우리가 재생하는 음악, 대사 등의 컨텐츠를 포괄적으로 프로그램이라고 부릅니다. 프로그램의 음량은 평균적인 음량인 RMS와 순간적인 음량인 Peak를 포함하고 있습니다.¹⁾

앰프가 출력할 수 있는 능력을 정격 출력(Rated Power)이라고 하고, 스피커가 작동을 견디는 능력을 허용 전력(Power handling)이라고 합니다. 우리는 프로그램이 가지는 RMS와 Peak를 모두 제대로 표현하기 위해 스피커의 허용 전력을 파악하여 적절한 정격 출력를 가진 앰프를 매칭해야 합니다.

어떤 스피커의 스펙에서 스피커의 허용 전력(Power handling) 표기가 아래와 같다면,

• AES Power handling: 175Watt
• PGM²⁾ Power handling: 350Watt
• Peak Power handling: 700Watt

이고

해당 스피커의 감도가 94dBSPL/W인 경우, 아래의 감도 계산식을 이용해 보면,

AES Power handling 값에 근거하여 매칭 해보면, 정격 출력 175Watt의 파워 앰프를 매칭한다면, 스피커가 재생하는 소리 크기는 다음과 같다.

PGM Power handling 값에 근거하여 정격 출력 350Watt의 파워 앰프를 매칭한다면, 스피커가 재생하는 소리 크기는 다음과 같다.

Peak Power handling 값에 근거 하여 정격 출력 700Watt의 파워 앰프를 매칭하면, 스피커가 재생하는 소리 크기는 다음과 같다.

하지만, 이렇게 Peak Power handling 기준으로 앰프를 매칭하여 음악을 크게 재생하는 경우는 스피커의 파손 위험이 커진다.

파워앰프에는 정격 임피던스(Rated Impedance)³⁾가 표기되어 있습니다. 이 정격 임피던스와 스피커에 표기된 노미널 임피던스와 동일하게 매칭하는 것이 기본입니다.

예) 8Ω 앰프 + 8Ω 스피커

• 결과:
  1. 앰프가 출력 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 이상적인 조건
  2. 출력 왜곡없이 최대 효율 작동
• 전력 계산:
  1. 앰프가 100W(8Ω)인 경우:

예) 8Ω 앰프 + 4Ω 스피커

• 결과:
  1. 앰프가 2배 전류 공급 필요 → 과부하/클리핑 위험
  2. 보호 회로 작동 가능성
• 전력 변화: (이론적) → 실제로는 지속 불가능

예) 8Ω 앰프 + 16Ω 스피커

• 결과:
  1. 출력 전력 절반 감소 (예: 100W → 50W)
  2. 댐핑 팩터 약화 → 음질 둔화

• 병렬 연결 (8Ω 스피커 2개): → 과부하 가능성
• 직렬 연결 (8Ω 스피커 2개): → 출력 감소

앰프의 과부하는 앰프가 스피커에 필요한 출력을 충분히 제공하지 못할 때 발생합니다. 이 경우 앰프는 최대 출력 한계를 초과하려고 시도하며, 신호가 왜곡되어 클리핑 현상이 나타납니다. 클리핑은 원래의 사인파 신호를 사각파로 변형시키며, 고조파 성분이 증가해 스피커를 손상시킬 수 있습니다

Safety Margin

또한, 파워 앰프의 특성 상 대체적으로 200W 파워 앰프의 경우 아래와 같은 출력을 하게 되므로,

200W 파워 앰프가 0dB 즉 최고 출력인 200W로 지속적인 동작을 하게 된다면, 앰프는 과부하로 쉽게 고장나게 된다. 따라서, 100W의 출력을 지속적으로 내야 하는 상황이라면, 앰프를 200W 제품으로 사용하여, -3dB 정도 출력하여 100W로 사용하는 것이 타당하다.

항간에 알려진 무조건 앰프는 스피커보다 2배의 출력으로 매칭해야 한다는 말은 틀린말이지만(대체 스피커의 어떤 출력값을 기준으로 2배?), 어떤 공간에 100Watt의 앰프가 필요하다면, 앰프의 안전 마진을 고려하여 200Watt의 이상의 앰프를 사용해야 하는 것은 틀린 말은 아니다.

