[제244호 과학학술: 능등 소음 제어 시스템] 소리로 제거되는 잡음, 노이즈 캔슬링

노이즈 캔슬링. 최근 무선 이어폰에 해당 기능이 사용되면서 많은 이들에게 각광받고 있다. 노이즈 캔슬링을 최신 기술이라고 생각할 수도 있겠지만, 이미 다른 분야에서는 ‘능동 소음 제어’ 라는 음향 기술로 활용되어 왔다. 그렇다면 능동 소음 제어는 어떤 원리로 작용되는 것일까? 이에 본보는 능동 소음 제어 기술의 원리를 시작으로 활용 분야, 나아가 해당 기술의 미래까지 엿보고자 한다.

능동 소음제어 시스템이란?

 최근 잡음 제거(Noise Cancelling) 기능을 가진 무선 이어폰이 사람들의 관심을 많이 받고 있다. 사용자가 노출된 환경에서 생기는 음향 소음을 줄여줌으로써 어디에서나 선명한 음질의 음악을 즐길 수 있다는 점 때문에, 최근 잡음 제거 기능은 무선이어폰의 성능과 가격을 분류하는 기준이 되기도 한다.
 이어폰에 사용되는 잡음 제거 기술은 능동 소음 제어(Active Noise Control, 이하 ANC) 음향 기술1)을 말한다. ‘능동(active)’이란 잡음을 제거하기 위해 또 다른 소리를 만들어내는 ‘능동적인’ 보조 음원(스피커)을 사용한다는 의미이며, ‘제어(control)’의 의미는 ‘능동적인 음원’이 결과적으로 음장(sound field)을 ‘제어’하여 우리가 인지하는 소음의 크기 (더 정확히는 음압, sound pressure level)를 줄여준다는 기술적인 효과로 이해할 수 있다. 따라서 ANC 기술을 구현하기 위해서는 잡음을 감지하기 위한 별도의 마이크와 음장을 제어하기 위한 소리를 만들어내는 보조 스피커가 필수적이다.
 환경 소음을 차폐하는 전통적인 접근 방법은 소음원 주변으로 음향 벽을 설치하거나 흡음 물질을 배치하는 것이다. 특히 흡음 물질을 이용하는 방법은 어떤 흡음 물질을 어떻게 배치하느냐에 따라 기대할 수 있는 차폐 효과가 분명하다. 특히 파장이 짧은 고주파 잡음은 흡음 물질을 배치하는 것만으로도 비교적 높은 효과를 거둘 수 있다. 그러나 파장이 긴 저주파 잡음을 차폐하는 경우에는 흡음체의 부피가 때론 감당하기 어려을 정도로 커져야만 효과를 기대할 수 있다. 이런 전통적인 음향 차폐 기술 문제의 해결 방법이 ANC 기술로, 보통 1000Hz 미만의 저주파 잡음에서 효과적이다.

