A/V 기본적인 이해 #1 스피커

음향 재생 장치 중 CD플레이어나 간단한 카세트 플레이어는 프로그램 소스로서 신호를 입력해 주게 되면 스피커는 최종적으로 그 전기적인 신호를 아름다운 소리로서 배출 시켜 주는 출구인 셈이다.

스피커라고 하는것은 라우드스피커(Loudspaker)의 준말이고 이 스피커 유닛을 인클로저라는 통에 부착시켜 제작한 것을 통틀어 스피커시스템이라고 부른다.

2.스피커 소리 어떻게 나게 되나?

스피커시스템의 전면 그릴을 벗겨내면 검정색의 진동판을 볼 수 있는데 이 유닛이 앞뒤로 미세하게 움직이면서 소리를 만들어 준다. 이것은 우리가 과학 시간에 실습한 적이 있는 자석의 원리인데 자석 중간에 전선을 놓고 전류를 흘리면,자석은 전선을 밀어 내기도 하고 잡아당기기도 한다.
즉,영구자석 내부의 보이스 코일(Voice Coil)에 전류를 보내면,전류의 방향에 따라 코일을 밀었다 당겼다 한다.  이 코일끝에 공기를 밀어내고 당기게 할 수 있도록 콘페이퍼(Cone Paper)즉 진동판을 붙이면 소리가 나게 되는데 이것이 바로 스피커 기본 동작 원리다.  이 기본 동작 원리는 플레밍의 왼손 법칙에 의한 것으로 바로 이 원리를 응용해 만든 것이 스피커로서 이러한 동작은 신호의 주파수,그리고 전류의 힘에 따라 높은 소리와 낮은 소리, 큰 소리와 작은 소리 등으로 결정되며, 소리의 크기는 콘 페이퍼의 이동거리 등에 의하여 결정되는 것이다.

1) 스피커의 진동판

앰프에서 보내오는 신호에 따라 앞뒤로 움직이면서 소리를 들려준다. 과거에는 거의 종이를 분해, 건조시켜 높은 온도로 가열된 금형에 압축시켜 만들었다.  그리고 콘의 재질로는 종이, 특수 섬유, 수지, 금속, 흑연 등을 사용했다. 또한 식물 섬유인 대나무, 소나무, 단풍나무, 밤나무 등을 사용한 것도 있다.
최근에 개발된 액정 폴리머 재질도 좋은 평가를 얻고 있는 것으로 폴리 프로필렌 등과 함께 스피커의 진동판으로 각광을 받고 있다.

2) 스피커의 자석

스피커의 힘이란 자석의 세기를 의미하는 것으로 이것을 자속 밀도로 표시해 놓고 있는데 전자석과 영구자석 등 두 종류로 구분된다.  전자석은 필드 코일에 직류 전류를 흘려서 만드는 것이고, 영구자석은 알니코, 페라이트와 코발트로 제작되고 있다.  현재는 영구자석이 가장 많이 쓰이고 있는데, 그 중 알니코는 알루미늄, 니켈, 코발트, 철을 주성분으로 소량의 동과 티타늄을 섞어서 만든 합금 자석이다. 재료로는 상당히 특성이 좋아 스피커의 자석으로 사용되고 있다.  그러나 가공이 어렵고 가격이 비싼 것이 문제가 된다. 이 자석은 요즘 많이 사용되는 페라이트 자석보다 수명이 짧은 것이 결점이다.
페라이트는 알니코 자석에 비해 성능은 다소 떨어져도 저항이 크고 안정감이 있어 좋은 반응을 보이고 있다.  최근의 스피커 자석은 페라이트나 네오디늄을 사용하고 있다.

3. 스피커 유닛 구조

스피커 유닛은 그 구조에 따라서 다이내믹형, 콘형, 평판형, 돔형, 혼형, 리본형, 콘덴서형 등이 있다.

