비선형왜곡(Thd) 해석하는 방법

모든 측정 사이트에서 제공하는 Thd, IMD 같은 비선형 왜곡을 어떻게 해석하면 될까요?

저도 아직도 배워가는 입장이지만 도움이 될까 싶어서 감히 글을 써봅니다

일단 선형왜곡과 (Linear Distortion)

비선형 왜곡 (Nonlinear Distortion) 을 구분해서 개념지어 볼까요?

선형왜곡은 말하긴 힘든데 예를 들면 간단히 이해가 됩니다.

소위 말하는 FR (frequency Response) , EQ 같은 것들을 선형왜곡 결과값이라고 생각하시면 됩니다.

결론적으로 말하자면 입력신호(출력)를 받아서 산출되는 결과치라고 할 수 있지요

하지만 비선형 왜곡은 입력신호와 관계 없이 산출되는 결과들을 말합니다.

예를 들어 나는 1khz 만 넣어줬는데 2khz, 3khz 신호들이 잡히는 거죠.

선형왜곡만 일어난다고 생각하면 1khz의 신호음만 넣어주면 1khz에 대한 결과값이 나오는 것과

다르게 다른 대역에서 생기는 왜곡을 비선형 왜곡이라고 합니다

(개념 같은 경우 저의 식견도 모자르고 쉽게 쓰려다보니 틀린점도 많을 겁니다 ㅠ)

비선형왜곡의 원인들에서 가장 대표적인 예를 들자면 진동판에서 생기는 분할 진동을 예로 들 수 있습니다.

진동판이 넣어준 신호음 대로만 움직여야 하는데

저렇게 진동판 자체가 자글자글하게 흔들리는 모습을 관찰 할 수 있지요.

저런 자글자글 한 것들이 비선형왜곡을 만들어 냅니다.

----- 여기 까지 그냥 알아두면 좋은 상식이고 이제 본격적으로 해석하는 방법을 설명해 보겠습니다 -----

일반적으로 THD 를 공개할 때 두가지 그래프 형식으로 나누어 볼 수 있는데요.

 1) 절대값을 표기하는 방식(Thd+N)과 (제가 개인적으로 측정한 결과값입니다. 포낙 112 회색필터)

2) 0db 측정값 (LCD-4) 처럼

THD 총합을 합쳐서 산출된 Thd % 을(일반적으로 Thd 라고 표현하는) 공개합니다. 

각자의 장단점이 있는데요

첫번째 방식(절대값 공개)은 어느 정도 출력에서 얼마만큼의 하모닉 디스토션이 나오는 지랑

(지원하는 차수만큼 확인 할 수 있습니다.)

측정 환경에서 노이즈의 값을 명확히 볼 수 있다는 장점이 있지만

dB이 로그값이기도 해서 해석하기는 매우 어렵다는 단점도 있습니다.

두번째 방식(% 공개)는 명확한 데이터 값을 주진 못하지만

해석하기에는 첫번째 방식보다는 훨씬 편리합니다.

(대세는 %를 사용하는 방법을 채택하는 듯 합니다)

이쯤에서 많은 사람들이 오해하는 점을 집고 넘어가도록 하겠습니다.

1) 일반적으로 Thd 값은 2차 , 3차 하모닉 디스토션의 총합으로 해석해야 합니다.

하모닉 디스토션은 2차, 3차,4차 계속해서 무한대로 생기는데

Thd 값은 대체적으로 2,3차 결과값에만 좌지우지 됩니다.

고차 하모닉으로 갈 수록 점차 왜곡이 줄어 들기 때문에

일반적으로 4차부터는 대부분 측정환경에서의 2,3차보다 낮게 나와 일반적인 THD %값에서는 보이지 않죠

2) 고역대의 하모닉 디스토션은 주의해서 해석하셔야 합니다.

 만약 그래프 상에서 10khz에서 하모닉 디스토션이 10% 라고 가정을 해봅시다.

여기서 "종종 10퍼센트나 나오네 이것 때문에 소리가 이상하게 들리는 걸 꺼야 !" 라고 생각 할 수 있습니다.

