I. 서 론

기존 패시브 라우드스피커 시스템 및 유닛 단품의 경우 IEC60268-5에서 정의한 스피커 터미널 전압 U_L을 사용하여 간편하게 정의할 수 있었다.^[1] 예를 들어 8Ω 공칭 임피던스를 가진 패시브 라우드스피커 감도(Lp)는 Eq. (1)과 같이 표현할 수 있다.

하지만 Fig. 1과 같은 액티브 라우드스피커 시스템의 경우 블랙박스로 구성되어 있어 입력 레벨, 입력 전압, 전기적 입력 파워는 다양한 입력 채널을 가지고 시스템 내부 접근이 어려워 유용하지 못한 측정인자이다.

Fig. 1.

(Color available online) Modern active loudspeaker system.

액티브 라우드스피커 시스템 측정 시 발생할 수 있는 문제점들을 요약하면 다음과 같다.

- 측정 신호음 크기 정의.

- 서로 다른 유/무선, 아날로그/디지털 입력 채널을 가진 기기간 공정한 성능 비교.

- 신뢰할 수 있는 반복 측정이 가능한 테스트 신호음 정의.

IEC 한국 대표로 활동하며 다양한 해외 라우드스피커 전문가들과 함께 2018년에 새롭게 제정한 라우드스피커 측정 표준인 IEC 60268-21은 최신 액티브 라우드스피커 시스템 측정을 위한 다양한 측정 표준을 새롭게 정의하였다.

II. 본 론

2.1 최대 음향 출력(SPL_max)

최대 음향 출력은 제조사에 의해 정의되고, 신호음의 종류, 측정 위치, 측정 환경을 함께 명기하여야 하고 개발자, 판매자, 사용자 모두에게 가장 의미 있는 측정값이다. 측정 시료는 100 h 파워 테스트 기간동안 손상되지 않아야 한다.

신호 음은 제조사에 의해 정의되지만 핑크 혹은 화이트 잡음 특성을 가지거나 복소수 다중 톤을 가진 광대역이어야 하고, 상한 및 하한 주파수를 명기하여야 하며, IEC 60268-1에 명기된 프로그램 주파수 특성을 가져야 하고, 파고율을 명기하여야 한다. 테스트 신호 음은 최종 사용 조건 음향 특성을 대표해야 한다.^[2]

측정 위치는 제조사가 정의하고, 기준 점은 스피커 콘 진동판 중심을 일반적으로 사용하고, 기준 축은 콘 표면에 수직이다. 측정 마이크로폰 위치는 기준 축 상이고, 근거리 혹은 원거리 음장에 존재한다.

측정 지점은 일반적으로 거리가 2배 증가할 경우 음압이 6 dB씩 줄어드는 원거리 음장 측정이 권장되나, 최종 사용 조건이 근거리 음장일 경우 근거리 음장 측정을 사용한다.

원거리 음장 요구 조건은 스피커 최장 기하학적 최장 거리(d)보다 충분히 멀어야 하고, 측정하고자 하는 최저 주파수 파장(λ)보다 충분히 멀어야 한다. 또한 큰 방사 면적(d)을 가진 고 주파수 음을 재생하는 스피커(예. 라인 어레이)의 경우 스피커 사이즈에 비해 측정 거리는 충분히 멀어야 한다.

측정 환경은 반사음이 존재하지 않은 무향 환경이어야 하며, 음파 무향실은 완벽한 흡음이 보장되지 않기 때문에 저 주파수에서 정재파가 발생되고, 흡음재에서 반사 음이 발생한다.

임펄스 응답에 윈도우를 부가하여 반사 음을 제거하는 게이팅 기법을 사용할 경우 지표면, 벽, 가구 등의 거리가 충분하지 않을 경우 저 주파수 대역이 제한되는 문제가 발생한다. 따라서 대부분의 경우 측정 시 오차가 발생하게 되는데, 주파수 크기가 ± 0.5 dB, 위상이 ± 10° 이하의 유효주파수 범위를 반드시 명기해야 한다.

2.2 다중 톤 신호 음

최대 음향 출력을 측정하기 위한 측정 신호음은 광대역이어야 하고, 음향변환기의 모든 비선형 특성 및 보이스코일 열 발생을 활성화하여야 하며, 강제 대류 냉각 및 각종 Digital Signal Processing(DSP) 기능도 활성화시켜야 한다. 또한 신호 음 발생 및 조절이 자유롭고, 파고율 조절도 가능해야 한다.

