글쓴이 : SOONDORI
1950년, 625 동란이 일어났던 그 해에 발행된 미쿡 잡지에서.
* URL : https://archive.org/details/am-1950-12/page/n15/mode/2up?view=theater
Reflexed Loudspeaker Enclosures
DAVID W. WORDEN(Consolidated Vultcc Aircraft Corp.)
Practical procedure in the planning for a reflexed speaker cabinet, with constructional hints which will simplify the work of building.
관로가 점점 커지는 형태의 혼(註, Exponential Horn), 여러 개의 스피커, 그리고 크거나 “무한한” 배플 배열과 마찬가지로, 반사형 인클로저는 공진 장치입니다.
인클로저의 공진 주파수가 스피커 콘 공진 주파수와 같게 되면 공진 효과가 상쇄되어 스피커가 재생하는 주파수보다 다소 낮은 주파수까지 부드러운 응답을 얻을 수 있습니다. 또한, 스피커 진동판은 유리한 음향 임피던스로 작용하여 효율이 증가하고 왜곡이 감소하며 과도 응답이 향상됩니다. 이 인클로저의 감쇠 특성은 본질적으로 다소 낮지만, 공진 피크를 효과적으로 상쇄하는 데 필요한 흡음재를 충분히 사용하면 탁월한 감쇠 효과를 얻을 수 있습니다. 또 다른 장점은 소형이고 물리적 형태와 크기가 유연하다는 것입니다.
스피커 공진 주파수는 시스템의 저주파 차단 주파수를 결정합니다. 시스템의 응답이 이 주파수 아래로 얼마나 확장될 수 있는지에 대한 한계가 있기 때문입니다. 따라서 공진이 낮은 스피커를 선택해야 합니다. 30cps(註, Cycle Per Second = Hz)까지의 응답을 원한다면 스피커는 약 60cps 이하에서 공진해야 합니다. 따라서 최상의 결과를 얻으려면 12인치 또는 15인치 드라이버가 선호되지만, 적절하게 설계된 인클로저를 사용하면 모든 스피커의 성능이 크게 향상됩니다.
반사형 인클로저는 H. 헬름홀츠가 개발한 유형의 공동 공진기(Cavity Resonator)에 불과합니다. 그림 1을 참조하면, 이는 개방형 관 또는 포트에 있는 공기 질량 M을 통해 외부와 연결된 밀폐된 공기 체적 V로 구성됩니다. V와 M의 크기는 공진 주파수를 결정합니다. 이 동작은 병렬 동조 회로의 동작과 유사합니다.
내부 공기의 체적 V와 질량 M은 전기적 반응과 마찬가지로 음향 리액턴스(각각 용량성 및 유도성)를 나타냅니다. 마찬가지로 회로의 Q는 저항의 양에 따라 결정됩니다.
현재 음향 저항은 상자 내부의 흡음재와 포트를 가로질러 팽팽하게 늘어진 삼베 또는 유사한 재질의 커튼에 의해 제공됩니다. 이러한 병렬 동조 회로의 임피던스는 공진 시 최대가 됩니다.
스피커 또한 공진 장치입니다. 움직이는 부품(콘과 보이스 코일)과 그 서스펜션은 스프링이 작용하는 무게와 기계적으로 동일합니다. 이러한 시스템은 공진 시 최소 임피던스를 나타내는 직렬 공진 회로처럼 동작합니다. 따라서 두 시스템을 연결하고 동일한 주파수에서 공진하도록 조정하면, 한 시스템의 임피던스 “피크”가 다른 시스템의 “밸리”를 채우고 넓은 주파수 범위에서 일정한 임피던스를 유지하는 경향이 있습니다. 이러한 회로 중 하나의 저항 요소 Q를 조정할 수 있다면 공진 효과를 더욱 정밀하게 상쇄할 수 있습니다.
스피커와 인클로저의 조합에 대한 단순화된 등가 회로는 기본적으로 그림 2에 표시된 것과 같습니다.
