마이크로폰 기초 이론

마이크로폰은 메카니칼(Mechanical) 에너지인 Acoustic 사운드웨이브를 일렉트리칼(Electrical) 에너지인 오디오 시그날로 전환 시키는일을 하는 것이다.

마이크는 하나의 Elctro acoustic trnsducer로서 불리우기도 하는데 Transducer 란 어떠한 하나의 형태를 취하는 에너지를 다른 형태의 에너지로 전환을 시키는 장치에 주어지는 이름이다.

Acoustic Mode of Operation
음원 으로부터의 어쿠스틱 사운드웨이브는 다음의 두가지중의 한가지로 마이크로폰의 다이아프램에 영향을 가하게된다.

1. Pressure Operation
2. Velocity Operation

Pressure operation

프레셔 방식에 의하여 작용하는 마이크로폰 다이아프램은 공기내의 사운드 웨이브의 압력의 변화에따라 그 작용을 일으킨다.

이들 방식의 다이아프램의 구조는 그들의 하우징이 필히 공기를
차단시킬수 있는것으로한다.   그 것은 하나의 얇고 가벼운 다이아프램이 그들 하우징의 내부의 공기와 외부로부터의 공기를 차단 분리시키는 것이다.

하우징에는 아주 작은 vent 홀이 자리를 하고있는데 이들의 목적은 단지 하우징 내부의 공기압과 그 외부의 공기압을 동일하게 하기 위한 것이며 다이아프램의 하우징내의 공기를 차단 하는데에는 그 어떠한 문제적 영향을 주지않는다.  그리고 이들은 단지 공기가 양방향으로 서서히 흐르는 것 만을 허용하며 그들 작은 구멍은 오디오 주파수상의 공기가 전해지거나 빠져나가도록 하기에는 너무 작은 크기임으로 문제가 되지않는다.

또한 하우징이 완전하게 밀봉이 되게되면 오디오 주파수들에 대한 프레셔 캡슐 상태를 내보이게된다. 그리고 프레셔 켑슐이 사운드 웨이브 에너지 흐름의 경로상에 위치하게되면 다이아프램의 움직임이 일어나게된다.

캡슐 밖의 압력이 하우징 내의 압력에 비하여 크게 나타날 경우에는 (compression) 그들 다이아프램이 안쪽을 향하여 움직이게된다.  그러나 그들 캡슐밖의 사운드 프레셔가 낮아지고 (rarefaction) 하우징내의 압력이 그보다 크게 나타날 때에는 그들 다이아프램이 바깥방향을 향하여 움직이게된다.

Velocity operation

벨로시티 방식에의한 작용은 그들 다이아프램에 전해지는 사운드 웨이브의 엠프리튜드 (amplitude) 와 주파수에 의하여 그들 작용이 결정된다.  하나의 얇고 가벼운 메탈 호일 립본이 고정체에 의하여 그들의 양끝이 고정되어 있는 경우 이들은 앞선 프레셔 방식의 다이아프램이 그들에 전해지는 압력의 변화에의한 움직임과 같은 방식으로 작용될수 없게된다.

예를들자면 프레셔 캡슐의 작은 벤트홀을 무시하게되면 다이아프램은 안쪽으로의 움직임 상태를 계속하여 유지하게되며 이러한 현상은 내부에 존재하는 압력보다 하우징 외부의 압력이 더크게 나타나는한 계속 유지되게된다.

그러므로 벨로시티 방식에의한 립본은 그어떠한 공기의 볼륨을 지니지 않으며 다음과 같은 방식으로 다이아프램이  움직임을 내보이게된다.

잠시 공기 분자들에대한 이론을 생각해보면 공기 분자들이 사운드 에너지의 진행 경로상에 위치할 경우 그들 에너지를 다른 위치인 뒤로 또는 앞으로 이동을 시키게된다. 즉 공기 분자는 높은 압력을 내보이는 컴프레션 지역으로부터 낮은 압력을 내보이는 곳으로 이동하는 것이다.  높은 압력을 내보이는 지역과 낮은 압력을 내보이는 지역의 압력 차이를 우리는 프레셔그라디엔트 (pressure gradient) 라고한다.

사운드 웨이브의 컴프레션 (compression)이 벨로시티 방식의 다이아프램에 정면으로 전해지면 다이아프램은 뒤로 움직이게되고
옆으로부터 전해질경우에는 그들이 아무런 움직임을 내보이지 않으며 뒤에서 전해질 경우에는 그들 다이아프램이 앞으로 움직이게된다.

