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 스피커에 숨겨진 물리학
글쓴이 : 운영자     등록일 : 2017.11.01 17:26:33     조회 : 980


스피커에 숨겨진 물리학


스피커가 소리를 내는 원리를 알고 계시나요? 아마 초등학교 시절 과학에 관심이 있던 분이라면 자기장과 자석에 대해 배우면서 플라스틱 컵을 이용해 스피커를 만들어본 경험이 떠오르는 분도 있을 겁니다. 플라스틱 컵의 바닥에 에나멜 선을 말아 코일을 만들고 자석과 함께 붙여서 코일의 진동으로 소리를 내는 방식이었습니다.



하지만 단순히 소리를 내는 것을 넘어 왜곡이 극히 적은 소리를 재생하는 일은 생각보다 쉽지 않습니다. 이런 플라스틱 컵 스피커만 보아도 플라스틱 컵 자체의 공진에 의한 독특한 소리와 코일의 떨림으로 인한 잡음의 유입 그리고 재생할 수 있는 소리의 범위가 좁다는 점 등 그냥 간단히 생각해보아도 원음과는 한참 거리가 떨어진 소리겠죠?



1920년대 중반의 필드코일 스피커

코일의 움직이는 힘으로 진동판을 흔들어 소리를 내는 이러한 방식의 스피커 드라이버는 1920년대 처음 선보인 후 100년 가까이 되는 동안 다양한 연구와 개선을 거쳐 왔지만 아직도 오디오에서 가장 발전이 더딘 분야가 스피커라고 불릴 만큼 많은 부분에서 한계를 가지고 있는 것이 사실입니다. 사실상 진동판이라는 물체가 움직여 소리를 내는 원리인 만큼 많은 물리적인 한계를 벗어날 수 없는 것이죠.



비비드 오디오의 플래그십 G1 Spirit

이런 이유로 전자제품인 CDP나 네트워크 플레이어에서의 왜곡(THD+N)은 0.000X% 수준까지 앰프에서의 왜곡은 0.00X%수준에 이르는데 현대 음향공학의 정점인 비비드오디오(VIVID audio)의 G1 Spirit조차 0.03%이하로 다른 오디오 기기의 몇십, 몇백 배 이상의 왜곡을 보여줍니다.


이처럼 100년 가까운 노력에도 여전히 대부분의 스피커는 매우 높은 왜곡을 가지고 있습니다. 수억 원을 호가하는 하이엔드 스피커를 만드는 메이커에서조차 왜곡에 관한 수치를 쉽사리 공개 못 하는 것은 이런 이유일 텐데요 스피커의 물리적인 한계를 넘어서기 위한 제조사들의 노력에는 어떤 것들이 있었는지 알아볼까요?


 

물결치는 진동판


좌측:저음 재생, 우측: 고음 재생, 색깔이 급격히 변하는 부분이 진동판이 휘는 구간

스피커 드라이버의 구조를 보면 중앙에 동그란 코일이 진동판에 연결되어있고 이 부분이 전기신호에 의해 흔들리며 진동판을 진동시켜 소리를 냅니다. 이때 힘을 받는 중심부부터 주변부까지 미세하게 물결치듯 떨리게 되는데 이 떨림은 재생 음에 왜곡을 일으킵니다. 이를 방지하기 위해서는 음악의 미세한 디테일도 표현하기 위한 가벼운 무게임에도 높은 강도로 진동판 자체의 휨을 방지할 수 있어야 합니다.



진동판의 모양에 집중하다.


지금은 고인이 된 짐 틸의 CS 3.7 의 우퍼

진동판에 골프공과 같은 딤플 모양을 새기거나 기하학적 패턴을 넣어 제작하기도 하며 진동판의 곡선을 가장 높은 강도를 가지는 현수선 형상으로 제작하기도 합니다. 현수선 형상은 줄의 양쪽을 잡고 길게 늘어뜨렸을 때 나타나는 모양으로 모든 부분에 고르게 부하가 분포되는 형상입니다.



