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1. 개요
白色騷音 / White noise음향이나 신호 처리 등에서 일정한 패턴 없이 전체적이고 일정한 스펙트럼을 가진 소음을 말한다. "흰 빛"(백색광)과 같은 형태의 주파수 형태를 띠기 때문에 백색 소음, 백색 잡음, 화이트 노이즈라고 불린다. 통계적으로는 화이트 노이즈의 자기상관함수는 디랙 델타 함수로 나타나며 이를 푸리에 변환하면 상수함수가 된다. 따라서 전체적으로 넓은 주파수 범위에 걸쳐 일정한 에너지를 가지고 있다고 해석할 수 있다.
텔레비전과 라디오에서 들을 수 있는 '치익'하는 잡음이 백색 소음의 대표적인 예이며, 이러한 종류의 백색 소음에는 고주파가 섞여 있어 듣기에 쾌적하지 않다. 아래 후술되는 집중 및 안정 효과를 얻으려면 빗소리, 파도소리, 귀뚜라미 소리 등과 같은 자연 음향이나 공기 청정기, 선풍기 소리 등과 같은 저주파의 기계음 따위가 도움이 된다.
2. 청각적 의미의 화이트노이즈
청각적 의미로서 화이트노이즈는 일상생활에서 접하는 뒤섞인 소리이며 다양한 주파수 대역에서 동일한 강도를 갖는 혼합된 소리를 말한다. # 백색 소음이 공부에 도움이 된다는 결과도 있는데, 실험 참가자의 학습 능력과 기억력이 약간 향상됐다고 한다.한겨레에 기고한 교수의 칼럼에서는 소리의 절멸은 곧 완벽한 고립이고, 오히려 내면의 소음, 불안감을 증폭시킨다며 혼자 사는 입장에선 절대적 무음이 가끔 두렵다고 한다. 그래서 허접스런 라디오 방송이나 유튜브 방송을 틀어둔다는데, 화이트 노이즈가 되려면 감정을 불러일으키지 않는 의미 없는 대화나 쓸데없는 내용이 더욱 적합하며 소음 자체가 마음을 편하게 한다고 한다.
대한이과학회에서는 평소 너무 조용한 환경은 이명(귀울림)의 증상을 심화시킬 수 있으므로 피하라고 조언한다. # 평소에는 생활소음에 묻혀 잘 인지하지 못한다고 하니 약간의 백색 소음이 있는 환경이 더 낫다는 것이다. 이명의 특징이 한번 의식하면 더 또렷하게 들리는 것이므로 밤에 자려고 누웠을 때 너무 조용하면 새삼 의식되며 거슬릴 수 있는데,[1] 이때 선풍기를 틀어놓고 선풍기 소리를 자장가 소리처럼 듣는다면 백색 소음으로 이명을 덮어버리는 것이다.
전자기기의 백색 소음은 해롭고 자연의 백색 소음이 좋다는 편견도 있으나 자연에서 인간 듣기 좋으라고 개구리가 울고 풀벌레 소리가 들리는 것이 아니다. 매미 소리는 냉장고 소리의 2배 가까운 소음으로 측정됐다. 2016년에는 쿠바에서 미국 대사관 직원들이 집단적으로 귀뚜라미의 울음소리에 뇌 손상과 청력 손실, 메스꺼움, 두통, 이명 등 괴증상에 시달리며 쿠바 측의 음파 공격 탓일 가능성이 제기된 적이 있었다. 미국 정부는 "이상한 소리가 들린다"는 CIA 요원들의 대화가 발단이 돼 벌어진 ‘집단 심인성 질환(히스테리)’ 증상으로 결론을 내렸다. 자연의 소리인 귀뚜라미 울음 소리를 가지고도 '음파 공격'이라는 암시를 받으니 플라시보 효과처럼 '음파 공격'을 당한 것과 같은 효과를 발휘했으니 전자기기의 백색 소음도 해롭다는 암시를 받으면 괴증상이 나타날 수 있다.
백색 소음이 집중력을 향상하는 데에 도움을 준다는 사실이 한국에 알려졌다. 백색 소음이 부스럭대는 소리나 창 밖의 자동차 소리 등 미약한 소음들을 덮어주어 상대적으로 소음을 덜 느끼게 해준다고 하여 독서실 등에서 백색 소음 발생기를 설치하기도 한다. 만약 자신이 독서실 등에서 도통 집중을 하지 못하면[2] 백색 소음을 듣는 것도 하나의 해결책이다.
