서브우퍼는 스피커 시스템의 한 유닛으로, 저음 주파수 범위를 전담하여 재생하는 스피커입니다. 주로 20Hz에서 200Hz 사이의 저음 주파수를 담당하며, 음악이나 영화에서의 깊고 강렬한 베이스 음향을 생성합니다. 서브우퍼는 주로 서라운드 사운드 시스템, 홈 시어터 시스템 및 음향 시스템에서 사용되며, 저음 효과를 강화하고 전체 음향 경험을 향상시키는 데 기여합니다.

• 서브우퍼가 있고 없고에 의한 장단점

서브우퍼의 저음 재생 능력은 당연히, 스피커의 유닛 크기가 크면 클 수록 유리한 것은 사실이다.

스피커의 저음 재생 능력은 스피커가 움직일 수 있는 공기의 부피와 비례하게 되므로, 스피커의 크기를 크게 만들거나, 또는 스피커가 작아도 앞뒤로 움직이는 변위(Excursion)를 크게 만들면 된다.

$$V_d = {S_d} \times {X_{max}}$$

• $V_d$: 공기 이동 체적
• $S_d$: 진동판 유효 면적
• $X_{max}$: 익스커션, 변위

다만 스피커의 크기를 크게 만드는 것이, 작은 스피커를 앞뒤로 크게 움직이는 것보다 훨씬 설계가 간편하다.¹⁾

소리는 저음역대로 갈수록 무지향성에 가깝게 되고, 고음역대로 갈수록 지향성이 크게 증가한다.

유닛의 크기가 커질수록 음원은 면음원의 성질이 강하게 나타나고, 면음원은 점음원에 비해 지향각이 좁아진다.

즉, 스피커의 크기가 커질수록 지향성이 증가한다.

반대로 스피커의 크기가 작아질 수록 음원은 점음원의 성질이 강하게 나타나고 점음원은 지향각이 넓어지게 된다.

즉, 유닛 크기가 작아질 수록 무지향성이 증가한다.

메인 스피커와 우퍼의 크로스오버 주파수에 의한 이상적인 유닛 간 거리는 크로스오버 파장의 1/4 이하여야 한다.

그림 1: 크로스오버 주파수가 80Hz 일 때, 유닛간 거리 = 425cm/4 = 106.25cm 이하 이어야 함

만약 이 거리를 벗어나서 좀 떨어진 곳에 서브우퍼가 설치 된다면 서브우퍼와 메인 스피커간의 크로스오버 주파수 부근에서 딥이 발생할 수 있다.

그림 2: 크로스오버 주파수가 80Hz 일 때, 파장은 425cm이고, 파장의 절반은 212.5cm 이다. 이때 서브우퍼의 위치가 공교롭게도 메인 스피커와 212.5cm 의 간격을 가진다면 80Hz의 주파수와 그 부근의 주파수는 서로 정확히 반대 방향으로 진동하기 때문에, 위상 캔슬이 발생하여 심각한 딥이 발생할 수 있다.

이러한 딥은 다시 Bass management 에서 Phase alignment 기능을 통해 보정이 가능하다. 하지만 Phase alignment 기능을 사용하기 이전에 최소 간격이내에 설치되는 것을 권장한다.²⁾

서브우퍼와 메인 스피커간에는 크로스오버 주파수를 설정하는 것이 매우 중요하다.

일반적인 상황에서는 서브우퍼를 정중앙에 배치하기 힘든 경우가 많다. 그런데 이렇게 한쪽 구석에 서브우퍼를 놓다보면 저음역대가 한쪽 방향으로 치우치는 느낌이 들어서 매우 불편한 청취감을 줄 가능성이 높아진다. 서라운드 오디오 시스템의 LFE 기본 로우패스 주파수인 120Hz에서는 그럴 가능성이 상당히 높다. 따라서, Bass Management를 통해서 서브우퍼의 크로스오버 주파수를 120Hz 보다 낮춤으로 서브우퍼의 소리가 느껴지는 방향성을 줄일 수 있다.

서브우퍼의 크로스오버를 어떤 주파수로 설정했는데, 만약 서브우퍼의 위치가 인지된다면 크로스오버 주파수가 너무 높거나, 방의 영향으로 인해 방향성이 느껴질 가능성이 있다.

이 때는 크로스오버 주파수를 더 낮추어서 해당 지향성을 가진 주파수들을 제외 시킴으로써 서브우퍼가 무지향성을 가진 낮은 주파수들만 재생하게 만들어야 한다.³⁾

예를 들면, 서브우퍼와 메인 스피커간의 크로스오버 주파수를 120Hz로 설정했는데, 저음이 한쪽으로 치우치게 느껴진다면, 100Hz로 낮춰보고 그래도 계속 느껴진다면 80Hz로 낮추면 된다.

일반적인 저음 재생은 스피커 유닛이 클수록 좋은 것은 사실이다. 하지만 스피커 유닛이 커질수록 지향성이 증가하고, 주파수가 높아질수록 지향성이 증가하기 때문에, 방향성이 문제가 되지 않을 정도까지 크로스오버 주파수를 낮추어 서브우퍼가 지향성이 강한 주파수를 담당하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

하지만, 크로스오버를 낮추기만 하면 메인(또는 위성) 스피커가 상대적으로 담당해야 할 저역대가 많아지게 된다. 특히 5~8“의 우퍼 유닛을 가진 모니터 스피커들의 경우 최저역의 주파수는 베이스 리플렉스 홀을 통해 재생되고, 베이스 리플렉스 홀을 통해 재생되는 소리들의 경우, 그룹 딜레이가 증가하고 위상이 회전하며 여음(Decay)이 많은 경향이 있다.

만약 이러한 메인 스피커와 서브우퍼의 크로스오버를 너무 낮춰서 설정하게 되어 저역대 주파수가 여전히 메인 스피커의 베이스 리플렉스를 통해 재생되어 버린다면, 이 주파수 구간은 여전히 위상이 불분명하고 트랜지언트가 불확실 하며, 여음이 많이 존재할 수 밖에 없다.

따라서 이러한 측면에서 보면, 서브우퍼가 더 높은 저역대 까지 담당하게 하여 기본 스피커의 베이스 리플렉스 홀을 통해 재생되는 저음을 줄이고 해당 주파수를 서브우퍼가 재생하는 것이 더욱 유리하다. 메인 스피커의 베이스 리플렉스 홀에서 재생되던 주파수 구간이 서브우퍼로 옮겨지게 되면서, 비선형성이 높은 베이스 리플렉스보다 상대적으로 선형성이 높은 서브우퍼의 스피커 유닛을 통한 저음역대의 재생이 모든면에서 일반적으로 유리하다.

즉, 메인 스피커의 우퍼에 가해지는 부담을 덜어줄 수 있다.

특히, 후면 베이스 리플렉스 홀을 가진 메인 스피커 시스템인 경우, 서브우퍼로 해당 주파수 대역을 담당하도록 크로스오버를 설정하면, 메인 스피커의 후면 베이스 리플렉스의 작동이 많이 줄어들게 됨으로써, 후면 베이스 리플렉스와 스피커 뒷벽의 거리 차이에 의한 SBIR 현상이 줄어든다. 따라서, 이것 때문에 발생하던 특정 주파수의 딥을 상당한 수준으로 제거할 수도 있다.

따라서 서브우퍼와 기본 스피커간의 크로스오버 주파수의 설정은 무지향성 때문에 무조건 낮추는 것이 아닌,

• https://en.wikipedia.org/wiki/Excursion_(audio)
• https://en.wikipedia.org/wiki/Subwoofer