실험: 다이나믹 드라이버의 임피던스 피크는 구동을 어렵게 하는가? - 개정증보판

1. 문제제기 및 가설

흔히 임피던스가 높은 헤드폰은 "구동이 어렵다"라고 알려져 있습니다. 특히 다이나믹 드라이버를 채택한 헤드폰은 저음역대의 특정 주파수에서 임피던스가 급격히 높아졌다 낮아지는 피크 구간이 있어서, 스펙상의 공칭임피던스로 예측할 수 있는 것보다 더더욱 "구동이 어렵다"고 합니다.

다만 "구동이 어렵다/쉽다"는 정성적인 개념이기 때문에, 이에 객관적으로 대응하는 정량적인 척도가 무엇인가에 대해서는 완벽한 합의가 없습니다. 이를 감안하여 이 논의에서는 "구동이 어렵다 = 더 높은 전압이나 더 큰 전류를 요구한다"라는 일반적 통설을 받아들여서 이를 검증해보고자 합니다.

만약 임피던스가 치솟는 주파수, 즉 드라이버의 공진주파수에서 헤드폰 구동이 어려워진다는 속설이 사실이라면, 해당 주파수 대역의 사인파를 재생할 때 헤드폰에 걸려있는 전압과 전류 모두, 혹은 둘 중 하나라도 확연하게 치솟는 결과를 측정을 통해서 확인할 수 있어야 합니다.

2. 실험도구 및 방법

2.1. 실험도구

멀티테스터

온라인 톤제네레이터 사이트(https://onlinetonegenerator.com)

DAC/AMP - 그레이스디자인 M903

헤드폰 - 베이어다이나믹 T1 1세대 (개인 MOD)

실험 대상 제품의 임피던스 응답은 아래 그래프의 파란색 곡선과 같습니다.

2.2. 실험 방법

PC와 톤제네레이터 사이트의 볼륨을 최대로 설정하고, USB 2.0으로 연결된 M903의 볼륨을 내부의 게인 상승 스위치가 개입하기 직전의 최대 볼륨인 "96"으로 설정합니다.

사인파의 주파수를 2배씩 증가시키면서 (+1옥타브) 우측 유닛에 걸려있는 전압과 전류를 측정했습니다.

전압은 앰프 헤드폰 출력단자의 그라운드 극과 우측 신호극에 멀티테스터의 탐침을 연결하여 측정하였으며, 헤드폰이 연결되어있지 않을 때(無), 탐침과 병렬로 연결되어 있을 때(有)  둘 다의 경우를 측정했습니다.

전류는 앰프에서 나오는 우측 신호선을 절단하고 멀티테스터기의 탐침을 직렬로 연결해서 측정했습니다.

3. 실험 결과 및 해석

측정된 모든 주파수에서 전압은 거의 변하지 않았습니다. 

헤드폰이 있든 없든, 임피던스가 어떠하든 전혀 무관했습니다. 임피던스가 가장 높아지는 지점인  80Hz에서 전압 상승량은 그보다 낮은 대역인 20Hz를 비교하면 대략 3%, 공칭임피던스에 대응하는 1280Hz와 비교하면 0.4% 밖에 안 됩니다.

반면에 전류량은 상대적으로 크게 변했습니다.

임피던스가 가장 높아지는 80Hz에서 전류량이 거의 반절인 52%로 줄었습니다.

소비전력은 얼마나 될까요? P = VI로 계산하면,

80Hz에서, 1.48mA x 1.912V = 2.830mW

1280Hz에서, 2.84mA x 1.904V = 5.407mW

임피던스가 가장 높아지는 80Hz에서, 오히려 소비전력이 반절 가까이 줄었습니다.

앰프의 볼륨값은 96으로 고정되어 있기 때문에, 공진점에서 재생되는 음량은 그대로입니다.

실측된 전압값과 전류값을 R = V/A 공식에 대입하면 헤드폰의 임피던스를 계산해낼 수 있습니다.

80Hz에서, 1.912V / 1.48mA = 1292Ω

1280Hz에서, 1904V / 2.84mA = 670Ω

개조의 영향인지 제품편차인지 모르겠지만 제 T1.1 헤드폰은 스펙이나 영디비 측정치보다 임피던스가 약간 높다는 것을 알 수 있습니다. 다만 80Hz인근을 피크로하여 높아졌다 낮아지는 패턴은 그대로인 것 같습니다.

