헤드폰 이야기

헤드폰 이야기

유리창 밖에서 난 소리가 유리창이라는 다른 매질을 통해서 

유리창 안쪽에 있는 사람에게 유리창이라는 다른 매질의 진동을 통해서 전달 될 때

유리창은 그 밖에서 소리를 낸 본래의 물체와는 그 물성 자체가 다른 물질이고 별도의 고유 주파수를 가지고 있음에도

바로 그 별도의 다른 진동 즉 고유 주파수의 생성을 억제할 수 있거나 실제로 억제되는 상황에서는 

유리창이라는 또 다른 매질에 의한 진동이 원음을 전달하는것이 가능하며 

그것이 드라이버 유닛이 소리를 내는것의 정확한 원리이다.

(정확히 말하자면 내부손실도에 의해 고유주파수 생성이 억제된 상황에서 입력된 신호의 진동만을 발생 시키는것)

 

모든 고성능 스피커 또는 리시버(헤드폰등속) 에 적용된 

모든 드라이버 유닛(실제로 진동하는 물체)은 

대단히 강력한 내부손실도가 적용된 물질이며

오디오와 스피커의 임피던스 매칭에서 높은 댐핑팩터의 비율은 

이러한 드라이버유닛의 제진성의 본래가진 의미와 실제 작용을 

실제적인 전기적인 힘으로써 한결 더 완벽하게 할 수 있도록 도와준다.

(모든 입력되지 않은 진동, 그 자체를 완벽하게 억제하는것이다.)

이때 높은 댐핌팩터의 비율은

(그러니까 스피커의 입력 임피던스 즉 입력 임피던스에 비해서 

오디오기기가 신호를 발생시키는 출력부의 임피던스가 도리어 한참 낮은 상황 에서는

- 이때 임피던스란 직류전류에서의 저항을 말하는데,

말하자면 스피커에서 발생하는 전류가 출력부쪽으로 보다 더 잘 흐를 수 있도록하고 

반대로 출력부에서 스피커방향으로 전류가 흐르기는 도리어 어렵게 만드는것이다.) 

이렇게 스피커를 제작하면 스피커 작동시에 발생하는 전기적인 반발력 

즉 스피커의 동작으로 발생하는 역 기전력을 매우 효과적으로 억제하는것이 오히려 가능한데

(스피커는 마그네틱과 코일로 구성된 제품이며 교류전류 발전기 역시 마찬가지로 똑같은 구성품으로 이루어져 있다.)

(결국 스피커에서 발생한 교류 전류를 전원부 쪽으로 흐르도록 유도함으로써)

이것은, 이런 상황에서 드라이버 유닛이 소리를 내기 위해서는 

(출력부의 전기신호가 입력부인 스피커쪽으로 전달되기가 극히 어려운 상황에서는)

대단히 강력한 전기적 힘과 (출력부에서 어쩔 수 없이 발휘해주어야 하는) 

동시에 스피커가 실제로 정해진 음량의 크기의 소리를 내기에 충분한 진폭으로 진동할 수 있는 

꼭 그  만큼만 필요한 어떤 전류의 양을 정확하게(출력부가) 맞추어 주어야만 하기 때문이다.

즉 단 한번에 필요한 힘과 감도 만큼만 임팩트있게 출력하는 것이다.(출력부에서)

이때 힘은 게인 조정을 통해서 얻고 전류의 양은 음압감도 혹은 이를 바탕으로 

임피던스매칭에서 변화하는 게인과 그 비율을 공학적으로 알맞게 설계한 입력 감도를 조정하여 음량의 비율을 조정하게 된다.

 

이렇게 역 기전력에 의한 추가의 전기신호에의한 노이즈가 완벽하게 억제된 상황 하에서 

실제적인 드라이버유닛의 내부손실도가 비로소 빛을 발하는데

 

말했다시피 유리창은 사람의 목소리나 드럼과는 물성이 다름에도 불구하고 

그것이 원음을 생성하기 위해서는 오로지 입력된 전기신호에 의한 진동 주파수 이외의 

다른 그 어떤 진동주파수의 생성 그 일체를 완벽하게 억제할 수 있는 

고유의 물성을 드라이버유닛에 사용된 재질이 갖추어야하는것이다.

