[실험] 다이나믹 드라이버의 임피던스 피크는 구동을 어렵게 하는가? - 개정증보판
1. 문제제기 및 가설
흔히 임피던스가 높은 헤드폰은 "구동이 어렵다"라고 알려져 있습니다. 특히 다이나믹 드라이버를 채택한 헤드폰은 저음역대의 특정 주파수에서 임피던스가 급격히 높아졌다 낮아지는 피크 구간이 있어서, 스펙상의 공칭임피던스로 예측할 수 있는 것보다 더더욱 "구동이 어렵다"고 합니다.
다만 "구동이 어렵다/쉽다"는 정성적인 개념이기 때문에, 이에 객관적으로 대응하는 정량적인 척도가 무엇인가에 대해서는 완벽한 합의가 없습니다. 이를 감안하여 이 논의에서는 "구동이 어렵다 = 더 높은 전압이나 더 큰 전류를 요구한다"라는 일반적 통설을 받아들여서 이를 검증해보고자 합니다.
만약 임피던스가 치솟는 주파수, 즉 드라이버의 공진주파수에서 헤드폰 구동이 어려워진다는 속설이 사실이라면, 해당 주파수 대역의 사인파를 재생할 때 헤드폰에 걸려있는 전압과 전류 모두, 혹은 둘 중 하나라도 확연하게 치솟는 결과를 측정을 통해서 확인할 수 있어야 합니다.
2. 실험도구 및 방법
2.1. 실험도구
멀티테스터
온라인 톤제네레이터 사이트(https://onlinetonegenerator.com)
DAC/AMP - 그레이스디자인 M903
헤드폰 - 베이어다이나믹 T1 1세대 (개인 MOD)
실험 대상 제품의 임피던스 응답은 아래 그래프의 파란색 곡선과 같습니다.
2.2. 실험 방법
PC와 톤제네레이터 사이트의 볼륨을 최대로 설정하고, USB 2.0으로 연결된 M903의 볼륨을 내부의 게인 상승 스위치가 개입하기 직전의 최대 볼륨인 "96"으로 설정합니다.
사인파의 주파수를 2배씩 증가시키면서 (+1옥타브) 우측 유닛에 걸려있는 전압과 전류를 측정했습니다.
전압은 앰프 헤드폰 출력단자의 그라운드 극과 우측 신호극에 멀티테스터의 탐침을 연결하여 측정하였으며, 헤드폰이 연결되어있지 않을 때(無), 탐침과 병렬로 연결되어 있을 때(有) 둘 다의 경우를 측정했습니다.
전류는 앰프에서 나오는 우측 신호선을 절단하고 멀티테스터기의 탐침을 직렬로 연결해서 측정했습니다.
3. 실험 결과 및 해석
주파수 | 전압 (헤드폰 無) | 전압 (헤드폰 有) | 전류 |
20Hz | 1.863V | 1.857V | 2.30mA |
40Hz | 1.903V | 1.899V | 1.70mA |
80Hz | 1.913V | 1.912V | 1.48mA |
160Hz | 1.915V | 1.913V | 1.82mA |
320Hz | 1.916V | 1.913V | 2.30mA |
640Hz | 1.916V | 1.912V | 2.70mA |
1280Hz | 1.909V | 1.904V | 2.84mA |
측정된 모든 주파수에서 전압은 거의 변하지 않았습니다.
헤드폰이 있든 없든, 임피던스가 어떠하든 전혀 무관했습니다. 임피던스가 가장 높아지는 지점인 80Hz에서 전압 상승량은 그보다 낮은 대역인 20Hz를 비교하면 대략 3%, 공칭임피던스에 대응하는 1280Hz와 비교하면 0.4% 밖에 안 됩니다.
반면에 전류량은 상대적으로 크게 변했습니다.
임피던스가 가장 높아지는 80Hz에서 전류량이 거의 반절인 52%로 줄었습니다.
소비전력은 얼마나 될까요? P = VI로 계산하면,
80Hz에서, 1.48mA x 1.912V = 2.830mW
1280Hz에서, 2.84mA x 1.904V = 5.407mW
임피던스가 가장 높아지는 80Hz에서, 오히려 소비전력이 반절 가까이 줄었습니다.