● 위상 효과
스피커에서 나오는 신호에 비해 포트에서 나오는 신호의 위상이 어떤지에 대한 의문이 자주 제기됩니다. 반사 박스의 위상 변화가 내부 반사, 즉 경로 길이 증가 때문이라는 통념은 일반적인 박스 크기에서는 경로 길이가 약 60cps에서 20도 이상을 설명할 수 없다는 사실을 고려하면 무시해야 합니다.
위상 변화는 오히려 공진기의 특성에 기인합니다. 공진기는 집중 상수를 갖는 닫힌 오르간 파이프로 볼 수 있습니다. 밀폐된 공기 V는 항상 노드이고 공기 M은 루프입니다. (오르간 파이프와는 달리 배음은 불가능합니다.) 따라서 노드와 루프 사이에는 1/4 파장이 존재해야 하며, 이는 90도 위상 변화를 의미합니다. 포트와 콘에서 나오는 신호가 같더라도 이는 가산 성분을 제공하기에 충분합니다. 그러나 공진 근처에서는 인클로저의 강성으로 인해 콘의 진폭이 매우 작은 값으로 제한되고, 방사는 거의 전적으로 포트에서 나옵니다. 더욱이, 라우드스피커의 출력은 공진 근처에서 다이어프램 속도에 대해 90도 각도로 강한 성분을 포함하는데, 이는 인클로저 출력과 위상이 일치합니다. 따라서 위상 관계는 박스의 모양이나 비율에 관계없이 유리합니다.
라우드스피커에서 발생하는 왜곡이 크게 감소하는 것은 위에서 언급한 콘 진폭의 제한 때문입니다. Henney(*1)은 후면 개방형 캐비닛에서 최대 43%의 왜곡이 반사형 인클로저에서 최대 12%까지 감소함을 보여줍니다. 이는 왜곡이 72% 이상 감소함을 의미합니다.
* 1 “Radio Engineers* Handbook,” 3rd. Ed. McGraw-Hill Book Co., New York,
● 설계 절차
레이리(Rayleigh) 경은 그림 3과 같은 유형의 인클로저에 대한 공명 주파수에 대한 다음 공식을 제시했습니다(소리 이론*, 제2권).
* 1896년 John William Strutt와 Baron Rayleigh의 공동 집필 논문. 하버드 대학교. 인터넷에 공개된 pdf 파일은 1천 페이지가 넘는다.
소리의 속도는 70°F(섭씨 21도)에서 약 13,560인치/초입니다. 이 값을 사용하고 상수를 결합한 후 V에 대해 풀면 공식은 다음과 같습니다.
첫 번째 단계는 설계 주파수(I)를 결정하는 것입니다. 이는 다음과 같은 방식으로 수행할 수 있습니다. 라우드스피커를 야외에 두고 오디오 발진기 출력에 연결한 상태에서 주파수를 약 30cps에서 150cps까지 천천히 변화시킵니다. 콘 진폭이 가장 큰 주파수를 기록합니다. 피크는 다소 넓을 수 있으므로 피크를 여러 번 가로질러 진동판의 움직임이 눈에 띄게 감소하는 피크 위아래 주파수를 기록하고 두 측정값의 평균을 구합니다. 종이 조각을 찢어 콘 위에 놓으면 콘의 움직임 진폭을 관찰하는 데 도움이 될 수 있습니다.
특히 소형 스피커의 경우, 더 나은 방법은 신호 발생기와 음성 코일을 공칭 음성 코일 임피던스의 몇 배에 달하는 직렬 저항을 사용하여 절연하고, 우수한 교류 정류형 전압계를 사용하여 음성 코일에 발생하는 전압을 측정하는 것(*)입니다. 이 측정값은 주파수에 따라 그래프로 나타낼 수 있으며, 그래프에서 공진 피크를 정확하게 읽을 수 있습니다. 이 방법은 완성된 인클로저를 테스트하는 데에도 가장 적합합니다.