Fig. 2는 대표적인 측정 신호 음의 확률밀도함수를 나타낸 것이다. 사인파의 경우 큰 전압을 가진 성분이 많아 스피커 유닛에 큰 영향을 줄 수 있음을 확인할 수 있고, 음악의 경우에는 작은 전압을 가진 성분이 대부분이기 때문에 스피커 유닛 영향을 최소화할 수 있다.

Fig. 2.

(Color available online) Amplitude probability density function of audio signals.

Fig. 3은 IEC 60268-21에서 정의한 모사 프로그램 신호이다. 파워앰프 입력 단 파고율을 제어하여 파워앰프 클리핑 발생을 억제하고, 파워앰프 출력단에서 정해진 크기의 신호 음을 출력한다.

Fig. 3.

IEC60268-21 Simulated program signal.

하지만 Fig. 4와 같이 스피커 내 크로스오버 네트웍에 의해 파고율이 크게 변화됨을 알 수 있다.

Fig. 4.

(Color available online) Crest factor changes because of crossover network.

파고율는 신호 실효 값에 대한 최대 값의 비율로 단일 값으로 정의되며, 오디오 기기 측정 시 측정 신호 음을 정의하는데 많이 사용된다.

하지만 피크 값은 관측 시간이 길수록 일반적으로 증가하게 되고, 음악과 같은 오디오 신호는 파고율 변화가 크기 때문에 발열, 기계적 부하, 피로도, 노화 테스트에 부적합하다.

IEC 60268-21에 정의된 다중 톤 테스트 신호 음은 오디오 기기간 성능 비교, 반복성, 재현성이 가능하고, 준 랜덤 특성을 가진 결정적 신호음 재생이 가능하며, 전형적인 오디오 신호 특성을 대표하고, 과부하, 노화, 피로도, 결함 등을 유발하는 가혹 테스트 신호음 특성을 대표한다.

또한 내구성, 신뢰성, 온도 영향을 테스트하기 위한 장시간(100 h) 테스트에 적합하고, 최대 음향 출력(SPL_max)을 측정하기 위한 입력 채널의 빠른 교정에도 사용 가능하고, 왜곡, 크기 압축 및 보이스코일 변위 및 온도 같은 스피커 상태 변수를 실시간으로 모니터링하는데도 사용이 가능하다.

결정적 복소수 다중 톤은 Eq. (2)와 같이 나타낼 수 있고, 로그 주파수 간격으로 A(fi)크기를 갖는(N+1)개의 사인파 합으로 나타낸다.

여기서 fi는 기저 주파수로 fb, 배수 성분 최저 주파수 f0, 최고 주파수 fN로 나타내며, 기저 주파수 fb는 Eq. (4)로 나타낼 수 있다.

기저 주파수는 다중 주파수 성분 사이 기본 성분의 번짐 현상 영향을 피하기 위해 샘플링 주파수 fs와 푸리에 변환 사이즈 NFT, 복소수 다중 톤 최소 길이 T에 의해 결정된다.

해상도 파라미터 R은 옥타브당 음의 개수를 나타내며, 각각의 음은 유사 랜덤 위상을 가진다.

저 주파수 위상은 보이스코일 움직임을 결정하기 때문에 비 선형 왜곡에 큰 영향을 미친다. Modulus 파라미터 m은 디지털 워드 사이즈로 정해지고, 다른 자유 파라미터 a, c, 시작 값 n0은 m보다 작은 양수이다.

이러한 파라미터 값을 변경할 경우 위상 무작위도에 영향을 주며 파형의 파고율도 함께 바뀐다. 파고율은 특정 주파수 범위, 신호 길이, 해상도에 따라 최적화가 가능하고, 초기 값으로 a = 843, 314, 861, c = 453, 816, 693, m = 231, n₀ = 0을 사용한다. Modulo 연산은 반 올림 에러 없이 수행되고, 파라미터들은 32비트 양수값을 사용한다.

입력 신호 음은 제조사가 정의한 최대 음향출력(SPL_max) 기반으로 교정이 이루어져야 한다.

이는 최대 입력 값(U_max)의 빠른 결정 및 서로 다른 테스트 신호 음과의 교정 시에도 사용되고, 아날로그 및 디지털 입력을 갖는 액티브 스피커 시스템의 모든 입력채널 교정에도 사용이 가능하다.

IEC 60268-21은 다중 톤 신호 음을 교정 신호 및 100시간 연속시간 신호로 사용할 것을 권장한다.

