노이즈 캔슬링 헤드폰은 어떻게 조용함을 만들까?
노이즈 캔슬링 헤드폰은 방 전체를 조용하게 만들지 않습니다. 귀 가까이의 음압을 다듬을 뿐입니다. 이어 쿠션의 밀폐, 마이크, 신호 처리, 드라이버를 따라가며 착용감이 왜 중요한지, 일정한 저음이 왜 더 줄이기 쉬운지, 음악 재생과 주변음 모드가 어디에 들어맞는지 살펴봅니다.
이 영상에는 철도 실사 영상, AI로 생성한 가상의 인물과 객실 장면, 사진을 참고해 만든 헤드폰 모형이 함께 들어 있습니다. 내부 경로, 드라이버 단면, 파형은 측정 성능이나 정밀한 설계도가 아니라 단순화한 그림입니다. 이 모형이 모든 헤드셋에 해당하는 설계는 아닙니다. 자막은 영어, 한국어, 스페인어, 일본어로 제공됩니다.
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조용함은 국소적이다
기차는 달리고 환기 장치는 돌아가며 낮은 객실 소음이 이 사람 주위를 채웁니다. 그녀가 노이즈 캔슬링 헤드폰을 쓰자 웅웅거림이 한발 물러난 듯합니다. 헤드폰이 객실을 완전히 조용하게 만들거나 모든 곳의 소리를 지운 것은 아닙니다. 헤드폰은 귀 근처의 좁은 공간에 도달하는 압력 변화의 양상을 바꾼 것입니다.
어떻게 그런지 보려면 같은 사람과 같은 헤드폰에 집중해 봅시다. 먼저 전자 장치가 개입하기 전에 귀에 도달하는 소리부터 살펴봅시다. 팬이나 엔진은 근처 공기를 앞뒤로 움직여 압력 변화를 객실 안으로 전달합니다. 공기가 입자 한 덩어리를 엔진에서 헤드폰까지 통째로 나르는 것은 아닙니다.
각각의 작은 입자 무리는 원래 위치 근처에서 진동하고 압력 변화는 계속 퍼져 나갑니다. 헤드폰은 귀에 도달하는 이 압력 변화의 양상을 감지하고 바꿔야 합니다.
첫 번째 층은 밀폐
마이크나 프로세서가 작동하기 전부터 귀를 덮는 이어컵과 쿠션이 소리가 들어오는 길을 바꿉니다. 쿠션이 귀 주위를 눌러 바깥 소리가 쉽게 들어오지 못하게 합니다. 이것이 수동 차음입니다. 다른 음파를 만들지 않고 귀에 밀착하는 것만으로 소리를 일부 막습니다. 이제 같은 이어컵의 바깥 덮개가 열리는 모습을 봅시다. 머리띠와 쿠션, 귀는 제자리에 있습니다.
안쪽에는 소리를 가르는 판인 배플과 소리를 내는 드라이버, 귀를 둘러싼 밀폐 공간이 보입니다. 귀에 얼마나 잘 밀착되는지는 설정값만으로 정해지지 않습니다. 머리 모양과 패드가 닿는 방식에 달려 있습니다. 안경다리를 쿠션 아래로 넣으면 그 접촉 부분에 좁은 틈이 생깁니다. 틈이 생기면 바깥의 압력 변화가 컵 안으로 더 쉽게 전달됩니다. 특히 원래 차음 효과가 있던 소리가 새어 들어옵니다.
능동 제어는 감지한 소리에 맞춰 조절하지만 모든 착용 상태를 같게 만들 수는 없습니다. 그래서 귀에 밀착해 소리를 막는 구조와 능동 제어가 서로 다른 역할을 맡아 두 겹으로 소음을 줄입니다.
방이 아니라 하나의 목표 지점
귓구멍 바로 바깥 공기에 아주 작은 측정 지점을 둔다고 상상해 보세요. 그 지점에 도달한 객실 소리의 압력은 시간에 따라 변합니다. 드라이버는 같은 공기에 또 다른 압력 변화를 더할 수 있습니다. 두 압력 변화의 시점과 세기가 맞으면 목표 지점에서 서로를 일부 상쇄합니다.
