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미디어를 통한 소리에 대한 이해 및 녹음과정

작성일

2020-07-20 11:23

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847

사람은 두 귀를 가지고 다양한 소리를 들을 수 있다.
이 단순한 명제를 두고 소리를 녹음하기 위해서
처음 나온 도구는 바로

"마이크"

오늘은 사람이 소리를 인지하는 과정과 마이크 및 녹음 과정을 이해하면서
현재 우리가 미디어를 통해 듣는 소리에 대해서 생각해 보자.

1. 사람은 귀를 통해 소리를 인지한다

우선 소리는 눈에 보이지 않는다.
소리를 듣는 과정을 간단히 알아보자면

소리는 진동 형태의 에너지 상태이고 공기 압력의 변화 (수축,팽창)를 통해서 이동하게 되는데
이렇게 이동 중인 소리 에너지는 귓바퀴를 통해서 귓구멍으로 전달된다.

귓구멍부터 시작하는 (2)외이도는 마지막에 (3)고막을 만나게 된다.

고막은 공기 압력 변화를 진동 에너지로 분석하고 이것을 중이에서
3개의 뼈를 통해 달팽이관 까지 전달 할 수 있도록 해준다.

- 이 원리를 그대로 모방한 것이

마이크의 진동판이다

-

중이에 있는 추골(Malleus), 침골(Incus), 등골(Stapes)
이라고 불리는 3개의 뼈는 지렛대 원리를 활용하여
진동에너지를 증폭해 주는 장치로 볼 수 있고
그중 등골은 내이에 해당되는 (5)달팽이관과 연결이 되어 있다.

- 이 원리를 그대로 모방한 것이

Mic Preamp영역이다

-

달팽이관 안에는 청각세포가 있고 림프액으로 전달된 진동 에너지를 분석하며
전기 신호로 변환 후 뇌로 전달해 준다.

진동을 분석하는 과정에서 20Hz~20000Hz의 진동수 까지
이론적으로 감지할 수 있지만 나이에 따라 청각세포의 살아있는 개수가
결정되기에 사람마다 인지할 수 있는 주파수는 차이가 난다.

- 이 원리를 그대로 모방한 것이

현 시점에서는 Analog to Digital Converter 이다

특이 사항으로는 위치 정보를 인지할 수 있도록 사람의 귀 모양이 진화 하였고
(앞쪽으로 살짝 굽어 있어 시각 정보와 다른 위치를 인지하는데 용이하다)

귓바퀴가 위쪽은 복잡하고 귓볼이 평평한 이유도 소리의 위치를 쉽게 파악하기 위해
(시간차를 만들기 위해서, 즉 위 아래 위치를 인지하기 위해서) 진화한 형태이다.

또한 두 개의 귀를 가지고 있어서 원근감, 공간감을 정확하게 인지 할 수 있는 구조로 되어 있다.

만일 귀가 하나만 있다고 한다면
우리는 소리의 X,Y,Z 좌표를 정확히 인지할 수 없게 된다.

재미있는 사실은 귀의 모양은 사람마다 모두 다르며
귓바퀴 모양 / 자신의 왼쪽, 오른쪽 귀 모양 / 외이도의 모양도 서로 다르다.

대부분의 사람들이 모두 짝귀를 가지고 있다고 해도 무리가 없다.

2. Microphone 이란 무엇인가?

최초의 마이크는 전화기를 위해서 발명한 장치이다.

전화기는 사람의 음성을 전기 신호로 변화시켜 전달하고
전기 신호를 받는 쪽에서는 스피커를 통해 진동 에너지로 변환 시키는 과정을 가진다.
그래서 최초의 마이크는 1870년대에 생산되기 시작한 카본 마이크라고 볼 수 있다.

이후에 다양한 형태로 발전하게 되는데
우리가 흔히 알고 사용하고 있는 제품은 크게 3가지 형태로 구분해서 이야기 한다.

