출력임피던스란? (NwAvGuy 번역글)

 

요즘에 중간고사를 치다가 영디비에서 좀 큰 대형떡밥이 터져서

 

이곳저곳에 퍼트리고 다녔더니,

대부분의 유저분들이 출력임피던스에 대한 정보를 모르시는 경우가 많더라구요.

 

NwAvGuy (O2헤드폰앰프 제작자) 의 글을 번역해

 

출력임피던스에 대한 의문점이 좀 풀리셨음 하는 목적으로 글을 써봅니다.

 

출력임피던스에 대한 값이 우리가 듣는 실제 이어폰,헤드폰을 변화시킬 수 있는 여지가 많기때문에

많은 분들이 측정치를 보실때 판단하는 근거로써 도움이 되기를 바라면서 글을 썼습니다.

 

 

보시기 전에 헤드폰 임피던스에 관한

NwAvGuy의 번역글을 써주신 산미천님의 글을 읽고 보시는게

 

이해에 도움이 됩니다.

 

http://rinchoi.blogspot.kr/2012/03/blog-post.html

 

읽기 편하시게 제 나름대로 필요 없다고 생각하는 내용은 삭제하고 편집하면서

번역하도록 하겠습니다. (자세히 정확히 알고 싶은 분은 원문을 참고하세요)

 

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원문:

http://nwavguy.blogspot.kr/2011/02/headphone-amp-impedance.html

 

요약: 이어폰 임피던스의 수치보다 출력임피던스가 1/8 보다 더 작아야 구동이 이상적으로 됩니다.

예를 들자면

32옴의 이어폰의 경우 32/8=4옴

16옴의 이어폰의 경우 16/8= 2옴

의 출력임피던스보다 낮아야 합니다.

 

 

왜 출력임피던스가 문제가 되는가?

 

 1) 출력임피던스가 클수록 낮은 임피던스 부하에서 전압 강하가 커집니다.

   이정도의 전압 강하는  낮은 임피던스의 이어폰에서 충분히 큰 소리 출력을 내어주는 걸 

   방해합니다. 

 

 2) 이어폰의 임피던스는 주파수에 따라 변화합니다.

    출력 임피던스가 0보다 높으면 이어폰에 전달되는 전압도 주파수에 따라 변화하게 됩니다.

    따라서 출력 임피던스가 크면 클수록 이어폰의 주파수 별 응답 편차가 커집니다.

 

 3) 출력임피던스가 높아지면 전기적 댐핑이 줄어듭니다.

    헤드폰의 저음 퍼포먼스는 댐핑이 충분하지 않으면 들릴정도로 손상될 수 있습니다. 

    저음은 좀 더 통제되지 않고 "boomy(요동친다는 말뜻인듯)" 할 수 있습니다. 

    과도 응답이 악화되고 저음 성능이 떨어집니다. 매우 따뜻한 소리를 좋아하는 사람들의 경우

    이러한 종류의 감쇠된 저음을 즐길 수도 있습니다. 그러나 낮은 출력임피던스를 가지고 있는

    소스를 사용하는 것에 비해 정확도가 떨어지는 소리가 되는 경우가 대부분입니다.

 

출력임피던스의 표준이 존재하나?

 

  제가 알기로는 1996년에서 공개된 IEC61938가 유일한 표준입니다.

  표준에서는 출력임피던스 기준을 120으로 선정하였습니다. 

  그 기준은 현재 설계되는 헤드폰들과 많은 차이를 보입니다. 

  

MP3(ipod)의 영향

 

 120 옴 표준이 1996년에 발표된 이후, 음악 플레이어는 카세트 테이프에서 cd플레이를 건너

 대대적인 ipod 열풍으로 발전했습니다. 애플은 고품질의 오디오를 휴대 할 수 있도록

 도와주었고 휴대 전화를 제외한 5억 대의 Mp3 플레이어가 유통되었습니다. 

 거의 모든 mp3 플레이어는 단일셀 리튬이온 배터리에서 작동하는데, 이 배터리는 3볼트

 이상을 생성하기 때문에 일반적인 헤드폰을 구동하는 오디오 출력이 1V RMS 미만인 경우가 

 많았습니다. (때로는 훨씬 적음) 출력에 120옴을 더하고 일반 휴대용 헤드폰을 사용하면

 헤드폰은 대개 소리를 충분히 크게 내기 힘듭니다.

 그리고 대부분의 배터리 전력은 120옴 저항에서 열로 낭비되게 됩니다. 

 이는 휴대용 플레이어에서 커다란 문제입니다. 더 작은 장치로 최상의 배터리 수명을 

 얻는 것이 중요하기 때문에 모든 힘을 헤드폰에 전달하는 것이 훨씬 더 효율적입니다.

 

헤드폰 설계

 

 Mp3의 보편화와 더불어 스마트폰의 보급으로 헤드폰,이어폰 시장이 매우 커졌습니다.

 따라서 당연히 대부분의 제조사는 헤드폰과 이어폰으로 ipod을 잘 작동하도록 설계했습니다.

 즉 10옴 미만의 출력 임피던스로 작동하도록 설계되었습니다. 

 

 첨언: 결론을 좀 명확히 써보자면 배터리 소모를 줄이기 위해서 고능률(적은 저항을 가진 헤드폰)

        헤드폰,이어폰이 보편화 되었습니다. (16옴,32옴 이어폰,헤드폰들)

 

주파수 응답에서의 문제점

 

 

출력임피던스가 이어폰 임피던스의 1/8을 초과하면 주파수 응답에 변동이 있습니다. 일부 이어폰

특히 밸런스드 아마추어 또는 다중 듀서로 설계된 이어폰에서

이러한 변형이 극단적일 수 있습니다. 43옴의 출력임피던스 소스에서 UE사의 SuperFi 5의 주파수 

응답에 대한 결과치입니다. 총 12dB 차이의 충분히 가청가능 한 편차입니다.

