사운드

사운드 진동으로부터의 소리의 발생은 근대에 들어서 아날로그의 신호인 라디오, 전축으로 발달되었고 현대에는 디지털의 기술에 힘입어 컴퓨터에 의한 조작이 가능하게 되었다.

소리의 기본 • 소리란 어떤 물질이 진동함으로써 발생되는 물리적인 현상 • 소리를 만드는 음원이 공기 분자를 진동시키고 진동파가 귀에 인식 • 소리 신호의 요소와 사람의 청각 사이에 존재하는 상호 관계를 파악 함으로써 소리 매체를 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 익힘 • 소리가 발생하는 기본 원리와 발생 된 소리중 인간이 들을 수 있는 가청 영역과 소리의 응용에 대하여 설명

소리의 기본 • S는 신호(Signal)를 말하며 각속도는로 표현하며 f는 주파수(Frequency) • 균일한 소리의 파형은 일정한 간격으로 같은 모양을 반복하며, 같은 모양이 한번 나타나는데 소요되는 시간을 주기라고 하고 1 초당 주기 수를 주파수라고 함 • * 소리의 파형은 자연적으로 발생하기 때문에 주기적인 모양을 하지는 않으나 악기에서 발생하는 소리나 사람의 음성, 중모음과 같은 소리는 주기적인 형태를 띄게 되며, 물이 흐르는 소리나 재채기와 같은 음향과 사람의 음성 등의 중자음은 비 주기적인 형태임

소리의 기본 균일한 소리의 파형

주파수 • 전파나 음파가 반사, 굴절하여 파동의 방향을 주기적으로 바꾸는 현상이 1초 동안에 반복되는 횟수를 주파수라고 하며 단위로 헤르츠(Hertz)를 사용 • 일반적으로 주파수의 단위는 Hz, KHz, MHz를 사용 • 1KHz는 1초에 천 개의 파동이 발생 • 1MHz 는 1초에 백만 개의 파동이 발생 • 주파수가 높을수록 고음이 발생하며, 낮을수록 저음이 발생

주파수 서로 다른 두 소리의 합성

소리의 주파수

소리의 합성

라인 스펙트럼

소리의 기본 주파수

라인 스펙트럼에서의 기본 빈도수

성도의 변환 함수 • 포만트(formant) • 조음기관의 모양과 크기와 밀접한 관계를 가지고 있으며, 화자의 음성 특성을 보여주는 중요한 파라미터 • 인간의 청각 인식에 있어서는 첫 3개의 포만트가 중요

음성의 기본 피치

음성생성의 디지털 모형

진폭 • 진폭은 파동의 최고점에서 최저점까지의 거리로서 소리의 크기를 결정 • 진폭이 클수록 소리가 커지며, 반대로 진폭이 작으면 소리도 작음 • 주파수가 같은 두 소리가 합쳐질 때는 더욱 큰 소리가 발생하며 완전히 상반된 두 소리 가 합쳐질 때는 소리가 상쇄

소리의 표현 • 가청주파수 대역폭은 작게는 20Hz에서 크게는 20KHz 정도의 범위 • 박쥐는 사람이 들을 수 있는 대역폭을 훨씬 넘는 초음파를 사용 • 소리 신호를 발생시키거나 외부 소리 신호를 받아들이는 하드웨어의 설계 시에 인간의 가청 주파수만을 처리할 수 있게 하면 하드웨어의 구조를 보다 단순화시킴 • 사람 귀의 구조에 대하여 보여주며 신호는 고막을 거치고 달팽이관을 거쳐서 뇌에 전달하는 과정을 표현

소리의 표현 신호의 전달과정이 귀의 구조

사운드 소리신호의 변환 • 컴퓨터의 기본 신호체계는 디지털이며, 자연에서 발생하는 소리는 아날로그 신호임 • 컴퓨터에서 소리신호를 처리하기 위해서는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변조하는 일이 필요하며 이를 위하여 샘플링(sampling) 기법이 널리 사용

