1인치 마이크로폰부터 1/8인치까지, 크기가 달라지면 뭐가 달라질까

1인치 마이크로폰부터 1/8인치까지, 크기가 달라지면 뭐가 달라질까

소음 측정용 마이크로폰을 고르려고 보면 은근히 당황스러운 순간이 옵니다. 마이크로폰이면 그냥 소리를 전기 신호로 바꾸는 물건 아닌가 싶은데, 갑자기 1인치, 1/2인치, 1/4인치, 1/8인치 같은 크기가 나옵니다.

가장 많이 쓰는 건 대체로 1/2인치입니다. 그래서 처음 장비를 살 때 “어떤 게 필요하세요?”라는 질문을 받으면, 속으로는 잘 모르겠고 겉으로는 침착하게 “1/2인치로 주세요”가 나오기 쉽습니다.

틀린 선택은 아닙니다. 다만 왜 1/2인치가 무난한지, 언제 1인치가 필요하고 언제 1/4인치나 1/8인치까지 작아져야 하는지는 알고 고르는 편이 좋습니다.

크기는 감도와 주파수 범위를 같이 바꾼다

마이크로폰의 크기에서 말하는 1인치, 1/2인치, 1/4인치, 1/8인치는 보통 측정용 콘덴서 마이크로폰의 외경 또는 다이어프램 계열 크기를 가리킵니다.

핵심은 단순합니다.

마이크로폰이 클수록 낮은 소리를 안정적으로 잘 받고, 감도가 높아지는 쪽으로 유리합니다. 대신 아주 높은 주파수까지 평탄하게 측정하는 데는 불리합니다.

마이크로폰이 작을수록 고주파 측정에 유리합니다. 대신 감도가 낮아지고, 같은 음압에서도 출력 신호가 작아져서 노이즈 관리가 더 중요해집니다.

이 차이는 다이어프램 면적에서 출발합니다. 소리는 압력 변화이고, 다이어프램은 그 압력을 받아 움직입니다. 면적이 크면 같은 압력에서도 받는 힘이 커집니다.

$$F=pA$$

여기서 $F$는 다이어프램에 작용하는 힘이고 단위는 N입니다. $p$는 음압이며 단위는 Pa입니다. $A$는 다이어프램 면적이고 단위는 ${\mathrm{m}}^2$입니다.

같은 $p$가 들어와도 $A$가 커지면 $F$가 커집니다. 그래서 큰 마이크로폰은 작은 소리 측정에서 유리합니다. 조용한 방의 배경소음, 저소음 제품의 팬 소음, 낮은 레벨의 환경소음을 측정할 때 큰 다이어프램이 도움이 됩니다.

하지만 주파수가 높아지면 상황이 바뀝니다. 파장이 짧아지기 때문입니다.

$$\lambda =\frac{c}{f}$$

$\lambda$는 파장이고 단위는 m입니다. $c$는 공기 중 음속으로 보통 약 $343m/s$ 근처로 봅니다. $f$는 주파수이고 단위는 Hz입니다.

주파수 $f$가 커지면 파장 $\lambda$는 짧아집니다. 마이크로폰의 물리적 크기가 파장에 비해 커지면, 마이크로폰 자체가 소리장을 건드리기 시작합니다. 그냥 얌전히 측정만 하는 게 아니라, 소리를 약간 막고 흩뜨리는 물체가 됩니다.

그래서 1/2인치가 많이 팔리는 데는 이유가 있다

측정용 마이크로폰에서 1/2인치는 꽤 현실적인 중간값입니다.

너무 크지 않아서 일반적인 소음 측정의 주파수 범위를 커버하기 좋고, 너무 작지 않아서 감도도 쓸 만합니다. 실내 소음, 기계 소음, 제품 소음, 자동차나 가전의 일반적인 음향 평가처럼 흔한 업무에서는 1/2인치가 먼저 떠오르는 경우가 많습니다.

