서브우퍼

기본 스피커 유닛에 추가로 장착하여 아주 낮은 저음역대의 재생을 하기 위한 스피커 유닛

서브 우퍼는 스피커 시스템의 한 유닛으로, 저음 주파수 범위를 전담하여 재생하는 스피커입니다. 주로 20Hz에서 200Hz 사이의 저음 주파수를 담당하며, 음악이나 영화에서의 깊고 강렬한 베이스 음향을 생성합니다. 서브 우퍼는 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

SubWoofer

A subwoofer is a unit in a speaker system that specializes in reproducing low-frequency sound. It typically handles frequencies in the range of 20Hz to 200Hz and is responsible for producing deep and powerful bass sounds in music and movies. Subwoofers are commonly used in surround sound systems, home theater setups, and audio systems to enhance the low-frequency effects and improve the overall audio experience.

서브우퍼와 저음 재생 능력

서브 우퍼의 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.

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

서브우퍼와 지향성

서브 우퍼는 무지향성을 가지는 것이 매우 중요하다.

주파수와 지향성

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

스피커의 크기와 지향성

스피커의 크기가 커질수록 음원은 면음원의 성질이 강하게 나타나고, 면음원은 점음원에 비해 지향각이 좁아지고, 더 먼거리까지 도달한다.

즉, 스피커의 크기가 커질수록 지향성이 증가한다.

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

즉, 스피커의 크기가 작아질 수록 무지향성이 증가한다.

추가로 스피커의 크기가 커질수록 댐핑팩터에 불리하기 때문에, 트랜지언트 표현력이 안좋아진다. 즉 스피커가 웅웅거리게 된다.²⁾

이러한 이유로 스피커 유닛 사이즈가 큰 서브 우퍼를 사용하는 대형 공연장이나 규모가 큰 스피커 시스템³⁾에서는 여러개의 서브 우퍼를 사용하여 저음의 방향성을 억제하거나 지향성을 구현하기도 한다.

서브우퍼와 메인 스피커 간의 레벨

등청감곡선에 의하면 85dB SPL에서 인간의 청각 특성은 서브 우퍼 대역에서 더 높은 음량을 필요로한다. 따라서 서브 우퍼도 그에 맞게 더 높은 레벨로 조정하는 것을 권장한다.

이러한 서브 우퍼와 메인 스피커 간의 레벨 조정은 Bass Management를 이용하여 조정한다. 서브 우퍼를 벽이나 코너에 밀착시켜서 반사에 의한 증폭을 일부러 얻어내는 방법도 있다.

라우드니스

사람이 청감상 받아들이는 소리의 크기에 대한 감각적 수치

실제 소리 크기 가지는 음압(dB SPL, 물리량)과는 차이가 있을 수 있다.

DAW 미터의 값은 큰데 실제 들리는 소리는 작게 느껴지는 경우가 있다면, 이것은 바로 신호값은 크지만 라우드니스가 작기 때문이다.

소리 크기의 힘⁴⁾을 2배 증가 시키면 3dB 증가에 해당한다.⁵⁾ 소리 크기의 힘을 10배 증가 시키면 10dB 증가에 해당하고, 100배 증가 시키면 20dB 증가에 해당한다.

하지만, 사람은 10dB 증가한 소리는 2배의 라우드니스로 인지하고 100dB 증가한 소리는 4배의 라우드니스로 인지한다.

즉 사람이 듣기에는 힘이 10배 증가한 소리가 일반적으로는 2배의 소리 크기로 느껴진다.⁶⁾⁷⁾

이런 사람의 인지 특성에 맞춘 단위로 sone 을 사용하기도 하는데, 거의 사용하지는 않는다. 40phon 을 1 Sone 으로 정의하여 10dB 증가한 50phon= 2sone 이 된다.

sone= 사람이 인지하는 라우드니스 비율에 따른 단위.

Loudness

Loudness is a perceptual measurement of the magnitude of sound as perceived by the human auditory system. It can differ from the actual sound magnitude, which is measured in sound pressure level (dB SPL), a physical quantity.

In cases where the meter values in a Digital Audio Workstation (DAW) indicate high levels of sound, but the perceived loudness is low, it is because the signal values are large, but the perceived loudness is relatively small.

Increasing the power of sound by a factor of 2 corresponds to a 3dB increase. Increasing the power of sound by a factor of 10 corresponds to a 10dB increase, and increasing it by a factor of 100 corresponds to a 20dB increase.

However, humans perceive sound in a way that a 10dB increase in sound power is perceived as a doubling of loudness, while a 100dB increase is perceived as a fourfold increase in loudness.

