디지털 피아노와 헤드폰

앞서 디지털 피아노의 음향 신호가 만들어지는 과정에서 설명한대로

DAC에서 출력된 아날로그 신호는 라인 레벨 신호라고 함. 이 신호는 온전함 음악 정보를 담고 있지믄, 헤드폰의 드라이버 유닛을 물리적으로 진동시킬 힘(전류)이 절대적으로 부족함.

그래서 이 신호는 디지털 피아노 내부에 반드시 탑재되어 있는 ‘헤드폰 앰프(Headphone Amplifier)’ 회로로 전송됨.

헤드폰 앰프의 역할은 이 라인 레벨 신호를 ‘증폭(Amplification)‘하여, 헤드폰을 구동(Driving)할 수 있는 충분한 전력과 전압을 가진 신호로 변환하는 것임.

디지털 피아노의 가격대나 등급에 따라 이 헤드폰 앰프의 품질(출력, 노이즈 레벨, 왜곡률)의 품질이 달라지고, 최종적으로 헤드폰으로 듣는 음질에 영향을 미치는 첫 번째 요인임.

아래 시리즈로 잭에서 헤드폰까지의 내용을 정리함

1. 헤드폰 잭 (Headphone Jack)

증폭된 신호는 헤드폰을 연결할 수 있는 헤드폰 잭으로 출력됨. 이 잭은 규격화된 커넥터를 통해 전기 신호를 안정적으로 전달하는 역할을 함.

6.35mm (1/4인치) 잭

표준 스테레오 폰 잭이라고 불림. 디지털 피아노의 Line out단자와같은 규격임. 물리적 크기가 커서 접촉 면적이 넓고 내구성이 강해 안정적인 신호 전송이 가능함.

한국에서는 5.5 또는 총알잭이라고도 불림.

3.5mm (1/8인치) 잭

미니 스테레오 잭이라고 불림. 스마트폰, 랩톱 등 휴대용 기기에 주로 쓰이며, 휴대성과 호환성을 높이기 위해 쓰임.

TRS 구조

이 잭들은 스테레오 사운드 전송을 위해 TRS (Tip-Ring-Sleeve)라는 규격을 사용함. 헤드폰 플러그를 보면 금속 부분이 세 부분으로 나뉘어 있는 것을 볼 수 있음.

T (Tip): 플러그의 가장 끝부분. 좌측 채널(Left)의 오디오 신호를 전송함.
R (Ring): 가운데 고리 부분. 우측 채널(Right)의 오디오 신호를 전송함.

- S (Sleeve): 가장 안쪽의 넓은 부분. 접지(Ground) 역할을 함. 좌우 채널의 공통 접지선으로 기능하며, 외부 노이즈 유입을 차단하고 전기 회로를 안정화함.

연주자가 헤드폰 플러그를 잭에 삽입하면, 이 TRS의 각 부분이 잭 내부의 해당 접점과 정확히 맞물려 좌/우가 분리된 스테레오 신호를 헤드폰 케이블로 전달함.

가끔 마이크 기능이 있는TRRS(4단자)를 사용해서 소리가 안나오거나 왜곡되는 경우가 있음.

이때는 TRRS - TRS 또는 CTIA - OMTP 변환 어댑터어댑터를 사거나 TRS 헤드폰으로 교체해야 함.

그런데, 오디오 출력(L/R)은 TRS나 TRRS나 위치가 같기 때문에

TRRS 플러그를 써도 마이크 접점을 무시하고 음악이 정상적으로 나올 수도 있음.

또는 TRRS 규격 차이에 따라 접점이 애매하게 맞아버리는 경우에도 음악이 나올 수 있음. 이건 TRRS도 두종류도 나뉘기 때문인데, 거기까지 알이보진 말고 꽂아봐서 되면 쓰고 안되면 바꾸면

됨.

2. 디지털 피아노에서 스피커보다 헤드폰의 음향적 차이

디지털 피아노 환경에서 스피커(내장 혹은 외장)보다 헤드폰 모니터링이 음향학적으로 우월한 건 사운드 소스(Sound Source)를 최소한의 왜곡으로 들을 수 있기 때문임. 그러나 헤드폰은 (1)드라이버와 고막 사이의 매우 좁은 공간(Ear Cup)만이 유일한 외부 공간이며 불규칙한 반사나 룸 모드의 영향을 완전히 차단(Bypass)하여, 엔지니어가 의도한 사운드 밸런스를 가장 정직하게유일한 외부 공간이며 불규칙한 반사나 룸 모드의 영향을 완전히 차단(Bypass)하여, 엔지니어가 의도한 사운드 밸런스를 가장 정직하게 전달함.

