오디오 신호(4)-콤필터와 하울링 현상

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하울링

전기 확성 장치에서 하울링(howling) 현상은 실내의 반사음의 영향으로 음향 시스템의 출력이 급격히 증가하여 발생하는 왜곡입니다. 하울링이 발생하는 반사음의 경로를 하울링 경로(howling path)라고 합니다. 

하울링이 발생하면 청취적으로 문제이지만, 음향 장비를, 특히 스피커, 파괴하기 때문에 큰 문제입니다. 또한 보청기 등과 같은 전기 확성기에서 수음된 소리의 증폭을 제한하는 가장 큰 원인이 하울링 현상입니다.

이 글에서는 콤필터(comb filter) 현상으로 하울링 발생을 설명하고, 해결 방안을 알아보겠습니다.

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하울링 발생 원인

전기 음향 확성 장비에서 하울링은 다음과 같이 마이크로 수음한 신호를 스피커로 출력할 때, 실내 반사음이 다시 마이크로 유입되어 하울링이 발생합니다. 이를 하울링 경로가 형성되었고 궤환 회로에 의한 발진으로 해석을 합니다. 

과거에 많이 사용하던 턴테이블에서 바늘이 스피커 출력의 영향을 받아 하울링이 발생하기도 했답니다. 즉 턴테이블의 바늘이 스피커 출력의 영향을 받아 진동해서 자신이 레코드 판에서 진동하는 것과 합성되어 하울링을 만듭니다. 이와 같이 아주 미세한 신호 조건에서도 궤환 회로의 영향이 크게 작용합니다.

심지어 마이크를 사용하면 궤환 회로의 영향은 더욱 크다고 할 수 있습니다.

그런데 CD MP3 등은 신호를 다시 받아서 출력하지 않는 재생 전용장치 이기 때문에 하울링이 발생하지 않습니다.  

보청기에서는 마이크와 스피커의 위치가 근접해 있고, 보청기 엔클로저가 반사음 경로를 만들어 하울링을 발생합니다. 최근에는 보청기에 DSP를 기반으로 하는 하울링 억제기가 포함된 경우도 있습니다만 비싸겠죠.  

전화기, 휴대폰, 화상 회의 시스템에서도 하울링이 일어납니다. 이는 두대의 전화기를 사용하면서 스피커로 출력된 신호가 주변의 반사음에 의해 하울링 경로를 생성하고 이것이 통신을 통해 전송되면서 하울링 경로를 만듭니다. 

물론 보청기와 같이 자체 마이크와 스피커 사이에서 하울링이 발생할 수도 있습니다. 이때는 대체로 스피커 폰을 사용할 때 발생합니다. 

최근의 전화기는 주변 소음 유입을 억제하고 에코 방지 기술을 사용하여 하울링 발생을 최소화합니다. 문제는 스피커폰으로 통화를 하면 하울링이 잘 발생합니다. 이 또한 DSP가 포함된 하울링 억제기로 해결책을 만듭니다.  

 

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궤환 회로와 콤필터

하울링 경로는 실내 반사음과 음향 장비가 만드는 궤환 회로 모델을 만들 수 있으며, 결과는 콤 필터로 나타납니다. 콤필터는 신호의 합성 특히 정현파의 합성과 관련됩니다. 

콤 필터

콤필터는 두 개 의상의 신호가 약간의 시간 차이를 가지고 수신되어 신호를 왜곡하는 현상을 표현하는 방법입니다. 콤필터도 두 개의 모드가 있는데 신호의 궤환이 있는 상태와 없는 상태에 따라 다른 특성을 가집니다. 

궤환이 없는 콤 필터는 두 신호가 약간의 시간 차이를 가지고 청취될 때 신호의 합성으로 감소에 의한 특성을 표시합니다. 

궤환 회로 

반면 궤환이 있는 콤 필터는 아래의 정궤환 회로로 해석이 가능하며 특정 주파수에서 신호가 증폭되거나 발산합니다. 발산하면 하울링이 발생합니다.  

하울링 현상의 해석은 다음과 같은 궤환 회로의 주파수 응답으로 할 수 있습니다. 여기서 g는 오디오 시스템의 확성 이득이며 $\alpha$는 실내 반사음의 감쇄율입니다. 

 

이를 그림으로 그리면 아래와 같은데,  진폭이 최대가 되는 위치는 위상이 $0^{\circ}$가 되는 주파수입니다. 여기서 최대치가 되는 주파수 모두에서 하울링이 발생하지는 않고 반사음의 경로 길이가 특정 주파수의 위상이 $0^{\circ}$될 때 발생합니다. 이는 정현파 합성의 결과입니다. 

그러므로 하울링 경로를 피하는 위치에 마이크를 설치하는 것이 일반적으로 하울링 발생을 억제하는 기본 방법입니다. 즉 하울링이 발생할 때는 살짝 마이크를 옆으로 이동하면 됩니다. 다시 발생하면 귀찮아도 또 위치를 이동해야죠. 아니면 아래글에 있는 하울링 억제기를 사용하면 됩니다. 

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하울링 발생

하울링을 억제하려면 먼저 하울링이 발생하는 주파수를 먼저 알아야겠죠. 청감적으로로 하울링 발생을 느낄 수 있지만, 정확한 주파수는 찾기 어렵습니다. 사람은 어차피 주파수 특성은 태충 느끼기 때문이죠, 그러니 주파수 분석기 또는 아래 그림과 같은 스팩토그람을 사용해서 하울링 주파수를 찾는 것이 가장 좋습니다.