In other words, a sound with ten times the power is generally perceived as being only twice as loud. To account for these perceptual characteristics, a unit called “sone” is sometimes used, although it is not commonly employed. It defines 40 phon as 1 Sone, so a 10dB increase from 40 phon to 50 phon would equal 2 sones.

Sone is a unit based on the loudness ratio perceived by humans.

사람이 들을 수 있는 다이내믹 레인지

10^-12w/m², 0dB SPL(1000Hz) 에서 ~1w/m², 120dB(전 주파수 대역) 사이
0dB SPL(ATH) 이하의 소리는 대부분의 사람은 인지할 수 없고, 120dB SPL 이상의 지속적인 소리는 청력을 손상 시킬 수 있다.

ATH

Absolute Threshold of Hearing

다른 소리가 없는 상태에서 평균적인 정상 청력을 가진 인간의 귀가 듣는 최소한의 순수음의 음량을 절대 청취 임계값(ATH)라고도 불립니다. 절대 임계값은 생물체로 하여금 반응을 일으키는 음량을 나타냅니다. 절대 청취 임계값은 분명한 지점이 아니며, 따라서 특정한 시간의 응답을 일으키는 지점으로 분류됩니다.

청취 임계값은 일반적으로 1atm(기압)과 25°C에서 0.98 pW/m2에 해당하는 RMS 음압인 20µPa입니다. 이것은 손상되지 않은 청력을 가진 젊은 인간이 1,000Hz에서 감지할 수 있는 가장 조용한 소리를 대략적으로 나타냅니다. 청취 임계값은 주파수에 따라 다르며, 연구에 따르면 귀의 민감도가 2kHz에서 5kHz 사이의 주파수에서 가장 뛰어나며 임계값은 -9dB SPL로 낮아집니다.

라우드니스와 대역폭

위 그림의 각기 다른 대역폭과 각기 다른 소리 크기를 가진 소리들이 어떤 라우드니스를 가지는지 보여주고 있다. 소리의 레벨이 동일해도 대역폭이 넓으면 라우드니스가 크게 들린다.

대역폭이 크리티컬 밴드 이하로 너무 좁아지면 대역폭의 너비에 의한 라우드니스 영향은 사라진다.

라우드니스와 지속시간

100ms 이하의 지속시간에 해당하는 소리들은 지속시간이 짧을수록 라우드니스가 작다.

서브우퍼와 메인 스피커 간의 거리

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

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

만약 이 거리를 벗어나서 좀 떨어진 곳에 서브 우퍼가 설치 된다면 서브 우퍼와 메인 스피커간의 크로스오버 주파수 부근에서 딥이 발생할 수 있다.

크로스오버 주파수가 80Hz 일 때, 파장은 425cm이고, 파장의 절반은 212.5cm 이다. 이때 서브 우퍼의 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.⁸⁾

서브우퍼와 메인 스피커 간의 크로스오버

서브 우퍼와 메인 스피커간에는 크로스오버 주파수를 설정하는 것이 매우 중요하다.

일반적인 상황에서는 서브 우퍼를 정중앙에 배치하기 힘든 경우가 많다. 그런데 이렇게 한쪽 구석에 서브 우퍼를 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 서브 우퍼의 크로스오버 주파수를 120Hz 보다 낮춤으로 서브 우퍼의 소리가 느껴지는 방향성을 줄일 수 있다.

서브 우퍼의 크로스오버를 어떤 주파수로 설정했는데, 만약 서브 우퍼의 방향성이 느껴지게 된다면, 서브 우퍼가 재생하는 저음 중에서 높은 주파수들이 지향성을 가진 것이다. 이 때는 크로스오버 주파수를 더 낮추어서 해당 지향성을 가진 주파수들을 제외 시킴으로써 서브 우퍼가 무지향성을 가진 낮은 주파수들만 재생하게 만들어야 한다.⁹⁾

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

서브우퍼의 크로스오버 주파수는 무조건 낮추는 것이 좋은 것인가?

크로스오버 주파수를 낮춰야 할까 높혀야 할까

일반적인 저음 재생은 스피커 유닛이 클수록 좋은 것은 사실이다. 하지만 스피커 유닛이 커질수록 지향성이 증가하고, 주파수가 높아질수록 지향성이 증가하기 때문에, 필연적으로 서브 우퍼와 메인 스피커간의 크로스오버 주파수를 낮추어서, 서브 우퍼가 지향성을 가진 주파수를 제외하고 재생하도록 만들어야 한다.

