글쓴이 : SOONDORI
일렉트로닉스 오스트레일리아 1989년 2월 호에서.
* URL : https://archive.org/details/EA1989/EA%201989-02%20February/page/n127/mode/2up?view=theater
라우드스피커 시스템, 3편
이 장에서는 공칭 라우드스피커 위상, 그 주관적 영향 및 확인 방법에 대한 설명으로 시작합니다. 이어서 주파수에 따른 위상 변화와 과도 현상 재생에서 위상 변화가 하는 역할을 살펴봅니다. 마지막으로 일반적인 드라이버의 음향 중심과 ‘시간’ 정렬에 대한 논의를 진행합니다.
이미 언급했듯이, 하이파이 라우드 스피커 시스템은 이상적으로 프로그램 신호의 모든 주파수 성분을 정확한 상대 진폭으로 재생할 수 있어야 하며, 스퓨리어스 추가 합성음 형태의 왜곡이 없어야 합니다.
또한, 복잡한 신호의 고, 중, 저 주파수 스펙트럼 성분은 원래 녹음된 것과 동일한 시간 순서와 위상 관계로 청취자에게 도달해야 합니다. 그렇지 않으면 라우드 스피커 또는 시스템 전체가 차동 위상 변이 및/또는 (공학 용어로) ‘시간 영역의 왜곡’으로 인해 문제를 겪을 수 있습니다.
기본적으로 멀티 스피커 시스템의 모든 드라이버(모노 또는 스테레오)를 연결하여 적어도 명목상 위상이 같도록 하는 것이 일반적인 관행입니다. 이는 (예를 들어) 양의 스텝 신호가 입력될 경우 모든 콘이 동일한 방향으로 이동한다는 것을 의미합니다.
시스템 배선을 용이하게 하기 위해 스피커 보이스 코일(또는 기타 입력) 단자에 ‘+’ 기호를 표시하거나 빨간색과 검은색으로 색상 코드를 지정하는 것이 일반적입니다.
관례적으로, (예를 들어) 1.5V 셀을 보이스 코일 단자에 걸쳐 해당 극성으로 접촉하면 콘이 앞쪽(즉, 청취 영역 바깥쪽)으로 이동합니다. 이러한 변위는 저음 드라이버와 대부분의 스쿼커에서는 상당히 명확하지만, 트위터에서는 판단하기 어려운 경우가 많습니다. 다행히 트위터의 극성 코딩은 일반적으로 당연하게 여겨질 수 있습니다. (그림 1 참조)
가청 위상 효과
동위상 또는 역위상으로 작동하는 라우드스피커의 음향 효과는 일반적으로 한 배플이나 한 인클로저에 장착된 두 개의 병렬 연결된 저음 드라이버와 관련이 있을 때 청취자에게 가장 분명하게 드러납니다.
동위상으로 (정확하게) 작동하는 경우, 인접한 저음 드라이버는 서로 협력하여 인클로저 앞쪽에 고압 및 저압의 연속적인 반주기를 생성하고, 이 반주기는 저주파 음파로 청취 영역 전체로 방사됩니다.
반대로, 콘이 (부정확하게) 역위상으로 작동하는 경우, 어느 한 쪽에서 상승된 공기압은 다른 쪽에서 동시에 생성되는 희박 영역으로 이동하는 경향이 있습니다. 이러한 상황은 일반적으로 ‘음향 단락'(20장 참조)으로 설명됩니다. 이로 인해 청취 영역으로의 전파가 감소하여 저음 응답이 눈에 띄게 감소합니다.
공교롭게도 가정용 하이파이 인클로저에서 여러 개의 (또는 병렬로 연결된) 저음역 드라이버는 흔하지 않지만, 음향 단락 효과가 최소 1kHz까지 나타날 수 있기 때문에(20장 참조), 우퍼와 인접한 스쿼커 사이에 수백 헤르츠에서 1kHz 이상에 이르는 영역에서 잔류 위상 상호작용이 발생할 수 있습니다.