1인치 마이크로폰은 감도가 높아서 낮은 레벨의 소리를 볼 때 유리합니다. 조용한 공간의 배경소음이나 저주파 성분을 안정적으로 보고 싶을 때 선택지가 됩니다. 대신 고주파까지 넓게 보려는 목적에는 불리합니다.

1/4인치 마이크로폰은 더 높은 주파수까지 보려는 경우에 많이 씁니다. 소형 구조물 주변의 빠른 압력 변화, 초음파에 가까운 영역, 작은 공간에서의 측정처럼 마이크로폰 자체가 측정 대상에 끼어드는 영향을 줄이고 싶을 때 유리합니다.

1/8인치 마이크로폰은 더 극단적입니다. 매우 높은 주파수나 좁은 공간, 빠르게 변하는 압력장을 보려는 목적에 가까워집니다. 대신 출력 신호가 작아지므로 측정 체인 전체의 노이즈, 프리앰프, 케이블, 데이터 수집기의 품질을 더 신경 써야 합니다.

현장에서 “가장 많이 쓰는 걸로 주세요”가 완전히 엉터리는 아닙니다. 1/2인치가 무난한 건 맞습니다. 다만 무난하다는 말은 어디까지나 측정 대상이 무난할 때만 맞습니다.

https://www.grasacoustics.com/microphone-guide/frequency-range

높은 주파수로 갈수록 작은 마이크가 필요해진다

마이크로폰 크기와 측정 주파수 대역의 관계는 파장으로 감을 잡으면 편합니다.

예를 들어 10 kHz 소리의 파장은 대략 다음과 같습니다.

$$\lambda =\frac{343}{10000}=0.0343\mathrm{m}$$

약 34 mm입니다.

20 kHz에서는 파장이 약 17 mm가 됩니다. 이 정도로 짧아지면 1/2인치 마이크로폰도 완전히 작은 점처럼 행동한다고 보기는 어렵습니다. 마이크로폰의 몸체와 보호 그리드, 다이어프램 크기가 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

물론 실제 사용 가능 주파수 범위는 제조사, 모델, free field용인지 pressure field용인지, 그리드 장착 여부, 입사각에 따라 달라집니다. 그래서 “1/2인치는 몇 Hz부터 몇 Hz까지”처럼 외우면 오히려 위험합니다.

그래도 큰 방향은 분명합니다.

큰 마이크로폰은 고감도와 저소음 측정에 유리하고, 작은 마이크로폰은 고주파와 좁은 공간 측정에 유리합니다.

이때 감도만 보고 큰 것을 고르면 고주파에서 흔들리고, 주파수 범위만 보고 작은 것을 고르면 낮은 레벨에서 노이즈에 밀릴 수 있습니다. 마이크로폰 크기는 성능 순위가 아니라 용도 선택입니다.

마이크로폰은 한 방향만 듣는 물건처럼 생겼다

일상에서 보는 마이크로폰은 대체로 방향성이 있어 보입니다. 노래방 마이크도 그렇고, 방송용 마이크도 앞쪽에 대고 말해야 할 것처럼 생겼습니다.

그런데 측정용 마이크로폰은 조금 다릅니다. 기본적으로는 특정 조건에서 음압을 정확히 재기 위한 센서입니다. 노래를 예쁘게 받거나 주변 소리를 덜 받도록 튜닝한 물건과 목적이 다릅니다.

측정용 마이크로폰 자체는 이상적으로 보면 소리장의 한 점에서 음압을 읽고 싶어 합니다. 하지만 현실에서는 마이크로폰 몸체, 프리앰프, 케이블, 삼각대, 심지어 측정하는 사람의 몸까지 소리장에 영향을 줍니다.

마이크로폰을 손으로 들고 측정하면 내 몸이 흡음판이 되기도 하고 반사판이 되기도 합니다. 특히 고주파에서는 몸, 팔, 장비 케이스 같은 물체의 영향이 더 민감하게 나타납니다. 손으로 들고 있으면서 “센서는 정밀한데 왜 값이 이상하지”라고 하면, 센서 입장에서는 억울할 수 있습니다.

