4. 이어폰 주파수 응답의 타겟 커브 (FF 타겟, DF 타겟, 올리브-웰티 타겟) - 수정

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  - 이어폰을 개발하거나 평가할 때 필요한 기초 지식들을 주제별로 설명하고자 합니다. 
  - 일반 유저들께서는 알아두면 음향 기기 커뮤니티에서 아는 척 하기 아~주 좋은 주제들입니다. (쓸모는 없음.)
  - 최대한 수식은 배제하고 (아는 수식도 별로 없...) 그림과 예제로 설명하되, 더 정확한 내용을 확인하고자 하는
  분들을 위해  reference를 달아 놓도록 하겠습니다. 
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 <room gain 설명 부분에 오류가 있어서 수정하였습니다. 볼드 처리된 부분이 수정 부분임.> 
 
이어폰의 개발과 평가에서 가장 중요한 측정 항목은 주파수 응답입니다. 여러 측정 리뷰 회사의 데이터를 살펴보신 분들은 이미 잘 아시는 내용이지만,  이어폰의 주파수 응답은 라우드 스피커와 비교하면 해석이 좀 더 어렵습니다. 이상적인 주파수 응답의 형태로 제시되는 것들도 시대에 따라 조금씩 변경돼 왔고, 3장에서 보신 것처럼 주파수 응답을 측정하는 환경이 스피커보다는 좀 더 복잡하고, 이어폰 자체가 여러 공진을 포함하고 있기 때문입니다. 이 장에서는 간략하게 이성적인 주파수 응답의 형태(타겟 커브)의 변경 과정과 의미를 요약해 보겠습니다.
  
 타겟 커브를 "이상적인 주파수 응답의 형태"로 정의할 때, 2가지를 우선 고려하여야 합니다.  
 첫째가 어느 위치에서 측정되는 주파수 응답인가 입니다. 통신용 기기와 보청기, 이어폰, 헤드폰에서 주로 사용하는 기준 위치는 아래 그림과 같이 ERP, EEP, DRP 3가지입니다. 삽입형 이어폰은 특성상 DRP만을 사용할 수 있습니다. (참고 : 헤드폰도 평가시에는 주로 DRP를 사용하지만, 60318-1 이어 시뮬레이터 처럼 ERP를 사용하는 커플러를 사용하기도 합니다.)  
 
 

둘째가 타겟 커브의 타겟(목표)이 무엇인가 입니다. 이어폰도 음향 재생기기이므로, 정확한 음색과 정위의 재현이 목표일 것입니다. 그러나 이어폰(헤드폰 포함, 이하 동일)은 in-head localization 현상(머리속에 음상이 맺힘) 때문에 정위의 재현에는 상당한 제한이 있습니다. 때문에, 이어폰의 주파수 응답은 특정 대역이 과하거나 모자라지 않고, 착색을 일으키는 공진을 최대한 억제하여 자연스러운 음색을 만드는 것에 촛점이 맞춰져 있다고 할 수 있습니다. 
  
 최초의 타겟 커브는 아래의 그림처럼 일정 거리(1m)의 정면(0도,0도)에 위치한 음원이 고막에 만드는 음압을 흉내내는 것을 목표로 만들어졌습니다.  Free-Field (FF) 타겟 커브입니다.
 
 

FF 타겟 커브의 측정은 무향실에서 실제 사람이나 인형 (HATS)으로 측정할 수 있고, HATS에서 나온 측정치는 HATS의 FF 보정 커브와 동일합니다. 이처럼 사람의 머리 모양과 귓바퀴, 귓구멍의 영향을 모두 포함하는 DRP에서의 반응을 HRTF(Head Related Transfer Function, = DRP response / free-air response, unblocked)이라고 합니다. FF 타겟 커브는 HRTF(0도, 0도) (= FF 보정 커브)를 타겟 커브로 사용한다는 의미입니다. (B&K 4128C HATS의 FF 보정 커브는 3kHz에 큰 피크와 고역의 여러 피크와 딥으로 나타나는데, 사람과 HATS의 차이는 다음 링크를 확인하시면 됩니다. http://blog.naver.com/waveletd/220351967746 ) 
  