(그림 1) 1934년 Paul Lueg의 미국특허

 음향 ANC 기술의 역사는 벌써 80년을 넘는다. 그 시초는 1936년 독일의 물리학자이며 의학박사인 폴 루그(Paul Lueg)가 등록한 특허(그림 1)에서 찾을 수 있다. 루그의 아이디어는 마이크에 포착된 음향잡음을 전자 장치를 통해 처리한 후, 잡음과 반대되는 위상을 갖는 상쇄 신호(anti-noise로 불리기도 한다)를 만들어 스피커를 통해 발생시킴으로써 음향 신호를 제거할 수 있다는 것이었다. 그러나 당시의 하드웨어 제작 기술로는 루그의 아이디어를 입증할 방법이 없었다. 루그는 자신의 아이디어를 당시 독일의 나치 정권이 받아들이지 않자 미국에서 특허를 등록하게 되었고, 이로 인해 불행한 삶을 살았다고 한다.
 루그의 연구와는 별도로 1953년, 헤리 올슨(Harry F. Olson)과 에버렛 메이 (Everett G. May)는 미국음향학회지에 출판한 그들의 논문에서 전자 흡음기 (electronic sound absorber)에 대한 아이디어를 제시하였다. 전자 흡음기는 전자식 변환 시스템을 통해 소리를 흡수하거나 소음 수준을 낮출 수 있다는 의미에서 붙여진 이름으로, 마이크에 포착된 음압을 전자적으로 변환하여 스피커로 내보내서 마이크 주변의 잡음 수준을 낮추도록 작동하는 일종의 피드백 제어 시스템이다.
 한편 루그와 올슨이 제안한 소음 제거 시스템은 모두 미리설계된 파라미터를 사용하는 비적응형(non-adaptive) 시스템이다. 그런데 잡음의 통계적인 특성이 시간에 따라 변화할 뿐만 아니라,온도와 습도 등에 영향받는 음향 시스템의 특성상 고정된 피라미터로는 일관성 있는 잡음 제거 효과를 얻을 수 없다. 1970년대에 들어 적응 필터링(adaptive filtering) 기술이 개발되면서 이런 문제를 해결할 수 있는 길이 열렸다. 적응 필터링 기술은 입력되는 신호의 통계적 특성과 주변 환경 변화에 맞춰 스스로 파라미터 (정확히는 필터 계수)를 조절하여 최적의 해를 찾아가는 기술이다. 가장 대표적인 알고리즘이 LMS(Least-Mean-Square) 알고리즘인데, 이를 ANC 시스템에 적용하기 위해 변형된 알고리즘을 FxLMS(Fil￾tered-x LMS) 알고리즘이라 부른다. ‘Filtered-x’ 의 수식어를 붙인 이유는 ANC 시스템의 보조 스피커와 마이크 간 음향 경로의 특성이 계수 조정 시 고려되어야만 안정적인 운영이 가능하기 때문에, 필터의 입력 신호를 사전에 필터링해 준다는 의미에서이다. FxLMS 알고리즘은 지난 50여 년 동안 무수한 연구자에 의해 변형되고 개선되었으나, 단순하면서도 안정적인 성능 때문에 현재도 최초 형태의 FxLMS 알고리즘이 ANC 시스템에 널리 사용되고 있다.