그러나 프레셔방식 다이아프램의 경우에는 어느방향으로 전해지는가에 상관없이 다이아프램은 캡슐하우징의 안쪽으로만 움직이게된다.  그러므로 프레셔 방식 작용은 사운드 웨이브의 주파수와 그 엠프리튜드에 의해서만 그 움직임이 결정 된다.  이들의 움직임 작용을 일으키는 것은 particle 벨로시티로서 이것은 립본을 둘러싸는 공기내의 사운드 에너지 분자요소의 흐름에 대한 것이며 소리의 스피드에 대한 벨로시티와는 다른 것이다.

Directional Property

마이크로폰의 다이아프램에 전해지는 컴프레션 영향은 그다이아프램을 안쪽으로 움직이게하며 레어팩션의 영향은 다이아프램을 밖을 향하여 움직이도록한다. 그러므로 프레셔 방식으로 작동되는 마이크는 모든 방향으로부터 동일한 반응을 내보이게되는데 이러한 반응 형태를 우리는 Omni – directional (무지향성) 이라고한다.  프레셔 방식 작동 마이크들은 특히 저주파수에 대하여 무지향성 특성을 내보인다.

그러나 이와는 달리 립본의 경우에는 그들의 작용이 전면과 후면에만 영향을 받고 양쪽 측면으로부터는 그어떠한 반응을 내보이지 않는다는 것을 위에서 이야기 하였다. 이와같이  양 사이드쪽 두방향 으로부터 전해지는 영향에만  그 작용을 일으키는 형태를 우리는 B i -directional 또는 Figure of eight (쌍지향성)이라고한다.

이와 같은 쌍지향성 특성은 벨로시티 방식에 의하여 반응을 내보이는 마이크의 고유 특성이된다.

우리는
이러한 무지향성과 쌍지향성 특성을 기본으로하여 그 반응능력을 증가 또는 감소 시킴으로서 여러개의 다양한 패턴 (Cardioid, Super cardioid, Hyper cardioid등…)을 만들어 내고있다.

마이크의 방향성 특성과 그 패턴을 원형의 차트상에 나타내어 보다
쉽게 그에대한 이해를 돕고자 하는 것을 폴라 리스폰스 차트 (polar response chart) 또는 간단히 폴라 패턴 (ploar pettern)이라고 한다.

Omni – directional

모든 방향으로부터 전해지는 사운드에대한 반응을 내보이는것을 무지향성 이라고 한다.

그러나 이들의 완전한 무지향성 작용은 가장 이상적인 경우에 나타나는것이며 실제로는 이들의 반응이 항상 그와같은 완전한 무지향성 형태로 나타나는 것은 아니다.

무지향성 마이크가 상대하는 주파수가 고 주파수로 될수록 무지향성 마이크는  특정 방향에대한 그 반응 능력이 더 강하게 나타나게된다.  이러한 결과가 나타나는 이유는  그들 고주파수 웨이브 길이에대한 마이크로폰의 다이아프램과 그들 캐비넷의 크기의 상관 관계에  의한 것이다.

B i – directional
쌍지향성 패턴은 다이아프램의 전면과 후면 으로부터 전해지는 소리에만 그 반응을 내보이는 것으로  figure of eight 이라고도 불리우며 이러한 패턴은 립본 마이크의 전형적인 특징이 된다.

Uni – directional 또는 Cardioid 
지향성 반응은 그들의 반응이 한 방향에서만 나타나는 것으로  특히 마이크의  전면으로부터 전해지는 사운드에 대하여 특히 강한 반응을 내보이는 것이다. 이들의 패턴 모양이 사람의 심장 모양과도 비슷하다 하여 이들을 카디오이드 Cardioid라고 부르기도한다

Super – cardioid
이것은 카디오이드 패턴에 마이크 뒷편으로부터 전해지는 약간의 시그날 반응을 보이는 특성을 가리킨다.

이와같이 마이크가 다양한 패턴을 내보이도록 하는것은  마이크 패턴의 기본이 되는 무지향성 패턴과 쌍지향성 패턴을 조합시캬 만들어 내고있다.

무지향성 패턴특성에 어떠한 비율로 쌍지향성 패턴을 더하느냐에
따라  수퍼카디오이드, 하이퍼 카디오이드 등의 여러 가지 카디오이드 패턴을 얻을수있게된다.

Microphone Sensitivity

마이크로폰의 센시티비티 (감도) 란 그들 다이아프램상에 주어진 어떠한 사운드 압력으로부터 발생되는 마이크로폰의 출력 볼테이지를 측정한 값을 가리킨다.

