| 아래는 Bang & Olufsen ICEpower에 소속되신 L. Blanchard氏께서 2008年에 프랑스 Paris에서 열린 Forum Acusticum에서 발표하신 연구 논문의 한글 번역본입니다. =========================================== 高音質과 耳甲介腔 헤드폰: 限界는 어디인가? L. Blanchard translated by udauda complying with IEC 60268-7 & KS A 3006(IEC 60050-801) Bang&Olufsen ICEpower / DTU, Gl. Lundtoftevej 1b, st., 2800 Lyngby, Denmark [email address omitted due to the privacy concern] 요약문 Abstract 耳甲介腔 헤드폰(이도 입구에 삽입하는 작은 헤드폰의 종류[譯者註: 통칭 오픈형 다이나믹 이어폰. 이하 이어폰])은 일상생활에서 가장 잘 알려진 종류의 헤드폰입니다. 그러나, 이어폰은 '고음질' 제품에서조차도 정작 중요한 음질은 오히려 뒷전이라 할 수 있지요. 본 연구는 이러한 헤드폰 종류의 음질에 영향을 주는 각기 다른 요소의 개요 및, 측정 장애 요소의 설명, 그리고 측정 모델의 결과를 제시하게 됩니다. 헤드폰과 청취자의 귀 사이 음의 누출(漏出; leakage)의 정도는 착용 시 마다 달라지는데, 이는 가청 음질-주로 저역-을 변질시키는 결과를 가져오게 되며, 결과적으로는 계측을 매우 어렵게 만듭니다. 나아가서, 전력 효율을 지나치게 고려한 결과, 통상의 변환기(變換器; transducer) 구조는 비선형적 반응을 보이게 되며, 따라서 대부분의 이어폰은 왜율이 높게 측정됩니다. 측정된 변환기의 매개 변수와 누출량은 Simulink로 구현된 모델에 도입 되었습니다. 이러한 모의(模擬; simulation) 모델은 보정 기술의 발전에 있어 중요한 첫걸음이라고 할 수 있겠지요. 1. 서론 Introduction 오늘날, 많은 사람들이 휴대 전화, mp3 재생기, 아니면 음향 재생이 필요한 휴대용 기기에 정합시키기 위해 헤드폰을 소유합니다. 이러한 전기 기기에 딸려오는 가장 흔한 헤드폰 종류는 다름아닌 이어폰이지요; Fig. 1을 주목. 이 헤드폰은 외이(外耳;external ear)와 귓바퀴 전체에 맞을 정도로 크기가 작습니다.  휴대 기기 제조사들은 악세사리가 아닌 기기 자체에 상품 가치를 두기 때문에, 동봉되어 오는 헤드셋은 대개 저질일 수 밖에 없습니다. 나아가서, 헤드폰이 귓바퀴에 착용되지만 완벽하게 밀착이 되지 않는다는 사실은 음향-주로 저역-이 누출로 인해 손실된다는 것을 의미합니다. 이렇게 되면 더 많은 저음을 듣기 위한 일반적인 해결책으로 음량을 올리는 방법이 있습니다. 그러나, 레벨을 상승시키면 왜곡도 동시에 증가시키게 되지요. 물론 이러한 단점을 가지지 않은 종류의 헤드폰도 있습니다. 따라서 음질적으로 따져보자면 그 쪽이 더 높게 평가되는데, 귀 전체를 덮는 귀 주변(耳覆型; circum-aural) 헤드폰은 귀에 완벽하게 밀착됩니다. 또한 이어폰보다 크기가 큰 변환기를 채용하였으므로 비선형 현상에 크게 영향을 받지 않습니다. 그러나, 큰 크기 때문에 실외에서 이어폰보다 실용적이지는 못하지요. 또 다른 종류는 완전히 외이도 내부로 착용되는 삽입형(挿入型; insert)으로 불리는 종류의 헤드폰이 있습니다. 