하지만 10khz에서 처음 생기는 하모닉 디스토션은 20khz입니다... 3차 배음은 30khz 구요.

가청대역을 벗어나는 영역이죠. 하지만 그래프상에서는 10khz에서 측정되니 오도 할 수 있습니다.

3차 배음이라고 생각한다면 7khz 부터가 벌써 21khz입니다.

따라서 측정치를 보실때 고역대쪽은 어느정도 감안하고 보셔야 합니다.

물론 청감상 들리지 않을 뿐이지 thd가 저역대든 고역대든 높게 나오는 제품들은

대체적으로 이어폰. 헤드폰이 제대로 설계 되지 않은 것이지요.

그래프 상으로 원인은 알 수 없지만 분할진동,럽앤버즈, 크립 등 여러 문제가 있는

제품이라고 판단 할 수 있습니다.

그렇다면 여기서 의문이 생기는데 이런 Thd가 높은 이어폰, 헤드폰은 어떻게 들릴 까요?

결론 부터 말씀 드리자면 아무도 모릅니다 .. !!!

Thd 수치는 원래 이어폰,헤드폰, 스피커 등 발음체가 잘 설계 됐는지를 보는 툴이지

청감상 평가하는 요소를 반영한 측정값이 아닙니다.

일반적으로 비선형왜곡이 사람에게 어떻게 들리는지 알려진 사실을 열거해보자면

1) 사람은 저차 하모닉스 보단 고차 하모닉 디스토션이 절대적 양이 적어도 크게 느낄 수 있다.

2) 하모닉 디스토션이 많으면 많을 수록 사람들은 거부감을 느낀다.

2번은 뭐 그려려니 하는데 문제는 1번 입니다. 

전에 서술 했듯이 기존 Thd 측정법 가지고는

고차 하모닉스가 상대적으로 보이지도 않고 매우 적은량이라 해석하기도 힘들죠

게다가 고차 하모닉스는 적게 들려도 사람들이 거슬리다고 느끼는데 Thd 결과값은 2,3차가 결정합니다..

게데스(Geddes) 박사는 이 점을 꼬집으며 청감상 영향을 측정하려면 다른 툴이 필요하다고 중요합니다.

자세한 내용은 논문을 보시면 됩니다.

http://hephaestusaudio.com/media/2008/11/distortion_aes_ii.pdf

그러면서 실험을 했는데 결과 값이 재밌습니다.

실험환경은 er4로 측정했으며 블라인드 테스트를 통해 상대적인 thd 값을 변화 시켜가며 측정된 결과값입니다.

 Y축이 점수 X축이 Thd 값입니다. 그래프에서 대체적으로 thd 값이 높을 수록 사람들은 적은 점수를 주었습니다. 하지만 제가 빨갛게 동그라미 쳐논 데이터를 보시면  각각 대략 thd 값이 7% 12% 임에도 점수가 오히려 더 높습니다.

심지어 thd가 7%였을 때의 점수가 0%에 가까울때 보다 더 높았습니다.. ㄷㄷ

그래서 게데스 박사는 고차 하모닉스에 가중치를 주는 Gm 이라는 수치를 통해 측정할 껄 제안했죠.

 (Gm 값이 높을 수록 비선형왜곡이 적은 값입니다.)

하지만 이것 역시 정비례 하다고 보긴 힘들고 저렇게 튀는 값들이 보입니다.

결론적으로 말하자면 비선형왜곡을 청감상 어떻게 들릴지 에 대한 측정툴은 개발단계이며

Thd 란 이어폰, 헤드폰 설계를 잘 했는지 정도를 보여주는 지표라고 해석하시면 충분 하실꺼 같습니다.

(물론 thd가 높게 나와서 특정 대역이 이상하게 들린다는 근거있는 추측도 가능할 수 있지요)

틀린점이나 얘기해보고 싶으신 내용은 댓글로 달아주시면 매우매우 감사하겠습니다 ㅎ