노이즈 캔슬링의 원리 - 액티브 노이즈캔슬링(ANC) vs. 패시브 노이즈 캔슬링(PNC)

요즘 이어폰이 헤드폰 제품의 스펙을 살펴보면 ‘노이즈 캔슬링(Noise Cancelling)’이라는 용어를 만나 볼 수 있습니다. 직역하면 “‘노이즈’를 취소시켜주는 기능”인데요. 대로변을 걸으면서 음악을 들을 때, 주변 소음을 줄여주어서 음악에 집중할 수 있도록 해주는 기능입니다.

소음을 줄여주는 기술인 ‘노이즈캔슬링’은 원리에 따라 크게 ‘액티브 노이즈 캔슬링(ANC, Active Noise Cancelling)’과 ‘패시브 노이즈 캔슬링(PNC, Passive Noise Cancelling)’으로 나누어 볼 수 있습니다. 각각의 노이즈 캔슬링 기술이 어떤 원리로 소음을 줄이는지 정리해보겠습니다.

귀막는 행위는 대표적인 '패시브 노이즈 캔슬링' 행위

패시브 노이즈 캔슬링(Passive Noise Cancelling)

‘패시브 노이즈 캔슬링(Passive Noise Cancelling)’은 수동적으로(Passive) 소음을 제거하는 기술입니다. 외부의 소리가 새어 들어오지 못하도록 물리적으로 차폐하는 기술입니다. 쉽게 설명하자면 ‘3M’에서 만든 귀마개 제품을 생각해보시면 되는데요. 물리적으로 소음이 들어올 틈을 막아버리는 형태로 노이즈캔슬링을 하는 방법입니다. 엄밀하게 말하자면 노이즈 캔슬링은 아닙니다. 노이즈 리덕션(Noise Reduction) 정도로 생각하면 됩니다.

커널형 이어폰 'AKG N25' (출처 : AKG)

이어폰 제품 중에는 커널형 제품이 ‘패시브 노이즈 캔슬링’에 유리합니다. 이어폰이 귓속 깊숙하게 들어와서 실리콘 혹은 메모리폼 소재의 이어캡으로 귀를 꽉채워 소음이 새어 들어오지 못 하도록 막는 형태로 이어캡으로 차폐된 안쪽에서 소리를 생성하는 방식입니다. ‘패시브 노이즈 캔슬링’의 효과는 오픈형 이어폰과 커널형 이어폰을 모두 써보면 알 수 있습니다. 헤드폰 제품 역시 귀에 착 달라붙는 이어컵을 이용해 외부 소음을 차단하는 방식으로 소음을 줄여줍니다.

귀마개는 패시브 노이즈 캔슬링 도구

이렇게 물리적으로 소음을 막는 ‘패시브 노이즈 캔슬링’은 고주파나 중간정도의 주파수 음역대를 차단하는데 효과적입니다. 사람목소리나 주변의 음악소리는 귀를 꽉 막아주는 ‘패시브 노이즈 캔슬링’으로 커버할 수 있습니다. 다만 저주파의 경우 물리적인 차폐에도 차단되지 않는 경우가 많이 있습니다. (3M 귀마개를 끼더라두 웅웅웅 거리는 저주파 소음은 잘 안걸러지는 것을 알 수 있습니다.)

패시브 노이즈 캔슬링은 액티브 노이즈 캔슬링과 함께 적용되어 사용될 수 있습니다. 애플이 만드는 에어팟 프로의 경우 커널형 이어폰 형태로 ‘패시브 노이즈 캔슬링’ 효과를 극대화 시키면서 ‘액티브 노이즈 캔슬링’ 기능까지 추가한 좋은 예입니다.

액티브 노이즈 캔슬링(Active Noise Cancelling)

‘패시브 노이즈 캔슬링’이 ‘노이즈 리덕션’ 정도였다면 ‘액티브 노이즈 캔슬링(Active Noise Cancelling)’은 적극적(Active)으로 소음을 제거해버리는 기능입니다.

