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 스피커의 두뇌 크로스오버 네트워크
글쓴이 : 운영자     등록일 : 2018.03.14 16:38:05     조회 : 716

대부분 스피커는 소리를 내는 부분인 드라이버와 드라이버를 담아두는 캐비닛 그리고 각 드라이버에 음악 신호를 분리해 전송하는 크로스오버 네트워크로 구성되어있습니다. 간혹 드라이버가 하나로 구성된 스피커도 있는데 이 경우는 신호를 분리해 전송할 필요가 없으므로 크로스오버 네트워크가 필요하지 않습니다. 하지만 드라이버가 2개 혹은 그 이상이라면 반드시 캐비닛 내부에 크로스오버 네트워크가 장착되어있어야겠죠?


▲ 최초의 상용 스피커 RCA, 1926

초창기의 스피커는 한 개의 드라이버를 사용했습니다. 당연히 크로스오버 네트워크도 필요 없었고 드라이버를 적당한 통에 장착한 후 스피커 케이블을 연결하면 소리를 들을 수 있는 매우 간단한 구조였습니다. 하지만 한 개의 드라이버로 인간이 들을 수 있는 높은 고음부터 낮은 저음까지 모두 표현할 수는 없었습니다. 드라이버의 크기가 작아지면 진동판의 크기가 작기 때문에 빠른 움직임이 수월해 음의 파장이 짧은 고음이 잘 나오지만 저역은 내기 힘들고 드라이버의 크기가 커지면 반대로 진동판의 무게와 면적이 늘어나 빠른 움직임이 필요한 고음은 재생이 힘들기 때문입니다.


▲ 내부의 혼 형태로 저음을 증폭하는 구조의 스피커 캐비닛

이런 한계를 극복하기 위해 처음부터 여러 개의 드라이버로 이루어진 스피커를 시도했던 것은 아닙니다. 당시의 기술로는 여러 개의 드라이버를 이용해 자연스러운 소리를 만들기는 어려웠기 때문입니다. 따라서 비교적 중고역의 재생에 유리한 작은 드라이버에 저역을 증폭하기 위해 혼의 형태를 활용하는 보익 파이프나 기다란 혼을 캐비닛 안에 접어 넣은 미로형 캐비닛 등 캐비닛의 구조를 이용해 그 단점을 극복하고자 하는 노력이 있었습니다.


링크위츠 라일리 방식의 네트워크를 채용한 4-way 구성의 비비드오디오 GIYA G1 Spirit

이후 기술과 음향이론의 발달로 고음을 내는 트위터(Tweeter)와 중음 및 저음을 재생하는 미드우퍼(Mid-Woofer)로 구성된 2-way 스피커, 그리고 여기에서 중음과 저음을 분리한 3-Way 스피커, 더 나아가 중음의 높은음과 낮은음을 나눠 각각의 드라이버로 재생하는 4-way 스피커도 선을 보이게 됩니다.

각 음역대에 적합한 크기와 모양의 드라이버로 제작된 스피커는 하나의 드라이버로 제작된 스피커보다 재생 성능 면에서 매우 우수했습니다. 하나의 진동판으로 음악의 복잡한 파형을 재생하는 것보다는 여러 개의 드라이버로 분리해서 각각의 특성에 맞는 드라이버로 재생하는 편이 더욱 뛰어난 성능과 적은 왜곡을 보이기 때문입니다. 이렇게 여러 개의 드라이버로 소리를 재생하게 되면서 소리를 각각 분리해서 보내주는 크로스오버 네트워크의 역할이 중요하게 되었습니다.


크로스오버 네트워크는 단순히 각 드라이버에 소리를 구분해서 보내주는 것뿐 아니라 드라이버 간의 미묘한 움직임의 시간차를 보정하며 드라이버가 가지고 있는 단점까지도 재생 대역의 조정을 통해 보완해서 평탄한 재생특성을 만드는 데 이바지합니다.

스피커 캐비닛이 인간의 몸이라면 드라이버는 손과 발, 크로스오버 네트워크는 두뇌와 같은 것이라고 볼 수 있겠는데요. 그만큼 크로스오버 네트워크는 재생음의 품질에 많은 영향을 끼치기 때문에 같은 캐비닛에 같은 드라이버로 제작된 스피커라도 이 크로스오버 네트워크에 따라 전혀 다른 소리를 내는 스피커가 되기도 합니다.