피드포워드 시스템 VS 피드백 시스템

(그림 2) 피드포워드 ANC 시스템
(그림 3) 피드백 ANC 시스템

 음향 ANC 시스템은 그 형태에 따라 피드포워드(feed￾forward) 시스템과 피드백(feedback) 시스템으로 분류된다. 앞서 루그에 의해 제시된 ANC 시스템은 피드포워드 ANC 시스템으로 분류할 수 있다. 한편 올슨이 제시한 시스템은 피드백 ANC 시스템이라고 할 수 있다. 두 시스템 간 차이를 이해하기 위해서는 먼저 ANC 시스템을 구성하는 요소들에 대해 살펴봐야 한다. ANC 시스템은 스피커(보조 음원), 마이크, FxLMS 알고리즘을 구현하는 제어시스템, 그리고 각종 앰프로 구성된다. 특히 마이크는 두 가지 목적으로 사용되는데 하나는 음향 잡음을 취득하여 제어시스템에 전달하기 위한 참고 마이크(reference microphone) 이고, 다른 하나는 잡음이 얼마나 상쇄되었는지를 측정하는 오차 마이크(error microphone)이다.
 적응 ANC 시스템이 동작하는 과정을 간략히 설명하면 (1) 참고 마이크가 수집한 잡음 신호를 제어시스템에 전달하면, (2) 제어시스템은 참고 마이크 신호를 필터링하여 잡음 신호와 반대되는 위상을 갖는 제어 신호를 계산하여, (3) 필터 출력을 스피커로 재생하여, (4) 최종적으로 오차 마이크 위치에서 잡음을 상쇄시키며 동시에 제어시스템은 오차 마이크로 측정한 음향 신호의 파워가 최소화 되도록 필터 계수를 적응시킨다. 결과적으로 잡음이 제어되는 지점은 오차 마이크가 놓인 위치가 된다. 이러한 동작 과정을 기준으로 하면, 별도의 참고 마이크 사용 여부를 기준으로 간편하게 피드포워드와 피드백 시스템을 분류할 수 있다.
 이러한 설명이 다소 복잡하게 들릴 수 있으나 구조를 살펴보면 쉽게 이해할 수 있다. (그림2)는 피드포워드 시스템의 구조를 보여주며,피드백 시스템의 구조는 (그림3)과 같다. ANC 시스템을 주변 환경과 잡음 특성에 적응적으로 동작시키기 위해서는 반드시 잡음원과 특성이 유사한 신호를 제어필터의 입력으로 사용해야 한다. 따라서 피드백 시스템은 오차 마이크 신호로부터 참고 입력 신호를 추정하여 제어시스템 입력으로 사용한다.
 이어폰/헤드폰의 경우, 외부 잡음원을 특정하기 어렵고 잡음의 주파수범위 또한 넓기 때문에 피드백 구조의 ANC가 일반적으로 사용된다. 한편, 공조기 덕트 혹은 자동차 등과 같은 시스템에서는 잡음의 발생지가 명확하고(덕트의 경우 팬, 자동차의 경우 엔진, 타이어 등) 해당 잡음원으로부터 신호를 직접 얻는 것이 보다 간단하기 때문에 피드포워드 구조를 널리 사용한다. 그러나 추가적인 성능향상을 기대하거나 외부 음향 정보를 선택적으로 전달하기 위한 목적으로 두 가지 구조가 결합된 하이브리드 구조가 사용되기도 한다.

제어 공간과 시스템 구성

 ANC 기술을 사용하는 궁극적인 목적은 소음의 완전차단이다. 그러나 이 목적은 사실상 달성이 불가능하기 때문에 특정 영역을 조용하게 만드는 대안을 선택한다. 특정 실내 공간에서 소음 수준을 줄인다거나, 혹은 방음벽처럼 열린 공간에서 한 방향으로 전파되는 잡음을 줄이려고 시도한다. 그러나 소음 제어 효과를 얻으려는 공간의 크기가 커질수록 뒤따르는 어려움 또한 많아진다. 제어 공간이 넓을수록 음장의 형태는 복잡해진다. 넓은 음향 공간 전체를 정숙화하기 위해서는 여러 개의 오차 마이크를 적절한 위치에 배치한 후, 다수의 보조 음원(제어 스피커)를 사용하여 오차 마이크로 관측된 음향에너지의 총량을 줄이도록 ANC 시스템을 설계하게 된다. 이 경우, 전체 시스템을 최적화하는 것도 어려울뿐더러, 최적의 스피커 출력을 구할 수 있다 하더라도 문제는 특정 마이크의 위치에서만 유효하다는 것이다. 보조 음원 때문에 음장이 왜곡되어 마이크 위치를 벗어나면 음향에너지가 전반적으로 감소하기도 하지만 반대로 더 커지기도 한다.
 이 문제는 모든 ANC 시스템이 가지고 있는 잠재적인 어려움이다. ANC 시스템이 오차 마이크로 측정된 음향에너지를 최소화하도록 동작하기 때문에 오차 마이크 위치에서는 확실하게 음향 에너지를 줄일 수 있으나, 마이크 위치를 벗어나면 소음이 줄어들지 아니면 오히려 커질지는 정확한 계산적 예측 전까지는 알 수 없다. 특히 오차 마이크와 보조 스피커 수가 늘어날수록 예측은 더 어려워진다. 이런 이유로 오차 마이크와 보조 음원을 어디에 위치시키느냐가 매우 중요하다. 아무리 우수한 알고리즘이 사용되더라도 마이크와 스피커의 위치가 적절하게 배치되지 않으면 적절한 소음 제어 결과를 얻을 수 없다. ANC 시스템이 소음을 더 키우는 부작용을 줄일 수 있는 가장 확실한 방법은 보조 스피커를 오차 마이크 근처에 놓는 것이다. 그렇게 되면 ANC 시스템은 더 적은 노력으로 마이크 위치의 음향 에너지를 줄일 수 있기 때문에 부작용 또한 작아진다. 그러나 이런 설계가 언제나 가능한 것은 아니다.
 넓은 공간은 동시에 제어하는 것이 어렵기 때문에 많은 ANC 시스템이 공간 내의 특정 위치(이어폰의 경우 외이도, 차량의 경우 운전자와 동승자 머리 주변)의 잡음을 줄이도록 설계된다. 이 경우 오차 마이크 몇 개를 제어 영역에 분산하여 배치하여 수집된 음향에너지를 최소화하도록 시스템을 설계함으로써 목표를 상당 수준 달성할 수 있다.

