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지식과팁

공간감空間感에 대한 간?단한 고찰 2

시미즈 시미즈
408 19 42

https://www.0db.co.kr/REVIEW_USER/4387815

 앞내용입니쟈.

 

 졸필 많이들 따봉 해주셔서 몇 자 더 월루하며 두들겨 보겠습니다. 남은 하루도 모두 힘내셔요!

2에선 아래의 내용을 다룹니다.

 

음향에서 말하는 공간감

거리와 깊이 지각

 

 

 

우선 저번 내용을 간단히 정리해볼까요.  

 

 우리의 뇌는 공간을 인지하는데 있어 이전에 만들어 놓은 패턴을 사용한다는 말씀을 드렸었습니다. 세상을 살아가고 경험하면서 누적된 정보들을 학습하여 저장하고, 패턴화시킨 다음 비슷한 상황이 있을 때 꺼내 보는 것이지요. 우리가 평면에 불과한 사진이나 그림을 보더라도 입체감을 느끼는 것이 바로 그러한 이유지요.image.png.jpg

 

 소리도 마찬가지입니다. 공간에 따른 소리 정보는 세상을 경험하면서 코딩되어 저장되고, 소리에 대한 경험이 많을수록 꺼내 볼 수 있는 데이터가 많으니, 소리 정보에 대한 이해도도 커지는 메커니즘이지요. 결국 평범한 관점에선 이해할 수 없는, '황금귀' 분들의 주장 중 몇몇가지는 '청력 자체의 물리적 차이'가 아니라 오랜 시간 소리와 음악을 듣고 판단하고 구분해온 '코딩 데이터(정보화된 경험)의 차이'에서 오는 것일 수도 있다는 것이랍니다. 물론, 너무나 미신적이고 물리적으로 불가능할법한 주장을 옹호하는 것은 아닙니다.image.png

평양 제1목욕탕 내부 /사진=조선중앙통신, 대중탕의 경험을 기억해보면 시각적 특징 외에도 '울리는 소리'라는 청각적 경험을 떠올릴 수 있다.

 

  하여 시청각 경험이 다양한 사람이 실공간과 음공간을 인지하는데 유리한건 당연한 것이고, 이에 근거해 '여성에 비해 공간지각력 뛰어난 남성들이 음향취미를 더 즐기는 것 아닐까?'라는 생각과, '시각적 공간지각력 좋은 분들이 음악감상할때 공간감을 느끼는 것에도 더 유리한 점이 있지 않을까?'하는 의문 던지며 글을 끝냈었습니다.

 

 

 그럼 이제부터 본격적인 2부 내용을 진행해보겠습니다.

 

 

 

1. 방향 인지 기준 

 

 이전 글에서 인간은 방향方向을 인지하는 단서로 양이兩耳, 정위定位를 인지하는 단서로는 두 귀 사이의 시간차와 음압차를 이용하고, 이것들을 통해 음향적인 공간감을 지각한다 말씀 드렸었습니다.

 

 이번 글에선 이전 대략적으로만 다루었던 방향 단서에 대한 이야기, 거기에 더해 거리 지각을 위해 필요한 Loudness perception음량 감각, Spectral perception확산 감각, Reverberation perception잔향 감각에 대해 논해보겠습니다.  

 

 아차, 우선 시작하기 전에, 음상音像과 정위定位에 대한 이야기를 먼저 해야할 것 같네요. 어디까지나 제가 공부하며 내린 정리이므로 절대 '옳은 것'이 아닙니다.

   

 음상 Stereo imaging, 정위 Sound localization입니다.  그리고 음악적 공간감을 스테이징이라 하는건 한국식 표현이고, Soundstaging이 정확한 명칭이라 합니다.

 또 사전을 찾아봐야겠지요오.

Stereo imaging: Stereo imaging refers to the aspect of sound recording and reproduction of stereophonic sound concerning the perceived spatial locations of the sound source(s)

 

Sound Localization: Sound localization is a listener's ability to identify the location or origin of a detected sound in direction and distance.

