이어폰의 노이즈캔슬링 기술

[첨단 기술의 비밀] 노이즈 캔슬링은 어떻게 소음을 없앨까?                       

노이즈 캔슬링(Noise Cancelling, NC)는 말 그대로 주변 소음을 억제시키는 기술로 노이즈 캔슬레이션(Noise Cancellation) 또는 노이즈 리덕션(Noise reduction), 노이즈 가드(Noise Guard)와 같은 뜻이다. 즉, 이 기술이 적용된 헤드폰은 귀에 거슬리는 외부 소음 없이 음악을 감상할 수 있다는 의미다. 노이즈 캔슬링 기술은 어떻게 가능할까. 





 

노이즈 캔슬링의 원리

기본적으로 모든 헤드폰은 어느 정도 소음을 차단한다. 수동형 소음 제거(Passive NC, PNC) 방식인데 흡음재를 사용해 소음을 흡수하는 것으로 이어팁이나 이어패드를 이용한 소음 차단이 이에 해당된다. 하지만 노이즈 캔슬링 헤드폰을 일컫을 때는 보통 전자적으로 주변 환경의 소음을 제거하는 능동형 소음 제거(Active NC, ANC) 방식을 말한다. 그 원리는 이렇다. 모든 소리는 음파로 전달되는데 전폭, 파장 그리고 주파수로 설명할 수 있다.



▲ (1)헤드폰 마이크에서 분석한 소음의 파형(노랑), (2)정반대의 음파를 발생(초록), (3)두 소리를 합성해 소음을 제거(빨강)


노이즈 캔슬링 헤드폰은 아주 효과적으로 외부 소음을 제거하는데 헤드폰 안에 감춰진 마이크가 주변의 소리를 듣고 이를 서로 다른 음파 즉, 파형이 정반대인 음파로 변형해 사용자의 귀에 전달하는 것이다. 이 두 음파가 서로를 상쇄시키는 과정을 '상쇄 간섭'이라고 한다. 상쇄 간섭을 통해 헤드폰에서 나오는 음파가 아주 효과적인 소음 제거의 역할을 맡아 결국 헤드폰 바깥의 소음을 다른 방식의 소음을 내서 없애는 것처럼 착각시키는 것이다. 쉽게 말해 오랑캐로 오랑캐를 물리치는 ‘이이제이(以夷制夷)’와 같은 셈이다. 

노이즈 캔슬링 기술은 1934년 폴웩이 발표한 주파수 논문을 기초로 1950년대 영국에서 개발됐다. 본격적인 제품은 1984년 루프트한자 항공사가 '젠하이저'에 파일럿용 노이즈 캔슬링 헤드셋 개발 요청을 하면서부터다. 기내에서 느낄 수 있는 제트 엔진의 소음은 대략 80dB 정도다. 이는 한낮 시내 대로변에서 발생하는 교통 소음과 맞먹으며, 오래 들으면 불쾌감을 유발하고 심할 경우 수면 장애나 난청으로 이어질 수 있는 큰 소음이다. 이렇게 시끄러운 소리를 비행 내내 참아야 하니 파일럿으로서는 고역이 아닐 수 없다. 당시 은퇴한 파일럿 10명 중 6명이 소음성 난청에 걸릴 정도로 심각한 직업병 중 하나로 꼽혔다. 파일럿의 난청 방지용 헤드셋에서 출발한 노이즈 캔슬링 기술은 1987년 '보스'와 '젠하이저'가 개인용 모바일 오디오 기기에 적용하며 대중적으로 쓰이기 시작한다. 


 

노이즈 캔슬링 헤드폰의 구조

이렇게 소음을 차단하려면 일반 이어폰과 다른 구조를 띨 수밖에 없다. 노이즈 캔슬링 헤드폰은 크게 마이크, 노이즈 캔슬링 회로, 스피커, 배터리로 구성된다. 그리고 마이크 위치에 따라 또 둘로 나뉜다.



▲ 헤드폰 내부에 마이크를 설치하는 피드백 방식(A), 헤드폰 외부 마이크를 설치하는 피드 포워드 방식(B)


마이크를 헤드폰 드라이버 유닛에 배치하는 ‘피드백(Feed back)’ 방식과 헤드폰 외부에 배치하는 ‘피드 포워드(Feed forward)’으로 구분된다. 소음 감소 성능이 뛰어난 것은 피드백 방식이다. 소리를 내는 드라이버 유닛 근처에 마이크를 배치하기 때문에 보다 자연스러운 노이즈 제거가 가능하며 그 효과 또한 뛰어나다. 피드 포워드 방식은 헤드폰 외부에 마이크를 설치하는 방식이다. 이어버드 등 소형 헤드폰이나 이어폰에 보통 쓰인다. 드라이버 유닛과 떨어진 위치에서 외부 노이즈를 처리하기에 피드백 방식보다 상대적으로 효과가 약하다. 
따라서 강력한 노이즈 캔슬링 방식을 원하면 '피드백'방식을, 적당한 노이즈 캔슬링을 원하면 '피드 포워드' 제품을 골라야 한다. 최근에는 이 두 가지 방식을 결합한 하이브리드 타입도 출시되고 있다.

