좋은 마이크란 무엇인가?
by 이무제, 자료제공: A49, 소니캐스트, NTi Audio Korea
A49 연구실의 완전무향실
음향기기는 다른 기기, 예컨대 자동차나 컴퓨터 등과 달리 제각기 역할을 하는 다양한 완제품들이 모여 하나의 시스템을 이뤄야 비로소 작동한다. 일반적으로 마이크-프리앰프-프로세서-믹서-매니지먼트프로세서-파워앰프-스피커 순으로 이뤄지는 이 과정에서 중요하지 않은 장비는 하나도 없고, 이 장비들 중 하나만이라도 없어도 제대로 소리가 나질 않지만 그 중에서도 마이크로폰과 스피커가 가지는 위치는 특별하다. 왜냐하면 이 둘은 [공기를 매질로 하는 파동]이라고 정의되는 ‘소리’를 전기적 신호로 바꿔주거나 혹은 그 반대로 전기적 신호를 소리로 바꿔주는 역할을 하기 때문이다. 그래서 마이크로폰과 스피커는 둘 다 ‘Transducer’로 정의된다. 물리적 도메인을 전기적 도메인으로 바꿔주는 이 기기는 그래서 음향에 있어서 가장 근본이 되며 실제로 음질에 있어서 가장 큰 영향을 끼치기도 한다.
그런데 많은 음향인들이 마이크보다는 스피커에 가지는 관심이 절대적이다. 이는 사실 ‘시장의 크기’ 혹은 ‘상업적 수요’와 연관이 있다. 아무래도 마이크는 대부분 녹음이나 라이브 작업에 투입되기에 프로페셔널 사운드 엔지니어에게만 친숙한 반면 스피커는 엔지니어 뿐 아니라 수많은 일반인 애호가들에게도 친숙한 기기이기 때문이다. 따라서 현재 스피커의 객관적 성능을 알 수 있는 측정 데이터들은 간단한 검색만으로도 쉽게 찾을 수 있다. 특히 스피커의 360 방사 방향을 모두 측정하는 Spinorama 방식이 보편화되면서 다양한 웹사이트들이 제작기 업로드하는 파편화된 측정 데이터라고 해도 비교적 일관적으로 평가할 수 있는 배경이 마련되어서 합리적인 가격의 좋은 제품을 찾는 스피커 소비자들에게 큰 도움이 되고 있다. 더불어 스피커 제조사들 입장에서도 허황된 마케팅보다는 제품 본연의 성능에 집중할 수 있는 분위기가 마련된 것도 긍정적인 점이다.
반면 마이크로폰의 경우 현재 그 어느 곳을 뒤져봐도 제대로 된 측정 데이터를 데이터베이스 형태로 축적하여 객관적으로 비교할 수 있도록 하는 웹사이트는 전무하다. 이에 소비자들은 마이크 제조사가 제시하는 간략한 주파수 반응 그래프, 그것도 정축에서만의 주파수 반응만을 보고 마이크를 선택해야 하는 것이 현실이다. 이에 많은 마이크 제조사들도 마이크 본연의 성능보다는 화려한 외형 디자인이나 각종 미사여구로 점철된 마케팅에 집중하는 경향이 있으며, 신생 마이크 제조사들의 경우에는 더 좋은 마이크를 만들 수 있는 기술력과 제품이 있어도 이를 알릴 수 있는 방법이 딱히 없어 현재 시장은 ‘객관적으로 더 좋은 마이크’보다는 이미지 마케팅과 제품의 외형, 그리고 입소문으로만 제품의 성능을 판단해야 하는 지경에 이르렀다.
이에 본지는 이신렬 음향공학박사를 주축으로 하는 A49, 그리고 음향 측정, 특히 어쿠스틱 측정에 있어서 세계 최고의 권위를 가진 NTi Audio와 협력하여 마이크 측정 결과들을 객관적으로 비교할 수 있는 데이터베이스를 구축하기로 했다. 이에 대한 내용은 동영상으로 이신렬 박사가 운영하는 유튜브 [소니캐스트] 채널에서 확인할 수 있다.
마이크로폰 측정을 위해 NTi M2010 기준 측정 마이크로폰을 측정시료의 위치에 똑같이 두고 역보정하였다.
마이크 측정은 자유 음장, 즉 완전무향실에서 이뤄져야만 한다.
마이크로폰을 어떻게 측정하는가?
마이크 측정을 위해서는 크게 3가지가 필수적으로 필요하다. 먼저 레퍼런스가 되는 측정 마이크로폰, 그리고 가급적 평탄한 주파수반응을 가진 레퍼런스 스피커, 마지막으로 완전 무향실이다. 이들의 각각의 역할 살펴보자.
1) 레퍼런스 측정마이크로폰은 그 특성과 성능이 잘 알려져 있으며 반드시 보정데이터가 있는 것을 선택하여야만 한다. 우리가 실질적으로 측정하는 것은 ‘레퍼런스 측정 마이크로폰을 평탄하다고 간주하고, 그 후 레퍼런스 측정 마이크로폰과 측정 대상이 되는 마이크로폰이 얼마나 다른지’이다. 레퍼런스 측정 마이크로폰은 그 자체의 평탄성도 중요하지만 반드시 보정데이터가 있어야만 ‘절대적으로 평탄’한 기준을 세울 수 있게 된다.
2) 평탄한 주파수 반응을 가진 레퍼런스 스피커는 20Hz~20kHz의 측정을 위한 톤을 생성하여 마이크로폰에 입력한다. 따라서 ‘가급적’ 평탄하며 측정 거리에서 94dBSPL의 음을 왜곡 없이 출력할 것, 그리고 20Hz부터 20kHz까지 넓은 주파수 반응이 요구된다. 물론 레퍼런스 스피커가 완전히 평탄한 것이 이상적이겠지만 실제로 이렇게 이상적인 스피커는 존재할 수 없기 때문에 측정 과정에서는 앞서의 레퍼런스 측정 마이크로폰으로 이 스피커의 특성을 측정한 후 이를 역보정하여 평탄하게 만드는 ‘역보정 커브’를 생성한다. 이 단계에서 레퍼런스 측정 마이크로폰은 사실상 ‘완전히 평탄’하게 되는 것이다.
3) 완전 무향실은 마이크로폰의 정확한 측정을 위해 필수적이다. 마이크로폰은 그 자체로는 방향값을 특정할 수 없는 ‘스칼라’ 센서다. 마이크로폰 지향성에 따른 다소의 차이는 존재하지만 모든 마이크로폰은 결국 크든 작든 360° 방향의 소리를 받아들인다. 만약 측정 환경에 잔향이 존재한다면 레퍼런스 스피커에서 출력되는 음이 반사를 통해 마이크로폰에 다양한 방향으로 입력되기 때문에 그 측정 데이터는 전혀 믿을 수 없게 된다. 이는 마이크로폰의 지향 특성을 측정하는 폴라 패턴(Polar-Pattern) 측정 뿐 아니라 정축(On-axis) 및 비축(Off-axis) 특성 측정시에도 큰 영향을 준다.
이렇게 3가지 요소가 모두 준비되었으면 이제 오디오 인터페이스와 소프트웨어의 역할이 중요해진다. 사실 저예산으로 진행한다면 팬텀 파워가 지원되며 고성능의 마이크 프리앰프가 내장된 오디오 인터페이스, 그리고 REW와 같은 무료 소프트웨어로도 가능하다. 하지만 이 경우 폴라패턴 측정에 있어서 굉장히 많이 손이 가며 시간도 오래 걸리기에 많은 마이크들의 데이터베이스를 구축하기에는 적합치 않다.
