목요일, 4월 16, 2015

[High End Audio Complete Guide] ½ºÇÇÄ¿ÀÇ Å©·Î½º¿À¹ö

크로스오버


스피커 크로스오버(crossover)는 주파수 스펙트럼을 다른 범위로 분할하고, 각각의 주파수 대역을 적합한 드라이브 유닛에 보내는 스피커 내의 전기 회로입니다: 저역은 우퍼에, 중역은 미드레인지에, 그리고 고역은 트위터로 보냅니다(3웨이 스피커의 경우). 그림 7-21은 이러한 과정을 보여줍니다.





그림 7-21 크로스오버는 주파수 스펙트럼을 분할합니다.

Martin Colloms, High Performance Loudspeakers





크로스오버는 커패시터, 인덕터, 그리고 저항으로 구성되어 있습니다. 이러한 소자들은 스피커를 구동하는 전-대역의 신호를 선택적으로 여과하며, 스피커에 사용되는 특정한 드라이버에 적절한 필터 특성을 만들어 냅니다. 크로스오버는 그림 7-18의 사진에서 볼 수 있습니다.

크로스오버는 컷오프 주파수(cutoff frequency)와 기울기(slope)로 설명할 수 있습니다. 컷오프 주파수는 하나의 드라이브 유닛에서 다른 드라이버 - 예를 들면, 우퍼에서 미드레인지 - 로 전환이 일어나는 주파수입니다. 크로스오버의 기울기는 롤오프의 가파른 정도를 나타! 냅니다. 기울기의 가파른 정도는 컷오프 주파수의 위나 아래에서 응답이 얼마나 급속하게 감쇠되는가를 설명합니다. 예를 들어, 1차 크로스오버(first crossover)가 6dB/octave의 기울기를 갖고 있다는 이야기는, 컷오프 주파수의 1 옥타브 위에서, 드라이브 유닛에 전달되는 신호가 절반(6dB의 감소)이 된다는 사실을 의미합니다. 만일 우퍼의 크로스오버 회로가 1kHz에서 컷오프 주파수가 생긴다면, 신호는 1 옥타브 위 2kHz에서 6dB만큼 롤오프됩니다. 다르게 표현하면, 우퍼는 2kHz에서도 에너지를 받겠지만, 6dB 만큼 레벨이 줄어들 것입니다. 1차 필터는 6dB/octave의 기울기를 발생시켜서 가장 느리고 또 부드러운 감쇠를 보입니다.

다음으로 가파른 필터는 2차 크로스오버(second crossover)로, 12dB/octave의 감쇠를 일으킵니다. 앞의 예를 사용하면 1kHz에서 교차되는 우퍼는 2kHz에서도 여전히 에너지를 받지만, 그 에너지는 2kHz에서 12dB(4분의 1 증폭도)만큼 감소될 것입니다. 3차 크로스오버는 18dB/octave의 기울기를 갖고 있으며, 4차 크로스오버는 24dB/octave의 매우 급한 감쇠를 일으킵니다. 앞선 예를 사용하면, 4차 필터는 2kHz에� ��여전히 우퍼에 에너지를 보내겠지만, 그 증폭도는 24dB(16분의! 1) 아래 로 떨어지게 됩니다. 그림 7-22에서는 크로스오버의 기울기를 비교하고 있습니다.





그림 7-22 크로스오버 기울기의 비교

Martin Colloms, High Performance Loudspeakers






2웨이 스피커에 대한 전형적인 크로스오버 지점은 1kHz와 2.5kHz 사이에 있습니다. 3웨이 시스템이라면 800Hz와 3kHz 사이에서 크로스오버 주파수를 가질 것입니다. 우퍼는 800Hz까지 주파수를 재생하고, 미드레인지 드라이버는 800Hz에서 3kHz 사이의 대역을 다루며, 트위터는 3kHz 이상의 주파수를 재생할 것입니다.

실질적인 음향적 크로스오버 기울기(acoustic crossover slope) - 드라이브 유닛의 음향 출력 - 는 크로스오버에 의해서 만들어지는 전기적 기울기(electrical slope)와는 다를 수 있음에 유의하십시오. 만일 드라이브 유닛이 자신의 감쇠 주파수 근처에서 작동하면, 이러한 본래의 감쇠가 전기적 감쇠에 더해집니다. 예를 들면, 원래 1kHz에서 6dB/octave로  감쇠되는 우퍼는, 1kHz에서 6dB의 전기적 감쇠 특성을 가진 필터에서, 12dB/octave의 음향 감쇠를 나타낼 것입니다.  
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크로스오버의 기울기는 우선적인 설계 결정사항입니다. 얕은 1차 기울기는 두 드라이브 유닛 사이의 크로스오버 영역에서 최소의 위상 에러를 발생시킵니다. 이 두 드라이브 유닛은 크로스오버 지점과 크로스오버 영역의 바깥에서 모두 같은 위상으로 작동합니다. 이와는 대조적으로, 4차 필터는 드라이버 사이의 위상 지연을 발생시킬 수 있습니다; 2차 크로스오버를 가진 스피커들은 대개 크로스오버의 위상 지연을 교정하고 올바른 위상을 제공하기 위해 역 위상으로 배선되어 있습니다.

단순한 1차 크로스오버는 본래 더 복잡한 크로스오버보다 시간 특성이 낫습니다. 그러나 1차 크로스오버는 드라이브 유닛 사이가 상당히 겹치게 됩니다. 우퍼와 미드레인지가 같은 주파수를 발생시키고 미드레인지와 트위터가 겹치는 대역이 상대적으로 넓습니다. 이렇게 되면 감상자의 귀가 각각의 드라이버 유닛으로부터 정확히 같은 거리에 있지 않을 경우는, 주파수 응답에서 딥을 발생시킬 수 있습니다. 또한 두 드라이버의 출력이 간섭하여 소멸 간섭과 불규칙한 응답이 생길 수 있습니다. 1차 크로스오버를 가진 스피커에서 각각의 드라이브 유닛으로부! 터의 소리가 합쳐지도록 더 많은 시간을 주려면 감상자가 스피커로! 부터 멀� �떨어져 앉아야 합니다.