이 삽입형 방식은 외부로 누출이 되지 않으며, 또한 아주 작은 용량의 공간에서 음을 방사하기 때문에 저음에서도 높은 음압 레벨을 얻기 위해 진동판의 변위(變位; displacement)를 크게 할 필요가 없으므로, 비선형 왜곡을 매우 적은 수준으로 유지시킬 수 있는 장점이 존재하지요. 그러나 이도의 밀폐는 청취자에게 있서 이물감이나 과다한 압력감을 야기할 수 있는 단점이 있습니다. 또한 저역은 크게 과장되어 청감상 매우 거북해질 수도 있지요. 자신의 목소리나 발자국소리를 크게 울리도록 만드는 밀폐 효과(密閉效果; occlusion effect) 또한 무시할 수 없습니다. 이러한 이유로 인하여 이어폰의 연구와 더 좋은 음질을 구현하기 위한 노력이 시작되었습니다. 이를 위해서 음질을 변질시키는 주요 제한 매개 변수에 대한 연구가 이뤄지게 되었는데- 일단 이도와의 결합부터 연구되며, 그리고 변환기의 특성에 대한 조사가 전개됩니다. 이 헤드폰 종류의 낮은 성능과 더불어서, 측정의 문제도 다소 존재합니다만, 이 역시 본 연구에서 다뤄집니다. 마지막으로, 이어폰 음질 향상의 첫걸음이라고 할 수 있는 측정 모델도 제시됩니다. 본 연구에서는, 상기 현상을 예증(例證; illustrate)키 위해 Bang & Olufsen A8이 이어폰의 예제로서 채택되었습니다. 2. 귀와 이어폰의 결합 Coupling ear and earphone 이어폰의 가장 큰 단점 중 하나는 이도와의 밀착성입니다. 착용감이 매번 달라지므로, 개개인에 따라서, 그리고 착용 시 마다 귀와의 밀착성은 동일하지 않게 됩니다. 만일 착용이 완전히 밀폐된다면, 주파수 응답은 공진점까지 평탄할 것이고 그 이후로는 12dB/decade 로 감쇄할 것입니다. (단자 유도 진동계의 경우) 작은 용량으로의 방사 시, 저역에서 높은 레벨을 확보하는 것은 아주 쉽습니다. 그러나 착용이 밀폐되지 않는 경우엔 헤드폰이 적은 용량에서 방사한다는 전제는 깨지므로 저역의 재생이 더욱 어려워지게 됩니다. 누출이 커질수록 저음의 양은 적어지며, 누출의 정도에 따른 B&O A8의 주파수 응답성 변화는 Fig. 2에 잘 나타나 있습니다. 3. 변환기의 특성 Properties of the transducer 이어폰에 채용되는 변환기는 통상의 전동형 소형 변환기(電動型小型變換器; dynamic microtransducer)입니다. 높은 음압 감도와 극소량의 전력 소모량을 고려하여 설계되므로, 운동 질량은 아주 낮게 유지됩니다. 또한 단가 절감을 위해 서스펜션(suspension)과 진동판은 초박형(超薄型) 플라스틱 필름에 일체화되지요.  보통, 전동형 변환기가 가지는 비선형 왜곡의 주 원인은 힘계수(force factor), 코일 인덕턴스(誘導係數; inductance), 그리고 서스펜션의 컴플라이언스(順應度; compliance)가 변위 의존적인 특성 때문입니다. 물론 시간/온도 의존도도 비선형 왜곡과 관계가 있으나, 이에 관해선 본 연구에서는 다루지 않습니다. 소형 스피커에서는 보이스코일의 인덕턴스가 매우 미미하므로 초고역대에서만 영향을 끼칩니다. 따라서 비선형 반응에서 인덕턴스의 영향은 무시해도 무방하겠지요. 통틀어, 이러한 변환기에서 좋은 음향 재생의 주요 방해 요인은 비선형 힘계수, 그것도 서스펜션의 컴플라이언스가 되겠습니다. 