따라서 스쿼커로의 신호 공급을 역전시키면 중음역대 음조 균형에 청각적 영향을 미칠 수 있습니다. 동상 작동은 정상적이고 올바른 것으로 간주되지만, 필자는 시스템 설계자가 중음역대를 덜 두드러지게 하기 위해 의도적으로 위상차를 연결하도록 제안한 사례를 알고 있습니다.
반대로, 고음역대 트위터로의 공급을 역전시키면 실제로 들리는 소리에 눈에 띄는 영향이 거의 없거나 전혀 없을 수 있지만, 무반향 테스트 조건에서는 거의 확실히 나타날 것입니다.
스테레오 위상 확인
스테레오 시스템에서는 모든 드라이버가 (명목상) 동일한 위상으로 작동하도록 하는 것이 일반적인데, 그 이유는 두 가지입니다.
1. 우퍼는 물리적으로 분리되어 있더라도 청취 영역 전체에 저주파 사운드를 전달하는 데 서로 도움을 줄 수 있습니다.
2. 대부분의 설계자는 균형 잡힌 동상의 중주파 신호 성분이 중앙 무대의 견고한 사운드 이미지를 형성하는 데 중요한 역할을 한다고 생각합니다.
위의 내용을 실제로 적용한 예가 그림 2에 나와 있으며, 이는 한 쌍의 스테레오 라우드 스피커 시스템의 상대 위상을 확인하는 간단한 방법을 보여줍니다. 두 시스템을 거의 마주 보도록 배치하고, 모노 신호(가급적) 또는 양쪽 채널 모두에 풍부한 저음이 있는 스테레오 신호를 재생할 때 일반적인 청취 거리에서 사운드 레벨과 밸런스를 주의 깊게 관찰합니다.
그런 다음 나머지는 그대로 두고 한 시스템에만 연결을 역순으로 연결하여 같은 부분을 다시 들어봅니다. 중저음 응답이 풍부한 연결이 올바른 연결입니다. 비교해 보면, 위상이 맞지 않는 연결은 ‘빈’ 소리를 냅니다. 왜냐하면 우퍼와 스쿼커가 주로 두 시스템 사이에서 공기를 앞뒤로 섞기 때문입니다. 이는 ‘음향 단락’의 또 다른 예입니다!
앞서 논의한 내용은 주로 드라이버의 물리적 배선과 관련이 있습니다. 비교적 간단한 문제이며, 일반적으로 검사를 통해 확인할 수 있습니다.
일반적인 신호의 개별 주파수 성분이 다음 중 하나 또는 전부에서 포착하기 어렵고 상당한 위상 편이를 겪을 수 있다는 사실에서 더 복잡한 문제가 발생합니다.
• 원래 신호 소스 – 테이프, 디스크, 방송 등
• 앰프를 포함한 전체 재생 체인
• 개별 드라이버에 전원을 공급하는 케이블 및 주파수 분배기 부품
• 음성 코일에서 청취 위치까지의 음향 경로
예를 들어, 청취실 자체에서 수백 헤르츠 이상의 주파수는 개별 스테레오 드라이버와 거의 독립적으로 투사된 후 인접한 표면에서 반사되어 공간에서 무작위적인 방식으로 추가 및 제거됩니다.
놀라운 점은 우리의 귀가 끊임없이 변화하는 음향 퍼즐을 잘 분류하여 재구성된 음원을 정확히 찾아내고 공간적 반향을 해석할 수 있다는 것입니다. 대부분의 사람들은 개별 구성 요소의 상대적인 위상이 이러한 능력에 기여한다는 데 동의합니다. 하지만 일부 사람들은 위상이 중요한 요소인지, 아니면 단순히 기여 요인인지에 대한 의문에 대해 이의를 제기합니다.
70년대 중반까지 하이파이 업계는 라우드스피커를 포함한 사운드 재생 시스템에서 가능한 한 가장 평탄한 주파수/진폭 응답을 얻는 데 중점을 두었습니다. 신호 위상 및 관련 시간 영역 효과에 대해서는 립 서비스만 제공했습니다. 즉, 가능하다면 옳은 일을 하되, 주관적으로 명확한 다른 성능 기준을 희생해서는 안 된다는 것이었습니다.