앰프의 볼륨값은 96으로 고정되어 있기 때문에, 공진점에서 재생되는 음량은 그대로입니다.
실측된 전압값과 전류값을 R = V/A 공식에 대입하면 헤드폰의 임피던스를 계산해낼 수 있습니다.
80Hz에서, 1.912V / 1.48mA = 1292Ω
1280Hz에서, 1904V / 2.84mA = 670Ω
개조의 영향인지 제품편차인지 모르겠지만 제 T1.1 헤드폰은 스펙이나 영디비 측정치보다 임피던스가 약간 높다는 것을 알 수 있습니다. 다만 80Hz인근을 피크로하여 높아졌다 낮아지는 패턴은 그대로인 것 같습니다.
4. 결론
검증하려했던 가설인 "임피던스가 높아지는 주파수에서는 더 큰 전력이 필요하다"는게 만약 사실이었다면, 80Hz 지점에서 다른 주파수 대비 더 높은 전압이나 전류가 인가되는 것을 확인할 수 있었어야 합니다. 그러나 실측에 따르면 전압은 주파수에 관계 없이 일정하게 유지되었고, 전류는 임피던스와 반비례하여 줄어들었습니다. 그 결과 임피던스가 가장 높아지는 주파수에서 헤드폰은 적은 전력을 소모하면서 동일한 음압을 냈습니다.
헤드폰의 주파수 응답이 평탄하다고 가정할 경우, dB/V로 표기되는 음압감도는 모든 주파수 대역에서 일정하게 유지되는 반면, dB/mw로 표기되는 음압감도는 임피던스 응답과 비례하여 변화합니다. 즉 임피던스가 높아지면 감도dB/mw도 높아집니다. 그러니 임피던스 피크에서 오히려 구동이 쉬워진다는 해석도 가능합니다.
다만 "구동이 어렵다 = 더 높은 전압이나 더 큰 전류를 요구한다"라는 통설이 정말로 올바른가는 또다른 문제입니다. 더 적은 전류와 전압을 소모하면서도, 음질에 관계된 무언가를 더 "어렵게" 하는 요인들은 얼마든지 있을 수 있기 때문입니다. 구동의 어려움에 대한 해명과 관련해서 이 실험의 의의는 그저 "공진점에서 급격히 치솟는 임피던스 피크에 대응하기 위해서 더 높은 전압이나 더 큰 전류가 필요한 것은 아니다." 선에서 마무리된다고 생각합니다.
다만 측정 결과를 종합해봄으로써, 전압이 재생 컨텐츠와 앰프의 볼륨위치에 의해서 고정값으로 주어지는 독립변수이고, 전류는 옴의 법칙(V = IR)에 의거해서 드라이버의 임피던스(매개변수)에 반비례관계로 결정되는 종속변수라는 사실을 확인할 수 있었습니다.
5. 올바른 헤드폰 파워 계산을 위한 첨언
요즈음 웹상에서 헤드폰 파워 계산기를 편리하게 사용할 수 있습니다.
그러나 계산기가 아무리 뛰어나도 잘못된 값을 넣으면 말짱 무쓸모입니다.
흔히 잘못 사용하는 사례를 들어보겠습니다:
1) 내가 얻고 싶은 최대음량 dB(spl)을 정한다.
2) 제품 스펙표에서 dB/mw로 표시되는 감도값을 참고하여 필요한 파워mw를 계산한다.
3) 임피던스 응답그래프에서 가장 높은 값과 필요파워를 옴의 법칙 수식에 대입하여 필요한 전압V를 계산한다.
...이렇게 하면 안 됩니다.
dB/V값은 고정되어 있고, dB/mw값은 임피던스에 따라서 변화하기 때문입니다.
스펙에 명시된 dB/mw는 가장 낮은 공칭임피던스를 기준으로 하는 값이고, 임피던스가 높아지는 공진점에서 dB/mW는 다르게 측정됩니다. 그러니 공칭임피던스를 기준으로 명시된 dB/mw값을 공진점의 임피던스에 대입하면안 되는 겁니다. ASR에서 공진점에서 높아지는 임피던스를 마치 "숨겨진 진짜 임피던스"라고 하는데, 말도 안되는 헛소립니다. 임피던스는 가장 낮은 지점의 값이 가장 중요한 정보이고 진짜 임피던스입니다.