샌드위치 공법을 적용.


3개의 층을 접합해 제작되는 포칼의 진동판

여러 산업 분야에서 사용되는 샌드위치 공법은 높은 강도와 가벼운 무게를 가지기 좋은 방법으로 비행기 등에도 사용되는 공법입니다. 바깥쪽에는 강도 높은 알루미늄이나 카본과 같은 물질을 안쪽에는 종이나 폼등 가벼운 물질을 접합하여 진동판을 제작함으로써 높은 뒤틀림 강도와 가벼운 무게를 실현합니다.



복합물질


광물질인 마이카와 펄프를 혼합해 제작된 프로악 DB One의 진동판

펄프에 광물질을 혼합하거나 카본이나 로하셀 등을 수지와 합성하여 재료 자체의 강도를 향상하는 방법도 이용되는데 이 역시 초기의 종이 진동판 스피커를 생각한다면 엄청난 발전이 아닐 수 없습니다.



소리가 고인다?



스피커의 진동판은 왜 평면이 아닐까요? 앞서 언급한 진동판의 물결치는 현상을 최대한 억제하기 위해 가벼우면서도 단단한 모양인 고깔 모양으로 만들 수밖에 없었기 때문입니다. 하지만 이런 형상에는 진동판의 모든 면이 안쪽을 바라보게 되어 중앙에 소리가 뭉치며 혼탁하게 되는 문제가 생깁니다. 저역을 재생하는 우퍼에서는 문제가 없지만, 중역에 일부 고역까지 재생하는 미드레인지에서는 직진성이 강한 고역 성분이 중심으로 뭉치게 되며 왜곡을 일으키게 되는 것입니다.



페이즈플러그



스피커를 보다 보면 가끔 중앙에 총알 모양의 페이즈 플러그가 장착되어있는 것을 볼 수 있습니다. 앞서 말한 중심부에 뭉치는 소리를 단단한 재질의 페이즈 플러그를 통해 정면으로 반사시키기 위함으로 각 제조사마다 다양한 재질과 모양의 페이즈 플러그를 사용해서 이를 해결합니다.



진동판 일체형



진동판에 페이즈 플러그 모양을 성형해서 하나로 만든 벤더스틴의 미드레인지

페이즈플러그를 사용하는 대신 직접 진동판 중앙을 원뿔형으로 제작하거나 페이즈 플러그 형상을 진동판에 접합하여 이러한 문제를 해결하기도 합니다. 하지만 진동판의 무게가 무거워져 더욱 높은 자력의 자석을 사용해야 한다는 단점을 가지고 있습니다.



진동판 뒤로 나오는 소리


진동판이 움직이면서 소리를 낼 때 진동판의 뒤쪽으로도 앞으로 나오는 만큼 소리가 난다는 사실을 아는 사람은 많지 않습니다. 이렇게 후면으로 발생되는 소리는 우리가 듣는 음악 신호와 반대되는 성격의 소리라 인클로저를 만들어 이를 가두거나 낮은 저역의 일부분만 나오도록 내부 흡음을 하고 저역 포트를 만들기도 합니다. 그럼에도 후면으로 발생되는 소리는 완전히 소멸되지 않고 인클로저의 내부에서 이리저리 움직이며 공진을 일으키고 진동판의 움직임에 영향을 주며 재생음을 왜곡합니다.



에어로 다이내믹 드라이버


에어로 다이나믹 드라이버 자석 부분이 완만한 곡선으로 되어있다.

최근 특허가 만료된 리처드 벤더스틴의 에어로 다이내믹 드라이버 기술은 진동판 후면으로 나오는 소리를 자연스럽게 흐르도록 도와줍니다. 아직까지도 대부분의 스피커 드라이버는 진동판 뒤가 커다란 자석으로 막혀있는데 진동판 후면으로 나온 소리가 이 자석에 반사되어 진동판의 움직임에 영향을 줍니다. 이를 공기가 잘 움직일 수 있도록 디자인해서 진동판의 해상력과 투명도를 향상하는 기술입니다.



