소음 측정 : Making Sound Level Meters hear the way we do (소음계를 우리처럼 들리게 하기)

노르웨이 Norsonic AS사의 과거 홈페이지와 싸이러스 네이버 블로그 (https://blog.naver.com/cylos_co)에 있는 소리(소음) 및 소음측정의 이론 내용을 포스팅하였습니다. 한글 번역에 오류가 있을 수 있습니다. 다섯번째 글 입니다.

Acoustic Weighting(등청감곡선, 출처 : Wikipedia), 그림 1

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4. Making Sound Level Meters hear the way we do (소음계를 우리처럼 들리게 하기)
사운드 측정과 인간의 청력의 상관관계
사운드 레벨 미터는 사람과 매우 비슷한 방식으로 사운드 레벨을 들을 수 있도록 설계되어야 합니다.
사운드 레벨 미터가 가청 주파수 범위의 어느 부분도 감쇠시키거나 강조하지 않으면 평평한 주파수 응답을 갖는다고 합니다. 명백한 이유로 이러한 사운드 레벨 미터는 우리처럼 소리를 듣지 못하기 때문에 청력 손상 위험 평가에 사용할 수 없습니다.
이를 위해서는 인간의 청력이 작동하는 방식을 근사화해야 합니다. 우리 청력의 비선형성은 우리의 청력이 다른 부분에 비해 어떤 부분에 더 많은 강조나 가중치를 둔다는 것으로도 표현할 수 있습니다.
따라서 네트워크라고도 하는 전자 회로는 매우 비슷한 기능을 수행하므로 스펙트럼 가중 회로 또는 스펙트럼 가중 네트워크라고 할 수 있습니다. 이러한 가중 네트워크가 내장된 사운드 레벨 미터를 사용하여 가중 측정을 할 수 있습니다.
측정을 비교 가능하게 하기 위해 청력 근사치(일반적으로 가중 곡선이라고 함)가 표준화되었습니다.
원래 세 가지 다른 가중 곡선은 인간의 청력이 레벨에 따라 주파수에 따라 달라진다는 사실을 반영하기 위해 만들어졌습니다. 세 곡선은 서로 다른 레벨에서 청력을 근사하며 A, B, C라고 불렸습니다. 가중 곡선 A를 사용하는 가중 네트워크로 측정한 것은 A-가중 측정이라고 합니다..

linear 곡선, 그림 2

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등청감곡선, 그림 3

 

이는 인간의 청력이 작동하는 방식을 근사화할 필요성을 요구합니다. 청력의 비선형성은 청력이 다른 부분에 비해 어떤 부분에 더 많은 강조점이나 가중치를 둔다는 것으로도 표현될 수 있습니다.
따라서 네트워크라고도 하는 전자 회로는 매우 동일한 작업을 수행하므로 가중치 회로 또는 가중치 네트워크라고 할 수 있습니다. 가중치 네트워크가 내장된 사운드 레벨 미터를 사용하여 가중치 측정을 수행할 수 있습니다.
측정을 비교 가능하게 하기 위해 일반적으로 가중치 곡선이라고 하는 청력 근사치를 표준화 했습니다.

인간의 청력 대 레벨/주파수의 기본적인 측면을 시뮬레이션하는 회로로 사운드 레벨 미터를 만들면 지각되는 음량과 측정된 결과 사이에 더 나은 상관관계가 얻어질 것입니다. 이 회로는 가중치 네트워크라고 하며 측정은 가중치가 있다고 합니다. 일부 주파수 영역에 다른 영역보다 더 많은 가중치가 부여되기 때문입니다.
참고: 위의 그림은 가장 인기 있는 두 가지 스펙트럼 가중치 함수를 보여줍니다. C-가중 곡선은 플랫(선형 또는 비가중)과 다릅니다. 하나를 다른 것으로 대체해도 동일한 결과가 나오지 않습니다.

스펙트럼 가중치 네트워크
 역사적으로 가장 잘 알려진 스펙트럼 가중치 네트워크는 다음과 같이 사용하도록 설계되었습니다.
 A-곡선은 대략 40폰의 등가 음량 곡선을 따르도록 설계되었습니다.
 B-곡선은 대략 70폰의 등가 음량 곡선을 따르도록 설계되었습니다.
 C-곡선은 대략 100폰의 등가 음량 곡선을 따르도록 설계되었습니다.
 D-곡선은 단일 이벤트 항공기 소음 측정과 같은 것에 대한 인지된 소음과 일치하도록 설계되었습니다.