음악은 기본적으로 '소음'이 아니므로 백색 소음으로 분류할 순 없겠지만, 대개 자기가 좋아하는 음악이 아니면 거슬리는 소음에 불과할텐데, 이때 잔잔한 클래식 음악을 작게 틀어 놓으면 백색 소음처럼 들릴 수는 있다. 물론 클래식에 거부감이 없는 사람 한정이며 클래식을 따분하고 재미없다며 싫어하는 사람들에겐 '이명'처럼 거슬리게 느껴질 수 있기에 본인이 어떻게 받아들이냐에 달렸다. 심지어 의사들은 이명조차 적응되면 컴퓨터 소리나 냉장고 소리처럼 백색 소음으로 받아들여 궁극적으로 인식하지 않는 단계까지 갈 수 있다고 하니, 크게 거슬리지 않는 잔잔한 소음이라면 자연의 소리든 기계 소리든 모두 백색 소음이 될 수 있다.
태아가 자궁 속에서 듣는 소리도 이 종류라는 이야기가 있다. 청소기만 틀면 울다가도 자는 아이라든가.
청력 손실의 가능성이 있어 신생아에게 백색 소음을 절대로 들려주면 안된다. 일반인도 마찬가지로 장시간 노출될 경우 두통과 스트레스, 구토 등을 유발할 수 있으니 중간중간 쉬어가며 듣는 게 좋다.
2.1. 발생 방법
2.1.1. 웹사이트
아래 사이트에서 백색 소음을 들을 수 있다. 일부 앱으로도 호환 가능하다.- https://youtu.be/OJLVRQokj7k?feature=shared : 시냇물소리
- http://www.noisli.com/ : 빗소리, 천둥 소리, 바람 소리, 새 소리 등 여러 백색 소음을 들을 수 있다.
- https://youtu.be/HDM9upWKH5w : 빗소리.
- http://soundrown.com/ : 카페 소리, 빗소리, 파도 소리, 장작 타는 소리, 새 소리를 들을 수 있다.
- http://asoftmurmur.com/ : 빗소리, 귀뚜라미 소리, 카페 소리,장작 타는 소리 등 여러 소음을 들을 수 있다.
2.1.2. UCC 사이트
유튜브 등 웹상에서는 백색 소음을 통해 불면증을 치료하고 숙면을 유도하는 음원들도 많이 있다. 소리에 큰 기복이 없으면서 단조로운 형태의 백색소음이 많이 쓰이는데, 이 경우는 실제로 사람들이 자주 잠들 만한 환경에서 들리는 소리가 많이 쓰이며, 새 소리, 물소리를 비롯한 자연의 소리 외에도 인공 소리도 쓰이곤 한다.대표적인 것으로 여객기 실내에서 듣게 되는 엔진 소리가 있는데, 유튜브에 "cabin sound", "airline sound" 같은 단어로 검색하면 쏟아진다. 한 사례
그리고 이것처럼 자연을 이용한 백색소음과 아기를 위한 백색소음 채널들도 많이 나오고 있다.
* 유튜브 백색소음 : 2시간 길이의 백색소음을 들을 수 있다.
2.1.3. 모바일 앱
- 하얀소리 프로 : 고음질의 다양한 백색 소음을 무료로 이용할 수 있다.
- Binaural Beats Therapy : 이쪽은 오픈소스다.
- Rainy Player: 크롬 확장프로그램으로 빗소리를 들을 수 있다.
2.1.4. Apple 제품
2021년에 공개된 iOS 15의 배경 사운드 추가 기능에서 백색 소음을 들을 수 있다. 비, 바다, 시냇물 이나 균형 소음 등 간단한 백색 소음은 iOS 15, iPadOS 15가 설치된 iPhone 또는 iPad라면 별다른 사이트나 앱 설치 없이 운영 체제 기본 기능으로 '설정-손쉬운 사용-오디오/시각 효과-배경 사운드' 항목에서 백색 소음을 들을 수 있다. 균형 있는 소음, 밝은 소음, 어두운 소음, 바다, 비, 시냇물의 6가지가 있다.Mac에서도 Ventura이상 운영체제에서 배경 사운드 기능을 통해 백색 소음을 들을 수 있다. '시스템 설정-손쉬운 사용-오디오-배경 사운드' 항목에서 설정할 수 있다.