1) 콘형 유닛

이름 그대로 원추형 모양이며 가장 많이 만들어져 소개되고 있는 재래형이다.
이 유닛의 특성은 주파수 출력, 음압레벨 특성, 전기 임피던스 특성, 고조파 의율 특성 그리고 지향 특성을 들 수 있다. 출력 음압 레벨이 평탄하고 지향 특성도 정면이나 측상에서 그다지 레벨 저하가 없고, 임피던스 특성도 비교적 일정하여 가장 안정된 소리를 낸다. 고조파 의율 특성도 스피커 유닛 구경이 크고, 콘형 진동판의 면적이 크면 낮은 주파수쪽으로 이동하기 때문에 저음역의 재생에는 좋다. 그러나 고음 재생시는 그렇게 맑지는 않으나 중음 쪽에서 무난하게 재생된다.구경이 작고 콘형 진동판 면적이 좁으면 최저 공진 주파수는 높아져서 재생 범위는 아무래도 높은 쪽으로 벗어나게 된다. 저음역보다는 고음 재생이 더 좋다는 뜻이다.

2) 평면형 스피커 유닛

평평하게 디자인된 유닛으로, 진동판에 직접 보이스 코일이 붙는 것은 보이스 코일의 위치를 우퍼(저음용), 미드레인지(중음), 트위터(고음)와 같게 하기 쉽기 때문이다.이것은 일반적으로 사용되는 스피커와는 달리 위상 특성을 조절한다는 데서 좋다고 평가되고 있다.그러나 우리의 귀는 재래식 콘형에 오랫동안 익숙해왔기 때문에, 아직은 평면형에 익숙하지 않아 큰 호응은 받지 못하고 있다

3) 콘덴서 스피커 유닛

정전형이라고 하는데 싱글형과 푸시풀형이 있다. 높은 입력 임피던스와 매칭시키기 위해 트 랜스가 필요하며, 외부 전원이 필요한 것이 많다.  높은 바이어스 전압이 주어져야 구동을 할 수 있기 때문이다.그러나 전원이 필요하지 않은 제품도 판매되고 있다. 일렉트로 스태틱(Electro-static)형으로서 피아노나 바이올린 같은 독주곡을 감상할 때 가장 이상적인 스피커이다.

4) 리본형 스피커 유닛

음을 재생시킬 때 정교한 음질 특성을 갖고 있는 유닛으로, 주로 고음역인 트위터에 많이 사용되고 전면 구동이 되는 특징을 갖고 있다.

5) 돔형 스피커 유닛

재생되는 음질이 고르게 확산되는 특징을 갖고 있어, 중음이나 고음용 유닛에 많이 사용되고 있다. 기본적으로는 콘형과 같은 상태로 만들어지는데 재질로는 알루미늄, 베릴륨, 티타늄과 같은 특수한 금속이 쓰인다. 이를 하드돔이라 하고, 섬유에 플라스틱을 부착시켜 제작된 것이 소프트 돔형이다.

4. 스피커의 제작 방식

같은 유닛을 가지고도 인클로저의 제작 상태에 따라 소리가 달라지는데 요즘에는 그형태가 다양해지고 있다. 기본적인 것은 밀폐형과 개방형 구조로서 자세히 알아보자.   각 사진들 속의 화살표는 공기를 흐름을 표현하고 있다. 

1) 밀폐형(Acoustic Suspension)

스피커 유닛을 제외하고 앞뒤가 전부 막혀있는 형을 말한다. 이 밀폐형은 스피커 인클로저 재질에 따라 음질 특성이 많이 좌우된다. 만들기는 어렵지만 밀폐 방법에 따라 음질 차이가 난다. 

 밀폐형의 동작 방법을 보면, 앰프에서 보내오는 전기 신호가 스피커 유닛의 진동판을 움직일 때,  진동판이 뒤쪽으로 가면 밀폐된 스피커 인클로저에서 공기의 이동이 생기게 된다. 진동판이 뒤쪽으로 이동되면 같은 방향으로 압력이 가해진 공기가 다시 반대 방향으로 반격을 가하게 됨으로써, 진동판이 원위치로 돌아오게 되는 것이다. 마치 스프링식으로 앞뒤로 왔다갔다하며 진동판을 동작시켜 주게 된다. 일반적으로 효율이 좋지 못하여 출력이 높은 앰프에 사용해야 좋은 소리를 얻을 수 있고, 주로 클래식 음악 감상용으로 많이 사용되고 있다. 스피커 인클로저가 커야 충분한 저음을 구할 수 있다.