액티브 노이즈 캔슬링의 원리를 설명하려면 ‘소리’라는 파동이 갖는 특성을 먼저 이해해야 합니다.

소리라는 파동

이어폰이나 헤드폰을 통해 듣는 음악이나 옆사람과의 대화, 주변의 소음은 모두 파동의 형태를 갖는 ‘소리’입니다. 소리의 특성은 곧 파동의 특성으로 설명할 수 있습니다.

고주파(높은음)

우리가 ‘높은음’이라고 말하는 소리는 주파수가 높은 ‘고주파’에 해당합니다. 주파수가 높다는 것은 짧은 시간동안 더 많이 오르내리는 형태를 의미합니다. 우리가 높은 음을 낼때 성대를 만져보면 낮은음을 낼때에 비해서 더 빠르게 떨리는 것을 느낄 수 있습니다.

저주파(낮은음)

‘낮은음’에 해당하는 소리는 주파수가 낮은 ‘저주파’에 해당합니다. 주파수가 낮다는 것은 고주파와 반대로 같은 시간에 덜 오르내리는 형태를 의미합니다. 낮은 음을 내는 동안 성대를 만져보면 높은 음을 낼때에 비해 상대적으로 덜 떨리는 것을 느낄 수 있습니다.

소리의 높낮이는 이렇게 주파수에 의해 결정됩니다. 위 그림을 비교해보시면 이해 하실 수 있습니다.

진폭이 큰 '큰 소리'

반면 ‘큰 소리’라고 할 수 있는 음량이 큰 소리는 오르내리는 폭이 큰 것을 의미합니다. 음량을 높이면 진폭이 더 커집니다. 음량을 거의 낮추면 파동이 조금만 오르내리게 됩니다.

‘액티브 노이즈 캔슬링’의 목표는 소음에 해당하는 주파수의 진폭을 최대한 줄여주는 것입니다.

‘액티브 노이즈 캔슬링’은 파동의 성질을 갖는 소리의 ‘간섭 효과’를 이용한 방식입니다. 조금씩 머리가 아파질 수도 있는데요. 간섭효과에 대해서 쉽게 설명해드리겠습니다. 서로 다른 두개의 파동은 하나의 파동으로 합칠 수 있습니다.

같은 진폭과 주파수를 갖는 두개의 파동을 하나로 합쳐보겠습니다.

파동의 '보강간섭'

빨간색 파동이 원래 두 개의 파동이 가졌던 형태를 나타내고, 검은색 파동이 두 파동을 하나로 합친 결과를 의미합니다. 마치 동일한 파도가 하나로 합쳐지면서더 거센 파도로 만들어지는 것처럼 소리역시 같은 주파수의 두개의 소리가 합쳐지면서 ‘더 큰소리’로 만들어집니다. 진폭이 커진 것이죠. 이를 '보강간섭'이라고 합니다. 두 개가 합쳐져서 보강된 것이죠.

그럼 액티브 노이즈 캔슬링에서 사용하는 ‘상쇄간섭’의 예를 들어보겠습니다. 이번에는 파동의 형태가 뒤집어진, 정반대 모양의 두 파동을 합쳐보겠습니다.

빨간색 파동이 상승하면, 파란색 파동은 하강하는 형태입니다. 마치 주식에서 코스피 인덱스 ETF와 코스피 인버스 ETF의 파동과 비슷하죠 ㅋㅋ

이 두 파동을 하나로 합치면,

파동의 '상쇄 간섭'

파동이 사라집니다. 이를 '상쇄간섭'이라고 합니다.

액티브 노이즈 캔슬링은 이런 ‘상쇄 간섭’을 이용한 기술입니다.

‘액티브 노이즈 캔슬링’의 원리

액티브 노이즈 캔슬링은 주변에 있는 소음을 마이크로 감지하고, 그 소음을 상쇄할 수 있는 반대파동을 생성해서 이어폰 내부의 스피커로 흘려보내주는 것입니다. 그러면 소음과 소음을 상쇄할 수 있는 소리가 만나서 무음으로 만들어지는 것이죠.