 

요즘 단일 재질에 의한 고유진동주파수 생성 억제 기술은 거의 한계에 달했고

소니와 파나소닉등에서는 복합재질에의한 내부손실도 억제기술등을 개발한지가 대략 수년 정도 되었다.

 

물론 오디오 자체가 대단히 훌륭한경우

반드시 드라이버유닛의 내부손실도가 전체 주파수 대역에서 반드시 완벽할 필요성이 그리 크지는 않지만

 

모든 주파수 대역에서 고유주파수 생성을 완벽하게 억제하려면 

서로 다른 물성을 가지는 두가지 이상의 재질을 겹쳐서 드라이버 유닛을 만드는 방법이 보다 더 효과적인 방법임은 주지의 사실이다.

 

소니측에서는 MDR-1A 에 사용된적 있는 진공증착 알루미늄 드라이버 유닛과 

(중저가형 헤드폰으로는 단연 압도적인 성능을 자랑한다.)

MDR-1RBT MK2 에 사용된 적 있는 액정폴리머 재질을 서로 포개어 제작한 드라이버 유닛을 

(사운드 특성이 대단히 우수하며 기존까지 최고로 치던 바이오 셀룰로오스보다도 더 우수한 합성 소자로 알려져 있다.)

MDR-Z7 M1 모델에 적용시켜 출시한 바가 있다.

 

원리는 이러하다.

 

각기 서로 다른 고유한 진동주파수 생성조건을 가지는 두 가지의 서로 다른 물질 두개를 

공학적으로 필요한 두께를 계산하여 서로 포개어두는 것이다.

이를테면 쇠를 치면 쇳소리가 나고 나무를 치면 나무 특유의 소리가 나게 되는데 

이것이 모두 물질이 가진 고유 주파수이다

(고유주파수 생성 조건)

이 두 물질을 일정의 두께의 비율로 서로 포개어둘경우 

쇳소리는 나무가 완벽하게 흡수하게 되고 

나무소리는 쇠가 흡수하게 되는 그런 방식인 것이다.

(이때에 쇠가 나무보다 더 얇아야 하는것은 당연한 일이다.-두께가 서로 달라야하는 이유)

 

물론 이렇게 겹쳐둔 두 물질의 조합도 그것이 하나의 물질로써 

즉 고체의 형태로써 세상에 존재하기 위해서는

어떤 특유의 고유 주파수를 가질 수밖에 없다.

 

한마디로 때려서 특유의 소리가 나지 않는 물질은 없다는 말이다.

(설혹 스폰지라고 해도 우그러트리거나 꾹꾹 눌러대면 특유의 소리가 반드시 나게 되어있으므로)

 

하지만 위와 같이 두가지의 서로다른 물질을 서로의 고유주파수 생성조건을 완벽하게 상쇄시킬수있게 

공학적으로 면밀히 계산된 두께 비율로 접합시킬경우

 

그 특유의 고유 주파수가 특정 주파수 대역에 편중되지 않고

전 주파수 대역으로 넓고 고르게 분산되어 이를 드라이버 유닛에 적용할 경우 

현존하는 기술력으로는 가장 원음사운드에 근접하는 사운드가 생성되는 것이다.

 

다만 필자의 소견으로는 이와같은 방식이 아닌

 

단 한장의 특수 화합물 제작 방식이 보다 더 우수한 사운드 특성의 개발이 가능할것으로 보인다.

 

왜냐하면 물질의 고유사운드 특성 즉 고유 진동주파수 생성의 억제는 

접합 보다는 합성 또는 합금과 같은 분자구조단위의 조합과 결정구조의 변화쪽이 보다 더 유리한 방법이기 때문이다.

(정확한 이야기라고 할 수는 없지만 어쨌든 단 한장의 재질로 드라이버 유닛을 만드는 것이 가장 우수한 기술력임은 분명하고

사람의 고막이 이러한 복합 재질로 만들어져있는것은 아니기 때문에 

소형의 헤드폰이나 이어폰에 생체유기화합물 필름 방식의 드라이버유닛을 만들어보는것도 나쁘지 않은 생각이다.)

