최근 노이즈 캔슬링 헤드폰과 이어폰 제품이 많이 나오고 있습니다. 하지만 노이즈 캔슬링이 어떻게 작동하고, 어떤 환경에서 사용하면 좋은지 제대로 가이드해 주는 글을 보지 못한 것 같습니다. 노이즈 캔슬링이 어떤 원리로 동작하는지? 어떤 제품이 쓸만한지를 살펴보겠습니다.

 1. 노이즈 캔슬링 (NC)이란?

노이즈 캔슬링(Noise Canceling, NC)이란 말 그대로 소음을 없애주는 것이죠. 각 제조사에서 다른 용어를 사용하기도 하는데, 노이즈 캔슬레이션(Noise Cancellation), 노이즈 리덕션(Noise Reduction), 노이즈 가드(Noise Guard) 모두 같은 의미로 사용하고 있습니다. 
여기서 한가지 노이즈 캔슬링의 방법에는 두 가지가 있는데, 패시브(Passive) 방식과 액티브(Active) 방식이 있습니다. 하지만 노이즈 캔슬링 이어폰/헤드폰 하면 ANC 즉 액티브 노이즈 캔슬링 방식을 얘기하는 게 일반적으로 사용되고 있습니다. 물론 제품 설명에는 패시브 노이즈 캔슬링 방식을 그냥 노이즈 캔슬링이라고 표현하는 경우도 많습니다. 그렇기 때문에 두 가지 방식을 정확히 알고 선택하는 것이 중요하다고 생각해요.

2. 노이즈 캔슬링의 원리 – 패시브 vs 액티브

네이버에서 노이즈 캔슬링 이어폰을 검색해 봤습니다. 가장 상위에 노출되는 6종의 노이즈 캔슬링 이어폰이 보이네요. 이 중에서 어떤 제품이 액티브 방식의 노이즈 캔슬링 이어폰인지 구분이 가시나요?
 
 

액티브 방식은 ANC, 패시브 방식은 PNC로 표시해 봤습니다. 액티브 방식의 노이즈 캔슬링 이어폰만 있어야 할 것 같은 자리에 의외로 패시브 방식의 노이즈 캔슬링 이어폰이 더 많이 있네요. 
패시브 방식의 노이즈 캔슬링 이어폰이라고 해서 뭔가 기능이 있을 것으로 보이지만 실은 단순 커널형 이어폰일 뿐입니다. 노이즈 캔슬링이라고 하면 액티브 방식의 제품만 보여 주는 게 바르다고 봅니다. 
 
그렇다면 패시브 방식과 액티브 방식은 어떤 원리로 구동하는지 알아보겠습니다. 
 

 
  
 - 패시브 노이즈 캔슬링 원리 -

패시브 노이즈 캔슬링은 단순히 밀폐로 만들어지는 소음 감소 방식입니다. 아이솔레이팅(Isolating) 이어폰이라는 표현도 있고, 커널형 이어폰, 밀폐형 이어폰을 모두 패시브 노이즈 캔슬링 이어폰이라고 보면 됩니다. 귀마개를 생각하면 쉽죠?
 
 

패시브 노이즈 캔슬링이 되는 구간의 주파수 응답 특성

데이터를 보면 검정색 선이 귀로 직접 들어오는 노이즈라면, 파란색 선이 귀에 이어폰을 착용했을 때 밀폐를 통해 노이즈 캔슬링이 생기는 것을 볼 수 있습니다. 하늘색으로 빗금 친 부분 면적이 패시브 방식으로 소음이 감소한 영역입니다.
이 패시브 방식의 노이즈 캔슬링은 주로 1kHz 이상 고역대에서 잘 발생하며, 저음에서는 효과가 매우 적습니다. 그 이유는 고음의 경우 파장의 길이가 짧기 때문에 차단이 잘되고, 저음의 경우 파장의 길이가 길기 때문에 밀폐로 차단 효과를 보기가 힘듭니다.
패시브 노이즈 캔슬링은 단순히 밀폐로 인한 차음 효과이기 때문에 별도의 전력이 필요하지 않습니다. 
 

액티브 노이즈 캔슬링 원리

액티브 노이즈 캔슬링은 소리를 소리로 없애는 방식입니다. 물리학 용어로 간섭 현상을 이용한 방식인데, 소음을 마이크로 받아서 반대파로 만들어 소리를 들려주면 원래의 소음이 없어지는 원리입니다.
액티브 노이즈 캔슬링은 소음을 수음할 마이크, 신호를 역위상으로 바꿔주는 신호 처리 장치(DSP), 마이크와 신호 처리 장치를 구동할 수 있는 배터리가 필요합니다. 
 