3.1 힘계수 Force factor 스피커의 힘계수는 h가 자석의 간극(間隙; magnet gap) 일 경우, 자속(磁束; magnetic flux) B와 그 내부의 코일 유효 길이, l의 적분(積分; integral)입니다.  힘계수는 편위(偏位; excursion) 의존적입니다. 만일 코일이 외향 운동을 하게 되면, 자석의 간극에 위치하는 권선(捲線; winding)의 면적이 감소하게 되고, 밀어내는 힘은 줄어듭니다. 코일이 안정위(安定位; rest position)에서부터 멀어지게 되면 힘계수가 줄어드는 거지요. 보이스코일의 구성은 주로 보이스코일의 길이가 극편(極片; pole piece)보다 긴 롱코일(overhung coil)입니다. 이런 구성은 진동판이 코일에 직결되어있고, 내향 운동 시 코일이 극편에 접촉되어선 안된다는 사실에 기인합니다. 이 경우, xmax = (h - hg)/2 (Fig. 3 참조) 보다 적은 변위에서 같은 수의 권선이 자속에 존재하게 됩니다. 그러므로 그 범위에서 힘계수는 언제나 일정하며 편위와 함께 감소하게 됩니다. 자속과 서스펜션의 재료 물성에 따라서 힘계수는 대칭적(선형적 힘계수 다음으로 이상적인 경우)일 수도 있고, 혹은 비대칭적일 수 있습니다.  B&O A8의 힘계수는 Klippel 왜곡 분석기로 측정되었으며 Fig. 4와 같습니다.  힘계수에 어떤 변수가 발생하면, 힘f 은 전류i 와 f = Bl * i 와 같이 엮이므로 변수는 역학적 & 전기적 부분에 영향을 미치게 됩니다. 비대칭적인 힘계수는 진동판의 안정위에서 직류 오프셋(offset)을 야기하게 되는데, 진동판이 외향/내향 운동을 할 때 힘계수가 서로 다르므로 진동판을 동일한 힘으로 밀어내지 못하여 불균형이 발생, 진동판의 안정위를 천이(遷移; shift)시키게 되는 결과를 가져옵니다. 3.2 서스펜션의 컴플라이언스 Compliance of the suspension 이어폰 변환기의 서스펜션은 초박형 플라스틱 재질로 만들어져 있습니다. 이 서스펜션은 진동판을 안정위로 되돌리는 용수철같은 역할을 하는데, 편위가 적을 때는 선형적인 운동성을 보이되 변위가 증가하게 되면 그 힘은 선형적인 용수철이 만들어내는 힘보다 강해지게 됩니다. 따라서, 서스펜션의 컴플라이언스는 변위의 변화를 따른다고 할 수 있겠지요. 안정위에서는 서스펜션은 부드럽고 또한 컴플라이언스 역시 최대입니다. 변위의 상승이 많을수록 서스펜션은 더욱 당겨지며, 신축성이 한계에 다다르게 되면 용수철상수(龍鬚鐵常數; spring constant) 역시 점점 상승, 결국 컴플라이언스가 감소하게 됩니다. 컴플라이언스는 서스펜션이 운동 시 동일하게 신축하는 여부에 따라 대칭적일 수도 있고, 혹은 그렇지 않을 수도 있습니다. Fig. 5에서 나타나듯이, B&O A8은 매우 비대칭적입니다. 레벨의 크기에 따른 패턴의 미세한 변화를 확인할 수 있습니다만, 이는 단순 측정 오류라고 판단됩니다. AC 전압의 재생 시, 서스펜션이 비선형적이라면 진동판의 위치는 서스펜션의 가장 부드러운 쪽으로 쏠리게 되고 직류 천이가 발생하게 되지요.  3.3 왜곡 Distortion 변환기의 비선형 매개 변수는 진동판의 이상적인 운동성을 방해하므로, 왜곡을 증대시키는 결과를 초래합니다. Fig. 6에 나타나듯이, 변위가 큰 저역에서는 총 고조파 일그러짐(全高調波歪率; total harmonic distortion)이 대단히 높으며, 고역으로 갈 수록 낮아지게 됩니다. 