2.1.5. 백색 소음기
위와 같이 유튜브 등의 사이트를 이용하는 것이 아니라 아예 백색 소음이 계속 나오도록 하는 기계도 존재한다. 독서실과 같이 소음을 줄여야 하는 곳에 백색 소음기가 있는 경우가 많다. 보통 제품의 가격은 수만원대부터 수십만원대까지 다양하게 판매되고 있다.3. 통신 및 신호처리에서
이론적으로 달성 가능한 통신 속도의 한계[3]를 만드는 만악의 근원이자 이어폰, 헤드폰, 스피커 유저들을 괴롭히는 주범. 일상적으로는 노래나 악기가 조용히 연주되는 가운데 츠~ 혹은 스~ 하는 소리가 같이 재생되는 것으로 경험할 수 있다. 조용한 방에서 혼자 듣는 경우에 특히 잘 들린다. 듣는 사람에 따라 다르지만 민감한 사람은 굉장히 신경 쓰이고, 스트레스를 받기도 한다. 다른 소리가 없는 무음 구간에서 잘 들리고, 음이 좀 커지면 악기 소리로 가려지지만, 신경 쓰이는 건 어쩔 수 없다.이때 신호와 잡음의 전력비를 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이라고 하며, 이를 최대한 높이기 위해 많은 기술자들이 갈려나가고 있다.
험 노이즈, 1/f 노이즈(분홍 소음) 등 수 많은 종류의 노이즈들이 있으나, 백색 소음의 범주에 속하지 않으므로 이 문단에서 다루지 않는다.
3.1. 발생 원인
3.1.1. 열잡음
백색 소음이 발생하는 원인 중 하나는 열잡음(thermal noise) 이다. 저항 내부에 분포하고 있는 전자들이 열로 인해 불규칙적으로 운동하면서 전계가 형성되는데 이를 열잡음이라고 부르며 가산 백색 가우시안 특성을 가진다고 알려져 있다.[4]저항에서 열잡음 전력은 다음 식으로 표현할 수 있다.
[math(P = 4k_{\rm B}T \Delta f)]
열잡음이 부하에 전달되어야 한다는 것을 고려한 식은 다음과 같다.
[math(P = k_{\rm B}T \Delta f)]
여기서 [math(k_{\rm B})]는 볼츠만 상수, [math(T)]는 절대온도[K], [math(\Delta f)]는 주파수 대역폭[Hz]이다.
그러므로 상온(300K)에서 열잡음 전력 밀도는
[math(\dfrac{P}{\Delta f} = k_{\rm B}T=1.38 \times 10^{-23} \times 300 = 4.14 \times 10^{-21} \rm [W/Hz] \approx -174 \rm [dBm/Hz])]
그래서 상온에서 열잡음 전력은 주로 다음과 같이 구한다.
[math(P = -174 +10\log \Delta f \rm [dBm])]
우리나라 지상파 방송의 대역폭은 6MHz, 위성방송의 대역폭은 19.18MHz이므로 열잡음 전력은 각각 -107dBm, -102dBm이다. 최소 수신 감도는 위의 식에서 수신기의 잡음 지수(Noise Factor, NF)와 수신하기 위해 필요한 신호 대 잡음비(SNR[5])를 더해 구할 수 있다. 이를 통해 수신기의 잡음 지수를 낮추면 낮출수록 최소 수신 감도를 낮춰 더 우수한 제품을 설계할 수 있음을 알 수 있다.
이 열잡음은 절대로 완벽하게 제거할 수 없다.[6] 그리고 대부분의 아날로그 집적회로에는 약한 신호를 증폭하기 위해 연산 증폭기 소자가 내장되어 있는데, 증폭 과정에서 신호 뿐만 아니라 열잡음까지 같이 증폭되게 되어 문제가 발생한다.