본지와 A49는 NTi Korea의 지원을 받아 Flexus FX100 고성능 오디오 분석기 및 M2010 레퍼런스 측정 마이크로폰, 그리고 자동으로 제어되는 FX100 전용 전동 턴테이블 옵션을 통해 이 모든 작업을 자동화하여 측정 과정을 효율적으로 설계했으며 이로 인해 일관된 데이터를 얻어낼 수 있도록 했다.
NTi Audio Flexus FX100 오디오 분석기.
전동 턴테이블은 NTi Audio의 측정 소프트웨어에 의해 자동으로 제어된다.
NTi Audio Flexus FX100 오디오 분석기
FX100 오디오 분석기는 실험실 및 품질 관리용으로 설계된 고속, 고정밀의 음향 분석 장비이다. 이 기기는 모듈형 하드웨어를 기반으로 다양한 테스트 환경에 적응할 수 있으며, 두 개 또는 네 개의 채널을 병렬로 운영할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한, 스피커 임피던스 테스트 및 디지털 오디오 측정을 지원한다.
주요 특징으로는 1초 이내에 Pass/Fail 판정이 가능한 자동화된 측정 시스템을 통해 생산 라인에서도 적용 가능하다는 점, THD+N이 -104 dB 수준으로 높은 정밀도의 오디오 및 음향 분석을 제공하여 고정밀, 고성능 오디오 기기 측정에 적합, 최대 14개의 입력 및 출력 채널을 지원하는 스위처 모듈 추가 기능으로 현존하는 대부분의 오디오 분석 환경에 유연한 대응이 가능, 광범위한 주파수 범위로 DC부터 80kHz까지 측정 가능하여 그야말로 오디오 및 음향 분석의 모든 것을 하나의 기기에 응축했다고 할 수 있다.
강력한 소프트웨어 및 설정은 FX100의 또 다른 강점이다. FX100은 PC 기반의 FX-Control 소프트웨어를 통해 구성 및 제어할 수 있으며, 직관적인 UI를 통해 단일 및 다중 채널 측정을 쉽게 설정할 수 있다. 또한, FFT 분석, Sweep 테스트, 자동화된 Pass/Fail 판정 기능이 포함되어 있어 연구 및 생산 환경에서 효과적으로 활용할 수 있다. 따라서 R&D 연구실, 방송국, 서비스 센터, PA 시스템 테스트 및 산업용 노이즈 분석 등에 널리 사용되며 모듈을 추가하여 다양한 테스트 요구사항에 맞게 구성할 수 있어 높은 유연성을 제공한다.
마이크로폰 스펙 보기
마이크로폰 스펙 분석을 위해서는 몇 가지의 사전 지식이 필요하다. 스펙은 사용자에게 마이크에 대한 정보를 제공하기 위해 만들어진다. 이 스펙을 통해 기본 기능과 마이크가 사용자의 요구 사항 및 장비에 얼마나 적합한지 확인할 수 있다. 마이크 사양을 읽을 때는 그 해석 방법을 이해해야 한다. 대부분의 경우 사양은 다양한 방식으로 측정되거나 계산될 수 있지만, 일반적으로 IEC 60.268-4 표준을 따른다. 또한, 사양을 비교할 때 동일한 기술 용어가 브랜드마다 다르게 해석되는 경우가 있다. 다음은 마이크로폰 스펙을 제대로 이해하기 위한 몇 가지의 사전 지식 및 개별 스펙 요소에 대한 설명이다.
콘덴서 Vs. 다이나믹
마이크로폰이 콘덴서냐 다이나믹이냐는 차이는 스펙이라기보단 변환 방식에 따른 차이지만, 이 두 방식은 기술적으로 갖는 근본적인 차이 때문에 스펙을 읽을 때 몇 가지 미리 알아두어야 하는 점들이 있다. 먼저 감도다. 콘덴서 방식은 매우 가볍고 미세한 에너지에 반응하도록 설계되어 있다. 따라서 원래는 출력이 굉장히 낮다. 그래서 원활하게 구동되려면 반드시 내부 프리앰프의 증폭이 필요하다. 물론 원리적으로 콘덴서 방식은 ‘전하량의 변화’로 작동하기 때문에 이를 구동하기 위한 전원 역시 필요하다. 그래서 모든 콘덴서 방식은 팬텀 파워가 필요하다. 그래서 대부분의 콘덴서 마이크로폰들은 다이나믹 마이크로폰들에 비해 감도가 높은 편이다.
다이나믹 마이크로폰은 대부분 무빙코일 방식으로 영구자석과 코일 사이의 움직임이 만들어내는 미세한 전압차를 이용한다. 이 방식은 콘덴서 방식과는 달리 ‘압력의 변화’가 아닌 ‘변위(Velocity)’가 전압을 만들어내기 때문에 실제 공기의 파형을 정확하게 기록하지 못한다. 단순한 사인파 정도는 90°의 위상 차이만 있을 뿐 콘덴서 마이크와 큰 차이가 없지만 복잡한 파형의 경우 오차가 있을 수 있으며 특히 사각파의 경우 실제 파형과는 매우 괴리가 있다. 따라서 측정을 위한 레퍼런스 톤은 단순한 sine-sweep이 가장 이상적이다. 또한 내부에 액티브 증폭 회로가 없으므로 감도는 3~4mV/Pa 이하로 매우 낮다. 다만, 최근에는 프리앰프가 내장된 다이나믹 마이크로폰들이 종종 생산되기 때문에 이 경우에는 콘덴서 마이크로폰 이상의 높은 감도를 나타내기도 한다.
마이크로폰의 감도와 노이즈
마이크로폰의 감도는 1kHz 단일 톤 기준으로 94dBSPL, 즉 1Pa의 압력에서 얼마의 출력이 나오는지를 말한다. 이는 mV로 말할 수도 있고 또 dBV를 사용할 수도 있다. dBV로 말할 경우 1Pa(94dBSPL) 입력시 1V가 출력되면 0dBV라고 말한다. 물론 현존하는 대부분의 마이크로폰들은 감도가 높은 콘덴서 마이크로폰이라고 해도 10mV~30mV/Pa 정도, 그리고 다이나믹 마이크로폰의 경우 1~3mV/Pa인 경우가 대부분이므로 dBV 값으로 변환하는 경우 보통 -30dBV에서 -60dBV의 범위를 갖는다.
마이크로폰의 셀프 노이즈는 여러가지 요인이 영향을 미치는데, 다이나믹 마이크로폰의 경우 노이즈 제거를 위한 듀얼 코일 유무에 따라, 그리고 전자기 차폐가 얼마나 잘 되어 있는지에 따라 달라지며, 콘덴서 마이크로폰의 경우 프리앰프의 성능에 따라 달라진다. 하지만 두 타입 모두에서 가장 절대적으로 노이즈에 영향을 미치는 요인은 바로 다이어프램의 물리적인 크기이다. 다이어프램이 크면 클수록 출력 볼티지가 커지며 이에 따라 노이즈의 영향을 최소한으로 줄일 수 있다. 특히 콘덴서 마이크로폰의 경우 다이어프램이 크다면 내부 프리앰프에서 증폭을 최소한으로 줄일 수 있으므로 노이즈 레벨, 다이나믹 표현, 왜곡 등에서 모두 긍정적인 영향을 준다.
하지만 그렇다고 해서 큰 다이어프램이 모두 유리한 것만은 아니다. 다이어프램이 크다는 것은 마이크의 물리적 사이즈가 커지는 것을 의미하며, 이 경우 회절 및 반사의 영향으로 인해 폴라패턴의 형성에 있어서 매우 불리해진다. 이는 스피커의 지향성 형성과 같은 원리인데, 마이크의 물리적 사이즈가 회절 및 반사되는 주파수에 영향을 끼치며, 이에 따라 통상 1.5인치급 이상의 라지-다이어프램이라고 분류되는 마이크의 경우 심하게는 1~2kHz부터 상당한 지향성과 고음의 부스트를 관찰할 수 있게 된다.
