Loudspeakers

스피커 시스템은 집에서 사용하는 Hi-Fi 시스템에서 스타디움에서 사용되는 콘서트 시스템까지 다양한 크기와 형태를 가지고 있다. 이런 다양한 크기에도 불구하고 스피커들이 하는 일은 모두 같은데 전기적인 신호를 우리가 들을 수 있는 소리로 바꿔주는 것이 스피커의 역할이다.
(그림1)


[그림1]

어떻게 소리를 내는지?

스피커의 콘이 움직이면 그 콘 앞의 공기는 압축되고 팽창되는 것을 반복하여 소리를 만들어내게 된다. 소리를 스피커로부터 사람의 귀까지 전달하는 것이 바로 이 압축과 팽창이다.
대부분의 스피커들은 전기적 에너지를 소리 에너지로 바꾸기 위해 무빙코일(Moving coil) 디자인을 이용한다. (그림2)에 보여진 바와 같이 Magnetic field 자기장에 위치한 단단히 감겨진 코일을 통해서 전기 신호가 흐른다. 이 자기장 속으로 교류 전류가 흐르면서 코일을 움직이게 하고, 그럼으로써 스피커의 콘이 앞뒤로 움직여서 소리를 발생시키게 된다.


[그림2]

다른 크기의 드라이버들이 필요한 이유

전형적인 하이파이 스피커의 그릴을 벗겨내면, 그 속에 크기가 다른 두 개의 드라이버들을 볼 수 있다. 큰 드라이버는 저 주파수 신호용이고 작은 것은 고 주파수 용이다. 왜 이렇게 두 개의 드라이버가 필요한 것일까?

저음의 재생을 위해서는 스피커 앞에 있는 많은 양의 공기가 움직여야 한다. 이것은 드라이버의 움직임과 드라이버의 사이즈를 좀 더 크게 함으로써 가능해 진다. 문제는 드라이버의 크기가 커질수록 콘이 요구되는 속도로 움직이는 것이 더 어려워지게 되고 그에 따라서 높은 주파수 대역의 신호를 재생하는 효율이 떨어진다는 것이다.

고주파 신호들은 일반적으로 공기 중으로 전파되는 에너지가 상대적으로 적기 때문에 아주 작은 드라이버가 이용될 수 있다. 더 가볍고 작은 이 드라이버들은 매우 빠르게 움직일 수 있기 때문에 트레블 사운드 재생에는 적합하지만 저음 재생용으로는 부적합하다. 만일 저음의 신호가 이 여린 고역용 드라이버에 입력되면, 결국 그 드라이버를 손상시킬 수도 있다. (그림3)은 전형적인 하이파이 스피커에서 발견되는 드라이버들의 주파수 응답 그래프이다.


[그림3]

두 개 이상의 드라이버들을 같이 사용할 때

스피커가 높은 품질의 사운드를 재생하게 하기 위해서는 반드시 여러 개의 드라이버들을 사용해야 하고 각 드라이버는 전체 주파수 영역에서 각각의 맡은 주파수 대역의 신호만을 담당하게 된다. 앞에서 예를 들었던 전형적인 하이파이 스피커는 전 주파수 대역을 담당하는 드라이버 한 개와 그 드라이버의 고 주파수 대역에서의 Roll-off를 보상하기 위해 사용되는 고 주파수용 작은 드라이버 한 개로 구성될 것이다.

두 개 이상의 드라이버를 이용한 시스템을 올바르게 이용하기 위해서는 각 드라이버가 담당하는 주파수 대역의 신호만을 입력 받아야 한다.
다시 말해서, 전체 주파수 대역이 몇 개의 밴드로 나뉘어져야 하고, 각 드라이버는 하나의 밴드씩 담당하게 된다. 예를 들어 위에서 언급된 2-way 하이파이 스피커는 저역용 드라이버가 2kHz까지의 밴드를 커버하고, 2kHz 이상의 주파수 대역은 고음용 드라이버가 담당하게 된다.
좀 더 복잡하고 고급스러운 SR(Sound Reinforcement)용 스피커들은 아마도 3-way 방식일 가능성이 높다. 이 경우에 일반적으로 저역 밴드가 1.5kHz까지 이고, 중 대역이 1.5k에서 7kHz, 그리고 트위터는 7kHz 이상의 대역을 담당하게 된다.
이와 같이 하나의 주파수 대역을 여러 개의 밴드로 나누게 됨으로써 스피커 시스템 디자이너들은 각 주파수 밴드에만 전문화된 드라이버들을 고를 수 있게 되었다. 결과적으로 드라이버와 사용될 주파수 밴드를 조심스레 고르게 됨으로써 재생시 스피커의 왜곡률을 줄이고 보다 나은 사운드 재생을 이룩하게 되었다. 이렇게 주파수 대역을 여러 대역으로 나누는 것을 CROSSOVER 또는 FREQUENCY DIVIDING NETWORK 라고 한다.

