구형 711(60318-4) Vs 신형711(60318-4)와 하만타겟 (OE Vs IEM)

장비 판매업에 신경 쓰다보니까 이어폰 개발은 손을 놓고 있어서 자주 확인을 못하다 오랜만에 들렸습니다. 날로 풍부해져가는 영디비 콘텐츠, 축하드립니다. 원래는 개발자들이나 신경쓸 법한 문제를 유저분이나 리뷰어 분들이 댓글로 문의를 하시는 걸 보고, 제가 아는 한도 내에서 최대한 간단히 정리를 해보려고 합니다. 예전에 남긴 글의 내용의 반복이지만, 그 이전 글을 다시 읽어보니까 팩트와 수식만 나열해 놓고 그에 대한 정리를 하지 않아서 결론이 명확하지가 않네요. 
   
이어시뮬레이터란 ? https://www.0db.co.kr/REVIEW_USER/181785 
타겟커브란?  https://www.0db.co.kr/REVIEW_USER/193092 
  
 <구형 Vs 신형> 
우선 이어시뮬레이터를 규정하고 있는 IEC 60318-4 문서가 담고 있는 내용을 살펴보겠습니다.
 규격 번호가 나오고 하면 뭔가 전문적인 내용이나 어려운 수식이 담겨 있을 것 같지만, 의외로 60318-4는 무지하게 단순한 문서입니다.  
 핵심 내용으로 커플러 내부의 부피(동공, cavity의 부피)와 reference위치에서의 공진 주파수(13.5kHz), 그리고 각 주파수별 음향 임피던스의 범위 정도만 규정되어 있습니다.  밀폐해서 사용하는 것이기 때문에 압력 이퀄라이징을 위해서 공기가 새는 정도만 저항값으로 규정되어 있고요. 나머지는 사실상 어떤 형태로 만들어도 이 규정 안에만 들어온다면 60318-4 이어 시뮬레이터가 됩니다. 추천하는 형태가 "informative- 따를 필요가 없음"로 나와 있긴 합니다. 
  
 여기서 알아지는 것은 
 - 구형이던 신형이던 (심지어 중국제 짝퉁이던 말던) 음향임피던스가 제품 사양서에 들어 있고, 규정에 맞으면 60318-4입니다.  
 - 이 문서에는 earphones이라는 말이 나오기는 하는데, 이게 우리가 사용하는 통상적인 음악 감상용 이어폰이 아닙니다.  
즉, 통상적인 이어폰은 이 문서의 reference plane(13.5kHz 피크 발생 위치)에서 측정하지 않습니다.  이 피크는 우리가 알고 있는 룸에서 생기는 정재파(마주보는 2개의 벽에서 생기는 반사음 때문에 생김) 발생 원리와 거의 동일합니다.
 - 피크(reference plane에서는 13.5kHz, 이어폰은 8-10kHz)가 발생할 때 구형에서는 상당히 강한 피크가 발생합니다. 즉 실제 사람 귀와 음향 임피던스가 많이 다릅니다. 규정을 만들 당시는 구형 커플러만이 있던 시절이라  이 규격에서는 10kHz까지만 사람 귀와 유사하다(=이어 시뮬레이터로 작동한다)고 규정할 수 밖에 없었습니다.  즉 정재파가 발생하는 주파수 부근은 구형 커플러는 이어 시뮬레이터로 작동하지 않습니다.
 -10kHz는  피크 주파수 13.5kHz의 약 75% 라는 것과 통상 이어폰은 이 피크가 8kHz (최대 10kHz, 에티모틱같은 변태는 12kHz부근)에 온다는 것을 합쳐서 생각해보면, 구형 커플러는 6kHz이하만 이어시뮬레이터로 작동한다는 결론이 됩니다. 까까~압 하져? 
  
  이 문제를 해결하기 위해서 만든 커플러가 신형 커플러입니다. GRAS에서 먼저 만들었고, B&K에서도 제품을 판매합니다.  
  