 

다만 한 장의 합성소자 드라이버 유닛의 경우 내구성의 문제가 있기 때문에 대형 스피커라고 해도 미드레인지 트랜듀서 정도나 적용이 가능하며

접합 방식의 특수 드라이버 유닛의 경우에는 역시 중형 스피커 또는 소형 스피커의 미드레인지 트랜듀서와 

MDR-Z7 M1 처럼 무려70mm 크기의 대구경 드라이버유닛이 적용된 특수한 헤드폰 이라고 하는 어떤 맞춤 제작의 경우 정도에 필요해보이며

(오히려 접합 방식의 경우 단일 재질에 비해서 내구성에 문제가 발생할 가능성이 보다 높아서 

일정 크기 이상 그리고 일정크기 이하로 그 드라이버 유닛의 크기의 제한에 대한 제약이 다른 재질 보다 더 심한 편이다. 

딱 70mm 구경 에서 + 30mm - 20mm 정도의 표준 오차범위 내에서 제작이 가능할 것으로 보인다. 

사실 100mm 도 과하게 크게 잡은 구경이라고 보면 된다.)

 

그렇기 때문에

결국 대형의 우퍼에서는 순수 금속재질(합금과 열처리를 통한 결정구조 변화 방식)이 아니라면 

내구성이 버텨주기가 대단히 힘들것이라는것이 필자의 소견이다.

금속 재질의 경우 열처리가 어떻게 되느냐에 따라서 경도나 내 마멸성과 내열성등 물질적 특성과 

내부 결정구조등의 어떤 극적인 변화를 이끌어내는것이 매우 수월한 편이며

특수한 합금 소자에 유리재질이나 다른 재질 그리고 염화물들의 화합물 첨가등의

분자구조 단위의 첨가물의 변형등이 보다 더 수월한 편이다.

(고릴라 글래스의 경우 염화물의 첨가와 이온화 과정의 공정을 거쳐 본래 보석인 사파이어글래스에 비견될만한 유리를 만들어냈다.)

http://www.itworld.co.kr/news/88740

고릴라 글래스는 처음에는 일반 유리와 비슷한 상태에서 출발한다. 알루미늄, 실리콘, 산소, 나트륨 등의 알칼리 조합물을 구체적인 구조가 없는 비결정 고체상태로 녹인 뒤에 이를 식히면 원하는 두께의 고릴라 글래스가 만들어진다.

 

하지만 일반 유리와는 달리 고릴라는 질산칼륨에 담가져 추가적인 화학 공정을 거친다.

질산염은 섭씨 300도 이상의 온도에서 용융된다. 평평한 유리가 용융된 소금과 접촉하게 되면 이온 교환 현상에 의해 유리 내부의 나트륨 이온이 질산염의 칼륨으로 대체된다.

칼륨 원자는 나트륨 원자보다 훨씬 크기 때문에 유리가 다시 냉각되면 서로를 더욱 강하게 밀어내어 마감된 재료의 압축 강도층을 형성, 갈라짐을 방지하게 된다. 바로 이 때문에 고릴라 글래스가 충격에 더 강하면서도 흠집이 잘 가지 않는 특성을 가지게 되는 것이다.

 

 

원문보기:

http://www.itworld.co.kr/news/88740#csidxf6a76b44d9aa36ab1e95f1cb6c93e14

(비록 유리재질을 이야기로 들기는 하였지만

플라스틱의 정도인 일반 고분자 화합물 합성수지 필름 재질과

기존의 자연상태로 존재하는 금속 또는 비금속 재질의 고체 형태의 물질들을 서로 비교할 경우

실제적인 분자구조와 내부결정구조의 변형을 통한 보다 더 우수 한 물성의 개발이 가능한 쪽은 오히려 이쪽이라는 말이다.)

(또한 포스코에서 세계 최초로 개발한 기가스틸의 경우 인장강도가 무려 1 기가 파스칼에 달하는데

1mm^2 당 100kg 의 하중을 버틸 수 있는 인장강도를 말함이다.

참고로 일반 스테인리스강의 인장강도는 600 메가파스칼 내외이며 높은 경우 800 메가파스칼의 인장강도를 자랑하는 경우도 있으나

1기가 파스칼은 포스코에서 세계 최초로 개발하였다.

