정숙한 세상을 켜는 기술
고가 헤드폰의 전유물처럼 여겨졌던 노이즈 캔슬링Noise Canceling 기술이 보급형 이어폰에까지 적용되고 있다. 청력 보호 목적에서 음악 감상을 위한 수단으로 발전한 노이즈 캔슬링은 이제 원격 회의와 자동차 등 다양한 분야에 적용되어 음향 장비만으로 부족했던 높은 품질의 소리를 전하는 기술을 완성하고 있다.
정숙한 세상을 켜는 기술
개인적인 경험을 술회하자면, 약 10년 전 처음으로 노이즈 캔슬링 기능을 맛봤을 때의 기억이 생생하다. 미국 여행 중 ‘Headphones On, World Off’라는 광고 문구에 홀린 듯 상점 안으로 들어섰다. 마침 사용하던 이어폰이 고장 나 새로운 제품을 찾고 있던 차였다. 어느 브랜드인지 확인하지도 않고 테스트용 헤드폰을 집어 들어 머리에 둘렀다.
귀를 완전히 덮는 밀폐형 헤드폰이 아닌데도 노이즈 캔슬링의 효과는 뛰어났다. 매장 안을 분주하게 움직이는 사람의 발걸음 소리, 열린 문으로 들어오는 자동차 주행 소리 등 ‘늘 그곳에 존재했던 것처럼’ 의식하지도 못하던 각종 소음이 일순간 사라졌다. 비유하자면, 로비에서 웅성거리는 사람들을 지나 두꺼운 문을 열고 조용한 오케스트라 홀로 들어선 느낌이었다.
어디 그뿐이랴? 바로 내 귀 옆에서 노래를 부르는 것처럼 숨소리까지 또렷한 보컬이 고막을 간지럽히기 시작하자 자연스레 두 눈이 휘둥그레졌다. 점원은 씩 웃으며 엄지손가락을 치켜 세웠고, 나는 연신 고개를 끄덕였다. 그날 충동적으로 구매했던 제품은 노이즈 캔슬링의 명가 보스Bose의 ‘QC 15’라는 제품이었다.
대놓고 특정 브랜드를 거론하다니! 하지만 어쩔 수 없다. PC 발달사를 얘기할 때 IBM과 마이크로소프트를 언급하지 않을 수 없는 것처럼, 보스를 빼놓고 노이즈 캔슬링을 이야기하는 건 불가능하다. 노이즈 캔슬링을 실현하고 발전시켜온 장본인이 바로 보스니까(브랜드이자 창업자). MIT에서 전기공학을 전공한 후 모교에서 교수로 재직하던 아마르 보스Amar Bose 박사는 1964년 자신의 이름을 딴 음향기기 회사를 설립했다. 그는 수많은 음향기기 제작에 관여했는데 1968년 출시된 이후 무려 48년 동안 꾸준한 인기를 끈 ‘보스 901’ 시리즈가 대표적이다.
오늘의 주제인 노이즈 캔슬링 역시 그의 손에서 개발이 시작됐다. 1978년 보스 박사의 짧은 메모에서 시작된 획기적인 소음 상쇄 기술은 총 5000만 달러의 연구비가 들어간 대규모 프로젝트였다고 알려진다. ‘획기적’이라고 말했지만 원리 자체는 1930년대 처음 알려졌고 다만 실용적으로 구현하지 못했던 기술이었다. 보스가 상용화한 첫 노이즈 캔슬링 제품은 1989년 출시한 항공기 승무원용 헤드셋Aviation Headset이다. 비행 중 소통 품질 개선과 함께, 은퇴한 파일럿의 약 60%가 소음성 난청에 시달려야만 했던 상황을 개선하기 위한 제품이었다.
같은 맥락으로 1993년엔 미 육군을 위한 전투 차량 승무원용 헤드셋Combat Vehicle Crewman Headset이 출시됐다. 1998년엔 단순 대화 수준이 아닌 음악 감상이 가능할 정도의 오디오 성능을 더한 새로운 항공기용 헤드셋Aviation Headset X을 출시해 파일럿은 물론 일반 대중에게까지 알려지기 시작했다. 군사 · 산업용이 아닌 일반인을 위한 제품인 QC 시리즈는 2000년에 처음 나왔다.