이때 남은 압력 변화가 잔여 소음이며 이를 줄이는 것이 목표입니다. 역위상이라는 말은 두 파동의 관계를 간단히 표현한 것입니다. 듣는 지점에서 줄이려는 주파수마다 이 관계가 맞아야 합니다. 반대 주파수를 고르는 것만으로는 부족합니다. 상쇄는 위상, 진폭, 타이밍, 음향 경로에 달려 있습니다. 파동이 소리의 근원을 없애지는 않으며 두 파동이 합쳐진 결과도 위치마다 다릅니다.
목표 지점을 조금만 옮겨도 균형이 달라질 수 있습니다. 그래서 이 시연은 객실 전체를 조용하게 그리지 않고 한쪽 귀 근처 작은 영역에 집중합니다. 원리를 알아보도록 작은 음량으로 잠깐 비교해 들어 보세요. 일정한 웅웅거림은 남아도 그 자리의 잔여 소음은 줄어듭니다. 원리를 보여 주는 데 놀랄 만한 소리는 필요 없습니다.
한쪽 컵 안의 하이브리드 경로
이제 열린 헤드폰 안으로 들어가 봅시다. 바깥 껍데기에서 쿠션을 지나 귀 주변 공간으로 갑니다. 여기서 설명하는 혼합 방식에서는 바깥 마이크가 다가오는 객실 소음을 감지합니다. 그 전기 신호는 컵 안쪽 회로 기판에 달린 프로세서로 갑니다. 프로세서는 헤드폰의 소리 전달 경로를 고려해 드라이버로 보낼 보정 신호를 추정합니다.
드라이버는 진동판을 움직여 컵 안에 제어된 압력 변화를 만듭니다. 귓구멍 근처에서 안쪽을 향한 마이크는 바깥 소리와 드라이버 소리가 합쳐진 뒤 남은 소음을 감지할 수 있습니다. 이런 구조에서는 측정 결과를 프로세서에 되돌려 보내 다시 제어에 반영할 수 있습니다. 이제 바깥 마이크와 프로세서, 드라이버, 귓구멍 근처의 잔여 소음 측정 마이크, 신호가 돌아오는 경로가 하나로 이어집니다.
실제 헤드폰은 다릅니다. 바깥 소리를 미리 감지하거나 안쪽에 남은 소리를 측정하며 두 방식을 함께 쓰기도 합니다. 마이크 수와 위치, 신호를 걸러 내고 조정하는 방식은 제품별 음향 설계에 따라 다릅니다. 쿠션이나 껍데기, 전자 장치를 바꾸면 음향 경로가 달라져 다시 튜닝해야 할 수 있습니다. 이 단면도는 혼합 방식의 한 예입니다. 모든 브랜드가 같은 설계도를 쓰지는 않습니다.
어떤 소리가 먼저 줄어드는 이유
기차 소음으로 돌아가 봅시다. 비교적 천천히 변하고 시스템이 따라갈 만큼 오래 지속됩니다. 팬이나 도로의 울림, 항공기 객실 소음에는 이처럼 일정한 저주파 성분이 흔히 들어 있습니다. 제어기는 지속되는 패턴을 측정하고 곧 어떻게 변할지 예측해 알맞은 보정 신호를 낼 수 있습니다. 갑작스러운 덜컹거림이나 가까운 목소리는 더 빠르고 예측하기 어렵게 변합니다.
주파수가 높으면 같은 시간 오차에도 위상이 더 크게 어긋납니다. 그래서 지연과 착용 상태의 영향이 더 커집니다. 쿠션도 소리를 일부 막아 줍니다. 능동 제어의 효과가 줄면 쿠션의 역할이 더 중요해질 수 있습니다. 두 방식이 함께 작동하기에 소음 제거는 대화나 날카롭고 짧은 소리보다 낮은 웅웅거림에 더 효과적인 경우가 많습니다. 대체로 그렇다는 뜻입니다. 모든 저음이 사라지거나 모든 고음이 그대로 들린다는 보장은 아닙니다.
헤드폰은 조정된 음향 경로 안에서 소음 감소량과 안정성, 전력 소비와 음질의 균형을 잡습니다. 회로에서 처리된 신호는 주파수와 용도에 맞춰 달라집니다. 모든 소리에 똑같이 적용하는 반전 신호가 아닙니다.