디지털 피아노의 고품질 샘플(Vst 포함)은 대부분 저음은 좌측, 고음은 우측으로 정교하게 패닝(Panning)되어 있으며, 최근에는 바이노럴 샘플링(Binaural Sampling)기술을 적용하여 연주자 위치에서의 입체감을 구현함.

또한, 피아노는 타건 순간 강한 어택에서 발생하는 타악기적 특성으로 다양한 소음이 발생하는데, 댐퍼 노이즈, 페달 노이즈, 해머액션 노이즈, 현과 현 사이의 공명 등 미세한 디테일뿐 아니라 날카로운 어택감과 해머가 현을 때리는 질감을 모두 들을 수 있음.

마지막으로 헤드폰이 스피커보다 우위를 가지는 요인은 주파수 응답 대역의 확보임.

그랜드 피아노의 저음(A0)은 약 27.5Hz인데, 소형 액티브 스피커

(4~6인치급)으로는 50Hz 이하의 극저음을 재생하는 것이 불가능함. 그럼에도 음원소스에서 지속적으로 50Hz 이하의 극저음을 보내면 스피커는 THD(전고조파 왜곡)현상으로 소리가 탁하고 지저분해짐.

반면, 헤드폰은 귀와 밀폐된 공간을 만들어, 상대적으로 작은 드라이버로도 20Hz 수준의 극저음을 손쉽게, 그리고 깨끗하게 재생할 수 있음. 전체 대역폭(Full-range)에 걸쳐 평탄하고 왜곡 없는 소리를 듣기에 비용 대비 효율이 압도적임.

(1) 별도로 쓰겠지만, 이런 이유로 비싼 헤드폰이라도 이어패드가 낡아서 푹 꺼지거나 찢어지면, 설계된 룸 환경이 깨진 것이므로 소리가 완전히 망가짐. 헤드폰 음질 유지의 가장 중요힌 것이 소모품인 이어패드 관리임.

3. 디지털 피아노, 헤드폰의 다이나믹 드라이버

공지사항에 추천으로 올려놓은 디지털 피아노용 헤드폰은 모두 다이나믹 드라이버 방식을 사용함.

위 그림이 다이나믹 드라이버인데, 영구자석 (1)과 보이스 코일(2), 서스펜션 시스템(3), 다이어프램 (4) 으로 구성됨.

디지털 피아노에서 헤드폰 앰프로부터 증폭된 전기 신호(오디오 전류)가 케이블을 통해 헤드폰 내부의 보이스 코일로 흘러 들어감.

보이스 코일은 영구 자석의 자기장 안에 있는데, 코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전자기력이 발생하여 코일이 움직이기 시작함.

보이스 코일은 다이어프램이라는 매우 얇고 가벼운 막에 부착되어 있음. 코일이 오디오 신호의 파형에 따라 정밀하게 앞뒤로 움직이면, 다이어프램도 함께 진동함.

다이어프램의 진동이 주변 공기를 밀고 당기며 압력 변화를 일으킴. 이 공기의 압력 변화가 바로 음파이며, 이것이 귓속 고막을 진동시켜 소리로 들림.

다이나믹 드라이버의 크기

다이나믹 드라이버의 직경은 보통 30mm에서 50mm 사이인데 디지털 피아노용으로는 40mm 이상의 대구경 드라이버가 적합함.

피아노의 최저음(A0)은 27.5Hz에 불과해서 진동판이 클수록 한 번에 밀어낼 수 있는 공기의 양이 많아지고, 억지로 볼륨을 키우지 않아도 여유롭고 깊이 있는 저음을 재생할 수 있기 때문임. 너무 작은 드라이버는 저음을 낼 때 과도하게 떨려야 하므로 왜곡이 발생하기 쉬움. 이것이 이어폰을 추천하지 않은 큰 이유임.

하지만 이보다 큰 드라이버는 오히려 반응속도 저하로 피아노 연주를 듣기에 적합하지 않음.

디지털 피아노의 사운드는 단순히 피아노의 음색만 있는 것이 아니라 해머가 현을 때리는 순간의 타격음과 현의 떨림(배음)까지 들을 수 있어야 히므로 드라이버의 반응 속도가 중요함.