한가지 유념할 사항은, 만일 헤드폰이 귀와 완전히 밀착이 되는 경우에는 변위가 엄청나게 작아져서 왜곡이 크게 적어지게 된다는 것입니다. 8.7 kHz 언저리의 솟아오른 응답성은 귀 자체의 공진 성분이므로 무시하셔도 좋습니다.  4. 측정 장애 요소 Measurement difficulties 4.1 소형 변환기 Microtransducers Klippel 왜곡 분석기는 스피커의 선형/비선형 매개 변수를 측정할 수 있는 많은 여러가지 왜곡 분석기들 중 하나입니다. 분석기가 증폭기를 거쳐 음향 신호를 변환기로, 그리고 식별 시스템으로 전송합니다. 변환기 종단의 전류는 실시간으로 측정되어, 측정 모델에 매개 변수를 입력시키는 식별 시스템의 출력 강도에 비교됩니다. 모든 매개 변수를 알아내기 위해서, 임피던스(impedance) 측정도 합니다. 그리고 역학적 매개 변수가 힘계수에 반영되게 되면, 레이저 변위 측정이 이뤄지지요. 레이저 측정에 적합한 신호를 위해서 투명한 진동판 위에 하얀 잉크로 점을 찍습니다. 이 하얀 점은 진동판에 추가적인 중량을 가하지 않을 정도로 크기가 작아야하는데, 보통 점의 무게는 0.1mg 정도가 되나, 측정 중량 편차가 0.5mg 정도니만큼 잉크의 질량은 무시해도 무방하다고 봐야겠지요. 점을 찍는 위치를 정하는 문제 역시 중요합니다. 진동판의 정중앙은 특히나 진동에 민감할 뿐더러, 잉크가 판막의 강도를 다소 올려주기 때문에 진동판의 운동성이 교란 될 우려가 있습니다. 4.2 통기 구조 Vented box 이어폰에 채용되는 변환기는 보통 성능이 저질이기 때문에, 하우징의 후방 용량 설계가 매우 중요해집니다. 저역을 부풀린다거나, 혹은 주파수 위치에 따른 변환기의 공진 특성을 상쇄하는 등의 변환기가 가진 고질적 단점을 보완하는 목적으로 튜닝이 이뤄지는데, 저역을 증폭하기 위해서는 언제나 통기 구조가 적용됩니다. 그 이외에도 주파수 응답은 변조하기 위해 작은 개구부(開口部)나 환공(換孔; 換氣口)을 적용하기도 하지요. 이는 헤드폰이 변환기 자체의 공진이나 하우징의 공진을 더해 여러개의 공진점을 가지고 있다는 뜻이기도 합니다. 이어폰의 통상적인 후방 용량은 300 mm3 정도로 매우 작으며, 환공 역시 그 크기가 아주 작습니다. 간혹 환공이 굽어있다던가, 혹은 권선 공간을 공진 공간으로 이용하는 경우도 있지요. 다만 이러한 공진 구조는 기하학적인 측정을 아주 어렵게 만드는 문제가 있습니다. 헤드폰은 여러개의 공진점을 가진 시스템이기 때문에, Klippel 왜곡 분석기로는 변환기 매개 변수의 적합한 결과물을 측정하기가 거의 불가능에 가깝습니다. 올바르지 못한 측정 모델 설계를 야기할 수 있는 불확실 요소를 몇가지 짚고 넘어가 보겠습니다. 4.3 귓속 측정 Measurements in the ear 헤드폰은 귀를 통해 들을 수 있도록 설계되었습니다. 따라서 자유 음장(free field)에서 측정된 주파수 응답은 음질에 있어 큰 의미를 가지지 못하지요. 헤드폰은 반드시 귀 내부에서 측정되어야만 합니다. 4.3.1 실이(實耳; real ear) 측정 Real ear measurements 가장 어려운 문제: 개개인의 귀 크기와 모양은 제각각 전부 다릅니다; 그리하여 헤드폰의 가청 응답성은 청취자마다 전부 달라지게 되지요. 나아가서, 고막 측정은 집행하기가 매우 까다롭습니다. 