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* 본 글은 2008년 8월 29일 Stereophile Magazine에 실린 Between the Ears: the art and science of measuring headphone by Keith Howard를 번역한 것입니다. PDF 파일로도 이용하실 수 있습니다. (링크)




귀 사이에서 - 헤드폰 측정의 기술과 과학
by Keith Howard
(번역 : 당근)




드폰이 하이파이(hi-fi) 잡지에서 상당히 소홀하게 다뤄지고 있음에도 불구하고 그 시장이 급속히 커지고 있는 것은 정말 신기한 일이다. 미국의 사정은 잘 모르겠지만, 최근 영국의 헤드폰 시장은 그 판매량과 액수에서 모두 연간 15-20% 가량 증가하고 있다. 이를 단순히 Apple iPod 현상의 부산물로 여기고 넘길 수도 있다. 하지만 현재 120 달러를 넘는 헤드폰들이 시장의 20%를 차치하고 있고, 상당수의 소비자들은 그 품질도 고려하는 듯 보인다. 만약 당신 역시 많은 사람들이 헤드폰을 통해 고품질 오디오에 입문한다고 생각하고 있다면, 헤드폰은 더 진지하게 다뤄질 필요가 있는 것이다.



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이런 사실이 내가 최근 3500 달러의 거금을 헤드폰 측정 장비에 쏟아 부었다는 것의 이유가 될까? 부분적으로만 그렇다. 다른 이유도 있었다. 만약 측정이 오디오 제품의 설계와 평가에 어떠한 역할을 한다면, 이러한 철학은 분명히 모든 오디오 제품에 적용되어야 한다. 설령 헤드폰과 같이 의미 있는 측정이 끔찍하게 어려운 경우에도 말이다.


약간의 개인적인 동기도 연관되어 있다. 내 첫 번째 "하이파이" 시스템은―다시 떠올리기가 무섭다―헤드폰들로 구성되어 있었는데, 여기에는 이러저런 좋은 이유들이 있었다. 일단 단지 내가 그걸 살 형편이 됐었다는 점과, 그리고 그 시스템을 런던의 토튼햄 코트 로드부터 통학 기차를 기다리는 차링 크로스 역까지 가지고 돌아올 수 있다는 이유도 있었다. (여기에는 BSR McDonald MP60 턴테이블과 아프로모시아(역주 : 나무 종류)로 만든 플린스(plinth), Goldring G850 카트리지와 모델명이 기억나지 않는 Trio (Kenwood) 앰프도 같이 포함되어 있었다.) 그리고 어떠한 눈치도 볼 필요 없이 마음껏 큰 소리로 Trio 헤드폰을 들을 수 있었다. 그렇지만 헤드폰 경험은 싫증이 나버렸고, 그 이후 몇 해 동안 헤드폰을 들으면서는 뭔가 더 좋아졌으면 하는 마음이 생겼다. 심지어 Trio 헤드폰보다 더 좋은 헤드폰을 쓸 때도 그랬다. 마음 속 어딘가에서 헤드폰의 성능은 다가 아닐 수 있다고, 그럴 거라고 하는 생각이 정말 흔하게 드는데, 이게 꽤 신경 쓰이는 점이다.


내가 넌지시 말했듯, 헤드폰을 의미 있게 측정하는 건 정말 쉬운 일이 아니다. 일단 가장 근본적인 문제는 당신 옆의 사람만 봐도 분명하게 알 수 있다. 우리 모두는 저마다 다른 크기와 모양의 머리와 귀(외이)를 가지고 있고, 이는 제각기 헤드폰을 다르게 경험한다는 걸 의미한다. 심지어 이도 안으로 넣어져서 귀의 영향이 사라지는 삽입형 타입도 그러하다. 여기에는 단지 헤드폰과 귀 사이의 음향적 상호작용 변수 뿐 아니라, 우리의 청각적 기억까지도 영향을 준다. 우리는 각자 고유의 머리 전달 함수(head-related transfer function, HRTF)를 가지고 있다. 머리를 기준으로 어떤 위치에 음원이 있다고 하고 여기에서 플랫한 소리가 재생되었다고 할 때, 각 귀에서 생기는 주파수 응답으로서 HRTF가 주어진다. 이 HRTF는 음원의 위치가 달라지면 그에 따라 달라지는데, 우리는 이러한 HRTF를 이용해 음원의 위치를 파악하는 데(정위, sound localization) 도움을 받게 된다. 또한 뇌는 이러한 응답의 변화를 보상할 수 있는데, 그 때문에 음원이 움직이더라도 그 음색은 변하지 않고 유지된다. 우리가 청각 세계에서 지각(perception)하는 데 각자의 HRTF(individual HRTF)가 주는 중요성을 고려한다면, 사람들이 동일한 헤드폰의 공간감(역주 : imaging을 의역하였습니다.)과 톤을 다르게 지각하는 건 그리 놀랄 일도 아니다.[1]


