지식 3. IEC 60318-4 occluded-ear simulator (구 60711, 음장, 마이크로폰의 종류, 보정 곡선)

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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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 이어폰 측정과 스피커 측정에서 가장 차이를 보이는 부분이 마이크로폰입니다. 이어폰 측정에 사용되는 마이크로폰은 아래처럼 생긴 커플링 장치로 이어폰과 연결하여 사용하게 됩니다.  
 
  

 대부분의 측정용 마이크로폰은 마이크 프리 앰프와 마이크 헤드가 분리되어 있습니다. 헤드는 커플러 안에 들어가 있습니다. 외이도 시뮬레이터는 이어폰 팁이 귓구멍에 꼽히는 것을 모사하기 위해 달아주는 장치입니다. 이번 장에서는 IEC 60318-4 occluded-ear simulator 규격의 의미와 사용시 유의점 등을 설명드리도록 하겠습니다.

우리가 음원(sound source)이 내는 소리를 측정할 때는 반드시 공간의 영향을 포함하여 측정을 하게 됩니다. 같은 음원이라고 하더라도 음원이 어떤 공간에 위치해 있느냐에 따라 전혀 다르게 측정되기 때문입니다. 그 공간을 음장(sound field)이라고 합니다. 거실이나 공부방도 음장입니다만, 우리집과 옆집의 거실이 달라서 정의가 어렵습니다. 때문에 음향 측정은 정의가 쉬운 음장에서 이뤄지게 됩니다. 몇가지 예를 들어보면,   
 반사음이 전혀 존재하지 않는 공간을 자유 음장 (free-field, 음원으로부터 나오는 직접음만 존재), 
 음원 뿐만아니라 모든 방향에서 랜덤하게 반사음이 들어오는 확산 음장 (diffuse-field) 
 공간 내 모든 위치에서 음압의 크기와 위상이 동일한 압력 음장 (pressure-field)이 그 예입니다. 압력 음장은 낮은 주파수로 움직이는 주사기를 생각하시면 됩니다. 음파가 진행하는 자유 음장과 확산 음장과 다르게, 주사기 안에서는 피스톤을 누르거나 빼면 주사기 내의 부피 변화에 비례하여 위치와 상관없이 동일하게 음압이 발생합니다. (음파가 진행하지 않음, 파장에 비해 상대적으로 작은 공간은 압력 음장이 됨)
  
 음향 측정에 사용되는 마이크로폰의 종류도 이 세가지 음장의 종류로 구분되어 있습니다. 자유 음장 마이크로폰, 확산 음장 (random incidence) 마이크로폰, 압력 마이크로폰으로 구분됩니다. 구분되어 있다는 말에는 약간 어폐가 있긴 합니다. 이 구분은 마이크로폰의 작동 원리에 의해 구분한 것이 아니라 각 음장에 대해서 최대한 플랫한 주파수 응답이 나오도록 각 마이크로폰이 조정되어 있다는 의미이고, 각 음장에 대한 보정 차트(지향성 데이터 포함)를 제공하면 혼용하여 사용하는데 아무 문제가 없기 때문입니다. 다만 자유 음장과 확산 음장 마이크로폰은 공기 중 (free-air)에 놓고 사용하지만, 압력 마이크로폰은 작은 인클로져(박스)나 벽  안에 매립하여 사용하게 됩니다. 커플러 안에 들어가는 마이크로폰도 압력 마이크로폰입니다.
 
 

위 그림은 실제 측정 마이크로폰의 보정 차트입니다. Zero Degree Incidence가 자유 음장에서의, Random Incidence가 확산 음장에서의, Actuator Pressure Response가 압력 음장에서의 반응입니다. 이 마이크로폰은 무지향성 마이크로폰이라 자유 음장과 확산 음장에서의 반응이 차이가 없습니다. (free-field, diffuse-field 겸용으로 사용 가능합니다.) 다만, 압력 음장에서는 고역의 roll-off가 커서 보정하여 사용은 가능하지만 추천되지 않을 것 같습니다.    
 (좀 더 자세한 설명은 링크 참조  http://www.ni.com/white-paper/14349/ko/)  
  
 보정 차트 혹은 보정 곡선의 물리적 의미는 측정 마이크로폰이 해당 음장에 일으키는 교란의 양입니다. 
 어떤 지점의 음압을 측정하는 예를 들어보겠습니다. 측정은 그 지점의 마이크로폰이 없을 때의 음압을 측정하려는 것인데, 측정을 위해 마이크로폰을 그 위치에 놓게되면 마이크로폰의 영향으로 주파수에 따라 음압이 덜 측정되거나 많이 측정되게 됩니다. 그 양을 표시한 것이 보정 곡선입니다. 자유 음장에 대한 것이 자유 음장 보정 곡선, 확산 음장에 대한 것이 확산 음장 보정 곡선입니다.  
 (좀 더 자세한 설명은 링크 참조 https://waveletd.blog.me/220351967746 ) 
   