그래서 균일한 폴라패턴이 중요한 마이킹 테크닉, 즉 스테레오 어레이나 3D 마이크 어레이에 쓰이는 마이크는 스몰-다이어프램의 마이크로폰이 추천된다. 다만, 일부 마이크로폰 테크닉에서는 과거에 만들어져 지향성 특성이 일정하지 않은, 즉 저음의 무지향성과 고음의 지향성이 만들어내는 독특한 음색이 각광받기도 하므로 절대적인 것은 아니다. 어쨌든 마이크로폰의 노이즈 및 다이나믹레인지 특성과 폴라패턴 특성은 완전히 트레이드-오프 관계로 보아도 좋다.
마이크로폰의 셀프노이즈는 A 가중치 RMS 레벨 또는 ITU 가중치 피크 레벨로 나타낸다. 이 노이즈는 마이크가 생성하는 전기적 자체 잡음과 동일한 출력 크기를 생성하는 음압(SPL)을 나타낸다. 모든 마이크는 공기 분자의 움직임으로 인해 잡음을 발생시키며, 이는 진동판에 영향을 미쳐 전기 신호를 생성한다. 또한, 마이크의 전기 회로는 마이크의 잡음을 어느 정도까지 증폭시킬 수 있는지를 결정한다.
이 노이즈를 표기하는데는 두 가지 방법이 있다. A-Weighted RMS 측정은 저주파 잡음을 필터링하여 귀의 민감도를 근사한다. 이 척도에서 좋은 결과(낮은 잡음)는 일반적으로 15dB(A) 미만이다. ITU-R BS.468-4 표준은 다른 가중치와 준피크 검출 방식을 사용하므로, 이 척도에서 좋은 결과는 25~30dB 미만이다. 이 측정값은 콘덴서 마이크의 잡음을 비교하는 데 유용한데, 특히 마이크에서 발생하는 불특정한 잡음이 발생하는지 여부를 잘 나타낸다.
왜곡과 최대 음압
결론부터 말하자면 마이크로폰의 왜곡은 총 고조파 왜곡(THD)이 1% 미만이 되는 최대 SPL(RMS 및 피크)을 기준으로 한다. 이처럼 왜곡은 단 하나의 값으로 표현되지만 왜곡은 마이크 내부의 다양한 요소로 인해 발생할 수 있다.
마이크의 중요한 구성 요소는 다이어프램이다. 트랜스듀서가 콘덴서 타입인 경우, 다이어프램은 백플레이트 앞에 위치한다. 두 개의 백플레이트 사이의 간격은 20~50?m 정도다. 마이크를 높은 SPL 환경에 배치할 때, 지나치게 큰 압력으로 인해 다이어프램 진폭에 한계가 발생한다. 마찬가지로, 다이어프램 소재 자체도 어느 방향으로든 신축성에 한계가 있다. 이러한 한계는 왜곡이라고도 하는 진폭 비선형성을 유발한다.
다이어프램과 백플레이트 외에도, 콘덴서 마이크에는 긴 케이블을 연결하기 위해 트랜스듀서의 높은 임피던스를 비교적 낮은 임피던스로 변환하는 회로가 필요하다. 전자식 설계는 비대칭 동작의 원인이 될 수 있으며, 이는 왜곡의 원인이 될 수도 있다.
제조업체들은 마이크 개선을 위해 노력하고 있지만, 마이크 시스템에는 항상 한계가 존재하며, 결국 왜곡을 유발할 수 있다. 왜곡의 또 다른 한 형태는 클리핑이다. 파형이 순수 사인파에서 어느 정도 한계점 이상으로 증폭되면 결국 파형의 상단부터 평평하게 변하며 이는 사각파와 비슷하게 고조파 왜곡을 발생시키는 원인이 된다. 일반적인 마이크로폰 제조사는 이러한 왜곡의 총 합을 비율로 나타내는데 통상적인 표기 기준은 1%이다. 이 값은 마이크로폰의 다이나믹레인지를 계산하는 기준이 된다. 다이나믹레인지는 결국 THD 1%가 발생하는 RMS 레벨과 마이크로폰의 셀프노이즈의 차이가 된다. 즉 마이크로폰의 셀프노이즈가 20dBA, 그리고 왜곡 1%가 발생하는 최대 SPL이 140dB라면 이 마이크로폰의 다이나믹레인지는 120dB인 셈이다.
그런데 여기에는 적잖은 함정이 있다. 예컨대 극히 일부의 하이엔드 마이크로폰 제조사는 THD 기준이 0.5%로 훨씬 엄격하다. 이 경우 실제로 눈으로 보이는 수치 이상으로 실제 필드에서의 만족감이나 체감 성능이 크게 달라진다. 반대로 저가 마이크 제조사들의 트릭 중 한가지는 마이크로폰 전체의 THD가 아닌, 내장 프리앰프 회로의 THD만을 표기하는 것이다. 이 경우 실제 THD나 최대 SPL보다도 훨씬 높은 수치가 표기되며 체감 성능은 훨씬 낮다.
마이크로폰의 왜곡 특성 외에도 보아야 할 것은 마이크로폰이 받아들일 수 있는 최대 SPL이다. 일반적으로 THD는 0.5~1% 정도의 값에서 가청이 가능하다고 알려져 있지만 실제로는 마이크로폰은 물리적 압력을 감지하는 일종의 센서이기 때문에 THD 1%보다 훨씬 높은 값까지 작동한다. 그래서 마이크로폰 제조사들은 이러한 최대 음압, 즉 Max SPL의 기준을 THD 10%로 잡는다. 마이크로폰의 왜곡과 최대 음압은 이렇게 큰 차이가 있으므로 종종 마이크로폰의 성능을 과장하기 위해 일부 제조사들이 혼동하여 표기하기도 한다.
주파수 반응이 의미하는 것
MC10ST FR-On.png: Fostex MC10ST의 주파수 반응 그래프. 단일지향성 마이크로폰으로 이미 60Hz부터 저음이 잘 들어오지 않는다. 무지향성 마이크로폰들이 20Hz 이하 극저음까지 받아들이는 것에 비해 큰 차이다.
주파수 반응은 마이크가 반응하는 전체 주파수 범위를 나타낸다. 일반적으로 자유 음장(완전 무향실 상황)에서 정축 방향(On-axis)에 사인파 음향 신호를 적용하여 테스트한다. 만약 보컬 마이크로폰이나 헤드셋 마이크로폰 등 근접 사용을 전제하는 타입이라면 좀 더 가까운 거리에서 측정하는 것이 정확하다.
일반적으로 통용되는 기준은 20Hz~20kHz의 범위이며 의외로 많은 마이크들이 이 범위 이상을 충분히 출력하지만 특수 목적의 측정용 마이크로폰이 아닌 이상 사실상 실 사용에 있어서 거의 의미가 없으므로 더 범위를 넓혀서 측정하지는 않는다.
주의해서 볼 것은 무지향성 마이크로폰과 지향성 마이크로폰의 근본적 차이다. 무지향성 마이크로폰은 압력형(Pressure) 방식을 의미하며 이는 저음의 캔슬링이 일어나지 않는 구조이기 때문에 20Hz 이하의 극 저음까지 녹음 및 측정이 가능하다. 하지만 지향성 마이크로폰은 마이크로폰 다이어프램의 앞면과 뒷면의 압력차이(Pressure-gradient)로 작동되는 구조이기 때문에 극저음에서는 강력한 회절로 인해 다이어프램의 앞과 뒤의 압력차가 발생되지 않는다. 즉, 지향성 마이크로폰은 구조적으로 극저음에 전혀 반응하지 않는다는 뜻이다. 따라서 주파수 반응 그래프 상에서 지향성 마이크로폰과 무지향성 마이크로폰은 눈에 띄는 차이를 보인다.