이런 생물학적인 변수 때문에 헤드폰의 주파수 응답을 결정하기 위해서는 흔히 여러 사람을 대상으로 한다. (가령 ITU-R BS.708 권고안에 기술되어 있다.) 즉, 여러 사람에 대해서 그 입구와 가까운 이도 내부 위치에 매우 작은 마이크를 놓고, 그 주파수 응답을 측정하는 것이다. ITU-R BS.708에 규정되어 있는 내용에 따르면, 적어도 16 명의 사람들이 필요하고 그 결과를 평균내야 한다. 시간만 충분하다면 연구자들과 엔지니어들은 학생들이나 동료들을 가지고 이러한 과정을 수행할 수 있지만, 헤드폰 리뷰어에게는 매우 비실용적인 방법이다. 우리에게 필요한 것은 바로 인조 귀(artificial ear)이다. 인조 귀를 통해 일관적이면서 광범위한 대표성을 지니는 결과를 신속하게 얻을 수 있다.


우리에게는 여러 선택지가 있다. 일단 머리-몸통 시뮬레이터(Head and torso simulator, HATS)라 불리는 음향 마네킹[manikin, 정확한 용어는 더미 헤드(dummy head)] 중 마이크가 이도의 바깥 끝에 위치해 있는 것들을 사용할 수 있다. 하지만 현재의 헤드폰 시장을 쭉 살펴보려는 우리의 목적에는 그리 훌륭한 선택지가 아니다. 더미 헤드로 서큠오랄(circumaural), 수프라오랄(supraaural), 그리고 이어버드(earbud) 타입의 헤드폰은 측정할 수 있지만, 삽입형 타입(insert type)은 불가능하다. (나는 이각(concha) 안에 착용되는 이어버드 헤드폰을 사용하고 있다. 여기서 이각은 이도로 연결되는 곳에 있는 귀의 한 부분으로, 귀 중심에서 움푹 파인 모양을 하고 있다.) 오디오파일들이 사용할만한 삽입형 헤드폰들의 숫자가 늘어가고 있으니, 이는 심각한 단점이다.


고막 시뮬레이터(eardrum simulator)가 포함되어 있는 마네킹을 사용하면 삽입형 이어폰까지도 측정할 수 있다. 하지만 특별히 다른 어떤 용도가 있지 않는 이상, 이러한 종류의 마네킹은 값비싼 선택지이다. 인조 머리와 몸통의 비용은 일단 제외하자. 이러한 마네킹은 인조 귓바퀴(pinna)와 고막 시뮬레이터, 그리고 마이크로 구성되어 있는 인조 귀 두 개로 구성되어 있고, 그에 대한 전자장치들도 필요하다. 특히 라우드스피커(loudspeaker) 측정 소프트웨어를 사용할 경우, 보통 한 번에 헤드폰 채널 한 쪽만 측정할 것이기 때문에, 두 번째 귀는 불필요하게 가격만 높이는 셈이다.


차라리 내가 가지고 있는 인조 귀 타입이 주머니에 넣기도 쉽고 더 좋다. (그렇지만 전문 음향 측정 장비라 절대 저렴하지는 않다.) 이는 전문 용어로 귀-뺨 시뮬레이터(ear-and-cheek simulator)라고 알려져 있는데, 그 이름대로 서큠오랄 헤드폰의 이어패드가 놓일 수 있는 면이 달려 있다.


혹시 알고 있는 사람이 있을지도 모르겠는데, 과거의 몇몇 인조 귀는 실제 사람 귀와 닮은 형태가 아니었다. 이러한 인조 귀는 사람 귀의 음향 임피던스를 모의하기는 하지만, 서큠오랄이나 수프라오랄 헤드폰을 사용할 때 귀가 접히는 등의 복잡한 상호작용은 모의할 수 없다. 예를 들어, 귀라기보다는 무슨 연료 주입기처럼 복잡하게 생긴 B&K의 4153 인조 귀가 있다. (아직도 구입할 수 있다.)


Floyd Toole―라우드스피커와 리스닝 룸 사이의 상호작용에 관한 연구로 잘 알려져 있다―는 1984년 발표한 Audio Engineering Society 논문에서, 이런 형태의 인조 귀를 사용하는 것에 심각한 문제가 있다는 것―특히 고품질 헤드폰을 의미 있게 측정하는 것에 관해―을 지적하였다. 그는 논문에서 이렇게 썼다. "아마 그저 그러한 인조 귀들이 존재한다는 이유만으로, 그동안 고충실도 헤드폰은 표준적인 청력 검사를 위해 고안된 커플러와 인조 귀를 통해 평가되어 온 듯하다. 이 장치들에는 외이의 기본적인 음향적인 기능을 모의하려는 어떠한 노력도 담겨 있지 않다. 또한 무수히 많은 고품질 장치들을 위해서도 설계되지 않았다. 이에 따라, 그리고 플랫한 주파수 응답을 내야 한다는 상업적 동기에 따라, 셀 수 없이 많은 헤드폰들이 잘못된 장치와 잘못된 성능 측정을 통해 설계되어 왔다."[2]