* 요즘은, 조금 비싸지만 누구나 쉽게 구할 수 있는 레이저 변위계를 사용한다. 반대로 이야기하면, 1950년, 독자의 눈 높이에 맞춘 기사 내용보다 측정 기술이 훨씬 보편화되었다는 뜻.
이제 f를 정했다면, 원하는 결과를 얻을 수 있는 V, A, L의 조합은 무한히 많습니다. A 값은 임의로 선택할 수 있으며, 스피커 개구부의 절반에서 한 배 사이여야 합니다. 과거 사례를 보면 이러한 선택이 적절해 보입니다. 적어도 성공적인 인클로저 중 상당수는 이 범위 내에 포트 면적을 가지고 있습니다. 더 큰 면적은 더 많은 음향 에너지를 방출하기 때문에 바람직하지만, 너무 크면 포트 면적에 따라 부피가 증가하기 때문에 박스 내부 치수가 파장의 1/4에 가까워질 수 있습니다. 스피커 콘의 면적은 다음 식으로 계산할 수 있습니다.
이제부터는 다음 절차를 제안합니다. A 값을 선택합니다. 예를 들어 A = A’로 시작합니다. L을 상자 재질의 두께에 흡수성 안감을 더한 값으로 설정합니다. 이렇게 하면 제작하기가 가장 쉽기 때문입니다. 그런 다음 V를 구합니다. 계산된 부피를 사용 가능한 공간이나 원하는 캐비닛 크기와 비교합니다. 너무 크다면 만족스러운 절충안이 나올 때까지 L을 늘리거나 A를 줄이거나, 둘 다 적용합니다.
● 엔클로저 형태
이제 상자 모양에 대해 말씀드리겠습니다. 유일한 제한 사항은 내부 길이를 짧게 유지해야 한다는 것입니다. 이는 해당 치수가 1/4 파장과 같은 주파수에서 발생할 수 있는 공기 기둥 공명을 억제하기 때문입니다. 일반적인 비율로 이러한 공명 주파수는 상자 안감에 쉽게 흡수될 만큼 충분히 높지만, 상자가 비정상적으로 길면 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 상자는 정육면체 모양에 가까울수록 본질적으로 더 강하고 필요한 재료도 줄어듭니다.
계산된 순 용적 V에 스피커 자체, 캐비티 내부로 돌출된 포트 부분, 그리고 상자 내부에 위치할 다른 물체의 용적을 더해야 합니다. 최종적으로 계산된 총 용적에 해당하는 치수는 내부 치수이며, 전체 치수를 얻으려면 인클로저 벽과 라이닝의 두께를 더해야 합니다. 스피커가 변위하는 용적은 원뿔과 자기 구조물을 둘러싼 원통의 용적을 계산하여 추정할 수 있습니다. 편의를 위해 아래에 대략적인 값 표가 제시되어 있습니다. 그러나 각 스피커는 매우 다르므로 가능하면 실제 측정값을 사용해야 합니다.
인클로저의 실제 형태는 달리 명시되지 않는 한 일반적으로 다음과 같은 방식으로 결정됩니다. 전면 면적은 스피커와 포트를 편안하게 수용할 수 있을 만큼 충분히 크게 만들고 그 면적을 계산합니다. 내부 총 용적을 전면의 (내부) 면적으로 나누면 필요한 깊이가 됩니다. 필요한 경우 전면 면적, 포트 깊이 또는 포트 면적을 변경하여 깊이를 만족스러운 값으로 조정할 수 있습니다.