정축(On-axis)과 비축(Off-axis)의 차이
정축 응답(On-axis)은 마이크가 축상, 즉 다이어프램을 향해 직접 들어오는 소리에 대한 응답을 나타낸다. 이 때 입사각은 0°이며, 앞서 거듭 언급한 것이지만 다른 방향으로의 반사음이나 잔향이 들어오지 않는 자유음장에서 측정해야만 한다. 지향성 마이크로폰의 경우에는 근접 효과가 발생하는데, 이에 따라 지나치게 가까운 거리에서 측정하면 저음의 부스트가 발생할 수 있다. 따라서 지향성 마이크로폰의 측정에는 레퍼런스 스피커와의 측정 거리를 명시해야만 한다. 무지향성 마이크로폰은 구조상 근접 효과가 없으므로 측정 거리는 그다지 중요하지 않다.
비축, 혹은 축외 응답(Off-axis)는 정축을 제외한 다양한 각도에서 들어오는 소리에 대한 마이크의 응답을 나타낸다. 특히 지향성 마이크가 다이어프램을 향해 직접 들어오는 소리 이외의 각도에서 들어오는 소리를 어떻게 감쇄하는지 알아보고자 할 때 이 측정이 중요하다. 일반적으로 0°와 180° 방향에서 제각기 주파수 응답과 감도를 측정 후 다시 각도를 다양하게 달리하여 폴라패턴 그래프를 만든다.
전동 턴테이블은 NTi Audio의 측정 소프트웨어에 의해 자동으로 제어된다.
폴라패턴
지향성 패턴은 각도마다 마이크로폰이 음을 받아들이는 특성을 직관적인 그래픽으로 보여주는 방법이다. 마이크의 중요 특징 중 하나는 지향성이며, 이는 극좌표 그래프를 통해 표현할 수 있다. 극좌표 그래프는 동심원으로 구성된 격자를 기반으로 한다. 각 원은 dB 레벨을 나타내며, 일반적으로 바깥쪽 원이 0dB부터 시작한다. 0°로 표시된 기준점은 바깥쪽 원의 맨 위에 정의된다. 0°는 마이크의 축 방향(on-axis direction)을 나타낸다.
모든 측정 데이터는 0°에서 정규화된다. 즉, 마이크의 감도가 주파수에 따라 다르더라도(불균일한 주파수 응답), 0°에서는 0dB로 정렬된다. 이번 데이터베이스에서 측정하고자 하는 각도는 10° 단위로 상당히 촘촘하게 측정하고 있으며 이를 통해 녹음된 소리가 축 방향 외에서 얼마나 감쇠되는지 확인할 수 있다. 마이크의 지향성은 극좌표 그래프에서 나타나는 패턴으로 정의하는 것이 일반적이다.
다양한 지향성의 마이크들이 존재하며 마이크마다 패턴은 전부 제각각이지만 중요한 점은 비축 응답에 있어서 마이크로폰의 응답 곡선이 부드러운 감쇄를 나타내는 것이다. 그렇지 않다면 ‘축외 착색’ 현상이 발생하여 예컨대 스테레오 마이크폰 테크닉에서 좌와 우의 음상에서는 음이 명료하고 밝지만 팬텀 센터에서는 음이 어둡고 흐릿하게 바뀔 수 있다. 결국 어레이 마이크 테크닉의 높은 완성도를 위해서는 지향성 그래프가 부드럽고 예측 가능한 패턴으로 그려지는 마이크로폰을 선택하는 것이 중요하다.
자유음장(Free-field)과 확산음장(Diffuse field)의 차이
마이크로폰은 자유음장(Free-field), 즉 일체의 반사와 잔향이 없는 음장에서 측정해야만 정확하다. 그래서 반드시 마이크로폰의 측정은 무향실에서 이뤄져야만 한다. 물론 충분히 큰 공간이라면 시간으로 자르는 windowing 기법으로 잔향 성분의 제거를 할 수 있겠지만 이 경우 저음 측정에 있어서 오차가 발생하기 쉽다.
하지만 기억해야할 것은 마이크로폰은 자유음장에서만 사용하도록 설계되지 않았다는 것이다. 특히 공간의 잔향을 녹음하는 마이크로폰이나 측정용 마이크로폰에서는 확산음장(Diffuse field)에서의 반응도 매우 중요하다. 실제로 모든 무지향성 마이크로폰은 자유음장과 확산음장에서의 주파수 반응이 다르다. 이는 자유음장에서는 전면에서의 직접음만 받아들이는 반면, 확산음장은 360° 전 방향의 소리를 받아들이기 때문이다. 그런데 마이크로폰은 어쨌든 ‘물리적 크기’라는게 존재하기 때문에 회절과 반사가 존재하며 이것이 확산음장과 자유음장에서의 반응 차이를 만들어낸다. 좀 더 설명하자면 확산음장은 고주파수일수록 적게 들어오는데, 이는 마이크의 물리적 크기로 인해 전면에서는 고음이 부스트되고 측면과 후면에서는 고음이 감쇄되는 현상에서 기인한다. 따라서 무지향성 마이크로폰은 자유음장에서 사용할 것인지, 확산음장에서 사용할 것인지에 따라 적절한 커브를 적용하거나 혹은 이에 대해 미리 프리앰프에서 보정된 마이크로폰을 선택하는 것이 의도한 결과를 가져온다.
그리고...
프로페셔널 마이크로폰의 출력 임피던스는 일반적으로 마이크 프리앰프의 임피던스보다 10배 혹은 그 이상 낮아야 손실 없이 정확한 신호 전달이 보장된다. 최근의 마이크 프리앰프들은 충분히 낮은 임피던스의 마이크를 원활히 구동할 수 있도록 큰 입력 임피던스를 보장한다. 다만 주의할 것은 주파수다. 콘덴서 마이크로폰은 내부에 팬텀전원으로 구동되는 프리앰프가 내장되어 일반적으로 전 주파수에 걸쳐 임피던스가 일정한 반면 다이나믹 마이크로폰은 코일과 영구자석으로 이뤄져 있으며 여기에 진동판의 탄성 특성이나 공진 특성 등이 영향을 주기 때문에 주파수에 따라 출력 임피던스가 다르다.
마이크로폰의 감도가 높을수록, 그리고 출력 임피던스가 낮을수록 마이크 케이블에 따른 감쇄가 적다. 마이크로폰 케이블은 그 자체로 저항체이자 일종의 커패시터여서 길이가 길수록 출력 및 고음이 감쇄된다. 이 경우 출력 볼티지가 높고 출력 임피던스가 낮으면 케이블에서의 저항이 적어진다. 마이크 케이블이 길어져 음질 손상이 우려된다면 마이크 프리앰프를 가급적 스테이지에 올리는 등 최대한 미리 증폭하여 FOH 혹은 컨트롤룸으로 보내는 것이 좋다.
이 외에도 밸런스드 연결에서 임피던스 평형의 효율을 나타내 케이블 유입 노이즈를 얼마나 효과적으로 감쇄하는지를 알아보는 CMRR((Common Mode Rejection Ratio), 외부의 전자기 노이즈에서 얼마나 마이크 하우징 내부를 효과적으로 보호하는지를 알아보는 EMC 등 다양한 파라미터들이 있다.
이처럼 마이크로폰의 성능을 평가하는 아주 다양한 지표들이 있으며, 이 중 제대로 공개된 것은 극히 일부이며, 그나마도 정확도를 보장하기 힘든데다 각 마이크 제조사별로 그래프의 포맷이 상당히 달라 정면 비교가 어렵다.
