소리의 크기를 나타내는 dB(decibel)의 종류

음향 기기를 다루다 보면 소리의 크기를 나타내는 단위인 dB의 개념을 확실히 알아 두어야 함을 느낄 것입니다. dB는 소리의 크기를 물리적인 수치로 표시하는 것인데, 기준에 따라 종류가 다양한 것이 특징입니다. dB의 종류와 용어에 대해 정리해 보도록 하겠습니다. 

 

dB(decibel)

dB는 자연계의 물리량 변화 비율을 표현하기 편리하고 지수형태의 표기이기 때문에 표현할 수 있는 수리적 장점도 있어 오디오 분야에서 역시 전력(Power)을 비롯하여 음압(SPL), 앰프의 게인(Gain), 신호의 감쇄(Attenuation), 신호 대 잡음비(SNR), 다이내믹 레인지(Dynamic Range)등 상대적인 크기를 표현하는데 많이 쓰이고 있습니다.

 

• Bel : 전기적, 음향적 혹은 다른 전력비의 상용로그 값 (Bel = log10)
• dB : Bel의 값이 너무 작아 사용 편의상 10배 한 것 (dB = 10Bel = 10 log10)

 

 

기본적으로 이득(Gain ; 증폭/감쇄)의 값으로서 입력과 출력 등의 상대적인 비를 나타내며 전력과 전압, 전류, 음압, 압력, 에너지밀도 등에서 상대적 힘의 비를 구하여 사용합니다. 예를 들어 입력이 1W이고 출력이 100W인 증폭기가 있다고 하면 100배의 증폭기인 셈입니다. 이를 dB로 나타내면 10 log100/1 = 20dB (log100=log10²=2)가 되는 것입니다. 사람의 청각이나 시각은 물리량(소리의 세기)이 어떤 규정 레벨의 2배가 되면 약 3dB 증가, 10배가 되면 10dB(10 log10) 증가, 100배가 되면 20dB(10 log102)가 증가한 것으로 나타납니다. 하지만 여기서 dB가 음압, 전압, 전류 등의 진폭량 비교에 쓰일 경우 이 비교의 제곱이 전력에 비례하므로 dB = 10 log(출력전압/기준전압) 2 = 20 log(출력전압/기준전압) 전압은 전력의 2배 값이 됩니다. 즉, 전력에서 10배는 10dB인데 전압에서 10배는 20dB가 된다는 의미입니다. 또 전력을 3dB 올린다는 것은 전력을 2배 한 것을 의미하지만, 전압에서는 6dB를 올리는 것과 같습니다

 

• 전력 이득 dB =10 log(출력전력/입력전력)
• 전압 이득 dB =20 log(출력전압/입력전압)
• 전류 이득 dB =20 log(출력전류/입력전류)

비율(배)	전력	전압/음압/전류(dB)
0.01(1/100)	-20	-40
0.1(1/10)	-10	-20
0.5(1/2)	-3	-6
1	0	0
2	3	6
10	10	20
100	20	40
1000	30	60

Power와 Amplitude의 dB 표현 음향에서 많이 보는 물리량은 크게 첫 번째로 전력과 같은 힘, 두 번째로는 전압, 게인, 음압으로 나뉘는데 두 물리량은 서로 다른 단위를 가지고 일정한 함수 관계를 가집니다.

 

 

 

전압(V), 전류(I), 저항(R), 전력(P) 관계

I = V/R

V = IR

R = V/I

P = V*I = V²/R

 

즉, 전력은 공급되는 전압의 제곱에 비례하고 부하의 크기에 반비례합니다. 동일한 부하일 때 전압이 2배 증가하면 전력은 4배 증가하는 것입니다. 일반적으로 소음 측정 등에 사용되는 음압에 대한 비율을 측정하고자 할 때에는 SPL을 기준 단위로 사용합니다. 그러나 전자 회로로 이루어진 다양한 음향 장비들은 음압이 아닌 전압, 전력을 사용한다. 이런 음향 장비 측정은 VU미터의 바늘이 0을 가리킬 때의 전력 값을 1mW로 정하였습니다. 그러나 전력은 항상 전압과 저항, 그리고 전류의 관계에 의해 결정되기 때문에 1mW만 측정 기준치로 정하기에는 문제가 발생하여 임피던스 600옴 값을 고정하여 전력의 비율을 얻을 수 있게 규칙을 정해 분류하였습니다.