예를들자면, 두 개의 마이크로폰의 다이아프램에 동일한 사운드 프레셔레벨이 주어질 경우 그들 마이크로폰중 보다 높은 볼테이지를 내보이는 것이보다  높은 센시티비티를 지니는 마이크가 된다.

보다 높은 센시티비티는 (감도 ) 사운드에 대한 마이크 반응의 예민한 정도를 이야기 하는 것이다.

EIA (Electronic Industry Association) Sensitivity
EIA 의 스페시피케이션은 1mW (0dB) 와 threshold of hearing 인 0dB SPL, 1kHz= 0.0002 dyne per sq,cm 에 대한 것을 가리킨다.
사운드 프레셔 레벨에 대한 파워 매칭상의 마이크로 부터 출력 파워 (dBm)를 얻기 위해서는 그들 특정 마이크에 간단히 이들 EIA값을 더하면 되는 것이다.

이를 예를들자면, -150dB EIA의 낮은 센시티비티를 지니는 마이크로폰의 경우 그들의 80SPL 상에서의 출력파워는 다음과 같이 된다.

EIA의 리퍼런스 레벨은 0dBm, 0dB SPL임으로 그 마이크가 80dB SPL상에서 내보이는 출력 파워는 -150 + 80 = -70dBm 이 된다.

Millivolt Per Pascal (mV/Pa) 또는 Open circuit voltage
이들 센시티비티 스페시피케이션은 주로 유럽쪽의 제조 회사들인 Sennheiser 또는 AKG 와 같은 마이크 제조 회사들이 사용하는 것이다.

마이크의 오픈 서키트 볼테이지는 사운드 프레셔 레벨에 비례하게 나타나며 종종 그들 마이크 자체보다는 보다 높은 임페단스에 대한  마이크의 작동에 적합한 것으로 마이크의 감도와 주파수 반응을 관찰하는데 사용하고있다.

이들 스팩은 주어진 SPL에대한 즉각적인 볼테이지 레벨에대한 반응이 어떠한가에 대한 아이디어를 전해주고 있다. 이 스팩은 다른 레벨로 전환되어 그 값을 읽는 것 또한 가능한데 그것은 그들간의 사운드 프레셔 레벨을 확인해보는 것으로 이루어 진다.

dB = 20log (pressure1/pressure2)
1 Pa은 10dyne/sq, cm임으로 이것은 1dyne/sq cm 프레셔의 10배와 동일하다. 그리고 이는 또한 1 Pa은 그들 1dyne/ sq, cm보다 20dB 높은 것이다.

CIRCUIT MATCHING

마이크로폰이 그들 다음 단계의 서키트인 마이크 앰프로 연결 되는데에는 다음 두가지 기본적인 서키트 구성을 사용하고 있으며 그들은 Voltage matched 와 Power matched 의 경우이다.

Voltage matching
이 조건은 엠프의 입력 임페단스가 마이크로폰 소스 임페단스의 몇 곱절이 되는 상태로 마이크로폰이 작동되도록 하는 경우이다. 이러한 볼테이지 매칭은  마이크의 주파수 특성을 유지하도록 하는데 주 목적이있다.

Power m atching
이 조건의 경우는 마이크로폰 엠프의 입력 임페단스가 마이크로폰 소스 임페단스와 비슷하게 나타나는 경우이다.
이 경우는 보다 많은 커렌트가 마이크로폰 으로부터 엠프의 입력 서키트에 의하여 얻어지게된다.
로드 임페단스로 연결되는 마이크 로부터의 출력 볼테이지는 다음에 의존하게되는데 마이크로폰의 다이아프램에 전해지는 사운드 프레셔 레벨과 마이크상의 no -load voltage 의 발생 또는 오픈 서키트 볼테이지 그리고 관련된 로드 임페단스 값과 마이크로폰 소스 또는 내부 임페단스 이다.

Output Level / 마이크로폰의 출력 레벨

마이크로폰의 출력 레벨은 볼테이지로 또는 dBm으로 나타낸다.

High impedance microphones 높은 임페단스 값을 내보이는 마이크로폰 ( 1K Ohm 이상의 값을내보이는 것)

하이 임페단스 마이크의 센시티비티는 주로 그들이 오픈 서키트 볼테이지 또는 노- 로드 볼테이지 값과 동일하게 나타나는 것을 가리킨다.