당시까지 사용 가능한 신호 소스, 즉 다이내믹스, 고음, 위상 및 과도 응답이 엄격하게 제한되어 있다는 점을 고려하면, 보수적인 견해는 이해할 만했습니다. 하지만 더 나은 마이크, 직접 편집한 디스크, 디지털 마스터 레코딩이 타악기 음악의 진정한 과도 신호를 포착하기 시작하면서, 하이파이 애호가들은 재생된 사운드에서도 동등한 ‘공격성’을 기대하고 듣기 시작했습니다.
위상 응답
브루엘 & 키예르(Bruel & Kjaer)의 헤닝 몰러(Henning Moller)는 최근 발표한 논문 ‘라우드 스피커 위상 측정, 과도 응답 및 가청 품질'(AES 제48회 대회, 미국 캘리포니아)에서 다음과 같은 새로운 의견을 제시했습니다.
* 관련 글 : 금성사 다이나믹스 DS-500 스피커와 덴마크 Bruel & Kjaer
부족한 위상 응답은 순수 사인파 재생이나 오르간의 지속 화음과 같은 정상 상태 음악에는 영향을 미치지 않습니다. 하지만 케틀드럼이나 베이스 드럼의 붐, 현악기의 피치카토, 호른의 짧은 폭발음, 피아노와 기타의 어택, 스네어 드럼, 심벌즈, 트라이앵글의 충돌과 같은 과도 신호에서는 위상 응답이 나타납니다.
시간 관련 위상 왜곡의 예로, 다양한 주파수를 가진 케틀드럼을 생각해 보겠습니다. 이러한 신호를 정확하게 재생하려면 모든 스펙트럼 성분이 정확한 진폭과 시간 관계로 재생되어야 합니다.
라우드 스피커의 진폭 응답 곡선이 선형적이라면 저주파와 고주파 진폭의 관계도 정확할 것입니다. 위상 응답 곡선이 선형이면 저주파와 고주파가 정확한 시간 순서대로 귀에 도달합니다.
안타깝게도, 몰러는 라우드 스피커는 일반적으로 주파수에 따라 위상 편이를 일으킨다고 덧붙였습니다. 큰 음의 위상 편이를 가진 주파수 성분은 위상 편이가 작은 성분보다 청취자의 귀에 늦게 도달합니다. 결과적으로 신호는 시간 영역에서 왜곡됩니다. 이는 특히 원래 신호에 과도 현상이 포함되어 있을 때 매우 중요합니다.
그는 과도 현상이 거의 무한한 수의 사인파의 조합으로 표현될 수 있다고 지적합니다. 본질적으로 계단 함수 과도 현상의 반복적인 시퀀스인 구형파 신호는 표면적으로 무한한 일련의 사인파 홀수 고조파로 구성되어 있으며, 위상이 같습니다.
명확성을 위해, 몰러의 원본 논문에서 재현한 그림 3은 구형파(A)의 단일 세그먼트와 ‘기본’ 또는 1차 성분 고조파(B), 3차 고조파(C), 5차 고조파(D)를 모두 같은 위상으로 나타낸 것입니다.
그래픽(또는 전기적)으로 재결합하면, B, C, D만의 ‘포락선’ 합은 뚜렷하게 ‘정사각형’ 모양(E)을 가지며, 더 높은 차수의 홀수 고조파가 추가됨에 따라 점차 직사각형 모양에 가까워집니다.
곡선(F), (G), (H)는 동일한 세 고조파를 나타내지만, 표시된 바와 같이 위상이 90°만큼 변하여 시간적으로 엇갈립니다. 이전과 정확히 동일한 주파수와 진폭의 신호로 구성되었지만, 그 합(I)은 (E)와 뚜렷한 유사성을 보이지 않습니다. 이는 원칙적으로 성분 고조파 간의 다른 임의의 위상 관계에도 적용됩니다.
이러한 그래프(및 CRO 패턴)는 눈으로 보기에는 매우 설득력이 있지만, 일부는 여전히 이러한 그래프가 듣는 음파와 동일한 의미를 갖는지 의문을 제기합니다. 그들은 귀가 본질적으로 순간적인 합보다는 개별 구성 주파수에 주로 반응한다고 주장합니다.