아날로그와 디지털 • 아날로그는 소리와 빛, 전류, 전압 등과 같이 선형적인 값을 갖는 연속된 형태의 신호 • 신호의 처리 속도가 빠른 장점 • 잡음에 의해 신호가 변하는 단점 • 디지털(digital)은 불연속적인 단계의 값을 갖는 신호로서 0과 1의 조합에 의하여 경우를 표현 • 오디오 시스템에서 LP음반을 사용하여 음악을 듣는다면 아날로그 신호를 듣는 것이고 CD을 사용하여 음악을 듣는다면 디지털 신호를 들음

샘플링 기법 • 자연의 소리를 컴퓨터나 디지털음악 장비에서 사용하기 위해서는 샘플링(sampling)이라는 작업이 필요 • 아날로그 신호를 이산신호(discrete signal)로 변환하려면 Nyquist 규정을 따라야 하며 이는 아날로그 주파수보다 샘플링의 주파수는 최소한 2배 이상이 되어야만 다시 이산신호를 아날로그신호의 역변환이 가능 • 오디오 경우의 샘플링의 속도는 44.1 KHz이며 16비트의 선형 정량화를 사용

샘플링 기법 아날로그 신호를 이산신호로 변환하기 위한 샘플링

파일저장방식 • 사운드는 파형을 그대로 표현하는 웨이브(wave)형식과 악기의 음표와 연주시간을 표시하는 미디(MIDI: Musical Instrument Digital Interface) 방식의 두 가지가 사용 • 웨이브 방식을 사용하는 파일로는 WAV, VOC, AU, AIFF(Audio Interchange File Format) 등의 파일이 있으며 미디 방식의 파일은 MID, RMI, MOD 등이 있음

WAV • PC 에 있어 가장 대표적인 사운드 저장용 포맷으로 웨이브 방식을 사용하는 모든 사운드에 적용 가능 • 마이크로소프트에서 사용하는 RIFF 방식을 사용하고 있어 압축 방식 및 실제 데이터를 함께 저장할 수 있는 다양한 형식 • PC에서 웨이브 파일을 생성하기 위해서는 사운드 카드가 필요 • 사운드 카드를 PC의 확장 슬롯에 부착시킨 후, 마이크로폰을 사운드 카드에 연결하여 음성 정보를 입력하면 입력된 음성에 대한 디지털 정보를 포함하는 웨이브 파일을 생성

WAV • 마이크로 폰 대신 음악 소리를 내는 장치를 연결할 경우 음악 정보의 저장도 가능 • 사운드 카드는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 ADC(Analog-to-digital converter)의 역할 • 현재 PC 상에서 쓰이고 있는 웨이브 파일의 이용은 짧은 시간 동안의 음성 정보를 저장해 두고 이를 반복적으로 재생시키거나 편집하는데 이용하는 것이 주된 응용 방법 • 마이크로소프트 윈도우즈에서 웨이브 파일은 확장자로서 *.wav를 가지며, 웨이브 파일의 생성과 재생을 위한 기본적인 소프트웨어가 윈도우즈의 기본적인 프로그램으로 제공

WAV • 1) PCM방식과 ADPCM방식 • 아날로그 사운드는 기본적으로 PCM 방식으로 표본화(sampling)되어 디지털 사운드로 변환되지만 PCM 방식은 용량이 크기 때문에 ADPCM 방식을 주로 사용 • PCM 방식 • PCM 방식은 그림 9.5와 같이 입력된 값을 그대로 저장하는 방법으로 압축하는 과정을 거치지 않기 때문에 용량이 큼 • PCM방식은 CD나 DAT(Digital Audio Tape) 등에서 사용

WAV PCM 방식 아날로그 신호 표본화(sampling) 양자화(quantization) 인코딩(encoding)