 <출처 : GRAS RA0041 상품 페이지, 톨러런스 겁내 큰거 보소!>
  
 위 그래프는 구형과 신형의 음향 임피던스 커브에 주파수를 곱해서 만든 커브입니다. "음향 임피던스 X 주파수"는 동일한 변위(진동판이 움직인 거리)에 대한 음압이고  등가 체적(equivalent volume)의 역수와 비례합니다. 이 커브가 음향 임피던스 커브보다 읽기에 직관적이라 커플러를 사면 이 커브가 스펙시트에 들어 있습니다.   
 보시면 구형(파란색)과 신형(보라색)이 피크 부근에서 많이 다릅니다. 피크 부분은 스무딩을 한다고 같아지지도 않습니다.
 그렇다면 여기서 저 피크의 크기, 즉 이 커플러의 음향 임피던스가 얼마나 사람의 평균과 유사한지가 관건이 됩니다. 
   <출처 : B&K 백서, Impedance of Real and Artificial Ears> 
  
 
  위 2 그래프에 의하면, 1kHz 를 대비하여, 신형은 약 20dB의 피크, 구형은 약 35dB의 피크, 실제 귀 평균은 약 17dB피크인 것을 알 수 있습니다. 실제 귀의 피크는 검은 실선을 보면 안되고, transfer function을 봐야 합니다. 실제 귀의 임피던스를 측정할 때 고막에 마이크를 붙일 수 없기 때문에, 가진하는 스피커(마이크를 스피커로 사용함)와 음압을 재는 마이크가 한쪽에 붙에 있습니다.이 때문에 1/4파장에서 딥이 관측됩니다.  transfer function은 이를 고막 위치의 음압으로 환산한 것임.  
  
 신형 커플러도 약간 실이 평균 데이터에 비해서 약간 피크가 높긴 하지만, 구형에 비해서는 훨씬 실이와 유사합니다. 이 피크 부근도 실이와 유사하기 때문에, 통상의 이어폰을 측정하여도 피크(8kHz)부근과 그 이후까지도 (대략 15k? 20k?) 이어 시뮬레이터로 작동한다고 할 수 있습니다. 
  
 피크 이후의 주파수에 대하여까지 이어시뮬레이터 규격이 정해진 것은 아직 없습니다. 뭐 이 문제는 규격이 측정 장비를 따라오지 못하는 문제라 여전히 신형이 성능이 좋은 제품임에는 변함이 없습니다. 더 큰 문제는 이 신형 커플러와 구형 커플러가 고역에서 호환이 되지 않는다는 것과 여전히 구형 커플러 데이터가 메이저한 상황이라는 점입니다. 특히 고객사에 납품을 하는 oem회사는 고객사가 구형을 사용하고 있다면, 반드시 구형으로 데이터를 제출해야하는 상황이 생기게 되겠죠. 다만, 측정 데이터로 제품을 정확히 평가하기 위한 목적이라면 신형 커플러가 훨씬 유리한 것임에는 틀림이 없습니다. 
  
  
 <하만타겟(OE Vs IEM)> 
 이렇게 커플러 종류가 중구 난방인 상황에서, 그렇다면 타겟 커브는 어떤걸 사용해야하는지에 대한 혼동이 오기 마련입니다. 이걸 판단해보려면 타겟 커브의 성질이 무엇인지 먼저 알아볼 필요가 있습니다. 특히 해당 타겟 커브를 만드는 방식이 뭔지를 이해하면 이 문제는 쉽게(?) 판단이 가능합니다. 
  
 우선 헤드폰과 이어폰의 타겟은 만드는 방법이 전혀 다릅니다. 이 두 제품의 음장(사운드 필드)이 전혀 다르기 때문입니다.  
  
 우리가 리스닝룸에서 스피커를 듣게 되면, 리스닝 룸이라는 음장 안에서 음악을 듣게 됩니다. 이 때 인체가 이 음장에 들어가서 음장에 영향을 주게 됩니다.  내 몸통, 어깨, 머리, 귓바퀴, 귓구멍 전부 음장에 영향을 주게되고, 최종 고막으로 소리를 듣게 됩니다.   잘 생각해보면, 공기중에 전파되는 소리와 음장을 통해 최종적으로 고막에 도달하는 소리는 형태(스펙트랄 발란스나 위상)가 전혀 다르겠죠. 그런데, 스피커를 측정할 때는 이런 음장들을 전혀 고려할 필요가 없습니다. 오히려 이 음장을 완전히 제거(자유음장도 음장의 종류이긴 함)한 후에 측정을 하게 됩니다. 왜냐면 이러한 음장을 고려한 측정이 오히려 복잡하고, 자유음장에서 측정이 충분이 가능하기 때문입니다. (난 모르겠고, 음장은 니네가 알아서~ 뭐 이런거임.) 
  
