입체음 감각은 어떻게 형성되는가?
1 입체음의 개념
입체는 기하학적 개념으로, 3차원 공간에서 위치를 차지하는 사물을 의미합니다. 그렇다면 소리도 입체적일까요? 유추적으로 답은 긍정적일 수 있습니다. 왜냐하면 음원은 확실한 공간적 위치를 가지며, 소리는 명확한 방향적 기원을 가지고 있고, 사람의 청각은 음원 방향을 구별하는 능력을 가지고 있기 때문입니다; 특히 여러 음원이 동시에 소리를 낼 때, 사람들은 청각으로 공간 내 음원 군의 분포 상태를 인지할 수 있습니다. 따라서 소리는 "입체적"이라고 말할 수 있습니다. 그러나 더 적절한 표현은 "원음(原發聲)은 입체적이다"일 것입니다. 소리가 녹음, 증폭 등의 처리 과정을 거쳐 재생될 때, 모든 소리가 하나의 스피커에서 나올 수 있기 때문입니다. 이런 재생음은 입체적이지 않습니다. 이때 모든 소리가 같은 스피커에서 발생하므로 원래의 공간감, 특히 음원 군의 공간 분포감이 사라집니다. 이런 재생음을 "모노 사운드(Mono)"라고 합니다. 만약 재생 시스템이 어느 정도 원음의 공간감을 복원할 수 있다면, 그런 재생음을 "스테레오 사운드(Stereo)"라고 합니다. 원음이 입체적임은 자명하므로, 스테레오 사운드라는 용어는 특정 공간감(또는 방향감)을 가진 재생음을 가리킵니다.
2 양이 효과(雙耳效應, Binaural Effect)
재생음에서 공간감을 복원하기 위해서는 먼저 인간의 청각 시스템이 왜 음원 방향을 구별하는 능력을 가지는지 알아야 합니다. 연구 결과, 이는 주로 사람이 한 개가 아닌 두 개의 귀를 가지고 있기 때문입니다.
귀는 두개골 양쪽에 자라며, 공간적으로 거리가 있을 뿐만 아니라 두개골에 의해 차단되므로 양쪽 귀가 받아들이는 소리는 여러 가지 차이를 가질 수 있습니다. 바로 이러한 차이를 주된 근거로 사람들은 공간 내 음원 위치를 구별할 수 있습니다. 이러한 차이는 주로 다음과 같습니다:
(1) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 시간 차이
좌우 귀 사이에 일정한 거리가 있으므로, 정면과 정후방에서 오는 소리를 제외하고 다른 방향에서 오는 소리는 양쪽 귀에 도달하는 시간에 선후 차이가 생겨 시간 차이를 만듭니다. 음원이 오른쪽으로 치우쳐 있으면 소리는 반드시 먼저 오른쪽 귀에, 그다음 왼쪽 귀에 도달합니다; 반대의 경우 반드시 먼저 왼쪽 귀에, 그다음 오른쪽 귀에 도달합니다. 음원이 한쪽으로 치우쳐질수록 시간 차이도 커집니다. 실험에 따르면, 인위적으로 양쪽 귀의 청취 시간 차이를 만들면 음원 편향 환각을 발생시킬 수 있습니다. 시간 차이가 약 0.6ms 정도에 도달하면 소리가 완전히 어느 한쪽에서 오는 것처럼 느껴집니다.
(2) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 음압 레벨 차이
양쪽 귀 사이 거리는 비록 멀지 않지만, 두개골이 소리를 차단하는 작용으로 인해 소리가 양쪽 귀에 도달하는 음압 레벨은 달라질 수 있습니다. 음원에 가까운 쪽의 음압 레벨이 크고, 다른 쪽은 작습니다. 실험에 따르면, 최대 음압 레벨 차이는 약 25dB 정도입니다.