 

액티브 노이즈 캔슬링이 되는 구간의 주파수 응답 특성

데이터를 보면 파란색 그래프가 NC를 끈 상태이고, 빨간색 그래프가 NC를 켠 상태입니다. 핑크색으로 표시한 면적만큼 저역대의 노이즈 레벨이 많이 줄어든 것을 볼 수 있죠?  
 
액티브 노이즈 캔슬링은 무려 1936년에 처음 Paul Leug가 특허를 등록했습니다. 하지만 이때는 이론만 만들었고, 1978년에 보스 박사가 처음 헤드폰에 적용한 제품을 개발했습니다. 그리고 1989년에 미국 보스사에서 항공기용 노이즈 캔슬링 헤드셋을 제조해서 판매하기 시작했고,  동시에 독일 젠하이저 사에서도 노이즈 캔슬링 헤드폰 개발을 마쳤다고 합니다. 

3. 노이즈 캔슬링을 탑재한 이어폰은?

노이즈 캔슬링 헤드폰, 노이즈 캔슬링 이어폰 종류가 많이 있지만, 이번에 테스트한 제품은 넥밴드 타입 노이즈 캔슬링 블루투스 이어폰 3종입니다. 하~~ 이름 참 기네요. 넥밴드 타입 노이즈 캔슬링 블루투스 이어폰!!! 

노이즈 캔슬링하면 보스가 빠질 수 없죠. 가장 성능이 좋다는 보스(Bose) QC30와 오디오테크니카(Audio-Technica) ATH-BT08NC 마지막으로 국산 대표 피아톤(Phiaton) BT150NC입니다. 각 제품 가격대를 보자면 QC30은 45만 원대, ATH-BT08NC는 25만 원대, BT150NC는 14만 원대입니다. 
형태상 QC30와 ATH-BT08NC는 넥밴드에 이어폰이 수납된다든지, 마그넷으로 부착된다는지 하는 구조가 아니라 목에 걸었을 때 이어폰이 덜렁거리게 됩니다.

액티브 노이즈 캔슬링도 구동 방식이 세 가지 있습니다. 피드포워드(Feed-Forward), 피드백(Feed-Back) 그리고 두 가지를 결합한 하이브리드 방식입니다. 일반적인 노캔 이어폰에서는 구조적 한계 때문에 피드포워드 방식을 많이 사용하는데, QC30은 제가 알기론 최초의 피드포워드와 피드백을 결합한 하이브리드 방식 노이즈 캔슬링 이어폰입니다. 

4. 노이즈 캔슬링 이어폰의 실제 성능은?

먼저 노이즈 캔슬링 성능을 어떻게 측정하는지 알려드리겠습니다. 

AP 장비에서 시그널 소스로 핑크 노이즈를 스피커로 보냅니다. 스피커에서는 일정 레벨로 핑크 노이즈를 재생시킵니다.
그리고 43AC가 사람의 귀처럼 느낄 수 있게 만든 마이크로 흔히 커플러라고 부릅니다. IEC 60218-4의 규격이 있고 규격에 맞춰 만든 커플러입니다.

측정 순서는
1. Noise - 스피커에서 핑크 노이즈를 재생하고 커플러에서 기본 노이즈 레벨을 측정합니다.
2. NC-off – 커플러에 ANC 이어폰을 삽입한 후 노이즈가 재생되는 레벨을 측정합니다.
3. NC-on – 커플러에 삽입된 ANC 이어폰의 NC 성능을 켜고 노이즈가 재생되는 레벨을 측정합니다.
 
 

그럼 1번의 기본 노이즈는 검정색 그래프, 2번의 NC-off는 파란색 그래프, 3번의 NC-on은 빨간색 그래프와 같이 데이터가 나옵니다. 
이렇게 나온 데이터를 Noise 레벨을 0dB로 두고 변화해서 보면 다음과 같습니다.
 
