음향 연구자들은 소리를 세 가지 기본 구성 요소로 정확하게 분해합니다.

Aug 22, 2023

2023년 7월 13일

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알토 대학교

연구자들은 200년 넘게 소리를 기본 성분으로 분해하는 방법을 찾아왔습니다. 1820년대 프랑스 과학자 Joseph Fourier는 충분한 수의 사인파를 사용하여 소리를 포함한 모든 신호를 만들 수 있다고 제안했습니다. 이 파동은 휘파람 소리처럼 들리며 각각 고유한 주파수, 레벨 및 시작 시간을 가지며 소리의 기본 구성 요소입니다.

그러나 플루트나 숨쉬는 사람의 목소리와 같은 일부 사운드는 원래 파형을 정확하게 모방하기 위해 수백 또는 수천 개의 사인이 필요할 수 있습니다. 이는 그러한 소리가 모든 주파수가 동시에 발생하는 덜 조화롭고 더 시끄러운 구조를 포함한다는 사실에서 비롯됩니다. 한 가지 해결책은 소리를 사인과 잡음이라는 두 가지 유형의 구성 요소로 나누고 휘파람을 불고 있는 사인파의 수를 줄이고 다양한 잡음, 즉 쉿소리와 결합하여 모방을 완성하는 것입니다.

이 "완전한" 2개 구성 요소 사운드 모델조차도 음성의 자음이나 음악의 드럼 사운드와 같은 사운드 이벤트의 시작을 매끄럽게 만드는 데 문제가 있습니다. 과도(Transient)라는 세 번째 구성 요소는 이러한 소리의 선명도를 모델링하는 데 도움을 주기 위해 2000년경에 도입되었습니다. 과도 현상만으로도 클릭 소리처럼 들립니다. 그때부터 소리는 종종 사인, 잡음, 과도음이라는 세 가지 구성 요소로 나누어졌습니다.

이제 Aalto University Acoustics Lab의 연구원들이 청각 인식, 퍼지 논리 및 완벽한 재구성의 아이디어를 사용하여 사인, 소음 및 과도 현상의 3가지 구성 요소 모델을 개선했습니다. 그들의 연구는 Journal of the Audio Engineering Society에 게재되었습니다.

박사과정 연구원인 Leonardo Fierro와 Vesa Välimäki 교수는 사람들이 서로 다른 구성 요소를 듣고 휘파람 소리, 딸깍 소리, 쉿하는 소리를 분리하는 방식이 중요하다는 것을 깨달았습니다. 시간이 지남에 따라 클릭 소리가 확산되면 벨소리가 울리고 소리가 더 시끄러워지기 시작합니다. 대조적으로, 매우 짧은 소리에 초점을 맞추면 음조가 약간 손실될 수 있습니다.

청각적 인식에서 얻은 이러한 통찰은 퍼지 논리와 결합되었습니다. 즉, 어느 순간에 소리의 일부는 사인, 과도 현상 또는 소음의 세 가지 클래스 중 하나가 아니라 각각에 속할 수 있습니다. Fierro는 완벽한 재구성을 목표로 소리가 분해되는 방식을 최적화했습니다.

Enhanced 방식에서는 사인(sine)과 과도현상(transient)이 소리의 두 가지 상반되는 특성이므로 소리가 동시에 두 클래스에 속할 수 없습니다. 그러나 두 가지 반대 구성 요소 유형 중 하나가 여전히 노이즈와 동시에 발생할 수 있습니다. 따라서 퍼지 논리의 개념은 제한된 방식으로 존재합니다. 소음은 사인과 과도 신호 사이의 모호한 연결 역할을 하며 단순한 클릭이나 휘파람 소리로는 포착할 수 없는 사운드의 모든 뉘앙스를 설명합니다. Fierro는 "이전에는 서로 맞지 않았던 두 부분을 연결하기 위해 잃어버린 퍼즐 조각을 찾는 것과 같습니다"라고 말합니다.

이 향상된 분해 방법은 청취 테스트에서 이전 방법과 비교되었습니다. 경험이 풍부한 청취자 11명에게 개별적으로 여러 가지 짧은 음악을 제외한 몇 가지 짧은 음악과 그 음악에서 추출된 구성 요소를 다양한 방법을 사용하여 감사하도록 요청했습니다.

새로운 방법은 청취자의 평가를 기반으로 대부분의 사운드를 분해하는 성공적인 방법으로 나타났습니다. 노래하는 목소리나 바이올린과 같이 음악적 사운드에 강한 비브라토가 있는 경우에만 모든 분해 방법이 어려움을 겪으며 이러한 경우에는 이전 방법 중 일부가 더 우수합니다.

새로운 분해 방법의 테스트 사용 사례는 사운드의 시간 규모 수정, 특히 음악 속도를 늦추는 것입니다. 이는 몇 년 전 비교 연구에서 최고의 학업 기법으로 선정된 연구실 자체 기존 방법과 비교하여 선호도 듣기 테스트에서 테스트되었습니다. 이번에도 Fierro의 새로운 방법이 확실한 승자였습니다.