교회음향시공에서 마이크 임피던스 매칭으로 본 입출력 Impedance 상관관계

교회음향시공 현장을 다니다 보면 "마이크 좀 좋은 것 없나요?"라는 질문을 많이 받게 됩니다. 방송실 운영에 있어 나름 체계가 잘 갖추어져 있거나 유능한 음향사역자가 있는 교회에서는 마이크의 기능과 활용도에 맞추어 잘 사용되어지는 경우가 많습니다만 그렇지 않은 교회의 경우 마이크 선택에 적지않은 어려움을 겪고 계시는 것을 종종 보게 됩니다. 일례로 최근 어느 자그마한 성전을 가진 교회에 마이크를 교체해 드렸는데, 적지않은 설명과 튜닝을 해드리면서 이해를 시켜드린 일이 있었습니다. 마이크를 납품후 처음 돌아 온 피드백이 먼저 썼던 마이크에 비해 소리가 시원하지 않고 답답하니 마이크 선택이 잘못되지 않았았냐는 것입니다. 결론적으로 원인은 교체한 마이크를 이전마이크 셋팅상태에 그대로 사용했기 때문입니다. 그리고 전에 먼저 사용했던 마이크는 출력임피던스가 높은 저가형 마이크였고, 새롭게 구입한 마이크는 누구나 다 아는 많이 사용되지는 마이크였습니다. 출력임피던스가 높으면 출력전압도 높기 때문에 음질여부에 상관없이 같은 입력 조건에서 소리가 더 크기 때문에 벌어진 상황입니다.
그래서 이번엔 마이크 임피던스의 매칭에 대한 입출력 Impedance 상관관계에 대해 알아 보고자 합니다.

음향시스템에서 입출력 임피던스의 관계는 매우 중요합니다. 오디오시스템에서 대부분의 출력임피던스는 150Ω 이하의 낮은 임피던스를 갖습니다. 물론 높은 출력 Z(임피던스)를 가진 음원계통에 있는 패시브형 기타 픽업이나  마이크들도 있습니다. 그렇다면 이런 입력임피던스와 출력임피던스는 어떤 관계를 갖고 있을까요? 

먼저 임피던스에 대해 알아 보겠습니다. 검색을 조금만 해 보시면 아시겠지만 임피던스에 대한 설명은 흔한 블로그 소재이기 때문에 쉽게 궁금함을 해결하실 수 있습니다. 그래도 주제가 주제인지라 나름 정리해 보겠습니다.

위 그림[1]을 보시면 임피던스에 대해 좀 더 이해하시는데 도움이 되실겁니다.  임피던스(Z)란 교류회로에서 전류흐름에 대한 모든 저항입니다. 이는 두가지 구성요소인 기본적인 직류저항(R)과 리액턴스(X)의 합으로 이뤄집니다.  저항(R)은 직류저항이기때문에 오디오회로의 모든 주파수에서 일정하게 Ω(Ohms)단위로 측정이 됩니다.
리액턴스는 회로의 유도식 리액턴스[XL]인 인덕턴스(코일저항)와 용량성리액턴스[XC]인 커패시던스(콘덴서저항)의 영향으로 발생되는 교류흐름에 대한 저항입니다. Ω으로 측정되어지고 주파수에 영향을 받기 때문에 주파수별 저항값이 달라집니다. 위 공식에서 f는 주파수이고 L은 헨리(h) 단위의 인덕턴스값이고 C는 패러드(Farads)단위의 정전용량입니다.
임피던스는 단일 주파수에 대한 값이기 때문에 주파수 스펙트럼에 따라 크게 달라집니다.
중요한 내용이 그림 맨아래에 있는데 유도성리액턴스는 코일저항으로 고주파를 잘 통과시키는 코일특성으로 High Pass Filter에 사용되어 집니다. 용량성리액턴스는 콘덴서 구조상 저주파수대를 잘 통과시키므로 Low Pass Filter에 사용되어 집니다. 따라서 [XL]은 저음에 취약하고, [XC]는 고음에 취약합니다. 즉 오디오신호 전달 케이블에 있어 임피던스가 높아진다는 것은 주파수특성에 나쁜영향을 준다는 의미입니다.

높은 임피던스와 낮은 임피던스의 차이

건반이나 음악플레이어는 출력임피던스가 높기 때문에 임피던스가 더 높은 믹서의 라인입력으로 연결하여야 합니다. 마이크는 임피던스가 낮기 때문에 콘솔의 밸런스입력으로 연결하시면 되구요!!!

높은 임피던스의 마이크나 픽업은 낮은임피던스 보다 더 큰 신호를 출력합니다. 

Hi Z는 출력이 크기 때문에 많이 증폭을 하지 않아도 됩니다. 따라서 라인노이즈의 영향도 상대적으로 덜받고 s/n비도 향상이 됩니다.
그러나 전송케이블은 연결된 장치의 영향을 받기 때문에 임피던스가 높아질 경우 케이블 자체에 존재하는 높아진 용량성(커패시던스)리액턴스의 영향으로 활성 주파수가 낮아집니다. 이 커패시턴스는 소스이 임피던스와 결합하여 필터를 형성하게 되는데, low pass filter의 영향으로 고음특성이 나빠지게 됩니다. 따라서 이런 경우 해결 방법은 고품질의 오디오케이블을 사용하여 용량성저항을 줄여 주어야 합니다.
높은 임피던스의 라인은 낮은 임피던스 케이블보다 외부전기간섭과 자체 리액턴스가 높기 때문에 RF 노이즈에 취약합니다.
이 문제는 케이블이 길어질 수록 악화됩니다. 스피커에서 가끔 라디오소리가 나면 이 부분을 의심해 보아야 합니다. 입출력이 긴 케이블인 경우 마이크보다 건반이나 기타출력에서 특히 발생 가능성이 높은데, 이런 경우 DI BOX를 사용하여 밸런스 송신으로 임피던스를 조정해 주면 해결이 가능합니다.

낮은 임피던스에서 높은 임피던스로 신호를 보내라!!! Low feeds Hi Law!!! 

신호레벨과 주파수응답특성을 좋게 유지하려면 반드시 낮은 임피던스로 보내고 높은 임피던스로 받아야 합니다. 장비의 입력임피던스가 입력쪽의 임피던스에 비해 현저히 높지 않으면 신호는 감소되거나 적재되어 신호대 잡음비와 주파수응답특성이 저하됩니다.

위 그림2와3은 입력과 출력의 에너지 양을 수도관에 비유한 것입니다. 수도관 지름을 임피던스라고 했을 때 출력계통 관이 작고 입력계통 관이 크면 수압이 세져서 그만큼 저항이 많이 생기게 됩니다. 반대로 출력쪽 관이 크고 입력쪽 관이 작으면 여유있게 입력쪽으로 물을 공급할 수 있습니다. 따라서 두번째가 주파수 응답특성이 좋고 S/N비도 좋습니다.
그림6은 일반적인 입출력계통 임피던스입니다. 600Ω 이하는 낮은임피던스이고 600Ω~10kΩ까지 중간임피던스, 그리고 10kΩ이상을 높은 임피던스라 보시면 됩니다. Hi Z는 10MΩ 이상을 말합니다.
실제 오디오 믹싱콘솔에 로드 되는 손실에 대한 공식도 참고하시기 바랍니다. ^^