 

 풀어 말해보자면 음상 음악 속에서의 각각의 악기나 보컬들의 공간 위치인데, 재생 계통이나 소스 차원에서 어느정도 조절이 가능한 것입니다. 하지만 정위청취자 입장에서 거리감이나 높낮이 등의 실제적인 느낌, 즉 음의 위치 자체인지하는 것입니다. 혼용하기 쉬운 개념이라 적어봤습니다.

 

 결국 제가 공부한 개념에서, 정해진 헤드폰, 스피커에서 나오는 소리가 뿜어내는 '정위감'은 이론상 항상 똑같아야 합니다. 하지만 우리는 그렇게 느끼지 않죠.

 

 현실 공간 곳곳으로 퍼져나가는 소리를, 마이크로 담아내어 스피커로 재생 시켰을 때, 현실과 같게 혹은 그 이상의 청각적 공간감을 느낄 수 있도록 하는 것이 기술이자 엔지니어의 역량인 것이겠지요.

image.png용문산관광지 마을길, 사진=양평군

 

 마치 평면 착시 그림처럼, 실제하지 않는 것을 마치 실제하는 것처럼 느끼도록 하는 것입니다. 저한텐 마법과도 같은 일입니다. 이성적으로는 불가능해야 할 것 같은데, 그걸 직접 느끼는 경험은 매번 참 신비롭습니다.

 

 

 

 

 그럼 이제부터 방향을 느끼는 기준에 대해 좀 더 자세히 적어보겠습니다. 방향 인식은 두 귀 사이의 시간차(Interaural Time Difference; ITD)음압차(Interaural Intensity difference; IID)로 구분됩니다. 

 image.png

 A와 B의 거리 차이는 결국 음이 귀로 도달하는 시간차를 발생시킨다. 이것이 ITD이다.

 

"In general, a sound is perceived to be closer to the ear at which the first wavefront arrives, where a larger ITD translates to a larger lateral displacement. However, at frequencies above about 1500 Hz, the wavelength of sound becomes comparable to the diameter of the head, the head starts to shadow the ear farther away from the sound, and ITD cues can become ambiguous. At these higher frequencies, the IID generated by head shadowing becomes important to perceptual decoding of azimuth angle." - Wakefield. Computer Music Journal Volume 25, Issue 4 2001 58p

 ITD는 중저역대 (100Hz~1.5kHz), IID는 고역대(1.5kHz~)에 영향을 끼칩니다. 통상 음은 ITD가 클수록 더 커다란 측면 변위로 인식하여, 음파가 먼저 도달하는 쪽의 귀에 더 가깝다고 느끼게 됩니다. 하지만 1.5kHz 이상의 주파수에는 음의 파장이 머리의 직경과 대등하지고, 머리가 음원에서 보다 먼 쪽의 귀를 가리게 됩니다. 따라서 ITD 단서는 애매해집니다. 이런 고역에서는 머리의 여과효과를 받는 IID가 방위각 인지에 있어 중요한 요소가 됩니다. 

 

 음파의 중요한 성질은 저주파일수록 회절의 정도가 커지고, 음이 지나가는 통로의 넓이가 파장보다 넓다면 방해없이 직진한다는 것입니다. 1.5kHz 주변의 음파는 머리의 직경(약 20 cm)과 비슷한 파장을 가지고 있습니다. 파장이 머리의 직경보다 긴, 약 1.5kHz 이하의 음역에서 음파는 머리 직경에 따른 음 여과 현상에 영향을 받지 않습니다. 이렇게 되면 양 귀 사이의 위상차(Phase Difference)가 발생, 양이 단서 인지의 주 역할을 하게 됩니다. 


