일본 브랜드 헤드폰의 공진 기술

소니, JVC, 그리고 오테의 공진 기술

 

일본제 헤드폰들은 밀폐형 구조를 가진 제품들이 유독 많지요. 요번엔 SONY, JVC, 그리고 Audio-Technica(이하 AT)의 공진 기술을 살펴보도록 하겠습니다.

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① SONY의 공진 기술

- MDR-R10

- MDR-CD3000

- MDR-D777

② JVC의 공진 기술

- HP-DX1000

③ Audio-Technica의 공진 기술

- ATH-W5000 등

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① SONY의 공진 기술

[MDR-R10의 사진]

[MDR-R10 내부 전개도 및 용적]

[기계적 간섭에 의한 음질 열화를 억제하는 '하우징-플로팅' 탑재]

 

1988년에 개발된 R10의 하우징은, 느티나무 심재를 채용하여 원목 자체의 높은 내부 손실성과 탄성 계수를 이용, 공진을 제어하도록 만들어 졌습니다. 또한 플라스틱의 사용을 최대한 배제하여 불안정한 음향 특성의 개입을 차단토록 합니다.

 

[R10 하우징 내부 단면도 / 정면도]

R10 공진 구조에서 가장 중요한 역할을 하는 요소가 있는데, 이는 바로 층계식으로 조형된 내부 구조입니다. (R10의 하우징 내부가 나선형으로 만들어졌다는 소문도 있습니다만, 이는 '전혀' 사실이 아닙니다) 계단형 요철이 발음체에서 나온 음의 난반사를 조절, 정상파의 생성을 억제하고 공진점을 분산하며, 또한 나무라는 소재 자체에서 발생할 수 있는 변형을 최소화 하도록 도와줍니다. 유감스럽게도 소니에서 느티나무 하우징의 공진성에 대한 계측 자료를 공개하지 않았기 때문에, R10 하우징의 객관적인 성능을 알아볼 수 없는 점이 그저 안타까울 따름입니다.

 

R10의 공진 구조는 '콘서트홀 소리의 재현'을 개발 컨셉으로 잡았기 때문에 요철+흡음재로 불필요한 공진을 최대한 억제하되, 하우징의 크기를 대폭 늘려서 원목 자체의 특성을 솔직하게 이용했다고 볼 수 있습니다.

 

아래는 현재 유일하게 존재하는 R10의 주파수 그래프 2개입니다:

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[MDR-CD3000의 사진]

[MDR-CD3000 내부 전개도]

[역시 기계적 간섭에 의한 음질 열화를 억제하는 '하우징-플로팅' 탑재]

 

1996년에 개발된 CD3000의 하우징은 섬유소, 즉 야채 섬유 분말+산화티타늄(TiO2) 분말을 ABS 수지에 2:8로 혼합하여 만들어 졌습니다. 음의 반사를 위해 고밀도 흡음재가 삽입되긴 하였으나, 하우징 내부에 공진을 제어하는 요철이 적용된 R10과는 달리, CD3000의 하우징 내부엔 요철이 없습니다.

 

[R10에 비해 휑(···)한 CD3000의 내부 하우징 구조]

 

그러나 통상의 플라스틱 재질로 만들어진 하우징에 비하면 압도적으로 좋은 성능을 보여주지요. 아래는 통상의 플라스틱 하우징(점선) vs 야채 섬유 하우징(실선)의 응답성입니다:

섬유소+산화티타늄 배합재가 비록 20%밖에 함유되진 않았지만, 확실히 야채 섬유의 내부 손실성으로 인해 공진이 제법 억제가 된 사실을 확인할 수 있습니다.

 

[CD3000의 주파수 응답성]

 

CD3000의 하우징 소재는 일반적인 무기질 혼합물보다는 윤활성을 가지나, 첨가할 수 있는 양의 한정으로 소니는 기존의 야채 섬유 기술이 하우징의 강성까지 향상시킬 수는 없다고 간주하게 됩니다. 소신호 구동 시엔 드라이버와 함께 공진하기도 하고, 아무래도 식물성이라서 부식 발생의 위험이 있다고도 하지요. 따라서 2002년, 마침내 소니는 CD3000의 하우징의 이런 약점을 개선하기 위해 생분해성 고분자 하우징을 개발하게 되는데..

 

Polylactic + Al(OH)3 + 카보딜라이트를 각각 53.25% / 45% / 1.75% 비율로 배합한 생분해성 고분자 하우징의 공진 특성:

플라스틱(ABS 수지 + 황산바륨) 하우징의 공진 특성:

역시 플라스틱에 비해 왜율 및 선형성이 크게 개선되는 효과가 있습니다. 그러나 이 계측치만으로는 신소재가 CD3000의 하우징 소재보다 공진성이 개선되었다고 단정 지을 수는 없겠습니다만, 부식의 위험이 없다는 게 어딥니까 ㅋㅋㅋ (이 신소재가 언제쯤 실제품에 적용될 지는 알 수 없음;;)

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공진 기술과는 좀 동떨어지긴 합니다만, MDR-D777에 적용된 외부 진동판의 원리에 대해서도 짚고 넘어가볼까 합니다.

[MDR-D777의 사진]

 

2006년 개발된 D777의 하우징은, 하우징 외부에 진동판이 붙어있고 이 진동판을 개폐할 수 있는 스위치가 달려있지요.

