Directivity, 지향각

스피커의 중심을 기준으로 상하좌우로 갈수록 레벨이 감쇄한다. 이때 스피커의 중심에서 측정된 레벨보다 -6dB 감쇄하는 지점이 있다. 이 폭을 지향각으로 말한다.

일반적으로 스피커는 인클로저의 설계, 우퍼의 재질 및 크기, 트위터의 재질 및 크기, 크로스오버 설계 등에 따라 주파수 별로 각기 다른 지향각을 가진다.

스테레오나 Dolby 서라운드, Dolby Atmos의 스피커 레이아웃 배치 지침은 모두 이러한 스피커의 지향각 특성을 반영하여 제시된 것이다.

지향각은 크게 수평 지향각과, 수직 지향각으로 나눌 수 있다.

• 수직 지향각: 스피커의 수직 지향각은 스피커에서 소리가 방출되는 수직 평면의 각도를 나타냅니다. 일반적으로 스피커는 위쪽과 아래쪽으로 소리를 방출하게 됩니다. 수직 지향각이 넓을수록 스피커가 더 넓은 수직 각도에 걸쳐 소리를 분산시킬 수 있습니다. 이는 청취자가 스피커에 대해 상대적으로 높거나 낮은 위치에서 있을 때도 일관된 음질과 음량을 제공하는 데 도움이 됩니다.
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• 수평 지향각: 스피커의 수평 지향각은 스피커에서 소리가 방출되는 수평 평면의 각도를 나타냅니다. 일반적으로 스피커는 좌측과 우측으로 소리를 방출하게 됩니다. 수평 지향각이 넓을수록 스피커는 더 넓은 수평 각도에 걸쳐 소리를 분산시킬 수 있습니다. 이는 듣는 이에게 더 넓은 음향 스테이지와 분리된 오디오 신호를 제공하여 좀 더 현실적인 청취 경험을 선사합니다.
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스피커 유닛의 사이즈가 커질수록 면음원의 성질을 가지기 때문에 지향각이 좁아지고 스피커 유닛의 사이즈가 작아질수록 점음원의 성질을 가지기 때문에 지향각이 넓어진다. 하지만 주파수가 낮아질수록 파장이 길고 회절이 잘 일어나기 때문에 지향각이 넓어지고, 주파수가 높아질수록 파장이 짧고 직전성이 강해서 지향각이 좁아지는 부분 때문에 실제 측정을 해보면, 스피커의 사이즈보다는 주파수에 따른 지향각의 영향이 훨씬 크게 관측된다.

특히 특정 주파수 이상에서는 지향각이 아예 사라지는 beaming 현상이 일어나고, 특정 주파수 이하에서는 지향각이 너무 넓어져서 무지향성의 특성을 가지는 현상이 일어난다.

스피커가 Beaming 하기 시작하는 주파수

무지향 특성이 나타나기 시작하는 주파수

• c: 소리의 속도 340m/s,
• D: 스피커 직경

좋은 스테레오 이미지를 가지기 위해서는 전 주파수 대역으로 고른 지향각을 가져서, 팬텀 이미지가 청자의 청취 위치에서 전주파수 일정하게 생성되는 것이 중요하다. 만약 특정 주파수의 지향각만 좁거나, 특정 주파수의 지향각만 넓다면, 그 특정 주파수에서만 스테레오 이미지가 왜곡된다.

비슷하게 서라운드나 Dolby Atmos 셋업에서도 각각의 위성 스피커들이 서로 팬텀 이미지를 생성해야 서라운드 이미지, Atmos 이미지를 생성할 수 있기 때문에, 위성 스피커는 지향각이 넓은 작은 사이즈의 스피커를 사용하고, 작은 사이즈로 인하여 상대적으로 떨어지는 저음 재생 능력은 무지향성 서브우퍼로 대체 하게 된다.

아주 만약에, 위의 패턴과 같이 만약 1~4kHz 대역 사이의 지향각이 다소 좁은 경우에, 만약 그 지향각이 너무 좁아져서 스테레오 이미지를 생성하지 못한다면, 음성 명료도는 스테레오 팬텀 이미지를 생성 못할 가능성이 있고, 그렇게 된 스피커는 보컬이 크게 안들릴 수도 있다. 따라서 모니터 스피커 설계 시 크로스오버 설계에 의한 위상의 차이뿐만 아니라 이러한 차이도 고려 되어야 한다. FIR 크로스오버 설계를 하게 된다면, 크로스오버구간의 위상 왜곡이 없으므로, 크기가 작은 트위터 유닛이 1~4kHz 대역을 담당하도록 크로스오버 주파수를 많이 내릴 수 있고, 이때는 1~4kHz 대역 지향각이 넓어지기 때문에 좀더 이 부분에 유리한 장점이 생길 수 있다. 이런 경우 웨이브가이드의 설계가 더더욱 중요해진다.

따라서, 위와 같은 경우에는 크로스오버주파수를 내려서 우퍼의 지향각과 트위터의 지향각을 일정하게 가다듬고, 추가로 트위터 유닛에 웨이브가이드를 적용하여 좀더 일정한 지향각이 되도록 조정하면 더 좋은 지향각을 얻을 수 있으리라 예상된다.

대부분의 스피커의 수직지향각은 수평지향각을 대체하기 힘들다.