 그런데, 이어폰을 측정하는 커플러에 관해서는 상황이 완전히 달라집니다. 일단 밀폐하여 사용하는 것이기 때문에 자유 음장이나 확산 음장 보정 곡선이 없습니다. (HATS에도 60318-4 이어 시뮬레이터가 들어가지만, 이때는 사람 모양의 상반신 (Head And Torso) 인형에 귓바퀴까지 달아서 귓구멍을 연 상태로 사용하므로, 자유 음장과 확산 음장 보정 곡선이 있습니다. 위 링크 참조) 게다가 마이크로폰 자체의 압력 음장에 대한 보정 곡선도 무의미합니다. 마이크로폰이 들어가는 인클로져(커플러)의 모양과 크기가 달라지면 전혀 다른 음향 임피던스를 갖게 되기 때문입니다. 음향 임피던스는, 진동판이 일정 거리를 움직이면, 진동판은 면적을 갖기 때문에 진동판이 쓸고 지나가는 체적이 생기게 되는데, 1초 동안 만들어진 그 체적(체적 속도)에 대해 얼마나 큰 음압이 생기는지가 음향 임피던스입니다. ( Z(f)= P(f)/(v(f)* Sd), 또는 P(f)/(ΔV*2πf), Z=임피던스, P=음압, v=속도, Sd=면적, V=부피, ΔV=체적 변위, f=주파수)   
  
 커플러를 규정하기 위해서는 위에 설명한대로 인클로져의 형태를 규정하여야만 하는데, 이말은 어디에서 체적 속도를 일으키고, 어디에서 음압을 측정할 것인가에 대한 규정도 포함합니다. 60318-4 이어 시뮬레이터는 "보청기나 이어 몰드 삽입형 이어폰의 팁이 외이도 안에서 통상적으로 위치하는 곳을 Reference Plane으로 하여, 고막 위치의 음향 임피던스를 시뮬레이션"하도록 규정되어 있습니다. 
  
 

60318-4 이어 시뮬레이터의 Reference Plane에서 주파수 별로 동일한 체적 변위(ΔV)를 일으키면 다음과 같은 응답을 얻게 됩니다.  
 
 

위 그래프가 이렇게 생긴 이유는 다음과 같습니다. (참고: 위 그래프는 음향 임피던스 * 각주파수 (Z(f) *2πf ) 의 그래프 입니다.체적 속도 (ΔV * 2πf )는 동일 체적 변위 (ΔV)에 대해 주파수가 올라갈 수록 비례해서 커지기 때문에, 음향 임피던스 (Z = P / (ΔV * 2πf ))  보다 Z * 2πf 값의 그래프가 훨씬 직관적입니다. )

1) 압력 음장에서는 체적 변위에 비례해서 (눌려진 만큼) 음압이 발생하는데, 60318-4의 1kHz이하는 완벽한 압력 음장이고 그래서 동일한 체적 변위에 대해 비교적 플랫한 음압이 발생하게 됩니다. 그래프 상에는 잘 나타나지 않지만, 1 kHz 이하에서 아주 미세한 roll-off 가 있는데, 실제 귀에서는 좀 더 큰 roll-off가 나타난다고 합니다. 따라서 100 Hz 이하는 실제 귀를 잘 모사하지 못합니다.

​2) 1.3 kHz 부근의 낮은 Q값의 공진은 실제 사람 귀의 중이(고막 뒤의 공간)가 만드는 공진을 반영합니다. 60318-4 에서는 2개의 헬름홀츠 공진기 역할을 하는 챔버 중 하나가 이 공진을 만들도록 설계되어 있습니다. (다른 챔버의 공진은 (4)번의 기울기를 만듬.)  
 (좀 더 자세한 설명은 링크 참조 www.aes.org/technical/documentDownloads.cfm?docID=177 )

​3) 13.5 kHz 부근의 높은 Q값의 공진은 reference plane 과 마이크로폰 사이의 닫힌 공간(cavity)이 만드는 1/2 파장 공진(standing wave)입니다. 커플러에 사용되는 마이크는 실제 귀의 고막보다 훨씬 높은 음향 임피던스의 재질이 사용됩니다. 이 때문에 실제 귀에서 나타나는 공진은 커플러의 공진보다 Q 값과 크기가 작습니다. 따라서 이 공진 주파수 부근 10kHz 이상은 실제 귀를 모사하지 못합니다.

​4)​ 2개의 공진의 영향을 제외하고도 2 kHz 이상에서 고역으로 갈수록 음향 임피던스가 증가합니다. 실제 귀에서도 나타나는 현상으로 60318-4 이어 시뮬레이터는 10 kHz 부근 까지는 실제 귀를 잘 시뮬레이션 합니다. 단순 커플러인 2cc 커플러에서는 나타나지 않습니다.  여기서 이어 시뮬레이터의 의미가 잘 드러납니다. 커플러는 마이크로폰과 DUT를 커플링 해주는 장치를 의미하고, 그 중 실제 사람 귀의 음향 임피던스를 모사하는 커플러들을 이어 시뮬레이터로 부릅니다.   
  