 

[MDR-D777의 단면도]

1kHz~2kHz에서 공진하는 외부 진동판이 환공을 통해 해당 대역의 외부 소리를 하우징 내부로 개입, 오픈형에서 발생하게되는 과도한 저음을 방지하면서도 외부 환경, 특히 음성의 자음 주파수를 청취자에게 통과시키게 됩니다. 또한 환공을 닫으면 외부 진동판이 제진되어 통상의 폐쇄형과 같은 형태로 돌아가지요. 재생되는 음향에는 정말 '눈꼽만큼'도 영향을 끼치지 않는 특이한 공진 구조이긴 합니다만, 그래도 적용된 기술에 비해 2만원(정가의 1/10가격)에 재고 땡치기된 것은 좀 너무하지 않은가 하는 생각입니다.

 

[환공의 개폐 여부에 의한 음색 차이]

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② JVC의 공진 기술

[HP-DX1000의 사진]

 

[HP-DX1000의 단면도]

2004년에 개발된 DX1000은, R10처럼 원목을 하우징의 재료로써 적용하였습니다. DX1000의 공진 기술은 공진을 최소화 하고자 노력한 R10과는 다르게 이를 최대한 이용합니다. 이 기술의 한가지 단점이라면, 공진을 유도하기 위해 하우징의 구조가 분산되는 바람에 DX1000의 실제적인 하우징(원통형 내부 하우징)은 크기가 매우 작아졌다는 겁니다.

 

[내부 하우징]

발음체의 후면에 직접적으로 위치하여, 둘레에 4개의 개구부를 가진 원통형의 내부 하우징이 개구부를 통해 음을 외부 하우징으로 방사, 외부 하우징에서 공진이 가중된 음은 청취자에게로 귀환됩니다.

 

[음향 렌즈의 방음 형태]

또한 발음체의 2 mm 전면에 위치하여 발음체 프로텍터의 환공과 엇갈리는 환공을 가진 방음판, 즉 '음향 렌즈'가 발음체의 엣지 부분에서 방사되는 음을 굴절/분산시켜 7 kHz~10 kHz 대역에서 의도된 착색음을 생성시킵니다.

 

[HP-DX1000의 공진 과정 요약]

특히 음향 렌즈가 적용된 상태에서 8kHz와 15kHz의 커다란 음량 저하가 눈에 띕니다:

 

[실선: 음향 렌즈가 제거된 HP-DX1000의 주파수 응답]

[점선: 음향 렌즈가 적용된 HP-DX1000의 주파수 응답]

확산 음장의 *기준과 DX1000의 주파수 응답 특성을 고려해 보면, '고급 스피커 시스템을 전면에 두고 최고의 위치에서 음악을 듣고 있는 듯한' 음색을 DX1000의 개발 컨셉으로 잡았다는 JVC의 주장은 별로 설득력이 없다고 생각됩니다. (오히려 그 반대) 뭐, 이론과는 정반대이지만 소리가 취향에만 맞으면 별 문제가 되진 않겠지요. 그게 설령 개발 컨셉에서 크게 어긋난다고는 해도 말이죠. (응?)

 

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③ Audio-Technica의 공진 기술

 

[ATH-W5000의 단면도]

[Double Air Damping System의 단면도]

2001년에 개발된 AT의 공진 기술인 Double Air Damping System(이하 DADS)은, 매우 많은 AT의 제품에 탑재되어 있습니다. JVC의 그것과 마찬가지로 2중 하우징의 공진성을 이용하여 음색을 변조하게 되지요.

 

[DADS의 공진 과정 요약]

[녹색 부분: 흡음재]

 

약 300Hz 이하의 저역이 3~4dB 정도 증폭됩니다:

 

[DADS의 효과]

DADS가 적용된 ATH-W5000의 주파수 응답성:

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④ 결론

역시 밀폐형 헤드폰을 주로 생산하는 일본인지라, 밀폐형 공진 기술만큼은 서양에 절대 뒤지지 않습니다. (어떤 면에서는 더 앞장 서 있지요) 한마디로 '부러워서 열폭 중' 이라능.. ㅠㅠ

결론으로 소니, JVC, 그리고 AT의 기술을 서로 비교 해 보겠습니다. *소니, **JVC, ***AT 헤드폰 각각의 임피던스 특성을 보면 하우징의 기계적 공진성을 어느정도 가늠해 볼 수 있지요.

 

임피던스 특성으로는 CD3000의 공진 기술이 보이스코일에 미치는 전자기적 간섭을 최대한 배제하는 형태로 보여지는데요, 되려 공진을 활용하는 JVC나 AT의 기술은 특정한 조건(전류 구동 등)에서 구동 시엔 공진 주파수, 즉 저역이 크게 증폭될 것으로 보입니다. 임피던스가 높은 DX1000은 그래도 좀 낫겠지만 ATH-W5000의 경우엔 문제가 될지도 모르겠네요.. 특히나 AT의 DADS는 '최소한의 하우징 크기로 최대한의 저음을 내기 위한' 기술이라서, 어디까지나 제조 단가 등의 효율을 고려한 수단(편법까진;;)이므로 어쩔 수 없겠지요. 최신 모델에는 이 DADS를 제거한 걸로 알고 있는데, 잘한 일이 아닐까 조심스레 생각해 봅니다.