측정용 마이크 목록에서 1 inch, 1/2 inch, 1/4 inch, 1/8 inch는 성능 등급이 아니라 카트리지 계열의 nominal size를 가리킨다. 이 값은 실제 diaphragm 지름과 정확히 같지 않을 수 있으며, 같은 크기라도 free-field·pressure-field 보정과 구조에 따라 성능이 달라진다.
크기는 선택의 출발점일 뿐이다. 최종 선택은 개별 모델의 frequency response, sensitivity, noise floor, 최대 SPL과 환경 사양으로 해야 한다.
큰 diaphragm은 같은 압력에서 더 큰 힘을 받는다
음압 p가 면적 A인 diaphragm에 균일하게 작용하면 힘은 다음과 같다.
원형 diaphragm의 면적은 지름의 제곱에 비례한다. 큰 diaphragm은 같은 음압에서 더 큰 기계적 힘을 받아 높은 감도를 만들기 유리하다. 높은 감도는 조용한 신호를 preamplifier와 ADC의 noise보다 크게 전달하는 데 도움이 된다.
하지만 diaphragm을 크게 만들면 질량, 강성, cavity와 공진을 함께 설계해야 한다. 큰 카트리지는 일반적으로 고주파 상한과 최대 SPL에서 불리하고, 작은 카트리지는 감도와 자기잡음에서 불리한 경향이 있다. “큰 것은 저주파, 작은 것은 고주파”라는 말은 방향을 설명할 뿐 모든 모델에 적용되는 규격은 아니다.
파장이 짧아지면 마이크 자체가 음장을 바꾼다
주파수와 파장의 관계는 다음과 같다.
20 °C 부근에서 c≈343 m/s로 두면 20 kHz의 파장은 약 17.2 mm, 100 kHz는 약 3.43 mm다. 마이크 크기가 파장에 비해 무시할 수 없게 되면 diaphragm 전체에 같은 위상과 압력이 걸리지 않고, 카트리지 몸체의 회절과 산란도 커진다.
작은 diaphragm은 짧은 파장에서 공간 평균과 산란 영향을 줄이고 기계적 공진을 높은 쪽으로 이동시키기 유리하다. 그래서 초음파에 가까운 대역, 충격파, 고속 유동 소음에서는 1/4인치나 1/8인치가 사용된다.
대표 사양은 경향을 보여주지만 규칙은 아니다
아래 값은 한 제조사 측정 카트리지 제품군에서 볼 수 있는 대표 모델 예시다. 음장형, 허용오차, weighting과 distortion 기준이 서로 다르므로 크기별 보장값으로 일반화하면 안 된다.
| nominal size·형식 | 감도 예시 | 주파수 범위 예시 | 동적 범위 예시 |
|---|---|---|---|
| 1인치 pressure | 50 mV/Pa | 2.6 Hz–8 kHz | 9.6–146 dBA |
| 1/2인치 free-field | 50 mV/Pa | 3.15 Hz–20 kHz | 14–149 dBA |
| 1/4인치 free-field | 4 mV/Pa | 4 Hz–100 kHz | 30–172 dB |
| 1/8인치 pressure | 1 mV/Pa | 6.5 Hz–140 kHz | 49–178 dB |
표에서 크기가 작아질수록 고주파 상한과 최대 레벨이 높아지고 감도는 낮아지는 전형적인 경향을 볼 수 있다. 1인치와 1/2인치가 같은 50 mV/Pa인 것처럼, 실제 설계는 단순한 지름 비례가 아니다.
동적 범위의 하한은 self-noise, 상한은 지정 distortion에서의 최대 SPL로 정해지는 경우가 많다. dBA와 unweighted dB 수치를 같은 열에서 직접 비교할 때는 weighting과 대역 조건을 반드시 확인해야 한다.
94 dB 기준에서 출력 전압을 계산할 수 있다
공기 중 94 dB SPL은 1 Pa RMS다. 따라서 94 dB 입력에서 감도 수치가 그대로 RMS 출력 전압이 된다.
| 감도 | 94 dB, 1 Pa 입력 | 114 dB, 10 Pa 입력 |
|---|---|---|
| 50 mV/Pa | 50 mV RMS | 0.5 V RMS |
| 4 mV/Pa | 4 mV RMS | 40 mV RMS |
| 1 mV/Pa | 1 mV RMS | 10 mV RMS |
작은 마이크는 큰 소리에서 충분한 headroom을 주지만, 낮은 소리에서는 출력이 작다. 예를 들어 같은 30 dB SPL에서 1 mV/Pa 마이크의 출력은 50 mV/Pa 마이크보다 34 dB 낮다. preamplifier와 ADC input noise가 충분히 낮지 않으면 카트리지의 대역폭을 활용하기 전에 전기적 noise floor에 막힌다.
반대로 고감도 마이크를 140 dB급 소음에 사용하면 카트리지뿐 아니라 preamplifier 출력이 먼저 포화될 수 있다. 데이터시트의 최대 SPL과 최대 출력 전압을 둘 다 계산해야 한다.
크기 선택은 측정 양끝에서 시작한다
일반적인 제품 소음과 환경 소음을 가청대역에서 측정하고 휴대성과 감도를 함께 원한다면 1/2인치가 흔한 출발점이다. 그러나 다음 조건에서는 다른 크기가 더 적합할 수 있다.
- 조용한 공간의 배경소음처럼 낮은 noise floor가 핵심이면 고감도 1/2인치 또는 1인치 모델을 검토한다.
- 엔진, 폭발성 충격, 초음파 누설처럼 높은 SPL과 넓은 고주파 대역이 필요하면 1/4인치 또는 1/8인치를 검토한다.
- 작은 cavity나 제한된 위치에서는 카트리지 크기와 mounting이 음장을 바꾸는 정도를 평가한다.
- 다채널 배열에서는 채널 수뿐 아니라 마이크 간격, 개별 감도 편차와 phase matching을 확인한다.
선택표에는 최소한 다음 값을 한 줄에 놓는다.
- 필요한 frequency range와 허용 편차
- 예상 최소 레벨과 최대 peak SPL
- free-field·pressure-field·random-incidence 구분
- sensitivity와 전체 채널 noise floor
- 최대 출력, preamplifier와 전원 호환성
- 온도·습도·바람·공간 제한
nominal size는 이 조건들을 빠르게 좁히는 분류다. 크기만 보고 결정하면 실제 측정에서 중요한 감도, 대역, noise와 overload 조건을 놓치게 된다.