크로스오버 필터의 종류

어떠한 크로스오버 시스템에도 다음의 세 가지 기본 필터가 사용된다.
High-pass Filter : 기준보다 높은 주파수만 통과
Low-pass Filter : 기준보다 낮은 주파수만 통과
Band-pass Filter : 하이 패스와 로우 패스의 합으로서 일정 대역의 주파수만 통과

간단한 예로 저가용 하이파이 스피커는 트위터에 오직 한 개의 하이 패스 필터만 있으면 되는데, 이 필터는 저음용 드라이버가 제 역할을 해내지 못하기 시작하는 주파수 이상의 신호만을 통과시킨다. (그림4)에서 보여진 바와 같이 이 필터는 보통 낮은 주파수의 흐름을 방해하는 한 개의 Capacitor에 지나지 않는다.


[그림4]

좀 더 고가의 고급스러운 3-way 크로스오버는 로우 패스, 하이 패스, 밴드 패스 등 모두 3개의 필터를 사용한다. (그림5)에 나타나 있듯이, 로우 패스 필터는 저음용 드라이버에 저음만을 보내기 위해 사용되고, 밴드 패스 필터와 하이 패스 필터 역시 각 대역에 해당하는 신호만을 MF 드라이버와 HF 드라이버에 보내는 데에 사용된다.


[그림5]

크로스오버 유닛의 종류 (Passive, Active)

패시브 크로스오버는 Capacitor와 Inductor로 구성된 필터 컴포넌트로서 스피커 캐비넷 내부에 위치한다. 한 개의 파워 앰프가 전체 주파수 대역을 모두 커버한다. (그림6)은 간단한 패시브 크로스오버 네트워크를 이용한 간단한 2-way 스피커를 보여준다.


[그림6]

액티브 크로스오버를 사용하면 각각의 주파수 대역에 따로 앰프가 사용되는데, 이 때에 크로스오버는 별도로 만들어진 하나의 전자 장치로서 파워 앰프들과 음원(주로 믹싱 콘솔) 사이에 연결된다. 액티브 크로스오버를 요구하는 스피커 시스템들은 2-way 시스템일 경우 Bi-amped, 3-way 시스템일 경우에는 Tri-amped 라고 알려져 있다.

작은 시스템에서 패시브 크로스오버는 하나의 파워앰프만 사용됨에 따라 저가의 시스템을 구현하는 것이 가능하지만, 요구되는 파워가 증가함에 따라서 패시브 컴포넌트의 가격이 크게 높아지고, 크로스오버 필터에서 많은 에너지가 손실되는 단점을 가지고 있다. 높은 출력을 요하는 시스템에서는 액티브 크로스오버를 사용하는 것이 커다란 이득이 된다. 이 경우 크로스오버 시스템이 라인 레벨에서 동작되므로, 정확한 필터를 구현해내는데 필요한 회로의 가격이 파워가 증가함에 따라서 오르지 않는다. 이에 따라 훨씬 더 고차원적인 필터 회로가 구현됨에 따라서 사용자는 신호 처리에 있어서 보다 강력한 컨트롤 파워를 가질 수 있고, 밴드 이퀄라이저 같은 부가적인 신호 처리 기능 또한 크로스오버 시스템에 탑재될 수 있다.