그래서 소음 측정에서는 마이크로폰을 스탠드에 고정하고, 측정자는 뒤로 물러나며, 케이블과 장비 배치도 가능한 한 소리장을 덜 건드리도록 둡니다. 측정은 센서만 하는 일이 아니라 주변 배치까지 포함합니다.

free field는 그냥 야외라는 뜻이 아니다

free field는 소리가 반사 없이 한 방향으로 퍼져 나가는 이상적인 소리장을 말합니다. 번역하면 자유음장 정도가 됩니다.

중요한 점은 “넓은 공간”이라는 느낌보다 “반사가 거의 없다”는 조건입니다. 소리가 음원에서 나와 마이크로폰까지 직접 도달하고, 벽이나 바닥이나 장비에서 튕겨 돌아오는 소리가 무시될 만큼 작아야 합니다.

free field용 마이크로폰은 보통 정면에서 들어오는 소리에 대해 주파수 응답이 평탄하도록 설계됩니다. 그래서 마이크로폰을 음원 방향으로 정확히 향하게 놓는 것이 중요합니다. 같은 마이크라도 입사각이 달라지면 고주파 응답이 달라질 수 있습니다.

여기서 near field도 같이 봐야 합니다. near field는 음원 가까운 영역입니다. 이 영역에서는 음압과 입자 속도의 관계가 단순하지 않고, 음원의 구조나 크기에 따라 위치별 변화가 큽니다. 그래서 가까이 대면 실제보다 더 크게 보이거나, 특정 주파수만 튀는 것처럼 보일 수 있습니다.

반대로 reverberant field, 즉 잔향음장에서는 반사음이 충분히 섞여서 여러 방향에서 소리가 들어옵니다. 방 안에서 뒤쪽 벽에 맞고 돌아온 소리도 마이크로폰에 들어옵니다. 이때는 내가 보고 싶은 직접음만 측정하는 게 아닐 수 있습니다.

실내에서 기계 소음을 잴 때 마이크로폰 위치를 조금만 바꿔도 값이 달라지는 이유가 여기에 있습니다. 음원만 문제가 아니라 방도 같이 측정되고 있는 셈입니다.

pressure field는 귓구멍 쪽을 생각하면 감이 온다

pressure field는 닫힌 공간이나 경계면에서의 음압을 재는 조건에 가깝습니다. free field처럼 소리가 한 방향으로 지나가는 상황이 아니라, 작은 공간 안에서 압력 변화 자체를 보는 조건입니다.

가장 쉬운 예는 귀 내부 측정입니다. 이어폰이나 보청기처럼 귓구멍 안쪽에서 생기는 음압은 자유롭게 퍼져 나가는 소리라기보다 제한된 공간 안의 압력 변화에 가깝습니다. 에어팟이든 다른 이어폰이든, 귀에 밀착되는 순간 소리장은 밖에서 듣는 소리와 다른 조건이 됩니다.

pressure field용 마이크로폰은 이런 조건에서 평탄한 응답을 갖도록 설계됩니다. 보통 커플러, 인공귀, 밀폐된 작은 챔버, 표면 압력 측정 같은 곳에서 사용됩니다.

같은 마이크로폰처럼 보여도 free field용과 pressure field용은 보정 기준이 다릅니다. free field용 마이크를 pressure field 조건에서 쓰거나 반대로 쓰면, 특히 고주파에서 오차가 커질 수 있습니다.

이 차이는 마이크로폰이 고장 나서 생기는 오차가 아닙니다. 애초에 어느 소리장을 기준으로 평탄하게 만들었는지가 다른 것입니다.

바람은 소리가 아닌데 마이크로폰에는 크게 들어온다

전화할 때 바람이 불면 상대방이 내 목소리보다 바람 소리를 먼저 듣는 일이 있습니다. 마이크로폰 입장에서는 바람도 압력 변화입니다. 우리가 듣고 싶은 음파와 구분해서 예의 바르게 빠져나가 주지 않습니다.