또한 스테인리스 스틸은 경도가 높아 도리어 잘 깨지는 재질에 속한다.

원래 철은 강도가 높아질수록 경도가 함께 더 높아져서 충격 발생시 보다 더 잘 깨지는 고유의 특성이 있는 재질이다.

-철 뿐만 아니라 모든 물질이 다 마찬가지이지만-

(즉 강도와 취성이 서로 비례하여 더 높아지는 특성이 특히나 매우 강한 재질이다.)

그런데 기가스틸은 바로 이 강도가 높아지면 취성이 강해지는 

철의 물질적 한계를 깬 제품이라는게 주목할만한 점이다.)

(포스코가 개발한 ‘기가스틸’은 1㎟ 면적당 100㎏ 이상의 하중을 견딜 수 있는 차세대강판으로, 

양쪽 끝에서 강판을 잡아당겨서 찢어지기까지의 인장강도가 980MPa(1기가파스칼) 이상이어서 ‘기가스틸’이라 명명되었다.)

원글 링크 

https://newsroom.posco.com/kr/%EB%94%94%ED%8A%B8%EB%A1%9C%EC%9D%B4%ED%8A%B8-%EB%AA%A8%ED%84%B0%EC%87%BC%EC%9D%98-%ED%99%94%EB%91%90%EB%8A%94-%EC%B2%A8%EB%8B%A8-%EA%B3%A0%EA%B0%95%EB%8F%84-%EA%B0%95%EC%B2%A0/

상세설명이 첨부된 어느 카페 게시글

http://cafe.daum.net/instock/2mrO/634?q=%EA%B8%B0%EA%B0%80%EC%8A%A4%ED%8B%B8

위의 게시글은 금속 재질의 물성변화가 

일반 저가형 헤드폰에 흔히 사용되는 고분자 화합물 합성수지 필름에 비하여 보다 더 우월 할 수 있는다는 것을 예로 든 것 뿐이고

사실 가장 이상적인 드라이버유닛 재질을 만들수 있는 기본 소재로써 가장 적합한것은

사람의 피부와 유사한 생체 유기화합물 필름 또는 금속 재질이다.

(비금속 재질중에서는 유리가 가장 적합하다.

유리는 고체가 아닌 점도가 무한대에가까우리만큼 높은 '액체' 이며

모든 유리는 아래로 실제로 흐른다.

진동응력을 버티기에 적합한 특수한 형태의 유리재질 개발이 가능할 경우

드라이버유닛에 쓰기에 적합하다.)

(고릴라글래스의 물성변화를 보라 ............)

(또한 유리는 다른 자연 소재 또는 합성 물질들 중에서 

그 물성변화를 목적으로 화학적 성분의 변화를 주거나 특수한 처리를 통한 가공성이 매우 우수한 재질이다.)

본론으로 돌아와서 이 외에도 

금속 또는 비금속 재질 전반에 걸친 열처리의 방식에 따른 강도와 경도 그외의 다른 물질의 고유 특성등의 변화등은 이미 널리 알려진 상식이고

이렇게 만들어진 특수 금속을 합금하는 방식도 있을 수 있으며

합금재질에 대한 위와같은 처리도 가능하다.

한마디로 아무리 때려도 소리가 잘 나지 않는 특수한 금속 재질을 개발하기는 이쪽이 더 수월한 편이라는 소리다.

다만 생체 유기화합물 필름

즉 사람의 피부재질만큼 내부 손실도가 우수한 재질은 없다.

그것으로 소리를 내는 것은 스피커의 정확한 구동이면 된다.

 

또한 파나소닉에서도

 

기존 드라이버 유닛에 테플론 코팅을 적용하는 기법으로 

위와 비슷한 드라이버 유닛을 보다 저렴한 가격대에 제작하여 헤드폰으로 출시한 바 있다.

써 본 적은 없으나

음압감도가 매우 낮은 편이었고

(재질이 워낙에 단단하다보니 ..)

이는 소리의 신호가 같은 음량 크기에 보다 더 많이 집적될 수 있는 가능성을 내포하고 있기 때문에

대단히 우수한 헤드폰을 만들어낸 것으로 보인다.

(다만 일반 헤드폰에 비하여 요구되는 전력 소모량이 매우 클 것으로 보인다.)