 헤드폰은 자유음장에서 측정이 불가능합니다. "헤드폰 음장"은 이어패드, 하우징,귓볼, 뺨때기,귓바퀴, 귓구멍으로 만들어지는데, 여기서 어느 하나라도 빠지면 헤드폰 소리가 제대로  측정되지 않겠죠. 이 때문에 사람 머리와 귓구멍을 흉내내는 장치가 동원되어 "헤드폰 음장"을 만들어 주게 됩니다.  이 장치가 사람의 평균과 일치하면 할 수록 좋은 측정 장치가 되겠고요. 그러나 문제는  헤드폰을 측정하는 장치들이 형성하는 "음장"이 조금씩 다르고, 실제 사람과의 일치도도 조금씩 다릅니다. 사람마다도 다르고요. 하만 헤드폰 타겟이 만들어진 방식을 살펴보고 이 타겟을 어떻게 활용하여야 하는지에 대해 얘기해 보겠습니다.  이  장치들 간의 차이와 사람마다의 차이가 측정 데이터를 해석하는데 어떤 영향을 주게 될지 판단해 보세요.
  
 하만 타겟은 헤드폰용으로 먼저 만들어졌습니다. 
 하만 타겟은 일종의 weighted DF 타겟을 주관적으로 보정하여 만들어진 타겟입니다. weighted 란 말은 모든 방향에 가중치가 1인 DF와 달리, 특정 방향에서 소리가 더 많이 들어오면 그 방향에 가중치를 준다는 말입니다. 리스닝 룸에서 생기는  방향별 (수평각, 수직각) 가중치를 적용합니다.
 (하만 타겟이 룸 리스판스로부터 구했다고 오해하시는 분들이 있는데, 하만타겟은 룸 리스판스를 제거한 weighted DF타겟에 추가 보정을 하여 만들어 졌습니다. weighted DF를 기준으로 주관적으로 보정(EQ)을 추가했는데, 해보니까 저역이 증가, 고역 감소한 것이 평균 선호값으로 정해졌고, 아마도 이 이유는 스피커 재생시 생기는 룸 리스판스의 영향인 듯하다...라는 스토리임.) 
 EQ를 적용하기 전의 이 weighted DF는 철저하게 측정값이고, 이 값은 측정에 사용된 측정 장치에 따라 달라집니다. (물론 타겟이 과하게 스무딩이 되어 있어서 장치별 차이는 무시가능하다는 가정도 크게 틀리지는 않습니다.  바로 이 이유로 하만 타겟을 여러 측정 장치나 HATS에 적용하여 사용하는 것이기도 하고요.)
 
  이제 가정을 한번 해볼텐데요, "weighted DF를 측정할 때 사용한 측정 장치"가 실제 사람과 상당히 차이(결함!)가 있는 제품이었다라는 가정입니다. 그리고 "그 타겟을 만들 때 사용한 측정 장치"와 "실제 사람과 훨씬 더 가까운 측정 장치"가 각각 있고, 두 장치 모두 그 결함이 포함된 타겟을 사용한다고 생각해봅시다. 그러면 어떤 측정 장치가 더 정확한 데이터를 만들어 낼까요? 
 당연히 결함이 있지만 타겟을 만들 때 사용한 측정 장치가 더 정확한 데이터를 만들어 내게 됩니다. 왜냐면, 타겟에 있는 "결함"이 측정 데이터에 담긴"결함"을 보상하기 때문입니다.오히려 실제와 더 유사한 측정 장치는 이 결함이 없기 때문에 타겟에 있는 결함이 상쇄되지 않고 드러나게 됩니다. (단, 이 결함은 "헤드폰 음장" 안에서 생기는 결함이어야 함.) 따라서, 하만 헤드폰 타겟을 사용하려면 되도록 이 타겟을 만들 때 사용한 측정 장치를 사용하는 것이 "이론적"으로는 맞습니다. 다만, 헤드폰은 커플러를 열어놓고 측정하기 때문에,  측정 장치에 사용된 커플러의 밀폐(occluded) 시 음향 임피던스는 중요하지 않습니다.  
  