좋은 마이크란 무엇인가?
by 이무제, 자료제공: A49, 소니캐스트, NTi Audio Korea
A49 연구실의 완전무향실
음향기기는 다른 기기, 예컨대 자동차나 컴퓨터 등과 달리 제각기 역할을 하는 다양한 완제품들이 모여 하나의 시스템을 이뤄야 비로소 작동한다. 일반적으로 마이크-프리앰프-프로세서-믹서-매니지먼트프로세서-파워앰프-스피커 순으로 이뤄지는 이 과정에서 중요하지 않은 장비는 하나도 없고, 이 장비들 중 하나만이라도 없어도 제대로 소리가 나질 않지만 그 중에서도 마이크로폰과 스피커가 가지는 위치는 특별하다. 왜냐하면 이 둘은 [공기를 매질로 하는 파동]이라고 정의되는 ‘소리’를 전기적 신호로 바꿔주거나 혹은 그 반대로 전기적 신호를 소리로 바꿔주는 역할을 하기 때문이다. 그래서 마이크로폰과 스피커는 둘 다 ‘Transducer’로 정의된다. 물리적 도메인을 전기적 도메인으로 바꿔주는 이 기기는 그래서 음향에 있어서 가장 근본이 되며 실제로 음질에 있어서 가장 큰 영향을 끼치기도 한다.
그런데 많은 음향인들이 마이크보다는 스피커에 가지는 관심이 절대적이다. 이는 사실 ‘시장의 크기’ 혹은 ‘상업적 수요’와 연관이 있다. 아무래도 마이크는 대부분 녹음이나 라이브 작업에 투입되기에 프로페셔널 사운드 엔지니어에게만 친숙한 반면 스피커는 엔지니어 뿐 아니라 수많은 일반인 애호가들에게도 친숙한 기기이기 때문이다. 따라서 현재 스피커의 객관적 성능을 알 수 있는 측정 데이터들은 간단한 검색만으로도 쉽게 찾을 수 있다. 특히 스피커의 360 방사 방향을 모두 측정하는 Spinorama 방식이 보편화되면서 다양한 웹사이트들이 제작기 업로드하는 파편화된 측정 데이터라고 해도 비교적 일관적으로 평가할 수 있는 배경이 마련되어서 합리적인 가격의 좋은 제품을 찾는 스피커 소비자들에게 큰 도움이 되고 있다. 더불어 스피커 제조사들 입장에서도 허황된 마케팅보다는 제품 본연의 성능에 집중할 수 있는 분위기가 마련된 것도 긍정적인 점이다.
반면 마이크로폰의 경우 현재 그 어느 곳을 뒤져봐도 제대로 된 측정 데이터를 데이터베이스 형태로 축적하여 객관적으로 비교할 수 있도록 하는 웹사이트는 전무하다. 이에 소비자들은 마이크 제조사가 제시하는 간략한 주파수 반응 그래프, 그것도 정축에서만의 주파수 반응만을 보고 마이크를 선택해야 하는 것이 현실이다. 이에 많은 마이크 제조사들도 마이크 본연의 성능보다는 화려한 외형 디자인이나 각종 미사여구로 점철된 마케팅에 집중하는 경향이 있으며, 신생 마이크 제조사들의 경우에는 더 좋은 마이크를 만들 수 있는 기술력과 제품이 있어도 이를 알릴 수 있는 방법이 딱히 없어 현재 시장은 ‘객관적으로 더 좋은 마이크’보다는 이미지 마케팅과 제품의 외형, 그리고 입소문으로만 제품의 성능을 판단해야 하는 지경에 이르렀다.
이에 본지는 이신렬 음향공학박사를 주축으로 하는 A49, 그리고 음향 측정, 특히 어쿠스틱 측정에 있어서 세계 최고의 권위를 가진 NTi Audio와 협력하여 마이크 측정 결과들을 객관적으로 비교할 수 있는 데이터베이스를 구축하기로 했다. 이에 대한 내용은 동영상으로 이신렬 박사가 운영하는 유튜브 [소니캐스트] 채널에서 확인할 수 있다.
마이크로폰 측정을 위해 NTi M2010 기준 측정 마이크로폰을 측정시료의 위치에 똑같이 두고 역보정하였다.
마이크 측정은 자유 음장, 즉 완전무향실에서 이뤄져야만 한다.
마이크로폰을 어떻게 측정하는가?
마이크 측정을 위해서는 크게 3가지가 필수적으로 필요하다. 먼저 레퍼런스가 되는 측정 마이크로폰, 그리고 가급적 평탄한 주파수반응을 가진 레퍼런스 스피커, 마지막으로 완전 무향실이다. 이들의 각각의 역할 살펴보자.
1) 레퍼런스 측정마이크로폰은 그 특성과 성능이 잘 알려져 있으며 반드시 보정데이터가 있는 것을 선택하여야만 한다. 우리가 실질적으로 측정하는 것은 ‘레퍼런스 측정 마이크로폰을 평탄하다고 간주하고, 그 후 레퍼런스 측정 마이크로폰과 측정 대상이 되는 마이크로폰이 얼마나 다른지’이다. 레퍼런스 측정 마이크로폰은 그 자체의 평탄성도 중요하지만 반드시 보정데이터가 있어야만 ‘절대적으로 평탄’한 기준을 세울 수 있게 된다.
2) 평탄한 주파수 반응을 가진 레퍼런스 스피커는 20Hz~20kHz의 측정을 위한 톤을 생성하여 마이크로폰에 입력한다. 따라서 ‘가급적’ 평탄하며 측정 거리에서 94dBSPL의 음을 왜곡 없이 출력할 것, 그리고 20Hz부터 20kHz까지 넓은 주파수 반응이 요구된다. 물론 레퍼런스 스피커가 완전히 평탄한 것이 이상적이겠지만 실제로 이렇게 이상적인 스피커는 존재할 수 없기 때문에 측정 과정에서는 앞서의 레퍼런스 측정 마이크로폰으로 이 스피커의 특성을 측정한 후 이를 역보정하여 평탄하게 만드는 ‘역보정 커브’를 생성한다. 이 단계에서 레퍼런스 측정 마이크로폰은 사실상 ‘완전히 평탄’하게 되는 것이다.
3) 완전 무향실은 마이크로폰의 정확한 측정을 위해 필수적이다. 마이크로폰은 그 자체로는 방향값을 특정할 수 없는 ‘스칼라’ 센서다. 마이크로폰 지향성에 따른 다소의 차이는 존재하지만 모든 마이크로폰은 결국 크든 작든 360° 방향의 소리를 받아들인다. 만약 측정 환경에 잔향이 존재한다면 레퍼런스 스피커에서 출력되는 음이 반사를 통해 마이크로폰에 다양한 방향으로 입력되기 때문에 그 측정 데이터는 전혀 믿을 수 없게 된다. 이는 마이크로폰의 지향 특성을 측정하는 폴라 패턴(Polar-Pattern) 측정 뿐 아니라 정축(On-axis) 및 비축(Off-axis) 특성 측정시에도 큰 영향을 준다.
이렇게 3가지 요소가 모두 준비되었으면 이제 오디오 인터페이스와 소프트웨어의 역할이 중요해진다. 사실 저예산으로 진행한다면 팬텀 파워가 지원되며 고성능의 마이크 프리앰프가 내장된 오디오 인터페이스, 그리고 REW와 같은 무료 소프트웨어로도 가능하다. 하지만 이 경우 폴라패턴 측정에 있어서 굉장히 많이 손이 가며 시간도 오래 걸리기에 많은 마이크들의 데이터베이스를 구축하기에는 적합치 않다.