미로형 인클로저


PMC의 미로형 인클로저

다소 오래된 기술이지만 효과적인 방법으로 드라이버 후면의 소리를 이용해 낮은 저역을 얻어내는 방법입니다. 인클로저 내의 복잡한 통로를 지나며 고역과 중역은 흡음재로 흡음을 하는 동시에 낮은 저역은 인클로저 바깥으로 이어진 통로를 통해 재생되는 방식으로 밀폐형이나 저역 포트 방식보다 진동판이 받는 저항이 적습니다.



익스포넨셜 튜브


비비드오디오의 익스포넨셜 튜브

진동판 후면의 소리를 소멸시키는 가장 이상적인 방법으로 비비드오디오의 로렌스 디키(Laurance Dickie)가 특허를 가지고 있습니다. 진동판 후면의 소리는 점점 좁아지는 기다란 튜브로 이어져 소리가 소멸되는 원리로 초기 디키가 B&W에 있을 당시 노틸러스(Nautilus)에 적용한 기술을 더욱 개선한 방식입니다.



인클로저도 문제


문제는 소리를 내는 드라이버 유닛에만 있는 것이 아닙니다. 드라이버를 통해 나온 소리는 직진하는 것이 아니라 마치 물속에서와같이 여러 방향으로 퍼지며 방사되는데 박스형 스피커의 경우 모서리 부분을 만나면 그 완만히 방사되던 소리가 급격히 꺾이는 각을 따라 이동하며 중첩됨으로써 원래 스피커에서 나온 소리와 간섭을 일으키게 되는 것이죠.



흡음재로 간단히


윌슨 오디오의 Duette 드라이버 주변을 모두 스폰지 재질로 감쌌다.

가장 경제적이고 효과적인 방법은 스피커의 소리가 나오는 드라이버 유닛 주변에 흡음재를 붙여 주변으로 방사되는 소리를 흡음시키는 방법입니다. 주로 미국 스피커에서 많이 사용되는 방법으로 일반적인 모양의 인클로저에도 효과적으로 적용할 수 있습니다.



곡면 인클로저


모든 인클로저를 곡면으로 만든 비비드오디오의 G3

각이 없다면 스피커의 소리는 자연스럽게 방사되며 소리의 간섭을 일으키지 않습니다. 이러한 이유로 독특한 곡선으로 이루어진 스피커를 제작하거나 원형의 인클로저를 채용함으로써 더욱 자연스러운 소리를 재생합니다.



가장 이상적인 스피커?


이렇게 공간안에서 스피커가 없이 소리만 나도록 할 수 있는 기계가 있다면...

지금까지 기존 스피커의 여러 가지 문제들과 해결 방법에 대해 알아보았는데요 가장 이상적인 스피커는 어떤 모양이어야 할까요? 앞서 말한 것과 같이 진동판이나 인클로저 등 형체가 없는 것이 가장 이상적입니다. 높은 고역부터 낮은 저역까지 어떤 형체도 없이 원음과 동일하게 공기를 움직여 소리를 낼 수 있다면 가장 이상적인데 지금까지의 기술로는 힘들어 보이네요.



플라즈마 이온 트위터 중앙의 불빛이 매력적이다.

단 높은 고음을 내는 트위터의 경우는 진동판 없이 플라즈마로 공기를 진동시켜 고음을 내는 이온 트위터가 있고 측정치를 상회하는 뛰어난 성능을 보여준다곤 하지만 이 역시도 높은 고음에 한정된 성능을 가지고 있다는 점에서는 대안이 되기는 힘들 듯합니다.







VIVID audio 하이엔드 스피커(GIYA G3 S2)
판매 가격 48000000원
할인 가격 별도문의(02·3272·8584)
VIVID audio 하이엔드 스피커(GIYA G1 Spirit)
판매 가격 103200000원
할인 가격 별도문의(02·3272·8584)
ProAc 스피커(Response DB One)
판매 가격 3,490,000원




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