다만 노이즈 캔슬링이 모든 이에게 똑같이 효과적인 것은 아니다. 노이즈 캔슬링 헤드폰은 평균적인 사람의 귀에 맞춰져 있기에 사람마다 효과가 약간씩 차이가 있을 수밖에 없고, 특정 주파수 소음이 아니라면 걸러내지 못할 수도 있다. 일반적으로 노이즈 캔슬링 헤드폰은 비행기나 지하철, 버스 등 반복적인 패턴의 소음 주파수(350Hz 이하의 중저역대) 감쇄에 맞춰 설계된다.
또 다른 불편도 있다. 노이즈 캔슬링 제품은 별도의 전원이 필요하다. 배터리가 방전된 상태에서는 노이즈 캔슬링 기능이 없는 일반 이어폰과 다를 바 없다. 또한 배터리가 차지하는 만큼 휴대성이 떨어지는 것도 단점이다.



 

효과와 적용 분야

노이즈 캔슬링 기술이 나온 지 좀 오래됐지만 아직은 일부 이어폰, 헤드폰에서만 채택되고 있다. 하지만 고급 헤드폰도 완벽하게 노이즈 캔슬링 기능이 작동하는 것은 아니다. 모든 소음을 완벽하게 제거하기 못 해서 누구는 노이즈 캔슬링 기술 자체의 쉬익 거리는 소리가 아주 거슬린다고 불평한다.



▲ 노이즈 캔슬링(노이즈 가드) 기능의 젠하이저 모멘텀 2세대 와이어리스


직접 청취 테스트를 해봤다. 비행기 대신 신분당선을 오가는 출퇴근길 노이즈 캔슬링 헤드폰은 주변 소음을 거의 완벽하게 차단하며 노래를 감상할 수 있는 신선한 경험이었다. 소리라는 특성상 수치로 설명할 순 없지만, 일단 사용해 보면 마냥 비싸다고 불만을 제기할 수 없을 정도다. 덜컹덜컹! 신분당선 지하철에 올라 전원을 켜면 마치 다른 공간으로 이동한 듯 갑자기 세상과 단절된 기분이 든다. 덕분에 아주 평온한 상태에서 음악을 감상할 수 있었다. 보통의 헤드폰은 외부 소음과 싸워 이기기 위해  저음을 크고 강하게 만드는 경우가 많다. 노이즈 캔슬링 헤드폰은 그럴 필요가 없으니 부드럽고 명료한 소리를 들려준다. 또 볼륨을 많이 올리지 않아도 되니 청력보호에도 많이 도움이 될 것 같다. 비행기나 기차 여행을 많이 한다면 이 영리한 노이즈 캔슬링 기술이 더 즐겁고 편안한 청취 경험을 선사할 것이다. 반대로 여행에 최적화된만큼 일상 생활에서 두루 사용하기에는 적합치 않았다. 무엇보다 외부 소음과 완전히 차단되는 만큼 운전 중이거나 도보로 이동할 때는 위험하다. 평상시에는 일반 이어폰 또는 헤드폰 사용을 권한다. 

노이즈 캔슬링 기술은 몇몇 자동차에서도 볼 수 있고 언젠가는 집 안을 조용하게 만들 기술로 제안되고 있기도 하다. 특히, 최근 사회적 문제로 대두되는 층간 소음 갈등을 해결할 수 있을 것이다. 주로 지은 지 10년 이상된 아파트, 다가구 주택에서 심각하게 발생하는 층간 소음 문제에 노이즈 캔슬링 기술을 응용한다면 위층에서 발생하는 소음에 대응하는 음파를 발생시켜 층간 소음을 해결할 수도 있을지 모른다.
저주파 소음 문제를 해결하는데도 도움이 된다. 저주파 소음이란 인간의 귀로 들을 수 없는 20Hz 이하의 저주파에 의한 소음을 말한다. 사람의 귀에는 들리지 않지만 저주파 소음에 장시간 노출되면 신경계, 호르몬 분비, 호흡 등에 이상이 생기고 스트레스로 인한 각종 질병에 노출될 수 있다. 주로 자동차에서 발생하며 가정에서도 저주파 소음은 골칫거리다. 에어컨 실외기는 40Hz에 65dB, 냉장고는 63Hz에서 72dB의 저주파 소음이 발생하는데 특히, 밀폐된 공간에서 더 심각하게 발생한다. 이런 이유로 밀폐된 공간에서의 저주파는 노이즈 캔슬링 기술을 이용해 위상 변조 음파를 발생해 상쇄하면 저주파가 인체에 미치는 피해를 줄일 수 있다.





한편, 라이트닝 케이블이 건전지 또는 충전 배터리 탑재로 불편한 휴대성 개선 해결책으로 부상하고 있다. 필립스 헤드폰 피델리오 ‘NC1L’가 좋은 예다. 이 제품은 흔히 쓰이는 헤드폰 잭이 아닌 라이트닝 커넥터를 통해 아이폰과 연결된다. 라이트닝 케이블로 연결했을 때의 장점은 데이터 전송뿐 아니라 충전을 동시에 할 수 있다는 것이다. 이 제품은 이런 장점을 살려 본체에 배터리를 탑재하지 않고도 노이즈 캔슬링 기능을 지원한다. 덕분에 같은 기능을 지원하는 헤드폰보다 본체를 소형화, 경량화할 수 있다. 본체에는 마이크 4개를 탑재해 주위 소음을 제거한다.