우퍼가 담당하는 저음역대의 경우 주파수 특성에 의해 지향성이 매주 작기 때문에 상대적으로 트위터에 비하여 지향각이 넓다. 300Hz 이하의 저주파수의 경우는 저주파수의 지향성 특성으로 인하여, 대부분의 스피커에서는 무지향성으로 재생되므로, 스피커의 사방으로 소리가 방사되어 버린다.

저주파수의 이러한 특성은 룸 모드 등의 룸 어커스틱 문제를 가져오고 해결하기 쉽지 않기 때문에 최근에는 보조 우퍼 유닛과 DSP를 이용한 저역 카디오이드 구현 방식이 연구되고 있으며, 이미 제품들도 나오고 있다.¹⁴⁾

위와 같은 방식의 지향성 구현 방식은 서브우퍼의 경우에도 똑같이 구현할 수 있다. 주로 무대에 소리가 방사되면 안되는 PA용 서브우퍼에서 구현한다.

트위터가 담당하는 고음역대의 경우 주파수 특성에 의해 지향성이 매우 크기 때문에 상대적으로 우퍼에 비하여 지향각이 좁다. 따라서 트위터의 크기를 줄여서 점음원에 가까운 특성을 가지게 하여 지향각을 넓히고, 트위터의 형태(돔 형, 역돔 형, 컴프레션 드라이버)를 통해 지향각을 넓히기 위한 노력을 하게 된다.

아래의 예시에서도 10kHz 이하는 일정한 지향각을 형성했지만, 10kHz이상 구간에서는 주파수 특성의 영향으로 인하여 지향각이 좁아짐을 관찰할 수 있다.

트위터를 작게 만들어서 점음원의 특성을 가지게 하면 지향각은 좋아지지만, 아무래도 트위터가 담당하는 음량 자체는 작아질 수 밖에 없다. 따라서 트위터가 더 큰 음량을 재생하도록 하기 위해 혼 트위터 설계¹⁵⁾, 컴프레션 설계¹⁶⁾ 등을 추가 하기도 한다. 이때 트위터의 재질에 따라서도 트위터의 크기를 더 작게 만들면서 Bi-amping 을 통해 높은 출력을 매칭하는 방법을 통해 더 작은 트위터로도 비슷한 음량을 재생하기도 한다. 대표적으로 베릴륨 트위터를 사용하는 포컬 스피커¹⁷⁾들은 베릴륨 트위터로 인한 스테레오 이미지가 매우 좋은 편이다. 이러한 경우에 일반인들은 매우 좋은 정위감과 공간감을 가지고 있다고 표현하기도 한다.

위의 Bi-amping 스펙을 보면 Tweeter 에 50W, Woofer 에 50W 를 사용하는데, 우퍼의 크기와 트위터의 크기를 비교해 봤을 때, 유닛의 사이즈에 비해 트위터에 상당히 높은 출력을 매칭 했음을 알 수 있다. 이렇게 매칭하는 이유는 트위터의 사이즈를 줄여서 지향각을 넓히게 되면, 작아진 트위터의 사이즈만큼 음량도 줄어들기 때문에 앰프 출력을 높혀서 음량을 다시 적절하게 키웠기 때문이다.

Bi-amping 을 통해 우퍼와 트위터의 앰프의 출력을 다르게 설계하는 것도 트위터를 작게 만들면서 음량을 다시 크게 보상할 수 있는 방법이 되기도 한다.

우퍼와 트위터 간의 크로스오버 주파수를 높이게 되는 경우에는 더 작은 트위터로 대역폭이 더 좁은 고음역대만 재생하게 되므로 상대적으로 큰 음량으로 보정하기 쉬워진다.

트위터

고음역대의 지향각을 넓히기 위한 방법은 여러가지가 있고 스피커의 크로스오버 설계와 트위터의 유닛 크기 설계 등 여러가지 다각도로 설계하여 최적의 설계를 찾아내기 위한 노력은 제조사 별로 계속 되고 있다. 사실상 크로스오버 주파수를 결정하는 것은 트위터와 우퍼의 사이즈 및 재질, Bi-amping 의 설계, 드라이버 유닛의 종류, 각 유닛의 THD 분포 등 여러가지 요소를 고려하여 설계된다.

스테레오 스피커 레이아웃에서는 좌, 우 스피커의 수평 지향각에 의해 지향각이 겹치는 구간에서 스테레오 이미지가 생성되고, 서라운드 스피커 레이아웃에서는 각각 위성 스피커의 수평 지향각에 의해 지향각이 겹치는 구간에서에서 서라운드 이미지가 생성된다. Dolby Atmos의 등장으로 입체음향 팬텀 이미지 생성을 위해서는 스피커의 수직 지향각도 매우 중요하게 작용할 것으로 생각된다.

하지만 대부분의 공간에서는 천정과 바닥이 가깝기 때문에 수직 지향각이 넓은 스피커는 룸 모드의 영향을 더 크게 받는다. 그래서 수평 지향각도 스피커간의 스테레오 이미지를 생성할 정도로만 제어 되는 것이 유리하다.

300Hz 이하의 저역대의 경우에는 대부분의 스피커에서 지향각이 너무 넓어져서 무지향성에 가까워지는 경향이 있다. 스피커의 전방향으로 저주파수가 방사되기 때문에, 룸 모드가 크게 발생하는 원인이 되기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 저역대의 수평 지향각을 DSP와 추가 우퍼 유닛을 통해 제어하는 카디오이드 스피커도 개발되고 있다.

리본 트위터를 가진 스피커들은 수직 지향각이 좁은 특성이 있다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Directivity