(3) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 위상 차이
소리는 파동 형태로 전파되며, 음파는 공간 상의 다른 위치에서 위상이 다릅니다(파장의 배수만큼 정확히 떨어져 있지 않는 한). 양쪽 귀가 공간적으로 거리를 두고 있으므로 음파가 양쪽 귀에 도달할 때 위상이 차이를 가질 수 있습니다. 귀 내의 고막은 음파에 따라 진동하며, 이 진동의 위상 차이는 우리가 음원 방향을 판단하는 한 요소가 됩니다. 실험에 따르면, 소리가 양쪽 귀에 도달할 때 음압 레벨, 시간이 모두 같아도 위상만 바꾸면 우리는 음원 방향이 크게 다르다고 느낍니다.
(4) 소리가 양쪽 귀에 도달할 때 음색 차이
음파가 오른쪽의 어느 방향에서 오면, 왼쪽 귀에 도달하기 위해 머리의 일부를 돌아서 가야 합니다. 파동의 회절 능력은 파장과 장애물 크기 사이의 비율과 관련이 있음이 알려져 있습니다. 인체 머리 지름은 약 20cm로, 공기 중 1,700Hz 음파 파장에 해당하므로, 머리는 천여 Hz 이상의 음파 성분에 대해 차폐 작용을 합니다. 즉, 같은 소리의 각 성분이 머리를 돌아가는 능력이 각기 다르며, 주파수가 높을수록 감쇠가 큽니다. 따라서 왼쪽 귀가 듣는 음색과 오른쪽 귀가 듣는 음색에 차이가 생깁니다. 소리가 정면 방향에서 오지 않는 한, 양쪽 귀가 듣는 음색은 달라지며, 이는 사람들이 음원 방향을 판단하는 근거 중 하나가 됩니다.
(5) 직접음과 연속 반사음군(反射聲群)이 생성하는 차이
음원에서 나온 소리는 우리 양쪽 귀에 직접 도달하는 직접음 외에도 주위 장애물에 의해 한 번 또는 여러 번 반사되어 반사음군을 형성하며, 연속적으로 사람들의 양쪽 귀에 도달합니다. 따라서 직접음과 반사음군의 차이는 공간 분포에서 음원 정보를 제공합니다.
(6) 귓바퀴(耳廓)가 만드는 차이
귓바퀴는 앞을 향해 있으며, 분명히 사람들이 전후를 구별할 수 있게 합니다. 다른 한편으로, 귓바퀴 모양은 매우 미묘하여 다른 방향에서 오는 소리는 그 안에서 복잡한 효과를 일으키며, 분명히 일정한 방향 정보를 제공합니다.
실천이 증명하듯이, 이상의 여러 차이 중 음압 레벨 차이, 시간 차이, 위상 차이 세 가지가 청각 위치 인식에 가장 큰 영향을 미칩니다. 그러나 조건에 따라 그 작용도 다릅니다. 일반적으로 음향 주파수의 저·중주파수 대역에서는 위상 차이의 작용이 크며; 중·고주파수 대역에서는 음압 레벨 차이의 작용이 주를 이룹니다. 돌발음(猝發音)에 대해서는 시간 차이의 작용이 특히 현저합니다. 수직 방향 위치 인식에서는 귓바퀴의 역할이 더 중요합니다. 실제로 양이 효과는 종합적이며, 사람의 청각 시스템은 합리적으로 종합 효과에 근거하여 음원 방향을 판단합니다.
덧붙여, 사람의 청각 시스템은 음량, 음색, 방향 등의 감각 외에도 다른 많은 효과를 가지고 있습니다. 그중 우리 앞으로의 강의와 밀접한 관계가 있는 증상이 하나 있는데, "우선 효과(優先效應, Precedence Effect)"(또는 "하스 효과(Haas Effect)")라고 합니다. 실험에 따르면, 두 개의 같은 소리 중 하나가 지연되어 사람들의 양쪽 귀에 선후로 도달할 때, 지연 시간이 30ms 이내이면 사람들은 지연된 소리의 존재를 느끼지 못하고, 단지 음색과 음량의 변화만 감지합니다. 그러나 지연 시간이 너무 길면 상황이 달라집니다. 이미 알려진 바와 같이, 선후로 도달하는 두 소리의 시간 차이가 50ms-60ms를 초과할 때(소리 경로 차이 17m 이상에 해당), 청취자는 이를 감지할 수 있습니다.
