목차

스피커 유닛 사이즈


일반적인 스피커 유닛 사이즈와 재생 주파수 범위

스피커 유닛 사이즈와 저역 재생 능력의 관계

저역의 재생 문제는 가장 먼저 주파수와 관계가 있다. 또한 스피커가 물리적으로 움직일 수 있는 공기의 부피와 관계가 있다. 파장을 길이로만 이해하여 스피커의 사이즈나 특정한 거리 관계만 생각하는 사람들이 많다. 하지만, 실제의 주파수의 거동은 파장 길이가 아닌 공기의 소밀(밀도의 변화)로 이루어져 있기 때문에 공기의 부피와 연관성이 있다.

따라서, “스피커의 사이즈”가 아닌 “스피커가 움직일 수 있는 공기의 부피“로 이해해야 한다.

주파수

40Hz의 주파수를 예를 들자면, 스피커는 1초에 40번 앞뒤로 진동하면 40Hz 의 주파수를 재생하는 것이다. 스피커의 사이즈와 관계없이 어떤 크기의 스피커가 되든, 1초에 40번 앞뒤로 진동하면 그 스피커는 40Hz 의 주파수를 재생한다고 보면 된다.

Fs

스피커 유닛의 자체 공진 주파수

  • 단위 : Hz

스피커 유닛의 자체 공진 주파수를 피해서 재생 주파수 범위를 정해야 한다.

이것은 자유 공기에서의 공진 주파수이다. 이것은 스피커가 최소한의 노력으로도 움직일 수 있는 주파수이다. 유닛을 손끝으로 툭툭 쳐보면 유닛이 자체적으로 특정한 음정을 가지는 것을 들어볼 수 있다. 이 음정이 스피커 유닛의 공진 주파수이다. 이 공진 주파수가 100Hz라면 이 스피커 유닛은 100Hz 이상을 재생하도록 사용해야 한다. 만약 100Hz를 재생하도록 한다면 스피커가 공진 주파수에서 공진해버려서 100Hz를 중심으로 특유의 음정을 생성하게 된다. 가끔 PC 스피커나 아주 작은 스피커에서 공진 주파수가 높은 경우 박시(Boxy)한 소리가 나는 현상이 발생한다. 공진 주파수 이하의 주파수에서는 스피커 유닛의 응답의 효율성이 현저하게 줄어들며, 드라이버를 고장낼 수 있다. 우퍼는 일반적으로 13~60Hz의 범위에 fs가 있다. 미드 레인지는 일반적으로 60~500Hz의 범위에 있으며, 트위터는 500Hz에서 4kHz 사이에 위치한다.

공진 주파수는 유닛의 강성 및 유연성, 움직이는 부분의 질량에 의해서 계산되며 아래의 공식을 따른다.

f_s ~=~ {1/{2 pi}} * {t/{2r^2}} * {mu sqrt{E/{3d(1-p^2)}}}

  • t : Thickness, 진동판의 두께
  • r : Radius, 진동판의 반지름
  • µ : Root of frequency equation
  • d : Density, 진동판의 밀도
  • p : Poisson's ratio, 포아송 비

위 공식에서 등장하는 여러가지 상수와 포아송 비를 빼고 식을 간단하게 만들면 아래와 같다.

f_s approx {t/a}sqrt{E/d}

  • t : Thickness, 진동판의 두께
  • a : Area, 진동판의 면적
  • E : Young's Modulus, 영률(탄성계수)
  • d : Density, 진동판의 밀도

여기서 sqrt{E/d}는 매질에서 소리의 파동이 전달되는 속도를 나타내기도 한다. 즉 위 공식에 따르면, 진동판의 두께가 얇고, 면적이 넓고, 밀도가 낮을 수록 진동판의 공진주파수는 낮아진다.

Thiele/Small 파라미터에서는 아래와 같이 기술하기도 한다.1)

f_s ~=~ 1/{2 pi}sqrt{s/M_ms}~=~1/{2 pi}sqrt{1/C_ms*M_ms}

  • s : Stiffness, 엣지와 댐퍼의 강성
  • Cms : Compliance,자유도
  • Mms : Mass, 유닛의 움직이는 부분의 질량

유닛의 움직이는 파트의 질량이 무겁고 유연성이 높을수록 공진 주파수는 낮아진다.

병에 물을 채우고 치거나 입구에 바람을 불어 공명시키면 음정이 나오고, 물의 양을 조절함으로써 다양한 음정이 나오지만 병의 자체적인 공진 주파수(물을 비웠을 때 나는 소리) 이하의 주파수는 낼 수 없다. 공진주파수 Fs가 의미하는 것도 이와 비슷하다.


따라서 위 주파수 반응 그래프와 같이 Fs 주파수부터는 저역대역을 Low cut하여 스피커 유닛이 해당 주파수를 적극적으로 재생하는 것을 제한해야 한다. 이 부분의 튜닝을 통하여 Fs 부근의 주파수도 평탄하게 나오도록 제작하게 된다.

