헤드폰 앰프의 출력과 헤드폰 임피던스

• : 출력 임피던스는 출력 전압과 전류량의 비율이다.
• : 출력(Watt)은 출력 전압과 전류의 곱 이다.

여기서 우리가 알수 있는 팩터들은 출력되는 전기 신호의 크기인 V 값을 알 수 있고, 헤드폰의 임피던스 값인 Z 값을 알고 있으나, 헤드폰 앰프의 출력 되는 전류량은 알 수 없기 때문에, Power 를 V 와 Z 에 관한 공식으로 새로 다시 쓰면 다음과 같습니다.

따라서

이러한 기본 공식 사항을 좀 알고 있어야 헤드폰 앰프의 출력과 헤드폰 임피던스의 관계를 알기 쉽습니다.

헤드폰 앰프의 출력은 대체적으로 dBu(또는 dBm)또는 mW(밀리와트)로 표기 되는 경우가 대부분입니다.

dBu의 경우는 보통 프로 장비들의 헤드폰 아웃풋 측정에서 600Ω 부하를 줬을 때의 출력 신호 전압값을 측정한 것입니다.

이 경우, EBU 기준의 레퍼런스 레벨에 따르면 +4dBu 를 노미널 레벨로 사용해야 하므로 이 이상으로 헤드룸이 18dB 라면 22dBu의 최대 출력 레벨이 필요하고, 20dB라면 24dBu의 최대 출력 레벨이 필요합니다.

이것을 600Ω 부하로 계산한다면 22dBm 의 출력으로 나오게 됩니다.

150mW의 값입니다. 따라서 어떤 헤드폰 앰프의 600Ω의 헤드폰을 연결했을 때 최대 출력 레벨 22dBu를 만족하는 헤드폰 앰프의 출력 값은 150mW 입니다.

위의 공식에서 와트는 임피던스에 반비례 하므로, 300Ω의 헤드폰¹⁾을 연결한다면 75mW(대략 19dBm) 의 출력을 가지는 헤드폰 앰프를 사용 시 22dBu 의 최대 출력 레벨을 만족한다고 보면 됩니다. 대체적으로 아날로그 믹싱 콘솔의 헤드폰 아웃들은 이 정도의 출력을 내어주는 편입니다.

거꾸로 계산한다면, 만약 75Ω의 헤드폰을 연결해서 사용하는 경우 22dBu의 소리를 들을려면, 헤드폰 출력은 16dBm(40mW)이면 충분합니다.

이제 이러한 헤드폰 앰프의 출력에 대비하여 헤드폰이 얼만큼의 소리를 재생하느냐의 문제가 남아 있습니다.

일반 앰프와 스피커, 그리고 0VU(+4dBu)의 캘리브레이션에서는, 보통 앰프의 출력과 스피커의 감도에 의해 소리 크기가 정해지고 이것을 85dBSPL 로 출력하기 위해 0VU 를 85dBSPL로 조정할 수 있게 되어있지만, 헤드폰 앰프의 경우는 직접 헤드폰 앰프의 출력을 가변하도록 되어 있기 때문입니다. 그래서 헤드폰 앰프와 헤드폰의 소리 크기에 대해서는 스피커의 경우와는 좀 다르게 생각해야 합니다.

감도는 헤드폰에 1mW 를 넣었을 때 얼마 만큼의 dBSPL로 환산되느냐에 관한 값입니다.

만약 어떤 헤드폰의 감도가 97dBSPL/mW²⁾ 라면 1mW 출력에서 97dBSPL 의 소리를 재생하는 것입니다.³⁾

만약 그렇다면 80mW 의 출력을 하는 헤드폰 앰프에 이 헤드폰을 연결한다면 2mW일 때 100dBSPL, 4mW에서 103dBSPL….
64mW 에서는 115dBSPL , 128mW 에서는 118dBSPL 정도의 소리가 재생되게 되니까
80mW 에서는 대략 116dBSPL 정도의 소리가 재생되게 됩니다.

헤드폰 앰프의 볼륨을 최대로 놓는다면 116dBSPL Max, 0VU 기준으로 만들어지는 음악을 재생 시 100dBSPL 인근으로 재생되는 것입니다. 이것은 Dolby Volume인 85dBSPL RMS , 103dBSPL Peak(18dB 헤드룸)와는 아주 동떨어진 매우 높은 수치라고 볼 수 있습니다.

