음향이론2.소리의크기 / 데시벨(DB),dBm,dBu,dBV,dBFS,dB SPL

음향이론1. 소리의정의 / 소리의 전달과정 / 소리의 빠르기(속도) / 위상 / 읍압과 음색 / 등청감곡선 (tistory.com)

읽기전에 먼저 소리의정의 게시물부터 보고오시는걸 추천드립니다.

 

음향이론에서 사용되는 데시벨(dB) 단위는 물리학에서 전기 신호, 음악, 음성 등의 진폭이나 소리의 크기를 측정하는 데 널리 사용되는 단위입니다. 이러한 단위들은 각각의 특성과 용도에 따라 나누어지게 되었습니다.

dBm, dBu, dBV, dBFS, dB SPL 등은 각각의 단위가 표현하는 대상이 다르기 때문에 나누어지게 됩니다. 예를 들어, dB SPL은 소리의 강도를 측정하는 데 사용되는 반면, dBFS는 디지털 오디오에서의 최대 입력 레벨을 측정하는 데 사용됩니다.

데시벨이라는 단위는 벨(Bel)이라는 단위에서 파생되었으며, 벨은 전력이나 에너지의 크기를 나타내는 단위입니다.

그러나 벨 단위는 너무 큰 차이를 가지기 때문에 데시벨 단위가 사용되게 되었습니다.

데시벨 단위를 처음 도입한 사람은 벨 연구를 한 Alexander Graham Bell입니다.

그 후에 음향이론에서는 여러 사람들이 데시벨 단위의 적용 방법을 발전시켜나가면서 현재의 다양한 데시벨 단위들이 만들어졌습니다.

자 이제부터 디테일하게 알아볼까요?

 

 

 

 

데시벨 (decibel)

 

환경 소음 측정기

 

 

소리의 크기 (the volume of sound)   : 볼륨 오프 사운드

 

소리의 크기를 측정하고 표시하는 방법에 관해 알아보자. 앞에서 다룬 내용보다는 조금 더 어려울 내용이지만, 차근차근 이해하도록 노력하자.

 

데시벨(decibel, db로 표현한다)이라는 용어에 우리는 조금 익숙해져 있다. 위 그림처럼 공사 현장이나 길가에 환경 소음 측정기가 달려 있는 것을 볼 수 있는데, 보통 70-90db 정도의 수치가 기록되어 있다. 이값은 정확히 db SPL이라는 단위에 의해 표시되는 값으로 조금 뒤에 상세히 알아보겠다. 

 

db는 출력에 관련되는 두 값 사이의 비율이다. 비율이라는 점에 유의하라. 왜냐하면, 출력을 표시할 때 쓰이는 와트(watt.w)와는 다른 개념이기 떄문이다. db를 알기 위해 *1. 로그(Logarihm. Log)를 다루어야 하는데 (로그를 도입하면 엄청난 숫자를 쉽게 표현할 수 있다. 1,000,000은  10 6  (십의 육승)  . 로그값 6은 백만을 표시) 다음 사항들을 가능한 이해 하도록 노력해 보자. dB는 Bell의 1/10을 표시한다(**2. 데시(deci)는 1/10의 의미이고, Bell은 전화기의 발명가로 잘 알려진 알렉산더 그레함 벨의 이름을 딴 단위로, 모든 출력 비율의 log값을 의미한다).

 

즉, 두 출려값 P1과 p2의 Bell 값(비율)은

     Bell = log(P1/P2)

                 그리고 그 값의 1/10인  *dB 값은

                dB= 10 x Log (P1 /P2 ) 로 표시된다.

 

조금 더 쉬운 이해를 돕기 위해 예를 들어 보자.

 

출력 100W에 대한 출력 10W의 dB 값을 알아보면

     dB = 10xLog (P1 / P2 )

          =  10XLog( 100/ 10 )

           = 10x LOG 10 = 10x 1 = 10 

           

  100W와 10W의 차이는 10db이다. 그리고 당연히 100W가 10dB 크다.

  아래 표는 큰 출력과 작은 출력에 대한 dB 값을 계산해 놓은 표이다.