WAV • ADPCM 방식 • 제 멀티미디어 협회(IMA)에서 제안한 방식으로 디지털화한 결과를 PCM 방식처럼 그대로 저장하는 것이 아니라, 그림 9.6과 같이 바로 앞 신호와의 차이를 저장하는 방식 • 차이를 그대로 저장하는 방법은 DPCM이며 그 차이만을 이용하므로 용량이 작음 • 그러나 차이가 클 경우에는 DPCM의 효율도 떨어지므로 이런 문제를 해결하기 위한 방법으로 ADPCM 기법 생김 • 변화폭이 클 때는 신호 차이 값을 표현하는 단위를 크게하고 그렇지 않은 경우는 반대로 작게하여 정밀한 신호 표현과 함께 신호의 변화폭이 클 때도 잘 적응할 수 있도록 하는 방법

WAV ADPCM 방식

WAV • 2) 8 비트모노(Mono) • 8비트 모노 샘플에서 모든 바이트는 연속적으로 저장 • 왼쪽, 오른쪽 모두 채널 구분 없이 0번 채널 하나만 사용 • 3) 8비트 스테레오(Stereo) • 스테레오 샘플에서는 채널 0은 왼쪽 채널로 채널 1은 오른쪽 채널로 사용 • 8 비트 스테레오 샘플에서는 데이터 포맷 - 채널 0에서 8 비트, 채널 1에서 8 비트, 채널 0에서 8 비트, 채널 1에서 8 비트등에 의해서 저장

WAV • 4) 16비트 모노 • 메모리에서 16비트 모노 단일 샘플을 표현하는 경우 하나의 단일 샘플을 기록 할 때 2바이트가 필요 • 바이트의 순서는 8비트 모노 샘플과 동일 • 5) 16비트 스테레오 • 채널 저장방법은 8비트 스테레오와 동일하며 각 채널은 2바이트를 사용 • 그림 9.8에서 나타난 것은 이 파일의 재생시간은 0.451초이고 8비트 모노 형식이며, PCM 방법을 사용하여 초당 22,050Hz로 인코딩 되었음 • 그림 9.9와 그림 9.10은 각각 Wav 파일의 편집과 재생을 표현

WAV 오디오의 종류와 데이터률

WAV 웨이브 파일 등록 정보

WAV 웨이브 파일 재생

AU • AU Audio의 약자로 유닉스 시스템에서 사용되는 표준 오디오 파일이다. 썬마이크로시스템즈에서 만든 사운드 포맷으로 웨이브 파일과 비슷하다. AU 파일은 자바 프로그램에서 오디오 파일로 사용되기도 한다. 윈도우즈 환경에서 AU파일을 편집하는 모습을 나타낸 것이다. • 같은 노래를 WAV 파일과 AU 파일로 들었을 때 샘플링 비율(sampling rate)이 위의 표 9.2와 같이 차이가 나기 때문에 음질의 차이를 느낄 수 있다. 파일을 재생시켜보면 WAV 파일보다 AU 파일의 음질이 떨어지는 것을 알 수 있다.

AU AU 파일 편집

VOC • Creative Lab.사의 Sound Blaster 제품에 사용되는 웨이브 방식을 기록하는데 사용 • 초기에는 8비트 샘플만을 지원하였으나 16비트 샘플 지원 기능이 추가 • 윈도우 환경에는 사용되지 않으나 초창기의 게임에 일부 사용

AIF/AIFF • 오디오 파일로 Audio Inter change File Format의 약자이다. WAV처럼 샘플링된 디지털 오디오 파일이다. 처음 애플컴퓨터사에서 개발되어 매킨토시 컴퓨터에서 사용됐으며, 실리콘 그래픽스 시스템에서도 사용되고 있다. • AIFF 포맷은 8비트 스테레오로 모노로 저장되지만 압축되지 않아 파일 크기가 크다는 것이 단점이다. IEF라는 확장자로도 사용된다. 역시 Cool Edit 등에서 작업할 수 있다.