교정 과정은 다중 톤 신호 음을 인가하고, 모사 자유 음장 조건 원거리 음장 1미터 위치에서 최대 음압이 얻어질 때까지 입력 신호음 크기를 조절한다.

최대 음압(SPL_max)에서의 다중 톤을 사용한 입력 신호의 크기를 최대 입력 값(U_max)으로 정의한다.

2.3 일반 공간(in-situ) 측정

자유 음장 측정은 게이팅 기법을 사용하지만, 저 주파수 대역이 제한되는 문제를 가진다. 근거리 음장 스캐닝방식은 구형파 방식을 사용하여 완벽한 측정이 가능하나 장치가 비싸고, 많은 시간이 소요된다.^[3]

보상 함수를 사용하는 방식은 일반적인 공간 내에서 한 지점에서 측정을 하기 때문에 측정이 빠르지만, 마이크로폰 측정 신호의 복소수 역 필터링 기법을 사용하기 때문에 정확한 기준 측정 값이 필요하다.

IEC 60268-21에는 보상 함수를 이용한 모사 표준 측정을 위해 보상 신호종류 및 주파수 범위에 따라 다양한 보상 기법을 제안한다.

먼저 보상 신호 종류에 따라서 아래 두가지 방식으로 구분할 수 있다.

첫번째는 마이크로폰 측정 음압 신호 중 크기 성분만을 보상하는 방식으로 위상 정보를 포함하고 있지 않아 왜곡 측정에는 사용이 불가능한 한계를 가진다.

두번째 방식은 마이크로폰 측정 음압 신호 전체(크기 및 위상)를 보상하는 방식으로 왜곡을 포함한 모든 종류의 측정 및 분석에 사용이 가능하다.

다음으로 보상 신호의 주파수 범위에 따라서 아래와 같이 세가지 방식으로 다시 구분할 수 있다.

첫번째는 전체 대역 기준 측정 값을 사용한 전체 대역 보상법으로, 모든 주파수 대역에서 정확한 기준 측정 응답이 요구되고, 공간에서 발생하는 모든 요소들의 보상이 가능하며, 평가 지점과 테스트 지점이 다르더라도 완벽한 보상이 가능하다. 하지만 마이크로폰과 테스트 시료가 조금이라도 움직이면 고 주파수에서 큰 에러가 발생한다.

두번째는 저 주파수 기준 측정 값을 사용한 전체 대역 보상법으로, 파장이 상대적으로 긴 저 주파수 대역에서 정확한 기준 측정 응답이 요구되고, 마이크로폰과 테스트 시료의 약간의 움직임이 전체 보상함수 에러에 큰 영향을 주지 않는다. 고 주파수는 윈도우를 사용하여 그대로 사용하고, 고정된 테스트 지점에서만 사용이 가능하다.

세번째는 저 주파수 기준 측정 값을 사용한 저 주파수 대역 보상법으로, 1 kHz 이하에서 충분한 해상도를 가진 정확한 기준 측정 응답이 요구된다. 마이크로폰과 테스트 시료의 움직임은 에러에 큰 영향을 주지 않지만, 고 주파수 반사음이 흡음재에 의해 반드시 크게 감쇄되어야 한다.

세가지 방법 중 에러 발생 요인이 큰 전체대역 기준 측정값을 사용한 전체 대역 보상법은 일반적으로 권장되지 않는다.

2.4 크기 압축

IEC 60268-21에서 크기 압축은 측정 시간 tm에서 측정한 시변 전달함수 H(f,r,umax,tm) 크기 주파수 응답과 동일 위치 및 환경에서 소 신호 레벨(-20 dB)에서 측정한 선형 전달함수 Hlin{(f,r,0.1umax}) 크기 주파수 응답 레벨 차이를 나타낸다.

크기 압축의 경우 원거리 음장 및 자유 음장 조건이 요구되지 않고, 스피커 위치 및 마이크로폰 위치는 고정되어야 한다. 테스트 방법은 근거리 음장 조건에서 신호음과 측정 조건을 정의하고 최대 입력 전압(Umax)을 결정한 후, 선형전달함수Hlin{(f,r,0.1umax})를 먼저 측정하고, 최대 입력레벨에서 시변전달함수H(f,r,umax,tm)를 측정한다. 이후 크기 압축 값을 계산한다.

2.5 총고조파왜곡

총고조파왜곡율은 측정 공간의 음향 특성에 따라 큰 차이를 나타내기 때문에 반사음이 존재하지 않는 자유 음장 조건에서 측정하거나 보상 필터를 사용하여 분석을 하여야 한다.

