커널형 이어폰에서 선호되는 저음 재생 (논문 요약)

이 글은  "The preferred low frequency response of in-ear headphones" 라는 논문을 요약한 글입니다.

(주의: 발번역, 이해부족, 주관적 편집, 글쓴이의 오류가 산재해 있을 가능성이 높은 글입니다)

http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=18369

Olive & Welti 박사가 하만타겟을 인이어(커널형)에도 적용해보는게 큰 주제라고 보시면 간단할 겁니다.

(참고: 지금껏 하만 타겟은 서큠오랄 헤드폰에만 적합한 타겟이었음)

이번에는 쬐끔 중요한 논문이라 논문 구성 그대로 요약하는 식으로 내용을 전개해 보도록 하겠습니다.

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1. 서론

 스마트폰, 테블릿, 노트북의 인기로 인하여 전세계에서 2022년도가 되면 시장 규모가 18조 크기의 시장으로 성장 할 것으로 예측되고 있다.

그 중에서도 가장 큰 성장을 이룰 것이라 생각되는 건 인이어(커널형) 이어폰이다.

Olive&Welti의 연구를 통해서 기존에 사용되던 확산음장(Diffuse-field) 와 자유음장(Free-field)에 비해

표준 음악감상실(reference listening room) 에서 정확히 조절된 스피커의 반응과 등화 시킨 타겟

(Olive&Welti 타겟 or 하만타겟) 이 더 선호되었다는 사실이 밝혀 졌다.

또한 최근 연구에 따르면 청취자의 나이나 이전의 음악감상 경험에 따라 선호하는 저역량이 다르다는 것이다.

(이 논문은 제가 생각하기에 문제가 많아서 굳이 첨부하진 않겠습니다. 이후 추후에 논하도록 하죠)

여기서 문재가 발생한다.

그렇다면 커널형 이어폰의 경우 헤드폰과 같이 올리브-웰티 타겟을 적용시켜도 될까?

만약 그렇지 않다면 그 이유는

1. 헤드폰은 외부 귓바퀴를 거쳐 전달 되지만 커널형은 그렇지 않다.

2. 막힌 귀(관)에서 저역이 샐 수 있는 현상(leakage,누설)이 생길 수 있다.

그래서 이 문제를 해결하기 위해 이 논문은 다음 물음에 답하고자 하였다.

1. 커널형에서 선호되는 저역대(Low frequency) 타겟은 무엇일까?

2. 선호되는 오버이어 헤드폰 타겟과 커널형 이어폰 타겟이 일치할까?

3. 음량 정규화(Loudness normalization)가 선호되는 저역 반응에 어떤 영향을 끼칠까?

4. 누설(Leakage)이 선호되는 저역 반응에 어떤 영향은 끼칠까?

2. 실험방법

 실헝은 총 4가지 각기 다른 방법으로 실시된다.

TEST 1. 음량 정규화(Loudness normalization) 없이 청취자가 저역을 조절한다.

TEST 2. ITU-R 1770 모델에 따른 음량 정규화를 실시 후 청취자가 저역을 조절한다.

TEST 3. 누설(Leakage)을 통제 후 1번의 실험 실행

TEST 4. 누설을 통제후 2번의 실험 실행

저역 조절 방법은 음량 크기를 설정 후  shelving filter 대역을 설정해 줄수 있게함

2.1 커널형 이어폰 선택

이어폰: 젠하이져 모멘텀 m2-IEi

이어폰을 개조해서 내부에 장착한 마이크: Knowles SPV1840 LR5H-B

                                               (누설을 재고 통제하기 위해서 사용됨)

GRAS RA0045 커플러에 GR0408 노즐을 통해 완전 밀폐된 측정 환경에서

이어폰은 Figure 2와 같이 측정되었다.

측정치는 적절히 스무딩됐다.

2.2 실험에 쓰인 곡

세 곡이 사용되었다.