예를 들어 BSS FDS-310 이나 FDS-318과 같은 크로스오버는 앞면의 컨트롤부에 크로스오버 포인트, 밴드 출력 게인, 필터 위치 조정, 밴드 게인 등과 같은 기능들을 제공하여 최적의 응답을 구현할 수 있게 한다. BSS FDS-360은 플러그인 카드를 사용하여 크로스오버 주파수를 결정한다. 이 카드들은 또한 밴드들 사이의 오버랩을 조절하는 기능 뿐만 아니라 다양한 종류의 필터 기울기도 제공한다. 이러한 방식을 통해서 어떠한 스피커 시스템이 사용되더라도 가장 적합한 결과를 약속하는 시스템이 꾸며질 수 있다.

Digital Crossovers


[그림7]

디지털 크로스오버의 출현은 액티브 크로스오버의 힘을 한층 더 높여 놓았다. 예전에는 여러 개의 분리된 장치들을 사용하던 많은 작업들이 이제는 통합된 작업 환경을 제공하는 하나의 크로스오버 시스템에서 이루어지게 되었다. BSS FDS-388 Omnidrive와 같은 디지털 장치는 단순한 크로스오버가 아니라 하나의 완성된 스피커 관리 시스템이다.
이 제품은 크로스오버 뿐만 아니라, 리미터, 딜레이, 이퀄라이저의 기능 또한 제공한다. 이 제품은 완벽하게 마이크로 프로세서에 의해서 조정되기 때문에 각 파트는 프로그램의 세팅을 내부 메모리에 저장할 수 있다. 하나의 Omnidrive는 한 렌탈 회사가 보유하고 있는 모든 종류의 스피커들에 사용될 수 있고, 어떤 특별한 시스템이나 공연의 세팅도 메모리에 저장된 프로그램을 불러오는 것으로 간단히 해결될 수 있다.

디지털 크로스오버를 사용하는 가장 큰 이점은 아마도 드라이버 얼라인먼트에 대비할 수 있다는 점일 것이다. (그 성질과 중요성에 대해서는 뒤에서 자세히 다룬다.) 아날로그 크로스오버에 딜레이를 이용해서도 드라이버 얼라인먼트를 수행할 수 있겠지만 비용이 많이 들고 복잡한 방법이다. 딜레이 파트를 디지털 크로스오버 안에 장착함으로써 큰 비용을 들이지 않고도 드라이버 얼라인먼트가 쉽게 이루어지게 되었다.

크로스오버 세팅의 조정

(그림8)은 BSS Omnidrive의 액정화면에 나타나는 크로스오버 네트워크를 보여준다.


[그림8]

어디에서 한 밴드가 시작되고 또 다음 밴드가 시작되는지 자세하게 보여준다. 각 밴드의 시작과 끝 부분은 절벽처럼 한 점에서 끝나는 것이 아니라 어떠한 비율로 떨어지게 되는데, 그 비율은 필터의 기울기라고 불리며 전형적인 기울기의 범위는 12 ~ 48dB/옥타브이다. 이러한 크로스오버를 사용하는 목적은 크로스오버 포인트에서의 평탄한 주파수 응답을 얻고자 하는 것이다.
인접한 두 밴드들의 기울기가 이것을 해결하는데, 한 밴드가 페이드 아웃(fade-out)하면서 다음 밴드가 페이드 인(fade-in) 됨으로써 크로스오버 지점에 평탄한 레벨을 유지하게 된다.


[그림9]

크로스오버의 실제 응답을 살펴보면 겹쳐지는 부분에서 한 밴드의 출력신호가 Rolling-off 하면서 다른 밴드의 신호는 Rolling-in 되는 것을 확인할 수 있다. 가장 이상적인 결과는 그림 9에 나타난 것처럼 두 밴드가 겹쳐지는 부분에서 평탄한 주파수 응답을 얻는 것이다. LF 밴드가 롤링-오프를 시작하는 점 b1은 HF 밴드의 롤링-인 시작점인 a1과 더해져서 c1의 평탄한 응답을 주게 된다. 두 인접한 필터가 겹쳐지는 점은 크로스오버 포인트라고 불린다. 롤 오프의 기울기의 단위는 dB/옥타브이며, 사용되는 드라이버의 종류에 따라 선택되어야 하고 24 dB/옥타브가 가장 흔히 사용된다.