하울링은 급격히 발생하지 않습니다. 아래 그림과 같이 시간에 따라 점차적으로 하울링 주파수의 에너지가 증가합니다. 다른 확성 오디오 신호와 계속 변하는 반면 하울링 주파수의 신호는 지속적으로 증가합니다. 이를 이용하면 하울링 주파수 추적이 가능합니다. 

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하울링 발생 억제하기

전기 확성 장치에서 안정적으로 사용할 수 있는 조건은 잠재적 음향 이득(PAG)과 관련된 이해가 필요합니다. PAG를 늘리는 조건은 다음과 같습니다. 이 중에서 가장 좋은 것은 실내환경을 잘 조성하는 것입니다. 

• 스피커와 마이크를 될 수 있으면 멀리 둡니다.
• 스피커가 출력되는 방향과 마이크 방향을 마주 보게 하지 않습니다.
• 스피커 출력 방향 뒤쪽에서 마이크를 사용합니다. 
• 지향성 마이크를 사용합니다. 
• 마이크와 입술 사이를 너무 멀리하지 않아야 합니다. (그렇다고 너무 가까이하면 음질이 나빠집니다.)
• 많은 마이크를 동시에 사용하지 않습니다. 
• 실내 반사음을 고려하여 주변에 흠읍이 잘 되는 지역에서 사용합니다. 반대로 울리는 공간에서는 하울링 발생이 잘 됩니다. 즉, 잔향이 많은 공간은 하울링 억제에 불리합니다. 
• 또는 마주 보는 벽면은 확산이 잘되도록 변경하고, 특히 큰 유리창은 수직으로 설치하는 것보다, 약간 기울여서 설치하는 것이 하울링 방지에 유리합니다. 
• 청취에 적합한 레벨로 확성합니다. 큰 확성 레벨은 하울링이 발생하기 쉽습니다.  

하울링이 그래도 많이 발생하면 하울링 억제기(howling supressor)를 설치합니다. 

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하울링 억제기

하울링 억제기(howling supressor)라는 것이 있습니다. 고전적이지만 효과적인 주파수 천이 방식과 적응필터 방식이 주로 사용됩니다. 

주파수 천이를 이용한 하울링 억제

전기음향에서 하울링 억제에 사용하는 기본적인 방법은 주파수 천이(frequency shift)입니다. 이 방법은 슈뢰더에 의해 제안된 내용으로 출력 신호를 주파수 천이한 후에 출력해서 하울링 경로에서 위상에 의한 공진을 방지하는 방법입니다. 단 어느 정도의 왜곡은 감수해야 합니다.

그러나 사전에 하울링 발생을 어느정도 억제하는 효과가 있습니다. 

적응 필터를 이용한 하울링 억제

기장 많이 사용되는 방법은 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하는 적응 필터(adaptive fiter)를 구현하는 것입니다. 이 방법은 이상이 발생한 주파수에 자동으로 노치 필터를 적용해서 하울링을 방지하는 방법으로 노치필터의 주파수를 자동으로 조정해 주기 때문에 효과적이지만 어뎁티브 필터를 구현하기 위한 장치들이 추가되어야 합니다. 즉 DSP를 사용해야만 합니다.

그런데 이 장치는 하울링이 발생해야만 하울링을 억제할 수 있기 때문에 사용자들이 불안해하는 측면이 있습니다. 

 

노치 필터의 영향 

그래도 노치 필터를 사용해서 하울링을 억제하는 것은 매우 효과적입니다. 그러나 근접한 노치 필터를 어러 개 사용하면 주파수 특성이 너무나도 나빠지는 단점이 발생합니다. 그러니 많은 수의 노치필터를 무조건 사용하는 것은 피해야 합니다.

하울링과 주변 온도

적응 필터를 이용해서 하울링을 억제할 때 언제나 자동으로 하울링 주파수를 추적하도록 유도해야 합니다. 왜냐 하면 하울링 주파수는 주변 환경에 따라 그때그때 변경되기 때문입니다. 

예를들어 음파가 온도의 영향에 따라 음속이 달라지기 때문에 위상이 아래 그림과 같이 변경되어 하울링 경로 조건이 변경되어 하울링 주파수 발생 조건 자체가 변경됩니다.

즉, 하울링 발생 조건이 온도의 영향을 받기 때문에 노치 필터의 주파수를 결정하기 어렵게 됩니다. 그래서 노치 필터의 주파수를 적응필터가 계속 추적할 필요가 있습니다.  

 

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콤필터의 활용

콤필터는 하울링 발생의 원인입니다. 그러면 콤필터가 좋지 않은 현상일까요? 아닙니다. 콤필터는 우리가 실제 청취하는 소리에 포함되는 기본적인 왜곡입니다. 그래서 우린는 이 왜곡을 당현히, 그리고 자연스럽게 받아들여 어쩔때는 펀안함까지 느끼게 됩니다. 가장 좋은 콤 필터의 효과는 공연장 등에서 청취하는 음악일 것 입니다. 공연장에서는 연주 소리와 실내 반사음이 합성되서 들리는데 여기에는 콤 필터 효과가 포함됩니다.  

또한 콤필터를 잘 활용하여 오디오의 효과 장치(effector)들을 만듭니다. 코러스, 플렌저 등이 여기에 속합니다.  

특히 시계열 효과 장지에 콤필터가 매우 많이 사용됩니다. 이에 대한 내용은 다른 글에서 다뤄보겠습니다. 

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참조 

• J.-W. Lee and S. H. Choi, Detection of Howling Frequency using Temporal Variations in Power Spectrum. Communications in Computer Science, 151, pp. 46-51 (2011)
• A. Sogami, A. Kawamura, and Y. Iiguni, A Distance-based Howling Canceller with Adaptive Bandwidth. Proceedings of the 23rd ITC-CSCC, pp. 345-348 (2008)

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