이때 정상적인 헤드폰 앰프라면 볼륨 노브를 절반 이하 정도로 만 놓아도 우리가 원하는 소리 크기 재생은 가능합니다. 생각보다 헤드폰들의 감도는 매우 높다는 것을 알 수 있습니다.⁴⁾

실제로 사용해보면, 녹음실 등의 음악 프로덕션에서는 103~105dBSPL Peak 를 가지도록 감도를 설계 한다면, 85~86dBSPL/mW정도의 감도의 헤드폰을 설계해서 만들어 사용해야 하는데 이것으로는, 녹음 소스의 레벨 단계에서는 다소 작게 들릴 수도 있는 수치가 되어, 녹음실 용의 모니터링 헤드폰들은 이와 같이 일반 감상 용 헤드폰들보다 다소 높은 감도를 가지도록 설계하게 된 것 같습니다.

또한 이러한 특성 때문에 헤드폰 앰프의 출력이 다소 작은 오디오 기기에서도 어느 정도 큰 볼륨을 얻을 수도 있습니다.

예를 들면 Apogee 사의 Groove 같은 경우,

Max Output level: 225mW into 30Ω 40mW into 600Ω

와 같은 스펙을 가지고 있습니다.

300Ω 의 부하 임피던스를 가지는 HD600 연결 시에는 80mW 의 출력 파워를 가질 것으로 예상되는데, 이때 80mW 에서는 위에서 계산한대로 116dBSPL 의 Peak 재생력을 가지게 되어서, 충분히 큰 소리로 재생이 가능함을 알 수 있습니다.

소리야 나겠지만 정상적인 톤 재생은 아닙니다.

https://www.tonestack.net/articles/headphones/headphone-amplifier-output-impedance.html

위에서 이야기 한대로 정규 출력인 22dBu 출력을 300Ω 헤드폰으로 내기 위해서는 최소 19dBu(dBm) 출력이 필요합니다. 이 기준에 미치지 않아도 소리는 나겠지만, 85Ω 이나 32Ω 등의 저 임피던스 헤드폰을 연결했을 때보다, 소리도 작고, 뭔가 이상한 소리로 들리게 됩니다. 즉, 헤드폰 유닛을 구동하기에 충분하지 못한 출력을 내어주는 경우 입니다.

소리는 나겠지만 임피던스에 의한 톤손실이 커서 원래 헤드폰이 들려주도록 설계 된 소리가 나지 않습니다.

HD600과 같은 고 임피던스 헤드폰을 구동하는 조건을 만족하는 헤드폰 앰프는 사실 많지 않습니다. 또한 그러한 헤드폰 앰프를 내장하고 있는 오디오 인터페이스나 스마트폰 출력, 또는 랩탑 헤드폰 아웃도 많지 않습니다.

아 물론, 아주 없는 것은 아닙니다. 일부 고 임피던스 헤드폰이 구동가능한 헤드폰 아웃을 가진 오디오 인터페이스 들도 있습니다. 위에서 말한 정규 스펙대로 출력해주는 오디오 인터페이스들이 있습니다. 스펙을 잘 살펴보시면 됩니다.

주의 해야합니다.

제 생각엔 아마도 , 야외에서 사용 시 주변 소음을 이겨내고 음악을 듣기 위함이 첫번째 이고 두번째는 우리가 이제 음악을 듣는 환경이 점점 포터블 해짐에 따라, 적은 출력으로도 큰 소리를 내는 것이 중요해졌고(배터리/동작 시간 성능에 영향), 마지막으로는, 생각보다 길게 헤드폰 선을 사용하는 경우가 많기 때문인 것 같습니다.

헤드폰 앰프를 고급스럽게 구성하는 것보다 아무래도 헤드폰의 감도 특성을 올리는 편이 비용적으로, 기술적으로 더 효율적이기도 합니다. ⁵⁾

하지만 높은 레벨에서의 음악 청취는 청력을 쉽게 망가뜨릴 수도 있습니다.