이러한 관점을 실제로 보여주는 사례로, 많은 제조업체가 위상 응답에 큰 비중을 두는 반면, 다른 현대식 라우드스피커 시스템은 기술적 또는 상업적으로 편리한 것 이상의 고려를 받았다는 증거가 거의 없습니다.
예를 들어, 주파수 분배 네트워크는 가능한 가장 평탄한 주파수 응답과 허용 가능한 전체 임피던스 곡선을 보장하기 위해 항상 맞춤 제작됩니다. 위상 특성은 경제적 요인, 마케팅 전략, 그리고 설계팀의 확신에 따라 동등한 관심을 받을 수도 있고 받지 못할 수도 있습니다.
안타깝게도 이미 언급했듯이 크로스오버 네트워크의 복잡성은 이러한 성격의 기사에서 간결하고 읽기 쉬운 분석을 제공하기 어렵습니다. 따라서 대부분의 독자는 가장 설득력 있게 들리는 사람의 확신을 받아들이는 것 외에는 할 수 있는 일이 거의 없습니다!
아마도 여기서 가장 적절한 지적은 위상 응답을 포함하는 상세한 성능 사양이 엄격한 설계 접근 방식을 나타내며, 새로운 하이파이 스피커 시스템을 고려할 때 고려해야 할 요소라는 것입니다. 하지만 이러한 정보가 부족하다고 해서 경쟁 시스템이 주관적인 사운드 측면에서 열등하다고 단정 지을 수는 없습니다.
음향 경로 길이
다행히도 시간 영역 왜곡의 한 측면은 여러 드라이버가 인클로저에 장착될 때 청취자를 기준으로 축 방향 정렬과 관련이 있습니다.
고음역에서 캐비닛 윤곽으로 인한 회절 효과를 최소화하기 위해 트위터를 배플 전면에 장착하는 것이 일반적입니다. 이때 트위터의 작은 콘이 외부 표면과 거의 같은 높이가 되도록, 그리고 그 연장선상에 위치하도록 합니다. 고주파는 당연히 그 평면에서 방사됩니다.
반대로, 크고 깊은 콘을 가진 우퍼는 일반적으로 배플 뒤에 장착됩니다. 우퍼 콘의 ‘음향 중심'(그림 4a), 즉 소리가 방사되는 평균 평면은 주파수에 따라 다르지만 일반적으로 정점 쪽으로 훨씬 뒤쪽에 위치하므로 청취자로부터 수 센티미터 더 멀리 떨어져 있습니다.
기존의 콘형 스쿼커의 경우, 음향 중심은 표시된 바와 같이 두 극단 사이 어딘가에 위치합니다. 각 드라이버에 동시에 사각 함수 과도 신호가 공급되면, 이러한 시스템 앞에 대칭적으로 앉은 청취자는 트위터의 성분 고조파를 스쿼커의 고조파보다 약간 앞서, 우퍼의 고조파보다 약간 더 앞서 들을 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다.
분명히, 차등 시간 지연의 최종 결과, 즉 시간 영역의 왜곡은 그림 3의 하단에 나타난 상황과 유사할 것입니다. 따라서 이는 과도 응답 측면에서 잠재적인 문제점을 나타내며, 음향 중심의 시간 정렬을 개선해야 할 이유를 제공합니다.
그림 4a의 상황은 예를 들어 트위터와 물리적으로 정렬된 돔형 스쿼커를 교체하고, 배플 표면에 움푹 들어간 얕은 우퍼를 장착함으로써 부분적으로 수정할 수 있습니다.
일반적인 시스템
일부 제조업체는 실제로 평평한 디스크 ‘콘’을 가진 드라이버를 생산했는데, 이는 음향 중심과의 관련성을 없애고 그림 4b에서처럼 배플 표면에 정렬할 수 있도록 합니다.