 

dB의 종류

 

분류	설명
dBn(전력)	dBm은 전력의 단위로서 해당 임피던스 내에 1mW의 전력을 공급했을 때를 0dBm으로 하고 600Ω 기준의 임피던스 에서 0.775V의 전압을 가집니다. 10log(POWER/1mW) 1mW=0dBm 10mW=10dBm, 100mW=20dBm 1000mW=30dBm
dBu(전압)	dBm은 600옴의 부하를 기준으로 하지만 dBu는 무관하다. 따라서 dBu로 표현된 전압은 오직 600옴의 부하에서 유도되었을 때만 dBm값과 동일하게 0.775V의 전압을 가집니다. 20log(Voltage/0.755Volt)
dBv / V (전압)	dBv는 0.775V를 영점으로 부하 600Ω의 회로를 기준으로 하며 dBV는 회로의 임피던스에 관계없이 교류신호의 전압레벨을 나타내기 위해 사용하는 단위로 1V를 영점기준으로 합니다. (0dBm,0dBv=0.775V, 0dBV=1V) 그리하여 전압출력 1V는 0dBV, +2.2dBu (600옴 부하 계산 시) dBV를 dBu 혹은 dBm으로 바꾸려면 2.2dB를 더하면 됩니다. 그것은 1V 전압일 때 dBV는 0이며, dBu은 2.2 이기 때문입니다. 20log(Voltage/1Volt)
dBW (출력)	앞에 dBm이 기준 파워 1mW를 사용하기 때문에 대부분 음향 장비에서 작은 단위의 전력을 다루는 데는 편리하지만 파워앰프 등과 같은 큰 출력을 다루고자 할 때는 적절하지 못하여 문제가 발생합니다. 그래서 1W의 큰 단위를 기준으로 사용하여 대출력의 전력을 소비하는 음향장비들을 다루고자 할 때 유용하게 사용합니다. 10log (POWER/1W)
dBSPL (음압)	음압 레벨을 나타내는 단위. 대기중의 압력을 측정하는 dBSPL 단위는 일반적으로 최소값을 0dB 잡습니다. 실제 0dB 이하의 소리는 인간이 들을 수 없는 소리므로 음수(-)값으로 표기되는 경우는 거의 없고 대부분 양수(+)값으로 표시됩니다. 여기서 인간의 귀 속 고막이 견딜 수 있는 대기의 압력은 최대 140dB입니다.
dBFS (Full Scale)	디지털 오디오 신호에 대한 기준 레벨. 어떠한 오디오 신호를 AD/DA 컨버터들에 의해 결정되는 최대 신호 레벨. Full Scale은 말 그대로 어떤 오디오 시스템이 클립핑이 발생하기 직전까지 사용할 수 있는 최대 신호의 크기를 말합니다. 1bit = 6dB 즉, 24비트의 시스템에서는 144dB에 이르는 높은 다이나믹 레인지를 가질 수 있습니다. dBFS에서 가장 큰 신호 0dBFS를 넘어서면 안되고 -10dBFS와 같이 음의 dB형태로 쓰이게 됩니다.

 

다이나미 레인지(Dynamic Range)

어떤 기기 혹은 공간에서 디스토션이 발생하지 않는 한도에서 가장 큰 신호 크기 피크 레벨과 가장 작은 신호 크기 잡음레벨의 범위를 데시벨(dB)로 나타냅니다. 여기서 서로 다른 기기의 접속이나 같은 기기 안에서의 신호 처리의 기준점으로 쓰이는 크기를 표준 라인 레벨이라 하는데 같은 다이내믹 레인지를 갖는 기기라도 헤드룸은 다를 수 있습니다.

 

 

헤드룸과 피크룸의 차이

• 피크룸 :평균 신호 레벨과 클립핑 레벨 사이의 차이로 음향 신호 레벨이 피크에 도달할 때까지 얼마의 여유를 가지고 있는지 표시
• 헤드룸: 최대 피크 신호 레벨과 클립핑 레벨 사이에 존재하는 안전한 값이 얼마나 되는지 표시

아날로그-다이나믹-레인지

디지털-다이나믹-레인지

아날로그(dBu)

안정된 출력이나 입력을 할 수 있는 라인레벨이라는 것을 정해 두었고 잡음 레벨이라 부르는 noise floor부터 기기의 최대 허용 레벨 (라인레벨부터 최대허용 레벨까지를 헤드룸)

디지털(dBFS)

헤드룸 같은 경계점을 만들려 해도 2진수를 쓰기 때문에 불가능하여 noise floor부터 최대 점을 0이라고 정하였으며 0dBFS는 최대음량을 의미합니다.따라서 모든 디지털 레벨 미터를 보면 항상 숫자 앞에 마이너스 표시가 되어 있는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

 

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최근에는 물리적인 dB보다 청감상 느끼는 라우드니스(Loudness)에 대한 중요도가 높아지는 추세입니다. 하지만 라우드니스(Loudness)도 dB에 기초하는 개념이기에 dB를 이해하고 있는 것이 중요합니다. dB의 종류에 대해 이해 하시고 현업에 적용해 보시기 바랍니다.