음향적인 임피던스란 무엇일까요?
이어폰이나 헤드폰에서 사용이 되는 음향적인 임피던스라는 개념은 (정확한 한글용어가 무엇인지는 저도 모르겠습니다. 단지 전기에서 사용되는 임피던스의 개념과 혼동을 피하기 위하여 음향적인 임피던스라는 용어를 사용하기로 하였습니다.) 더미헤드를 제작하는 외국회사의 여러 가지 자료를 보면 상당히 난해하게 설명이 되어 있는데 사실 기본적인 개념만 이해를 하면 그리 어려운 개념이 아닙니다. 쉽게 설명을 드리기 위하여 주사기를 생각 해 보기로 하겠습니다. 

질문1.
주사기에서 주사바늘을 연결하는 구멍(빨간 동그라미 부분)을 막지 않고 피스톤을 움직이는 경우와 구멍을 손가락으로 막고 피스톤을 움직이는 경우 어느 쪽이 더 쉽게 피스톤이 움직일까요?

답변1.
구명을 막지 않고 움직이는 경우가 더 쉽게 움직입니다. (압력차이 때문이지요)

질문2.
피스톤의 마찰력은 동일하다고 가정을 하면 주사기의 용적이 큰 경우와 작은 경우 어느 쪽의 피스톤이 더 쉽게 움직일까요?

답변2.
용적이 큰 경우가 더 쉽게 움직입니다. (역시 압력차이 때문입니다.)


음향적인 임피던스란 것은 바로 주사기의 구멍을 막고 피스톤을 움직이면 막기 전에는 거의 없던 피스톤의 움직임을 방해하려는 추가적인 힘이 발생을 하는데 이러한 저항성분을 말합니다. 즉 주사기가 밀폐가 되면 주사기 안의 밀폐된 공간에서 발생하는 공기 압력의 차이로 인하여 피스톤의 움직임을 방해하는 성질이 발생하게 되는데 이를 음향적인 임피던스라고 합니다.


음향적인 임피던스라고 하는 이름을 붙인 이유는 이어폰의 진동판이 움직이는 경우 주사기의 경우와 마찬가지로 밀폐되는 정도에 따라서 이러한 저항 성분이 발생하기 때문입니다.

이어폰의 경우 덕트(구멍)가 있는 제품도 있고 그렇지 않은 제품도 있는데, 이렇게 덕트를 사용하여 소리의 튜닝을 하는 원리가 바로 이어폰 내의 음향적인 임피던스를 조절하여 소리의 특성을 변화시키는 것 입니다.

음향적인 임피던스라는 것의 개념은 사실 알고 보면 특별히 어려운 개념이 아니지요?


Balanced Armature에서 발생하는 음향적인 임피던스
요즘 고가의 인이어형 이어폰에서 많이 사용이 되는 Balanced Armature (이하 줄여서 BA라고 표현하겠습니다.)의 구조는 아래의 그림과 같습니다.

그리고 이러한 BA는 이어폰 안에 아래의 그림과 같은 구조로 들어가게 됩니다.

위의 BA의 구조를 보시면 진동판(Diaphragm)의 위쪽과 아래쪽 공간이 완전하게 밀폐가 되어 있는 것을 보실 수가 있습니다. 때문에 밀폐된 공간에서 발생하는 음향적인 임피던스는 빨간색 네모박스 안의 공간으로 인하여 발생을 하게 됩니다.

그리고 이러한 공간 즉 진동판의 뒤쪽의 공간은 일반적인 다이나믹형의 제품에서는(어떠한 구조로 만들지는 만들기 나름이긴 하지만) 밀폐가 되어 있지 않습니다. 때문에 일반적인 다이나믹형 이어폰에서는 유닛 자체적인 음향적인 임피던스 성분만을 고려하면 BA형의 유닛이 다이나믹형의 유닛보다 음향적인 임피던스 성분이 큽니다.

그리고 이러한 특징으로 인하여 BA의 진동판에 대한 구동이 다이나믹형의 진동판에 대한 구동보다 더욱 정밀하게 된다고 합니다. 왜냐하면 BA의 음향적인 임피던스 성분이 더욱 크기 때문에 더욱 많은 힘이 필요하고 BA에서는 더욱 큰 힘으로 진동판을 제어하기 때문에 불 필요한 공진 등이 덜 발생하다는 것 입니다.