 그러나 파장이 머리 직경보다 짧아지는 1.5kHz 이상에서는 위상차가 발생하지 않으므로 ITD의 단서가 모호해집니다. 따라서 차라리 아예 멈춰버리는 IID가 방위각의 인지를 대신하게 됩니다. 고음이 머리를 돌아 나아가지 못하고 멈추게 되며, 머리의 음 여과 현상(Head Shadow)에 의한 시간차가 점점 커지는 거지요.  f = c/λ (f:주파수 c:음속 λ:파장)

 다만, IID는 ITD에 비해 정위감에 미치는 영향이 상대적으로 미미하기에, 양이 단서의 핵심 요소는 ITD라는 것이 중요한 사실입니다. 초고역으로 정위감을 또렷하게 느끼시는 분들은 대단하신겁니다. 대부분 못 느낄겁니다.

 

 편이 단서는 청취자의 Elevation(고도각?)에서의 정위 인지 단서입니다. 귓바퀴, 머리, 어깨, 몸통 등 청취자의 신체 부위가 특정 음을 여과하는 현상, 즉 머리전달함수(Head-related transfer function; HRTF)를 이용합니다. 상술하였던 IID도 결국 머리전달함수 중 일부라 할 수 있지요. 편이 단서 중 가장 큰 영향을 끼치는 요소는 6-8 kHz 와 12 kHz 근처의 주파수에서 음원의 Elevation에 따라 다르게 반응하는 귓바퀴의 Pinna notch filtering(음 여과?)입니다. 이리 여과된 청각 정보는 뇌의 청각피질에서 처리되게 되지요.

 

 

 

 

2. 거리와 깊이를 느끼는 기준

 거리 지각은 청취자와 음원 사이의 심도 인지인데요. 양이, 편이 단서의 정보가 모두 쓰입니다. 그중 가장 중요한 것은 음의 진폭(음량)으로, 이 음량이 거리를 감지할 때의 가장 직접적인 단서가 됩니다. 역제곱법칙에 의해서 거리가 늘어나면 늘어날수록 음량은 사그러드니깐요. 배그같은 넓은 맵의 총게임을 해보신 분들은 똑같은 총에서 나는 소리의 음량을 가지고 거리를 가늠하는 경험을 해보셨을겁니다.

 

image.png

 

 조금 더 자세히 말해보자면, 거리 지각음량감, 확산감, 잔향감으로 나뉩니다. 음량감은 음의 높낮이로, 확산감과 잔향감은 공간에서 반사되는 음의 양으로 심도를 결정하게 됩니다. 상술했던 목욕탕의 예시나 산의 메아리를 기억하면 될 듯 하네요.

 

  음량감에 대해 알아보기 위해, 우선 인간이 민감하게 여기는 음역대에 대해 적어 보겠습니다.


 UC Dabis의 CIPIC연구소에서 2001 발표한 논문에 따르면

"The strong response…around 5 kHz corresponds to the quarter-wavelength depth resonance...In the frequency-domain, most HRTFs exhibit the prominent depth resonance around 3 to 4 kHz…"

 5kHz의 강한 응답은 이도 공명 현상과 상응하고, 대부분의 머리전달함수는 3~4kHz에서 공명 현상을 보인답니다.

 

 또 SoundBlaster의 제작사 Creative 사의 개발백서에 따르면 

 “The central cavity…is around 15mm in depth and so the quarter wavelength resonance associated with this is about 5.7 kHz. In practice, this resonance can amplify the sound pressure levels by 10 dB or more. The auditory canal is about 25mm in length and around 7mm in diameter, which gives rise to an additional λ/4 resonance at 3.4 kHz…providing a similar amplication of the signal of about 10 dB. In all, the outer ear boosts the sound signals by more than 20 dB at 3 kHz.”

 

 사람의 이갑개 깊이는 대충 15mm 이고, 이러면 공명 대역이 5.7kHz정도가 되어 이정도 음압에서 10dB가량 공명 증폭, 이도의 길이는 약 25mm에 직경 7mm 가량이라 3kHz에서 10dB가량 공명 증폭 된답니다. 결국 외이는 20dB 정도를 3kHz에서 증폭시킨다네요.