Toole이 말한 대로, 인조 귀는 단지 실제 귀의 모양만을 닮았다고 해서 대표성을 갖게 되는 것이 아니다. 이러한 인조 귀는 실제 귀와 유사한 기계적 특징을 가져야 한다. 서큠오랄 및 수프라오랄 헤드폰에서는 (착용 시) 보통 귓바퀴가 어느 정도 구겨지면서 그 모양이 변하게 되고, 그로인해 헤드폰과 귓바퀴의 음향적 상호작용 역시 변한다. 따라서 인조 귓바퀴는 그 기계적 특성과 모양이 실제 귓바퀴와 유사해야 한다.


Toole이 이를 주장한지 21년 후, 그러한 인조 귓바퀴를 손쉽게 이용할 수 있게 되었다. 아마 그 중 가장 뛰어난 것은 본래 Knowles Electronics에서 제작하던 KEMAR 마네킹으로, 지금까지 만들어졌던 HATS 중 가장 해부학적으로 실제에 가깝다. 현재 KEMAR 귀는 크기와 경도가 다른 몇 가지 모델로 되어 있고, 덴마크의 음향 회사 GRAS에서 판매되고 있다. 물론 KEMAR 역시 연골 위에 피부 조직을 가지고 있는 실제 귀와는 그 기계적 특성이 완벽히 같지는 않다. 그렇지만 서큠오랄 또는 수프라오랄 헤드폰이 착용된 상황에서 어느 정도는 그러한 특성을 "제공"하고 있다.


GRAS는 KEMAR 귓바퀴를 포함하는 완전한 귀-뺨 시뮬레이터(43AG)도 제작하였는데 그림 1.에 그 모습이 나타나 있다. 죔쇠나 받침대 등 43AG의 부속품들은 하이파이 헤드폰을 측정하는 데에는 불필요하기 때문에 나는 인조 귀 장치를 위한 핵심 부품만을 구입하였다. 이는 뺨을 모의하는 판(cheek plate)과 두 개의 귓바퀴(좌우), 그리고 측정용 마이크가 포함되어 있는 IEC 60711 고막 시뮬레이터로 구성되어 있다. 그리고 이 부품들을 MDF로 제작한 "머리"에 장착하였다. 결과는 그리 예쁘지 않지만―페인트칠을 하면 좀 더 나아질 것 같다―이 장치는 서큠오랄 및 수프라오랄 헤드폰이 보통 사용되는 것과 같이 착용될 수 있도록 음향적인 하우징(housing)을 제공하고, 또한 이를 통해 헤드폰이 머리에 조여지는 힘도 만들어진다.



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그림 1. GRAS 43AG 귀-뺨 시뮬레이터(ear-and-cheek simulator).



이 장치는 거의 현재의 기성 헤드폰 측정 도구들 수준으로 좋지만, 이런 장치를 갖춘다는 건 그저 고생의 시작일 뿐이다. 이미 암시했었지만, 인조 귀에서 헤드폰을 측정했을 때 얻어지는 주파수 응답은 보통 플랫하지 않고, 또한 그래서도 안 된다. 따라서 보기에 더 친숙한 응답 곡선을 만들기 위해 보정작업이 필요하다. 이러한 보정으로 플랫한 곡선이 얻어졌을 때, 그게 대체로 옳다 여겨지도록 말이다. 이러한 요구 사항이 충분히 간단한 것처럼 들릴 수도 있지만, 이는 수십 년간 치열하게 논쟁되어온 주제에 접해 있다. 바로 '헤드폰이 가져야할 이상적인 주파수 응답은 무엇일까?'라는 주제이다.



FF, 아니면 DF?


다음 내용에서는 원래 라우드스피커 용으로 제작된 스테레오 신호를 헤드폰에서 재생하는 경우만을 고려할 것이다. 더미헤드(바이노럴, binaural) 레코딩을 위한 헤드폰의 주파수 응답은 이와 다르기 때문에 두 가지 경우를 서로 구별할 필요가 있다. (두 가지 방식의 녹음을 같은 헤드폰으로 들을 때 흔히 잊히는 내용이다.)