이외에도 장애물이 또 하나 있는데, 이는-당연한 말이지만-레이저 측정은 귀 내부에서 이행될 수 없기 때문에 실이 측정으로는 변환기 고유의 매개 변수를 알아낼 수 없다는 데 있습니다. 측정을 간소화하기 위해 종종 인공 머리(人工頭部; dummy head)가 사용되기도 합니다. 물론 인공 머리가 청취자 간의 편차를 줄일 수는 없습니다만, 고막에서 헤드폰의 주파수 응답을 측정을 가능하게끔 하는 장점이 있지요. 4.3.2 누출 측정 Leak measurements 헤드폰과 귀 사이에서 발생하는 누출 측정치의 반복 정확도를 확보하기 위해, 적절히 제어된 누출 장치가 만들어졌습니다. 이 장치를 사용하면, 환공을 조절하여 원하는 만큼의 누출을 만들어낼 수 있지요. 이외에도 누출의 정도를 재기 위해서 또다른 측정이 이뤄졌습니다; Fig. 7 참조. 인공머리의 전면에 스피커를 위치시킨 후, 인공 머리의 한쪽 귀에는 헤드폰을 장착시켜 양 귀의 주파수 응답을 측정/비교하였습니다. 헤드폰이 장착된 귀에 전달되는 음량은 헤드폰 재생 시 누출로 손실되는 음량으로-적어도 저역만큼은- 간주할 수 있습니다. 귀와 헤드폰 간의 누출 만을 다루기 위해서, 하우징의 환공은 전부 밀폐되었습니다.  4.3.3 방사 임피던스 Radiation impedance 정확한 측정 모델을 확보하기 위해서는 방사 임피던스가 측정되어야 합니다. 귀과 헤드폰 간 누출과, 외부로 통해지는 이도의 모든 개구부의 방사 임피던스를 알아 낼 필요가 있지요. 그러나 이러한 개구부는 크기가 아주 작기 때문에, 방사 임피던스를 계산하는데 필요한 용적을 역학적으로 계측하는 것은 매우 어렵다고 할 수 있겠습니다. 5. 측정 모델 Measurement model 5.1 변환기 모델 Transducer model 비선형 매개 변수의 영향을 조사하기 위해 Simulink 모델이 제작되었습니다. 자유 음장에서는 변환기의 총 고조파 일그러짐은 어느정도 예측할 수 있었습니다. (Fig. 8 참조) 그러나 헤드폰이 귀에 착용되면 변위는 매우 작아지므로 최대 총 고조파 일그러짐은 약 0.4 % 정도가 됩니다. Simulink 모델은 귀 내부 구성에서의 총 고조파 일그러짐을 지나치게 과소 추정했기 때문에 정확한 왜율의 산출이 불가능했습니다. 한편, Klippel 왜곡 분석기에 대응되는 힘계수와 서스펜션의 컴플라이언스를 모사하기 위해서 거듭제곱 급수전개(冪級数展開; power series expansion)가 적용되었습니다. 순서에 따라 변위의 일정 범위까지는 정확도가 유지되지만, 편위 범위 밖에서는 다항식(polynomial)은 너무 빨리 분기(diverge)하게 되는 문제가 발생합니다. 소형 스피커의 전체 편위 범위를 측정하는 것은 어려우므로, 다항식은 좋은 예측이 될 수 없지요. 그보다는 편위 범위가 상승해도 안정된 값을 유지하는 가우시안 함수(Gaussian function)가 힘계수와 서스펜션의 컴플라이언스를 모사하기엔 더 적합하다고 할 수 있겠습니다.  5.2 누출의 영향 Effect of the leakage 헤드폰 누출의 영향을 관찰하기 위해 몇가지 측정 모델이 사용되었습니다. 이들은 모두 Pspice로 구현 되었으며, 변환기의 비선형성은 반영되지 않았습니다. 누출은 [3]-Fig. 9 참조-에 제시된 바와 같이 구성되었으며, 매개 변수 R 과 C는 헤드폰 진동 시 피부의 제동 감쇠(璪減衰; damping)효과에 해당하고 L은 그 질량에 해당합니다.  