Acoustic Space Perception and Digital Reverberation: A Comprehensive Analysis of Sound Field Simulat
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음향학 이론(acoustic theory)은 음파의 전파 메커니즘과 그에 따른 청각적 지각 과정을 체계적으로 연구하는 물리음향학의 기초 분야입니다. 리버버레이션과 시간 지연은 음향 신호에 시공간적 특성과 음장의 밀도를 정밀하게 제어하기 위한 핵심적 음향처리 요소로서, 이러한 음향학적 원리와 불가분의 관계를 형성합니다.
음향학 이론은 공간 내 음파 전파 현상을 세 가지 핵심 매개변수로 분석합니다. 이러한 음향학적 분석은 리버브레이션(reverberation) 알고리즘의 설계 기반이 됩니다.
직접파(direct wave)는 음원으로부터 수음점까지 매질과의 상호작용 없이 직선 경로로 전파되는 음파를 의미합니다. 이는 원음의 기본적 특성을 결정하는 일차적 요소입니다.
초기 반사파(early reflections)는 공간 내 표면에서 1-2회 반사된 후 수음되는 음파로, 직접파와 미소한 시간차를 두고 도달합니다. 이는 공간의 기하학적 특성과 직접적인 연관성을 가집니다.
후기 확산음(late diffuse field)은 다중 반사를 통해 공간 내에서 충분히 확산된 후 수음되는 음파를 지칭합니다. 이는 직접파 및 초기 반사파와 비교하여 현저한 시간 지연과 진폭 감쇠를 나타내며, 공간의 음향학적 특성에 크게 영향을 받습니다.
후기 확산음장 내 개별 반사파들은 각기 상이한 전파 경로로 인한 시간 지연을 나타냅니다. 리버브레이션(reverberation)은 이러한 다중 반사 과정을 거쳐 원음 대비 상당한 시간 지연과 스펙트럼 변형이 발생한 음파 현상을 지칭합니다.
흡음체(absorber)와 확산체(diffuser)는 공간의 반사 특성을 정밀하게 제어하고 모사하기 위한 핵심적인 음향학적 구성요소입니다. 이 두 요소는 실제 공간에서 발생하는 복잡한 음향 전파 현상을 물리적으로 재현하는 데 결정적인 역할을 수행합니다.
음파 에너지를 감쇠시키고 반사파의 진폭을 저감시키는 구조체를 흡음체라 정의합니다. 흡음체는 특정 주파수 대역의 음향 에너지를 흡수하여 실내 음향 특성을 최적화하는 데 활용됩니다.
결과적으로 흡음체는 반사음의 에너지를 감쇠시켜 잔향시간(RT60)을 제어하고, 목표 음향 환경에 부합하는 음장을 형성하는 데 기여합니다.
입사파를 여러 방향으로 산란시키거나 반사음의 지향성을 저감시키는 구조체를 확산체라 정의합니다. 확산체는 입사된 음파를 공간적으로 균일하게 재분배하여 보다 등방성의 음장을 구현합니다.
결과적으로 확산체는 음향 에너지의 공간적 집중도를 완화하고 파동의 지향성을 분산시켜, 음향 에너지가 공간 전체에 보다 균질하게 분포되도록 합니다.
리버브(reverb)는 주위 환경의 표면들에 반사되는 음을 통해 만들어지는 음향의 유지, 즉 리버버레이션 모방하기 위해 사용되는 음향 도구입니다. 뮤직 프로덕션 뿐만 아니라 영화, 게임 등에서도 자주 사용되며; 적절히 사용할 경우 공간감과 깊이를 부가할 수 있습니다
리버브를 사용할 땐, 전후로 적절한 이퀄라이저를 배치합니다. 대부분의 경우엔 리버브 자체에 이 과정이 내장되어있습니다.
200 kHz의 저음역대는 낮춰 공간감을 유지하면서도 먹먹함을 줄일 수 있습니다.
3 kHz 이상을 선반 이퀄라이저를 통해 증강시켜 리버브를 강조할 수 있습니다.
성당/홀에서 리버브는 약간의 떨림을 가지고 있습니다. 이를 모방하기 위해 약간의 모듈레이션/코러스 효과를 사용할 수 있습니다.
스테레오 너비를 조절하여 더 구체적인 공간을 설정할 수 있습니다.
60-80%의 스테레오 너비로 좁은 너비감을 표현합니다.
100%의 스테레오 너비로 넓은 너비감을 표현합니다.
어쿠스틱 이론에서 설명하는 원음 이외의 특성을 리버브 효과라고 합니다. 이 효과는 알고리즘을 통해 인공적으로 생성되거나 공간의 특성에 따라 자연스럽게 발생할 수 있습니다.
방 리버브(room reverb)
short decay time: 0.3-0.8 sec, short pre-delay: 5-20 ms, strong early-reflections: 50-70%
mid-high diffusion: 60-80%, HF roll off damping: -3--6 dB after 5 Khz, wet/dry: 15-30%
홀 리버브(hall reverb)
long decay time: 1.8-3.5 sec, long pre-delay: 20-50 ms, medium early-reflection: 40-60%
high diffusion: 80-100%, bright damping: -2--4dB after 8 kHz, wet/dry: 25-50%
챔버 리버브(chamber reverb)
medium decay time: 1.0-1.8s, mid pre-delay: 10-30 ms, medium early-reflection: 50-70%
mid diffusion: 50-70%, dark/warm damping: -4--8 dB after 6 kHz, wet/dry: 20-40%
교회/성당 리버브(cathedral/church reverb)
long decay time: 4.0-8.0+ sec, long pre-delay: 50-100ms, low-mid early-reflection: 30-50%
max diffusion: 100%, dark damping: -6--12dB after 10 kHz, wet/dry: 30-60%
청자는 리버브, 패닝, 음역대 밸런스를 통해 소리의 위치, 깊이와 크기를 인식합니다. 이처럼 공간감을 모방하는 사운드 엔지니어링을 공간적 음향(spatial audio)이라고 하며, 이는 이어폰을 통해 3차원적 공간감을 구현하는 기술을 의미합니다.
스테레오 패닝을 통한 좌/우 배치
100% L/R: 소리가 머리 바깥쪽에서 발생하는 듯한 느낌을 줍니다.
0% L/R: 소리가 머리 중앙에서 발생하는 듯한 느낌을 줍니다.
30-70% L/R: 소리가 머리 측면에서 발생하는 듯한 느낌을 줍니다.
리버브와 딜레이를 통한 앞/뒤 배치
zero wet/dry: 소리가 얼굴 바로 앞에서 발생하는 듯한 느낌을 줍니다.
max wet/dry: 소리가 먼 거리에서 발생하는 듯한 느낌을 줍니다.
pre-delay 20-100 ms: 소리가 뒤쪽 공간에서 발생하는 듯한 느낌을 줍니다.
음역대 다이나믹을 통한 상/하 배치
고음역대는 머리 위쪽에서 소리가 나는 듯한 느낌을 줍니다.
중음역대는 귀 높이에서 소리가 나는 듯한 느낌을 줍니다.
저음역대는 목 아래쪽에서 소리가 나는 듯한 느낌을 줍니다.