본지와 A49는 NTi Korea의 지원을 받아 Flexus FX100 고성능 오디오 분석기 및 M2010 레퍼런스 측정 마이크로폰, 그리고 자동으로 제어되는 FX100 전용 전동 턴테이블 옵션을 통해 이 모든 작업을 자동화하여 측정 과정을 효율적으로 설계했으며 이로 인해 일관된 데이터를 얻어낼 수 있도록 했다.
NTi Audio Flexus FX100 오디오 분석기.
전동 턴테이블은 NTi Audio의 측정 소프트웨어에 의해 자동으로 제어된다.
NTi Audio Flexus FX100 오디오 분석기
FX100 오디오 분석기는 실험실 및 품질 관리용으로 설계된 고속, 고정밀의 음향 분석 장비이다. 이 기기는 모듈형 하드웨어를 기반으로 다양한 테스트 환경에 적응할 수 있으며, 두 개 또는 네 개의 채널을 병렬로 운영할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한, 스피커 임피던스 테스트 및 디지털 오디오 측정을 지원한다.
주요 특징으로는 1초 이내에 Pass/Fail 판정이 가능한 자동화된 측정 시스템을 통해 생산 라인에서도 적용 가능하다는 점, THD+N이 -104 dB 수준으로 높은 정밀도의 오디오 및 음향 분석을 제공하여 고정밀, 고성능 오디오 기기 측정에 적합, 최대 14개의 입력 및 출력 채널을 지원하는 스위처 모듈 추가 기능으로 현존하는 대부분의 오디오 분석 환경에 유연한 대응이 가능, 광범위한 주파수 범위로 DC부터 80kHz까지 측정 가능하여 그야말로 오디오 및 음향 분석의 모든 것을 하나의 기기에 응축했다고 할 수 있다.
강력한 소프트웨어 및 설정은 FX100의 또 다른 강점이다. FX100은 PC 기반의 FX-Control 소프트웨어를 통해 구성 및 제어할 수 있으며, 직관적인 UI를 통해 단일 및 다중 채널 측정을 쉽게 설정할 수 있다. 또한, FFT 분석, Sweep 테스트, 자동화된 Pass/Fail 판정 기능이 포함되어 있어 연구 및 생산 환경에서 효과적으로 활용할 수 있다. 따라서 R&D 연구실, 방송국, 서비스 센터, PA 시스템 테스트 및 산업용 노이즈 분석 등에 널리 사용되며 모듈을 추가하여 다양한 테스트 요구사항에 맞게 구성할 수 있어 높은 유연성을 제공한다.
마이크로폰 스펙 보기
마이크로폰 스펙 분석을 위해서는 몇 가지의 사전 지식이 필요하다. 스펙은 사용자에게 마이크에 대한 정보를 제공하기 위해 만들어진다. 이 스펙을 통해 기본 기능과 마이크가 사용자의 요구 사항 및 장비에 얼마나 적합한지 확인할 수 있다. 마이크 사양을 읽을 때는 그 해석 방법을 이해해야 한다. 대부분의 경우 사양은 다양한 방식으로 측정되거나 계산될 수 있지만, 일반적으로 IEC 60.268-4 표준을 따른다. 또한, 사양을 비교할 때 동일한 기술 용어가 브랜드마다 다르게 해석되는 경우가 있다. 다음은 마이크로폰 스펙을 제대로 이해하기 위한 몇 가지의 사전 지식 및 개별 스펙 요소에 대한 설명이다.
콘덴서 Vs. 다이나믹
마이크로폰이 콘덴서냐 다이나믹이냐는 차이는 스펙이라기보단 변환 방식에 따른 차이지만, 이 두 방식은 기술적으로 갖는 근본적인 차이 때문에 스펙을 읽을 때 몇 가지 미리 알아두어야 하는 점들이 있다. 먼저 감도다. 콘덴서 방식은 매우 가볍고 미세한 에너지에 반응하도록 설계되어 있다. 따라서 원래는 출력이 굉장히 낮다. 그래서 원활하게 구동되려면 반드시 내부 프리앰프의 증폭이 필요하다. 물론 원리적으로 콘덴서 방식은 ‘전하량의 변화’로 작동하기 때문에 이를 구동하기 위한 전원 역시 필요하다. 그래서 모든 콘덴서 방식은 팬텀 파워가 필요하다. 그래서 대부분의 콘덴서 마이크로폰들은 다이나믹 마이크로폰들에 비해 감도가 높은 편이다.
다이나믹 마이크로폰은 대부분 무빙코일 방식으로 영구자석과 코일 사이의 움직임이 만들어내는 미세한 전압차를 이용한다. 이 방식은 콘덴서 방식과는 달리 ‘압력의 변화’가 아닌 ‘변위(Velocity)’가 전압을 만들어내기 때문에 실제 공기의 파형을 정확하게 기록하지 못한다. 단순한 사인파 정도는 90°의 위상 차이만 있을 뿐 콘덴서 마이크와 큰 차이가 없지만 복잡한 파형의 경우 오차가 있을 수 있으며 특히 사각파의 경우 실제 파형과는 매우 괴리가 있다. 따라서 측정을 위한 레퍼런스 톤은 단순한 sine-sweep이 가장 이상적이다. 또한 내부에 액티브 증폭 회로가 없으므로 감도는 3~4mV/Pa 이하로 매우 낮다. 다만, 최근에는 프리앰프가 내장된 다이나믹 마이크로폰들이 종종 생산되기 때문에 이 경우에는 콘덴서 마이크로폰 이상의 높은 감도를 나타내기도 한다.
마이크로폰의 감도와 노이즈
마이크로폰의 감도는 1kHz 단일 톤 기준으로 94dBSPL, 즉 1Pa의 압력에서 얼마의 출력이 나오는지를 말한다. 이는 mV로 말할 수도 있고 또 dBV를 사용할 수도 있다. dBV로 말할 경우 1Pa(94dBSPL) 입력시 1V가 출력되면 0dBV라고 말한다. 물론 현존하는 대부분의 마이크로폰들은 감도가 높은 콘덴서 마이크로폰이라고 해도 10mV~30mV/Pa 정도, 그리고 다이나믹 마이크로폰의 경우 1~3mV/Pa인 경우가 대부분이므로 dBV 값으로 변환하는 경우 보통 -30dBV에서 -60dBV의 범위를 갖는다.
마이크로폰의 셀프 노이즈는 여러가지 요인이 영향을 미치는데, 다이나믹 마이크로폰의 경우 노이즈 제거를 위한 듀얼 코일 유무에 따라, 그리고 전자기 차폐가 얼마나 잘 되어 있는지에 따라 달라지며, 콘덴서 마이크로폰의 경우 프리앰프의 성능에 따라 달라진다. 하지만 두 타입 모두에서 가장 절대적으로 노이즈에 영향을 미치는 요인은 바로 다이어프램의 물리적인 크기이다. 다이어프램이 크면 클수록 출력 볼티지가 커지며 이에 따라 노이즈의 영향을 최소한으로 줄일 수 있다. 특히 콘덴서 마이크로폰의 경우 다이어프램이 크다면 내부 프리앰프에서 증폭을 최소한으로 줄일 수 있으므로 노이즈 레벨, 다이나믹 표현, 왜곡 등에서 모두 긍정적인 영향을 준다.
하지만 그렇다고 해서 큰 다이어프램이 모두 유리한 것만은 아니다. 다이어프램이 크다는 것은 마이크의 물리적 사이즈가 커지는 것을 의미하며, 이 경우 회절 및 반사의 영향으로 인해 폴라패턴의 형성에 있어서 매우 불리해진다. 이는 스피커의 지향성 형성과 같은 원리인데, 마이크의 물리적 사이즈가 회절 및 반사되는 주파수에 영향을 끼치며, 이에 따라 통상 1.5인치급 이상의 라지-다이어프램이라고 분류되는 마이크의 경우 심하게는 1~2kHz부터 상당한 지향성과 고음의 부스트를 관찰할 수 있게 된다.