올바른 방법A
1) 내가 얻고 싶은 최대음량 dB(spl)을 정한다.
2) 제품 스펙표에서 dB/mW로 표시되는 감도값을 참고하여 필요한 파워mW를 계산한다.
3) 스펙상의 공칭임피던스와 필요파워를 옴의 법칙 수식에 대입하여 필요한 전압V를 계산한다.
올바른 방법B
1) 내가 얻고 싶은 최대음량 dB(spl)을 정한다.
2) 제품 스펙표에서 dBspl/V로 표시되는 감도값을 참고하여 필요한 전압V를 계산한다.
수정 2024.04.23: T1의 임피던스 그래프 재첨부
댓글 34
댓글 쓰기전기밥 많이 먹게 만든게 아니라 복잡한 환경에서 고장나지 말라고 그리 만든걸로 알고 있어요.
요즘은 모바일 환경이라 전기를 조금 먹게 만들뿐...
헤드폰도 엄밀히 스피커인데, 라우드 스피커와 매한가지가 아닐까요?
임피던스가 높아질 수록 구동은 오히려 쉬워지는게 아닌가 생각합니다.
보통, 헤드폰 음량이 안 나오는 걸 구동이 어렵다고들 해온 관성인 듯 합니다.
저는 개인적으로 음량 확보와 구동은 조금 다른 느낌으로 이해하고 있습니다.
비슷한 음량에서도 임피던스가 높은 것들이 다스리기 더 편하다고 느끼고요.
임피던스가 낮은 것들이 오히려 붕붕거리거나 잉잉거리며 질질 끌리는 느낌?;
임피던스 변화 폭이 큰 것들은 어떻게 해석해야 할지 잘 모르겠습니다.
잘 아시는 분 조언을 슬쩍 기다려 봅니다.
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=pysep17&logNo=203134473&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
이 링크의 글이 그나마 가장 쉽게 풀어진 것 같습니다. 헤드폰에서는 이 부분이 문제가 된 제품을 아직까지는 본 적이 없습니다. 있다손 치더라도 보통은 헤드폰 수준에서는 충분히 큰 출력을 가진 거치형 앰프를 사용하기도 하고, 기본적으로 이어폰/헤드폰은 미니멈페이즈에 가깝기 때문에 별 문제 없다고 봅니다.
우와 링크 자료 넘 좋네요!!!
링크에 있는 다양한 스피커들의 위상각 & 임피던스 그래프를 살펴보고 문득 발견한 사실인데, 공통적으로 임피던스 그래프를 미분하면 위상각 그래프가 나오는 것 같습니다? (임피던스 그래프의 기울기 ≈ 위상각)
"앰프는 위상각이 큰 주파수에서 어려움을 겪으며, 임피던스가 낮은 주파수에서 어려움을 겪는다."
제 발견과 링크 글에 써 있는 이 말이 사실이라면, 임피던스 피크의 정상은 임피던스 그래프의 기울기가 0이기 때문에 위상각도 작고, 임피던스도 가장 높기 때문에 구동이 쉬운 지점이 됩니다. 그러다 앞뒤의 오르막과 내리막에서는 위상각 & 리액턴스가 크게 벌어져서 앰프가 고생을 좀 하고요, 바닥까지 내려오면 임피던스가 낮아져서 대전류를 소모하긴 하지만 위상각 & 리액턴스는 안정적으로 됩니다.
임피던스 피크의 Q값이 중요한 정보인게, 피크 높이까지 얼마나 가파르게 오르내리는가를 표시하는 값이기 때문에, 피크의 높이와 무관하게 Q값이 커서 형태가 뾰족하면 위상이 많이 틀어지게 되는군요. 만약 높은 Q값을 갖고 아래로 푹 꺼지는 임피던스 딥이 있다면 앰프 입장에서는 이게 최악이겠네요. 임피던스가 점점 낮아지는데 기울기(리액턴스)도 점점 가파르게 되니까요.
