#1. 나의 치명적인 실수
이전 글에서...
나의 "방통이" 제작에서 했던 치명적인 실수가...
① "서브우퍼 유닛" 선정에 따른 2.5-way로의 불가피한 전환
② 2.5-way에서 "서브우퍼 유닛"이 충분한 역할을 하지 못한 점
이렇게 두 가지라고 설명했다.
이 말이 도대체 무슨 뜻인지...
차근차근 기술적으로 최대한 쉽게 설명해 보고자 한다.
그렇게 해야...
어떻게 문제점을 타개할 것인지 알 수 있을 것이다.
항상 그래왔듯이...
아래 설명에서... 내가 잘못 이해하고...
잘못된 정보를 전달할 수도 있다.
만약 설명이 틀렸다면...
댓글로 가차 없는 지적 바란다.
#2. 2-way 오디오 시스템
[그림 2-1]은 통상적인 2-way 오디오 시스템이다.
물론 나의 1호기(신통이) 시스템이 이렇게 구성되어 있다.
그림에 표기된 번호별로 신호의 흐름을 설명한다.
(PC-DAC 간의 연결은 다양한 방식이 존재한다. 여기서는 대표적인 예를 들어 설명한다.)
① USB(디지털)
- 스튜디오에서 마스터링(Mastering)을 마치고 발매된 음원은 PC를 통하여 USB 케이블을 경유하여 DAC(Digital-to-Analog Converter)과 연결된다.
- 여기서 중요한 것은 USB 케이블로 전송되는 정보는 디지털(Digtal) 데이터라는 점이다.
- 논란의 여지는 많이 있지만... 내가 아는 범위 내에서는 디지털 신호는 웬만한 잡음에 엄청 강하다.
② 동축(아날로그)
- 이 케이블을 지나가는 신호는 이제부터는 아날로그 신호가 되겠다. (DAC를 지났으니깐...)
- 여기를 지나가는 신호는 수백 mW(수십 ~ 수백mV) 정도 되는 소신호(Small signal)로써, 여기에 잡음이 추가되면 앰프에서 신호와 같이 증폭되어 문제를 일으킨다.
- 따라서, DAC/앰프 등은 잡음 및 왜곡이 적은 좋은 제품을 써야 한다.
- 결론적으로, 이러한 이유로 이 선로는 외부 전자파 잡음을 최소화하는 차폐 기능을 가진 동축(Coaxial) 케이블을 사용하는 것이 일반적이다.
③ 스피커선(아날로그)
- 소신호 오디오 신호는 증폭기(앰프, Amplifier)를 경유하면서 스피커 유닛(Unit)을 구동할 만큼 충분한 파워(전류, 전압)를 갖는 대신호(Large signal)로 변환된다.
- 사실, 소신호를 대신호로 왜곡 없이 만드는 것은 쉬운 일은 아니다. 그래서, 파워가 크고, 왜곡이 적으면... 상당한 가격을 줘야 한다.
- 이 스피커 선은 좌/우 채널 당 +, - 두 개의 선으로 구성되어 있는데... 신호가 워낙 크다 보니... 전원이 인가된 상태에서 두 선을 직결하면... 앰프 망가질 수 있으니... 최대한 조심해야 한다.
⑤ 트위터, ⑦ 우퍼
- 지금까지는 오디오의 모든 신호가 한꺼번에 전송되었는데... 스피커 단에서 굳이 고주파수를 담당하는 트위터(Tweeter), 저주파수를 담당하는 우퍼(Woofer) 유닛으로 분리해서 사용하는 이유가 뭘까?
- 그 이유는 트랜스포머(Transformer)와 트랜스듀서(Transducer)의 차이점으로 설명된다.
[Transformer] 전기 신호를 다른 전기 신호로 변경하는 회로... ==> DAC, 앰프가 여기에 해당된다.
[Transducer] 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변경하는 디바이스... ==> 스피커 유닛이 여기에 해당된다.
- 트랜스포머는 같은 전기 신호를 변환하기 때문에... 상대적으로 모든 주파수 성분이 동일하게 유지되는 특성이 있으며...
- 트랜스듀서(여기서는 스피커 유닛)는 전기 신호를 음파(공기의 진동)로 변환한다. 이를 위하여 스피커 유닛은 영구자석과 보이스 코일, 콘지(Cone)로 구성되어 효율적으로 음파를 재생성한다.
- 그런데... 이런 트랜스듀서는 트랜스포머에 비해 모든 주파수 특성을 동일하게 유지하기가 무쟈게 힘들다... 변환하는 정보의 물성이 변하기 때문이다.