 FF 타겟 커브는 원래 정면의 음상 재현까지도 목표하여 만들어진 것인데, 실제로는 머리속에 음상이 맺히면서 오히려 음색을 왜곡하는 것으로 판명나게 됩니다. 이것은 사람이 음색을 인지하는 방식 때문입니다. 사람은 우선 소리가 나는 방향을 인지하고, 기억하고 있는 그 방향에 대한 자신의 HRTF를 참조하여 음색을 인식한다고 합니다. 그 방향에 대한 inverse-filter를 불러온다고 표현하는데, 쉽게 얘기하면 특정 방향에서 소리가 고막으로 들어올 때 생기는 자기 머리와 귀 구조의 주파수별 게인을 기억했다가, 그걸 감안하여 음색을 판단한다는 것 입니다. 때문에 정면에 음상이 안생기면 자신의 HRTF (0도, 0도)를 불러올 수 없고,  FF 타겟 커브는 음색 왜곡으로 느껴지게 됩니다. 게다가 HATS와 사람의 평균 HRTF가 차이가 나고, 심지어 개인 별 편차도 있게 됩니다. 또,  FF 타겟 커브는 아무리 잘 만들더라도, 음악 프로그램들이 리스닝 룸의 스테레오 라우드 스피커 기준으로 믹싱되는데 반해, 무향실 기준, 정면의 모노 음원인 문제도 갖고 있습니다.  
  
 사람이 소리가 나는 방향을 인식하는데 영향을 주는 요소는 양쪽 귀에 소리가 도달하는 시간차와, 어깨와 귓바퀴에서 생기는 반사음으로 인한 응답의 피크와 딥들입니다. 이들 피크와 딥들을 directional cue (또는 spectral cue) 라고 합니다. Diffuse field(DF) 타겟 커브는 반사음으로 인한 directional cue를 없애기 위해 모든 방향의 HRTF 를 평균내서 만들어 졌습니다. 이름과 다르게 DF 타겟 커브도 무향실(FF)에서 4파이 공간의 수직-수평을 균등한 각도로 나눠서 측정합니다. (정축 만이 아닌 모든 방향의 HRTF를 평균 낸 것이어서 DF라고 부름.) 이렇게 평균을 내면 여러 딥과 피크는 메워지고, 귓바퀴와 귓구멍의 3kHz 부근의 1/4 파장 공진만 두드러지게 남게 됩니다. 하지만 이 타겟도 여전히 고역이 너무 밝고, 저역의 양감이 부족한 문제가 남아 있습니다.  리스닝룸에서 생기는 저역의 증가량과 고역의 감소량이 반영되어 있지 않기 때문입니다. 
  
 이에 국내 특정 커뮤니티에서도 DF 타겟을 주관적 청감으로 판단하여 수정 DF 타겟 커브를 제안하기도 하는 등 몇가지 시도와 논란이 있었고, 이후에 하만의 쉰 올리브 박사팀이 이론적으로 합리적인 방법으로 다음과 같은 타겟을 제시하고 검증하게 됩니다. 0dB에서도 사용하고 있는 올리브-웰티 타겟(또는 하만 타겟)입니다.   
  

방법은 이전(골든이어스나 NSSC)의 DF 타겟 수정법과 유사하지만 몇가지 개선점이 있습니다. 첫째로, 무향실에서 구한 HRTF를 사용하지 않고, 실제 리스닝룸에서 구한 HRTF(f) room (=HATS(f) room / Microphone(f) room)을 사용합니다. 그림의 녹색선이 그것 입니다.이렇게 HATS 값을 Microphone 값으로 나누면 리스닝 룸의 특정 위치에서 발생하는 정재파로 인한 딥-피크와 룸의 영향은 상쇄되고, 스피커의 위치와 반사음으로 인한 HRTF의  방향별 가중치는 자동적으로 HATS(f) room에 한번에 반영되어 남게 됩니다. 둘째로, "가장 선호되는 라우드스피커의 in-room response"에 나타나는 고역의 감쇄량과 저역의 증가량을 기준으로 저역과 고역을 가감합니다. (이후에 주관 평가 과정을 거쳐 재 가감하여 새 타겟을 설정함.  라우드 스피커는 리스닝룸에서 점점 고역이 감소하는 주파수 응답이 선호되고, 헤드폰은 그것보다는 약간 V자 응답이 선호된다는 결론.)   
 