입체는 기하학적 개념으로, 3차원 공간에서 위치를 차지하는 사물을 의미합니다. 그렇다면 소리도 입체적일까요? 유추적으로 답은 긍정적일 수 있습니다. 왜냐하면 음원은 확실한 공간적 위치를 가지며, 소리는 명확한 방향적 기원을 가지고 있고, 사람의 청각은 음원 방향을 구별하는 능력을 가지고 있기 때문입니다; 특히 여러 음원이 동시에 소리를 낼 때, 사람들은 청각으로 공간 내 음원 군의 분포 상태를 인지할 수 있습니다. 따라서 소리는 "입체적"이라고 말할 수 있습니다. 그러나 더 적절한 표현은 "원음(原發聲)은 입체적이다"일 것입니다. 소리가 녹음, 증폭 등의 처리 과정을 거쳐 재생될 때, 모든 소리가 하나의 스피커에서 나올 수 있기 때문입니다. 이런 재생음은 입체적이지 않습니다. 이때 모든 소리가 같은 스피커에서 발생하므로 원래의 공간감, 특히 음원 군의 공간 분포감이 사라집니다. 이런 재생음을 "모노 사운드(Mono)"라고 합니다. 만약 재생 시스템이 어느 정도 원음의 공간감을 복원할 수 있다면, 그런 재생음을 "스테레오 사운드(Stereo)"라고 합니다. 원음이 입체적임은 자명하므로, 스테레오 사운드라는 용어는 특정 공간감(또는 방향감)을 가진 재생음을 가리킵니다.
2 양이 효과(雙耳效應, Binaural Effect)
재생음에서 공간감을 복원하기 위해서는 먼저 인간의 청각 시스템이 왜 음원 방향을 구별하는 능력을 가지는지 알아야 합니다. 연구 결과, 이는 주로 사람이 한 개가 아닌 두 개의 귀를 가지고 있기 때문입니다.
귀는 두개골 양쪽에 자라며, 공간적으로 거리가 있을 뿐만 아니라 두개골에 의해 차단되므로 양쪽 귀가 받아들이는 소리는 여러 가지 차이를 가질 수 있습니다. 바로 이러한 차이를 주된 근거로 사람들은 공간 내 음원 위치를 구별할 수 있습니다. 이러한 차이는 주로 다음과 같습니다:
(1) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 시간 차이
좌우 귀 사이에 일정한 거리가 있으므로, 정면과 정후방에서 오는 소리를 제외하고 다른 방향에서 오는 소리는 양쪽 귀에 도달하는 시간에 선후 차이가 생겨 시간 차이를 만듭니다. 음원이 오른쪽으로 치우쳐 있으면 소리는 반드시 먼저 오른쪽 귀에, 그다음 왼쪽 귀에 도달합니다; 반대의 경우 반드시 먼저 왼쪽 귀에, 그다음 오른쪽 귀에 도달합니다. 음원이 한쪽으로 치우쳐질수록 시간 차이도 커집니다. 실험에 따르면, 인위적으로 양쪽 귀의 청취 시간 차이를 만들면 음원 편향 환각을 발생시킬 수 있습니다. 시간 차이가 약 0.6ms 정도에 도달하면 소리가 완전히 어느 한쪽에서 오는 것처럼 느껴집니다.
(2) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 음압 레벨 차이
양쪽 귀 사이 거리는 비록 멀지 않지만, 두개골이 소리를 차단하는 작용으로 인해 소리가 양쪽 귀에 도달하는 음압 레벨은 달라질 수 있습니다. 음원에 가까운 쪽의 음압 레벨이 크고, 다른 쪽은 작습니다. 실험에 따르면, 최대 음압 레벨 차이는 약 25dB 정도입니다.