Speaker Size

그 다음에 고려되어야 할 사항은 스피커의 유효면적이다.

어떤 1인치의 스피커가 40Hz 로 앞뒤로 진동하고 있고, 10인치의 스피커가 40Hz 로 똑같이 앞뒤로 진동하고 있을 때, 이 두 스피커가 만들어내는 공기의 부피량의 차이는 100배 이기 때문에 이 두 스피커가 만들어내는 음압은 100배의 차이가 난다.

음압에서 100배의 차이는 20dB의 차이를 만들어 낼 수 있다.

즉 너무 작은 스피커는 1초에 40번 진동해도 우리 귀에 안들리는 정도의 음압일 수 있는 것이다. 그래서 스피커 사이즈가 커져야 40Hz 가 우리 귀에 들릴 정도의 음압이 된다.

Speaker Excursion

스피커의 사이즈만 음압에 영향을 미치는 것은 아니다. 스피커가 앞뒤로 움직이는 변위량(Excursion)도 음압에 영향을 미치는 요소 이다.

똑같은 10인치 크기를 가진 스피커 A 와 B 가 있을 때, 스피커 A 는 앞뒤로 1cm 움직이고, 스피커 B 는 앞뒤로 10cm 움직일 때, 이 두 스피커가 만들어내는 공기의 부피량은 10배의 차이가 난다. 이 두 스피커가 만들어내는 음압은 10배의 차이가 난다.

음압에서 10배의 차이는 10dBSPL의 차이를 만들어 낼 수 있다.

따라서 작은 스피커라 해도 앰프의 출력이 충분하고 스피커의 재질과 설계가 좋다면 앞뒤로 많이 움직여서 큰 스피커와 얼마든지 같은 저역대의 음압을 만들어 낼 수 있다.

Size vs Excursion

지향각

스피커가 쉽게 저음역대에 큰 음압을 낼 수 있도록 설계 하기 위해서는 스피커의 사이즈를 크게 늘리면 된다. 하지만 스피커가 사이즈가 커질수록 소리의 성질은 점음원에서 면음원으로 변경되고 스피커의 지향각이 좁아진다.

분할 진동

반대로 스피커의 사이즈는 줄이고 스피커가 앞뒤로 움직이는 변위량(Excursion)을 늘리게 된다면, 스피커에 매칭되어야 할 앰프가 충분히 큰 힘을 구동하여 높은 변위량을 구동할 수 있어야 하고, 스피커가 형태가 일그러지며 분할 진동할 가능성이 높아지기 때문에 재질을 특수하게 고려해야 하고 스피커 서스펜션 설계나 유닛 재질에 신경써야 한다.

댐핑 특성

퀄리티 팩터

스피커의 사이즈가 커질수록 응답 특성이 안좋아진다. 즉 스피커가 받은 신호에 대해서 정확한 동작을 해야 하지만, 사이즈가 큰 스피커일 수록 정확한 제어가 안되고 응답이 느리거나 여진할 가능성이 높아진다는 뜻이다. 즉 큰 사이즈의 스피커일수록 제어가 쉽지 않기 때문에 음의 트랜지언트 및 릴리즈 표현에 매우 불리하다. 작은 사이즈의 스피커일수록 제어가 쉽게 가능하기 때문에 음의 트랜지언트 및 릴리즈 표현에 매우 유리하다. 반응이 느린 경우 그룹 딜레이로 측정될 수 있다.

쉽게 말해서 큰 사이즈의 스피커는 웅웅거릴 가능성(Underdamped)이 높다는 뜻이다.

스피커의 사이즈에 따른 장단점 예시

스피커가 큰 경우

스피커가 점음원 보다 면음원의 성질에 가깝기 때문에 지향각이 좁아지고, 역제곱 법칙에 따라 더 먼거리까지 소리가 감쇠하지 않고 도달한다. 따라서 파필드 스피커들은 사이즈가 큰 스피커 설계 위주로 만들어지게 된다.

먼거리까지 레벨이 감쇠하지 않고 도달 하기 때문에 좁은 공간에서는 룸 어커스틱 트리트먼트에 대한 문제가 크게 발생할 확률이 높다.

스피커가 커질수록 응답 특성에 불리하기 때문에 스피커의 저역대 트랜지언트 표현력이 떨어질 가능성이 매우 높아진다. 즉 저역대가 웅웅거리게 된다.2)

큰 유닛을 사용한 스피커는 각각의 유닛간 거리가 상대적으로 멀어지기 때문에 최소 청취거리도 멀어지게 된다.

지향각이 좁아지기 때문에, 서라운드나 Dolby Atmos의 위성 스피커로 사용하기 힘들어진다.3)

공연장에서 큰 유닛을 사용한 포인트 소스 스피커를 배치하게 되는 경우, 지향각이 좁아서 스테레오 이미지를 생성하기 힘든 경우가 있다. 이때 정가운대에도 센터 스피커를 하나 더 배치하여 스테레오 이미지를 보상하게 된다.