과거호를 접하실 수 있는 분들을 위해 이 잡지 1980년 7월호에 이 주제에 대한 기사가 게재되었습니다. 당시 대부분의 디스크/콘은 특별히 선택된 폼 플라스틱으로 성형되었고, 일반적으로 알루미늄 호일로 마감되었습니다. 그러나 1980년 7월호 기사에서는 Technics에서 개발한 새로운 100% 알루미늄 ‘샌드위치’ 기법을 소개했습니다. 이 기법은 가볍지만 단단한 내부 ‘허니콤’을 사용하며, 양면을 호일로 마감했습니다(첨부된 그림 참조).
더욱 흥미로운 점은 주 진동 노드와 일치하는 비교적 큰 직경의 보이스 코일을 사용하여 내부 진동 모드를 최소화했다는 것입니다.
원래 Technics ‘허니콤 디스크’ 제품군에 사용된 드라이버는 디스크 우퍼 3개, 디스크 스쿼커 1개, 그리고 그에 맞는 디스크 트위터 1개로 구성되었습니다. 또한, 리본 트위터 구성에 초경량 허니콤 스트립을 유연하게 매달아 놓은 소위 ‘리프 트위터’도 포함되었습니다. 최대 100W까지 프로그램 레벨이 상승하는 125kHz 응답을 제공한다고 합니다.
허니콤 디스크 기술은 매우 성공적이었으며, 이후 Technics 고성능 라우드 스피커 제품군에서 중요한 역할을 해왔습니다.
* 관련 글 : 한때는 가장 큰? Technics AFP-1000 평면 스피커
특수 드라이버가 필요 없는 또 다른 방법은 그림 4c와 같이 배플을 뒤로 기울여 음향 중심을 수직으로 정렬하는 것입니다. 이 방법의 변형은 배플을 단계적으로 조정하여 돔 트위터와 스쿼커가 있는 부분이 우퍼가 있는 부분보다 약간 뒤로 위치하도록 하는 것입니다. 예를 들어, 이 잡지 1986년 4월호 84페이지에 설명된 ‘시간 정렬’ Scanspeak 300 시스템을 참조하십시오.
경사형 및 계단형 배플은 인클로저 구조 및 미학적인 측면에서 고유한 문제점을 안고 있지만, 설계자는 기술적 및/또는 상업적인 이유로 선호될 수 있는 드라이버를 자유롭게 사용할 수 있습니다.
주파수 분할 네트워크와 마찬가지로, 시간 정렬 또는 ‘선형 위상’ 구성은 잠재 구매자가 진지하게 고려할 가치가 있지만, 다른 시스템을 배제하는 것은 아닙니다. 일부 시스템은 동일한 제조업체에서 시장에서 열광적으로 홍보하고 있습니다!
실제로, 상하, 측면 또는 후면 드라이버를 사용하는 일부 의도적으로 색다른 시스템과 일반적인 서라운드 사운드 음악 시스템은 위상에 대한 엄격한 접근 방식을 경시하고, 딱딱거리는 과도 현상보다 더 재미있다고 여겨지는 다른 음향 효과를 선호하는 것처럼 보입니다!
다른 것은 차치하고라도, 위의 관찰은 재생되는 소리의 주관적인 특성을 강조합니다. 이론을 면밀히 검토하고 모든 주장을 들어본 결과, 가정에 가장 적합한 스피커 시스템은 아마도 그들이 좋아하는 음악을 그들이 감당할 수 있는 가격으로 그들의 귀에 가장 잘 전달해 주는 시스템일 것입니다!
플랫한 특성의 마이크, 적당한 오디오 인터페이스 장치, ARTA 등 무료 소프트웨어만 써도 대부분의 위상 특성이 그대로 나온다.
개인적으로 밀폐형을 선호하는 것은, 저음 치중의 베이스 리플렉스가 위상 교란의 원인이 될 수도 있기 때문에. 대부분의 경우, 저음이 상대적으로 부족한 밀폐형이 구멍 뚫린 베리스 리플렉스형 보다는 음이 깔끔하다. 어떤 것을 선택할지는 선호의 문제이자 판단의 문제임.
사정이 된다면, 밀폐형과 덕트형을 하나씩 준비하고, 듣는 음악의 종류에 따라 교대로 쓰는 것도 좋은 방법. “어라? 아적까정 집에 밀폐형이 업슈?”
