주파수 스펙트럼과 이퀄라이저

무지개로 이해하는 스펙트럼

비가 갠 뒤 하늘에 뜬 무지개를 본 적이 있을 것이다. 무지개가 왜 생겨나는지는 학교에서 한 번쯤 배운 기억이 있을 텐데, 태양빛은 우리 눈에 하나의 밝은 빛으로 보이지만 그 안에는 서로 다른 파장을 가진 여러 색의 빛이 섞여 있다. 태양빛이 공기 중의 물방울로 들어가면 파장에 따라 서로 다른 각도로 굴절하고, 물방울 안에서 반사된 뒤 다시 밖으로 나오면서 여러 색으로 나뉜다. 이렇게 분리된 빛이 우리 눈에 들어오면 무지개로 보인다.

빛과 소리는 모두 주파수를 가진 파동이다. 다만 빛은 전자기파이고, 소리는 공기의 진동인 기계적 종파이다. 결국 감각기관이 달라, 하나는 시각으로, 다른 하나는 청각으로 인식될 뿐이다. 빛이 여러 색깔(서로 다른 주파수의 빛)이 섞인 것과 마찬가지로, 소리 또한 하나의 음원 안에 여러 주파수의 파동이 섞여 있다. 이렇게 어떤 소리를 구성하는 주파수의 분포를 스펙트럼(Spectrum)이라고 한다.

440 Hz 정현파의 스펙트럼

위 그림은 440 Hz의 정현파(Sine Wave), 즉 하나의 주파수만으로 이루어진 순수한 사인파를 분석한 것이다. 440 Hz라는 것은 이 파형이 1초에 440번 반복된다는 의미다.

그림의 왼쪽 상단에는 시간에 따른 신호의 진폭 변화를 보여 주는 파형 그래프가 있다. 빠르게 반복되는 정현파의 바깥쪽 윤곽이 엔벨롭(Envelope)에 해당한다. 이 신호는 진폭이 거의 일정하므로 엔벨롭 역시 일정한 레벨을 유지하는 형태가 된다.

왼쪽 하단은 시간에 따른 주파수 분포를 색과 밝기로 표시한 스펙트로그램(Spectrogram)이다. 가로축은 시간, 세로축은 주파수를 나타내며, 색이 밝을수록 해당 주파수 성분의 레벨이 크다는 의미다. 440 Hz 부근에 밝은 띠가 수평으로 이어지는 것은 분석 구간 전체에서 440 Hz 성분이 일정하게 유지되고 있음을 보여 준다.

오른쪽에는 가로축을 주파수, 세로축을 레벨로 표시한 주파수 스펙트럼 그래프가 있다. 그래프의 가장 높은 봉우리가 440 Hz 부근에 형성되고, 그 밖의 주파수 성분은 거의 나타나지 않는다. 이론적인 정현파는 하나의 주파수 성분만 가지지만, 실제 분석 화면에서는 분석 해상도와 윈도 함수 등의 영향으로 봉우리가 일정한 폭을 가진 형태로 표시될 수 있다. 이처럼 주파수별 레벨을 실시간으로 분석하고 표시하는 장비나 기능을 RTA(Real Time Analyzer)라고 하며, RTA가 표시하는 주파수 스펙트럼을 RTA 그래프라고 부르기도 한다.

결론적으로, 정현파는 이론상 440 Hz 이외의 주파수 성분을 포함하지 않는다. 첨부한 스펙트로그램과 RTA 그래프에서도 신호의 에너지가 440 Hz 부근에 집중되어 있음을 확인할 수 있다.

배음(Harmonics)과 음색

위 그림은 피아노와 바이올린의 라 음을 연주해 녹음한 신호를 분석한 것이다. 두 악기 모두 라 음에 해당하는 주파수인 440 Hz 성분이 강하게 나타나지만, 약 880 Hz와 1,320 Hz를 비롯한 여러 주파수 성분도 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 실제 악기의 소리가 하나의 주파수만으로 이루어진 정현파와 달리 여러 주파수 성분을 함께 포함하고 있다는 의미다.