하지만 이 구조로 얻을 수 있는 가장 큰 장점은 저음이 매우 풍부하게 들린다는 것이다. 

2) 위상 반전형(Bass Reflex)

완전 밀폐형과는 달리 스피커 인클로저의 앞이나 뒤에 덕트 (Duct :스피커에 있는 구멍을 덕트라고 한다)가 뚫려 있어서 개방형 이라고 한다.
스피커 인클로저 내부의 공기가 진동판의 동작으로 생기는 공기를 밖으로 내보냄으로써, 진동판 동작을 원활하게 해준다. 즉, 내부에서 발생한 공기의 일부를 위상을 바꾸어 이 구멍으로 내보내는 것이다.앰프의 출력이 높지 않아도 같은 크기의 밀폐형보다 더 큰 위상 반전형 스피커를 충분히 동작시킬 수 있다.

　이 스피커의 장점은 고음, 중음, 처리가 무난하다는 것이다. 

　

　

　

　

3) 드론 콘(Drone Cone)이나 패시브 라디에이터(Passive Radiator)방식

이것은 위상 반전형과 비슷한데, 구멍이 뚫려 있지 않은 반면에 저음용 스피커 유닛과 거의 같은 콘을 설치, 저음용 스피커의 움직임에 따라 드론 콘이 진동해서 저음 효과를 더욱 좋게 한다. 곧 위상 반전형의 구멍 위치에 보이스 코일과 마그네트가 부착되어 있지 않은 콘(드론 콘이라고 함)을 설치한 방식이다.  그런가 하면 인클로저의 제품에 따라 혼형 밀폐형, 혼형 위상 반전 등 여러 가지로 불리고 있다. 세계적으로 유명한 스피커 제조 회사 제품들 중 대형은 거의가 위상 반전형으로 만들어졌다. 이 밖에 마루형으로 제작된 스피커 인클로저 중에는 프론트로딩 혼 방식과 백로딩 혼방식이 있다. 프론트로딩 혼 방식은 스피커 유닛 뒷면에서 나팔을 붙인 것이고, 백로딩 혼방식은 스피커 유닛의 뒷면에서 재생되는 소리를 통해 앞쪽으로 유도하는 방식인데, 주로 음역 특성이 좋다.  이 스피커의 외형적인 특징은 마치 우퍼가 2개가 있는 것 처럼 보인다는 점이다. 

5. 스피커 유닛과 음질관계

보통 두 개의 유닛이면 2웨이, 세 개의 유닛이면 3웨이라고 하는데, 먼저 한 개의 스피커 유닛으로 소리를 들려주는 풀 레인지 스피커를 살펴보자.

1) 풀 레인지(Full Range) 스피커

요즘에는 하나의 스피커 유닛으로 된 풀 레인지 스피커보다는 따로따로 설치된 것이 많지만,이 풀 레인지형 제품도 많다. 이것은 가청 주파수의 넓은 범위를 재생하기 위해 한 개의 유닛으로 설계된 콘형의 스피커를 말한다.

2) 동축형과 풀 레인지

한 개의 유닛으로는 좋은 소리를 내기가 어려워, 각 음역을 담당하는 스피커 유닛을 여러 개 사용하여 만들고 있다. 스피커 중에서 한 개의 유닛으로 되어 있으면서도 중후한 음질을 재생하는, 즉 한 개의 스피커 유닛축에 고음과 저음이 함께 갖추어진 것을 동축형(Coaxial)이라고 부른다. 여기서 중음까지 설치된 것은 트리엑셜(Triaxial)형이라고 하여 3 웨이 방식에 해당 된다.