앞에서 언급한 바와 같이 이상적인 크로스오버의 응답은 크로스오버 포인트에서 평탄한 것이다. 이렇게 평탄한 응답을 얻기 위해서는 두 밴드의 신호들이 완벽하게 합해져야 하고, 이에 따라 신호의 위상에 관해 짚고 넘어가지 않을 수 없다. 필터를 사용할 때에는 어쩔 수 없이 어느 정도의 (phase shift)위상 변이가 생기게 마련인데, (그림10)에 나타난 바와 같이 이 위상 변이는 크로스오버 포인트에서 두 신호가 합해지는 데에 영향을 미친다.


[그림10]

BSS FDS-360과 Omnidrive는 밴드간의 위상을 조정하는 기능을 제공하여 크로스오버 포인트에서 두 밴드 신호의 합이 최대값이 되도록 한다. 그 신호의 합은 두 신호의 위상이 같을 때 최대가 되고, 180도 위상 차이가 있을 때 당연히 최소가 될 것이다.
이를 위한 위상조절 방법은 여러 가지가 있지만, 신호 발생기나 테스트 CD 하나면 해결되는 아주 간단한 방법을 여기서 소개하기로 한다. 크로스오버 포인트와 같은 주파수의 신호를 시스템을 통해 재생시키면, 위상을 조절함에 따라 레벨이 변하는 것을 들을 수 있을 것이다. 이 방법을 사용하기 위해서 우선 각 밴드의 출력을 같게 맞추어야 할 것이다. 그 후에 신호의 출력이 가장 클 때까지 위상을 조절한다. 이 때 SPL(Sound Pressure Level) meter 나 RTA(Real Time Analyzer)를 이용하여 출력레벨을 체크할 수도 있으나, 귀로 들으면서 조절하는 것으로도 놀라울 정도로 근사한 결과를 얻을 수 있다.

같은 원리를 이용한 좀 더 쉬운 방법으로 두 밴드 중에 하나를 180도 위상반전 하는 방법도 있다. 이는 앰프의 출력 단자의 플러스 마이너스 선을 서로 바꾸거나 크로스오버 시스템에서 위상 반전 스위치를 누르는 것에 의해 구현된다. 그리고 나서 위상 값을 변화시키면서 출력레벨이 가장 작아지는 부분을 찾으면, 그 위치가 위상차에 의한 캔슬이 가장 많은 부분이고 그 값이 바로 두 밴드의 위상차이가 보정되는 값이다. 위상 반전된 밴드를 다시 원상 복귀시키면 가장 큰 출력레벨을 얻게 된다. 인간의 청력특성상 소리가 가장 작은 부분을 찾는 것이 가장 큰 부분을 찾는 것보다 쉽기 때문에 이 방법이 더 유용하다고 할 수 있다.

Limiting
스피커 시스템이 어떻게 사용되느냐에 따라 조금의 차이가 있긴 하지만, 전체 시스템을 보호하기 위해 대부분 리미터가 사용된다. BSS FDS-360과 Omnidrive는 이러한 목적으로 리미터들을 내장하고 있다.

Equalization
아날로그를 포함한 많은 크로스오버 제품들이 출력 부분에 이퀄라이저를 제공하고 있어서, 스피커의 컴포넌트나 캐비넷의 주파수 특성을 보정하는 데에 사용되고 있다.

Constant Directivity (CD) Horn Equalization
CD Horn 스피커는 담당하는 주파수영역 전체에 일정한 분산을 주도록 디자인되어 있어서 교정용 EQ를 필요로 한다. 일반적으로 CD혼은 주파수가 올라감에 따라 롤-오프를 가지게 된다. 따라서 EQ는 (그림11)에 보여진 것처럼 6dB/옥타브의 기울기를 가지게 된다.


[그림11]

Component Tuning

CD Horn EQ의 사용외에도 저음을 강조하거나 중음을 깎는 등 다른 컴포넌트들의 특성을 보정하기 위해 EQ를 사용하게 되는 경우가 종종 있다. 이러한 경우 EQ는 같은 세팅을 매일 사용하게 되는 경우가 많은데, 만일 이렇게 세팅된 EQ가 크로스오버 제품에 내장되어 있다면 사용자는 자신의 메인 EQ를 스피커 시스템에서 발생되는 문제 보정용으로 사용하기 보다는 Room Tuning에만 전문적으로 사용할 수 있을 것이다.
FDS-360과 같은 일부 아날로그 크로스오버에는 원하는 EQ들이 미리 프로그램되어 있는 회로판을 추가 부착할 수 있도록 디자인 되기도 했지만, 컴포넌트들의 튜닝을 위해 제공되는 여러 개의 EQ를 내장하고 있는 디지털 크로스오버를 능가하지는 못했다.
BSS Omnidrive의 경우는 각 출력 단자에 여러 밴드의 EQ들을 제공한다.