 

ANC + PNC 측정 데이터

Noise 레벨을 0dB로 맞추면 패시브와 액티브 모두를 합한 노이즈 캔슬링 성능을 볼 수 있습니다. 피크점은 QC30이 가장 높지만, 전체적인 면적은 BT150NC가 가장 넓네요. 피크도 중요하지만 노캔이 되는 면적도 매우 중요한 포인트 입니다.  QC30과 BT150NC는 상당히 좋은 노이즈 캔슬링 성능이 있지만, 그에 비해 ATH-BT08NC는 많이 부족한 모습이네요.
 
 
 

이번 그래프는 NC-off를 기준으로 NC-on 레벨 데이터를 보는 것으로, 실제 액티브 노이즈 캔슬링의 효과만 보는 데이터입니다. 역시 QC30 이 100Hz에서 피크값이 좋은 모습입니다. 하지만 가격이 약 3배 정도 저렴한 BT150NC를 보면 피크는 조금 낮지만 면적은 2kHz까지 상당히 넓은 구간에서 노캔 효과가 좋은 것을 볼 수 있습니다. 피크는 QC30이 좋지만, 면적 효과는 BT150NC가 더 좋네요. 가격을 감안하면 BT150NC가 상당히 훌륭한 성능을 내준다고 볼 수 있습니다. ATH-BT08NC는 뭐라 얘기를 못할 만큼 좋지 않은 성능이네요.

실제 청음으로 테스트를 해보면 역시 QC30이 세다는 느낌이 확실합니다. 하지만 10분 이상 사용하기 힘들 정도의 압박감이 있어 12단계를 계속 사용하기는 힘들다는 생각이 들었습니다. BT150NC는 좋은 노캔 성능을 느낄 수 있으며, 적당한 레벨이라 오래 사용해도 전혀 문제가 없었습니다. ATH-NB08NC는 노캔이 작동한다는 느낌을 아주 약하게 받았을 뿐 세 제품 중 효과가 너무 작았습니다.
참고로 QC30이 100Hz만 뾰족한 것은 피드백 방식에서 크게 나타나는 노캔 성능이고, BT150NC가 넓은 구간 효과가 좋은 것은 피드포워드 방식에서 나타나는 현상입니다.
 

상황별 발생 노이즈 주파수 대역

초기 노이즈 캔슬링 제품은은 항공기에서 사용할 수 있게 만들었습니다. 항공기에서 나오는 소음은 주로 150Hz이하 저주파수 구간으로 보스 QC30이 항공기에서 사용하기 적합한 것으로 보입니다. 

그 외에 생활에서 발생되는 노이즈로 대화 소리는 300~1kHz, 선풍기 팬 소리는 100~1kHz, 자동차 풍절음 800~5kHz, 타이어 마찰음 100~1kHz 구간입니다. ATH-BT08NC와 BT150NC가 2kHz까지 노이즈를 감쇄시키지만, ATH-BT08NC는 노이즈 캔슬링 성능이 많이 낮고, BT150NC가 많은 주파수 구간에서 노이즈 캔슬링 효과가 잘 나타났습니다.
 

Conclusion

지금까지 노이즈 캔슬링이 어떤 방식으로 구동이 되는지 알아봤습니다. 노이즈 캔슬링은 크게 패시브 방식과 액티브 방식 두 가지가 있는 것을 확인했습니다. 하지만 실제 패시브 방식 즉, 단순 커널형 이어폰은 노이즈 캔슬링 이어폰이라 말하면 안 된다고 생각합니다. 액티브 방식의 노이즈 캔슬링 제품이 진짜 노이즈 캔슬링 제품이라고 할 수 있는 것이죠.

노이즈 캔슬링의 원리와 더불어 넥밴드 타입 노이즈 캔슬링 이어폰의 성능도 살펴봤는데요. 피아톤 BT150NC(14만 원대), 오디오테크니카 ATH-BT08NC(25만 원대), 보스 QC30(45만 원대) 세 제품 중 노이즈 캔슬링 성능 피크값이 가장 좋은 제품은 QC30이었습니다. 전체 면적이 넓은 제품은 BT150NC으로 넓은 주파수 대역을 고르게 노이즈 캔슬링하는 것을 확인했습니다. 반면, ATH-BT08NC는 세 제품 중 노캔 성능이 가장 안 좋은 것으로 나타났습니다.

저주파수에 피크가 있는 보스QC30은 비행기나 대중 교통에 특화된 제품이고, 피아톤 BT150NC는 대중 교통 뿐만 아니라 실내/외 실생활에서 폭넓게 활용 가능하다고 볼 수 있습니다.

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