스피커 알아보기 (5) 네트워크: 개요, 구성 요소

스피커 알아보기 (5) 네트워크: 개요, 구성 요소  Audio  2011/11/01 20:27 http://blog.naver.com/nevermindcaf/140143445643 전용뷰어 보기

오늘부터 스피커의 네트워크에 대한 이야기를 하려 합니다. 그런데 이 부분은 다른 부분에 비해 상당히 공학적인 접근을 필요로하는 부분입니다. 최대한 쉽게 쓰려고 노력하겠지만 그럼에도 불구하고 어려운 말들이 나올 겁니다. 하지만 그 '어려운 말들'을 모르더라도 네트워크를 이해하는 데에 별 어려움이 없도록 노력해 보겠습니다. 자, 시작합니다.

1. 네트워크란 무엇인가? 반드시 있어야 할까?네트워크를 한 마디로 정의하자면 어떻게 정의를 할 수 있을까? 고민을 많이 했지만 쉽지가 않더군요. 그럼에도 불구하고 굳이 정의를 내리지면 음향 기기에 사용되는 대역 통과 필터(bandpass filter)의 조합 정도로 정의를 내릴 수 있을 것 같은데요. 네트워크의 정의보다 역할을 이해하고 나면 자연스럽게 네트워크에 대한 개념이 잡히지 않을까 싶네요. 일반적인 스피커에 사용되는 네트워크의 풀네임은 'Passive Crossover Network' 입니다. 미국에서는 보통 크로스오버(crossover)라고 부르며, 카오디오를 하시는 분들께서는 패시브(passive)라는 용어를 많이 사용합니다.

네트워크의 역할은 2웨이 이상의 스피커에서 앰프의 소리 신호를 고역/저역, 또는 고역/중역/저역으로 나누고 그 음압을 조정하여 각 유닛에 배분하는 기능을 수행하는 것입니다. 또한 유닛의 불완전한 특성을 보완하기도 하는데 가장 대표적인 역할이 도드라진 주파수 대역을 낮추어 평탄하게 만드는 것이지요. 결과적으로 소리의 밸런스 및 음색을 결정하고, 이외의 모든 오디오적 평가 요소(해상력, 응답시간, 스테이징, 투명도 등등)에 영향을 미칩니다. 그렇기에 풀레인지 스피커에서는 네트워크를 사용할 일이 거의 없지만(굳이 쓴다면 음압 조정 용으로 사용하게 됩니다만 거의 쓰이지 않습니다) 2웨이 이상의 스피커에서는 반드시 네트워크가 있어야 합니다.

그렇다면 네트워크를 사용하지 않고 유닛과 앰프를 직결하면 어떤 일이 발생할까요? 아래의 Scan-Speak그림은 D2904/7100-03이란 트위터의 주파수 특성 그래프와 같은 회사의 12M/4631G라는 미드레인지의 주파수 특성 그래프 입니다.

       

그런데 그래프를 잘 보시면 두 유닛 사이에 중첩되는 영역이 대단히 넓습니다. 이는 뭘 의미할까요? 하나의 목소리가 서로다른 두 개의 유닛에서 흘러나온다는 걸 의미하죠. 또한 그렇게 된다면 중첩되는 대역의 음압이 중첩되지 않는 저역과 고역에 비해 상대적으로 높아져서 중고역대가 강조된 음색이 되게 됩니다. 즉 특정 대역의 소리만 크게 들린다는 의미지요. 또한 트위터의 경우에는 저역대의 우퍼에 비해 상대적으로 적은 전류가 필요하게 되는데 네트워크가 없다면 우퍼나 트위터나 같은 양의 전류가 흐르게 되고, 이 때 앰프의 볼륨을 트위터가 견딜 수 있는 양 이상으로 올리게 되면(많은 전류를 흘리게 되면) 트위터의 보이스코일이 파손되게 됩니다. 그렇기에 2웨이 이상의 스피커에서는 네트워크가 '있으면 좋은' 선택사항이 아닌 '반드시 있어야 하는' 필수사항인 거죠.

2. 네트워크의 구성 요소: 콘덴서, 코일, 저항네트워크는 콘덴서, 코일, 그리고 저항으로 구성됩니다. 그리고 실제로 만들어진 네트워크를 보면 누구나 쉽게 만들 수 있는 것 처럼 간단해 보입니다. 하지만 여기에는 마법으로 표현될 수 있을 만큼의 과학이 숨어 있습니다.

1) 콘덴서(Capacitor: C): 저역차단, 고역통과 (high-pass filter)

트위터는 고역만을 재생하기 때문에 중역, 저역대의 소리 신호는 필요가 없습니다. 아니, 정확히 표현하자면 필요가 없는 것이 아니라 트위터에는 중역대와 저역대의 신호가 유입되면 안 되죠. 이렇듯 고역대만 통과시키고 싶을 때 필요한 소자가 콘덴서 입니다.

주파수를 표시하는 헤르쯔(Hz) 단위는 1초에 몇 번 진동을 하느냐를 나타내는 것으로 주파수가 낮을수록 (+)와 (-)가 천천히 바뀌므로, 주파수가 낮을수록 직류에 가깝고 주파수가 높을수록 교류에 가깝습니다(어떤 신호가 20Hz라면 그 신호는 1초에 (+)와(-)가 20번 바뀐다는 의미이고, 어떤 신호가 20,000Hz라면 그 신호는 1초에 (+)와(-)가 20번 바뀐다는 의미입니다. 당연히 신호 하나의 길이를 재어본다면 20Hz가 20,000Hz보다 길 것이고 그렇기에 직류에 더 가깝게 되겠죠). 그런데 콘덴서는 교류는 통과시키지만 직류는 통과시키지 않는 성질이 있습니다. 따라서 콘덴서는 높은 주파수의 대역은 통과시키지만 낮은 주파수의 대역은 통과시키지 못 하죠. 그렇기에 앰프와 트위터 사이에 콘덴서를 직렬로 연결하면 저역대의 신호는 차단되고 고역대의 신호만 트위터에 보내지게 됩니다. 아래의 회로도에서 C1이 이런 역할을 하는 콘덴서지요.