MP3 • MP3은 일종의 파일 포맷으로 MPEG Audio Layer 3의 준말이다. 여기서 MPEG는 동영상전문가단체(Motion Pictures Experts Group)를 뜻하는 말로 동영상과 관련된 표준규격을 협의하는 국제협회의 이름인 동시에 그들이 만들어낸 표준규격을 뜻한다. • 레이어(Layer)1이 1:4 정도의 압축률을 갖고 레이어2는 1:6에서 1:8 정도, 레이어3은 1:10에서 1:12의 가장 뛰어난 압축률을 가지고 있다. 따라서 가능한 파일의 용량을 줄이기 위해 레이어3이 가장 많이 사용되는데 바로 이 파일 포맷이 MP3이다. MP3의 손실 압축방식을 사용하는데 이것은 인간의 귀로 들을 수 없거나 듣지 않아도 되는 부분을 버리고 가청 영역만을 디지털화함으로써 전체적인 데이터 양을 줄이는 것이다.

MID • 미디 파일의 대표적인 포맷이며 파일은 하나의 헤더 정보와 여러 개의 트랙 정보로 구성 • 헤더에는 트랙의 수에 관한 정보가 기록되고 트랙에는 연주에 따라 발생하는 이벤트의 시간 정보와 이벤트 자체에 대한 정보가 차례로 기록 • MID 파일은 곡목과 같이 당연히 표현되어야 할 정보를 기록할 별도의 필드가 없다는 문제점을 갖고 있으나 모든 미디 편집 소프트웨어에서 사용할 수 있는 대표적인 포맷

MID 미디 시스템에서 음이 입력되어 처리되고 출력되는 과정

MIDI Message Format

MID • 1) 미디음악을 위한 필수장비 • Windows와 미디 소프트웨어 • 컴퓨터에서 미디 음악을 하려면 최소한 PentiumMMX이상의 컴퓨터와 Windows95이상의 운영체제 그리고 Cakewalk 등과 같은 미디 소프트웨어가 필요 • 미디 인터페이스 카드 • 컴퓨터와 미디 악기는 서로 다른 디지털 신호를 사용하기 때문에 그 사이에 하나의 통역장치가 필요하며, 이것을 미디 인터페이스 카드라고 하는데 ATARI나 NEC같은 컴퓨터에는 그러한 장치가 내장되어 있지만 IBM호환 컴퓨터에는 이것을 따로 장착해 줘야만 함

MID • 신디사이저와 마스터키보드 • 신디사이저(synthesizer)란 여러 가지 파형의 음을 합성하여 원하는 음을 만들어 연주할 수 있는 장치이며, 파형을 발생시키는 음원과 그것을 제어 할 수 있는 건반이 함께 결합되어 있음 • 작곡과 연주를 위한 여러 기능들을 하나의 신디사이저로 결합시킨 것을 워크스테이션이라고 하며 즉, 워크스테이션에는 일반 신디사이저의 기능뿐만 아니라 시퀀서, 드럼 머신, 디지털 이펙터등의 기능들이 모두 갖추어져 있으며 사운드 모듈과 같은 외부 장비를 미디 라인을 통해서 추가/연결 할 수도 있음 • 마스터 키보드는 음원을 제외한 컨트롤러서의 건반만 있는 것을 말함

MID • 미디 케이블 • 각 미디 장비 사이의 연결에는 전용 미디 케이블을 사용 • 이 케이블은 가능한 한 길이가 짧은 것을 사용하는 것이 좋음 • 미디 신호의 전송불량과 지체현상을 방지할 수 있음 • 스피커와 앰프 • 개인적인 미디 작업을 위한 음향 모니터 장비로서 가장 쉽게 준비할 수 있는 것은 가정용 오디오 시스템임 • 컴포넌트 오디오의 뒷면을 보면 외부 오디오 신호를 입력할 수 있는 'AUX'나 Audio In' 등과 같은 입력 단자가 있으므로 신디사이저의 오디오 출력라인을 이 곳에 접속 • 신디사이저는 자체 내에 낮은 출력의 앰프를 갖고 있기 때문에 헤드폰으로도 들을 수 있지만 장시간 작업할 경우 귀에 무리를 줄 수도 있음