음악 감상이나 통화 등 의도한 청음 품질을 높이기 위해 소음과 잡음을 줄이는 소음 제어Noise Control 또는 소음 상쇄Noise Canceling 기술을 흔히 ‘노이즈 캔슬링’이라고 부른다. 이 기술은 사실 청음 주체뿐 아니라 소음 주체가 사용할 수도 있다. 자기가 내는 시끄러운 소리를 줄인다는 개념을 ‘재미있게’ 이해하려면 1983년 영화 <블루 썬더> 관람을 권한다.
영화에는 최첨단 경찰 헬리콥터가 야간의 도심 상공에서 로터 풍절음과 엔진 소리를 대폭 줄인 채 은밀히 감시하는 장면이 등장한다. 이게 바로 소음 주체가 활용하는 노이즈 캔슬링의 적절한 사례다. 물론 이 헬리콥터는 어디까지나 가상의 기체지만, 친절하게도(또는 흥미 유발을 위해) 다음과 같은 자막으로 영화가 시작한다. “여기 등장하는 장비, 무기, 감시 시스템은 모두 실제로 존재하며 현재 미국에서 사용되고 있다.”
다시 해설로 돌아와서, 노이즈 캔슬링은 크게 두 가지로 구분된다. 첫 번째는 패시브 노이즈 캔슬링Passive Noise Canceling이다. 방음재를 사용해 물리적으로 소리를 차단하는 걸 말한다. 커널형 이어폰처럼 귓구멍을 틀어막아 소음 유입을 막는 방식이 PNC의 대표적인 경우다. 두꺼운 흡음재를 벽에 부착하는 녹음실이나 음악 감상실도 PNC의 일종이다.
수동적으로 소음을 막는 PNC는 별도의 전자 장비나 전원을 사용하지 않고도 소리를 차단할 수 있다는 장점이 있지만, 크기와 부피에 따른 차음(방음) 성능 제약이 있고 소음을 선별적으로 걸러내지 못한다는 게 단점이다. 분류하기에 따라 PNC는 노이즈 캔슬링이 아닌 소음 감쇠 또는 노이즈 리덕션Noise Reduction으로 여겨지는 경우도 있다.
그리고 두 번째. 사실 요즘 헤드폰이나 이어폰을 포함한 오디오 관련 주제로 이야기할 때 언급되는 노이즈 캔슬링은 대부분 액티브 노이즈 캔슬링Active Noise Canceling을 가리킨다. ANC는 전원으로 구동되는 능동적 장치로, 마이크로 인식한 주변 소음과 위상이 반대인 음파를 발생시켜 잡음을 사라지게 하는 기술이다. 날아오는 미사일을 방어용 미사일로 요격하는 것도 신기한데, 눈에 보이지도 않는 소리를 어떻게 막는 걸까?
소리는 파동Wave이다. 인간이 들을 수 있는 가청주파수는 약 20~2만Hz로 알려져 있으며 이를 그래프로 나타냈을 때 고음은 진폭이 크고 저음은 진폭이 작다. 흥미로운 건 서로 다른 파동이 겹쳐질 때 발생하는 현상이다. 비슷한 주파수의 파동 두 개가 합쳐지면 더욱 커다란 파동이 생기지만(소리가 더 커진다), 정반대의 역위상Antiphase 파동이 겹치면 되려 파동이 소멸한다(소리가 사라진다). 전자를 ‘보강 간섭Constructive Interference’, 후자를 ‘상쇄 간섭Destructive Interference’이라고 한다.
참고로, 이러한 간섭은 소리뿐만 아니라 물결에서도 관찰될 수 있어 대형 선박 설계에도 활용되고 있다. 유조선이나 컨테이너선 같은 큰 배는 맨 앞쪽 물속에 잠기는 부분을 혹처럼 볼록 튀어나온 ‘구상선수Bulbows Bow’로 만드는데, 흘수선 아래의 구상선수가 만드는 물결파와 수면에 닿는 선수가 만드는 물결파가 상쇄Wave Canceling돼 오히려 조파저항이 줄어드는 효과를 노린 것이다.