 

 

 

 

 

-----------------별표시 설명란---------------------------------------------------------------

*1. 산수에서 수학으로 넘어갈 때 가장 큰 변화중 하나는 Interval scale에서 Ratio scale로 넘어간다는 것이다.

 

2. 더하기 뺴기 같은 "간격 interval을 사용하는 것이 편하다. 10에서 다음 숫자까지의 거리는 언제나 같은 간격 interval이다. 9에서 다음 숫자까지의 거리도 마찬가지이다. 1이건 1000001이건 다음 숫자(단위)까지는 항상 같은 간격이다.

 

3.사람의 로직은 간격 interval을 사용하는 것이 편하다. 

10에서 ㄷ음 숫자까지의 거리는 언제나 같은 간격 ineterval이다. 9에서 다음 숫자까지의 거리도 마찬가지이다. 

 

 

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dBm (Decibel-milliwatt)   : 데시벨-밀리와트

전기출력 레벨을 표기할 때 사용하는 단위로는 dbm이 있다. 이 값은 1mW(1/1000W)에 기준 두는 값

으로, 0dbm = 1mW로 정해져 있다(m은 mW를 의미한다),  1mW는 600Ω의 임피던스를 갖는 회로에서 0.775V의 전압을 갖는다. 따라서 0dbm = 0.775V이다.(이 부분들은 무조건이라고 할 만큼 이해보다는 암기가 필요한 부분이다)

 

모든 음향기기의 신호는 전압 레벨(Voltage Level. 전기신호이기에)에 의해 운영된다. 출력쪽의 앰프와 스피커 외의 모든 부분에서의 작동 단위는 이 dbm에 의해서 표시된다. 그렇지만 앞서 알아본 dBm은 출력 비율에 관련되는 단위일 뿐 전압의 표시에는 사용 되지 않는다. 사용된다고 해도 정확한 임피던스 값을 알아야 앞서 말한 mW와의 관계를 이용해서 그 전압으로의 표시에 사용 가능할 것이다. 그래서 또 하나의 새로운 단위가 필요하다. (초기 dB는 전기 전송의 효율을 위한  *600Ω 임피던스 매칭을 위해서 사용되었다. 하지만, 현대적인 전기장비에서는 더 이상  600Ω 임피던스 규격을 필요하지 않은 다양한 장비와 전송 방법들이 사용되고 있다)

 

*오래전 전화 통신이 시작될 시기에 표준값으로 정해진 임피던스 값. 장비의 연결에 같은 임피던스 값을 가지게 만들어서 신호 전달이 용이하게 만들어졌다.

 

 

 

dBu (Decibel Unit)  : 데시벨 유닛

출력과 입력 전압의 표시에 dBu가 사용되는데 사실 dbu는 dbm과 같다. 0.775V를 같은 0의값으로 사용한다. 다른 점은 여결되는 부하(임피던스 값을 갖는, 쉽게 말하면 어떤 연결된 기기의 입력과 출력의 임피던스 값)에 영향을 받는 것이 dBm이고 부하와는 독립된 단위가 dBu이다(u는 부하가 없음을 의미하는 unload). 따라서 아날로그 장비에서는 대부분 dBu가 사용된다. 

 

 

 

dBV(Decibel Volt) : 데시벨 볼트

직접적으로 전압에 관련되는 단위가 dBV와 dBv이다. dBV는 1V의 전압을 0의 값으로 갖는 반면, dBv는 dBm과 같이 0.775V(앞서 말한 600Ω의 임피던스의 부하를 갖는)를 0의 값으로 갖는다.그런데 IEC(Internationa) Electrotechnical Commission) 와 NAB(the National Association of Broadcasters)라는 두 기관에서 dBv를 dBu로 통일해서 사용하도록 결정해 버렸다.  그래서 dBu로 부하를 갖지 않는 조건에서 값을 표현한다. 0dBu는 0.775V 임을 잊지 말도록 하자. '그러면 0에 대한 기준이 틀린데...' 하는 머리 좋은 사람들을 위해 다음의 도표를 준비했다.