3.1.2. 양자화 잡음
또한 아날로그 신호를 디지털화 할때 양자화(quantization)라는 과정을 거치는데 이때 필연적으로 양자화 노이즈, 양자화 오류라 불리는 비가역적이고 필수적인 손실이 발생하게 된다. 이에 대한 설명은 디지털 문서 참조. 이 양자화 노이즈를 수학적으로 분석했을 때 입력값에 따라서 형태가 달라지긴 하지만 보통 백색 소음의 형태를 가진다고 알려져 있다.3.1.3. 외부의 EMI 잡음
라디오나 TV에 수신되는 백색 소음 중 일부는 우주에서 날아온 신호가 포함되어 있다. 대표적인 원인으로는 태양풍, 우리 은하 중심의 초대질량 블랙홀, 중성자별, 전파 은하, 혹은 우주배경복사가 있다.혹은 외부의 전기장치들에 의한 EMI가 화이트 노이즈의 형태로 나타나기도 한다. 다만 이 경우는 화이트노이즈보다는 특정 대역이 강조된 형태로 나타나는 경우가 많다. 전력선의 경우는 60Hz대역이 강조된다던지 등.
3.2. 오디오에서의 해결 방법
요즘 나오는 음향 기기들은 잡음을 사람의 귀로 들을 수 없는 수준으로 낮추기 위해 많은 공을 들인다. 그리고 저항 잭이라고도 불리는 제품을 끼우고 음량을 높여 SNR을 증가시킬 수 있다.[7] 또한 주파수 응답을 개선해 저음과 고음의 음량을 조절해 균형을 맞추는 용도도 있다. 단, 다이나믹 드라이버를 사용한 리시버보다 밸런스드 아마추어를 사용한 리시버에서 극적인 효과를 보인다. 대표적으로 애플 인이어와 자주 사용하며 33Ω과 68Ω을 끼면 저음이 줄고 고음이 늘어 플랫해지는데, 주파수 응답 곡선이 OW 타겟 커브[8]에 가까워진다.때문에 레퍼런스급 헤드폰들은 임피던스가 높은 버전도 출시한다. 임피던스가 높을수록 잡음을 잘 걸러내기 때문인데, 앰프 출력만 받쳐준다면 재생하는 데도 문제가 없기 때문이다.
참고로 저항 잭을 끼게되면 출력이 낮아져 소리가 조금 줄어들 수 있다. 요즘 나오는 스마트폰들은 자체앰프가 탑재 되어있는 경우가 많아서 볼륨확보는 충분한 편이니 걱정하지 말자.
만약 저항 잭을 구할 수 없는 상황이라면 마스터 게인(Master Gain)을 낮춰주는 방법이 있다. 음량도 줄어들지만 잡음도 줄어든다. 완전히 없어지는건 아니지만 상당히 줄어든다. 음장 효과를 끄면 만족스러운 음감이 어려울 수 있으니 그냥 저항 잭을 추천. 소프트웨어로 없애기는 힘들다.
일반적으로 사용하는 포맷인 16비트 오디오에서 양자화 잡음으로 인한 백색 소음은 일반인의 귀로는 들을 수 없음이 이론적으로, 실험적으로 증명되었으므로 양자화 잡음은 신경 쓸 필요 없다. 이에 대해선 Vorbis, FLAC, Opus 등을 개발한 xiph 재단에서 작성한 글이 있으니 참조.아카이브 번역
4. 시계열 분석에서
시계열 분석에선 서로 독립적이고 평균과 분산이 일정한 잡음을 말한다. 자기상관함수(AutoCorrelation Fuction, ACF)나 편자기상관함수(Partial ACF, PACF)가 디랙 델타 함수이거나 유의수준보다 작으면[10] 백색잡음으로 판단할 수 있다. 자기회귀모형(Autoregressive model, AR model)이나 이동평균모형 (Moving Average model, MA model), 자기회귀통합이동평균모형(AR-Integrated-MA model, ARIMA model)에선 시계열을 백색잡음들로 분해하여 설명한다.5. 여담
- 백색 소음만큼 유명하진 않지만, 백색 소음에서 귀에 거슬리는 음역대를 약화시킨 분홍 소음 또는 갈색 소음이라 불리는 것들도 존재한다. 귀의 감각적 특성상 고주파수를 상대적으로 과도하게 감각하지 않도록 고음역을 줄인 것이 분홍 소음으로, 오히려 우리 귀에는 분홍 소음이 좀 더 백색 소음 같다고(?) 느끼게 된다. 갈색 소음은 저음역을 더 강화한 버전인데 국제선 여객기에서 들리는 웅웅거리는 엔진 소리와도 유사하다.