앞서 설명한 내용을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있는 예를 하나 들어 보겠습니다. 70cps에서 콘 공명을 보이는 12인치 스피커를 중심으로 반사형 인클로저를 설계한다고 가정해 보겠습니다. 콘 면적 [A’ in. Eq. (3)]은 85 sq. in.로 계산되며, 이 값은 Eq. (2)의 A에 사용됩니다. 이제 상자는 2인치 합판, 첫 번째 시도에서는 1/2인치 라이닝을 L-1/2인치로 가정합니다. Eq. (2)에서 계산된 순 부피는 8355 cu. in.입니다. 스피커에 200 cu. in.을 더하면 총 부피는 8555 cu. in.가 됩니다.
전면의 면적은 다음과 같이 추산됩니다. 포트의 긴 면은 스피커 컷아웃의 직경과 거의 같게 만들 수 있습니다. 이렇게 하면 공간을 절약할 수 있고 외관의 균형을 맞출 수 있습니다. 스피커 개구부(및 포트 직사각형의 한 면)의 직경은 10J4인치입니다. 포트 개구부의 반대쪽은 85/10j^ = 8.1인치, 즉 약 8^인치입니다. (공진 주파수는 부피, 면적 등의 제곱근에 따라 달라지므로 큰 정확도는 필요하지 않습니다. [식 참조]
(1) ]. 스피커와 포트 사이에 3인치의 가장자리 여유 공간과 2인치의 간격을 허용하면 전면의 내부 치수는 길이 (3 + 8^+2+12 + 3) = 28^인치, 너비 (3 + 12 + 3) = 18인치(스피커 직경은 12인치)가 됩니다. 전면 면적은 (18) (28*4) = 506제곱인치이고, 따라서 깊이는 8555/506 = 16.9인치가 되어야 합니다. 라이닝을 포함한 벽 두께에 1J4인치를 허용하면, 외부 치수는 31j^ x 21 x 19.9인치가 됩니다. 이제 전면 치수는 만족스럽지만 깊이가 너무 크다고 가정해 보겠습니다. 포트 길이 L은 임의로 4인치로 늘릴 수 있습니다. 식 (2)의 부피는 이제 순 6639입방인치가 됩니다. 스피커에 200입방인치를, 그림 4와 같이 인클로저 안으로 돌출된 포트 튜브 부분에 289입방인치를 더하면 총 내부 부피는 7128입방인치가 됩니다. 따라서 내부 깊이는 7128/506 = 14.1인치 또는 외부 17.1인치가 됩니다.
● 제작 참고 사항
박스는 진동에 강하도록 매우 단단해야 합니다. 모든 연결부, 모서리 등은 튼튼하고 단단해야 하며, 스트립으로 보강하는 것이 바람직하며, 큰 패널은 지지대를 설치해야 합니다. 뒷면은 나사를 충분히 조여 분리하여 내부에 접근할 수 있도록 해야 합니다. 헤어 펠트와 같은 유연한 소재를 외장재에 사용하는 경우, 퍼링 스트립에 부착하여 내장재와 목재 사이의 간격을 확보하고 저주파 흡수력을 높일 수 있습니다. 공기 누출에 주의하십시오. 스피커 개스킷은 목재에 밀착되어야 하며, 배선은 나사로 단단히 고정할 수 있는 벌크헤드형 플러그 또는 콘센트를 통해 연결해야 하며, 분리 가능한 뒷면 패널은 꼭 맞아야 합니다. 뒷면을 부착하는 좋은 방법은 그림 5와 같습니다. 장비는
공진기 내부에서 발생하는 고압의 영향을 받지 않는 한 상자 안에 넣어둘 수 있습니다. 출력 변압기와 분배 네트워크는 박스 내부에 장착될 수 있지만, 예를 들어 증폭단은 박스 내부에 배치될 경우 음향 피드백의 영향을 받을 수 있습니다. 트위터 메커니즘은 이러한 압력으로부터 잘 보호되어야 합니다.
● 조정 절차
완성된 인클로저에 스피커를 설치하고 뒷면을 나사로 고정합니다. 오디오 발진기를 스피커 입력에 연결하고 신호를 편안한 레벨로 조정합니다.