그래서 균일한 폴라패턴이 중요한 마이킹 테크닉, 즉 스테레오 어레이나 3D 마이크 어레이에 쓰이는 마이크는 스몰-다이어프램의 마이크로폰이 추천된다. 다만, 일부 마이크로폰 테크닉에서는 과거에 만들어져 지향성 특성이 일정하지 않은, 즉 저음의 무지향성과 고음의 지향성이 만들어내는 독특한 음색이 각광받기도 하므로 절대적인 것은 아니다. 어쨌든 마이크로폰의 노이즈 및 다이나믹레인지 특성과 폴라패턴 특성은 완전히 트레이드-오프 관계로 보아도 좋다.
마이크로폰의 셀프노이즈는 A 가중치 RMS 레벨 또는 ITU 가중치 피크 레벨로 나타낸다. 이 노이즈는 마이크가 생성하는 전기적 자체 잡음과 동일한 출력 크기를 생성하는 음압(SPL)을 나타낸다. 모든 마이크는 공기 분자의 움직임으로 인해 잡음을 발생시키며, 이는 진동판에 영향을 미쳐 전기 신호를 생성한다. 또한, 마이크의 전기 회로는 마이크의 잡음을 어느 정도까지 증폭시킬 수 있는지를 결정한다.
이 노이즈를 표기하는데는 두 가지 방법이 있다. A-Weighted RMS 측정은 저주파 잡음을 필터링하여 귀의 민감도를 근사한다. 이 척도에서 좋은 결과(낮은 잡음)는 일반적으로 15dB(A) 미만이다. ITU-R BS.468-4 표준은 다른 가중치와 준피크 검출 방식을 사용하므로, 이 척도에서 좋은 결과는 25~30dB 미만이다. 이 측정값은 콘덴서 마이크의 잡음을 비교하는 데 유용한데, 특히 마이크에서 발생하는 불특정한 잡음이 발생하는지 여부를 잘 나타낸다.
왜곡과 최대 음압
결론부터 말하자면 마이크로폰의 왜곡은 총 고조파 왜곡(THD)이 1% 미만이 되는 최대 SPL(RMS 및 피크)을 기준으로 한다. 이처럼 왜곡은 단 하나의 값으로 표현되지만 왜곡은 마이크 내부의 다양한 요소로 인해 발생할 수 있다.
마이크의 중요한 구성 요소는 다이어프램이다. 트랜스듀서가 콘덴서 타입인 경우, 다이어프램은 백플레이트 앞에 위치한다. 두 개의 백플레이트 사이의 간격은 20~50?m 정도다. 마이크를 높은 SPL 환경에 배치할 때, 지나치게 큰 압력으로 인해 다이어프램 진폭에 한계가 발생한다. 마찬가지로, 다이어프램 소재 자체도 어느 방향으로든 신축성에 한계가 있다. 이러한 한계는 왜곡이라고도 하는 진폭 비선형성을 유발한다.
다이어프램과 백플레이트 외에도, 콘덴서 마이크에는 긴 케이블을 연결하기 위해 트랜스듀서의 높은 임피던스를 비교적 낮은 임피던스로 변환하는 회로가 필요하다. 전자식 설계는 비대칭 동작의 원인이 될 수 있으며, 이는 왜곡의 원인이 될 수도 있다.
제조업체들은 마이크 개선을 위해 노력하고 있지만, 마이크 시스템에는 항상 한계가 존재하며, 결국 왜곡을 유발할 수 있다. 왜곡의 또 다른 한 형태는 클리핑이다. 파형이 순수 사인파에서 어느 정도 한계점 이상으로 증폭되면 결국 파형의 상단부터 평평하게 변하며 이는 사각파와 비슷하게 고조파 왜곡을 발생시키는 원인이 된다. 일반적인 마이크로폰 제조사는 이러한 왜곡의 총 합을 비율로 나타내는데 통상적인 표기 기준은 1%이다. 이 값은 마이크로폰의 다이나믹레인지를 계산하는 기준이 된다. 다이나믹레인지는 결국 THD 1%가 발생하는 RMS 레벨과 마이크로폰의 셀프노이즈의 차이가 된다. 즉 마이크로폰의 셀프노이즈가 20dBA, 그리고 왜곡 1%가 발생하는 최대 SPL이 140dB라면 이 마이크로폰의 다이나믹레인지는 120dB인 셈이다.
그런데 여기에는 적잖은 함정이 있다. 예컨대 극히 일부의 하이엔드 마이크로폰 제조사는 THD 기준이 0.5%로 훨씬 엄격하다. 이 경우 실제로 눈으로 보이는 수치 이상으로 실제 필드에서의 만족감이나 체감 성능이 크게 달라진다. 반대로 저가 마이크 제조사들의 트릭 중 한가지는 마이크로폰 전체의 THD가 아닌, 내장 프리앰프 회로의 THD만을 표기하는 것이다. 이 경우 실제 THD나 최대 SPL보다도 훨씬 높은 수치가 표기되며 체감 성능은 훨씬 낮다.
마이크로폰의 왜곡 특성 외에도 보아야 할 것은 마이크로폰이 받아들일 수 있는 최대 SPL이다. 일반적으로 THD는 0.5~1% 정도의 값에서 가청이 가능하다고 알려져 있지만 실제로는 마이크로폰은 물리적 압력을 감지하는 일종의 센서이기 때문에 THD 1%보다 훨씬 높은 값까지 작동한다. 그래서 마이크로폰 제조사들은 이러한 최대 음압, 즉 Max SPL의 기준을 THD 10%로 잡는다. 마이크로폰의 왜곡과 최대 음압은 이렇게 큰 차이가 있으므로 종종 마이크로폰의 성능을 과장하기 위해 일부 제조사들이 혼동하여 표기하기도 한다.
주파수 반응이 의미하는 것
MC10ST FR-On.png: Fostex MC10ST의 주파수 반응 그래프. 단일지향성 마이크로폰으로 이미 60Hz부터 저음이 잘 들어오지 않는다. 무지향성 마이크로폰들이 20Hz 이하 극저음까지 받아들이는 것에 비해 큰 차이다.
주파수 반응은 마이크가 반응하는 전체 주파수 범위를 나타낸다. 일반적으로 자유 음장(완전 무향실 상황)에서 정축 방향(On-axis)에 사인파 음향 신호를 적용하여 테스트한다. 만약 보컬 마이크로폰이나 헤드셋 마이크로폰 등 근접 사용을 전제하는 타입이라면 좀 더 가까운 거리에서 측정하는 것이 정확하다.
일반적으로 통용되는 기준은 20Hz~20kHz의 범위이며 의외로 많은 마이크들이 이 범위 이상을 충분히 출력하지만 특수 목적의 측정용 마이크로폰이 아닌 이상 사실상 실 사용에 있어서 거의 의미가 없으므로 더 범위를 넓혀서 측정하지는 않는다.
주의해서 볼 것은 무지향성 마이크로폰과 지향성 마이크로폰의 근본적 차이다. 무지향성 마이크로폰은 압력형(Pressure) 방식을 의미하며 이는 저음의 캔슬링이 일어나지 않는 구조이기 때문에 20Hz 이하의 극 저음까지 녹음 및 측정이 가능하다. 하지만 지향성 마이크로폰은 마이크로폰 다이어프램의 앞면과 뒷면의 압력차이(Pressure-gradient)로 작동되는 구조이기 때문에 극저음에서는 강력한 회절로 인해 다이어프램의 앞과 뒤의 압력차가 발생되지 않는다. 즉, 지향성 마이크로폰은 구조적으로 극저음에 전혀 반응하지 않는다는 뜻이다. 따라서 주파수 반응 그래프 상에서 지향성 마이크로폰과 무지향성 마이크로폰은 눈에 띄는 차이를 보인다.