콘덴서의 단위는 F라고 표시하고 '패럿(farad)'이라고 읽습니다. 1F은 1C의 전하를 주었을 때 전위가 1V가 되는 전기용량을 말합니다. 그런데 스피커의 네트워크에 쓰이는 콘덴서의 용량은 ㎌ 단위입니다. 대단히 작은 용량이지요. 하지만 이렇게 작은 용량에도 큰 차이를 보이는 것이 바로 네트워크에 사용되는 콘덴서인데요. 용량이 작아질수록 차단하는 주파수의 대역은 높아지고, 용량이 커질수록 차단하는 주파수의 대역은 낮아집니다. 따라서 크로스오버 주파수를 높이러면 작은 용량의 콘덴서를 채용하고 크로스오버 주파수를 낮추려면 큰 용량의 콘덴서를 채용하면 됩니다. 그런데 신기한 건, 만약 이 콘덴서를 직렬이 아닌 병렬로 연결한다면 유닛으로 보내지는 신호 중 고음 성분을 병렬 콘덴서가 빼앗아가는 상황이 발생하게 됩니다. 그렇게 된다면? 당연히 고역대가 차단이 되겠죠. 따라서 고역대 신호의 차단이 필요한 우퍼쪽 회로에는 콘덴서가 병렬로 사용됩니다. 아래의 그림에서 C2가 그 소자입니다(회로도를 보시면 C1은 직렬로, C2는 병렬로 연결되어 있음을 확인하실 수 있을 겁니다).

 

2) 코일(Inductor: L): 저역통과, 고역차단 (low-pass filter)

코일은 콘덴서와 반대되는 성질을 보입니다. 즉, 콘덴서는 고역대의 신호만을 통과시키는 반면에, 코일은 저역대의 신호만을 통과시킵니다. 저역은 우퍼가 담당하므로 우퍼에는 저역대의 신호만을 보내줘야 하는데 여기에 필요한 소자가 기본적으로 코일이죠(물론 콘덴서의 예처럼 병렬로 연결하면 같은 효과를 볼 수 있으나 일반적으로는 코일을 사용합니다). 코일은 직류는 통과시키는 대신에 교류는 통과시키지 않는 성질을 보이기 때문에 앰프와 우퍼 사이에 코일을 직렬로 연결하면 고역대 신호는 차단되고 저역대 신호만 우퍼에 보내지게 됩니다. 아래의 회로도에서는 어떤 소자가 코일일까요? 그렇습니다. L2죠.

인덕턴스의 단위는 H라고 표시하고 '헨리(henry)'라고 읽습니다. 매초 1A씩 변함에 따라 유도기전력 1V가 발생하면 회로의 인덕턴스가 1헨리(H)라고 하죠. 신호를 통과시키는 성질은 콘덴서와 정반대이지만 콘덴서와 마찬가지로 스피커의 네트워크에 사용되는 용량이 작아질수록 차단하는 주파수 대역은 높아지고, 용량이 커질수록 차단하는 주파수의 대역은 낮아집니다. 따라서 크로스오버 주파수를 높게 설정하려면 작은 용량의 코일을 채용하고, 크로스오버 주파수를 낮추려면 큰 용량의 코일을 채용하면 됩니다. 역시 콘덴서와 마찬가지로 코일을 직렬이 아닌 병렬로 연결한다면, 유닛으로 보내지는 소리 중 저역대 신호를 병렬 코일이 뺏어가는 상황이 발생하게 되므로 이번에는 저역대의 신호가 차단됩니다. 따라서 저역대 신호 차단이 필요한 트위터 쪽 회로에서는 코일이 병렬로 사용됩니다. 이런 역할을 하는 코일은 아래의 회로도에서 어떤 소자일까요? L1 입니다.

3) 저항(Rigistor: R): 음압 감쇄콘덴서와 코일을 이용하여 각각의 유닛에 해당하는 대역 통과 필터를 만들었다면 네트워크가 완성된 것일까요? 물론 아니겠죠. 마지막 단계로 각 유닛들의 음압을 맞춰주는 작업을 해야 합니다. 이 때 필요한 소자가 바로 저항입니다. 콘덴서와 코일은 자신에게 불필요한 신호만을 약화시키는 데에 비해 저항은 전 대역을 일률적으로 감쇄시킵니다.

일반적으로 트위터는 우퍼보다 음압이 높습니다(3000cc 엔진을 가지고 경차를 움직이는 것과 8t트럭을 움직이는 것 중 어떤 차가 잘 움직일 지를 생각해보면 금방 이해가 되실 겁니다). 따라서 콘덴서와 코일만을 사용하여 주파수 대역을 나누고 나면, 보통 고역대의 음압이 더 높아집니다. 소리의 밸런스가 맞지 않는다는 이야기죠. 따라서 트위터에 저항을 채용함으로써 우퍼와의 음압을 맞추게 됩니다. 아래의 회로도에서 Rp1및 Rp2가 이런 역할을 수행하죠.