에 콤필터 왜곡이 생기고, 청취 위치에 따라서도 왜곡 특성이 달라진다. 이 왜곡을 최소화 하기 위해서는 스피커의 커버리지가 좁은 것을 사용하여 중첩되는 영역을 최소로 한다.
2채널 오디오 시스템에서도 그림 26(a)와 같이 똑 같은 현상이 생긴다. 그림 26(b)는 중앙 이 아닌 지점에서는 콤필터 왜곡이 생기는 것을 볼 수 있다.
8. 악기 음 멀티 픽업 시 위상 차
그림 27(a)와 같이 여러 개의 마이크로 악기음을 픽업할 때, 악기와 마이크 간에 거리 차에 의해서 위상 차가 생긴다. 이러한 위상 차 때문에 콤필터 왜곡이 생기고, 만약 두 마이크로 입력된 신호가 역 위상이면 음이 상쇄된다.
또, 그림 27(b)와 같이 스네어의 앞뒤에 마이크를 설치하여 픽업할 때, 앞면에서 픽업한 음과 뒷면에서 픽업한 음이 역 위상이 된다. 이 두 신호를 믹싱하면 음이 상쇄되므로 뒷면의 마이크를 역 위상으로 바꾸어 앞면 마이크와 위상을 일치시켜야 한다.
9. 위상 차를 이용한 마이크의 지향성 제어
그림 28(a)와 같이 마이크의 모든 방향의 감도가 동일한 지향 특성을 무지향성 마이크(omni-directional microphone)라고 한다. 그림 28(b)는 무지향성 마이크의 구조로서 진동판의 앞
면만 외부에 노출되어 있고 뒷면은 막혀 있다. 따라서 모든 방향에서 입사하는 음파가 시간 차 없이 진동판에 가해지므로 무지향성이 된다.
또, 그림 29(a)와 같이 정면은 감도가 높고, 뒷면의 감도가 낮은 지향 특성을 가진 것을 단일 지향성 마이크(uni-directional microphone)라고 한다. 단일 지향성 마이크의 구조는 그림 29(b)과 같고, 진동판의 앞면에 입사된 음파와 뒷면에 도달한 음파는 2d만큼의 거리에 해당되는 시간 차를 가지고 도달하도록 되어 있다. 앞면에 입사한 음파가 2d의 반 파장이면, 역 위상의 음파가 진동판 앞뒤에 가해져 많이 진동하게 된다. 그러나 뒷면에서 입사되는 음파는 진동판의 앞뒷면에 도달하는 음파의 경로 차가 없으므로 동 위상이 되어 진동판이 진동하지 않으므로 감도는 제로가 된다.
단일 지향성 마이크의 지향 특성은 (6)식과 같다. θ는 정면과 이루는 각도를 나타내고, 정면은 0도이고, 측면은 90도, 후면은 180도이다.