다이나믹 마이크 : Moving Coil 방식
리본 마이크 : Ribbon 모양의 알루미늄 판을 사용한 방식
컨덴서 마이크 : 금속판을 사용하고 축전지 원리를 이용한 방식

더 크게 보면 다이나믹,리본은 같은 범주로 넣고
컨덴서 마이크 정도로 구분해서 생각해도 무리는 없다.

*현 시대는 카본 마이크는 거의 사용하지 않는다.

이외에도
피에조(주로 기타와 악기에 부착하는 용도),
소형화된 Pin Mic 및 Boundary(PZM), Shotgun 같은
특수한 목적에 맞춰서 발전된 형태들이 있지만
대부분 다이나믹과 컨덴서 마이크가 가장 보편적으로 사용되고 있다.

참조 : http://www.martinjaroszewicz.com/spatial_audio/S8.html

3. 마이크의 Polar Pattern(지향성) 이란?

흔히 지향성이라는 것은
사람의 귀 모양 때문에 위치 정보를 인지 할 수 있는 것처럼
마이크의 설치 위치, 방향에 따라서 진동 에너지를 쉽게 감지 할 수 있는 영역과
진동 에너지를 감지하는 과정에서 쉽지 않은 영역을 보여주는
간단한 지표로 생각할 수 있다.

물론 이 과정에서 아주 낮은 주파수 대역에 해당되는 영역들은
파장의 길이가 짧지 않기 때문에
(100Hz 만 해도 파장 길이는 약 3.4M 이다)

대부분 무지향성에 가까운 형태로 마이크에 전달된다.
(모든 주파수가 완벽한 단일 지향성 형태로 집음 되는 경우는 거의 없다.)

-패턴의 명칭-

무지향성 (Omni / Omni Directional)
넓은 지향성 (Sub Cardioid, Wide Cardioid)
단일 지향성 (Cardioid / Uni-Directional)
좁은 지향성 (Super Cardioid)
아주 좁은 지향성 (Hyper Cardioid)
양지향성 (Figure 8 / Bi-Directional )
샷건(Shot gun)

위 그림에서 볼 수 있는 것처럼
검은 테두리 안에 있는 주파수는
대부분 마이크가 진동 에너지를 쉽게 감지하는 영역이고

그 외의 영역은 사실상 마이크를 통해서
쉽게 컨트롤이 되지 않는 위치라고 생각하면 된다.

다른 의미로는
입력 감도가 좋고 나쁨으로 이야기 할 수 있다.

지향성 패턴은 주파수에 따라서 다양한 차이를 보이며
높은 가격대를 형성하는 마이크의 경우는
측정되는 값과 지향성 패턴이 거의 유사하지만

저렴한 가격대의 마이크의 경우는
지향성 패턴이 주파수에 따라서 엉망인 경우도 많다.

4. 마이크의 Diaphragm (진동판) 이란?

진동판은 사람의 고막을 생각하고 만든 것 이라고 볼 수 있다.

대표적으로 얇은 비닐로 만든 진동판을 사용한 다이내믹 마이크.
알루미늄 판 내구성 문제로 Ribbon motor를 사용하기 시작한 리본 마이크.
얇은 금속판을 사용하여 아주 민감한 영역까지 모두 감지하는 컨덴서 마이크.

그 외에도 특수하게 설계된 몇 가지 방식들이 더 존재하지만
기본적으로는 위에 언급한 3가지 방식에서 크게 벗어나지 않는다.

사람의 고막이라고 생각하고 보면 각자의 성격과 성질이 매우 다르다.

우선 다이나믹 마이크의 경우
진동판 구조가 얇은 비닐로 만들어져 있고
Coil(전선)과 연결되어 있으며

진동판의 움직임에 따라 코일도 같이 움직이고
코일이 감싸고 있는 영구자석과 함께 전기신호를 생성하는 구조라서
컨덴서 마이크보다 아주 빠른 응답 특성을 가진다고 보기에는 무리가 있다.