스피커 대신 헤드폰이 사용될 때, 헤드폰의 주파수 응답이 머리 높이, 중앙면(median plane)에서 30도 떨어진 위치의 음원을 모사하는 게 논리적일지도 모르겠다. 다시 말해, 보통 스테레오 라우드스피커 설치 조건을 흉내 내는 것이다. 헤드폰에 대한 용어로 말하면, 이는 자유음장(free-field) 혹은 FF 응답 조건(FF response assumption)이라 한다. 두 가지 자유음장 응답이 그림 2에 나타나 있다. 하나는 1970년 Shaw에 의해 연구된 것(파란 곡선)이고, 그 결과는 추후 수치 데이터로 출판되었다.[3] 그리고 다른 하나는 KEMAR 마네킹을 가지고 MIT에서 측정한 HRTF(빨 간 곡선)로서 현재 공개적으로 사용 가능하다. 다른 많은 연구 결과에서도 그렇듯이 이들 간에는 꽤 차이가 있기는 하지만, 2k-3kHz의 큰 피크와 이후 (13kHz를 제외하고) 점차적으로 감소하는 형태는 일치한다. (참고로 이는 고막 시뮬레이터가 포함된 인조 귀 등을 이용해서 측정하게 되는 고막 응답(eardrum response)이다. HRTF와 헤드폰의 주파수 응답 중 어떤 것은 blocked meatus 측정이라 불리는 데, 이는 이도를 막았을 때 얻어지는 응답이다. 어떤 타입의 응답을 살펴보고 있는지 구별하는 것은 매우 중요하다. 해당 응답들은 서로 동등하지 않다.)



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그림 2. 머리 높이, 중앙면(median plane)에서 30도 떨어진 음원에 대해 고막 가까이에서 측정된 주파수 응답.
파란 곡선과 빨간 곡선은 각각 Shaw와 KEMAR 마네킹에 의한 결과.



FF 응답 조건대로 보정하는 것이 자명한 듯 보이지만 이는 1980년대 비판에 직면한다. 주로 독일 IRT(Institut für Rundfunktechnik)의 Günther Theile의 연구를 통해 비판이 이루어졌다.[4]  청지각(auditory perception)에 관한 게슈탈트 모델(gestalt model)을 사용해서 Theile은 스테레오 음상이 청취자의 정면에서 지각될 때에만―라우드스피커를 통해 소리가 재생될 때처럼―자유음장 헤드폰 응답이 적절할 것이라고 주장하였다. 헤드폰을 사용하는 모든 사람들은 이것이 불가능하다는 것을 잘 알고 있다. 헤드폰을 사용하는 경우, 음상은 보통 머리 내부 혹은 머리 근처에서 지각된다. 이 때문에 Theile은 자유음장 주파수 응답을 갖는 헤드폰은 그 소리가 착색된 것으로 지각된다고 주장하였다.


Theile 이 제안한 게슈탈트 지각 모델을 나타내는 그림 3을 보면, 좀 더 명확하게 이 주장을 이해할 수 있다. 이는 외이를 통해 소리가 전달될 때, 소리가 어떻게 HRTF 스펙트럼 변화 H(s)의 영향을 받는 지를 보여준다. 이 스펙트럼 변화는 음원의 위치를 결정하기 위해 뇌에서 이용되는데, 이 때 그 역필터링 H'(s)가 음색의 왜곡을 막기 위해 적용된다. Theile은 청취자 정면에서 그 음상이 지각되지 않기 때문에 자유음장 헤드폰 응답에서는 H'(s)가 H(s)의 역함수가 아니라고 주장하였는데, 이렇게 H'(s)가 H(s)의 역함수가 아니라면 그 상쇄는 불완전해지고 그 결과, 지각되는 소리는 착색된다.



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그림 3. Theile의 게슈탈트 청취 모델(gestalt hearing model).



Theile 은 헤드폰에서의 음상은 딱히 선택된 방향이 없기 때문에, 그 이상적인 주파수 응답은 귀가 확산음장(diffuse soundfield, 모든 방향으로부터 소리가 동등하게 청취자에게 도달함)에 있을 때 생기는 것과 같을 것이라고 주장하였다. 이 확산음장(diffuse-field) 혹은 DF 응답은 FF 응답과는 상당한 차이가 있는다. Theile은 또한 실험을 통해 헤드폰이 전기적으로 FF 혹은 DF로 이퀄라이징되었을 때, DF가 더 우수하다는 것을 증명하였다.


이 연구 때문에 현재 헤드폰 업계에서 DF 응답 조건(DF response assumption)이 옳은 것으로 합의되었다고 생각한다면 실망할 준비를 하는 게 좋다. 헤드폰들은 여전히 저마다 심하게 상이한 응답 철학을 갖고 있다. 어떤 건 FF에 가깝고, 어떤 건 DF에 가깝고, 어떤 건 거의 플랫하다. 아직 뭐가 "옳은 지"는 이 논쟁의 핵심으로 남아있다.


즉, 헤드폰을 측정하는 관점에서는 "플랫한 게 좋다"고 말할 일반적인 보정 응답을 만드는 일은 불가능하다는 것이다. FF와 DF 보정을 모두 적용하는 게 우리가 할 수 있는 최상의 것이고, 경험을 통해 뭐가 정말 주관적인 음질과 연관되어 있는지 알아내기를 바랄 뿐이다. 최근까지도 고막 시뮬레이터가 포함된 인조 귀에 적용할만한 일반적인 보정 곡선이 없었으나, 최근 Hammershøi와 Møller의 연구에 의해 그 간극이 매워졌다.[5] 그 1/3 옥타브 보정 곡선 (1kHz에서 0dB에 노멀라이징됨)을 그림 4에 나타내었다.