 

 

dBV,dBu 변환표

 

이표의 의하면, 전압 출력 1V 0dBV 이면서 + 2.2dBu (혹은 600Ω 부하를 계산한 dbm)의 값을 가진다.

 

 

표준라인레벨(Reference Level) : 래퍼런스 레벨 이라는 용어가 있다. 쉽게 설명하면, 우리가 한라산의 높이를 1.950m 라고 할 떄 해발이라는 용어로 그 높이의 기준이 바다 수면의 높이를 기준으로 한 것임을 알 수 있다.이와 같이 소리 신호(음향기기 간의 접속과 기기 내부에서의 전기신호의 크기) 가운데에서 기준으로 정한 크기가 바로 표준라인레벨이라는 기준 레벨이다.

 

 

이 기준레벨에 의해 각기 다른 제조사의 다른 성격을 지닌 기기들이 연결되어 운용된다. 나중에 설명이 되지만, 이 부분은 시스템의 설계, 연결 그리고 운용에 있어 아주 중요한 역할을 한다. 표준라인레벨은 아날로그 음향기기들 가운데에는 -10dBV와 +4dBm의 두 가지가 표준적으로 사용되고 있다. 물론 이 두 가지 외에 방송용 기기들은 +8dBm을 표준 라인 레벨로 가지고, 디지털 장비에서  이 표준라인레벨은 소비자용은 12dB(- 부호가 생략된다. 기준점이 0dB로 정해지기 떄문에) 프로용은 18dB로 정해져 있다. 흔히 색깔로 표준라인레벨 이상과 이하를 구분하여 표시하기도 한다. 디지털이 완전하게 보편적인 장비로 등장하면서 디지털 장비 내에서 사용되는 단위가 또  다른 기본 단위로 등장했다. 

 

 

dBFS(Decibel Full Scale) :  데시벨 풀 스케일

 

dB뒤에 FS(Full Scale)이 붙게되는 이 단위는 가장 큰 레벨이 고정되는 디지털 장비의 특성상(그 이상의 레벨은 절대 소화가 안 됨), 가장 큰 레벨은 0 dBFS하고 작은 레벨쪽으로 숫자가 커지게 정해져 있다. 

 

표준라인레벨은 Nominal Level  , 공칭레벨 : , Unity Level 그리고 권장레벨(Reference Level) 등으로도 불린다. 하지만, 장호준선생님 기준으로 써는 표준라인레벨로 부르기 시작했는데, 이것은 실제 장비의 사용과 운용에 아주 중요한 부분이 되기 떄문이다, 시스템의 잡음 출력이나,신호 연결 등의 부분은 물론 입력되는 소리신호의 구체적인 음색이나 정체성까지도 표현될 수 있는 중요한 부분이기 떄문이다. 

 

 

 

DB SPL (Sound Pressure Level) :  데시벨 사운드 프레셔 레벨

 

자연 음향(Acousitc)에서의 소리는 앞에서 잠깐 언급된 dB SPL이라는 단위에 의해서 표현된다. 소리는 압력과 시간으로 이루어진다고 했었다. SPL(sound Pressure Level 읍압레벨)은 곧 그 소리의 압력값 의미한다. 앞에서 dB는 비율이라고 했는데 비율은 어떤 하나의 기준이 필요하다. 글서 소리신호 가운데는 전압이나,출력이 그 기준이 되어 dbm나, dBV 같은 자가 있는 것이다, 즉, 이 dB SPL은 압력이 그 기준이 된다는 이야기이디. 압력 이야기를 하려면, 그 단위도 알아야 하는데, 이것은 도 물리라는 과목이 필요한 이야기이다.