Driver Alignment
드라이버 얼라인먼트를 이해하기 위해서는 먼저 소리가 어떻게 전달되는가를 이해해야 한다. 우리가 듣는 소리는 공기의 압축과 희박(Rarefaction)에 의한 결과이다.
소리의 전달은 공기의 물리적인 움직임에 의존하기 때문에 시간이 걸리게 된다. 이에 관한 좋은 예 중의 하나가 천둥과 번개이다. 천둥과 번개는 같은 순간에 발생하지만 우리는 천둥 소리를 듣기 전에 번개를 먼저 보게 된다. 이것은 소리가 1초에 (섭씨 20도의 경우) 약344미터의 속도로 이동하는데 비해 빛은 300million미터/sec 의 속도를 가지기 때문이다.
만일 그 천둥과 번개가 5킬로미터 밖에서 발생한다면, 빛은 그 즉시 볼 수 있지만 소리는 15초 후에나 듣게 된다.

이러한 딜레이는 좀 더 작은 스케일의 스피커 안에서도 일어나는 현상이다. 전형적인 스피커의 단면도를 보면 (그림12)와 비슷한 모습이 될 것이다.


[그림12]

여기서 우리는 컴프레션 드라이버(위)와 콘 드라이버(아래)가 같은 수직선 상에 있지 않다는 것을 발견할 수 있다. 이에 따라 두 드라이버 사이에는 수평면에서의 거리차가 발생하게 되고 소리는 같은 속도로 이동하므로 스피커 앞에서 들을 경우 저음이 고음보다 약간 먼저 청취자에게 도달하게 된다.
이상적인 스피커의 경우 두 드라이버들을 같은 수직선상에 위치하도록 할 수도 있으나 실제로 그렇게 디자인되기는 어렵다.
앞 쪽에 위치한 드라이버에 타임 딜레이를 이용하여 두 드라이버로부터 발생된 소리가 동시에 스피커 케비넷의 앞면을 빠져 나가도록 함으로써 이 문제를 해결할 수 있다.
(그림12)의 예에서 처럼 두 드라이버 사이의 거리차가 0.5미터인 경우 (그림13a)에 보여진 것과 같이 1.5ms의 시간차가 발생하는데, 이것을 교정하기위해 콘 드라이버(아래)에 1.5ms의 타임 딜레이를 준다.
이제 두 드라이버들로부터의 소리는 (그림 13b)에 보여지듯이 동시에 청취자에게 도달하게 될 것이다.


[그림13]

그렇다면, 0.5 미터가 정말 문제가 될 것인가? 답은 간단히 "예" 이다.
그 사이즈나 거리차는 매우 중요하며, 그 차이는 확연하다. 그 조그마한 거리차가 얼마나 중요한가를 보이기 위해 머리를 사이에 두고 존재하는 인간의 두 귀를 생각해보자.
두 귀 사이의 거리차로 인해 발생되는 딜레이는 인간의 두뇌로 하여금 음원의 위치를 지각하게 하는 열쇠로서 사용된다. 물론 이것은 너무나 간단한 설명에 지나지 않지만, 결론은 이 작은 거리차가 스피커의 성능에는 중요한 한 요소로 작용한다는 것이다

얼마만큼의 딜레이가 필요한가를 어떻게 알 수 있을까?

이 답을 얻기 위해 정말로 스피커를 반으로 잘라볼 수는 없겠지만, 이 답을 위한 몇 가지 방법이 여기 있다.
l 전화를 사용 - 가장 쉬운 방법으로 그 스피커의 제조사에 전화를 해서 두 드라이버 사이의 딜레이 타임을 알아내는 것이다.
l Delay Time Analyzer 사용 - 필요한 정보를 얻기 위해 사용할 수 있는 많은 시스템들이 존재한다.
l 추측 - 가장 적합하지 않은 방법이긴 하지만, 놀랄만한 결과를 얻을 수 있다. 가능하다면 스피커 케이스의 그릴을 떼어낸 후 자를 사용하여 조심스레 길이를 측정한다. 거리를 시간으로 환산하는 공식은 아래 명시되어 있으나, BSS Omnidrive의 사용자들은 환산할 필요없이 미터나 피트 같은 거리를 입력하는 것만으로도 간단히 원하는 딜레이 타임을 얻게 된다.