하지만, 크로스오버를 낮춤으로 인해서 메인 스피커가 상대적으로 담당해야 할 저역대가 많아지게 된다. 특히 5~8인치 의 우퍼 유닛을 가진 모니터 스피커들의 경우 일반적으로 120Hz 이하의 주파수는 대부분 베이스 리플렉스 홀을 통해 재생되는 주파수 들이고, 베이스 리플렉스 홀을 통해 재생되는 소리들의 경우에는 소리의 트랜지언트가 부정확하고, 여음(Decay)이 많은 경향이 있다.

스피커를 측정해보면 바로 이 저역대에서 위상이 불분명하고, 그룹 딜레이가 많이 느려지며 여음이 많이 남음을 알 수 있다.

만약 이러한 메인 스피커와 서브 우퍼의 크로스오버를 80Hz 로 설정하고 사용하게 된다면, 60Hz~120Hz 사이의 주파수는 여전히 메인 스피커의 베이스 리플렉스를 통해 재생되고, 이 주파수 구간은 여전히 위상이 불분명하고 트랜지언트가 불확실 하며, 여음이 많이 존재할 수 밖에 없다.

따라서 이러한 측면에서 보면, 서브 우퍼가 더 높은 저역대 까지 담당하게 하여 기본 스피커의 베이스 리플렉스 홀을 통해 재생되는 저음을 줄이고 해당 주파수를 서브 우퍼가 재생하는 것이 더욱 유리하다. 메인 스피커의 베이스 리플렉스 홀에서 재생되던 주파수 구간이 서브 우퍼로 옮겨지게 되면서, 트랜지언트가 크게 개선되고, 여음이 많이 줄어들 수 있게 된다.

즉, 메인 스피커의 우퍼에 가해지는 부담을 덜어줄 수 있다.

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

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

서브 우퍼의 “무지향성이 유지되는 최대 높은 주파수“를 설정하는 것이 더 맞는 말이다.¹⁰⁾¹¹⁾

서브우퍼가 무지향성을 더 강하게 가지게 하기 위한 설계

서브 우퍼의 크로스오버 주파수를 높히고 싶어도 큰 유닛을 가진 서브 우퍼 일수록 면음원의 성질에 가깝기 때문에 크로스오버 주파수를 높히기가 쉽지 않다.¹²⁾

반면, 스피커 유닛의 크기를 줄이고 앞뒤 변위량을 증가시킨다던지, 다운 파이어링을 하는 것과 같은 설계를 통하여, 같은 저음 주파수에서도 더욱더 무지향성이 강하게¹³⁾ 나타나는 서브 우퍼의 설계가 충분히 가능하다.

아래의 스피커는 Yamaha의 HS8S 모델이다. 내부에 다운 파이어링을 하는 8인치의 스피커 유닛이 있고, 외부에는 8인치 유닛의 작동으로 헬름홀츠 공명을 이용하여 더 낮은 저음역대를 출력해주는 베이스 리플렉스 홀이 있다. 베이스 리플렉스 홀에서는 8인치 유닛에서 재생하는 저음역대보다 더 낮은 저음역대¹⁴⁾가 재생된다.

이런 식의 작은 서브 우퍼 유닛 + 베이스 리플렉스 구조는 스피커를 더욱더 무지향성에 가깝게 만들어 줄 수 있다.

이러한 서브 우퍼 유닛 설계는 스튜디오 모니터에서는 대표적으로 Yamaha와 제네렉¹⁵⁾이 구현하고 있다.

Genelec 7040, 7050

일반적인 12인치 스피커 유닛을 가진 서브 우퍼와 Yamaha의 8인치 스피커 유닛 서브 우퍼를 실제로 비교하면, 확실히 Yamaha의 서브 우퍼가 더 높은 크로스오버 주파수를 설정해도 무지향성을 유지한다.

이러한 Yamaha나 제네렉의 서브 우퍼 설계는 스피커 유닛의 크기만으로 승부를 보는 시시한 일반적인 서브 우퍼 설계를 벗어나서 서브 우퍼 자체의 무지향성을 크게 증가시키는 한 단계 앞선 설계라고 볼 수 있다.¹⁶⁾

이렇게 서브 우퍼가 무지향성이 강한 성향으로 설계를 하기 때문에, 서브 우퍼의 소리가 어디서 나는지 알아채기 힘들다. 따라서, 이러한 설계의 서브 우퍼들은 어느 위치에 놓아도 전체 스피커 시스템의 정위감이 흐트러지지 않는다.