 

 

 

소리측정 (SPL 단위)

 

 

물리에서 압력은 dyne/cm2이 라는 단위에 의해 표시한다. 0,0002dyne/cm2라는 압력을 0db spl로 정했다. 이 압력값은 대기압의 백만분의 1이라는 값이다. 그래서, 사람의 귀는 사람이 일반적으로 땅 위에 서서 느끼는 공기의 압력의 백만분의 1이라는 값의 변화를 느낄 수 있을 만큼 민감하게 만들어져 있다는 이야기가 된다.  다른 표현으로 귀에 전혀 손상이 없는 어린이의 귀에 가장 민감한 주파수인대인 1kHz에서 4kHz이 소리를 최소의 볼륨에서부터 서서히 볼륨을 높이면서 들려주면, 그 어린이의 귀에 소리가 들릴 떄,즉 0.0002dyne/cm2의 압력이 고막에 전달될 떄의 읍압 레벨이 0dB SPL이라는 이야기이다. 청음의 입구로 번역될 Threshold of Hearing : 쓰레쇼울드 어브 히링 이 바로 그 값을 의미한다. 옆으 표는 dB SPL과 실제적인 소리의 크기와의 관계를 보여준다.

 

맨 위의 140dB SPL의 Threshold of Pain : 쓰레쇼울드 어브 페인 이란 귀의 고막이 고통을 느껴 무슨 소리인지 모를 정도로 큰 소리의 레벨 값을 말한다. 귀로 들을 수 있는 가장 큰 소리를 의미한다. 이보다 더 큰 소리는 당연히 있다.

 

이 dB SPL은 다음과 같은 식으로 계산된다.

  dB SPL = *20 Log(P1/P2)

  P1, P2는 소리의 두 가지 입력 값이다.

 

dBm, dBV와 같은 소리신호 가운데에서의 크기와 dB SPL로 표시되는 자연공간 가운데에서의 소리 크기의 관계에서 앞으로 다룰 음향시스템의 중요한 기준점을 알아야 한다. 어떤 상황 또는 형태에 있던지 표준 라인레벨로 표시되는 기준점과 바로 뒷장에 나올 다이내믹 레인지에 관한 내용이 사실상 음향 엔지니어로서 요리할 수 있는 재료라는 것이다. 물론 장비들과 같이 실제 그릇이나 칼 역할을 하는 것도 있고, 소리신호처럼 물 또는 양파와 같은 재료가 되는 것이 있겠다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

요약 :

 

dBm	1mW의 출력을 나타내는 단위
dBu	0.775V의 전압을 나타내는 단위
dBV	1V의 전압을 나타내는 단위
dBFS	디지털 음원에서 오버로드를 나타내는 단위
dB SPL	사운드 프레셔(압력) 레벨을 나타내는 단위

• dBm: 1mW의 출력을 나타내는 단위입니다. dBm이 정의된 이유는 전력이나 신호의 강도를 dB로 표현하는 것이 일반적이기 때문입니다. 출력 전력이 1mW일 때, 즉 0dBm일 때의 출력 전압은 장치마다 다르지만 대부분 0.775V 정도입니다.
• dBu: 0.775V의 전압을 나타내는 단위입니다. dBu는 0dBm의 출력 전압에 해당합니다. dBu는 신호 강도나 출력 전압을 dB로 표현할 때 사용되며, 대부분의 오디오 장비의 출력 레벨을 dBu로 표시합니다.
• dBV: 1V의 전압을 나타내는 단위입니다. dBV는 dBu와 유사하지만, 1V의 출력 전압에 해당합니다. 대부분의 장비는 1V 출력이 가능하지 않기 때문에 dBV는 잘 사용되지는 않습니다.
• dBFS: 디지털 음원에서 오버로드를 나타내는 단위입니다. dBFS는 Full Scale의 의미로 디지털 오버로드를 나타내는 단위입니다. 디지털 시스템에서는 0dBFS가 최대 출력 레벨입니다. dBFS는 디지털 피크 레벨을 표시하는 데 사용됩니다.
• dB SPL: 사운드 프레셔(압력) 레벨을 나타내는 단위입니다. dB SPL은 20마이크로파스칼(Pa)의 사운드 프레셔(압력)를 기준으로합니다. dB SPL은 사람의 청각을 기준으로하기 때문에, 인간이 들을 수 있는 범위인 0dB SPL에서 120dB SPL까지 사용됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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출처 : 장호준 음향시스템 핸드북

          유튜브 김도헌 대림대교수 Previsions

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