동축형 스피커 유닛을 자세히 살펴보면 단순하게 만들어져 있는 것처럼 보이지만, 따로따로 설치된 스피커 유닛과는 달리 복잡한 구조와 설계로 제작되어 있음을 알 수 있다. 한 개의 축에 고음 스피커 유닛과 중음 스피커 유닛이 설치되어 있으나 서로 간섭하지 못하게 한 것이 특이하다

6. 스피커 시스템에서의 2, 3 웨이(Way) 방식

1) 2웨이 방식

2개의 스피커 유닛, 즉 저음용 우퍼와 고음용 트위터로 만들어졌다. 다시 말해 사용하고 있는 유닛이 여러 개일 때 멀티 웨이 방식이라고 하는데 각 주파수를 담당하는 스피커 유닛으로 신호를 보내기 위해 디바이딩 크로스오버 네트워크(Dividing Crossover Network)가 필요하다. 이 디바이딩 크로스오버 네트워크는 들어온 신호를 분배하여 각 스피커로 보내는 교통 정리 역할을 한다. 즉, 낮은 음은 저음용 우퍼로 보내고 높은 음은 트위터로 보낸다. 이렇게 디바이딩 크로스오버 네트워크에서 하는 일을 크로스오버 주파수라고 부른다.

다시 말해서, 크로스오버 주파수(Crossover Frequency)는 앰프에서 들어오는 신호를 각 유닛의 전용 대역에 따라서 배분 공급하게 되는데, 그 구분되는 주파수를 말한다.

그래서 2웨이 2 유닛 구성이라고 하면 중저음용과 고음용 등 2개의 유닛을 사용해 설계된 시스템을 말한다

2) 3웨이 방식

2웨이에서 설명한 바와 같이, 크로스오버 네트워크를 통하여 각 스피커 유닛에 분배되는 소리는 완전히 분리되어 들리기 때문에 이상적인 음질이라고 한다.

이와 마찬가지로 3웨이란 2웨이에 중음 스피커 유닛이한 개 더 추가된 것을 말한다.
고음, 중음, 저음 등 3개의 스피커 유닛이 서로 다른 음역의 소리를 내는 방식인 것이다.

크로스오버 주파수는 음압 레벨을 중시한 것과 음향 에너지를 중시한 것이 있는데, 사용되는 유닛에 따라 여러 가지 다른 레벨로 정해지게 된다.

멀티 웨이에는 레벨 콘트롤(Level Controlled)을 사용하여, 중음이나 고음이 부족하거나 너무 많아서 저음과 밸런스가 맞지않을 때 조절하면 좋은 효과를 얻을 수 있다.

3)멀티 웨이(Multi-way)형

멀티 웨이형이란 한 개의 스피커 유닛(풀 레인지 스피커 )으로는 고음부터 저음까지 전대역을 커버할 수가 없기 때문에, 스피커 유닛을 여러 개 사용하여 가급적 전 대역을 재생할 수 있도록 만든 것을 말한다. 이것은 사용되는 방식이나 스피커 유닛 수의 설치에 따라 2웨이에서부터 3∼5웨이까지 있다.

이처럼 풀 레인지와 멀티 웨이는 재생되는 소리가 다르기 때문에 사용하는 사람들의 용도나 취향에 따라 선택하게 된다.

7. 스피커 시스템의 올바른 선택

스피커 시스템은 설치 방법에 관한 정석(定石)이 있다.  이러한 기본적인 설치의 원칙을 무시하고 배치한다면 처음에는 색다른 느낌을 가질 수도 있으나 어느 정도 시간이 흐르면 이상하다는 생각이 들게 마련이다. 영업 장소 같은 곳의 스피커 시스템은 대부분 천장 쪽에 놓여 있는데, 이것은 어디까지나 설치 장소 때문에 부득이한 경우이지 음질을 좋게 하기 위한 것은 아니다.  위쪽에 높게 설치하면 고음이 흐트러지고 저음도 많이 감소된다. 설치 장소 때문에 부득이한 경우이지 음질을 좋게 하기 위한 것은 아니다. 설치 장소 때문에 부득이 올려놓고자 할 때는 벽면으로부터 10∼15cm정도는 띄어 놓도록 하는 것이 좋다.
또 대형 스피커 시스템을 한 조 사용하는 것보다 소형 시스템을 여러 조 설치해 주는 것이 효과적인 방법이 된다.

8. 이상적인 스테레오 청취 조건

모든 오디오 시스템 거의가 스피커 시스템을 따로 설치해놓고 사용할 수 있게 분리되어 있다.스피커 시스템은 정면에서 똑바로 설치해 놓는 것보다 약간 비스듬하게 놓고 들으면 스테레오 입체감을 좋게 해준다. 