4. 결론

검증하려했던 가설인 "임피던스가 높아지는 주파수에서는 더 큰 전력이 필요하다"는게 만약 사실이었다면, 80Hz 지점에서 다른 주파수 대비 더 높은 전압이나 전류가 인가되는 것을 확인할 수 있었어야 합니다. 그러나 실측에 따르면 전압은 주파수에 관계 없이 일정하게 유지되었고, 전류는 임피던스와 반비례하여 줄어들었습니다. 그 결과 임피던스가 가장 높아지는 주파수에서 헤드폰은 적은 전력을 소모하면서 동일한 음압을 냈습니다. 

헤드폰의 주파수 응답이 평탄하다고 가정할 경우, dB/V로 표기되는 음압감도는 모든 주파수 대역에서 일정하게 유지되는 반면, dB/mw로 표기되는 음압감도는 임피던스 응답과 비례하여 변화합니다. 즉 임피던스가 높아지면 감도dB/mw도 높아집니다. 그러니 임피던스 피크에서 오히려 구동이 쉬워진다는 해석도 가능합니다. 

다만 "구동이 어렵다 = 더 높은 전압이나 더 큰 전류를 요구한다"라는 통설이 정말로 올바른가는 또다른 문제입니다. 더 적은 전류와 전압을 소모하면서도, 음질에 관계된 무언가를 더 "어렵게" 하는 요인들은 얼마든지 있을 수 있기 때문입니다. 구동의 어려움에 대한 해명과 관련해서 이 실험의 의의는 그저 "공진점에서 급격히 치솟는 임피던스 피크에 대응하기 위해서 더 높은 전압이나 더 큰 전류가 필요한 것은 아니다." 선에서 마무리된다고 생각합니다.

다만 측정 결과를 종합해봄으로써, 전압이 재생 컨텐츠와 앰프의 볼륨위치에 의해서 고정값으로 주어지는 독립변수이고, 전류는 옴의 법칙(V = IR)에 의거해서 드라이버의 임피던스(매개변수)에 반비례관계로 결정되는 종속변수라는 사실을 확인할 수 있었습니다.

5. 올바른 헤드폰 파워 계산을 위한 첨언

요즈음 웹상에서 헤드폰 파워 계산기를 편리하게 사용할 수 있습니다.

그러나 계산기가 아무리 뛰어나도 잘못된 값을 넣으면 말짱 무쓸모입니다.

흔히 잘못 사용하는 사례를 들어보겠습니다:

1) 내가 얻고 싶은 최대음량 dB(spl)을 정한다.

2) 제품 스펙표에서 dB/mw로 표시되는 감도값을 참고하여 필요한 파워mw를 계산한다.

3) 임피던스 응답그래프에서 가장 높은 값과 필요파워를 옴의 법칙 수식에 대입하여 필요한 전압V를 계산한다.

...이렇게 하면 안 됩니다.

dB/V값은 고정되어 있고, dB/mw값은 임피던스에 따라서 변화하기 때문입니다.

스펙에 명시된 dB/mw는 가장 낮은 공칭임피던스를 기준으로 하는 값이고, 임피던스가 높아지는 공진점에서 dB/mW는 다르게 측정됩니다. 그러니 공칭임피던스를 기준으로 명시된 dB/mw값을 공진점의 임피던스에 대입하면안 되는 겁니다. ASR에서 공진점에서 높아지는 임피던스를 마치 "숨겨진 진짜 임피던스"라고 하는데, 말도 안되는 헛소립니다. 임피던스는 가장 낮은 지점의 값이 가장 중요한 정보이고 진짜 임피던스입니다.

올바른 방법A

1) 내가 얻고 싶은 최대음량 dB(spl)을 정한다.

2) 제품 스펙표에서 dB/mW로 표시되는 감도값을 참고하여 필요한 파워mW를 계산한다.

3) 스펙상의 공칭임피던스와 필요파워를 옴의 법칙 수식에 대입하여 필요한 전압V를 계산한다.

올바른 방법B

1) 내가 얻고 싶은 최대음량 dB(spl)을 정한다.

2) 제품 스펙표에서 dBspl/V로 표시되는 감도값을 참고하여 필요한 전압V를 계산한다.

수정 2024.04.23: T1의 임피던스 그래프 재첨부