그래서, 최근에는 유럽이나 선진국 등에서 이러한 높은 재생 레벨에 대한 규제나 제재가 이루어지고 있어서, 헤드폰 출력이 많이 줄어들고 있는 실정입니다. 이어폰이나 헤드폰들이 감도가 높게 설계되어 출시되는 게 계속 지속 되어온 결과, 헤드폰 출력을 제한하는 방식으로 음량을 규제하고 있습니다. 또한 무선 헤드폰의 경우는 이런 규제 때문에 오히려 낮은 소리 출력에 더하기 “액티브 노이즈 캔슬링” 측면으로 더욱 발전하고 있는 실정입니다. 소리가 출력이 많이 줄어듦에 따라 , 주변 소음을 낮춰야 음악을 감상하기 편해지는 것입니다.⁶⁾

https://www.bbc.com/news/health-21294537

EU 기준에 따르면 , 전일⁷⁾ 평균 음량 제한으로 85dBSPL(A-weighted) RMS 를 넘지 말 것으로 제한하고 있습니다. ⁸⁾

헤드폰이 최대로 소화 가능한 Watt 값을 말합니다. 만약 헤드폰의 파워 핸들링이 100mW 라면 이 헤드폰에 100mW 이상의 출력이 들어온다면 헤드폰의 소리가 매우 찌그러지고 망가질 것입니다.

이때는 당연히 높은 출력을 견디기 위해서는 높은 임피던스를 가진 헤드폰이 유리합니다.
왜냐하면 헤드폰 앰프의 출력이 100mW@150Ω 이라면, 300Ω 의 헤드폰을 연결하면 50mW@300Ω 으로 동작하기 때문입니다. 반대로, 100mW@150Ω 의 헤드폰 앰프의 출력에, 75Ω의 헤드폰을 연결한다면, 200mW 의 출력으로 동작하게 되므로, 이 경우 헤드폰에서 원치 않는 THD 가 발생할 수 있고, 이런 상태로 자주 사용하게 되면 유닛이 망가져 버리게 됩니다.

만약 출력이 좋은 헤드폰 앰프 사용 시 너무 작은 부하 임피던스를 가진 헤드폰을 사용한다면 쉽게 소리가 찌그러지고 망가질 수 있습니다.

— retronica 2022/01/04 09:42

종종 일부 헤드폰 프리앰프는 연결된 이어폰/헤드폰의 임피던스에 따라서 각기 다른 출력 값을 내어주도록 설계된 제품들이 있다.

랩탑의 경우, 3.5mm 아웃풋을 컨슈머 라인 아웃과 헤드폰 아웃으로 겸용으로 하는 케이스가 있는데, 이 때도 연결된 장치가, 스피커같은 컨슈머 레벨 장비면, 컨슈머 라인 레벨 아웃으로 출력하고, 헤드폰과 같은 장비일 경우 헤드폰 앰프 출력을 해주는 경우가 많다.

예를들면,

2021년 이후 맥북 일부 모델의 경우에는 고 임피던스 헤드폰도 구동이 가능한 헤드폰 앰프를 내장하고 있어서, 150Ω 이상의 헤드폰이 연결되었을 때, 150Ω 이하의 헤드폰이 연결되었을 때의 출력 레벨이 다르고, 컨슈머 라인 레벨 장비가 연결되었을 때는 라인 레벨 출력을 하도록 되어 있다.

즉 연결된 부하의 임피던스 값에 따라, 다른 출력을 내보내 줌으로써, 라인아웃, 저 임피던스 헤드폰 아웃, 고 임피던스 헤드폰 아웃 출력으로 그때 그때 적응형으로 출력한다.

https://support.apple.com/en-sa/HT212856

헤드폰의 임피던스가 너무 낮은경우, 헤드폰 앰프의 출력 임피던스와 헤드폰간의 임피던스간의 임피던스 브릿징이 성립되지 않을 수도 있습니다. 예를 들면 헤드폰의 임피던스가 300옴인데 헤드폰 앰프의 출력 임피던스가 30옴이라면 임피던스 10배 법칙이 성립되어 임피던스 브릿징이 제대로 성립된것으로 생각할 수 있습니다. 하지만 헤드폰의 임피던스가 32옴인데 헤드폰 앰프의 출력 임피던스가 3.2옴 이하가 아니라면 임피던스 브릿징이 성립이 안되어 헤드폰의 출력 음질은 헤드폰의 기계적 특성에 영향을 받습니다. 300옴 이상의 높은 임피던스를 가진 헤드폰들이 음질이 플랫하고 선형적으로 출력되는 이유는 이러한 이유도 있습니다. 최근에는 좋은 헤드폰 앰프들이 많이 개발되어 헤드폰 앰프 출력 임피던스가 매우 낮은 경우가 많지만, 과거에는 그런 헤드폰 앰프가 드물었기 때문에, HD600과 같은 고 임피던스 헤드폰이 플랫한 특성을 위해서 많이 선호되었던 것일 수도 있습니다.