"만약 높은 Q값을 갖고 아래로 푹 꺼지는 임피던스 딥이 있다면 앰프 입장에서는 이게 최악이겠네요. "이게 링크글처럼 스피커에서는 아주 흔해서 문제가 좀 되는데, 헤드폰에서는 idletalk님께서 본문에 써두신대로 크게 의미를 둘 필요는 없을것 같아요. 200hz이하 저음낼때 출력부족상황만 안나오도록 여유있게 앰프 구성해두면 어지간하면 구동에 문제있는 상황은 안나오지 싶습니다. 헤드폰에서의 저음 품질은 100hz이하의 그룹딜레이 부분만 좀 잘 체크해도 크게 문제될것이 없을것 같아요.
다이나믹 드라이버 하나로 풀레인지를 거의 감당할 수 있다는게 이어폰&헤드폰이 가진 장점 중 큰 부분을 차지하는 것 같습니다. 멀티드라이버로 조금 더 확보한 대역폭이 크로스오버 네트워크가 초래하는 온갖 "난장판(?)"을 감수할 만큼의 가치가 있을지에 대해서는 개인적으로 참 회의적이었습니다만, "난장판"의 실체를 조금 알고나니 두려움이 좀 덜어지네요. 임피던스 그래프에 딥이 있어도 "U"처럼 생겼지 "Y"처럼 생기지 않았다는게 참 다행입니다.
낮익은 내용이 네이버에 있어서 흠칫 했네욬ㅋㅋ
저기가 아마 원래 저작자네 블로그일 듯요
문한주(레이커)님 글이군요. 원글 링크 감사드립니다! 2004년 글에 2018년까지 답글을 달아주고 계셨네요. ㄷㄷㄷ
"스피커와 앰프의 관계와 헤드폰과 헤드폰 앰프의 관계는 다른 점이 있습니다"라는 마지막 답글의 내용이 참 의미심장합니다. 진실은 다시 미궁 속으로 빠지는 것인지...?
너무나도 좋은 자료예요!! ㅠ.ㅜ
감도와 임피던스에 상관성이 없음에도 임피던스 높은 헤드폰이 우연의 일치인지 소리가 작은 편이지만 그건 그만큼 올려주면 될 뿐이지만,
음량이 크든 작든 임피던스부터 낮아버리면 이상발열이나 배터리 소모량 같은거부터 딱 티가 나는게 영 찜찜하더라구요
음량확보와 구동이 별개라는건 헤드파이 구력 높으신 분들은 다들 동의하시는 부분 같습니다.
그런데 이 얘기는 "음량은 나오지만 구동이 어려워"라는 맥락에서만 자주 등장하지, "음량이 안 나오지만 생각보다 구동하긴 쉬워"라는 맥락으로 쓰이는 경우는 거의 없던거 같습니다.
음량은 나오지만 구동이 어려워 -> W100,
음량이 안 나오지만 생각보다 구동하긴 쉬워 -> HD650 / K501
이렇게 되네요.
HD650을 선택한 건, 음량 확보와는 별개로 구동이 매우 쉽다고 여겨서였습니다.
출력으로 밀어부치면 나머지는 헤드폰이 알아서 하는 느낌이라 간편하거든요.
뭐, 옛날에야 임피던스가 높으면 구동하기 어렵다고들 했지만 그건 어디까지나
헤드폰단 출력이 한두자리 mW 수준인 휴대용 기기들이 많았을 때의 얘기라서.
볼륨 확보조차 안 되니 구동을 논할 여건이 아니긴 했지요.
그 시절에 HD650이 구동이 쉽다고 하면 헛소리로 치부되기 십상이었죠.
감사합니다. 막연했던 개념이었습니다.
이어폰/헤드폰쪽에서 발생하는 본문정도의 임피던스 피크 정도로는 스피커쪽처럼 위상특성이 난장이 나질 않기때문에 idletalk님께서 말씀하시는 부분에 많이 공감이 됩니다. 포칼 유토피아같은 제품이 좀 아슬아슬해 보이긴 합니다만 이 제품도 위상 틀어짐이 최대 40도 수준밖에 안되어서ㅎㅎ 이어폰/헤드폰은 미니멈페이즈에 가깝게 동작한다고 하는데, 더더욱 저정도의 위상틀어짐은 신경안써도 되겠지요. 스피커쪽은 양상이 좀 많이 달라진다고 보지만, 이어폰/헤드폰에 한정한다면 본문의 내용에 100%공감합니다.