- 그래서... 고주파/저주파에 특화된 두 개의 유닛을 짬뽕해서 사용하는 것이 일반적이다.
- [그림 2-2]의 빨간색 곡선은 나의 1호기("신통이") 우퍼의 주파수 특성, 초록색 곡선은 트위터의 주파수 특성이다. 그림에서 보는 것과 같이, 저주파 대역은 우퍼에서 잘 나오고, 고주파 대역은 트위터에서 잘 나온다.
- 따라서, 우퍼의 저주파 특성을 취하고... 트위터의 고주파 특성을 취해서 주파수별로 별도의 2개 유닛에서 소리를 내는 방식이 바로 "2-way" 스피커 시스템 되겠다.
④ 고역통과 필터(HPF), ⑥ 저역통과 필터(LPF)
- 그럼 우퍼의 저주파 특성, 트위터의 고주파 특성을 어떻게 추출해 내느냐? 이 역할을 수행하는 회로를 크로스오버 네트워크(Crossover network)라고 칭하고, 일반적으로 [그림 2-3]과 같이 스피커 내부에 회로 형태로 존재한다.
- 혹시나 스피커를 분해해 볼 일이 생긴다면... 스피커 내부에 [그림 2-3]과 같이 생긴 회로기판이 존재하는 것을 알 수 있다. (그림 참조)
- 저항(Resistor), 코일(Inductor), 콘덴서(Capacitor) 소자를 이용해서 [그림 2-1]과 같이 우퍼에는 저역 통과 필터(LPF: Low pass filter)를, 트위터에는 고역 통과 필터(HPF: High pass filter)를 만들어서 스피커선에서 입력된 신호를 필터링해서 각각의 유닛 입력으로 제공한다.
- 예를 들면, [그림 2-4]의 방통이 크로스오버 네트워크를 보면, 우퍼의 필터링된 특성(초록색)과 트위터의 필터링된 특성(황토색)이 합쳐져서 평탄한 스피커 특성(파란색)이 만들어지는 것이다.
- 그런데... 이넘의 필터라는 넘이... 크로스오버 주파수 전후를 샤프(sharp)하게 자를 수 없는 태생적인 한계점을 가진다. 따라서, 얼마나 샤프한 필터를 어느 크로스오버 주파수에서 적용하느냐에 따라 소리의 느낌이 많이 달라진다.
- 일반적으로는 시뮬레이션을 통해 회로를 디자인 하지만... 마지막에는 소자 값을 조금씩 바꿔가면서... 청음을 통해 최종 음감 튜닝하는 과정을 거친다.
#3. 3-way 오디오 시스템
전형적인 3-way 오디오 시스템 구성은 [그림 2-5]와 같다.
2-way와의 차이점은...
① 스피커 유닛이 세 개(트위터, 미드 레인지, 우퍼)라는 점과,
② 미드레인지 유닛 앞에 중역 통과 필터(BFP: Band pass filter)가 추가되었다는 점이다.
사람의 욕심은 끝이 없다고 했던가...
사실 2-way만을 가지고, 충분히 평탄한 주파수 특성을 얻기는 힘들다.
그래서 더 좋은 소리를 듣고 싶은 사람들은 주파수 별로 고역(트위터), 중역(미드 레인지), 저역(우퍼)의 특성 세 개를 조합해서 만든 3-way 시스템을 듣고 싶어 한다.
사람들은 보통... 북쉘프(Book shelf) 스타일의 소형 스피커는 일반적으로 2-way를 사용하지만...
더 높은 Hi-Fi Quality를 원하는 사람들은 비용이 더 많이 들더라도 3-way를 고집한다.
일반적인 두 가지 방식 스피커의 외형은 [그림 2-6]과 같으며, 간편한 방법은 스피커 유닛의 개수를 세어 보면 알 수 있다.
#4. 실질적인 고려사항
앞의 글을 읽어보고...
어... 생각보다 간단하네... 라고 생각하실지 모르겠지만...
여기서 꼭 집어서 설명하고 싶은 부분이 있다.
바로... 스피커의 "Crossover 네트워크"는 일반 전자제품의 회로와 많이 다르다는 점이다.
그 이유는 단순하다.
[그림 2-1]의 "③ 스피커선"을 경유하여 크로스오버 네트워크에 입력되는 신호는 대신호(Large signal)이기 때문이다.
대신호를 필터링하는 것은 소신호에 비해 높은 난이도와 많은 비용을 수반한다.
그러면 생각할 수 있겠다.
[그림 2-1]의 "② 동축" 신호선이 소신호(Small signal)이니까...