이들 측정을 위하여 사용되는 사운드 프레셔는 1microbar =
74dB SPL (1 dyne/sq. cm)가 된다.
아주 일부의 경우에 한하여 그들의 앱솔루트
볼테이지가 볼트로 또는 밀리 볼트로 나타내는 경우도 있으나 리퍼런스 레벨로로는 데시벨과 1볼트가 사용된다.

1volt = 0 dBV (여기에서 V가 가리키는 것은 리퍼런스
볼테이지가 1V임을 의미하는 것이다).

예를들자면 하나의 하이 임페단스 마이크의 센시티비티를 다음과같이 나타내낼수있다.

-60 dBV for 1 dyne/sq.cm = -60dBV for 74dB SPL

위의 수식이 나타내는 것은 마이크의 다이아프램상에 사운드 프레셔레벨이 1dyne/sq.cm로 나타날  경우 그들의 오픈서키트 출력 볼테이지가 -60dBV가 될것이라는 것이다.

이들의 실제 오픈 서키트 볼테이지는 다음과 같이 구할수있다.  볼테이지는 다음의 공식 dB = 20 log (V1/V2)을 이용하여 구하게 됨으로 이것을 잉요하면 다음과 같이된다.

-60dBV = 20 log (오픈 서키트 출력 볼테이지 / 리퍼런스 볼테이지)
-60 = 20 log (오픈 서키트 볼테이지 / 1volt)
log (오픈 서키트 볼테이지 / 1V), = -60 / 20, = -3
오픈 서키트 볼테이지 / 1V = 0.001

오픈서키트 볼테이지는 0.001 또는 1밀리 볼트로 된다.

위의 결과 값을 통해 우리가 정의 할수있는 것은 이 마이크로부터 1미터 떨어진곳에서 마이크에 직접적으로 이야기하는 사람에 대해 마이크가 내보이는 출력은 -60dBV 또는 1 밀리볼트 라는 것이다.

마이크의 출력 볼테이지의 변화는 그들 다이아프램상의 사운드
프레셔레벨과 비례하게 나타난다. 그럼으로  SPL이 두배로(+6dB) 증가하게되면 출력 볼테이지또한 그 두배인 +6dB의 증가를 내보이게된다.  그러나 여기에서 명심할 것은 우리는 현재 이들의 오픈 서키트 볼테이지에 관하여 이야기 하고있다는 것이다. 만일 마이크가 그들의 내부적 자체 임페단스와 동일한값의 임페단스를 지니는것과 연결이 되는 경우 그들의 출력 볼테이지는 그들 오픈 서키트 볼테이지의 절반 값으로 떨어지게된다.

Low Impedance Microphone (1k Ohm 이하의 임페단스를 내보이는 마이크로폰)

낮은 임페단스 마이크의 센시티비티는 마이크의 파워 매칭 조건에 의한 것이다. 이러한 조건하에서 로드 임페단스는 마이크의 내부 자체 임페단스와 같게 나타난다.  이조건은 그들 로드
(엠프의 입력) 내에 최대의 파워의 소모가 일어나도록 하는 것이다.

임페단스가 낮은 마이크의 출력 레벨은 1mW로 되며  0 dBm과 같다.  파워 매칭에서의 마이크의 출력 파워는 dBm을 사용해 그 값을  나타내도록 하고 있다.  스팩사의  사운드 프레셔 레벨은 10dyne per sq.cm, = 10 microbar, = 1Pa, = 94dB SPL 와 같이 된다.

임페단스 레벨이 낮은 마이크의 센시티비티에 대한 스팩은 다음과 같이 된다.

Audio Technica사의 모델 ATM21 마이크는 600옴의 임페단스를 지니고 있으며 센시티비티는 -60dBm ( 0 dB = 1mW/Pa)로 스팩에 표시되고있다.

이 스펙으로부터 우리는 다음의 사항을 이해할수 있게 된다.
이 마이크의 리퍼런스 레벨은 사운드 프레셔1pascal(=10dyne/sq.m)일때 1mW의 출력임을 나타내며 이것은  94dB SPL 이 된다.

또다른 사항은 이들의 내부 자체 임페단스가 600옴 이라는 것이다.  파워 매칭의 경우 마이크의 사운드 프레셔 레벨이 10dyne/sq.cm 이라할 때 마이크에 대한 센시티비티 스페시피케이션이 우리에게 이야기 하는 것은 것은 마이크의 로드내에 -60dBm 의 시그날 파워가 나타나게 될것이라는 것이다.

마이크로폰의 모든것 PART-2