조용함, 음악, 주변 인식
소음 상쇄는 음악 없이도 작동할 수 있습니다. 외부 소리에 반응하기 때문입니다. 이제 같은 드라이버에 별도의 음악 신호를 더해 봅시다. 드라이버는 듣고 싶은 음악과 객실의 잔여 소음을 줄이기 위한 보정 신호를 함께 소리로 냅니다. 두 신호의 목적은 다릅니다. 하나는 노래를 들려주고 다른 하나는 주변 소음의 일부를 줄입니다.
음악을 다시 끄면 헤드폰과 모드에 따라 상쇄 기능은 계속될 수 있습니다. 외부 소리 듣기 모드에서는 목표가 바뀝니다. 마이크와 신호 처리로 바깥 소리를 더 많이 들려줍니다. 단순히 반대 파형을 더 크게 트는 게 아닙니다. 목소리와 주변 소리가 전달되는 방식을 조절할 수도 있습니다. 일정한 소음이 이어지는 출퇴근길엔 소리를 더 막고 대화나 주변 상황이 중요할 땐 더 잘 들리게 할 수 있습니다.
조작 방식과 모드는 제조사와 모델마다 다릅니다. 소음 상쇄용 마이크로 차음과 주변 소리 듣기의 정도를 조절하게 할 수도 있습니다.
남는 소리
회로 기판에서 다시 물러나 같은 헤드폰을 쓴 사람을 봅시다. 컵의 모양, 쿠션, 착용 상태는 여전히 중요하고 안경 주변의 작은 틈도 마찬가지입니다. 마이크는 자기 위치에서만 소리를 감지하고 프로세서는 설계와 시간의 한계 안에서 작동합니다. 변하는 목소리나 갑작스러운 충격음, 틈으로 들어오는 소리는 뚜렷한 잔여 소음을 남길 수 있습니다.
소니의 제품 안내서도 소음이 완전히 사라지는 게 아니라 줄어든다고 하며 저주파 성능을 강조합니다. 보스 역시 가까운 말소리는 일정한 배경 소음보다 줄이기 어렵다고 말합니다. 원리의 결함은 아닙니다. 실제 착용 상태와 소리 전달 경로에 맞춰 제어하는 데 시간이 걸려 생기는 한계입니다. 헤드폰은 기차의 웅웅거림을 멈추지도 객실의 압력 변화를 없애지도 않습니다.
수동 차음과 능동 제어로 특정 소리 성분을 줄여 듣는 사람의 귀에 남는 소음을 작게 만듭니다. 이런 조용함은 귀 근처에서 조건에 따라 얻는 효과입니다. 이어컵과 전자 장치가 함께 소음을 줄여 줍니다. 공기는 계속 진동하고 원하면 드라이버는 음악을 재생합니다. 외부 소리 듣기 모드를 고르면 주변 소리도 들을 수 있습니다. 일정한 웅웅거림이 덜 들릴 뿐입니다. 마법처럼 모든 소리가 사라진 건 아닙니다.
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출처
- Bose — how noise cancellation works: https://www.bose.com/stories/how-do-noise-cancelling-headphones-work
- Sony — noise cancellation and its limits (WH-XB900N guide): https://helpguide.sony.net/mdr/whxb900n/v1/en/contents/TP0002049996.html
- Analog Devices — Bowers & Wilkins case study: https://www.analog.com/en/signals/articles/bowers-wilkins-noise-canceling-headphones.html
- Analog Devices — audio algorithms and hybrid ANC: https://www.analog.com/en/solutions/lp/audio-algorithms-for-enhanced-conversation.html
- Cirrus Logic — CS47L85 datasheet, page 165: https://statics.cirrus.com/pubs/proDatasheet/CS47L85_v4.2.pdf
- FOOTAGE
- Mixkit — City train driving under a bridge (#1606): https://mixkit.co/free-stock-video/city-train-driving-under-a-bridge-1606/
- Mixkit — People getting into the subway train (#1623): https://mixkit.co/free-stock-video/people-getting-into-the-subway-train-1623/
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