노이즈 캔슬링을 구현하기 위한 어려움은 이러한 상쇄 간섭을 만들어내기 위해 넘어야 할 산이 한두 개가 아니라는 점이다. 보스 박사가 연구에 착수한 후 12년이나 연구를 거듭한 것도 그래서다. 일단, 마이크를 이용해 외부 소음을 잘 듣는 것이 첫 단계다. 이어컵이 10cm 남짓한 헤드폰만 보더라도 윗부분과 아랫부분에 닿는 소리가 다르다. 그래서 최근 출시되는 노이즈 캔슬링 헤드폰은 여러 개의 마이크를 장착해 다방면의 소음을 수집하도록 설계되어 있다.
그 다음 단계는 ADC(Analog to Digital Converter)와 DSP(Digital Signal Processor)를 이용해 소음을 디지털화한 후 역위상 파동을 계산하는 것이다. 마지막 단계에서는 그렇게 급조한 역위상 파동, 즉 ‘소음 상쇄용 디지털 음원’을 스피커나 드라이버를 통해 소리로 전환한다. 그러면 소음의 파동이 소멸해 헤드폰을 쓴 사용자는 마치 소음이 차단된 것처럼 느끼게 된다. 복잡한 일련의 과정이 아주 빠르게 이루어져야만 이질감 없는 노이즈 캔슬링으로 작용한다.
처음 노이즈 캔슬링 기술이 등장했을 때만 하더라도, 비행 소음이나 자동차 엔진이 만드는 일정한 리듬의 소리를 줄이는 데엔 탁월했지만 파동의 높낮이가 들쑥날쑥한 사람의 말소리와 같은 불규칙한 소리엔 재빠르게 대응하지 못했다. 지금은 다르다. 반도체와 디지털 기술의 혁혁한 발전으로 작고 가벼우면서도 상쇄 간섭 연산 속도는 10년 전보다 수백 배 이상 빠른 제품이 속속 등장한다. 덕분에 요즘은 귀를 덮는 밀폐형 헤드폰이 아닌 블루투스 이어폰을 사용해도 노이즈 캔슬링 효과가 탁월하다. 오히려 너무 뛰어난 노이즈 캔슬링 성능에 어지러움이나 위화감을 느끼는 사람을 위해 스마트폰 어플리케이션과 연동해 노이즈 캔슬링 강도를 20단계로 조절하는 제품도 있다.
하드웨어의 발전으로 다양한 소음에 실시간으로 대응할 수 있게 됐다면 하이브리드 구조는 미세한 소음까지도 놓치지 않기 위한 설계다. 헤드폰 외부에서 들리는 소음은 물론 귀와 헤드폰 사이에서 발생하는 소음을 잡기 위해 마이크를 헤드폰 안팎에 각각 설치한 경우를 하이브리드 노이즈 캔슬링 제품이라고 한다. 다시 말해 귀와 헤드폰이 마찰하며 발생하는 소리나 스피커에서 뿜어져 나온 소리가 귓바퀴에 부딪혀 만들어내는 잡음까지도 포착해 제거하는 것. 이때 어떤 것이 소음이고 어떤 것이 사용자가 듣고자 하는 음악인지 구분하는 능력이 제조사의 기술이다. 자칫 음악 소리를 소음으로 간주해 차단해버리면 선명하고 또렷한 음악 감상을 위해 노이즈 캔슬링을 사용하는 의미까지 사라지고 만다.
노이즈 캔슬링은 이제 음악 감상을 넘어 일상 곳곳에서 활약하고 있다. 보통 컨퍼런스 폰Conference Phone이라고 부르는 회의용 스피커폰이 대표적이다. 음향 전문 기업 슈어Shure가 만든 ‘스템 테이블Stem Table’은 발언자의 목소리가 아닌 다른 소음, 예컨대 서류를 넘기는 소리나 의자가 움직이는 소리 같은 것을 제거하는 데 노이즈 캔슬링을 사용한다. 코로나19 이후 비대면 회의가 활발해지면서 구글의 화상회의 서비스 ‘미트Meet’ 역시 2020년부터 노이즈 캔슬링을 옵션으로 제공한다.
음악 감상이나 대화를 위해서가 아니라 잠의 질을 높이기 위한 노이즈 캔슬링 제품도 있다. 예컨대 코골이가 심한 동반자와 함께 생활하거나 시끄러운 환경 속에서 잠을 청해야 하는 사람을 위해 ‘슬립 테크Sleep Tech’ 스타트업인 콰이어트온QuietOn은 수면용 이어버드를 출시했다. 블루투스 이어폰처럼 생겼지만 음악 재생과 통화 기능이 없는 대신 오래 착용해도 편안하도록 경량화와 디자인에 치중한 제품이다.
