SEG - Sound Expert Group

 소리의 3요소가 있다.  소리의 크기(강약(强弱)), 높낮이(고저(高低)), 맵시(음색(音色))를 말한다. 이들은 모두 청감각으로 소리를 지각할 때 소리의 특징을 기술하는 용어들이다. 이들 심리적인 청감각 용어들은 제 각각 소리의 물리적인 변수에 대응된다. 첫째로 소리 맵시, 즉 음색(tone color)은 소리 파동의 파형(波形=wave form)에 주로 관련된다. 소리의 파형은 여러 성분파의 합성 결과이므로 소리맵시는 스펙트럼(spectrum)의 영향을 받는다고 할 수도 있다. 다행히도사람마다 음색이 다르기 때문에 전화 목소리만 들어도 누구 목소리인지 구별 가능하다. 감기에 걸리거나 몸에 이상이 생겨도 성문(glottis) 근육의 영향으로 음색이 변하기 때문에 목소리만 듣고도 몸의 이상 낌새를 챌 수 있다. 둘째로 소리의 높낮이(pitch)는 물리적인 소리 주파수(frequency)의 영향을 주로 받는다. 음악 용어에 특히 옥타브(octave)가 있는데 이는 하나의 주파수와 그 2배 되는 주파수 사이를 말하는 것으로써 두 음 사이에는 완전 8도의 어울림이 있다고 심리적으로 파악되고 있다. 한 옥타브를 몇 개의 음계로 나누느냐에 따라 5음계, 7음계 옥타브 음악으로 분리된다. 청각적으로 인간은 20Hz에서 20kHz 사이의 소리를 들을 수 있는데 이 가청음역을 10개의 옥타브로 분리한다. 셋째로 소리의 크기는 주파수의 영향을 받기도 하지만 물리적인 소리의 세기(intensity)에 주로 영향을 받는다. 소리의 세기는 단위면적을 단위시간에 통과하는 소리에너지로 정의된다. 이는 측정시에 측정지점의 소리에너지를 단위면적(mks 단위계: 1)을 단위시간(1 sec) 동안에 통과하는 소리에너지(mks 단위: joule)로 환산처리한다는 의미이기도 하다.  

 물리적인 자극(stimulation)을 지각(perception)하는 심리적인 법칙으로 그 유명한 베버-페히너 법칙이 있다. 베버(Ernst Heinrich Weber: 1795-1878)는 자극에 대한 인간의 지각에 대하여 인류 최초로 실험을 수행하고 소위 JND(Just Noticeable Difference), 즉 자극량의 변화를 인지할 수 있는 최소자극변화량이 초기 자극에 비례한다는 사실을 발견했다. 베버에 의하면  초기 자극량을 S, JND를 △S라고 할 때 △S/S=일정(일정=베버상수) 하다. 베버에게서 수학한 페히너(Gustav Theodor Fechner: 1801-1887)는 베버의 법칙을 적분함으로써 인간의 지각량 P는 물리적 자극의 대수(對數=logarithm)에 비례함을 보였다.

                            ----------(1)

 여기서 는 지각량이 0이 되는 자극량으로써 다시말해 지각이 가능한 최소 물리적 자극량이다. k는 청각, 시각, 후각, 압각, 피부감각과 같은 감각의 종류나 각 감각에 대한 자극의 종류에 따라 적절하게 선정 될 수 있는 상수이다.  자극과 지각의 관계가 대수적이라는 말은 무슨 의미인가? 이는 자극이 2배, 3배가 되더라도 지각량은 원래의 지각량에 , 씩 만큼만 더해지는 관계로 증가한다는 의미이다. 또, k를 적절하게 설정한다는 의미는 자연로그를 상용로그로 전환해도 무방하다는 의미가 된다.

 (1)식을 청각의 높낮이에도 적용할 수는 있지만 여기서는 소리의 크기(Loudness)에 적용하는 관계를 살펴 본다. 사람의 청각은 대략 의 미약한 소리 세기부터 900 의 큰 소리 세기까지를 들을 수가 있다. 가청 최약소리와 최강소리의 소리세기 비율이 지수적으로 으로 크기는 하지만 그 대수적인 값(0~14 Bel)의 차이는 작기 때문에 k'를 10으로 설정하여 그 분포를 10배로 넓혀 소리 세기준위(0~140 deci Bel=dB)를 정의한다. 당연히 가청 최약의 소리 세기를 기준 소리세기()로 설정하면 소리세기 인 소리세기의 준위(Sound Intensity Level)는 베버-페히너법칙에 따라 다음과 같이 정의된다.

                                 ----------(2)

 소리 크기에 대하여 (2)식으로 정의된 소리세기 준위를 적용하는 것이 맞지만 일상에서는 음압준위(Sound Pressure Level)를 더 많이 사용한다. 실제로 음압을 P, 매질의 특성 임피던스를 (여기서 는 매질의 밀도, c는 음속)라고 하면 소리의 세기 이므로 (2)식에 대입하여 음압준위(SPL)식을 구할 수 있다.

                                ----------(3)

 여기서 로 설정하여 이다.

 가청 최약 소리세기는 1kHz의 소리를 기준으로 설정된 것이다. 사실 소리의 크기는 소리세기에만 의존하지 않고 주파수에 대해서도 달라진다. 다시말해 물리적으로 소리의 세기가 같을지라도 소리의 주파수가 낮거나 높으면 귀로 지각할 때 다른 크기로 듣게 된다는 것이다. 인간은 보통 2~4kHz 부근의 소리를 가장 크게 듣는다. 이들 주파수에 대한 지각하는 소리의 관계를 나타낸 그래프를 Fletcher-Munson curve(참조: http://soryro.tistory.com/199)라고 한다. 이 때문에 소음계(sound level meter)는 사람의 지각의 크기에 맞추어 소리의크기를 측정하기 위하여 IEC 국제표준으로 설정된  A-weighting을 준다. A-weighting은 저음과 고음에 사람귀가 둔하기 때문에 실제 소리의 저음부와 고음부 소리의 물리적 측정량 기여도를 줄여서 측정한다는 의미가 된다. 이렇게 측정한 음압준위의 단위를 dB(A)로 나타낸다. 보통은 A 가중치를 가장 보편적으로 적용한다. 이 외에도 소리측정의 가중치는 [그림1]에서 보는 바와같이 B, C, D type도 있다.  B 가중은 현재 사용하지 않고, C 가중은 정밀측정에서 사용하고 있고, D 가중은 군용기나 불규칙한 소음측정에 적용된다.  

                                                   [그림1] 소음계의 가중치 커브

 이외에도 난청인의 건청인에 대한 난청의 정도를 나타내는 가청수준(Hearing Level)의  경우에는 dB(HL)로 나타낸다. 각 주파수에서의 난청인의 가청역치 SPL dB에서 건청인의 가청역치 SPL dB를 빼서 난청인의 가청수준을 구한다. 따라서 소리의 크기를  측정하는 기본 원리에는 베버-페히너 법칙이 자리하고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 수중음향학(Underwater Acoustics)에서는 (3)식의 를 공기중에서의 기준인 20μPa를 사용하지 않고 1μPa를 채택한 dB을 사용한다.

           ------------------ by  Dajaehun