측정용 마이크로폰에서도 바람은 큰 문제입니다. 특히 야외 환경소음, 자동차 주행 소음, 공조기 주변, 팬 근처 측정에서는 바람에 의한 난류가 저주파 잡음처럼 크게 들어올 수 있습니다.

이때 쓰는 것이 windscreen입니다. 흔히 마이크 앞에 씌우는 스펀지나 폼 재질의 바람막이입니다. 바람의 난류를 줄여서 다이어프램에 직접 때리는 압력 변동을 완화합니다.

다만 windscreen도 공짜는 아닙니다. 고주파 응답을 조금 바꿀 수 있고, 크기와 재질에 따라 보정값이 필요할 수 있습니다. 그래서 정밀 측정에서는 windscreen을 썼는지, 어떤 모델을 썼는지, 보정이 필요한지까지 기록하는 편이 좋습니다.

전화 통화에서는 그냥 “바람이 많이 부네”로 끝나지만, 계측에서는 그 바람이 데이터가 됩니다. 원하지 않았을 뿐입니다.

소음센서는 오래 쓰지만 무제한은 아니다

좋은 측정용 마이크로폰은 생각보다 오래 씁니다. 비싼 브랜드 제품을 쓰면 거의 평생 가는 장비처럼 느껴질 때도 있습니다. 실제로 잘 보관하고 무리한 환경에 노출하지 않으면 긴 기간 안정적으로 쓰는 경우가 많습니다.

하지만 무제한은 아닙니다.

마이크로폰은 습도, 먼지, 충격, 과도한 음압, 온도 변화, 오염, 케이블 스트레스의 영향을 받습니다. 콘덴서 마이크로폰은 다이어프램과 백플레이트 사이의 구조가 매우 민감합니다. 눈에 보이지 않는 작은 오염도 노이즈나 감도 변화로 이어질 수 있습니다.

그래서 소음 측정에서는 calibration, 즉 교정을 합니다.

여기서 말하는 교정은 센서를 고친다는 뜻보다는, 기준 음압을 넣었을 때 센서와 측정기가 제대로 읽는지 확인하는 절차에 가깝습니다. 예를 들어 음향 교정기가 $94\mathrm{dB}$ SPL, $1\mathrm{kHz}$ 기준음을 내면, 측정 시스템이 그 값을 제대로 표시하는지 확인합니다.

음압레벨은 보통 이렇게 정의합니다.

$$L_p=20{\log }_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)$$

여기서 $L_p$는 음압레벨이고 단위는 dB입니다. $p$는 측정한 실효 음압이며 단위는 Pa입니다. $p_0$는 기준 음압이고 공기 중에서는 보통 $20\mu \mathrm{Pa}$를 씁니다.

$94\mathrm{dB}$ SPL은 약 $1\mathrm{Pa}$에 해당합니다. 그래서 현장 교정기에서 94 dB가 자주 나옵니다. 계산하기도 좋고, 너무 작지도 너무 크지도 않은 기준입니다.

조금 헷갈리는 점은 용어입니다. 치아 교정은 실제로 위치를 바꾸는 느낌인데, 센서 교정은 대체로 “기준과 비교해 상태를 확인하고 기록하는 일”에 가깝습니다. 반면 측정값을 수학적으로 고쳐 적용하는 일은 보정이라고 부르는 경우가 많습니다.

더 이상하게 들릴 수 있지만, 이 구분은 실무에서 중요합니다. 교정은 기준기와 비교해 현재 상태를 확인하는 일이고, 보정은 그 차이를 측정값에 반영하는 일입니다. 마이크로폰 자체를 현장에서 뜯어 고쳐 쓰는 경우는 거의 없으므로, 감도 변화가 허용 범위를 벗어나면 수리보다 교체나 전문 점검으로 넘어가는 것이 일반적입니다.