등음량 곡선은 순수 톤을 사용한 측정을 기반으로 했습니다. 곧 A-곡선을 제외하고는 근사치 중 어느 것도 실제 복잡한 소리의 인지된 음량과 잘 상관관계가 없다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 대부분의 응용 프로그램에서 A-곡선을 제외한 모든 곡선이 폐기되었고 최근까지 A-곡선만이 사용된 유일한 가중치 곡선이었습니다.
그러나 C-가중치는 지금까지 간과되었던 상관 관계 속성 때문이 아니라 단순히 모양 때문에 다시 부활하고 있습니다. A-가중치를 사용하여 측정한 음압 레벨과 C-가중치를 사용하여 측정한 음압의 차이는 측정하는 소리의 스펙트럼 속성에 대해 알려줍니다.

네 가지 가중치 곡선(A, B, C 및 D)은 모두 1kHz(0dB 감쇠)에서 동일한 값을 갖습니다.
가중치 곡선 사용을 설명하는 예: 레벨 차이 C-A를 고려합니다. C-A > 0이면 스펙트럼은 저주파 사운드 구성 요소에 의해 지배됩니다. 이는 C-곡선이 1kHz 미만의 주파수 영역에서 A-곡선보다 덜 감쇠되기 때문입니다. 그러나 C-A < 0이면 스펙트럼은 고주파 사운드 구성 요소에 의해 지배됩니다. 후자의 값이 더 부정적일수록 지배적인 부분이 주파수에서 더 높은 위치에 있습니다. 차이가 매우 작으면 지배적인 구성 요소가 1kHz 주변에 위치합니다.
A-가중 수준과 C-가중 수준 간의 차이는 측정된 사운드의 스펙트럼 속성에 대한 정보를 제공합니다. 또한 C-가중은 종종 청력 장애 위험에 접근하기 위해 사운드의 피크 값을 측정하는 데 사용됩니다.

참고: C-가중 곡선은 플랫(선형 또는 비가중)과 다릅니다. 하나를 다른 것으로 대체해도 동일한 결과가 나오지 않습니다.
네 가지 가중치 곡선(A, B, C 및 D)은 모두 1kHz(0dB 감쇠)에서 동일한 값을 갖습니다.
예를 들어, 가중치 곡선의 사용을 설명하겠습니다. C-A의 레벨 차이를 고려합니다. C-A > 0이면 스펙트럼은 저주파 사운드 구성 요소에 의해 지배됩니다. 그 이유는 C-곡선이 1kHz 미만의 주파수 영역에서 A-곡선보다 덜 감쇠되기 때문입니다. 그러나 C-A < 0이면 스펙트럼은 고주파 사운드 구성 요소에 의해 지배됩니다. 후자의 값이 더 음수일수록 지배적인 부분이 주파수에서 더 높은 위치에 있습니다. 차이가 매우 작으면 지배적인 구성 요소가 1kHz 주변에 위치합니다.
팁: 소음 제어를 할 때 소음 감소 대책은 전적으로 소음의 스펙트럼 속성에 따라 달라집니다. 고주파 소음은 저주파 소음보다 대처하기 훨씬 쉽습니다. 그러나 고주파 소음에 효과적인 개선 사항은 일반적으로 과도한 저주파 소음에는 효과적이지 않습니다. 그런 다음 일반적인 절차는 분수 옥타브 필터(일반적으로 1/3 옥타브 필터 사용)를 사용하여 주파수 분석을 하는 것입니다. 하지만 C와 A 가중치 레벨의 차이를 살펴보면 실제로는 소규모 주파수 분석이라는 점에 유의하세요.

자세한 내용을 원하시면 sales@cylos.co.kr, 031-251-1905로 문의를 주시거나, 싸이러스 홈페이지를 참고하시기 바랍니다.

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참고자료 (reference) : 
1. 노르소닉 홈페이지 
2. 싸이러스 홈페이지 (http://www.cylos.co.kr)
3. 싸이러스 블로그 (https://blog.naver.com/cylos_co)