이제 200cps 미만의 범위에서 주파수를 변경하면서 출력에 나타날 수 있는 피크 주파수를 기록합니다. 다음과 같은 세 가지 조건 중 하나가 발생할 가능성이 높습니다.
1. 인클로저 주파수가 너무 높거나 낮음. 두 개의 큰 피크가 나타납니다. 하나는 스피커 공진 지점이고 다른 하나는 인클로저 공진 지점입니다.
2. 인클로저 주파수가 약간 너무 높거나 낮음. 두 개의 피크가 스피커 공진 주파수 위아래로 동일한 간격으로 나타나지만, 하나는 다른 하나보다 눈에 띄게 강합니다. 인클로저 주파수는 더 작은 피크 쪽으로 조정해야 합니다.
3. 올바른 튜닝. 두 개의 피크가 스피커 공진 지점 위아래로 동일한 간격으로 동일한 진폭으로 나타납니다.
인클로저 공진 주파수는 밀폐된 부피 V를 줄임으로써 증가시킬 수 있습니다. 간단한 방법은 4×4 재질로 잘라낸 나무 블록과 같은 것을 인클로저 내부에 넣는 것입니다. 조정하는 동안 이 블록들을 포트를 통해 넣어두고 나중에 고정할 수 있습니다. 주파수를 낮추는 가장 쉬운 방법은 포트 면적 A를 줄이는 것입니다. 포트 한쪽 면에 맞게 자른 나무 조각의 너비는 포트 깊이 L과 같습니다. 이 나무 조각들은 나사로 고정할 수 있습니다.
주파수가 정확하게 조정되면 포트 개구부 위에 다공성 천(삼베 등)을 덮어 감쇠력을 높일 수 있습니다. 두 개의 피크가 사라질 때까지 다양한 무게와 천 겹을 실험해 보세요. 감쇠력이 너무 높으면 스피커 공진 주파수에서 단일 피크가 나타납니다. 공진 피크를 귀로만 감지하는 대신, 앞서 설명한 대로 전압계를 사용하여 응답 곡선을 그릴 수 있습니다.
시스템을 일정 기간 사용한 후에는 주파수 조정을 다시 확인하는 것이 좋습니다. 특히 새 스피커나 최근에 재조정된 스피커는 콘 서스펜션이 사용에 따라 더 유연해지면서 일정 시간이 지나면 공진 주파수 값이 낮아지는 경향이 있습니다. 스피커 공진은 포트를 막고 오디오 발진기로 확인하면 항상 찾을 수 있습니다. 포트가 막혔을 때 나타나는 유일한 피크는 스피커 콘 공진으로 인한 것입니다.
또 다른 필수 조건은 이 스피커 시스템을 구동하는 데 사용되는 증폭 장비가 우수한 주파수 응답, 낮은 왜곡, 그리고 낮은 출력 임피던스를 제공해야 한다는 것입니다. 올바르게 조정되고 잘 감쇠된 반사형 인클로저는 일반적인 공진 “붐”이나 “빗방울” 효과 없이 풍부하고 사실적인 사운드를 제공하는 확장된 저음 응답을 제공하여 “프레즌스” 효과를 크게 향상시킵니다. 타악기, 현악기, 그리고 높은 과도 성분을 가진 기타 신호는 이러한 신호에 대한 탁월한 응답 덕분에 깨끗하고 선명하게 전달됩니다. 간단히 말해, 인클로저로 인한 전반적인 성능 향상은 관련된 노동과 비용을 정당화하기에 충분히 큽니다.*
이상에서…
DIYer를 위한 네트워크 설계 툴, 엔클로저 설계 툴, DIY 사례 등이 인터넷에 널린 이즈음에는 다소 진부한 글처럼 보일 수 있지만, a) 상당히 원론적이고, b) 1950년 이전 세상의 시각으로 치환하면 매우 진지하다.
* 관련 글 : 빈티지 Audio Engineering : 공진형 라우드 스피커 인클로저
