Velocity Microphone

벨로시티 마이크는 공기 입자의 압력 변화가 아닌, 입자가 이동하는 '속도(Velocity)'를 측정하여 전기 신호로 변환하는 마이크이다. 전자기 유도 법칙을 이용하는 유도형 마이크(리본 및 다이내믹)가 이 범주에 속하며, 물리 음향학적으로 최저 공진 주파수($f_1$)의 작동 매커니즘을 독특하게 제어한다.

벨로시티 마이크의 출력 전압은 진동판의 물리적 변위(움직인 거리)가 아니라 '진동판이 움직이는 속도'에 정비례한다.

$$V \propto v = \frac{dx}{dt}$$

물리 음향학적 설계상 최저 공진 주파수($f_1$)보다 높은 주파수 대역인 질량 제어 영역(Mass-controlled region) 혹은 속도 제어 영역을 주로 활용한다. 이 영역에서는 주파수가 높아질수록 진동판의 물리적 변위($x$)는 줄어들지만, 왕복 속도($v$)는 빨라지므로 두 현상이 상쇄되어 평탄한 속도 응답(Flat Velocity Response)을 얻게 된다.

진동판¹⁾ 자체가 극도로 가볍기 때문에 텐션($T$)을 제로에 가깝게 느슨하게 풀어놓는다.

• 공진 주파수 위치: 최저 공진 주파수($f_1$)를 가청 주파수의 최하한선인 40Hz ~ 90Hz 부근으로 완전히 내려버린다.
• 음향적 특색: 가청 주파수 대부분의 영역이 장력의 제약을 받지 않으므로 트랜지언트 응답이 극도로 빠르고 자연스럽다. 고역대로 갈수록 인위적인 공진 피크가 없어 시원하면서도 귀가 편안한 롤오프(Roll-off) 성향을 띤다. 단, $f_1$ 공진 점 부근에서는 전기적 임피던스가 급격히 치솟는다.

그림 1

플라스틱 진동판 뒤에 무거운 구리 보이스 코일이 결합되어 있어 리본 마이크처럼 최저 공진 주파수를 극단적인 초저역(수십 Hz)으로 내리기는 어렵다.

• 공진 주파수 위치: 진동계의 질량(무게) 한계로 인해 최저 공진 주파수 $f_1$은 주로 40Hz ~ 300Hz 사이의 저역대에 형성된다. 공진점의 위치는 타겟 수음 소스에 따라 결정되는데, 서브 베이스용(킥드럼 등)은 40Hz~80Hz, 일반 보컬용은 100Hz~150Hz(예: Shure SM57/58의 경우 약 150Hz), 방송/스피치용은 200Hz 이상에 배치되기도 한다.
• 음향적 특색 및 제어: 가청 주파수의 시작 대역인 저역~중저역에 공진 점이 걸치기 때문에, 이 상태로는 해당 대역이 과도하게 솟구치고 고역은 깎이게 된다. 이를 해결하기 위해 캡슐 내부에 밀도 높은 음향 저항(Acoustic Resistance, 댐퍼)을 배치한다. 이 물리적 댐핑 장치로 저역 공진 피크를 강제로 꾹 눌러 제어함으로써, 우리가 실제로 사용하는 중역대(500Hz ~ 2kHz)를 포함한 전 대역의 주파수 반응과 임피던스를 평탄하게 보정한다.

그림 2

벨로시티 마이크는 공진 주파수와 저역 음역대가 겹치는 구간에서 독특한 비선형적 다이내믹 거동을 보인다.

• 업워드 컴프레션 효과: 작은 레벨의 신호가 입력될 때는 공진 대역에서 진동계가 물리적 저항 없이 과도하게 흔들려 필요 이상의 큰 전압을 출력한다.
• 다이내믹 레인지 압착: 큰 레벨의 신호가 입력될 때는 과진동에 의한 강력한 역기전력(전기적 브레이크)과 내부 음향 저항의 기류 제어로 인해 출력이 억눌린다.²⁾
• 결과적으로 공진 주파수 부근에서는 레벨에 따라 주파수 반응 곡선이 압착되는 청감상 컴프레션 현상이 발생하며, 지향성에 의한 강력한 근접 효과를 동반한다.