측정용 마이크로폰은 외형이 비슷해도 같은 주파수 응답을 갖지 않는다. 무향실에서 제품 정면의 소리를 재는 경우, 밀폐 coupler 안의 압력을 재는 경우, 여러 방향의 반사가 섞인 실내를 재는 경우에는 카트리지에 필요한 보정이 다르다.
첫 질문은 “몇 인치 마이크인가”보다 마이크 위치에 어떤 음장이 형성되는가다.
카트리지는 압력을 전기 신호로 바꾼다
정전형 측정 마이크로폰은 얇은 diaphragm과 backplate 사이의 정전용량 변화를 이용한다. 마이크 감도는 보통 mV/Pa로 표시한다.
감도가 50 mV/Pa라면 1 Pa RMS 입력에서 50 mV RMS가 나온다. 공기 중 1 Pa RMS는 94 dB SPL이므로 1 kHz, 94 dB acoustic calibrator는 이 관계를 확인하기 편한 기준점이다.
음압 레벨에서 예상 출력 전압을 계산할 때는 다음 관계를 연속해서 사용한다.
마이크 자체의 sensitivity만으로 측정 범위가 결정되지는 않는다. preamplifier gain, 전원, 케이블, 입력기의 noise와 최대 전압까지 포함한 전체 측정 체인을 봐야 한다.
Free-field 마이크는 정면 입사에서 평탄하도록 보정한다
마이크를 음장에 놓으면 마이크 몸체와 diaphragm이 원래의 소리를 일부 산란시킨다. 파장이 마이크 크기와 비슷해지는 고주파에서는 diaphragm 앞의 국부 음압이 마이크가 없을 때의 음압과 달라진다.
Free-field microphone은 이 영향을 카트리지 응답에서 보상해, 지정된 입사 방향에서 마이크가 없었을 때의 자유음장 음압을 평탄하게 표시하도록 설계한다. 보통 음원이 한 방향에 있고 반사가 충분히 작은 무향실, 야외, 제품 방사 패턴 측정에 사용한다.
정면 방향은 카트리지 모델과 장착 방식의 기준축으로 확인해야 한다. 일반적인 free-field 카트리지는 diaphragm이 음원을 향하는 0° 입사를 기준으로 하지만, 제품 문서의 reference direction이 우선이다.
Pressure-field 마이크는 diaphragm 표면 압력을 읽는다
Pressure-field microphone은 diaphragm에 실제로 작용하는 압력에 대해 평탄하도록 설계한다. 밀폐 coupler, calibrator cavity, 벽면 flush mounting처럼 진행파와 반사파가 합쳐져 압력이 형성되는 위치에서 사용한다.
같은 pressure microphone을 자유음장에 그대로 놓으면 고주파에서 마이크 산란 효과까지 포함된 응답이 나타날 수 있다. 반대로 free-field microphone을 작은 밀폐 공간에 쓰면 카트리지의 자유음장 보정이 불필요한 오차를 만들 수 있다.
이어 시뮬레이터, acoustic coupler, 튜브와 덕트 측정에서는 마이크뿐 아니라 cavity volume, leakage, seal과 mounting depth가 결과에 영향을 준다.
Random-incidence 마이크는 여러 방향의 평균을 목표로 한다
반사가 많은 방이나 잔향음장에서는 소리가 한 방향이 아니라 여러 각도에서 들어온다. Random-incidence 또는 diffuse-field microphone은 여러 입사각에 대한 평균 응답이 평탄하도록 보정한다.
실제 공간이 완전한 확산음장인 경우는 드물다. 큰 기계 가까이에서는 직접음이 우세하고, 벽 근처에서는 특정 반사 방향이 강할 수 있다. 카트리지 이름만 보고 결정하지 말고 측정 위치에서 direct-to-reverberant 관계를 판단해야 한다.
| 측정 상황 | 먼저 검토할 카트리지 |
|---|---|
| 무향실의 제품 방사음, 야외 점음원 | Free-field |
| 밀폐 coupler, cavity, flush-mounted 압력 | Pressure-field |
| 잔향실, 다방향 입사가 우세한 실내 | Random-incidence |
| 소음계의 일반 환경 측정 | 소음계 규격과 제조사 지정 카트리지 |
편극 방식과 preamplifier는 한 세트로 본다
전통적인 externally polarized condenser microphone은 외부의 높은 polarization voltage를 사용한다. 별도 전원 모듈과 호환 preamplifier가 필요하지만 정밀 측정과 다양한 환경용 카트리지 선택지가 많다.
Prepolarized microphone은 diaphragm 계통에 영구 전하를 사용하며, CCP/IEPE 계열의 일정 전류 전원으로 구동되는 preamplifier와 조합하는 경우가 많다. 배선과 휴대형 시스템 구성이 편하지만 센서, preamplifier, 전류원과 최대 출력 전압의 호환성을 확인해야 한다.
커넥터가 맞는다고 전기적으로 호환되는 것은 아니다. polarization voltage, supply current, bias voltage, cable length, input impedance와 overload indicator를 함께 확인한다.
동적 범위는 noise floor와 distortion 사이에 있다
작은 소리를 측정할 때는 마이크의 thermal noise와 preamplifier noise가 하한을 정한다. 큰 소리에서는 diaphragm의 비선형, 카트리지와 preamplifier의 최대 출력이 상한을 정한다.
감도 50 mV/Pa인 마이크를 예로 들면 다음과 같다.
| 음압 레벨 | RMS 음압 | 이상적 출력 |
|---|---|---|
| 94 dB SPL | 1 Pa | 50 mV RMS |
| 114 dB SPL | 10 Pa | 0.5 V RMS |
| 134 dB SPL | 100 Pa | 5 V RMS |
마지막 값은 많은 preamplifier나 입력기의 범위를 넘을 수 있다. 높은 SPL을 측정할 때 저감도 마이크를 선택하는 이유다. 반대로 저감도 마이크는 조용한 소리에서 전기적 SNR이 불리하다.
최대 SPL 사양은 보통 특정 distortion 조건과 주파수에서 제시된다. self-noise도 A-weighted 또는 unweighted로 표시될 수 있으므로 숫자만 직접 비교하면 안 된다.
교정은 카트리지가 아니라 전체 채널을 확인한다
측정 전후에 acoustic calibrator를 장착하면 마이크, preamplifier, 케이블과 입력 채널을 포함한 감도 변화를 확인할 수 있다. calibrator의 nominal level, frequency, 대기압 보정 조건과 어댑터 규격을 기록한다.
현장 확인과 정기 교정은 역할이 다르다. 현장 확인은 측정 전후의 drift나 연결 문제를 잡고, 공인된 주기 교정은 마이크와 calibrator의 주파수 응답 및 추적성을 확인한다.
측정 전 선택 순서는 다음과 같다.
- 음장: free, pressure, random incidence 중 실제 조건을 정한다.
- 대역: 최저·최고 주파수와 필요한 평탄도 허용차를 정한다.
- 레벨: 예상 background level과 peak level을 모두 적는다.
- 환경: 온습도, 바람, 오염, 고온과 전자기 조건을 확인한다.
- 체인: 카트리지, preamplifier, 전원, 케이블, 입력 범위를 맞춘다.
- 검증: 측정 전후 교정값과 설치 방향을 기록한다.
마이크로폰 유형은 소리의 종류가 아니라 측정 위치에서 성립하는 음장 모델을 선택하는 문제다.