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그림 4. 고막 시뮬레이터가 포함된 인조 귀에 대한 1/3 옥타브 자유음장 및 확산음장 보정 곡선.
(Hammershøi and Møller)



이 보정 곡선을 몇 가지 헤드폰의 측정 결과에 적용해보고 어떤 차이들이 있는지 살펴보자. 그림 5는 나의 인조 귀 장치에서 측정된 비보정 응답들이다. 이는 지난 가을 Hi-Fi News 그룹 리뷰의 일부로서 측정한, 중간 가격대의 헤드폰 네 대, AKG K530, Audio-Technica ATH-AD700, Beyerdynamic DT440, 그리고 Grado SR80의 측정 결과이다. 파란 곡선은 왼쪽 유닛을, 빨간 곡선은 오른쪽 유닛의 응답을 보여준다. 그리고 회색으로 각 그래프의 배경에 처리된 것은 기준 응답으로서 Shaw의 30도 자유음장 응답이다. 각 그래프에서 볼 수 있듯이 이 네 헤드폰의 응답은 확실히 의미 있는 차이를 보여준다. Audio-Technica의 헤드폰은 확실히 다른 세 헤드폰과 다른 응답을 보여주는데, 이는 주관적 테스트에서 내가 가장 선호하는 제품이었다.



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그림 5. 중간 가격대의 헤드폰 네 개의 비보정 응답. 파란 곡선과 빨간 곡선은 각각 왼쪽과 오른쪽의 응답을 나타냄.

(a) AKG K530, (b) Audio-Technica ATH-AD700, (c) Beyerdynamic DT440, (d) Grado SR80



그림 6은 Hamershøi와 Møller의 FF 및 DF 보정을 적용해서 한 채널의 응답을 1/3 옥타브로 변환한 결과이다. (FF와 DF는 각각 빨간 곡선과 파란 곡선) 만약 Theile이 말한대로 DF 보정 곡선이 보다 적합하다면 가장 플랫한 것은 Beyer와 Grado이다. 이 둘의 가장 큰 차이는 2kHz 근처에서 생기는데, Grado가 확실히 Shaw의 FF 곡선을 따르려 한 반면 Beyer는 아니다. 인조 귀에서 각 헤드폰을 분리해서, 그 진동판을 따로 근접 측정(nearfield measurement) 해본 결과, Grado의 CSD(cumulative spectral-decay) 워터폴 데이터에서 2kHz 인근의 큰 공진을 볼 수 있었다. 이는 청취 테스트에서 SR80의 톤 밸런스가 중고역에서 지나치게 앞으로 나와 있었던 것을 설명해주는 듯하다. 그러한 공진 피크가 없고, 또한 매우 깔끔한 워터폴 그래프를 보여주는 Beyer가 더 선호되었다.



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그림 6. 네 헤드폰의 자유음장(빨간 곡선) 및 확산음장(파란 곡선) 보정 응답.

(a) AKG K530, (b) Audio-Technica ATH-AD700, (c) Beyerdynamic DT440, (d) Grado SR80



그러나 전체 헤드폰들 중에서는 큰 격차로 Audio-Technica가 가장 선호 되었다. 이 헤드폰의 보다 느긋한(laid-back) 톤 밸런스는 내가 스피커로 듣던 사운드와 보다 더 유사했고, 그 음상에서도 현저하게 넓은 공간감(spacious)을 느낄 수 있었는데, 이는 지금까지 헤드폰으로는 듣지 못했던 것이다. 그래서 나는 DF에서 플랫 사이의 응답이 최적의 응답일 것이라고 의심하고 있다. 그러나 정말 그런지는 아직 판단하기 이르고, 여러 헤드폰들을 점점 더 살펴볼수록 이게 실제로 맞는 건지 보다 확실해질 것이다.



함정들


이상적인 헤드폰 응답에 관한 철학적 주제와는 별개로, 측정 중에 명심해야 할 실용적인 주제도 있다. 보통 헤드폰 앰프는 큰 수준의 출력 레지스턴스(resistance)를 사용한다. 첫째 문제가 이와 연관된 것으로, 이 출력 레지스턴스는 주파수 응답에 영향을 준다.