이어폰을 구성하고 있는 부품들

실제로 액티브 노이즈 캔슬링을 지원하는 이어폰이나 헤드폰을 보면 외부에 마이크가 장착되어 있습니다.

문제는 타이밍입니다. 액티브 노이즈 캔슬링을 처리하는 단계는

• 1)마이크로 소리를 감지해서
• 2)ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용해 그 신호를 디지털화하고
• 3)이어폰에 장착되어 있는 DSP(Digital Signal Processor)를 통해 반대되는 상쇄 파동을 생성하고
• 4)생성한 디지털 신호를 DAC(Digital-to-Analog Converter)를 통해 소리로 만들어 줍니다.

이런 처리과정을 소음이 이어폰이나 헤드폰 외부에 장착되어 있는 마이크를 지나서 이어폰 내부에 있는 ‘드라이버(스피커)’까지 도달하는 동안 빠르게 수행해야 합니다. 거의 불가능에 가까운 기술이고, 만약 가능하다고해도 비싸봐야 수십만원하는 이어폰이나 헤드폰 장비에 들어갈 가격이 아닐겁니다.

실시간으로 노이즈 캔슬링을 하는 것은 매우 어렵기 때문에 대부분은 소음의 패턴을 이용해 예측해서 반대파를 만들어 냅니다. 우리가 말하는 소음이라는 것이 대부분 자동차 엔진소리거나 에어컨 실외기 소리같이 반복되는 소리일 가능성이 높습니다. 이 경우 다음 소리를 어느정도 예측할 수 있기 때문에 소음을 예측해서 반대파를 생성해서 노이즈캔슬링을 하게 됩니다.

때문에 대부분의 액티브 노이즈 캔슬링에서는 불규칙한 소음의 상쇄 효율이 떨어집니다. 또 한, 짧게 짧게 들려오는 불규칙한 소리인 사람의 말소리 등은 자동차 엔진 소음 같이 규칙적인 소음에 비해서 상쇄 효율이 떨어집니다. 다만 최근에는 프로세서와 부품들의 성능이 향상되어 불규칙한 소음도 제법 잘 잡아낸다고 합니다.

액티브 노이즈 캔슬링은 저음역대의 소음을 잘 잡아냅니다.

‘피드백 방식’과 ‘피드 포워드 방식

액티브 노이즈 캔슬링 기술을 크게 나누자면, ‘피드 포워드 방식’과 ‘피드백 방식’으로 나눌 수 있습니다.

위에서 노이즈 캔슬링의 원리를 이어폰이나 헤드폰 외부에 위치한 마이크로 소음을 감지해서 처리하는 방식이라고 했는데요. 이를 ‘피드 포워드 방식’이라고 합니다. 반면 마이크가 유닛 안쪽에 내장되어 있는 형태를 ‘피드백 방식’이라고 합니다. 피드 포워드 방식은 액티브 노이즈 캔슬링이 음질에 영향을 잘 안줍니다. 피드 백 방식은 정밀하고 높은 성능의 노이즈 캔슬링이 가능하다는 장점이 있습니다.

요즘 나오는 고성능 ‘노이즈 캔슬링’ 헤드폰과 이어폰 제품은 두가지 방식을 동시에 사용하는 ‘하이브리드 방식’을 사용합니다. 또 한, ‘액티브 노이즈 캔슬링’과 ‘패시브 노이즈 캔슬링’도 동시에 같이 사용됩니다.

액티브 노이즈 캔슬링 기술은 청음하고자하는 소스로 더 집중할 수 있게 만들어 줍니다. 하지만 소리를 만들어주는 드라이버와 같은 유닛외에도 마이크와 ADC, DAC, DSP 같은 부품도 장착되어있어야 하기 때문에 배터리를 많이 소모하게 하고, 가격이 비싸지며, 제품의 크기가 커지는 단점이 있습니다.