 

통상 무향실에서 플랫한 반응을 나타내는 스피커는  리스닝룸의 흡음률이 고역이 더 높기 때문에 리스닝룸에서는 고역이 감소합니다. 저역의 반응은 리스닝룸이 공기가 통하지 않을 정도의 완전 밀폐가 아니더라도 어느 정도 밀폐되어 있으면, 룸 사이즈보다 파장이 더 긴 낮은 주파수에 대해서는 압력 음장이 되는데, 이 때문에 음압의 증가가 나타나게 됩니다. adjacent-boundary 효과도 저역의 증가에 기여합니다. 촛불 바로 뒤에 거울을 세워 놓으면 밝기가  2배가 되는 현상과 유사한 현상입니다. 통상 라우드 스피커는 200Hz 이하에서는 무지향성에 가깝기 때문에 벽에 가깝게 붙일수록 저역의 양감이 증가하게 됩니다. 아마도 이러한 현상들이 "가장 선호되는 라우드 스피커의 in-room response"에 반영되는 것이 아닐까 생각됩니다.  물론 이 방법은 사용된 리스닝룸이 얼마나 표준적인가와 사용된 HATS가 얼마나 인체 표준을 반영하는가, 그리고 target in-room response의 정확도에 따라 타겟의 완성도가 영향을 받겠지만, 이후에 여러 청취자들의 검증을 거쳐 재조정하는 등의 노력으로 타겟 커브의 신뢰성을 높혔습니다. (좀 더 자세한 내용은 링크 참조 : History of Harman Target Curve http://www.juloaudio.sk/Umiestnenie_reprosustav/History%20of%20Harman%20Target%20Curve.pdf )  
 
  
하만 타겟은 저희 회사에서도 중요하게 참조하는 타겟 커브입니다. 이 하만 타겟을 기준으로 주파수별 가감이 있을 때의 영향을 간단하게 설명드리겠습니다. 단, 이하의 내용은 이론적인 내용이 아니고 경험이나 주관적 판단에 의한 것이기 때문에 단순 참조만 하면 될 것 같습니다.   
 