능동 소음 제어의 활용 분야

 앞서 언급한 ANC 기술의 성능적인 한계에도 불구하고 ANC 기술은 헤드폰/이어폰, 자동차, 가전제품 등에서 비교적 성공적으로 사용되고 있으며, 능동 방음벽, 국방 분야에 적용하기 위한 연구들도 계속 진행되고 있다.
 주변 잡음을 차단하는 최초의 ANC 헤드폰 프로토타입은 1986년 보스(Bose)에 의해 개발되었다. 당시의 ANC 헤드폰은 크기와 비용 문제 때문에 아날로그 장치로 구현될 수밖에 없었다. 디지털로 작동하는 ANC가 장착된 버전은 2000년대 들어 보스를 비롯해 젠하이저(Sennheiser), 소니(SONY) 등을 중심으로 여러 음향기기 회사들에 의해 개발되었다. 최근 이 기술이 고성능 프로세서, 블루투스 기술과 결합되면서 무선 ANC 이어폰에까지 이르게 되었다.
 자동차의 경우, 전기자동차 시장이 확대됨에 따라 그 활용 범위가 더 넓어질 것으로 예상된다. ANC 기술은 1992년 닛산(Nissan)에 의해 최초로 차량에 적용되었다고 볼 수 있다. 당시에는 차량 실내로 유입되는 엔진 잡음을 ANC 기술로 줄이려 하였다. 오랫동안 차량에 ANC 기술을 적용하기 위해 노력한 결과, 최근에는 엔진 잡음은 물론, 타이어 마찰에 의한 소음, 바람에 의한 소음 등을 제거하기 위한 ANC 시스템이 개발되어 일부 차량에 적용되고 있다. (그림4)는 현대자동차 홈페이지에서 확인할 수 있는 차량용 ANC 기술에 대한 소개이다.
 음향방음벽에 관한 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 도시 인근 지역의 대형 변압기에서 발생하는 전원잡음이 주택가로 전파되는 것을 막는다거나, 도심 건설 현장 소음에 대한 민원을 줄이기 위해 능동 음향 장벽을 만들 수 있다. 요즘 같은 여름철 창문을 열어 놓으면 시원한 바람과 함께 온갖 소음이 집안으로 들어온다. 만약 창문틀에 ANC 시스템을 설치하여 창문으로 유입되는 소음을 줄일 수 있다면 시원한 바람이 주는 쾌적함을 만끽할 수 있을 것이다. (그림5)는 ANC가 장착된 창문틀의 한 사례이다.
 잘 공개되지는 않지만 ANC 기술은 국방 분야에도 다양하게 적용되고 있다. 아군 기계 장치의 소음을 줄여 상대방에게 노출되지 않도록 하거나, 아군 잠수함이 소나시스템에서 사용하는 초음파를 흡수하도록 만드는 스텔스(Stealth) 기능을 위해 ANC 기술을 활용할 수 있다. 항공기 엔진에 ANC 기술을 적용하여 발생 소음을 줄일 수도 있다. 실제로 나사(NASA)는 2025년까지 항공기 엔진 소음을 현재의 절반 수준으로 줄이는 것을 목표로 하고 있다고 한다.