리본 마이크의 경우는
리본 모터를 활용해 다이나믹 마이크 보다
더 나은 결과를 가지고 있지만
컨덴서 마이크보다 아주 빠른 응답 특성을 가진다고 보기에는 여전히 무리가 있다.

하지만

컨덴서 마이크의 경우는
얇은 금속판이 진동을 감지하고 증폭되는 회로를 추가하여 전기신호를 만들기 때문에

다이나믹, 리본 마이크에 비해서 아주 민감한 편이라고 할 수 있다.

대신 컨덴서 마이크는
진동판 아래 증폭회로가 존재하기 때문에
진동에너지가 큰 경우는 허용 범위를 조금이라도 넘기면 왜곡된 소리를 들려준다.

물론,
다이나믹 마이크나 리본 마이크라고 해서 허용범위가 없는 것은 아니다.

하지만 한계점이 컨덴서 마이크에 비해서 훨씬 높기 때문에
걱정을 조금 내려놓아도 괜찮다.

5. Max SPL 그리고 THD(Total Harmonic Distortion)

소리의 크기를 "dBSPL" 이라는 단위로 표현하는데

흔히 방송에서 소음측정하면서 몇 dB, 몇 데시벨... 이런 이야기를 접했을 것이다.

이때
뒤에 생략하고 이야기하는 단위 SPL(Sound Pressure Level)
*다른 의미로는 고막이 느끼는 압력을 표현한 단위로 이해 할 수 있다.

그래서 다이나믹, 리본 마이크의 경우는
마이크 제원(Specification)에 대해서 언급할 때
액티브 리본타입 마이크를 제외하고는
대부분 진동판이 최대로 허용할 수 있는 수치.

다른 의미로 Max SPL에 대한 언급을 굳이 하지 않는다.

하지만
컨덴서 마이크의 경우는 Max SPL 값은 꼭 알고 있어야 한다.

why ?

사람의 목소리도 마이크 진동판과 약 2~30cm 정도 떨어진 곳에서
크게 소리 지르면 120dBSPL 이상의 소리도 낼 수 있기 때문에
*사람의 목소리는 135dBSPL 까지 낼 수 있다는 기네스 기록이 있다

컨덴서 마이크를 사용하는 과정에서
Max SPL 값은 매우 중요한 지표이다.

그리고 이것을 우리는 최대 입력 값으로 이해 할 수 있는 부분이다.

하지만 여기서 사람의 귀와 가장 큰 차이점은
고막으로 강력한 진동에너지가 감지되었을 때
중이의 3개의 뼈가 하는 일 보다 tensor tympani 라는 근육은
달팽이관에 너무 큰 진동에너지가 전달되지 못하도록 제어하는 기능을 한다.

물론 평상시에 중이의 역할은 고막을 통해서 감지한 진동 에너지를
약 20배 이상 증폭하는 역할을 하지만 큰 진동 에너지를 감지한 경우
몸에 무리가 가지 않도록 조율 하는 일을 동시에 한다고 이해하면 된다.

마치 우리가 큰소리와 작은 소리의 편차를 줄이기 위해 (Dynamic Range)
Compressor 라는 도구를 레코딩, 믹싱, 마스터링에서 사용하는 것 처럼

하지만 Compression 되는 과정에서는 당연히 소리의 왜곡이 존재한다.

그래서 마이크 제원을 볼 때 유심히 봐야하는 것 중 하나가
THD(Total Harmonic Distortion)가 생성되는 구간이다.

어느정도 SPL에서 얼마만큼의 왜곡비율이 생성되는지 알아두면
지속적으로 큰 소리를 내는 악기, 음성 녹음 과정에서
사용할 수 있는 마이크와 사용 불가능한 마이크를
쉽게 구분할 수 없기 때문이다.

6. 마이크의 출력레벨(Sensitivity) 및 Recording Level

마이크의 진동판은 이런 인간의 귀처럼 자의적인 해석을 하는것이 불가능하며
그나마 인간의 귀와 평균적으로 유사한 해석을 할 수 있는 조건.

