Microphone

마이크의 정의

마이크(Microphone)는 일종의 변환기(Transducer)라 할 수 있다. 이는 음에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 변환기이며, 현대의 음향시스템에서는 필수적인 장비이다. 마이크를 사용하는 간단한 확성 시스템(Sound Reinforcement)을 구성해 보면, 마이크에서 수음된 음은 콘솔(Console)로 입력되어 적절한 크기(Gain)와 주파수보정(Equalization)을 거친 후 파워앰프(Power Amplifier)에서 증폭되어 스피커(Loudspeaker)로 확성되는 것이다.
이러한 마이크는 변환원리와 픽업형태(Pickup Pattern), 주기능 등에 따라 몇 가지로 분류 될 수 있다. 또한 음향시스템에서 마이크를 잘 사용하기 위해서는 그 전기적인 특징들을 상세히 알아둘 필요가 있는데, 그 특징으로는 주파수 응답(Frequency Response), 출력레벨(Output Level), 출력 임피던스(Output Impedence), 자체 노이즈(Self-noise Floor), 왜곡(Distortion), 극성(Polar Response) 등을 들 수 있다.
이번 호에서는 마이크의 작동원리와 분류에 관하여 알아보도록 하겠으며, 전기적 특징에 관해서는 10월호에서 다루도록 하겠다. 더 자세한 마이크의 원리에 관해서는 차후에 알아보도록 하고, 본 고에서는 대략적인 개념을 잡는 것을 우선으로 하겠다.

마이크의 분류 및 원리
마이크는 변환방식에 따라 크게 다이나믹(Dynamic) 마이크와 콘덴서(Condenser) 마이크로 나뉜다. 다이나믹 마이크의 픽업은 아래의 그림과 같은 구조를 가지고 있다.

[다이나믹 마이크의 픽업 구조]

다이나믹 마이크는 얇은 알루미늄 코일(Coil)에 연결되어있는 가벼운 다이어프램 (Diaphragm)과 영구자석(Magnet)으로 구성되어 있다. 음원에서 음파가 발생하면, 음압에 따라 마이크의 다이어프램이 앞뒤로 움직이게 된다. 그러면 다이어프램과 연결되어 있는 코일이 함께 움직이게 되고, 이때 영구자석과 코일사이에 자기장이 형성되어 코일을 따라 전압이 발생하게 된다. 다시 말해 입력되는 음압을 코일과 자석사이의 자기장을 이용해 전기적인 신호로 변환시키는 것이 다이나믹 마이크이다. 아래는 한 주기의 음파가 마이크 픽업에 의해 전기적 신호로 변환되는 것을 간단히 나타낸 그림이다.

[다이나믹 마이크의 신호변환(음압->전압)]

콘덴서 마이크는 아래의 그림과 같은 구조를 가지고 있다.

[콘덴서 마이크의 구조]

콘덴서 마이크는 Backplate와 Diaphragm사이에 일정한 양으로 유지되어 있는 전하량과 음압에 따른 다이어프램의 움직임의 영향으로 생긴 전기용량으로 인해 발생하는 전기적 신호를 증폭기를 통해 출력시키는 것이다.
최근의 콘덴서 마이크들은 소위 Electret Material이라 불리는 극성을 가진 물질을 사용한다. 이 물질은 일반적으로 마이크의 Backplate에 위치한다. 금속 처리된 다이어프램 표면이 음압에 의해 움직이면서 다이어프램과 Electret Material에 의해 생긴 전기용량 변화가 일정한 전하량과의 관계에 의해 전압이 변화하며 이 전기적 신호를 프리앰프를 거쳐 증폭시킨다.

[Electret Material을 사용한 콘덴서 마이크]

콘덴서마이크의 전하량(Q: Charge)과 용량(C: Capacitance)과 전압(E: Applied Voltage) 사이에는 아래와 같은 관계가 있다.

Q(charge) = C(Capacitance)×E(applied voltage)

E = Q/C

따라서 Q가 일정한데 C가 변화하게 되면 그에 상응하여 E가 변화하게 된다. 그러나 이 신호의 크기는 너무 작아서 증폭이 필요하다.

마이크의 Pickup Patterns
마이크는 기본적으로 3차원적인 픽업패턴을 가지고 있다. 약 90% 정도가 Omnidirectional 혹은 Cardioid 범주에 포함된다. Omni는 지향성을 가지지 않은 것이고, Cardioid는 Unidirectional(단일지향성), 즉 지향성이 있다. 이 Cardioid는 기초적인 Cardioid와 Hyper-cardioid, Supercardioid가 있다.
Omnidirectional :
Omni pattern은 음의 입구를 다이어프램 앞쪽의 한 지점으로 제한함으로 형성된다. 다이어프램이 전방으로만 노출되어 있기 때문에 전면과 후면에서 동시에 가해지는 음파의 위상 상쇄 현상이 발생하지 않아서 방향에 관계없이 동등하게 반응하는 것이다.

[Omnidirectional의 기본 패턴Cardioid]

Cardioid는 마이크의 수음에 대한 반응이 전면으로 지향성을 갖는 것이다. 다이어프램의 동축선을 기준으로 입사각이 벌어지게 될수록, 아래의 그림에서 보는 바와 같이 측면의 노출되어 있는 부분을 통해서 음이 입사하게 된다. 이렇게 두 가지 경로로 음파가 입사할 경우 측면에서 입사된 음파의 시간차이로 인해 상쇄 현상이 발생하게 된다.

[Cardioid의 두 가지 입사경로]

[Omnidirectional Pattern]                             [Bidirectional Pattern]

위의 그림은 Omnidirectional Pattern과 Bidirectional Pattern을 각각 나타낸 것이다. 0도 방향이 다이어프램 전면의 동축선상을 의미하는 것이다. Bidirectional Pattern은 음의 입사가 두 경로로 이루어지는 것이다. 따라서 Cardioid Pattern은 전면부의 Omni와 두 경로로 이루어지는 Bidirectional의 영향을 모두 받게 된다(아래의 그림참조).

[Cardioid Pattern의 생성]

이러한 Cardioid는 그 지향성에 따라 기초적인 Cardioid와 Hyper-cardioid, Supercardioid 등으로 분류된다.
Omni와 Cardioid와의 전방에 대한 수음감도는 차이가 발생한다. 이는 Cardioid계통의 마이크들이 전방에 대해 지향성을 가지고 있기 때문이다. 아래의 그림은 Omni와 Cardioid 마이크들의 감도차이를 쉽게 나타내 주고 있다.

 

Omni를 기준(1)으로 했을 때 Cardioid는 1.7배(4.8dB), Supercardioid(5.8dB)와 Hyper-cardioid(6dB)는 각각 1.85배와 2배 더 떨어진 지점에서 같은 레벨로 수음된다. 유효한 수음을 위해서 Omni는 모든 방향에서 동일하게 가능하지만, Cardioid는 아래의 그림에 나타난 범위 안에서 수음하는 것이 좋다.

[Cardioid의 유효 수음 지향각]