소리를 구성하는 각각의 주파수 성분을 부분음(Partial)이라고 한다. 이 가운데 가장 낮으면서 음의 기본적인 높이를 결정하는 주파수를 기음(Fundamental Frequency) 또는 기본 주파수라고 하며, 기음의 2배·3배·4배처럼 정수배에 해당하는 부분음을 배음(Harmonic)이라고 한다. 따라서 기음이 440 Hz라면 제2배음(한 옥타브 위)은 880 Hz, 제3배음(완전 5도 위)은 1,320 Hz가 된다.

다시 피아노와 바이올린의 분석 화면으로 돌아가 살펴보자. 자세히 보면 두 악기의 배음 분포와 비율, 그리고 엔벨롭의 형태가 확실히 다르다는 것을 알 수 있다.

모든 음원은 저마다 다른 형태, 재질, 발성 구조 등을 가지고 있다. 이는 각기 다른 배음 구조와 엔벨롭 형태를 만들어 내며, 최종적으로 음원 고유의 음색을 만들게 된다.

실제 악기의 모든 부분음이 정확한 정수배로 나타나는 것은 아니다. 여러 물리적 특성 때문에 정수배 관계에서 벗어난 비조화 부분음(Inharmonic Partial)이 포함될 수 있다. 또한 인공적인 음원(신디사이저와 같은 악기)에는 기음의 1/2이나 1/4처럼 더 낮은 주파수 성분이 추가되기도 한다. 이러한 성분을 서브하모닉(Subharmonic)이라고 하는데, 일반적인 배음 구조와 구분되는 별도의 주파수 성분이다.

중심 주파수(Frequency)

중심 주파수(Center Frequency)는 EQ로 조정하려는 주파수 영역의 중심을 결정한다. 단위는 Hz 또는 kHz를 사용한다. 예를 들어 중심 주파수를 1 kHz로 설정하면 EQ는 1 kHz를 중심으로 그 주변의 주파수 대역에 영향을 준다.

파라메트릭 이퀄라이저는 사용자가 중심 주파수를 직접 선택할 수 있지만, 믹서에서 보았던 셸빙 타입이나 그래픽 이퀄라이저는 중심 주파수가 미리 정해져 있다.

게인(Gain)

게인(Gain)은 선택한 주파수 대역을 얼마나 증폭하거나 감쇠할 것인지를 결정한다. 일반적으로 dB 단위로 표시하며, 양수 값은 해당 대역을 증폭하는 부스트(Boost), 음수 값은 감쇠하는 컷(Cut)을 의미한다. 0 dB로 설정하면 해당 대역의 레벨을 증폭하거나 감쇠하지 않는다.

Q Factor와 대역폭

Q Factor는 중심 주파수와 EQ가 영향을 미치는 대역폭(Bandwidth)의 관계를 나타내는 값이다. 쉽게 말하면 중심 주파수 주변을 얼마나 좁게 또는 넓게 조정할 것인지를 결정한다.

• Q값이 높을수록 영향을 받는 대역폭이 좁아진다.
• Q값이 낮을수록 영향을 받는 대역폭이 넓어진다.

예를 들어 중심 주파수를 1 kHz, 게인을 +10 dB로 설정하더라도 1 kHz라는 하나의 지점만 10 dB 증폭되는 것은 아니다. 실제 EQ 필터는 1 kHz에서 가장 많이 작동하고, 그 위아래의 인접한 주파수까지 연속적인 곡선을 그리며 함께 증폭한다. 이때 Q값을 높이면 1 kHz 부근만 좁게 조정하고, Q값을 낮추면 더 넓은 주파수 범위를 함께 조정한다.

높은 Q는 특정 공진이나 하울링 주파수를 정밀하게 감쇠할 때 유용하고, 낮은 Q는 악기나 음성의 전체적인 음색을 넓고 자연스럽게 다듬을 때 유용하다. 어느 한쪽이 더 좋은 것이 아니라 조정 목적에 따라 선택해야 한다.