헤드폰 앰프의 사양으로 항상 표기되지는 않지만, 출력 레지스턴스는 주파수 응답에 적지 않은 영향을 끼치고, 그로 인해 그 톤 밸런스도 영향을 받는다. 많은 헤드폰 앰프는 20 - 50 옴 정도의 출력 레지스턴스를 가지는데, 기본적으로 이는 여러 헤드폰 간의 감도(sensitivity) 차이가 균등해지도록 도와준다. 출력 레지스턴스로 인한 출력 감소는 낮은 임피던스/높은 감도를 가지는 헤드폰에서 높은 임피던스/낮은 감도를 가지는 타입보다 더 크다. 따라서 혹시 모를 부주의로 때문에 위험한 수준의 음압에 노출될 가능성을 줄여준다. 또한 이렇게 앰프 출력에 직렬 레지스턴스를 넣어줌으로써 쇼트서킷 프로텍션(short-circuit protection)과 궤환 안정성(feedback stability)을 달성할 수 있다. 더 나아가 IEC 61938 표준은 120 옴의 출력 레지스턴스를 권장하고 있는데, “출력 임피던스가 성능에 주는 영향은 대부분의 헤드폰에서 미약하다”라고 적고 있다. (역주 : 쇼트서킷 프로텍션이란 앰프의 출력 단자가 단락되었을 때, 즉 부하가 0 옴이 되었을 때, 앰프를 보호하는 것을 일컫습니다. 보통 과전류가 흘러서 문제가 되기 때문에 전류를 제한하는 형태로 나타납니다.)


이걸 적은 사람은 현실과 다른 세상에 살고 있는 게 분명하다. 현재 하이파이 시장에 유통되고 있는 많은 헤드폰들은 30 - 60 옴의 중앙 노미널 임피던스(medium nominal impedance)를 가지고 있고, 대개 주파수에 따라 큰 폭의 임피던스 변화를 가지고 있다. 그림 7은 앞서 언급한 네 헤드폰의 임피던스 대 주파수 그래프를 겹쳐놓은 것이고, 그림 8은 120 옴의 근원 임피던스(source impedance)에서 어떤 효과가 나타날지 시뮬레이션한 결과이다. 가장 큰 임피던스 변화를 갖는 AKG K530(주황색 곡선) 에서는 거의 5dB 전체 응답 오차가 나타난다.



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그림 7. 네 헤드폰의 임피던스 대 주파수 그래프.


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그림 8. 근원 임피던스(source impedance)가 120 옴일 때의 그 주파수 응답 오차.



그래도 헤드폰의 주파수 응답을 측정할 때에는 이 영향을 손쉽게 제거할 수 있다. 헤드폰의 입력 단자에서 그 전기적 응답을 측정하고, 이를 헤드폰의 음향적 응답에서 빼버리는 것이다.  이는 라우드스피커를 측정할 때도 역시 좋은 방법이다. 다만 앰프의 한정된 출력 임피던스(output impedance)로 인한 오차는 대개 헤드폰에 비해 스피커에서는 매우 작다.[6] 그림 9에 나타난 것이 이를 위해 만든 도구로 좀 볼품없기는 하지만 꽤 효과적이다. 이 장치는 두 개의 어댑터로 이루어져 있다. 먼저 1/4인치 스테레오 분기 어댑터 한 쪽에는 테스트할 헤드폰을 꼽고 다른 한 쪽에는 1/4인치 스테레오 플러그를 2개의 모노 RCA 잭으로 변환시키는 어댑터를 꽂아서 각 채널의 단자 응답(terminal response)을 측정할 수 있게 하였다.



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그림 9. 헤드폰의 단자 응답을 측정하기 위한 어댑터.



헤드폰을 주관적으로 평가하는 일은 좀 더 까다로운 데, 이는 제조사가 어떤 근원 임피던스를 의도했는지 대개 불명확하기 때문이다. 헤드폰이 거의 0에 가까운 근원 임피던스에서 사용되도록 설계되었을 수도 있고, 보통의 헤드폰 앰프에서 사용될 것을 고려하여 설계되었을 수도 있고, 아니면 IEC가 제안한 120옴의 근원 임피던스를 반영했을 수도 있다. 이 점을 알지 못하는 이상, 헤드폰의 의도된 톤 밸런스를 경험하고 있는지 확신할 수 없다. (단, 오디오 주파수 영역에서 일정한 임피던스를 갖는 고임피던스 헤드폰은 예외.) 이러한 불확실성을 염두에 두고, 나는 청취 평가를 위해 두 가지 헤드폰 앰프를 준비한다. 하나는 (내가 살펴본 결과) 2 옴의 출력 임피던스를 가지는Musical Fidelity X-CAN의 가장 최근 버전 (v8)이고, 다른 하나는 44 옴의 출력 임피던스를 갖는 PS Audio GCHA이다.


이런 방법으로 나는 어떤 경우에서건 가장 적합하게 헤드폰을 평가할 수 있기는 하지만, 이는 정말 말도 안 되는 문제이다. 오디오 업계는 반드시 이 점을 고민해봐야 한다. 상점에서 신중하게 들어보고 선택한 헤드폰이더라도 다른 근원 임피던스로 인해 집에서는 전혀 다른 톤 밸런스를 경험하게 된다면, 이건 분명히 납득할 수 없을 일이다. 현재 상황에서는 일관적인 결과를 보장하려면 헤드폰과 헤드폰 앰프는 반드시 같이 고려되어야 한다. 