다이어프램(진동판)은 물리적 무게가 있는 구조라 관성의 법칙이 적용되므로 움직이던 진동판은 바로 멈추지 않고, 멈춰있던 진동판은 바로 움직이기 힘듦.

당연히 스피커 우퍼의 다이어프램 같이 무거운 판은 반응이 느리지만, 헤드폰의 초경량 다이어프램은 아주 미세한 전류 변화에도 즉각 반응하고 즉각 정지함.

스타카토 연주 시 음의 흔적이 지저분하게 남지 않고, 빠른 속주에서도 음이 뭉개지지 않고 한 음 한 음 명확하게 분리되어 들리는 이유는 바로 이 가벼운 진동판의 빠른 반응 속도 때문임.

다이나믹 드라이버의 설계

공지사항에 디지털 피아노용으로 추천하는 헤드폰은 모두 모니터링용 튜닝으로 매우 플랫한 소리를 만들어 줌.

튜닝(Tuning)이라고 하면 흔히 EQ(이퀄라이저)처럼 소프트웨어적인 조작을 생각하지만, 헤드폰 제조 단계에서의 튜닝은 100% 물리적인 설계와 소재의 차이에서 옴.

다이어프램의 소재와 두께 (재료 역학)

다이어프램이 진동판이 무겁고 유연하면 관성이 커져서 한번 움직이면 잘 멈추지 않음. 이러면 저음이 웅장하게 울리지만, 고음의 빠른 진동을 따라가지 못함. 반대로 진동판이 가볍고 딱딱하면(티타늄, 베릴륨 등) 저음의 양감은 줄어들지만, 해상도가 날카로워짐.

그래서 특정 대역이 튀지 않도록 적절한 강도와 무게를 가진 복합 소재(Mylar 등)를 사용하여 중립적인 움직임을 유도하는 것이 모니터링 헤드폰의 설계임.

또, 그림(3)의 서스펜션 시스템의 설계에 따라 진동판이 앞뒤로 움직일 때 공기 저항을 얼마나 줄 것인가기 결정됨. 이런 통제를 위해 드라이버 뒤쪽에 부직포, 메쉬, 펠트 같은 음향 저항재를 붙임.

음악 감상용 헤드폰들은 공기 구멍을 넉넉히 뚫거나 저항을 줄여 진동판이 펑펑 움직이게 둬 풍성한 저음을 발생하게 함.

하지만 모니터링용은 촘촘한 서스펜션 시스템를을사용하여 공기 흐름을 빡빡하게 제어함. 진동판이 필요 이상으로 떨리는 것을 물리적으로 억제하여 딱 정해진 만큼만 움직이고 멈추게 만들어 건조하고 정확한 소리를 냄.

4. 디지털 피아노, 헤드폰의 하우징(밀폐형과 오픈형)

밀폐형

밀폐형은 드라이버의 후면이 플라스틱이나 나무, 금속 등의 덮개로 완전히 밀봉된 형태로 드라이버에서 발생한 공기압이 하우징 밖으로 나가지 못하고 내부에서만 흐름.

이런 구조로 인해 드라이버 진동판이 뒤로 움직일 때 공기가 빠져나가지 못해 압력이 높아지고, 압력이 진동판을 다시 튕겨내는 스프링 역할을 해, 저음의 타격감을 물리적으로 증폭시키는 것이 큰 특징임.

일반적으로 와 닿는 가장 큰 특징은 외부 소음을 차단하고 내부 소리도 밖으로 새지 않는다는 것임. 주변에 다른 소음이 있어도 완전히 연습에 몰입할 수 있음.

특히 디지털 피아노 건반의 덜그럭거리는 타건음을 차단해줌. 오직 피아노 소리만 들려 집중도를 올려줌.

다만, 드라이버를 설명할 때 말했듯이 소리는 공기의 진동(압력)임. 그런데, 밀폐형은 공기가 빠져나갈 구멍이 없으니 고막에 가해지는 압력이 더 커지고 이런 물리적인 압박감으로 인해 귀가 쉽게 피로해짐.

또, 머릿속에서만 소리가 느껴지는 느낌이 강해서 소리가 나에게 오는 게 아니라, 내 머리 안에서 바깥으로 나가는 느낌이라 공간감이 좁아지는 단점이 있음.

이 단점을 상쇄하기 위해 나온 것이 대표적으로 야마하의 바이노럴 샘플링 기술임.