자동차 업계도 노이즈 캔슬링 기술을 끌어들였다. 현대자동차가 2020년 개발한 RANC(Road-noise Active Noise Control)는 노면 소음과 반대 음파를 생성해 상쇄시키는 기술이다. 앞서 <블루 썬더>의 헬리콥터가 노이즈 캔슬링 기능을 기체 외부로 발휘한다면 RANC는 자동차 실내에 작용하며, 기존의 자동차용 노이즈 캔슬링은 엔진 소음을 대상으로 했지만 RANC는 노면에서 올라오는 소음을 잡는다.
자동차보다 더 넓은 공간, 즉 건물 실내에서의 소음 감쇠는 쉽지 않은 문제다. 차음재와 흡음재를 활용한 PNC가 현실적인 유일한 해법일 텐데, 최근에 유행하는 노출 콘크리트 마감이라든가 유리 벽체처럼 단단한 표면과 칸막이가 없는 개방형 공간 구조에서는 그조차 적용하기 어렵다. 글로벌 건축 설계사 NBBJ는 워싱턴대학교의 건축환경대학과 손잡고 색다른 해결책을 모색했다. 그들은 병처럼 입구는 좁고 내부는 넓은 통 형태의 헬름홀츠 공명기Helmholtz Resonator와 유사한 구조를 배열한 흡음판을 고안했다. 칸막이조차 없는 개방형 사무실을 위해 고안된 흡음판을 천장에 설치하면 사람들의 대화 소리를 효과적으로 흡수할 수 있다고.
이처럼 소음 감쇠 기능을 적용할 대상의 특질에 따라서는 능동형 기술 대신 수동형 기술이 효과적일 수 있다. 대표적인 경우가 한국타이어앤테크놀로지의 전기차 전용 타이어 브랜드 아이온iON으로, 내연기관의 소음이 없는 전기차의 조용한 주행 환경을 고스란히 체감할 수 있도록 다양한 ‘소음 억제 기술Hankook Sound Absorber™’을 적용했다. 메인 그루브의 안쪽 면을 매끈하게 처리하지 않고 미세한 돋을새김 무늬를 넣은 것은 수많은 소음 저감 시뮬레이션Noise Simulation을 거친 결과다. 주행 중에 그루브 내부에서 발생한 소음 파동이 돌기에 부딪쳐 분산되면서 방사음을 억제하는 효과를 가져온다.
나아가 모든 아이온 제품에는 타이어 내부 안쪽 바닥Inner Liner에 특수 소재의 흡음재를 부착했다. 타이어 내부에서 발생하는 공명음Cavity Noise을 감소시키는 흡음재는 일종의 PNC라고 볼 수 있다. 아이온을 통해 운전자가 인지하는 타이어 소음 요소 하나가 제거(또는 감소)된 것이다.
능동과 수동 방식의 노이즈 캔슬링을 고루 살펴봤으니 이 혁신적인 기술을 가장 효과적으로 사용하는 헤드폰 이야기로 돌아오자. 노이즈 캔슬링 정보를 검색하다 보면 빠지지 않고 꼭 등장하는 질문이 하나 있다. “노이즈 캔슬링을 사용하는 것이 청력에 영향을 주진 않나요?”
결론부터 말하면, 노이즈 캔슬링 자체는 귀에 나쁜 영향을 주지 않는다. 오히려 항공기나 공장에서 일하는 사람에겐 청력을 보호하는 도구와 기술이다. 중요한 건 얼마나 오랫동안 높은 음량으로 음악을 듣는지에 따라 달라진다. 과거 노이즈 캔슬링이 없을 땐 주변이 시끄러우면 음악 듣는 것을 포기했지만, 이젠 때와 장소에 구애 받지 않고 더 자주 음악을 들을 수 있게 되었으므로 귀를 혹사시킬 가능성이 오히려 커졌다. 어떤 도구나 기술이든 알맞게 사용하는 건 결국 사용자에게 달린 문제다.
- 글
- 박호준
- 사진
- Getty Images, Bose, Shure, QuietOn,
Hankook Tire & Technolgy