파라메트릭 이퀄라이저는 일반적으로 Q값을 직접 조절할 수 있다. 반면 그래픽 이퀄라이저나 일부 고정형 EQ처럼 별도의 Q 파라메터가 없는 장비는 각 필터의 대역폭과 Q 특성이 설계 단계에서 정해져 있다. Q의 동작 범위와 필터 곡선은 장비마다 다를 수 있으므로 정확한 값과 특성은 해당 장비의 매뉴얼을 확인해야 한다.

그래픽 이퀄라이저(GEQ)

그래픽 이퀄라이저(Graphic Equalizer)는 조정할 중심 주파수가 미리 정해져 있으며, 해당 대역의 레벨을 조정할 수 있는 페이더들을 붙여 놓은 형태를 가진다. 매우 직관적인 형태로, RTA 그래프의 모양과 비슷하게 생겼다. 위에서 본 RTA 그래프의 각 주파수 영역을 위로 올리거나 아래로 끌어내린다는 생각으로 운용하면 된다.

그래픽 이퀄라이저는 통상 2/3옥타브 간격으로 주파수를 나눈 15밴드와 1/3옥타브 간격으로 나눈 31밴드 형태로 제작된다. 15밴드 GEQ는 비교적 넓은 주파수 범위를 한 번에 조정하고, 31밴드 GEQ는 더 촘촘하게 나뉜 대역을 이용해 음색과 음향 시스템의 주파수 응답을 세밀하게 조정할 수 있다. 각 밴드의 중심 주파수와 필터 특성은 미리 정해져 있으므로 일반적으로 사용자가 밴드별 Q값을 직접 조절하지는 않는다.

일부 제품에는 피드백이 의심되는 주파수 대역을 표시하거나 자동으로 해당 대역을 감쇠시키는 부가 기능이 있는 경우도 있다. 그래픽 이퀄라이저에 대한 자세한 내용은 룸 이퀄라이제이션과 그래픽 이퀄라이저에 대해 설명할 다음 장에서 다루기로 한다.

파라메트릭 이퀄라이저(PEQ)

파라메트릭 이퀄라이저(Parametric Equalizer)는 각 밴드의 중심 주파수·게인·Q를 조절할 수 있는 이퀄라이저다. 조정할 주파수가 미리 정해진 그래픽 이퀄라이저와 달리, 필요한 주파수를 직접 선택하고 영향을 미칠 대역폭까지 조절할 수 있어 매우 세밀한 음색 보정이 가능하다.

일반적인 PEQ에서는 먼저 조정할 중심 주파수를 선택한 뒤 게인으로 해당 대역을 증폭하거나 감쇠하고, Q값으로 영향을 미칠 주파수 범위를 결정한다. Q값을 높이면 좁은 대역을 정밀하게 조정할 수 있고, Q값을 낮추면 넓은 대역의 음색을 부드럽게 변화시킬 수 있다. 여러 밴드를 제공하는 PEQ에서는 이러한 필터를 서로 다른 주파수에 배치하거나 필요에 따라 겹쳐 사용할 수도 있다.

중심 주파수·게인·Q를 모두 조절할 수 있는 형태를 풀 파라메트릭 이퀄라이저(Fully Parametric Equalizer)라고 한다. 반면 중심 주파수와 게인은 조절할 수 있지만 Q가 고정된 형태는 세미 파라메트릭 이퀄라이저(Semi-Parametric Equalizer)라고 부른다. 아날로그 믹서의 중역 조절부에서는 세미 파라메트릭 방식도 흔히 찾아볼 수 있다.

아날로그 시대의 풀 파라메트릭 이퀄라이저는 대부분 스튜디오용 아웃보드 형태이거나 대형 믹서에서나 접할 수 있었다. 그야말로 폼과 장비빨의 상징이었지만, 디지털 믹서의 시대로 넘어오면서 대다수 디지털 믹서가 각 입력 채널과 출력 버스에 여러 밴드의 PEQ를 제공하고 있다.

파라메트릭 이퀄라이저의 실제 조정 방법은 톤 콘트롤과 PEQ 사용법을 다루는 제12강에서 자세히 설명하기로 한다.