 그런데 이어폰 타겟에 관해서는 상황이 전혀 달라집니다.하만 타겟의  weighted DF는 귀(커플러)가 "열린"상태에서 고막에 도달하는 소리를 기준으로 만들어지지만, 이어폰은 "닫힌(occluded)"상태로 측정하게 됩니다.   
 즉 "이어폰 음장"은 헤드폰과 달리 이어폰팁, 귓구멍, 고막이 아주 단순한 음장을 만드는데, 타겟이 만들어지는 음장은 이 음장과는 전혀 다른 음장이고, 이 때문에 이어폰 타겟은 헤드폰 타겟보다 훨씬 추상적인 개념이 됩니다.  "이론적"으로는 실제 평균적인 사람이 만드는 음장에서 열린 귀의 고막 위치에 발생하는 음압이 타겟이 됩니다 . 
  
 또 사람 머리 모형으로 기준 DF(weight던 아니던, 혹은 FF던)를 측정하여 만들었을 때, 헤드폰과 달리 이 측정 장치에 있는 결함이 상쇄가 되지 않습니다.  다시 말하면, 헤드폰은 측정 장치가 "내(my)" 귓때기와 좀 달라도 어느 정도 보정이 되는 데이터가 나오는데, 이어폰은 그렇지가 않습니다. 즉 이어폰 측정은 HATS의 종류에 구애받지 않는 대신, 타겟을 만들 때 사용한 측정 장치가 얼마나 사람과 유사하냐, 그리고 측정할 때 사용한 커플러(의 음향임피던스)가 얼마나 사람과 유사하냐 둘 다가 포인트입니다.
  
 이어폰 측정에 사용되는 측정 장치는  "occluded 이어폰 음장"에서 사람 실제 귀와 가까운 장치가 사용되야 하고,  사람 귀의 음향임피던스와 가까운 장치일수록 정확한 데이터가 나오게 됩니다.  구형 커플러를 사용하게 되면 ,사실 하만 IEM 타겟이고 나발이고가 없습니다. 6kHz 이상에서 이어시뮬레이터가 아니기 때문에.
  
 아마도, 여기까지 재미없는 글을 꼼꼼히 읽어내려오신 분들은 몇가지  아래의 이유로 더 혼란을 느끼시게 될 거 같습니다. 
 올리브 박사의 컨벤션 논문을 보면 구형 커플러로 데이터를 만들어 놓았습니다. 이어폰 타겟이 헤드폰 타겟과 고역의 형태도 다릅니다. (헤드폰 타겟에는 없는 딥 피크가 반영되어 있음)   
 추정컨데, 신형 커플러 없이 데이터를 만들기 위해, 헤드폰 타겟에 구형 커플러-실제 귀의 임피던스 차이를 임의로 추가하여 커브를 만든 것으로 보입니다.  즉, 위에서 헤드폰 측정 관련 설명에서처럼 측정 장비(커플러)의 결함을 타겟에 추가하는 것이죠. 이 때문에 구형 커플러를 사용하는 유저는 이 이어폰 타겟을 사용하셔야 하는데, 주의할 점은 반드시 피크 위치를 타겟과 맞춰서 측정을 할 필요가 있습니다. (반면, 신형은 타겟 설정 시 삽입 깊이는 변수가 아니기 때문에, 삽입 깊이에 구애를 받지 않고 정격 착용법 대로 적당히 측정을 하면 됩니다.)
 이 방법은 일종의 차선책이라고 생각됩니다. 나중에 발표한 ppt자료를 보면 고역의 타겟이 헤드폰과 형태가 동일한 iem타겟(고역의 딥피크가 없는 iem타겟)이 발표되어 있는데, 신형 커플러에 적용가능한 타겟이 이 타겟입니다. 영디비에서는 명시적으로 타겟이 공개되어 있지 않아서 raw데이터와 보정 후 데이터를 비교하여 추정한 결과, 딥피크가 없는 iem타겟을 사용하는 것 같습니다.
   
  
 <결론> 
 구형 커플러는 딥피크가 있고, 고역량이 좀 더 많은 구형(?)타겟을, 
 신형 커플러는 딥피크가 없고 헤드폰 타겟과 고역량이 유사한 신형(?)타겟을 사용하시면 됩니다. 
  
 그리고, 헤드폰 측정시 타겟 추출에 사용한 헤드가 가장 좋긴 하지만, 앵간한 HATS나 헤드는 거의 비슷한 HRTF를 갖기 때문에 (개별 방위각에 대한 hrtf는 차이가 나더라도 공간 평균을 내면 거의 비슷비슷 하기 때문에) 그냥 하만 헤드폰 타겟을 사용해도 무방할 것 같습니다. 
  