- 칩튠 음악에서 드럼이나 효과음으로 사용되기도 한다.
- 백색소음의 심신안정 효과를 노린 Lo-Fi라는 장르의 음악도 있다.
- 외부의 빛과 소음을 완전히 차단한 채 안대를 착용하고 백색 소음을 30여 분 이상 들으면 환각, 환청 증세가 나타난다. 이는 시야가 완전히 차단되면 뇌에서 놓치고 있는 시각 정보가 무엇인지 파악하기 위해 신경에 전달되는 자극들을 증폭하여 해석하기 때문.
6. 같이 보기
[1] 이명 사례를 보면, 공부하겠답시고 고시원에 들어갔는데 너무 조용한 환경에서 갑자기 이명을 의식하게 되었고, 그때부터 공부도 망치고 정신과에 갈 정도로 심한 고통을 호소한 환자가 있다. 의사들은 별다른 원인이 없는 이명이라면 자연의 소리로 받아들이려는 노력을 하라고 강조하는데, 컴퓨터 소리나 냉장고 소리처럼 백색 소음으로 인식하게 된다면 궁극적으로 이명을 인식하지 않는 단계까지 갈 수 있다고 한다. '문제 삼으면 문제가 되고, 문제 삼지 않으면 문제가 되지 않는다'는 말은 이명과 백색 소음에도 적용되는 것이다. 매미 우는 소리도 시끄럽다고 느끼면 소음으로 느껴져 잠을 못자고 두통과 스트레스 등을 호소할 수 있으나 매미 소리에 적응된 시골 사람은 시원한 여름에 원두막에서 매미소리를 자장가 삼아 꿀잠을 잘 수도 있다.[2] 꾸벅꾸벅 졸거나 조금 공부하다가도 이내 스마트폰을 만지작거리는 등 다른 짓을 한다거나[3] 최대 정보 전송 속도의 이론적 한계가 [math(W\log_2\left(1+\frac{P}{N_0 W}\right))]bps이라는 것이 수학적으로 증명되었다. 여기서 [math(W)]는 주파수 대역폭(Hz), [math(P)]는 평균 수신 전력(W), [math(N_0)]는 백색 소음의 전력 스펙트럼 밀도(W/Hz)이다. 이를 섀넌-하틀리 정리라 한다. MIMO를 사용할 경우 수식이 살짝 달라지긴 하는데 자세한 설명은 생략.[4] additive white Gaussian noise. 줄여서 AWGN이라 부른다. 열잡음이 백색인 이유는 자기상관함수가 디락 델타 함수에 가깝기 때문이다.[5] 지상파 디지털 방송의 경우 15dB. 디지털 방송의 경우 SNR보다 ToV(Threshold of Visibility)라는 단어를 쓴다.[6] 노이즈를 줄이는게 정말로 중요한 시스템에서는 극저온 냉각을 해서 열잡음을 줄이기도 한다.[7] 잡음 잡는 목적이면 33Ω 정도. 임피던스가 높을수록 소리가 변할 가능성이 있다. 최근 LG V20의 전문가모드 발동용으로 51Ω 이상도 많이 쓰인다.[8] 정식 명칭은 하만 타겟 커브.# 하만 인터내셔널의 연구 결과, 누구에게나 선호할 수 있는 헤드폰의 주파수 응답 곡선. 한국에서는 션 올리브 박사와 토드 웰티 박사가 개발했다고 해서 올리브의 O와 웰티의 W를 갖다 써 OW 타겟 커브라 부르고 있다. 하만 인터내셔널은 논문 및 제품 출시 이후 업계 헤드폰의 주파수 응답 곡선은 하만 타겟 커브에 유사해지고 있는 경향성을 보이고 있다고 한다.[9] 상황에 따라 다르겠지만 32Ω짜리 쓰다가 8Ω짜리 쓰면 확실히 잡음이 크게 느껴진다[10] 화이트노이즈의 자기상관함수를 푸리에 변환하면 일정한 상수함수가 되는데 이는 모든 주파수 영역에서 일정한 전력을 가지고 있다는 뜻이다.