하지만, 이런 설계에는 단점도 존재한다. 큰 음압을 내기 위해서는 적합하지 않기 때문에 작은 공간을 위한 서브 우퍼에 주로 사용된다. 작은 사이즈의 서브 우퍼 유닛을 더 큰 앞뒤 변위량으로 구동하기 위해서는 앰프의 출력이 훨씬 높아져야 해서 효율이 떨어지게 된다.¹⁷⁾¹⁸⁾

Yamaha HS8S

8인치 서브 우퍼 유닛 다운 파이어링
자사의 HS 시리즈 모니터 스피커와 쉬운 매칭

KEF KC62

6.5인치 서브 우퍼 유닛 대칭형 구조로 무지향성 극대화 및 진동 상쇄
105dB SPL, 매우 작은 사이즈 실현, 246x256x248mm

KALI Watt WS6.2

6.5인치 서브 우퍼 유닛 대칭형 구조로 무지향성 극대화 및 진동 상쇄
120dB SPL

Reference

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

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

¹⁾

스피커의 앞뒤 변위량을 크게 움직이게 하려면 앰프의 출력이 훨씬 크게 증가 해야 하며, 스피커 유닛 자체의 재질 및 설계에도 많은 기술력이 들어가게 된다.

²⁾

베이스 앰프 등에서는 그렇기 때문에 12인치 보다 15인치 캐비넷이 더 웅웅거리고, 더 큰 음량이 필요한 경우 10인치를 여러개 사용한다. 10×4, 10×2 등

³⁾

시네마 포스트 스튜디오, 규모가 큰 마스터링 스튜디오

⁴⁾

dB SPL

⁵⁾

소리 크기의 신호량을 2배 증가 시키면 6dB 증가에 해당한다.

⁶⁾

DAW나 믹싱 콘솔에서도 동일하다 10dB증감을 하게 되면 결국 모니터 스피커로 10dB 증감된 소리가 나오게 되므로 결국 똑같이 2배의 소리 크기 증감으로 느껴진다.

⁷⁾

평균적으로 그렇다는 것이다. 사람마다 개인 차이는 있을 수 있다. 민감한 사람은 더 크게 받아들이며 둔감한 사람은 더 작게 받아들인다.

⁸⁾

하지만 최소 간격이내에 서브 우퍼를 둘 수 없는 경우가 대부분이다. 그렇기 때문에 Phase alignment 기능이 있는 것이다.

⁹⁾

소리는 저주파수로 갈수록 무지향성이 증가하고, 고주파수로 갈 수록 지향성이 증가하기 때문

¹⁰⁾

이러한 이유로 2개의 서브 우퍼 시스템(대각선 배치, 양사이드 배치)등이 있기도 하다.

¹¹⁾

아 물론, 나는 그런거 모르겠고 걍 대충 쓸래, 또는 측정할 여력이 안되시는 분들은 80Hz로 크로스 오버 잡고 아무대나 편한 곳에 대충 서브 우퍼 위치 시키고 볼륨만 적당히 잘 조정해서 사용합니다.

¹²⁾

그래서 상대적으로 큰 공간인 시네마 포스트 스튜디오나 공연장 등의 환경에서는 저역대의 무지향성을 얻기 위해 여러개의 서브 우퍼를 특수하게 배치하는 방법을 사용하기도 한다.

¹³⁾

무지향성이 최대한 높은 주파수까지

¹⁴⁾

무지향성

¹⁵⁾

7040 서브 우퍼의 경우는 스피커 유닛이 6.5인치, 7050 서브 우퍼의 경우는 8인치

¹⁶⁾

심지어 Yamaha는 hs10s 라는 10” 유닛을 가진 모델이었고 무지향 성향이 상대적으로 부족했던 모델을 단종시키고, 설계를 개선하여 스피커 유닛을 8”로 줄이고 무지향성을 더 보강한 모델을 내놓은 것이다.

¹⁷⁾

이보다 더 큰 음압을 내기 위한 서브 우퍼는 전통적인 설계인 우퍼 유닛 사이즈를 키우는 경우가 많다.

¹⁸⁾

공연장과 같은 큰 공간에서는 큰 음압을 내야하므로 유닛 사이즈가 큰 우퍼를 사용하게 된다. 유닛 사이즈가 큼으로 인해서 저역대의 방향성이 느껴지게 되는 것을 막기 위해 최소 두개 이상의 서브 우퍼를 사용한다. 또한 무대로 저음역대가 흘러 들어가는 것을 방지 하기 위해 추가로 서브 우퍼를 더 사용하여 지향성 카디오이드 배치를 한다.

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