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노이즈 캔슬레이션(노이즈 캔슬링)

 노이즈 캔슬레이션(Noise Cancellation = NC)은 말 그대로 소음감쇄 또는 소음상쇄를 의미하는 것으로 노이즈 캔슬링(Noise Cancelling) 또는, 노이즈 리덕션(Noise reduction)과 같은 뜻이다. 소음감쇄의 방법에는 일반적으로 수동적 감쇄법(Passive NC = PNC)과 능동적 감쇄법(Active NC = ANC)이 있다. PNC는 보통 흡음재를 사용해 소음을 흡수하여 감쇄시키거나 방음벽 등으로 소음을 차단시켜 감쇄시키는 방법으로서 이어폰과 헤드폰에서는 이어팁이나 이어패드로 소음을 차단시키는 것에 해당된다. 이와 달리 ANC는 소음을 다른 소음으로 상쇄시키는 방법을 전체적으로 일컷는다.

ANC(Active Noise Cancellation) 원리

 ANC는 1950년대에 영국에서 개발된 소음상쇄 방법으로서 적용범위가 매우 제한적이었으나, 근래에 이어폰이나 헤드폰 같은 모바일 오디오(mobile audio)에 적용하므로써 크게 각광받는 기술이 되었다. 아무튼  ANC의 원리를 이해하기 위해서는 파동의 중첩의 원리와 간섭성을 이해해야 한다.

                                                      [그림 1] 중첩의 원리 

 파동의 중첩의 원리(principle of superposition)를 설명하기 위해 [그림1]을 주었다. 각 각의 방향에서 입사하는 두 개의 A, B 파동이 P점에서 만나면 두 파동은 겹쳐진다. 다시말해서 두 개 파동의 각 각의 진폭(Amplitude)이 더해진 진폭을 갖는 파동이 P점에 만들어진다. 그런 다음 각 각의 A, B 파동은 원래의 진행방향으로 각자 진행해 간다. 이때 진행 방향뿐만 아니라 각 파동의 진폭이나 파장도 언제 두 파동이 만났느냐는 듯이 아무런 변화없이 원래 A, B 파동이 각자 갖고 있던 특성을 그대로 유지한채 진행한다. 이런 파동의 만남의 특성을 중첩의 원리라고 한다. 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 파동의 중첩원리는 파도이다. 큰 파도가 칠 때 그 표면이 아주 매끄러운 파도는 없다. 다른 수많은 물결파가 중첩되어 표면이 거칠게 돌기가 생기는 것을 볼 수 있다. 아무튼 P점에서 두 개의 파동이 만나면 A, B 진폭의 합의 진폭을 갖고, 여러 파동이 만나면 그 여러 파동의 진폭의 합을 갖는 이 현상을 파동의 간섭(Interference)이라고 한다. 그러므로 파동의 중첩원리는 파동이 만났다 헤어질 때 변화가 없다는 의미가 중요 개념이며, 간섭은 파동의 만남이 있을 때 진폭이 그 합으로 주어진다는 개념이 중요하다.

                                  [그림 2] 파동의 간섭(A, B의 진폭이 동일할 경우)  

 [그림2]에 두 개의 파동이 간섭하는 다양한 만남중에 특별한 두 만남의 경우를 도시했다. 즉, P점에서 두 파동이 만날 때 매질입자의 변위(Displacement)가 같은 방향으로 만나면 같은 방향으로 진폭의 합과 같은 변위를 갖고, 변위가 반대 방향으로 만나면 절대값이 큰 쪽으로 진폭의 차이 만한 변위를 갖도록 간섭한다. [그림2]에서와 같이 진폭의 크기가 같은 두 개의 파동이 간섭하는 경우에는 마루+마루, 골+골이 만나는 특별한 경우는 진폭이 두배가 되며 마루+골로 만나는 경우(반대위상 또는 180도 위상차로 간섭)는 파동이 없는 것처럼 진폭이 0이 된다. ANC는 바로 이런 상쇄간섭의 효과를 이용하여 소음을 감쇄시키는 것이다.

                                              [그림 3] NC 헤드폰의 ANC 원리도                         

 [그림3]에 NC이어폰(Earphone)이나 NC헤드폰(Headphone)의 ANC 원리도를 주었다. [그림3]의 NC헤드폰은 Mic.를 통해 들어온 노이즈신호를 귀쪽의 스피커로 보내 재생시키는 방식으로 Feed-forward방식이고, 이와 다른 방법으로는 Mic.를 스피커 앞에 위치시키는 Feed-back 방식도 있다. 아무튼 어떤 방식이던지간에  노이즈신호를 Mic.로 전기신호로 변환하여 전자회로를 통과시켜 증폭하되, 고막위치에서 원래 노이즈와 똑같은 진폭을 갖고 위상이 180도로 전환된 소리가 스피커에서 발생하도록 한다. 그러면 고막위치에서 원 노이즈와 스피커에서 재 발생시킨 위상반전된 노이즈가 만나서 상쇄간섭을 하기 때문에 NC효과가 나타나는 것이다. 전압 증폭 Transistor를 홀수개 사용함으로써 쉽게  Mic.로 입력된 노이즈의 위상을 180도 반전시킬 수 있다. 아무튼 여기서 알 수 있는 사실은 NC이어폰이나 NC헤드폰의 NC효과는 평균적인 고막의 깊이에 맞춰 튜닝(Tuning) 되었기 떄문에 사람마다 약간씩의 차이를 느낄 수 밖에 없으며, 특정 주파수 범위의 노이즈만을 상쇄시킬 수 있음을 알 수 있다. 보통의 NC 이어폰 및 헤드폰은 비행기나 전철, 버스 등의 소음 주파수(250~350Hz)에 맞춰 튜닝되어 있다. [그림4]에 NC헤드폰의 NC효과를 보여주는 그래프를 주었다.  이 제품의 NC 중심주파수는 120Hz이며 NC성능은 약 27dB로서 120Hz의 언저리 소음 레벨을 25dB이나 감소시킨다. 

                      [그림 4] NC효과를 보여주는 그래프(NC 중심주파수를 120Hz, 약 27dB 소음상쇄) 

  NC헤드폰은 미국의 BOSE음향회사의 회장인 인도계 BOSE박사가 비행기를 타고 출장을 가던 중에 비행기소음 때문에 음악을 제대로 들을 수 없음을 알고, 비행기소음을 상쇄시키는 헤드폰개발의 필요성을 느껴 세상에 나오게 되었다. 그 이후로 NC용 집적회로(IC:Integrated Circuit) 칩(Chip)도 개발 생산되고 있으며, 특히 디지탈 ANC칩을 이용하여 고가의 NC용 이어폰, 헤드폰을 국내외 굴지의 각 음향회사(크레신, BOSE, SONY)에서 생산 판매하고 있다.

                               ------------------------------------  by  Dajaehun