산미천님이 링크를 해 주신 BA의 임피던스와 다이나믹형의 임피던스에 대한 내용을 간단하게 정리하면 이런 내용입니다.



실제의 귀와 모형귀(Artificial Ear)에서 발생하는 음향적인 차이
이어폰의 소리를 측정할 때에는 실제 귀의 모형과 비슷하게 모형귀(Artificial Ear)를 만들어서 이어폰의 소리를 측정합니다. 그런데 이러한 모의 귀는 실제 사람의 귀와 완벽하게 같지 않으므로 몇 가지 음향적인 특성을 고려하여 보정을 해 주어야만 실제로 사람이 듣고 느끼는 소리로 변환이 됩니다.

그리고 바로 이러한 실제의 귀와 모형귀의 차이를 RECD(The real-ear-to-coupler difference)라고 합니다.

즉 단순하게 이어폰과 마이크를 적당하게(밀폐에만 신경을 써서) 연결한 이후에 이어폰의 주파수 응답특성을 측정하면 측정된 주파수 응답특성은 실제로 인간이 느끼는 주파수 응답특성으로 측정이 되지 않고 여기에 RECD를 적절하게 보정을 해 주어야만 인간이 실제로 느끼는 주파수 응답특성으로 변환이 된다는 말입니다.

참고
이러한 RECD의 곡선은 제조사의 모델마다 그리고 제조사마다 조금씩 다르고 일본의 후치노베씨 같은 경우는 이러한 보정작업을 하지 않은 데이터를 공개하십니다. 그래서 골든이어스의 데이터와 차이가 발생하는 것 입니다.
그리고 이러한 RECD에 영향을 미치는 요인으로는 산미천님이 정리하신 내용을 인용하면 아래의 3가지 요인에 의하여 변화가 됩니다.

1. 귀의 임피던스 특성
2. 삽입에 따른 이도의 체적 변화
3. 밀폐된 이도에서의 음향반사

상기 3가지 요인에 대하여 간단하게 설명을 해 드리기 위하여 아래의 그림을 인용하겠습니다.

1. “귀의 임피던스 특성”은 이어폰이 귀의 안쪽에 삽입이 되면 이도의 공간이 밀폐가 됩니다. 때문에 이도의 안에서는 음향적인 임피던스가 발생을 하게 됩니다. 위의 그림을 참조하시면서 질문1.의 주사기를 생각하시면 이해가 되실 것 같습니다.

2. “삽입에 따른 이도의 체적 변화”는 이어폰의 삽입이 깊게 되면 이도 내의 용적이 작아지므로 음향적인 임피던스는 커지게 됩니다. 역시 위의 그림을 참조하시면서 질문2.의 큰 주사기와 작은 주사기를 생각하시면 이해가 되실 것 같습니다.

3. “밀폐된 이도에서의 음향반사”는 이어폰에서 나온 소리가 고막에 도달하기까지 이도의 구조에 따라서 공진이 발생하므로 소리가 변화가 된다는 내용입니다.


이어폰(발음체)의 동작방식과 RECD와의 연관성?
산미천님과 nalsse님의 의견은 BA형 이어폰의 경우에는 음향적인 임피던스가 크기 때문에 현재 골든이어스에서 이어폰의 측정에 적용을 하는 RECD를 그대로 사용을 하고 다이나믹형의 이어폰 측정에서는 RECD를 적용하지 않아야 한다고 하십니다.

과연 이러한 주장이 사실일까요?

우선 산미천님과 nalsse님의 주장에는 몇 가지 의문점이 있습니다.

1. RECD는 상기 3가지 요인에 의해서 변화가 되는데 갑자기 왜 이어폰에서 사용이 된 드라이버의 임피던스 특성과 연관이 되는지 모르겠습니다. 아마도 개인적인 추측으로는 음향적인 임피던스라는 용어만으로 연관을 지어서 생각을 하시는 것 같은데 BA형과 다이나믹형 이어폰의 음향적인 임피던스가 발생하는 공간과 모형귀에서 발생하는 음향적인 임피던스가 발생하는 공간은 별개입니다.