(그림 4) 자동차에 적용된 능동 소음 제거 기술 사례 ⓒwww.hyundaimotorgroup.com
(그림 5) ANC가 장착된 창문틀 사례 ⓒwww.nature.com

능동 소음 제어의 미래

 통계자료에 따르면 사람들이 소음 제거 헤드폰을 구입하는 이유는 미국 응답자 828명 중 27% 이상이 잡음제거 기능 때문이라고 한다. 물론 음질(75%), 편안함(71%), 가격(54%), 내구성(42%) 등 더 중요한 이유가 있지만, 시끄러운 환경에서 또렷한 음질을 즐길 수 있다는 점도 소비자들이 잡음제거 헤드폰을 구입하는 중요한 요소로 보인다. 따라서 수년 내에 대부분의 하이엔드 제품은 물론 거의 모든 이어폰/헤드폰에서 ANC 기술을 장착한 잡음 제거 기능을 가지게 될 것으로 보인다. 또한, 전기차 시대 도래에 대비하여 외부 잡음을 줄이는데 그치지 않고, 운전자나 보행자의 안전을 위해 적절한 음향을 디자인하는 영역까지 확대되어 기술을 적용하고 있다.
 마이크, 스피커를 포함한 음향 장치의 크기, 비용, 전력소모 등은 여전히 ANC 기술의 활용성을 제한하는 요소들이다. 소음을 제어하기 위해 흔히 다수의 마이크와 스피커가 사용되기 때문에 소형 마이크와 스피커 제작기술도 필연적으로 함께 발전해야 한다 . 일부에서는 이 문제를 미세전자제어기술(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)로 해결하고 있다. ANC 시스템을 구성하는 또 다른 요소가 디지털 프로세서인데, 최근 출시된 무선 ANC 이어폰들은 충전 없이 며칠을 사용할 수 있을 정도의 저전력으로 동작하는 걸 보면, 개인 음향기기를 위한 저전력 프로세서 기술은 이미 충분한 수준을 넘어서고 있다. 따라서 ANC 기술은 최근 발달하고 있는 하드웨어 제작 기술에 힘입어 그 응용 분야를 더욱 넓혀 갈 것으로 예상된다.

각주)
1) 능동 소음 제거(Active Noise Canceling)라 부르기도 하나,능동 소음 제어(Active Noise Control)라는 이름으로 더 오랫동안 불려왔다.

***Tip
*능동 소음 제거/제어(Active Noise Canceling/Control, ANC): 마이크 혹은 그 밖의 센서를 사용하여 포착된 주변 소음을 입력으로 받아, 오차 마이크 위치에서 상쇄가 일어나도록 간섭 음향을 만들어 냄으로써 오차 마이크 주변의 소음 크기를 줄이는 기술. 변화하는 소음 특성에 맞춰 상쇄 음향을 만들어 내기 위해 적응 필터링 기술을 사용한다.

*피드포워드 ANC: 별도의 마이크 혹은 센서를 통해 소음을 포착한 후, ANC 시스템에 입력하여 상쇄음향을 만들어 내도록 설계된 시스템을 말한다.

*피드백 ANC: ANC 시스템의 입력 신호를 별도의 마이크를 사용하지 않고, 오차 마이크 신호로부터 추정하여 사용하는 ANC 시스템으로서, 소음 포착을 위한 별도의 마이크가 필요하지 않다.

*FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘: ANC 시스템에 적용되는 대표적인 적응 알고리즘(adaptive algorithm)으로서, 순수 소음과 오차 마이크 신호를 받아 오차 마이크 위치에서의 총 음향 에너지가 최소가 되도록 필터의 계수를 스스로 조절한다.

박 영 철 / 연세대 컴퓨터정보통신공학부 교수