 이어폰 측정시 위 특성 중 가장 문제가 되는 것은 3)번의 특성입니다. 첫째가 reference plane을 반드시 지켜야 하는가의 문제이고, 둘째가 지키지 않았을 때 어느 주파수까지 data를 신뢰할 수 있느냐의 문제가 생깁니다.  
  
 IEC 60318-4에는 60318-4를 이용한 청각 능력 측정용 audiometer와 이어 몰드형을 포함한 보청기 측정법에 관해서만 규정되어 있습니다. 헤드폰과 이어폰 측정 규격인 IEC 60268-7에는 헤드폰에 관해서는 정격 작용력(얼마나 큰 압력으로 헤드폰을 귀에 장착할 것인가)에 관해서만 정격 조건 항목에 언급하였을 뿐, 이어폰에 관해서는 언급이 없습니다. 정격이란 제조사가 정한 규격이란 의미입니다. 따라서 보청기처럼 reference  plane까지 삽입하도록 설계되지 않은 삽입형 이어폰은 제조사 또는 평가자가 착용법을 정하여 측정하여도 규격에 위반된다고 할 수 없습니다. 그런데 이 경우에는 두번째의 문제가 생기게 됩니다.  (그렇다고 얕은 삽입을 하는 이어폰을 reference plane에 맞춰 측정하게 되면 실제와 전혀 다른 고역 응답을 측정하게 됩니다. )
  
 3)번의 설명에서 13.5kHz 의 피크는 reference plance과 마이크로폰 사이의 거리에 의해 피크 주파수가 결정된다고 하였습니다. (L=1/2*λ, L=거리, λ=파장)  이 피크 주파수는 이어폰의 삽입 위치(reference plane)가 변경되면 바뀌게 됩니다. 깊이 삽입하면 높은 주파수로, 덜 삽입하면 낮은 주파수로 변경됩니다.   
  
  

이 때 피크의 주파수는 임의로 정한 삽입 깊이로 결정되는데, 문제는 이 피크의 양이 실제귀와 커플러가 다르다는 것입니다. 피크의 양이 다르다는 것은 피크 이후의 딥의 양도 다르다는 의미입니다. 그래서 60318-4 규격도 refence plane에서 측정하여도 10 kHz(피크 주파수의 약 75%) 이하만 실제 귀를 모사하는 것으로  규정하고 있습니다. (10kHz 이후 16kHz까지는 재현성 있는 커플러로 사용할 수 있다고 되어 있습니다.) 
  
 따라서 이어폰의 주파수 응답을 읽을 때, 저 피크의 주파수로는 삽입 깊이를 유추할 수 있고, 피크 부근과 이후의 딥은 "적당히" 뭉개서 해석해야 할 필요가 있습니다. (개인적인 생각으로는 1/3 oct 스무딩도 부족하다고 생각합니다.) 때문에, 주파수 응답을 기초로 EQ를 조작할 때에도, 스무딩 되지 않은 데이터를 그대로 반전시켜 사용하는 것은 상당히 위험합니다. 피크와 딥의 양이 정확하지 않고, 삽입 깊이에 따라 피크의 위치가 상당한 양으로 변한다는 것을 반드시 염두에 두셔야 합니다. 또 한가지 덧붙이면, 60318-4 규격에서 허용하는 오차가 생각보다 크다는 것도 주의하여야 합니다. 10kHz의 경우 +/- 2.2 dB의 범위에 들어오면 60318-4 이어 시뮬레이터로 규정될 수 있습니다. 이 말은 극단적으로는규격 커플러 2개가 10kHz에서 4dB이상의 다른 응답 (감도 차이가 아니라 500Hz 대비 값)을 보일 수도 있다는 얘기입니다. 따라서 규격 커플러일지라도, 두 커플러의 음향 임피던스가 일치한다는 보장이 없는 한, 서로 다른 커플러에서 측정된 데이터는 호환이 되지 않습니다.  
  
 이 문제는 이어폰 제조사가  2개의 커플러로 이어폰의 좌우 트래킹(편차 측정)을  할 때 직면하는 문제인데, 언뜻 생각하면 2개의 커플러의 응답 차이를 구해서 좌우를 맞춰주면 될 것 같습니다. 그러나 주의할 것은 QC 대상 이어폰의 종류가 바뀌면 다시 응답 차이를 맞춰 줘야 합니다. 음향 임피던스도 전기와 마찬가지로 출력(소스, 이어폰)과 입력 (커플러) 음향 임피던스가 직렬 연결되게 되는데 ( 2. 직렬 연결된 저항의 전압 배분  참조, 전압=음압, 전류=체적 속도가 등가임), 이어폰의 종류가 달라지면 출력(소스) 음향 임피던스가 변경됐을 가능성이 있고, 그러면 2개의 커플러의 응답 차이도 변경되게 됩니다. 특히 BA유닛을 사용하는 이어폰과 다이나믹 유닛을 사용하는 이어폰은 이 출력(소스) 음향 임피던스가 상당히 다를 수 있습니다. (물론, 이런 편차를 나타내는 주파수가 고역대이므로, 편차 관리 영역이 아니거나 허용 오차가 크다면 크게 상관은 없습니다.)