 

 결국 3~5 kHz 대역은 인간의 청각이 가장 예민하고, 음의 선명도나 음상의 중심을 잡아주어 보컬의 배음이 위치하는 대역이라고 할 수 있는 것이지요. 이러한 귀의 공진성으로 인해 생기는 민감한 대역은 결국 음량감을 좌우하게 만드는 것입니다. 

image.png

image.png

 

 

 이제 거리지각의 나머지 요소들, 확산감과 잔향감에 대해 적어보겠습니다. 이 둘을 조성하는 Reflected sound(반사음)는 주로 폐쇄공간(녹음실, 공연장 등) 내의 음원에서 발생하는 Direct sound(직접음)으로 인해 생기게 되고, 아래 피겨와 같이 분류됩니다.

 

image.png

image.png

사진=unika vaev, tornex. 직접음, 초기반사음, 잔향음 

 

 가장 먼저 청취자에 도달하는 직접음은 음상을 판단하게 합니다. 이후 공간에 반사되어 직접음 이후 20~50ms (음악은 20 ~ 80ms) 안에 도달하는 초기 반사음(Early Reflected Sound)이 뒤따르죠. 초기 반사음은 해상도의 향상과 긍정적 확산감을 만들어내고, 그 이후 모든 방향에서 지속되는 반사음 복합체인 잔향음(Reverberation)이 잔향감을 이끌어 내게 됩니다. 초기 반사음이 음악 감상에 있어 굉장히 중요한 역할을 수행한다는 사실을 알 수 있죠. 이와는 별개로, 직접음과 시간차가 90ms를 넘은 반사음은 자연스러운 현장감에 악영향을 끼치는 메아리(Echo) 현상으로 인지됩니다.

 

 직접음과 최초 반사음 사이의 시간차가 클수록, 청취자는 음 경험에서 동떨어진 느낌을 받게 됩니다. 이는 곧 현장감과 친밀감의 결여로 이어지게 되지요. 수치적 연구에 따르면, 최초 반사음은 직접음이 발생한 35ms 안에 도달하여야 직접음과 반사음의 차이를 명징하게 구분하지 못하게 된다고 합니다. 이게 상술했던 해상도 향상과 확산감을 이끌어내는 요소지요. 이런 경우 소리의 위치는 선착한 음의 방향으로 인식이 되는데요, 이 현상을 Hass effect라고 합니다. 더하여, 그 시간차가 50ms를 넘기 시작하면 청취자는 동떨어졌다는 느낌을 받게 되는거지요.

 

 이헤폰은 배치니 음원 튜닝이니 고민하지 않아도 이런 Hass effect 실패로 인한 Directional unstablitiy(방향성 불안정?)으로부터 자유롭습니다. 스피커에 비해 가지는 장점 중 하나지요.

 

 

 마지막으로 Echo 현상은 시간차가 90ms가 넘어가고, 통상 잔향음보다 비정상적으로 크게 들리는 잔향음을 말합니다. 이런 불필요한 공진 현상은 상술했듯 감상 경험에 악영향을 끼치게 되죠. 헤드폰 제조사들이 하우징에 별별 짓을 다 하는 이유 중 큰 요소가 바로 이 메아리현상입니다. 괜히 오만가지 재질 구조 흡음재를 계속 테스팅해보는게 아니지요오.

 

 참고로 완전히 개방된 공간에선 반사가 불가능하기에 고역의 Timbre 변화로 방향감을 파악합니다. 저역 파장이 고음보다 길기때문에 멀리 뻗어나가는데 유리하거든요. 옛날 전쟁 영화나 판타지같은거 보시면 뿔피리 뿌우우우! 하는 친구들 소리가 낮은게 그런 이윱니다. 고역은 멀리 갈수록 힘이 빠지거든요.

 

 

 자, 마지막으로 표 하나로 정리해보겠습니다.

 

image.png

 제가 이걸 2편으로 끝내려고 했는데요. 망했어요.ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ....다음편!  이어폰과 헤드폰에서의 공간감

으로 언젠가 돌아오겠습니다.

 

 졸필 읽어주셔서 감샤합니쟈. 내용에 하자가 있다면 부디 괘념치 마시고 빠른 겐세이 댓글 적어주시면 감사하겠습니다.