1. Jennifer Warnes - Bird on a Wire ( 여성보컬, 락) -> 이후 JW라 약칭

2. Estelle w. Kayne Wes - Shine (남성,여성보컬 , 힙합) ->  이후 KW라 약칭

3. Steely Dan - Two Aganist Nature (남성보컬, 재즈) -> 이후 SD 라 약칭

2.3 테스트에 참가한 청취자

하만의 How to Listen 과정을 훌련해 8레밸 이상의 청취 능력을 가지고 있는 사람

22세에서 56세 사이 (평균 41.9세)

2.4 실험 세부과정

 청취자들은 각 실험마다 각 곡마다 6번 반복한 결과로 도출되었다. (3x6 총 18번 실험)

 (그 이상은 논문 참고 해주시기 바랍니다...

 너무 많고 복잡하고, 모르는 실험표준과정도 있고 제 능력밖입니다 ㅠ)

3. 실험결과 

3.1 실험방법에 따른 결과  (각 실험은 95퍼센트의 신뢰도를 가지고 있습니다)

(사각형은 각 실험마다 청취자의 분포도를 나타내는 것입니다. 이하동문)

Figure 7 - 각 실험마다 청취자가 선호하는 저역 음량 (dB/spl)

TEST 1 평균 11.5 dB 표준편차 5.77

TEST 2 평균 9.6        표준편차 4.33

TEST 3 평균 9.8        표준편차 5.39

TEST 4 평균 9.9        표준편차 5.15

Figure 8 - 저역 shelving filter 선호 대역 주파수 (Hz) 평균

TEST 1 196 Hz

TEST 2 166 Hz

TEST 3 177 Hz

TEST 4 153 Hz

3.2 곡에 따른 결과

Figure 9  - 장르별 선호했던 저역량 (dB)

JW (여성보컬,락) - 평균 9.1 dB 표준편차 5.38

KW (남녀보컬,힙합) - 평균 10 dB 표준편차 5.36

SD (남자보컬,재즈) - 평균 10.2 dB 표준편차 4.96

3.3 각 실험에서 청취자들의 선호와 실험수행 결과 차이

Figure 10 -  각 실험자 마다 각각의 실험 실행에 따른 저역량 선호도 변화 결과 (db)

Figure 41 - 각 실험자마다 각각의 shelving 필터 선호 기준 변화 결과 (hz)

4. 핵심요약 및 분석

1. 실험결과 외부 요인(누설과 음량 정규화)을 가장 제외한 결과치인 TEST 4를 보면 

    저역량은 평균 9.9 dB 정도 보상하는 걸 선호했고

    평균 필터 기준 대역은 99 Hz를 선호했다.

    이는 이전의 헤드폰의 실험결과에 비하여 5.1 dB 높은 결과다.

     (기존의 olive-welti 타겟에 비해)

2. 외부요인이 통제되고 안 되고의 차이는 2dB 정도의 저역량 차이가 나타났다.

   (TEST 1과 4 비교)

    누설(Leakage)과 음량 정규화 (Loudness normalization) 의 통제 유무의 경우

    기대와 다르게 뚜렷한 결과차이가 보이지 않았다.

     이는 이어폰의 디자인과 귀에 잘 들어맞게 설계됐거나 

     청취자들이 잘 밀폐되도록 노력했기 때문인 것 같다.

3. 실험에서 저역량의 대역과 양에 대한 선호도가 반복할때 마다

   결과 차이가 꽤 심하게 났다. 

    어떤 개인 참가자는 9.5 dB - 14.4 dB 범위에서 선호도가 바뀌었고

    필터 기준대역은 75 Hz 에서 325 Hz 까지 바뀌였다.

     (이는 2 옥타브나 차이나는 대역이다)

5. 실험결과에 따른 커널형(인이어) 타겟

 Figure 52 굵은 파란색 커브: 이 논문 베이스로 만들어진 커널형에 대한 보정 타겟

              검은색 커브: 올리브 웰티 타겟 (오버이어 헤드폰 기준)

              붉은 점선: 247명의 나이, 경험, 문화가 다양한 표본집단에서 산출된 선호 커브

         (  실험에 쓰인 젠하이져 모멘텀 커널형 이어폰이 15khz 이상은

             커플러에서 측정이 안되서 그 이상은 보정하진 않았다네요   )

Figure 74 - 시중에 판매되는 이어폰 측정치들과 새로 도출된 타겟 곡선간의 비교 (왼쪽 채널만 측정함)