야마하는 사람 귀 모양을 본뜬 더미 헤드에 마이크로 샘플을 녹음해서 소리가 귓바퀴를 돌고, 머리뼈를 진동시키며 도달하는 시간차와 주파수 왜곡(HRTF)을 모두 캡처함.

이 소리를 밀폐형 헤드폰으로 들으면, 귀 바로 옆이 아니라 앞쪽 피아노에서 들리는 패턴으로 착각함. 그래서 밀폐형 헤드폰을 썼음에도, 피아노 스피커 볼륨을 켜 둔 듯한 가상의 공간감을 만들어 줌

오픈형

오픈형은 드라이버의 후면이 그릴이나 메쉬망으로 뚫려 있어서 드라이버가 작동할 때 발생하는 공기 파동이 하우징 밖으로 빠져나감.

드라이버가 음향 신호를 받아서 앞으로 밀 때는 고막을 향해 소리를 보내고 반대로 뒤로 당길 때는 하우징 쪽으로 소리를 보내는데, 이 뒤쪽 소리는 앞쪽 소리와 위상(Phase)이 정반대이며 듣지 않아도 되는 소리들임.

그래서 내부에 소리가 고이면서 생기는 왜곡이나 공명 현상이 거의 없고, 공기 저항이 적어 진동판이 아주 섬세하고 빠르게 반응함.

피아노 현의 미세한 떨림이나 배음 구조를 선명하게 느낄 수 있고, 저음이 과장되지 않고 평탄하며, 고음이 찌르지 않고 부드럽게 열려 있음.

가장 큰 장점은 소리가 밖으로 새어 나가며 자연스럽게 감쇄하면서뇌가 소리의 끝이 저 멀리 있다는 착각으로 넓은 공간감이 생김. 또, 장시간 연습해도 귀가 먹먹하지 않고 쾌적함.

대신, 차음이 안 되므로, 볼륨을 작게 하면 타건음이나 주변 소음이 다 들림. 이것이 몰입을 방해할 수도 있고 반대로 내가 듣는 피아노 소리가 스피커를 작게 튼 수준으로 옆 사람에게도 들리는 단점이 있음.

오픈형의 소리가 밖으로 샌다고 해서 옆방이나 집 전체에 울려 퍼지는 수준은 아님. 보통 스마트폰 스피커를 작게 틀어놓은 정도의 크기임. 문을 닫으면 옆방에서는 거의 들리지 않음. 바로 옆 시람 입장에선 아무 음악도 없이 타건 소음만 들리는 밀폐형이 더 싫을 수도 있음.

*밀폐형의 갑갑한 정도는 사람마다 느끼는 정도가 다르고, 피로감도 다름. 오히려 오픈형보다 작은 볼륨으로도 충분한 양감을 얻을 수 있어서 선호하는 경우도 많음.

야마하의 바이노럴 샘플링 기술은 오픈형과 밀폐형이 주는 차이와는 다른, 소프트웨어적인 문제이므로 어떤 타입의 헤드폰을 써도 느낄 수 있음.

5. 디지털 피아노, 헤드폰의 이어컵과 패드

스피커로 음악을 들을 때 방의 구조가 소리를 왜곡시키므로 룸 구조는 스피커의 성능을 끌어내는데 매우 중요한 요인임.

헤드폰에서는 이어컵과 이어패드가 만드는 그 좁은 공간이 청취 룸이 됨.그래서 이어컵 설계와 이어패드의 상태는 헤드폰 음질에 매우 큰 영향을 미침.

밀폐의 중요성

헤드폰의 드라이버와 고막 사이의 공간을 밀폐된 공간으로 만드는 걸 커플링이라고 함.

이 밀폐에 틈이 생기면 파장이 긴 저역대가 먼더 빠져나가는 Bass Roll-off’ 현상이 생김. 안경다리로 인해 틈이 생기는 경우가 많고, 그 다음이 머리카락임.

흡음과 반사

방의 벽지나 커튼이 소리를 흡수하듯, 이어컵 내부 소재와 이어패드 재질이 소리의 튜닝에 큰 영향을 줌.

가죽계열은 소리를 반사하는 성질이 강하고 소리를 잘 저음의 타격감과 밀도감이 높아짐. 디지털 피아노의 타건감을 묵직하게 느끼고 싶을 때 좋음.
벨루어계열은 소리를 일부 흡수하고 공기가 통하도록 만들어져 반사음이 줄어 고음이 부드러워지고 소리가 자연스러워짐. 장시간 연주 시 귀의 피로가 덜하고 통기성이 좋으나, 가죽에 비해 저음의 펀치는 약해질 수 있음.