 

 

 

 

 

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민트초코샷추가 민트초코샷추가님 포함 19명이 추천

Comment 42

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대단히 굉장하고 엄청난 필력이시네요..
내공이 어마어마하신 분..
13:05
24.09.09.
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시미즈 Developer
비밀상자
흔한 이공계 닝겐일 뿐이와요. 좋게 봐주셔서 감사합니댜!
13:11
24.09.09.
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시미즈 Developer
올바른인연
근데 저도 막귀임니쟈 힣
13:12
24.09.09.
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시미즈
네? 뭐라구요???? 저정도 글을 작성하시는거보면 이미 골든이어 이십니다.
13:12
24.09.09.
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시미즈 Developer
올바른인연
이게 저걸 안다고 듣는걸 통제 할 수 있는게 아닌지라.. ㅋㅋㅋ큐ㅠㅠㅠㅠ
13:26
24.09.09.
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시미즈
좋은 글 감사합니다 덕분에 오늘도 지식이 +1됩니다
13:29
24.09.09.
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"음파의 중요한 성질은 파장보다 긴 길이의 물체에서는 멈추고, 짧은 길이의 물체엔 우회 전진한다"

라고 하셨는데

저는 처음 듣는 말씀이네요.

혹시 말씀에 대한 추가설명을 해주실 수 있으실까요?

13:13
24.09.09.
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시미즈 Developer
햄최삼
회절 굴절 반사를 간단히 표현해봤는데 말이 좀 요상했나봅니다 ㅠㅠ
13:15
24.09.09.
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시미즈
"멈춘다"라는 것은 에너지가 진행되지 않고 다른 에너지(주로 열에너지)로 발산된다는 것인데
상기 표현대로라면 물체가 파장보다 길이가 길면 회절이 일어나지 못하는 것으로 보입니다.
예를 들어서 아파트 바깥에서 제가 제 친구를 부르면
반대편 바깥에 서있는 친구는 제 목소리를 못듣는다는 얘기가 되어버립니다.
13:18
24.09.09.
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시미즈 Developer
햄최삼
엇 맞는 말씀이십니다.
그냥 표현을 고민하지말구 팩트로 수정해야겠습니다ㅠㅠ
말씀 너무너무 감사드립니댜!
13:21
24.09.09.
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시미즈

이해해주셔서 감사합니다.

내용 불필요하여 줄였습니다.

지금 표현하신 말씀대로 적어주시니 오해가 전혀 없을 것 같습니다.

감사합니다

13:38
24.09.09.
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시미즈 Developer
purplemountain
아니 제가 분명 뉴비분들께 도움될만한 내용을 적으려고 했는데..
적고보니 돌아삣네요오..ㅠㅠㅠ....
다음 고찰은 보다 간단한 용어 같은걸 적어봐야겠습니다..ㅠㅠㅠ...
아니면 주제 추천을 받던지..
13:25
24.09.09.
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시미즈

아마, 결론에서는 처음 주제로 돌아가 공간감, 또는 사운드스테이지를 표현하기 위해서 엔지니어들은 어떤 기법을 사용하여 그런 느낌이 들게 하나? 이런 내용이 들어가지 않을까 기다려 봅니다. 학문적 배경은 들었으니, 우리 귀에는 그렇게 분명히 들리는 것이고, 그렇게 들리는데는 뭔가 테크닉이 있겠죠.