여기에서 필터를 걸어주면 되는 거 아닌가?
하지만... 여기에는 치명적인 단점이 존재한다.
고가의 앰프를 유닛 개수만큼 사용해야 한다는 비용적인 단점...
따라서, 지금까지의 대부분의 스피커 시스템은 대신호 환경에서 필터링하는 방식을 사용한다..
그럼 대신호가 무슨 고려사항이 있느냐?
사실 소신호에서는 필터를 구성할 수 있는 정교한 부품들이 싼 가격(몇 백원)에 쉽게 구할 수 있다.
하지만, 대신호를 처리하기 위해서는 다음의 까다로운 요구조건을 만족하는 소자를 사용해야 한다.
① 내압이 큰 소자 (일반 소신호 소자는 내압이 수 V 정도 되지만.... 대신호 환경에서 사용하면... 타버린다. 크로스오버에 사용되는 소자는 보통 250 V 정도 내압을 가진다.)
② 정교한 소자 값 (동일 값의 소자를 만들어도 실제 측정값은 조금씩 달라진다. 5%, 3%, 1% 오차를 가지는 소자를 팔고 있으며, 오차가 작을수록 가격은 급등한다. 오차가 적여야 하는 이유는 좌/우 스피커의 특성이 동일해야 하기 때문이다.)
[그림 2-7]을 보자... (왼쪽 그림, 오른쪽 그림 참조)
두 그림은 모두 3-way 크로스오버 네트워크이다.
일반적인 소신호용 저항(Resistor), 코일(Inductor), 콘덴서(Capacitor)가 아닌...
커다란 크기의 대신호용으로 구성되어 있어 일단 크기가 어마무시하다.
3-way는 필터가 세 개가 있으니... 당연히 크고 무거워질 수밖에 없다.
그리고 대신호 소자 가격이 소신호 소자 가격에 비해 엄청나게 비싸다.
[그림 2-8]을 보면, 콘덴서 하나에 20만원, 코일 하나에 5만원... 뭐 이런 식이다.
이것보다 싼 것들도 있지만... 사실 훨씬 비싼 넘들도 많다.
3-way를 자작하는데...
좀 괜찮다... 싶은 소자를 쓰면...
크로스오버 네트워크 만드는데... 50만원은 그냥 넘는다고 보면 된다.
크기는 거의 소형 앰프 정도 되는 크기... ㅠㅠ
내가 "방통이"를 만드는데...
싼 넘으로 골라서 크로스오버에 소요되는 소자 값만 20만원이 들었으니...
말 다 했다...
#5. 그럼 도대체 2.5-way는 뭐지?
2-way는 알겠고... 3-way도 알겠는데...
도대체 2.5-way는 뭘까?
유닛이 두 개 반일까? ㅋㅋㅋ
[그림 2-9]는 전형적인 2.5-way 오디오 시스템이다.
2.5-way 방식을 사용하는 이유는 여러 가지가 있다.
하지만, 3-way 방삭과의 제일 큰 차이는...
"미드 레인지" 유닛에 BFP를 쓰지 않고...
LPF를 사용한다는데 있다.
이 방식은...
아까 말했던... 크로스오버 소자 개수를 줄일 수 있다는 커다란 장점이 있다.
일반적인 미드 레인지 유닛의 저음과 우퍼의 필터링된 저음을...
그냥 합쳐버리는...
그래서... 굳이 BPF를 쓰지 않는 뭐 그런 가격 절충형 구조 되겠다.
그 이유는...
소자 값이 워낙 비싸고...
[그림 2-8]에서 알 수 있듯이...
저주파수용 필터를 위한 고용량 소자는 특히나 가격이 비싸기 때문이다.
물론...
세부적으로는 2.5-way를 사용하는 다른 이유도 있기는 하다.
#6. 내가 2.5-way로 갈 수밖에 없었던 이유
잡썰이 길었다...
...
사실 이 설명을 하고자...
지금까지 주절주절 많은 설명을 했다...
이 글의 서두에 밝힌 "방통이" 제작의 두 가지 실수에 대해서 설명한다.
"방통이"는 처음에는 3-way로 설계 했었더랬다.
1호기("신통이")를 2-way로 나름 성공적으로 만들고 보니...
자신감이 지나쳤나보다...
우퍼+트위터 해봤으니...
저음을 더 보강하려면 서브우퍼(Subwoofer) 유닛을 부가해서 3-way 만들면 되는거 아냐?
지금 생각하면 참 한심하다...
왜냐하면, 일반적인 3-way 조합은 [그림 2-5]와 같이... "트위터+미드+우퍼" 조합이지...