*하지만 제일 중요한 건 제조사가 기본으로 제공한 것이 설계 의도에 따른 것이므로 기본 이어패드와 이어컵이 가장 좋음

공간감의 형성

드라이버가 귀에 너무 바짝 붙으면 소리가 머릿속 한가운데서 울리는 이질감이 드는데 이어컵의 깊이가 충분하여 드라이버와 귀 사이에 어느 정도 거리를 두면, 소리가 고막에 도달하기 전에 귓바퀴를 거치면서 뇌가 소리가 외부에서 들려온다고 착각하게 만들어 자연스러운 공간감을 형성함.

헤드폰에서 이어컵은 단순한 완충 장치가 아니라 스피커로 치면 인클로저이자 리스닝 룸임. 따라서 이어컵과 이어패드가 낡으면 반드시 정품 액세서리로 구매 해 교체해야 함.

덧붙여서,

헤드폰 음질 개선을 위해 가장 먼저 떠올리는 것이 케이블 교체인데, 케이블은 왜 기본 케이블 만으로 충분한지 아래 글에 정리 했으니 함께 봐

디지털 피아노용 헤드폰의 임피던스(옴Ω)에 관해서

해드폰 스펙에서 임피던스(옴Ω)만 보고 앰프의 필요 유무를 얘기하는데, 전압(dB/V)과 전력(dB/mW))을 같이 봐야 확실히 알 수 있음.

그리고, 이 세 단위는 제조사 스펙표의 오류나 고의성 오기등이 믾아서 헤드폰 측정 전문 사이트 Reference Audio Analyzer (RAA)와 ASR(Audio Science Review)의 실측 데이터로 확인해야함.

헤드폰 소리 크기는 헤드폰에 들어온 전기 신호의 전압(V)와 전류에 의해 발생하는 소리(dB)의 크기에 의해 결정됨. 이때 헤드폰의 임피던스는 주로 코일을 감는 구조에 의해 결정됨.

임피던스가 높으면 같은 전압을 걸었을 때 흐르는 전류는 줄어들어서, 충분한 출력을 내려면 앰프는 더 높은 전압을 내줘야 함.

레퍼런스 헤드폰 3대장중

AKG K701의 실측 임피던스는 66 Ω임. 젠하이저 HD 560S

실측 임피던스 134 Ω의 반 밖에 안 됨.

그러면 K701은 앰프가 없어도 될 것같아보이지만,

신호를 밀어주는 압력인 전압이

AKG K701의 실측 전압은 104.6dB/V이고, 젠하이저 HD 560S

실측 전압은 107.8dB/V로 거의 같음.

이말은 볼륨 노브(전압)를 똑같이 돌렸을 때 확보되는 소리의 크기는 비슷하다는 뜻임.

그런데, 옴의 법칙(I = V/R)에 의해, 저항이 절반인 K701은 HD 560S보다 전류를 2배나 더 많이 빨아들임.

그런데 K701의 전력 효율(dB/mW)은 92.8 dB로, HD 560S의 99.2 dB에 비해 떨어짐.

어느정도냐면 3dB/mW이 떨어질 때마다 필요 전력이 두배로 늘어남.

두 모델의 효율 차이는 약 6.4 dB임.

3dB가 두 번 떨어지면(2배 x 2배) 4배가 되니까, K701은 HD 560S보다 최소 4배 이상의 전력을 공급해야 똑같은 크기의 소리를 낼 수 있음.

그래서 K701은 외장 앰프가 없으면 충분한 음량과 다이내믹을 내기 어렵고, HD 560S는 스마트폰 같은 기기만으로도 사용할 수 있을 만큼 효율이 높음.

같은 계산으로

HD600의 실측 임피던스가 333Ω인데도 실측 임피던스 263 Ω짜리 DT 880보다 울리기 쉬운 것임.

HD 600은 103.5 dB/V로 DT 880의 101.9 dB/V보다 수치가 높아 같은 볼륨 노브에서 HD 600이 더 큰데다, 전력 효율(dB/mW)에서도 HD 600(98.2 dB)이 DT 880(96.1 dB)보다 약 2dB 더 높기때문임.

그래서 HD 600은 야마하 CLP 같은 내장 앰프에서도 충분히 사용할 만함.

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