스피커의 감도에 의한 소리 크기는 1m 앞에서의 값을 말하므로 만약에 스피커를 넓은 공간에서 사용한다면, 예를 들면 100m의 거리에 까지 소리가 전달 되어야 한다면, 소리의 크기는 역제곱 법칙의 영향을 받는다.

즉 거리가 2배 멀어질수록 소리의 음압 dBSPL 은 6dB씩 줄어들게 되므로, 위의 역제곱 법칙 계산에서 100m, 즉 100배의 거리를 대입해보면, 아래와 같다.

즉 -40dB 정도의 음량 감소가 예측되기 때문에, 85dBSPL 정도 되는 음량을 100m 까지 전달하기 위해서는 스피커는 125dBSPL@1m 의 음압을 내어야한다.

감도가 94dBSPL/W 인 스피커에 1250Watt의 앰프를 매칭할 경우 스피커는 125dBSPL@1m의 소리를 내어주게 된다.

만약 어떤 스피커의 스펙이

• AES Power Handling: 175Watt
• PGM Power Handling : 350Watt
• Peak Power Handling: 700Watt

와 같다면, 사실 정격 출력 700Watt 이상의 앰프를 매칭할 경우 스피커 파손의 위험이 있기 때문에, 이 경우에는

즉 MaxSPL=122dBSPL 이기 때문에, 이 스피커의 사용 가능한 거리는 아래와 같이,

70배의 거리까지 -37dB이므로, 85dBSPL+37dB= 122dBSPL이다.

즉 이 스피커는 70m까지 85dBSPL의 음압을 전달할 수 있는 스피커이다.

역제곱 법칙은 점음원⁴⁾의 경우 2배의 거리에서 -6dB이지만, 선음원⁵⁾의 경우에는 2배의 거리에서 -3dB로 감소 되므로, 라인 어레이나, 컬럼 어레이 같은 스피커의 경우는 다를 수 있다.⁶⁾ 우리가 점음원을 기준으로 계산하는 이유는 컬럼 어레이나 라인 어레이를 제외한 일반적인 2-way 나 3-way 스피커가 “포인트 소스”⁷⁾ 스피커 이기 때문이다.

다시 처음으로 돌아가서, 만약 어떤 스피커의 스펙이

• 감도 : 94dBSPL/W
• AES 파워 : 175Watt
• PGM 파워 : 350Watt
• Peak 파워 : 700Watt

이런 상황이고, 어떤 공간에서 이 스피커를 50m 까지 85dBSPL의 음압으로 들리게 하려면, 85dBSPL+ 34dB = 119dBSPL 이므로, 스피커를 119dBSPL 로 동작 시키기 위해서는,

350W의 앰프를 매칭하여 사용하면 된다.

단, 스피커의 Peak 허용 전력을 고려하면 되도록 700Watt 이하의 앰프를 매칭해야 하며, 위에서 말한 앰프의 과부하를 막기 위한 안전 마진을 적용하여 2배의 출력인 700Watt의 앰프를 매칭하여 -3dB로 사용하는 것이 타당할 듯하다. ⁸⁾⁹⁾

기본적인 음압과 공간에 의한 앰프와 스피커 시스템 디자인의 예시는 앞서 설명한 바와 같지만, 실제 앰프와 스피커들은 이것보다 더 복잡하게 동작하게 되므로, 실질적인 시뮬레이션 데이터는 메이저급 스피커 제조사라면, 제조사에서 시뮬레이션 소프트웨어나 데이터 시트를 제공하게 된다. 특히 스피커 제조사에서 제공하는 시뮬레이션 소프트웨어의 경우에는 3차원 공간 도면¹⁰⁾을 입력하면 그 회사의 스피커와 앰프 제품 별로 해당 공간에 대해서 어떻게 반응하게 되는지 시뮬레이션을 제공한다.

• Yamaha : https://europe.yamaha.com/en/products/proaudio/software/ys3/index.html