Fig. 5는 보상 필터 적용 전, 후 스피커 주파수 응답을 나타내고, Fig. 6은 보상 필터 적용 전, 후 총고조파왜곡율을 나타낸다.

Fig. 5.

(Color available online) Frequency and THD responses difference due to compensation filter.

Fig. 5에서 저 주파수 대역에서 공간 내 발생된 룸 모드로 인해 20 dB 이상의 주파수 특성 편차가 발생됨을 알 수 있고, 총고조파왜곡의 경우에도 6 dB 이상 차이가 발생됨을 알 수 있다.

Fig. 6은 총고조파왜곡율을 퍼센트로 나타낸 것으로 보상 필터를 사용하지 않은 경우 100 %가 넘는 큰 에러가 발생된다.

Fig. 6.

(Color available online) Relative THD percentage value due to compensation filter.

총고조파왜곡은 각각의 고조파 성분 크기를 합한 절대적 총고조파왜곡과 전체 측정 신호음 크기 대비 각각의 고조파 성분 크기 합을 나타낸 상대적 총고조파왜곡율로 구분할 수 있다.

절대적 총고조파왜곡은 해석이 간편하고, 상대적 총고조파왜곡율은 단일 음 고조파 성분의 가청 여부를 설명하지만 선형 주파수 응답이 평탄하지 않을 경우 각기 다른 차수의 고조파 성분 비교가 어렵고, 해석이 난해할 수 있으며 마스킹 효과를 정확하게 고려하지 못하는 한계를 나타낸다.

IEC 60268-21에서는 이러한 총고조파왜곡의 한계점을 극복하기 위해 등가입력 총고조파왜곡을 도입하였다.

등가입력 총고조파왜곡은 기본 주파수와 고조파 성분을 절대적인 값으로 나타내고, 고조파 성분을 라우드스피커 입력 값으로 변환시키며, 왜곡의 마스킹 성분을 평가하기 위해 인지적 모델링을 사용한다.^[4]

Fig. 7은 등가입력 총고조파왜곡을 나타내고 이는 능동 제어시스템에 의해 보상이 가능하여 스마트 앰프 등에서 고조파 왜곡을 감쇄시킬 목적으로 사용 가능하다.

Fig. 7.

(Color available online) Equivalent input total harmonic distortion.

등가입력총고조파왜곡은 고조파 왜곡이 발생한 지점을 나타낼 수 있고, 음향 변환기, 공간, 거리, 센서 등에 영향을 받지 않아 무향실, 생산라인 테스트 박스, 사무실과 같은 현장에서 동일한 왜곡을 나타낸다.

등가입력총고조파왜곡은 입력 신호에 대한 백분율 값 혹은 스무딩 곡선 처리 등으로 해석이 쉽고, 능동 제어 시스템에 의해 감쇄가 가능한 장점이 있으며 충분한 신호대잡음비를 나타내기 위해 근거리 음장에서 측정이 이루어진다.

III. 결 론

2018년도에 IEC 한국대표로 세계 많은 스피커 전문가와 함께 제정한 IEC 60268-21은 아날로그 혹은 디지털, 유선 혹은 무선 신호와 같은 다양한 입력 채널을 가진 액티브 오디오 시스템의 측정 및 분석에 적용이 가능하다.

액티브 오디오 시스템의 성능을 보다 사용자 중심적이고 신뢰할 수 있는 값으로 측정하기 위해 최대 음향출력(SPLmax)를 새롭게 정의하였다.

또한 동적 특성을 평가하기 위해 크기 압축을 도입하였으며, 완전 음파 무향실이 아닌 일반적인 사무실 공간 혹은 생산 라인에서도 정확한 음향 측정이 가능하도록 보상 함수를 이용한 일반 공간측정법을 도입하였다.

일반 공간에서 정확한 왜곡율 측정 및 해석을 위해 등가입력총고조파왜곡을 도입하였고, 이는 고조파 왜곡이 발생한 지점을 나타낼 수 있고, 음향 변환기, 공간, 거리, 센서 등에 영향을 받지 않아 무향실, 생산 라인 테스트 박스, 사무실과 같은 현장에서도 동일한 왜곡 측정이 가능하다.

IEC 60268-21은 스피커 뿐만 아니라 헤드폰, 헤드셋, 이어폰, 이어셋에서도 사용이 가능하고, 전압과 전류 같은 상태 변수 측정은 포함하고 있지 않으며 감도, 전기적 입력 파워, 전기적 임피던스는 향후 추가로 제정될 IEC 60268-22에 포함될 예정이다.