스피커가 작은 경우

스피커가 면음원보다 점음원의 성질에 가깝기 때문에 지향각이 넓어지고, 역제곱 법칙에 따라 거리가 멀어질수록 소리가 감쇠하게 된다. 따라서 니어필드 스피커들은 사이즈가 작은 스피커 설계 위주로 만들어지게 된다.

거리가 멀어질수록 소리의 크기가 감쇠하므로 작은 공간에서도 좋은 소리를 내지만, 먼거리에서는 제대로 된 청취를 못할 가능성이 높다.

스피커가 작아질수록 응답 특성에 유리하기 때문에 스피커의 저역대 트랜지언트 표현력이 좋아진다. 즉 저역대가 탄탄해진다. 그렇지만 저역대의 음량은 큰 스피커에 비해 작기 때문에 같은 인치 스피커 2개 구성 등으로 저역대의 음량을 보상하는 방식도 있다.4)

작은 유닛을 사용한 스피커는 각각의 유닛간 거리가 비교적 가까워지기 때문에 최소 청취거리가 가까워지게 된다.

지향각이 넓어지기 때문에, 서라운드나 Dolby Atmos의 위성 스피커는 작은 스피커 위주로 구성된다. 이 경우에 상대적으로 저음 재생 능력이 떨어지게 되는 부분을 서브우퍼를 사용해서 보상하게 된다.

작은 스피커를 일직선으로 배치한 라인 어레이나 컬럼 어레이의 경우 좌우 지향각이 넓게 형성되기 때문에, 센터 스피커를 사용하지 않아도 큰 공연장에서도 좋은 스테레오 이미지를 생성하게 된다.

결론

예전보다 지금은 재료에 대한 기술이나 여러가지 기술이 종합적으로 발전하여 작은 스피커로도 충분한 저음역대를 재생할 수 있게 되어서 작은 Bluetooth 스피커인데도 충분한 저음을 재생하는 제품들도 나와주고 있다.

저음 재생을 위해서 무조건적으로 스피커의 사이즈를 늘리면 좋겠다 라고 생각하는 사람들도 가끔 있다. 과거에는 앰프의 기술이나 스피커의 재질에 관한 기술이 발전하지 못하여, 감도가 높은 스피커 유닛으로 사이즈를 늘리는 것이 저역 재생을 위한 유일한 해답이었던 시절도 있었던 것은 사실이다.

하지만, 사실 스피커의 사이즈와 앞뒤 변위량은 스피커의 재질과 지향각, 응답 특성 등 스피커의 전면적인 부분에서 고려되어야 하고, 그렇게 고려하여 적절한 스피커의 사이즈와 감도, 앰프의 적절한 출력이 정해지게 된다. 오히려 최근에는 작은 사이즈의 스피커들에서 더욱더 고성능의 스피커 성능이 나오는 경향이 강해졌다. 스피커를 작게 만들었을 경우, 특히 지향각과 스테레오 이미지, 스피커가 마주보는 벽의 스탠딩 웨이브의 영향을 들 받는 점, 서브우퍼의 경우에는 무지향성에서 많은 장점이 생긴다. 또한 유닛이 작아지면 멀티-way 스피커에서 트위터와 우퍼의 간격과 크로스오버 주파수에 의한 로빙 에러 또한 줄일 수 있다.5)

따라서, 서브우퍼나 우퍼가 무조건 사이즈가 더 커야만 저음을 제대로 재생할 것이라고 생각하는 것은 매우 잘못된 생각이다. 스피커의 저음 재생 능력이나 지향각, 최대 음압 등은 스피커의 스펙 시트를 보면 알 수 있다.

스피커 유닛의 사이즈에 따라 가장 잘 재생할 수 있는 주파수 범위가 있고, 그 주파수 범위에서 요구되는 음압 레벨은 유닛의 익스커션, 감도, 앰프의 출력이 복합적으로 작용한다.

Reference

1)
사실 위의 공식과 아래의 공식은 결국 같은 공식이다.
2)
베이스 앰프의 경우 10인치나 12인치 캐비넷 보다 15인치 캐비넷을 사용할 때 소리가 더 웅웅 거리고, 그래서 큰 음량이 필요해지면 10×4나 10×2 구성의 캐비넷을 사용한다.
3)
지향각이 넓어야 팬텀 이미지가 생성되는 서라운드나 Dolby Atmos 스피커 레이아웃 작은 스피커를 위성 스피커로 사용하고 저음은 우퍼로 대체를 하는 가장 큰 이유이다.
4)
가상 동축 방식, 2.5-way 방식 등
5)
유닛 간의 간격은 크로스오버 주파수의 1/4이내 이어야 로빙 오류가 제거된다.