반사음


헤드폰 측정에서 생길 수 있는 또 다른 문제로는, 놀랍게도 공간 반사(room reflection)의 영향도 있다. 헤드폰이 공간으로부터 영향을 받지 않을 거라고 예상할지도 모르겠는데, 실제로 오픈형(open-backed) 모델들에서는 공간 중으로 방사된 소리가 다시 반사되어 진동판을 지나 되돌아온다. (그림 10) 지금까지 측정한 모든 헤드폰들은 충분한 수준으로 반사음이 감소되어서 별 문제를 일으키지 않았다. 그러나 정전형(electrostatic) 모델에서는 그 진동판이 전체 오디오 주파수 대역에서 반사음을 거의 감소시키지 않기 때문에 그렇지 않다. 어찌되었든 간에 이 점은 명심해야 할 현상이다. 따라서 인조 귀는 되도록 반사면에서 멀찌감치 떨어뜨려놓는 걸 권장한다.



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그림 10. Sennheiser HD650의 임펄스 응답을 확대한 것. 벽 반사음의 영향을 보여준다.
파란 곡선이 벽에서 가까이 측정한 것이고, 빨간 곡선이 벽에서 멀리 떨어져 측정한 것이다.



대부분의 경우에서 보다 심각한 문제는 재현성(repeatability)에 관한 것으로, 그 측정된 양상이 제각기 달라지는 문제이다. 그림 11은 Sennheiser HD650의 한쪽 유닛을 다섯 번 거듭 측정하여 그 주파수 응답을 겹쳐놓은 것이다. 측정 중에는 헤드폰에 전혀 손을 대지 않았다. 100Hz 위의 응답은 우리가 바라는 대로 거의 정확하게 겹쳐지고 있지만, 낮은 주파수에서는 18.4Hz까지 점차적으로 그 편차가 커져서, 가장 크게는 2.7dB의 차이가 난다. 헤드폰이 측정하는 도중 움직이지 않았다는 걸 떠올려본다면, 이러한 오차는 분명 주변 환경에서 오는 낮은 주파수의 소리 때문이다.



808head.Fig11.jpg

그림 11. Sennheiser HD650의 주파수 응답을 다섯 번 연달아 측정한 것.



이번에는 다섯 번의 측정에서 그 사이마다 헤드폰을 제거하고 다시 씌우는 과정을 반복하여 측정하자. 그 결과가 그림 12에 나타나 있다. 저역의 편차는 훨씬 더 커졌고, 100Hz 위에서도 그 차이가 분명하게 확인되는데,  특히 4kHz보다 높은 주파수에서 그렇다. 저역의 오차가 증가한 것은 아마 이어패드의 밀착이 각기 달라진 탓일 수 있지만, 평평한 판으로 되어 있는 뺨 시뮬레이터(cheek simulator)에서 조심스럽게 헤드폰을 착용시키면 그러한 일은 생기지 않아야 한다. 즉, 앞서와 마찬가지로 이러한 현상은 주변 환경이 만들어내는 잡음 때문일 것이다. 높은 주파수에서 생기는 오차는 분명 인조 귀에 대해 헤드폰의 위치가 조금씩 달라진 탓으로, 실제 헤드폰이 사용되는 조건에서도 생길 것이라 기대할 수 있는 현상이다.



808head.Fig12.jpg
그림 12. 인조 귀 상에서 헤드폰을 제거했다 다시 씌우기를 반복하여 얻은 측정 결과.



더 나아가서, 이제는 다섯 번의 측정에서 그 사이마다 귓바퀴까지도 제거했다가 다시 장착해보자. 그 결과가 그림 13에 나타나 있다. 4kHz위의 편차가 훨씬 더 커졌는데, 이는 헤드폰을 제거했다가 재착용시킬 때도 그러한 것처럼 귓바퀴를 제거했다가 다시 장착시킨 것 역시 완전히 일관적이지는 못하다는 것이다. 이는 왼쪽 유닛은 왼쪽 귓바퀴로, 오른쪽 유닛은 오른쪽 귓바퀴로 재는 것보다는 두 유닛 모두 같은 귓바퀴로 측정하는 게 더 낫다는 것을 암시한다. (헤드폰 유닛에 분명히 “좌우”가 있지만 말이다.) 귓바퀴와 유닛의 좌우를 일치시켜서 측정하게 되면 측정 편차를 더 야기할 뿐이다.



808head.Fig13.jpg

그림 13. 인공 귓바퀴 역시 제거했다가 다시 장착하면서 측정한 결과.



물론 신호 및 응답을 평균 내어 보다 일관적인 측정 결과를 얻을 수 있다. 그러나 이 평균 응답만 나타냈을 때 그 편차가 숨겨지는 게 내게는 영 탐탁찮다. 내가 선호하는 접근법은 표준적인 통계를 이용하는 것으로 95% 신뢰구간(confidence interval)을 만들어서 평균 응답과 같이 나타내는 것이다. 이는 어디에서 얼마나 큰 오차가 나타나는지를 보여준다. 이러한 접근법을 위 그림 11-13에 나타낸 응답에 각각 적용하면, 그림 14-16을 얻게 된다. 이렇게 하면 그 결과가 그리 정확한 것처럼 보이지 않기는 하지만, 분명 보다 정직한 방법일 것이다.