일단, 스피커가 청취자의 전면에 위치하도록 모의하는 측정 모델이 만들어 졌습니다. 여기서 헤드폰은 재생되지 않는 만큼 누출의 기본 요소(Rleak & Lleak) 만이 모델에 반영되었지요. 모델과 측정 사이의 측정 오차는 아마도 방사 임피던스의 예측에서 기인한 것으로 추정됩니다. 사실 스피커의 음향으로 헤드폰도 진동을 하게 되는데, 이러한 특성을 반영하지 않았기 때문이겠지요. 또한 고역에서의 오차는 B&K社가 제공한 IEC-711 커플러가 5 kHz 까지만 정확하고(譯者註: 이는 사실이 아님), 또한 측정 조건의 상호 작용에 대한 가정이 맞지 않기 때문인 것으로 생각됩니다.  누출 매개 변수 Rleak 과 Lleak이 구해진 후, 이 값은 [5]의 B&K IEC-711 커플러에서 재생되는 B&O A8의 헤드폰에 적용되었습니다.  모사 결과와 측정 결과의 오차는 IEC-711 커플러 자체의 특성(譯者註: 이는 사실이 아님)과 각 매개 변수를 측정하기 까다로운 A8 자체의 문제에서 비롯되었다고 판단 됩니다. 저역에서의 오차는 측정 시 실내 소음을 차감하지 못했기 때문입니다. 6. 결과 Conclusions 이어폰의 비소모적 단점이 두가지 제시되었는데, 변환기의 특성과 귀-헤드폰 간의 결합이 바로 그것입니다. 대부분의 이어폰은 건전지 구동 기기와 같이 사용되며, 전력을 적게 소모하도록 제작되어 있습니다. 그렇지 않다면 건전지가 금새 바닥이 날 테니까요. 따라서, 구동부는 초경량(超輕量)이 되어야 하지요; 진동판과 서스펜션이 초박형 플라스틱 재질에 일체화 되어있을 정도입니다. 이것이 바로 이어폰의 서스펜션이 매우 비선형적인 주된 이유가 되겠습니다. 크기와 제조 단가의 제약 때문에, 크거나 혹은 무거운 자석을 채용할 수 없으므로 자속은 비균일적으로 되어 더 많은 비선형성을 야기, 결과적으로 왜곡을 일으키게 됩니다. 헤드폰을 설계할 때, 헤드폰이 재생되는 환경을 충분히 감안할 필요가 있습니다. 예를 들어, 청취자의 귀 구조는 개개인마다 전부 다르며, 이러한 변수는 모든 청취자에게 맞는 고음질을 구현하기 어렵게 만드는 요소가 됩니다. 측정 모델의 구상에서는 매개 변수가 측정되어야 하지만, 부정확 요소를 배제키 위해 인조귀가 사용됩니다. 인공 머리 측정치는 헤드폰 품질을 결말짓기에는 사실 좀 부족하지요. 청취자 간 변환기 응답성의 변수 범위를 확인하기 위해서는 실이 측정이 필수입니다. 감사의 말씀 Acknowledgements 좋은 조언과 지도를 해 주신, DTU에서의 제 주임이시기도 한 Finn Agerkvist氏와 Finn Jacobsen氏께 감사드립니다. Bang & Olufsen ICEpower에서 저를 지도 해 주신 Anders R. Hansen氏와 Lars B.R. Hansen氏 역시 이 헤드폰 프로젝트의 좋은 후원이 되어 주셨습니다. 참고 문헌  =========================================== 추가 링크: (클릭 가능) A8의 임피던스 특성 from Mad-Head ※ 자유 음장 조건 시, A8에 채용된 日 Foster社의 변환기는 Xmag= 약 -0.4mm ~ +0.4mm Xsus= 약 -0.2mm ~ +0.5mm 이상 Xmax= 약 0.2mm |
No comments:
Post a Comment