즉 위의 그림을 보시면 이해가 쉬우실 것 같은데 BA형 제품에서 발생하는 음향적인 임피던스는 이어폰 안의 BA내부적으로 발생을 하는 음향적인 임피던스 특성을 말합니다. 그리고 RECD의 특성에 영향을 미치는 음향적인 임피던스는 밀폐된 이도에서 발생하는 음향적인 임피던스를 말합니다.

2. 산미천님과 nalsse님의 의견은 BA형 제품은 음향적인 임피던스가 크기 때문에 음향적인 임피던스가 크더라도 진동판을 움직이는 힘이 크기 때문에 이도의 음향적인 임피던스의 영향을 받지 않기 때문에 RECD를 적용하지 말아야 한다고 하셨는데요.

산미천님과 nalsse님이 말씀하고 계신 음향적인 임피던스는 BA형 드라이버의 내부적인 상황입니다. 물론 BA형 제품의 자체적인 음향 임피던스가 다이나믹형 제품보다 크기 때문에 진동판을 움직이는 데에 다이나믹형 제품보다 더 큰 힘이 필요한 것은 사실이지만 RECD에 영향을 주는 이도에서 발생을 하는 임피던스에는 영향을 주지 못하거나 적어도 큰 영향이 없다는 것이 제 의견입니다. 즉 용어만 같을 뿐 음향적인 임피던스가 발생을 하는 공간이 다릅니다.

게다가 RECD가 영향을 받는 요인은 음향적인 임피던스뿐만이 아닙니다. 이도내의 구조 역시 영향을 미치게 됩니다. 때문에 RECD전체를 빼는 것에는 의문이 듭니다.

3. RECD에 영향을 미치는 밀폐된 이도의 공간에서 발생하는 음향적인 임피던스는 이어폰의 진동판이 많이 움직이면 공간이 작아지므로 음향적인 임피던스가 커지게 되고 작게 움직이면 음향적인 임피던스는 작게 됩니다.

즉 이도의 공간에서 발생하는 음향적인 임피던스는 이어폰의 진동판이 움직이는 크기와 상관이 있지 진동판이 움직이는 방식과는 상관이 없다는 것이 제 의견입니다. 즉 볼륨만 동일하다면 이도내의 음향적인 임피던스는 발음체의 동작방식에 관계 없이 일정하다는 것이 제 의견입니다.

음향적인 임피던스가 발생을 하는 원인을 생각해 보시면 당연한 이야기라고 생각합니다. (주사기를 다시 한번 더 생각해 보셨으면 합니다.)

4. 산미천님도 정리를 하셨듯이 RECD에 영향을 미치는 요인으로 음향적인 임피던스(이도 내에서발생하는 음향적인 임피던스)는 있지만 발음체의 종류 즉 발음체 내부의 음향적인 임피던스에 대한 것도 RECD에 영향을 미치는 요인이라는 내용은 산미천님의 의견에서 처음으로 들었습니다. 관련된 근거자료를 계속해서 알려달라고 한 부분이 바로 이 부분입니다.

5. 혹시나 하고 상용 더이헤드를 사용하여 측정을 하는 HeadphoneInfo에서 측정을 한 주파수응답특성과 현재 산미천님과 nalsse님이 문제가 있다고 주장을 하시는 다이나믹형 이어폰인 PX300의 주파수 응답특성을 제가 측정을 한 데이터와 비교를 해 보았는데 그 결과는 측정오차의 범위 안에서 동일하다고 생각됩니다.

검정색: 골든이어스 측정치
빨간색, 연두색: HeadphoneInfo의 측정치

 

위의 결과를 보면 만일 산미천님의 주장이 맞다고 하더라도 그 차이는 아주 미미한 차이이고, 그 정도의 차이는 측정에 따른 오차의 범위보다 훨씬 작으므로 발음체의 동작방식은 신경을 쓰지 않아도 된다는 것이 제 의견입니다.


이 글은 산미천님과 nalsse님의 특별한 이견이 없으시면 아래의 개인적인 의문 사항은 제외를 하고 Study 메뉴로 이동이 될 예정입니다.