마이크로폰 감도

왜 배우는가: 마이크로폰 감도는 소음계가 전기 신호를 음압으로 환산할 때 쓰는 교정 값이라 소음 측정의 출발점이다. 실무에서도 측정 전 교정 확인이 기본 절차이고, 시험에서는 감도의 정의와 dB 환산 계산을 함께 묻는 경우가 많아 두 가지를 모두 익혀야 한다.

출제 이력: 제122회 3교시 6번, 제96회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

마이크로폰 감도는 진동막에 작용한 음압 대비 개방회로 출력전압의 비이며, 단위는 V/Pa이다.

마이크로폰 감도는 소음계가 전기 신호를 음압으로 환산할 때 반드시 필요한 교정 값이다. 소음계는 마이크로폰이 출력한 전압을 음압으로 바꾸어야 dB 값을 표시할 수 있으므로, 감도를 알지 못하면 측정 전압으로부터 음압레벨을 구할 수 없다. 따라서 감도는 마이크로폰 부품의 특성이면서 측정 결과 전체의 정확도를 좌우하는 기준이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 음압감도: 진동막 위치에 실제로 작용하는 음압을 기준으로 한 감도이다.
• 음장감도: 마이크로폰을 놓지 않은 상태의 음장 음압을 기준으로 한 감도이다.
• 자유음장감도: 반사가 없는 자유음장에서 정의한 음장감도이다.
• 확산음장감도: 음 에너지가 고르게 퍼진 확산음장에서 정의한 음장감도이다.
• 음압감도레벨: 기준 감도 1 V/Pa에 대한 상대 dB 값이다.
• 개방회로 출력전압: 부하 전류가 흐르지 않는 조건에서 얻는 출력전압이다.

2. 개념 풀이

마이크로폰 감도는 개방회로 출력전압 e를 진동막에 작용하는 음압 p로 나눈 값이다. 식으로 쓰면 아래와 같다.

$M = e / p$

여기서 M은 감도(V/Pa), e는 출력전압(V), p는 음압(Pa)이다. 감도는 입력 음압에 대해 출력이 얼마나 큰지를 나타내므로, 같은 음압에서 출력이 큰 마이크로폰일수록 감도가 크다. 출력전압은 감도와 음압의 곱이므로 e = M imes p의 선형 관계가 성립한다. 음압이 2배가 되면 출력전압도 2배가 된다. 이 선형성 때문에 감도를 dB가 아니라 Pa 단위로 정의하는 것이 원리상 적절하다.

음압감도와 음장감도는 정의하는 음압이 다르다. 마이크로폰이 음장에 놓이면 진동막 주변에서 음파가 산란하므로, 진동막에 실제로 작용하는 음압과 마이크로폰이 없을 때 그 자리의 음압은 다르다. 전자가 음압감도이고 후자가 음장감도이며, 음장감도는 자유음장과 확산음장 조건에 따라 자유음장감도와 확산음장감도로 나뉜다. 녹음용 마이크로폰은 음압감도를, 측정용 마이크로폰은 용도에 따라 음압감도 또는 음장감도를 제시하는 것이 일반적이다.

정전형 마이크로폰의 원리는 다음과 같다. 진동막과 고정된 백플레이트는 축전기를 이루며, 음압으로 진동막이 움직이면 두 극판 사이 간격이 변해 정전용량이 바뀐다. 이때 분극전압으로 전하량을 거의 일정하게 유지하면 정전용량 변화가 전위 변화로 나타나 출력전압이 된다. 감도는 진동막의 탄성과 질량, 백플레이트와의 간격, 분극전압에 따라 정해지므로 같은 음압이라도 제품마다 출력이 다르다.

음압감도레벨은 기준 감도 M_0 = 1 V/Pa에 대한 상대 레벨이다.

$L_M = 20 log_{10}(M / M_0) dB$

기준 감도 기준 감도 1 V/Pa(0 dB)는 실제 마이크로폰 감도보다 훨씬 큰 값이므로, 실제 감도는 대부분 1 V/Pa보다 작아 레벨이 음수로 나온다. 레벨이 0 dB에 가까울수록 같은 음압에서 더 큰 출력을 준다는 뜻이다. 예를 들어 -60 dB는 -70 dB보다 감도가 높다.

음압의 dB 값은 L_p = 20 log_{10}(p / p_0)이며, 기준 음압 p_0는 20 μPa로 정의한다. 감도 측정에는 1 kHz 정현파에서 음압레벨 94 dB, 즉 1 Pa을 쓴다. 감도 측정의 기준 조건은 94 dB = 1 Pa, 1 kHz이다.

개방회로 조건에서 출력전압을 재는 이유는 마이크로폰 출력 임피던스보다 입력 임피던스가 약 10배 이상 커서 부하 전류를 무시할 수 있기 때문이다. 이 조건에서 얻은 출력이 마이크로폰 자체의 특성만 반영하므로 제품을 비교하는 일관된 기준이 된다. 감도는 주파수에 따라 달라지므로 1 kHz에서 값을 대표로 제시하고, 나머지 주파수 특성은 주파수 응답 곡선으로 따로 나타낸다.

3. 등장 배경과 필요성

음향 측정은 음압을 Pa 단위로 다루어 선형 관계를 쓰지만, 소음 측정 결과는 dB로 표시한다. 소음계는 마이크로폰이 낸 전압을 음압으로 환산한 뒤 음압레벨을 계산하므로, 환산에 쓰이는 감도 값이 소음계에 반드시 입력되어야 한다. 감도가 측정 체계의 기준값 역할을 하게 된 배경이 여기에 있다.

감도 값은 장치의 수명 동안 변할 수 있다. 낙하나 허용 수준을 넘는 음압 노출 같은 사건 뒤에는 특성이 바뀔 수 있으므로, 측정용 마이크로폰은 주기적으로 교정하고 충격을 받은 뒤에도 다시 확인한다. 교정 결과는 국가 측정기관의 1차 표준까지 거슬러 올라갈 수 있어야 신뢰된다. 이 성질을 소급성이라 하며, 교정 체계 전체의 신뢰를 떠받치는 원리이다.