2옴 미만의 낮은 출력임피던스를 가지면서, 안정적인 전원 공급을 위해 요구출력의 4배정도 여유를 가지는 앰프를 선택하는 경우 어지간한 헤드폰들 운용에는 크게 무리가 없다고 보고 있습니다. 사실 아톰이나 O2 앰프가 등장할때 꽤 충격적이었습니다. 입문당시 유행하던 앰프들과는 비교하기 어려운 성능이 단돈 10만원정도에ㄷㄷ
자작을 해보고 싶은 입장에서 아톰은 SMD 부품도 박혀있으니 좀 그렇고,
O2 앰프를 하드와이어링으로 만들어볼까 생각을... ㅋㅋㅋㅋㅋ
중저음 주파수 대역의 임피던스 피크는 올라갔다 내려오지만 고역쪽에서는 올라가기만 하고 내려오지를 않으니 중저음 대역에서의 피크와는 다른 현상입니다.
중저음쪽의 임피던스 피크는 진동판의 물리적 공진주파수를 나타냅니다. 그 주파수에서는 진동판이 작은 힘으로도 펄럭펄럭 더 잘 움직인다는 의미입니다. 그네를 밀 때 그네의 왕복 타이밍에 맞추어서 힘을 주면 작은 힘으로도 휙휙 잘 움직이게 말 수 있지만 타이밍을 맞추지 않으면 잘 움직이지 않는 것과 같은 이치입니다.
이 대역에서는 임피던스가 높아서 다른 대역보다 적은 전류가 흐르지만, 공진주파수에서는 작은 힘으로도 진동판이 잘 움직이기 때문에 음압저하가 나타나지 않습니다. 다만 앰프와 헤드폰 사이에 저항을 넣는다던가 전류구동앰프에 연결한다던가 해서 임피던스 그래프에 무관하게 모든 주파수대역에 같은 양의 전류가 흐르게 만들면 모든 대역을 같은 힘으로 움직이게 되고 공진주파수에서는 진동판이 너무 심하게 펄럭이게 됩니다. (큰 변위 = 큰 음압)
그래도 임피던스 그래프가 오르락내리락하는데 주파수 음압 응답이 평탄하다면, 저항이 높은 주파수에서 작은 힘으로도 충분히 큰 소리(큰 변위)가 나고 저항이 낮은 곳에서는 큰 힘으로도 적당히 작은 소리(작은 변위)가 나서 전체적인 톤밸런스가 맞아떨어지게끔 알아서 튜닝이 되어 있는 거기 때문에 걱정하지 않으셔도 됩니다.
예전부터 저음역대 임피던스 피크를 원활하게 구동하기 위해서는 그보다 높은 전압, r70x를 예로들면 이
제품은 저음역대 공칭 임피던스 피크가 1100옴이므로 전압은 목표음량 115dBspl 기준으로 산정 후 요구출력량 6.6Vrms / 요구전력량 6.0mArms 라서 최소 7Vrms 이상의 앰프 전력이 필요하다고 알고있었던 저의 통념을 뒤집어버려서 얼얼하네요.
사실 이 글은 어쩌다보니 3부작(?) 중 중간 부분입니다.
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문제제기: https://www.0db.co.kr/FREE/1771393
응용: https://www.0db.co.kr/REVIEW_USER/2078165
저는 전기공학이니 회로니 앰프자작이니 그런데까지는 안 가봐서 완전 짐작일 뿐이지만,
임피던스 울룩불룩한 기복이 클수록 그래도 출력단을 성가시게 하는 뭐가 있기는 있겠지 싶습니다
하지만 아무리 고저차가 크더라도 akg, 오디지, 하이파이맨의 문제적 모델 몇놈처럼 저임피던스와 저능률 둘 다에 단순히 해당할 뿐인 헤드폰보다는 사정이 덜 어려울 것 같기도 하네요