MID • 2) 미디 음악을 위한 부수 장비 • 드럼 머신과 드럼 모듈 • 드럼 머신(drum machine)은 드럼과 타악기 음색들만을 내장하고 있으며, 리듬 패턴을 쉽게 만들어 낼 수 있도록 리듬 전용 시퀀서를 내장하고 있음 • 드럼 머신은 전면부에 있는 몇 개의 조작 패드들을 사용하여 간편하게 리듬 패턴을 만듬 • 드럼 모듈(drum module)은 드럼과 타악기의 음색을 담고 있으며 이것을 외부 미디 시퀀서에 의해 연주

MID • 샘플러 • 오실레이터(oscillator)라는 장치에 의해서 소리를 만들어 내는 신디사이저와는 달리 샘플러(sampler)는 실제의 소리를 디지털 방식으로 직접 녹음한 후 그것을 원하는 형태로 가공하여 악기나 효과음 등으로 사용 • 샘플러에는 녹음된 샘플을 저장하기 위해서 보통 하드디스크와 같은 대용량의 저장 매체가 장착되어야 하며 샘플을 연주하거나 편집하기 위해서 많은 메모리(RAM)가 필요 • 전문 음악인들에게는 필수적인 장비

MID • 믹서 • 하나의 스테레오 녹음기에 여러 악기의 출력 신호를 녹음하기 위해서는 그 신호들을 적절하게 섞어야 하므로 이것을 위해서 믹서(mixer)라는 장비를 사용 • 믹서는 각 입력 및 출력 신호의 양과 스테레오 밸런스를 조절 • 대부분의 믹서에는 이퀄라이저(equalizer)가 연결되어 있어서 입력 신호의 베이스(base)와 트레블(treble)을 조절이 가능 • 믹서의 기능 중 주목할 만한 것은 외부 이펙터효과를 Effect Send'나 Auxiliary Send' 단자에 연결하여 각 채널마다 이펙터 용량을 서로 다르게 설정할 수가 있음

MID • 멀티트랙 테이프 레코더 • 멀티트랙 테이프 레코더(MTR; Multi Track Recorder)를 이용하면 녹음 테이프의 한 면을 여러 트랙으로 나누어 녹음이 가능 • 일반 카세트 테이프를 사용하는 MTR일 경우에는 보통 4개의 트랙을 얻을 수가 있고, 릴 테이프를 사용하는 경우에는 8, 16트랙까지도 얻을 수가 있음 • MTR장비를 사용하면 컴퓨터 음악뿐만 아니라 보컬, 코러스, 기타연주 등을 각기 다른 트랙에 녹음하기 때문에 믹싱 작업이 한결 수월 • 어느 한 트랙을 실수했다해도 다른 트랙에는 아무 영향도 주지 않고, 그 트랙만을 다시 녹음할 수가 있는 것이 MTR의 장점

MID • 디지털 멀티트랙 레코더 • 최근에 등장한 것으로 앞에서 설명한 멀티트랙 테이프 레코더를 디지털화한 것으로 즉, 테이프를 사용하는 아날로그 방식이 아닌 하드디스크 드라이브나 고유한 매체에 디지털 방식으로 녹음 • 자체내에 편집기능이나 이펙터 등을 내장하고 있으며 음성신호의 디지털 인/아웃이 가능하므로 편집작업에 따르는 음질 손실이 거의 없음 • 디지털 멀티 이펙터 • 이펙터는 신디사이저의 음색을 새롭게 가공/처리하여 출력 • 연주된 음에 특수한 효과를 부여하는 것으로서 에코, 리버브, 딜레이 등이 모두 이펙터의 일종 • 믹서와 이펙터를 연결하여 사용하면 보다 효과적으로 이펙터를 적용

RMI • RMI는 MID 파일의 단점을 해결하기 위한 포맷으로 MID 파일 내용과 함께 곡에 대한 추가 정보를 기록할 수 있도록 한 포맷을 사용한다. Microsoft에서 지원하고 있어서 MID와 함께 널리 사용된다.

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