다시 말해 스피커 시스템 중심과 중심을 일변으로 하여 정 삼각점을 구성하는 방식이 음파의 진행 방향이 한 지점으로 모이게 한 것으로 가장 이상적인 설치 방법이다. 이렇게 해 놓음으로써 좌우 수직선상에 있는 두 귀에 전해지면 입체적인 느낌이 든다. 이때 높이는 인클로저의 중간 지점이 귀의 일직선상에 오게 해주면 좋다. 그 다음 좌우 간격은 어느 정도가 좋을까? 스테레오로 잘 듣기 위해서 좌우 스피커시스템의 간격은 3m정도는 띄어놓는 것이 좋다.

1) 스피커의 유닛 재질에 따라

스피커 유닛 중, 고음부를 보면 수지 계통을 가공시켜 만든 페놀계(phenol)라는 일종의 베 라이트 재료와 금속 합금을 사용한진동판이 설치된 것이 많다. 페놀 계통은 음질 재생을 특징 있게 표현해 주고 있으며,금속 진동판은 타악기나 금속 악기 소리를 가장 좋게 들려준다.

2) 스피커를 마구 다루면 안된다.

잡음 없는 프로그램소스로 음악을 많이 듣게됨에 따라 앰프의 볼륨을 자꾸 올려주게 되는데, 이때 스피커 유닛의 콘 페이퍼의 운동이 빨라지게 되어 어떤 때는 재생 음이 순간적으로 끊기는 듯한 느낌이 들 때가 있다.  스피커 시스템이 일할 수 있는 능력이란 한계가 있으므로 성능이 좋다고 무조건 무리하게 사용하지 말아야 된다. 고급형 음향 재생 기기의 대부분이 다루기도 까다롭지만, 사용할 때도 세심한 배려가 따라야 제 기능을 발휘하게 된다.

3) 스피커 시스템은 2∼3개월 정도 지나야 제 소리를 들려준다.

오디오 시스템에서 어느 부분보다도 외형상으로 간단한 것이 스피커 시스템이다. 그러나 이 부분이 유연하고 부드럽게 되어 있지 않으면 문제가 생긴다. 다시 말해 전기 신호가 입력되는 진동판이나 움직여주는 콘 페이퍼 등이 부드럽고 연하지 못하면 재생되는 소리가 딱딱하게 되고 삭막한 느낌을 준다. 이런 면에서 볼 때 상당한 기간동안 길들이기 위한 과정이 필요하다. 

이 길들이기 작업을 "에이징 (Ageing)"이라 한다. 고급형의 이어폰이나 스피커 시스템을 갖고 있는 분들 가운데는 마치 어린아이를 기르는 정성으로 스피커를 다루는 분들이 있는데, 예컨대 사용한 다음 반드시 포근하게 커버로 덮어 준다거나 주위에 트랜스 같은 것을 절대로 방치시켜 두지 않는 일 등이 그것이다. 그러나 이러한 노력은 꼭 고급형에만 필요한 것이 아니다. 보통 사용하고 있는 보급형에서도 꼭 필요한 것이다. 스피커 시스템을 길들이는 것은 장시간과 단시간으로 구분시켜 볼 수 있다.

제품에 사용된 재질에 따라서 어느 정도 시간이 더 걸리는 경우가 있다.  이 것은 고음역 재생에 좋은 성능을 발휘해주는 드라이브 유닛으로 이런 제품은 1년 정도 되면 재생 음질이 처음보다 훨씬 부드러워지며 음의 흐트러짐도 적어진다.

새 제품을 길들인다는 것은 처음이 가장 중요하다. 이것은 마치 처음 공장에서 출하된 새 자동차를 길들이는 것과 같다.   

대부분의 스피커에 대한 내용들이 오디오 시스템에 관하여 논의가 된 것 같다.  하지만 PC 사용되는 스피커 역시 그 기반은 오디오에서 시작이 되었기 때문에 별로 문제될 것이 없다고 생각한다.  하지만 너무 사진은 없고 글씨만 있어서 지루했을 것이다.  다음 강좌에서는 요즘 가장 이슈가 되고 있는 Dolby, AC-3, THX 에 관하여 알아보자.