  
<사족> 
 여전히 구형 커플러가 데이터 호환성 면에서는 우위에 있는 것은 사실이고, 어짜피 이어폰 리스판스야 온~갖 추정과 가정이 섞여 있다는 것을 감안하면, 구형이고 이론적 성능이 떨어진다고 금새 퇴출될 것 같지는 않음. 규격이 쉽게 업데이트 될 것 같지도 않고.  커플러 팔기가 조~올라 헬임. 이런 자세한 얘기를 커플러 팔면서 설명을 해줄 수도 없고 ㅜ.ㅜ (해줘봤자 선택장애를 일으키는 커스터머들!!!)
 
 <추가> 
 하만 타겟은 헤드폰용이던 이어폰용이던 위에 보시는 것처럼 여러 가정들이 들어가서 성립한 타겟입니다. 
 좋은 출발점임에는 틀림이 없지만,  standard나 norm은 아닙니다. 하만 타겟을 발표한 컨퍼런스 논문이나  ppt에는 이 타겟의 한계를 아주 상세히 분석해 놓은 섹션이 있습니다. 하만 타겟을 적용하여 데이터를 해석하려면 여기에 적용된 가정과 측정 장비, 그리고 그 한계를 명확히 이해할 필요가 있습니다.  
 그 한계의 첫째는 이 값은 평균값이고, 그룹별로 편차가 상당히 있습니다. 이러한 편차를 나타내는 그룹의 예는  trained listener와 untrained. 남자와 여자(오~ 상당히 이상하네요.) ,나이 차이가 있습니다. (민족 간 편차도 있는데, 이건 더 데이터가 필요하다고 되어 있음. 아마도 다른 요인이 개입된 것으로 추정) 그리고 이 편차는 유의미할 정도(발란스를 다르게 느낄 정도)로 큽니다.  고역과 저역의 최대-최소값으로 보면 거의 6dB (6dB까지는 아니네요. ) 3dB 가량의 편차도 가능합니다. 자기가 어느 그룹에 속하느냐에 따라 타겟이 달라질 수 있습니다. 또, 평소 듣는 음량에 따라서도 타겟이 달라지기 마련입니다. (작게 들을수록 V 형태 선호,등청감 곡선 참조). 발표 문서에도 타겟은 "moving" 타겟이라고 명시함.   
 
 -하만 타겟의 편차 범위 이내에도 안들어오는 제품을 만들고서 하만은 편차가 심해서 그냥 참고만 <- 개소리 , 그냥 그 타겟에 맞춰서 개발할 능력이 없단 것에 대한 변명
 -하만 타겟에 완전히 맞게 이큐를 먹인 제품을 만들고서 이 제품이 끝판왕 <- 한숨만 나옴. 커플러 규격이나 타겟에 대한 이해가 없거나 아니면 그냥 마케팅용 수식임. (60318-4의 10kHz 톨러런스와, 타겟 설정 원리, 그룹간 편차만 살펴봐도,,,,)
 
 하만 타겟의 성격은 위 두 극단적인 주장의 중간 어디엔가에 있습니다. 뭔가 애매하죠? 측정 장치와 규격, 타겟 설정 배경 등 모든 내용을 알아야 정확한 성격을 파악할 수 있는데, 이게 노력에 비해 "음악 감상"에는 크게 도움이 되지는 않습니다.  
  
 굳이 공부를 해가면서 이어폰을 평가해보실 분들이 아니라면 저의 조언은, 
 이어폰은 음향 성능만으로 평가하기가 어렵기 때문에, 다른 부분에 대한 평가를 참조할 필요가 있고, 또 오로지 음향 성능만 평가하더라도, 주파수 응답이 가장 주요한 팩터이기는 합니다만, 이어폰에서 주파수 응답만으로 제품의 음향 성능을 평가하기는 불가능하다는 점 또한 이해하셨으면 좋겠습니다.     
주파수 응답을 읽기 위해서는 "개인 타겟" 설정이 반드시 필요하고, 하만 타겟은 이 때 기준으로 활용하기에 매우 좋은 데이터인 것은 분명하다 정도로 이해해주시면 좋겠습니다. 
  
 <추가1> 위 내용은 측정 데이터의 불안정성이나 비재현성에 대한 내용이 아닙니다. 주관적인 평가에 비해 측정은 재현성과 객관성이 훨씬 높습니다. 측정 데이터의 활용성은 관련 내용에 대한 이해도에 달려있기 때문에, "신봉의 대상이 아니라 이해의 대상"이란 얘기를 한것입니다.