 (1) 30Hz 내지 40Hz이하 : 
 이어폰에서 재생되는 30Hz 이하는 거의 들리지 않음.저역 양감에 기여하지 않으면서 진동판의 변위(<- 왜율의 주범)는 만들기 때문에 타겟에 모자라더라도 그렇게 중요한 요소는 아님. (나오면 나오는 대로, 안나오면 안나오는 대로..)
 (2)30Hz내지 40Hz~ 70내지 100Hz : 
 낮은 저역의 양감에 영향. 양이 많더라도 중역을 마스킹 하지 않기 때문에, 부족하지 않도록 신경써야 하는 구간. 이 구간이 부족하면 볼륨을 올리게 되는 경향이 생김. 볼륨을 줄이면 다른 대역 대비 저역의 음량 감소가 훨씬 더 많이 느껴지기 때문에 작은 소리로 청취하거나 시끄러운 곳의사용자들은 이 구간이 많이 나오는 이어폰을 선호할 수 있음.
 (3)70내지 100Hz ~ 200Hz :
 높은 저역의 양감에 영향. 양이 많아지면 중역이 상당히 텁텁하게 느껴짐. 싱글 드라이버 이어폰의 경우 저역 량을 조절하다 보면 (2)와 (3)을 따로 조절할 수 없어서 (2)낮은 저역의 양이 확보되지 않는 경우가 종종 있는데, 이 때 (3)의 양을 증가시켜 전체적인 저역의 양감을 맞추는 역할을 함.  OP2도 마찬가지로 (3)의 양을 늘려서 저역의 양감을 맞췄기 때문에 극저역이 모자라면서 중역이 답답한 감이 있음. 저역 양감을 확보할 것인지, 깔끔한 저역을 만들 것인지 선택의 문제. 싱글 드라이버 이어폰의 한계
 (4)200Hz~1kHz :  
 하만 타겟에서는 고역으로 갈수록 증가하는 형태이지만, 싱글 드라이버 이어폰에서는 이 슬로프를 실현할 수 없음. (하만 타겟의 최저점은 200Hz인데, 싱글 드라이버 이어폰 반응의 최저점은 이보다 더 높은데서 생기게 됨. 최저점을 200Hz로 맞추는 튜닝이 가능은 하지만, 공기 마찰로 인한 기계적 저항의 비대칭성 (<-이어폰용 스피커의 왜곡의 주범)증가로 2차 하모닉스가 과도하게 증가 할 수 있음.) 대역 간 발란스는 항상 상대적인 것이기 때문에, 전체적인 발란스를 위해 (4)의 슬로프를 만들지 못한 상태에서, 나머지 타겟에 맞췄을 경우 (4) 대비 (5)이상의 양이 많아져서 보컬이 가볍게 느껴지기도 함. 이 때 (5)이상의 양을 낮춰 이런 현상을 완화할 수는 있지만, 저역 대비 고역의 양이 전체적으로 감소하기 때문에 소리가 어두운 성향으로 바뀔 수 있음. 마찬가지로 선택의 문제이고, 싱글 드라이버 이어폰의 한계. 풀 사이즈 헤드폰은 귓바퀴의 영향으로 이 슬로프를 자연스럽게 만드는데 유리함. 
 (5)1kHz~5kHz : 
 악기나 보컬의 배음이 집중적으로 배치되는 대역으로, 양이 많아지면 명료하고 딱딱한 소리로, 적어지면 답답한 소리로 바뀜. (6) 대역의 음량도 (5)와 대비하여 들리는데, (5)가 상대적으로 작아지면 (6)의 쎄~한 소리가 강조되어 들기게 됨. 이 대역의 음량은 이어폰 드라이버의 기계적 공진과 노즐의 공진을 조절하여 결정함. (자세한 내용은 다른 장에서 설명)  풀 사이즈 헤드폰은 진동판의 반응 + 귓바퀴의 영향으로 이 양을 만듬. 평균적으로 사람의 귀에서는 2.7kHz 내외에서 피크가 생기는 것으로 알려짐. (이어폰은 2.5kHz~3kHz 로 튜닝하는 것을 추천, 헤드폰은 HATS의 피크 주파수에 영향을 받음.)
 (6)5kHz~10kHz : 
 보컬의 치찰음과 금속성 악기의 배음들이 집중적으로 배치되는 대역. 양이 많아지면 시원하고, 밝고, 상쾌하고, 자극적이고, 찌르는 듯한 소리로 바뀜. 이어폰의 공진(노즐 공진. 정재파)들이 생기는 구간으로 이 공진으로 인해 소리가 자극적으로 변하지 않도록 유의하여야 하는 구간. 이어폰의 커플러 측정에서는 이 대역의  정재파로 인한 딥과 피크를 과장하는 경향이 있음. 헤드폰은 진동판의 분할 모드로 인한 공진도 생기는 구간. 스테레오 음원에서는 고역으로 갈수록 좌우 채널에 위상이 다른 소리가 녹음되어 있을 확률이 높기 때문에 이 대역의 양이 많을수록 음상이 머리 가운데에서 귓쪽으로 옮겨감. 
 (7)10kHz 이상 : 
 하만 타겟의 양보다 작아지지 않도록 함.  많아도 크게 청감에 거슬리지 않음.