귀 시뮬레이터와 인이어 헤드폰 성능 평가(In-ear headphones, Ear simulator, Ear canal geometry, Transfer impedance, Frequency response, Ear buds)

 

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귀 시뮬레이터와 인이어 헤드폰 성능 평가

 

인이어 헤드폰에 대한 소비자의 음질 기대치가 점차 높아짐에 따라, 이를 충족하기 위해 더 정교한 측정 장비의 개발이 필요해졌습니다.

 

이러한 요구를 충족하기 위해 여러 업체들이 다양한 귀 시뮬레이터를 개발하였으며, 이 시뮬레이터들은 인간의 가청 주파수 전 대역을 커버하도록 설계되었습니다. 대표적인 예로는 60318-4 IEC 표준 귀 시뮬레이터(100Hz–10kHz), GRAS의 "711" 고주파수 귀 시뮬레이터(100Hz–20kHz), 그리고 ITU-T가 권장하는 Type 4.3 귀 시뮬레이터(20Hz–20kHz)가 있습니다.

 

최근에는 귀 안의 고주파수 영역에 대한 관심이 높아지는 한편, 밀착(leakage)이나 삽입 위치(placement) 같은 물리적 요인이 기기 성능 및 측정 정확도에 큰 영향을 미친다는 점이 새롭게 부각되고 있습니다.

 

귀 시뮬레이터를 설계할 때, "평균적인 귀" 모양을 반영하려는 노력이 이어졌지만, 실제로 인이어 이어폰의 성공은 단순히 주파수 응답만을 평가하는 것으로는 설명할 수 없다고 연구 결과는 보여주고 있습니다. 오히려, 이어폰 착용 시 귀관 내에서 압력장이 어떻게 형성되는지가 청취 경험을 좌우하며, 이 과정에서 밀착과 삽입 위치가 매우 중요한 역할을 하게 됩니다.

 

따라서, 단기적인 문제를 해결하기 위해 시뮬레이터를 개선하다 보면, 오히려 일관성(consistency)과 재현성(repeatability)을 확보하는 데에 새로운 어려움이 발생할 수 있습니다.

 

이러한 문제를 보다 깊이 이해하기 위해, 이번 페이퍼에서는 COMSOL 소프트웨어를 이용하여 ITU-T 권고안 P.57 Type 4.3 모델을 기반으로 귀관의 다양한 형태 변화를 고려한 주파수 영역 시뮬레이션을 수행하였습니다. 이때 이어폰은 귀관 안에 삽입하되, 참조면(reference plane)을 넘어서는 삽입은 하지 않는 조건으로 실험을 진행하였습니다.

 

 

 

귀관 형상과 삽입 위치의 영향 분석

The pressure transfer is the ratio between the transfer and input impedance.

 

 

귀 시뮬레이터의 핵심 성능 지표 중 하나는 전송 임피던스(transfer impedance)입니다. 전송 임피던스는 입력 면의 체적 속도(volume velocity)에 대해 고막 부근에서 생성되는 음압을 나눈 값으로 정의됩니다. 이는 이어폰과 귀관 사이에서 음향 에너지가 어떻게 전달되는지를 나타내는 중요한 수치입니다. 또한, 이어폰이 실제로는 일정한 압력(constant pressure) 소스에 가깝기 때문에, 단순한 체적 속도보다는 압력 전달 특성에 주목할 필요가 있습니다.

 

 

압력 전달(pressure transfer)을 보다 정확히 이해하기 위해서는 귀 시뮬레이터의 입력 임피던스(input impedance) 역시 함께 고려해야 합니다. 입력 임피던스와 전송 임피던스를 이용하여 압력 전달 계수(pressure transfer coefficient)를 계산할 수 있으며, 이를 통해 입력 압력에서 고막 위치의 압력으로 변환되는 과정을 정밀하게 예측할 수 있습니다.

 

시뮬레이션 결과를 통해 귀관의 모양(shape)은 약간의 차이를 유발할 수 있으나, 기본적으로는 귀관이 직선형이든 곡선형이든, 또는 단면이 원형, 타원형, 삼각형이든 간에 전송 임피던스에 미치는 영향은 매우 미미하다는 사실을 알 수 있었습니다. 다만, 귀관의 부피(volume)와 길이(length)는 측정 결과에 상당한 영향을 미칩니다. 귀관의 부피가 커지거나 작아질 경우, 특히 18kHz의 주요 오디오 주파수 대역에서 12dB 정도의 차이가 발생할 수 있습니다.

 

 

 

또한, 이어폰의 삽입 깊이(insertion depth)가 2mm만 변해도 저주파 및 고주파 영역 모두에서 측정 결과가 달라질 수 있습니다. 삽입 깊이에 따라 귀관의 유효 부피와 길이가 변하게 되고, 이는 공진 주파수(특히 1/4 파장 공진)와 전송 임피던스에 직접적인 영향을 미치게 됩니다.

 

결론적으로, 인이어 헤드폰 테스트에서 가장 중요한 것은 귀관 형상 자체보다는 이어폰의 정확한 삽입 위치를 일관되게 유지하고, 귀관의 부피와 길이를 명확히 정의하는 것입니다. 귀관 형상이 복잡해질수록 누설(leakage)을 일관되게 제어하기 어려워져 저주파수 대역 응답에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 귀 시뮬레이터를 사용할 때는 이러한 점들을 종합적으로 고려하여야 정확하고 재현 가능한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

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