즉, 1기압을 기준으로 하는 1Pascal(1Pa) = 94dBSPL 로 정의하고
그 값을 기본적인 제원(Specification)에 포함시켜서 이야기 한다.

즉, 94dBSPL 기준으로 해서 진동판에 감지된 진동 에너지를
전기신호로 변환 할 때
??mV/Pa 혹은 -??dBV 혹은 dB re 1V/Pa 라고 명시 한다.

이 값은 결국 마이크를 통해서 출력되는 전기신호를 의미한다고 볼 수 있다.

마이크의 제원에서 공개된 내용을 토대로 마이크의 출력레벨을 확인할 경우
Log 로 계산하는 것이 상당히 번거로운 일이다.

http://www.sengpielaudio.com/calculator-transferfactor.htm

이곳에서 간단하게 숫자만 대입하고 계산해 볼 수 있다.

하지만 우리가 음향에서 기본적으로 사용하는 단위는
dBV 보다는 dBu 가 더 많기 때문에
이 또한 계산기를 두들겨야 한다.

http://www.sengpielaudio.com/calculator-db-volt.htm

이 또한에서 간단하게 숫자만 대입하고 계산해 볼 수 있다.

그러면 우리는
어느 정도 레벨로 녹음을 해야 문제가 없는가?

라는 부분을 생각해야 한다

정답은 단순하다.

프로용 기기 기준으로 +4dBu 근처의 레벨이면 아무런 문제가 없다
(물론 Peak 가 발생해서 Clip이 생기는 일만 없다면...)

+4dBu 보다 큰 레벨이라고 해서 문제가 되는 것도 아니고
(THD는 조금 생기겠지만...)

조금 작게 녹음 했다고 큰 문제가 생기는 일도 아니지만
최소 인간의 소리 인지 과정을 생각한다면
그리고,
유사한 레벨로 소리를 구분하는 기준을 찾고 있다면
94dBSPL의 소리에 맞춰서 출력되는 레벨을 +4dBu 까지
마이크 프리앰프를 통해 증폭시켜 녹음을 하면 된다.

물론, 더 큰 진동 에너지가 존재 한다면 프리앰프의 증폭 레벨을 줄이면 된다.

위에서도 언급했지만 귀의 경우는 중이의 3개의 뼈가 이것을 담당하고 있고
필요에 따라 tensor tympani 는 큰 소리를 줄이는 역할도 하고 있어서
기기와 사람의 차이는 더 극명해 진다.

7.달팽이관 역할과 AD컨버팅 과정

중이에 거쳐 내이에 있는 달팽이관은 진동에너지를
주파수에 따라 분석해서 뇌로 전달하는 역할을 한다.

마찬가지로 AD 컨버팅 과정은 전기 신호를 표본화, 양자화, 부호화 과정을 거쳐서
기기가 이해할 수 있는 언어(2진법)로 저장하고 관리할 수 있는 구조로 만든다.

이때 달팽이관 안에 존재하는 청각세포의 상태에 따라
개인별로 능력차가 존재 하는 것 처럼 AD Converter의 성능과 품질에 따라
같은 전기 신호로 전혀 다른 품질의 결과를 가진다.

또한 달팽이관에 존재하는 청각세포는
입구부터 높은 주파수 가장 안쪽으로 들어갈수록
낮은 주파수를 인지 할 수 있는 상태로 존재하기 때문에
이 역시 사람마다 평상시에 어떤 생활 습관을 가지는가에 따라
같은 소리도 전혀 다르게 해석할 여지가 생긴다.

가령 치과 의사의 경우
항상 스케일링 소리(치아를 갈아내는 소리) 를 듣고 있기 때문에
특정 음역 주파수 (약 8~10kHz, 혹은 그 이상) 에 청각세포가
일찍 병들어 해당 주파수를 인지하는 능력이 일반인에 비해 현저하게 낮아 질 수 있는 것처럼

AD컨버팅 과정에서 설계와 사용부품, 튜닝과정, Clock의 정확도에 따라서
정말 다양한 차이점을 보이게 된다.
(제조사의 철학도 포함.)