13:27
24.09.09.
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시미즈 Developer
purplemountain
어엇 생각하던 요소 중 하나입니쟈.
돌비나 그런 친구들 얘기도 좀 적어볼까 싶고 그렇네요오!
13:30
24.09.09.
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시미즈 Developer
SunRise
댓글 보고 깜짝 놀랐사와요.. 공유해주셔서 감사합니다!
13:44
24.09.09.
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시미즈
두 분 모두 예전 골든이어스 시절부터 기라성같은 분들이었어요 ㅎㅎ
15:03
24.09.09.
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SunRise
무슨 말씀하시는겁니까 최종보스님....
14:54
24.09.11.
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청염

저는 듣고 정리한 것밖에 없어요. 이론은 약합니다 ㅎㅎ

 

그나저나 오랜만에 뵙는 것 같습니다~

22:29
24.09.11.
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SunRise
아기가 태어나고 나니
제일 먼저 이쪽 지출을 멈추게 되더라구요.
지출이 멈추니 아무래도 발길이 줄어들수 밖에 없구요.
09:45
24.09.12.
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청염
축하드립니다! 1회 정모부터 벌써 시간이 그렇게 되었네요
10:15
24.09.12.
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아아 저도 디코딩기능차이 설을 지지하는 사람 중 하나입니다.

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14:41
24.09.09.
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잘 봤습니다. 덕분에 좋은 공부가 되었네요.

SimiRise로 닉변하셔도 되겠습니다.

진심으로 대단한 내공이십니다. ㄷㄷㄷ

거의 논문 요약본을 작성하셨네요.

18:52
24.09.10.
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시미즈 Developer
alpine-snow
내공이라니 과찬이십니다.
해당 시리즈 마무리하면 레퍼런스 논문 목록 올릴 예정입니쟈. 감사합니다.
08:39
24.09.11.

엄청난 퀄리티네요 ㄷㄷ

천천히 곱씹으면서 읽었습니다

20:33
24.09.10.
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시미즈 Developer
에오에오에
감샤합니댜 ㅎㅎ
08:38
24.09.11.
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음... 공간감을 구성하는 요소를 구체적으로 구분해서 정리한다는 의미에서는 좋아보이네요.

다만 개인적으로 공간감을 잘 느끼는 사람들이 어떤 사람들인지 정의해도 무슨 의미를 갖는지는 잘 모르겠습니다.
저로서는 개인적으로 소수의 황금귀를 위한 음질보다는 다수의 막귀를 위한 음질이 더 의미 있다고 보는지라 (...)
14:53
24.09.11.
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시미즈 Developer
청염
댓글 감사합니다.
근데 우이잉..? 제가 글에서 공간감을 잘 느끼는 사람들에 대해 정의하였나요오..?
14:56
24.09.11.
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시미즈
정의를 했다는 의미는 아니지만, 제가 읽었을때 방향성은 그런 느낌을 좀 받아서요. 남자가 공간지각력이 더 좋아서 공간감을 느끼는데 더 유리하다거나, 어떤 분은 공간감을 잘 느낀다는데 하는 부분들에서 말이죠.

이 취미... 공간감 잘 느끼면 돈 많이 깨집니다... 쩝... 전 공간감을 잘 느끼는게 솔직히 좋은지 모르겠어요.
15:02
24.09.11.
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아는 게 부족해서 이해는 얼마 못했지만 정성이 느껴집니다. 계속 정진하다가 다시 돌아와서 읽으면 이해도도 그만큼 올라가겠지요. ^^ 멋진 글 잘 읽었습니다!
23:06
24.09.11.
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시미즈 Developer
로드러너
과분한 칭찬말씀 감사합니다! 좋은 밤 되셔요오😆
23:24
24.09.11.
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공간감을 좀 잘 느끼는 편 인데 이헤폰으로는 스피커와 넘을 수 없는 간극이 느껴져서 시원하게 스피커 세팅 했습니다..ㅋㅋ
02:02
24.09.14.
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시미즈 Developer
nerin
엔지니어링으로 뽑아낸 공간감이랑 진짜 공간은 차이가 크죠오ㅎㅎ 킹쩔수없는듯합니댜ㅋㅋ
04:29
24.09.14.
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오... 이걸 이제보는데 음성 연구하시는 분인가??? 싶을 정도의 퀄리티 잘 봤습니다ㄷㄷ 많이 배우고갑니다!!
22:00
24.09.26.
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시미즈 Developer
민트초코샷추가
앗 부족한 글 읽어주셔서 대단히 감사드립니당!
22:35
24.09.26.
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