 

 

일부는 위의 예를 보고 43옴 소스로 예시를 드는 것을 극단이라고 생각 할 수 있습니다. 

그러니 많은 소스에는 10옴 출력 임피던스가 있는 경우가 많은데 이를 상정한 주파수응답입니다.

여전히 가청할 수 있는 6dB의 차이가 있습니다. 공간 인식을 변화 시킬 수 있는

10khz의 날카로운 피크로 인해 약한 저음,"눈부신(glaring)" 중역 강조, 높은 주파수 감쇠 및

이상한 위상 특성을 만들어냅니다.

 

 

 다음은 더 높은 임피던스를 가지고 있는 젠하이져 hd590을 출력임피던스 10옴을 가지고 있는 소스에 물렸을 때입니다. 이제 편차가 20hz 이상에서 1dB 조금 넘습니다. 저음 재생에 있어서 중요한 대역에 해당한다는 것이 주목할만한 점입니다.

 

댐핑(damping) 이란?

 

 스피커나 헤드폰,이어폰에 있는 모든 다이나믹 드라이버는 음악과 함께 앞뒤로 움직입니다.

 앞뒤로 움직이면서 소리를 만들어내는데 진동판은 움직이는 질량을 가지고 있습니다. 

 물리 법칙에 따르면 움직이는 물체는 계속 움직이려는 관성을 가지는 경향이 있습니다.

 댐핑은 원하지 않는 동작을 방지하는데 사용됩니다. 만약 스피커가 잘 댐핑이 되지 않으면

 움직임을 멈춰야 하는데도 계속 움직이려고 합니다.

 만약 너무 과도하게 댐핑이 된다면 신호를 정확히 내어 주는데 문제가 발생됩니다.

 드라이버를 제동하는데에는 오로지 두가지 방법이 있는데 

 -전기적인 댐핑이거나 기계적인 댐핑으로 이루어집니다.

 

첨언: 기계적인 댐핑을 자동차에 비유해 설명했는데, 이부분은 오히려 더 헷갈리실꺼 같아서 번역하지 않고

       제가 설명드리도록 하겠습니다.

       기계적인 댐핑은 말 그대로 진동판 자체 특성과 엣지(이어폰의 경우는 없음) 그리고 인클로져의 구조에 

       의해서 제어되는 걸 말합니다. 예를 들어 진동판을 엄청나게 단단한 금속판으로 만들어 버린다면

       강성, 즉 단단함의 정도가 엄청나게 높아 댐핑이 잘됩니다. 하지만 많은 움직임이

       필요한 고역을 내어주기는 힘든 구조가 되고 같은 힘을 줄때 소리의 크기도 줄어들게 됩니다.

       반대로 진동판이 엄청 무른 가죽 같은 걸로 만들면 물러서 댐핑이 잘 안되고 많이 움직이지만

       고역을 내어주기는 유리하고 같은 힘을 줄때 소리의 크기도 올리기 좋은

       그러니까 고능률 제품을 만들기 유리합니다.

       그런점을 고려해서 적당한 댐핑을 보여주는 진동판을 사용합니다

 

 기계적인 댐핑보다 더 유리한 방법이 있는데 바로 전기적인 댐핑입니다.

 드라이버의 보이스 코일과 자석은 드라이버를 제어하기 위해 앰프와 함께 작동합니다.

 전기적 댐핑은 부정적인 영향을 받지 않으며 왜곡이 적고 소리가 좋은 헤드폰을 만들기 유리합니다.

 그러나 높은 출력임피던스에 낮은 저항을 가진 이어폰을 연결한다면 전기적인 댐핑은 거의 존재하지 않고

 기계적인 댐핑만에 의존합니다. 1/8 규칙을 잘 지키면 충분한 전기적 댐핑이 이루어집니다.

 

 첨언: 즉 전기적인 댐핑이 이루어 지지 않으면 기계적인 댐핑이 적으면 적을수록

        드라이버 제어가 제대로 되지 않아 미친듯이 날뛰게 됩니다.

        그러면 의도치 않은 진동판의 떨림 즉, Ringing(링잉)이 생기게 됩니다.

 

 

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+ 갤럭시 s8의 문제의 경우

 

 S8 측정치에서 출력임피던스가 지나치게 높게 나오는 수치는

 측정 당시 보호회로가 켜져서 그런 것 같습니다. 

 왜냐면 보통 분들이 다 적당한 이어폰으로 잘 듣고 있거든요.(460옴이란 수치는 지나치게 높죠)

 왠만하면 측정 당시에 실제부하를 물려서 측정하는 경우 그런현상이 잘 일어나지 않는데

 희안하게 갤럭시 s8에만 켜지는 것 같습니다. (그래서 실제 출력임피를 측정하기는 무리가 있지요)

 

 하지만 가장 큰 문제는 

 특정 이어폰의 경우 보호회로가 켜지는 문제가 있더군요.

 https://www.seeko.co.kr/zboard4/zboard.php?id=freeboard&page=1&sn1=&divpage=13&sn=off&ss=on&sc=off&keyword=w80&select_arrange=headnum&desc=asc&no=868404

 

 W80의 경우 임피던스가 5옴으로 지나치게 낮긴 하지만 갤럭시 s8에서 Line out 으로 인식해

 보호회로가 작동하는 것 처럼 보입니다. 

 아직 객관적인 실험은 이루어진 케이스가 없으나 영디비 운영자님께서 실험을 해주신다고 하였고

 이에 대한 삼성의 피드백이 필요할 것이라고 생각되어 집니다.