하지만 청각 세포는 소리를 인지하는 훈련을 지속적으로 하면서 충분히 역량을 키워갈 수 있다.

- 아는만큼 소리는 들린다 -

그러나 AD 컨버터의 경우는 결국 돈이 해결해주는...

8.자연스러운 소리를 구현 할 수 있는가?

그러면 이쯤에서 사람이 소리를 귀로 듣는 것처럼
녹음이나 재생과정에서 유사하게 구현 할 수 있을까? 라는 질문을 해볼 수 있다.

정답은 NO

*과장이나 축소는 가능해도 자연스러운 느낌을 가지기에는 무리가 있다.

사람의 귀는 소리를 인지하는 과정에서
머리의 둘레, 어깨넓이, 머리카락, 피부조건 등등
다양한 변수에 노출되어 있다.

그리고 귀는 생각보다 넓은 지향각을 가지고 있다.

자연스럽게 느껴지는 소리를 어떻게 하면 원음 그대로 녹음하고 재생하며 활용 할 수 있을까?
에서 시작한 이 질문의 답을 얻기 위해 지금도 많은 사람들이 노력하고 있다.

*출발점은 마이크를 가지고 녹음을 하는 과정에서 스테레오 조건을 만들어주는 방법에서 시작했다.

위 그림은 대표적인 스테레오 마이크 설치 방법에 대한 설명이지만
이 외에도 현재 더 다양한 방법들이 계속 연구되고 있다.

*Decca tree, OCT(Optimized Cardioid Triangle) 등등

하지만
여전히 음향기술 측면에서 두 귀에 들리는 자연스러운 느낌을 구현하는 일 자체가
정말 어려운 일이라는 것을 기억할 필요가 있다.

*Binaural 녹음 방법도 완벽한 스테레오 레코딩 기준이 아니다.

인위적인 스피커 세팅을 활용하여 모니터링 과정의 다양한 방법론이 나오고 있지만
녹음 과정에서 완벽한 해결법을 찾지 못했기에 결국 자연스러움과는
조금은 차이가 날 수 밖에 없는 것이 현실이다.

9. 우리가 듣고 있는 소리는 무엇인가?

자연계에 존재하는 소리를 직접 두 귀로 듣는 것이 아닌 이상
현 시대까지 만들어낸 기술과 이론을 바탕으로 구현된 다양한 소리.

다르게 생각하면 어떤 것이 진짜 소리인가??

이 매거진 시작에서 이야기한
인간이 소리를 인지하는 과정 / 마이크 및 녹음 과정을 이해한다면
현 시대의 기술은 아직 넘어야 할 산이 많이 있다는 것을 쉽게 눈치 챌 수 있다.

오히려 사람이 다르면 같은 소리도 다르게 해석하듯
현대 기술로 만들어진 마이크 및 음향 이론을 통해 제작된 다양한 기기들은 모두
고유의 특성을 가질 수 있다는 것을 생각하고

제품이 가지는 장점을 잘 이해해서 활용할 수 있는
넓은 시각을 가지는 것이 현 시대에서 필요로 하는

덕목

이다.

즉,
우리가 듣고 있는 다양한 소리에서
미디어를 통해 듣는 소리는 진짜 소리가 아니라고 생각해도 무방하다.

하지만, 우리는 더욱 창의적이고
예술적인 의미를 부여하기 위해서
여전히 많은 노력을 하고 있다.

그렇기 때문에 매거진을 통해 언급한 내용은
그냥 쉽게 지나칠 내용이 아니라는 것을 꼭 기억하길 바란다.

영화 Matrix의 한 장면처럼 우리는 인위적인 가공을 통해
얻어낸 결과를 진짜 소리라고 믿고 있는 것이 아닐까?

enSound 박문수 Master.