정축(On-axis)과 비축(Off-axis)의 차이
정축 응답(On-axis)은 마이크가 축상, 즉 다이어프램을 향해 직접 들어오는 소리에 대한 응답을 나타낸다. 이 때 입사각은 0°이며, 앞서 거듭 언급한 것이지만 다른 방향으로의 반사음이나 잔향이 들어오지 않는 자유음장에서 측정해야만 한다. 지향성 마이크로폰의 경우에는 근접 효과가 발생하는데, 이에 따라 지나치게 가까운 거리에서 측정하면 저음의 부스트가 발생할 수 있다. 따라서 지향성 마이크로폰의 측정에는 레퍼런스 스피커와의 측정 거리를 명시해야만 한다. 무지향성 마이크로폰은 구조상 근접 효과가 없으므로 측정 거리는 그다지 중요하지 않다.
비축, 혹은 축외 응답(Off-axis)는 정축을 제외한 다양한 각도에서 들어오는 소리에 대한 마이크의 응답을 나타낸다. 특히 지향성 마이크가 다이어프램을 향해 직접 들어오는 소리 이외의 각도에서 들어오는 소리를 어떻게 감쇄하는지 알아보고자 할 때 이 측정이 중요하다. 일반적으로 0°와 180° 방향에서 제각기 주파수 응답과 감도를 측정 후 다시 각도를 다양하게 달리하여 폴라패턴 그래프를 만든다.
전동 턴테이블은 NTi Audio의 측정 소프트웨어에 의해 자동으로 제어된다.
폴라패턴
지향성 패턴은 각도마다 마이크로폰이 음을 받아들이는 특성을 직관적인 그래픽으로 보여주는 방법이다. 마이크의 중요 특징 중 하나는 지향성이며, 이는 극좌표 그래프를 통해 표현할 수 있다. 극좌표 그래프는 동심원으로 구성된 격자를 기반으로 한다. 각 원은 dB 레벨을 나타내며, 일반적으로 바깥쪽 원이 0dB부터 시작한다. 0°로 표시된 기준점은 바깥쪽 원의 맨 위에 정의된다. 0°는 마이크의 축 방향(on-axis direction)을 나타낸다.
모든 측정 데이터는 0°에서 정규화된다. 즉, 마이크의 감도가 주파수에 따라 다르더라도(불균일한 주파수 응답), 0°에서는 0dB로 정렬된다. 이번 데이터베이스에서 측정하고자 하는 각도는 10° 단위로 상당히 촘촘하게 측정하고 있으며 이를 통해 녹음된 소리가 축 방향 외에서 얼마나 감쇠되는지 확인할 수 있다. 마이크의 지향성은 극좌표 그래프에서 나타나는 패턴으로 정의하는 것이 일반적이다.
다양한 지향성의 마이크들이 존재하며 마이크마다 패턴은 전부 제각각이지만 중요한 점은 비축 응답에 있어서 마이크로폰의 응답 곡선이 부드러운 감쇄를 나타내는 것이다. 그렇지 않다면 ‘축외 착색’ 현상이 발생하여 예컨대 스테레오 마이크폰 테크닉에서 좌와 우의 음상에서는 음이 명료하고 밝지만 팬텀 센터에서는 음이 어둡고 흐릿하게 바뀔 수 있다. 결국 어레이 마이크 테크닉의 높은 완성도를 위해서는 지향성 그래프가 부드럽고 예측 가능한 패턴으로 그려지는 마이크로폰을 선택하는 것이 중요하다.
자유음장(Free-field)과 확산음장(Diffuse field)의 차이
마이크로폰은 자유음장(Free-field), 즉 일체의 반사와 잔향이 없는 음장에서 측정해야만 정확하다. 그래서 반드시 마이크로폰의 측정은 무향실에서 이뤄져야만 한다. 물론 충분히 큰 공간이라면 시간으로 자르는 windowing 기법으로 잔향 성분의 제거를 할 수 있겠지만 이 경우 저음 측정에 있어서 오차가 발생하기 쉽다.
하지만 기억해야할 것은 마이크로폰은 자유음장에서만 사용하도록 설계되지 않았다는 것이다. 특히 공간의 잔향을 녹음하는 마이크로폰이나 측정용 마이크로폰에서는 확산음장(Diffuse field)에서의 반응도 매우 중요하다. 실제로 모든 무지향성 마이크로폰은 자유음장과 확산음장에서의 주파수 반응이 다르다. 이는 자유음장에서는 전면에서의 직접음만 받아들이는 반면, 확산음장은 360° 전 방향의 소리를 받아들이기 때문이다. 그런데 마이크로폰은 어쨌든 ‘물리적 크기’라는게 존재하기 때문에 회절과 반사가 존재하며 이것이 확산음장과 자유음장에서의 반응 차이를 만들어낸다. 좀 더 설명하자면 확산음장은 고주파수일수록 적게 들어오는데, 이는 마이크의 물리적 크기로 인해 전면에서는 고음이 부스트되고 측면과 후면에서는 고음이 감쇄되는 현상에서 기인한다. 따라서 무지향성 마이크로폰은 자유음장에서 사용할 것인지, 확산음장에서 사용할 것인지에 따라 적절한 커브를 적용하거나 혹은 이에 대해 미리 프리앰프에서 보정된 마이크로폰을 선택하는 것이 의도한 결과를 가져온다.
그리고...
프로페셔널 마이크로폰의 출력 임피던스는 일반적으로 마이크 프리앰프의 임피던스보다 10배 혹은 그 이상 낮아야 손실 없이 정확한 신호 전달이 보장된다. 최근의 마이크 프리앰프들은 충분히 낮은 임피던스의 마이크를 원활히 구동할 수 있도록 큰 입력 임피던스를 보장한다. 다만 주의할 것은 주파수다. 콘덴서 마이크로폰은 내부에 팬텀전원으로 구동되는 프리앰프가 내장되어 일반적으로 전 주파수에 걸쳐 임피던스가 일정한 반면 다이나믹 마이크로폰은 코일과 영구자석으로 이뤄져 있으며 여기에 진동판의 탄성 특성이나 공진 특성 등이 영향을 주기 때문에 주파수에 따라 출력 임피던스가 다르다.
마이크로폰의 감도가 높을수록, 그리고 출력 임피던스가 낮을수록 마이크 케이블에 따른 감쇄가 적다. 마이크로폰 케이블은 그 자체로 저항체이자 일종의 커패시터여서 길이가 길수록 출력 및 고음이 감쇄된다. 이 경우 출력 볼티지가 높고 출력 임피던스가 낮으면 케이블에서의 저항이 적어진다. 마이크 케이블이 길어져 음질 손상이 우려된다면 마이크 프리앰프를 가급적 스테이지에 올리는 등 최대한 미리 증폭하여 FOH 혹은 컨트롤룸으로 보내는 것이 좋다.
이 외에도 밸런스드 연결에서 임피던스 평형의 효율을 나타내 케이블 유입 노이즈를 얼마나 효과적으로 감쇄하는지를 알아보는 CMRR((Common Mode Rejection Ratio), 외부의 전자기 노이즈에서 얼마나 마이크 하우징 내부를 효과적으로 보호하는지를 알아보는 EMC 등 다양한 파라미터들이 있다.
이처럼 마이크로폰의 성능을 평가하는 아주 다양한 지표들이 있으며, 이 중 제대로 공개된 것은 극히 일부이며, 그나마도 정확도를 보장하기 힘든데다 각 마이크 제조사별로 그래프의 포맷이 상당히 달라 정면 비교가 어렵다.