• 속도 = 거리 / 시간 이므로
  
• 시간 = 거리 / 속도

간단히 거리를 소리의 속도로 나누어 주는 것만으로 원하는 딜레이 타임을 얻을 수 있다.

Delay for 'delay speakers'
규모가 큰 콘서트에서는 공연장 여러 군데에 스피커가 설치되는 경우가 많다. 한 조의 메인 스피커 만으로는 공연장 전체를 균일하게 커버하기가 어렵기 때문에 더 많은 스피커들이 사용된다. 예를 들어 (그림14a)에서는 공연장 앞 쪽의 메인 스피커 두 스택 외에 중간에 두 스택을 더 사용하고 있다.


[그림14a]

만일 모든 스피커들이 같은 신호를 받게 되면 그 소리는 각 스피커를 동시에 떠나게 될 것이다. 이것은 공연장 뒤쪽에 자리잡은 관객들은 뒤쪽 스피커로부터의 소리를 먼저 듣고, 메인 스피커에서 오는 소리는 조금 늦게 된다는 것을 의미한다. 드럼과 같이 어택이 크고 길이가 짧은 소리, 예를 들어 스네어 드럼 소리는 실제로 두 번 들리게 될 수도 있다.
인간의 뇌가 들은 소리를 판단하는 방식 때문에 이 스피커들간의 시간차는 듣기에 상당히 불편할 수 있다. 두 신호간의 시간차에 따라 (20 ~ 40ms 일 경우) 인간의 뇌는 첫번째 들은 신호를 보강하고 두 번째의 신호를 마스킹하여 하나의 신호로 인식할 수도 있다. "HAAS Effect"로 알려진 이 효과는 소리를 더블링하여 소리의 명료도를 저하시킨다. 또한 소리가 무대가 아닌 공연장 중간의 스피커로부터 들리는 것으로 인식되기 때문에 관객들은 무대로 향한 집중을 잃게 될 수도 있다.

이 경우 딜레이를 사용하여 뒤 좌석에서도 두 스피커 스택으로부터의 사운드를 동시에 들을 수 있게 할 수 있다. (그림14b) 두 스택간의 거리를 측정함으로써 필요한 딜레이 타임을 구해낼 수 있다. 그럼으로써 뒤 좌석의 관객들은 무대로의 집중을 유지할 수 있고, 사운드도 깨끗하게 유지하게 된다.


[그림14b]

딜레이 타임 계산
앞에서 이미 언급한 바와 같이 고차원적인 측정기들을 이용할 수도 있고 줄자를 이용해서 거리차를 구할 수도 있다. 일단 어느 정도의 보정이 끝난 후에는 귀를 이용해서 미세 조정을 할 수 있다. 주로 위상을 체크하는 신호나 스네어 드럼 같은 신호를 사용하여 그 소리가 하나로 들릴 때까지 조정한다.

Just when you thought it was safe to relax and enjoy the show.
앞서 언급된 대로 타임 딜레이가 필요한 이유는 소리가 공기 중에서 이동할 때 시간이 걸리기 때문인데, 이 시간은 상수가 아니라 온도에 크게 의존하여 변하는 수치이다. 그러므로 기기들이 열을 받음에 따라 딜레이 타임 값도 변해야 할 것이다.
예를 들어 딜레이 스피커 스택이 메인으로부터 100미터 떨어져 있고 온도가 섭씨 20도라면, 딜레이 타임은 291.3ms 가 되겠지만, 온도가 25도로 올라가면, 딜레이 타임은 288.8ms로 바뀌어야 할 것이다. 직접 딜레이 타임을 바꿔 넣어 줄 수도 있겠지만, BSS Delay 나 디지털 크로스오버를 사용하면 센서에 의해 자동적으로 바뀌어지거나, 온도를 입력하는 것만으로 간단히 조정해줄 수 있다.

BSS Audio(http://www.bss.co.uk)

자료제공 ㅣ (주)소비코 기술연구소