▲ 차수가 올라감에 따라 겹치는 구간에서 소리가 급격히 감쇄된다.

크로스오버 네트워크는 소리가 겹쳐지는 구간에서 감쇄의 정도에 따라 1차부터 4차까지 나눠집니다. 1차는 상대적으로 두 드라이버의 재생 대역이 겹쳐지는 구간이 많고 4차는 적게 되는 것입니다. 얼핏 좀 더 정교한 얼핏 정교한 4차 방식이 좋은 듯 보이지만 부품이 많이 들어가 제조단가가 상승하고 신호의 경로가 길어지며 설계가 복잡해지는 등 어떤 방식이 더 우월하다고 볼 수는 없습니다.


▲ 재생음이 겹쳐지는 부분에서 링크위츠 라일리와 버터워스 방식의 특성을 보여주는 그래프

더불어, 드라이버의 재생음이 겹쳐지는 부분을 처리하는 이론에 따라 링크위츠 라일리(Linkwitz-Riley), 버터워스(Butterworh), 베셀(Bessel) 방식 등으로 구분됩니다. 이는 개발자의 이름을 딴 것으로 두 드라이버의 재생음의 결합 부분을 평탄하게 제작하기 위한 이론입니다. 이 역시 각각의 특징을 파악하고 사용되는 드라이버의 특성이나 캐비닛의 디자인에 맞게 선택해야 하지 어떤 것이 더 우수하다고 볼 수는 없습니다.

크로스오버의 설계는 복잡한 수학 공식과 같아서 단순히 각 드라이버 사이의 연결 부분을 물리적으로 잘라 이어 붙이듯 쉽게 되는 것이 아닙니다. 각 드라이버가 시간차 없이 동일하게 움직이도록 해야 하는 것은 물론이고 최종적으로 재생되는 재생음을 평탄하게 만들기도 결코 쉽지 않기 때문입니다.


▲ 크로스오버 네트워크의 모습 (http://bit.ly/2p8nRju 수정됨)

그럼 크로스오버 네트워크는 어떤 부품들로 이루어져 있을까요? 일반적인 스피커 안에는 커패시터(Capacitor)와 인덕터(Inductor)로 구성된 크로스 오버가 들어있습니다. 커패시터는 저역을 통과하지 못하도록 하며 인덕터는 고역을 통과하지 못하도록 하는 부품으로 코일이라고 불리기도 합니다. 이 두 가지 부품으로 음악 신호를 걸러 원하는 특정 대역만을 드라이버로 보내도록 하는 것이 크로스오버 네트워크의 역할입니다.


▲ 베셀(Bessel) 방식의 크로스오버를 채용한 오디오벡터 SR6 Avantgarde Arrete

최근에는 이런 아날로그 부품들의 단점을 디지털 처리로 극복한 디지털 크로스오버도 나오기도 했지만, 크로스오버는 스피커의 드라이버와 캐비닛 구조 등과 긴밀한 연관 관계가 있어 아직도 커패시터와 인덕터로 구성된 크로스오버 네트워크가 장착된 스피커들이 대부분입니다. 이 외에도 흔하진 않지만 드라이버에 물리적인 구조를 적용해 재생대역을 한정하여 크로스오버 네트워크를 대신하는 방법도 있습니다.

이상 스피커의 크로스오버 네트워크에 대해 알아보았습니다. 크로스오버 네트워크는 일정한 공식대로 만들면 되는 게 아닌 드라이버의 특성과 배치 그리고 캐비닛의 구조나 디자인 등 여러 가지 환경에 따라 그 변수가 다양하기 때문에 제작자의 경험과 기술이 무엇보다 중요합니다.

잘 만들어진 크로스오버 네트워크가 장착된 스피커는 마치 한 개의 드라이버에서 소리가 나는 것처럼 느껴지고 쉽게 스피커가 사라져 입체적인 가상의 무대를 만들어내기 때문에 스피커를 선택할 때 뛰어난 기술을 가지고 있는 제작자나 오랜 기간 스피커를 제작해온 브랜드의 스피커를 선택하는 것이 좋습니다.








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