(3) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 위상 차이
소리는 파동 형태로 전파되며, 음파는 공간 상의 다른 위치에서 위상이 다릅니다(파장의 배수만큼 정확히 떨어져 있지 않는 한). 양쪽 귀가 공간적으로 거리를 두고 있으므로 음파가 양쪽 귀에 도달할 때 위상이 차이를 가질 수 있습니다. 귀 내의 고막은 음파에 따라 진동하며, 이 진동의 위상 차이는 우리가 음원 방향을 판단하는 한 요소가 됩니다. 실험에 따르면, 소리가 양쪽 귀에 도달할 때 음압 레벨, 시간이 모두 같아도 위상만 바꾸면 우리는 음원 방향이 크게 다르다고 느낍니다.
(4) 소리가 양쪽 귀에 도달할 때 음색 차이
음파가 오른쪽의 어느 방향에서 오면, 왼쪽 귀에 도달하기 위해 머리의 일부를 돌아서 가야 합니다. 파동의 회절 능력은 파장과 장애물 크기 사이의 비율과 관련이 있음이 알려져 있습니다. 인체 머리 지름은 약 20cm로, 공기 중 1,700Hz 음파 파장에 해당하므로, 머리는 천여 Hz 이상의 음파 성분에 대해 차폐 작용을 합니다. 즉, 같은 소리의 각 성분이 머리를 돌아가는 능력이 각기 다르며, 주파수가 높을수록 감쇠가 큽니다. 따라서 왼쪽 귀가 듣는 음색과 오른쪽 귀가 듣는 음색에 차이가 생깁니다. 소리가 정면 방향에서 오지 않는 한, 양쪽 귀가 듣는 음색은 달라지며, 이는 사람들이 음원 방향을 판단하는 근거 중 하나가 됩니다.
(5) 직접음과 연속 반사음군(反射聲群)이 생성하는 차이
음원에서 나온 소리는 우리 양쪽 귀에 직접 도달하는 직접음 외에도 주위 장애물에 의해 한 번 또는 여러 번 반사되어 반사음군을 형성하며, 연속적으로 사람들의 양쪽 귀에 도달합니다. 따라서 직접음과 반사음군의 차이는 공간 분포에서 음원 정보를 제공합니다.
(6) 귓바퀴(耳廓)가 만드는 차이
귓바퀴는 앞을 향해 있으며, 분명히 사람들이 전후를 구별할 수 있게 합니다. 다른 한편으로, 귓바퀴 모양은 매우 미묘하여 다른 방향에서 오는 소리는 그 안에서 복잡한 효과를 일으키며, 분명히 일정한 방향 정보를 제공합니다.
실천이 증명하듯이, 이상의 여러 차이 중 음압 레벨 차이, 시간 차이, 위상 차이 세 가지가 청각 위치 인식에 가장 큰 영향을 미칩니다. 그러나 조건에 따라 그 작용도 다릅니다. 일반적으로 음향 주파수의 저·중주파수 대역에서는 위상 차이의 작용이 크며; 중·고주파수 대역에서는 음압 레벨 차이의 작용이 주를 이룹니다. 돌발음(猝發音)에 대해서는 시간 차이의 작용이 특히 현저합니다. 수직 방향 위치 인식에서는 귓바퀴의 역할이 더 중요합니다. 실제로 양이 효과는 종합적이며, 사람의 청각 시스템은 합리적으로 종합 효과에 근거하여 음원 방향을 판단합니다.
덧붙여, 사람의 청각 시스템은 음량, 음색, 방향 등의 감각 외에도 다른 많은 효과를 가지고 있습니다. 그중 우리 앞으로의 강의와 밀접한 관계가 있는 증상이 하나 있는데, "우선 효과(優先效應, Precedence Effect)"(또는 "하스 효과(Haas Effect)")라고 합니다. 실험에 따르면, 두 개의 같은 소리 중 하나가 지연되어 사람들의 양쪽 귀에 선후로 도달할 때, 지연 시간이 30ms 이내이면 사람들은 지연된 소리의 존재를 느끼지 못하고, 단지 음색과 음량의 변화만 감지합니다. 그러나 지연 시간이 너무 길면 상황이 달라집니다. 이미 알려진 바와 같이, 선후로 도달하는 두 소리의 시간 차이가 50ms-60ms를 초과할 때(소리 경로 차이 17m 이상에 해당), 청취자는 이를 감지할 수 있습니다.