"트위터+우퍼+서브우퍼" 조합은 아니라는 것을 몰랐다. ㅠㅠ
운전한 지 약 2~3개월이 지나면...
뭔가 익숙해지고...
자신감이 생기면서...
허세도 좀 부려보다가...
결국 사고가 나지 않나?
딱 그 모양새다. ㅠㅠ
유닛 주문이 완료되고 취소가 불가한 상황에서...
문제점을 네이버 "스피커 공작" 카페장님이신 초롱이 님께서 일러 주셨다.
다시 한번 고개 숙여 감사드린다.
원래 서브우퍼는...
우퍼의 저음 한계를 보완하기 위해 만들어진 유닛이다.
그러면 당연히 3-way 유닛으로 사용할 수 있지 않나?
...
아니다... 가 결론이다.
서브우퍼는 태생적으로 초저음(수백 Hz 미만)을 전문적으로 만들어 내는 유닛이다.
그래서...
커다란 영구자석과 무거운 코일을 사용할 수밖에 없다.
"방통이"에 사용한 서브우퍼 유닛 하나의 무게가 2.8Kg([그림 2-10])인 것을 보면 알 수 있다.
(웬만한 큰 아령 하나 무게랑 같다... ㄷㄷㄷ)
유닛이 무겁다보면... 당연히 동일한 에너지를 입력하더라도 출력되는 소리의 크기는 작아질 수밖에 없다.
이것이 바로... 3-way에서 서브우퍼 유닛을 사용하지 않는 결정적인 이유이다.
실제로 "방통이"에서 유닛 별로 동일 거리에서 측정한 유닛 별 특성([그림 2-11])을 보자.
우퍼는 약 100Hz ~ 6kHz까지 약 80 dBSPL 정도의 음압이 나온다.
트위터는 약 800Hz 이상에서 약 80 dBSPL 정도의 음압이 나온다.
그런데... 서브우퍼는 약 40Hz ~ 300Hz까지 약 70 dBSPL 정도의 음압이 나온다.
[그림 2-5]의 3-way 시스템을 꾸미기에는 서브우퍼의 음압이 10dB 정도 떨어진다. ㅠㅠ
이것을 맞추기 위해서...
우퍼와 트위터의 음압을 동시에 10dB 떨어뜨리면 되기는 하지만...
민감도(Sensitivity) 문제와 고출력 앰프(수백 W)가 필요하다는 결정적인 문제점에 부딪힌다.
...
...
...
그래서...
서브우퍼는 스피커에서 유닛 조합으로 사용하지 않고...
일반적으로 [그림 2-12]와 같이, 별도의 앰프를 내장한 형태로...
스피커와 별도의 외장형으로 사용되는 것이 일반적이다.
ㅠㅠ
ㅠㅠ
ㅠㅠ
이 사실을 지적해 주신 "초롱이" 님께서 나에게 2.5-way로의 전환을 제안하셨다.
2.5-way로 전환하고...
서브우퍼에 LPF를 살짝 걸어 주어서...
200Hz 이하 신호만 살려 놓으면...
우퍼의 저음에 어떻게든 서브우퍼의 저음이 더해지는 형식이 될테니...
도움이 되지 않을까요?
이제 제대로 된 3-way는 물건너 갔으니...
차선으로 2.5-way로 전환하라는 말과 같았다.
서브우퍼 유닛이 주문 취소가 안 되는 상황에서는 어쩔 수 없는 선택이었다.
당구로 치면...
"대충 쎄게 치고 쫑보는..."
그런 느낌으로 "방통이"를 완성했다.
완성 후, 측정해 본 2.5-way 특성([그림 2-13])을 보자...
파란색은 "우퍼+트위터" 2-way 특성...
초록색은 "밀폐형 서브우퍼" 포함 3-way 특성...
빨간색은 "포트형 서브우퍼" 포함 3-way 특성...
파란색(2-way)에 비해서... 빨간색(2.5-way)이 저주파 부분이 높아진 것은 사실이다.
하지만...
별도의 유닛(서브우퍼)을 추가한 정도의 효과는 아니다.
만족스럽지 않다...
서브우퍼 아깝다...
이 프로젝트의 근본적인 추진 배경은 다음과 같은 생각에서 비롯되었다.
만약, [그림 2-11]의 빨간색 선(서브우퍼)을 10dB 높이 올릴 수만 있다면...
그리고... 3-way로 전환한다면...
더 deep 한 저음을 내주는 스피커가 되지 않을까?
[그림 2-14]처럼 말이다...
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