808head.Fig14.jpg

그림 14. 95% 신뢰구간(푸른 음영 부분)과 함께 나타낸 그림 11의 평균 응답.


808head.Fig15.jpg

그림 15. 95% 신뢰구간(푸른 음영 부분)과 함께 나타낸 그림 12의 평균 응답.


808head.Fig16.jpg
그림 16. 95% 신뢰구간(푸른 음영 부분)과 함께 나타낸 그림 13의 평균 응답.



지금까지 논의한 내용에 따르면, 헤드폰을 측정한다는 것은 라우드스피커 측정과는 또 달리 많은 의문점들을 가진 도전이다. 대부분 헤드폰들의 음질은 분명히 주파수 응답에 의한 것이지만, 어떤 주파수 응답이 좋을 것인지는 여전히 불명확하다. 측정 결과를 축적하고 이를 주관적 평가와 비교함으로써 결국 깨달음으로 이르기를 바란다.


(끝)


------------


[1] 얼마나 HRTF가 변화하는지 살펴보려면 다음을 참고하라.
Henrik Moller et al., “Design Criteria for Headphone”, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 43 No.4 (April 1995)
http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=10274


[2] F. E. Toole, The Acoustics and Psychoacoustics of Headphones, 2nd AES International Conference (May 1984)

http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=11657


[3] E.A.G. Shaw and M.M. Vaillancourt, "Transformation of Sound-Pressure Level from the Free Field to the Eardrum Presented in Numerical Form," Journal of the Acoustical Society of America, Vol.78 No.3 (September 1985)
http://asadl.org/jasa/resource/1/jasman/v78/i3/p1120_s1


[4] G. Theile, "On the Standardization of the Frequency Response of High-Quality Studio Headphones," Journal of the Audio Engineering Society, Vol.34 No.12 (December 1986)
http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=5233


[5] Dorte Hammershøi and Henrik Møller, “Determination of Noise Immission From Sound Sources Close to the Ears”, Acta Acustica, Vol. 94 No. 1 (January 2008)
http://www.ingentaconnect.com/content/dav/aaua/2008/00000094/00000001/art00014


[6] 이는 스피커 앰프의 출력 임피던스가 오디오 영역에서 기껏해야 1 옴 미만이기 때문에 그렇다. 그러나 진공관 앰프 같은 몇몇 앰프에서는 그렇지 않은 경우가 있고, 꽤 흥미로운 경우도 간혹 있다. 가령 내가 접한 앰프들 중 PrimaLuna ProLogue Four는 정말 터무니없게도 2kHz 아래에서 그 출력 임피던스가 30 옴을 넘어갔다.



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    [레벨:4]블루사운드 2013.08.23 20:35
    이런 알짜 정보를 가져오시다니~~ 굿굿굿!!
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    [레벨:50]id: sclibrarysclibrary 2013.08.24 21:57
    유용한 좋은 정보 정말 감사드립니다. ^^
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    [레벨:3]윈터스토리 2013.08.26 12:42
    사실 저 HRTF라는 것도 잘 들어맞지 않는 것 같아요~
    결론이 안나니 대충 이정도로 하자? 정도의 느낌~
    헤드폰 환경이 디퓨즈필드도 프리필드도 아니니깐 유사한거에 적당히 맞추고 조정하고 그러는거 같네요! 지금은 그냥 나름대로 해석한 주관을 가진 평가자들을 따라가는게 속편한게 아닐까 해요 ㅎㅎ
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    [레벨:4]블루사운드 2013.08.29 17:46
    다시 한번 읽어보니, 노이즈 플로어가 유입되기 쉬운 50Hz 이하의 측정편차는 감안을 해야하는 군요.
    으음~ 하이파이 플랫이라고 하는 보정도 역시 헤드폰에 있어서는 적당히 이럴 것이다.네요. 이리저리 좀 찾아봐도... 영 헤드폰에서 어떻게 플랫을 보는지는 없네요.
    보이는건 로데이터로 측정하는거? 아 청각용인가 하는 헤드폰의 기준은 있던데 이건 오디오랑 상관 없지요?
  • ?
    [레벨:3]lenz 2013.09.06 09:04
    사실 앞에 몇 줄 읽다가 포기를ㅠ
  • ?
    [레벨:0]홀릭 2014.06.17 01:16
    좋은 내용에 훌륭한 번역 감사 드립니다.
  • ?
    [레벨:2]잡금귀 2015.03.29 21:44
    Razer에서 서라운드를 만들때 HRTF에 개인 보정을 추가한 건 이유가 있는거겠죠?

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