그 외에도 1차 크로스오버에서는, 트위터가 명목상의 컷오프 주파수 아래 옥타브의 미드레인지 주파수에 의해 과도하게 구동될 수 있습니다. 트위터의 진폭은 각 주파수의 절반에서 4배로 되는데, 구동 레벨이 같다고 하면, 2kHz에서보다 1kHz에서 4배 더 움직입니다. 500Hz에서는, 만일 트위터의 기본 공진에 의해 감쇠되지 않으면, 그 움직임이 다시 4배로 됩니다. 6dB/octave의 크로스오버 기울기는 주파수가 절반이 될 때마다 구동하는 신호를 절반으로 감소시키지만, 주파수가 절반이 될 때마다 진폭이 4배로 되는 트위터의 자연적인 진폭 증가를 상쇄하기에는 충분하지 않습니다. 그 결과 드라이버가 낮은 음압 레벨에서도 자신들의 진폭 한계로 구동되기 때문에, 시스템에 의한 파워 핸들링이 감소될 수 있습니다. 과도한 중역의 에너지로 구동되는 트위터는 왜곡을 발생시킬 수도 있으며, 이것은 딱딱하거나 금속성의 소리로 입증됩니다.  

높은 차수의 크로스오버를 지지하는 사람들은, 1차 기울기의 위상에서의 장점은 드라이버 사이의 원치 않는 중복에 의해 그 이상으로 상쇄된다는 점과 드라이버의! 과부하 가능성을 지적합니다. 4차 크로스오버는 각 드라이버의 주파수 범위를 더욱 예리하게 구분 짓습니다.

크로스오버 지점 선택에서의 인자는, 개별 드라이버의 지향성(directivity) - 주파수에 따른 방사 패턴입니다. 드라이버가 발생시키는 주파수가 증가됨에 따라, 방사 패턴도 더욱 좁아지게 됩니다. 달리 표현하면, 저역은 모든 방향으로 확산되는 반면에 고주파는 빔(beam)이 되는 경향이 있습니다. 드라이버의 크기와 크로스오버 지점은, 드라이버 사이의 지향성에 불연속성이 없도록 선택됩니다. 이것이 10" 우퍼를 1" 트위터에 짝 지워주는 것을 볼 수 없는 이유입니다.

어떤 스피커들은 바이-와이어링(bi-wiring)으로 부르는 방법을 사용하여, 두 조의 스피커 케이블로 파워앰프에 연결할 수 있습니다. 바이-와이어링 대응의 스피커는 별도의 하이-패스(high-pass) 및 로-패스(low-pass) 크로스오버 섹션과, 그에 따른 두 쌍의 입력 단자를 갖고 있습니다. 여러분은 두 쌍의 스피커 케이블을 연결하여 이 기능을 활용해야 합니다: 바이-와이어링은 스피커의 소리를 크게 개선해 줄 수 있습니다.(바이-와이어링은 제 11장에서 더 자! 세하게 논하고 있습니다.)

크로스오버는 사용된 부품의 특! 성에 따� �크게 다릅니다. 저렴한 스피커에서는 더 좋은 공심 인덕터(air-core inductor)보다는 철심 인덕터(iron-core inductor)를 사용할 것입니다. 공심 인덕터는, 철심 코일보다는 훨씬 크고, 또 비싸지만, 왜곡을 유발시키는 포화(saturation) 현상의 영향을 거의 받지 않습니다. 마찬가지로 저렴한 스피커에서는 더 비싼 플라스틱 필름 커패시터(plastic-film capacitor)보다는 전해 커패시터(electrolytic capacitors)를 사용합니다. 전해 커패시터는 때로는 작은 용량의 폴리프로필렌(polypropylene)이나 다른 유사한 고급 커패시터로 바이패스(bypass) 시킵니다. 바이패싱이란, 용량이 작은 고급 커패시터를 큰 용량의 커패시터에 병렬로 연결하는 것입니다. 고급 커패시터의 음향적 장점 중 일부가 유지되며, 전해 커패시터의 비용 및 크기의 장점도 함께 얻을 수 있습니다. 마지막으로, 일부 스피커들은 일반적인 케이블 대신에 하이엔드 케이블로 내부 배선이 되어 있습니다.



크로스오버 없는 동축 드라이버


틸 오디오(Thiel Audio)에서는 최근 같은 드라이브 유닛의 미드레인지 콘 내에 돔 트위터를 결합한 독특한 드라이버를 소! 개했습니다. 이 같은 "동축(coaxial)" 스피커는 새로운 것이 아니지만, 틸의 혁신은 드라이버가 아무런 전기적 크로스오버를 필요로 하지 않는다는데 있습니다. 트위터를 물리적으로 부착한 것이 전기적인 크로스오버로 작용하여, 미드레인지의 주파수가 트위터로 들어가지 않도록 합니다. 트위터의 크로스오버를 제거함으로써 음질에 큰 이점을 제공하며, 동축 배열은 두 드라이버를 완벽히 시간에 정렬합니다.  

짐 틸(Jim Thiel)은 그러한 드라이버를 오랫동안 생각해왔지만, 작동 여부에 대해 의문을 갖고 있었습니다. 어느 주말에 그는 정말 작동이 될지, 또는 실제로 만들려면 어떤 일들이 필요한지 등을 알기 위해서 하나를 조립해 보았습니다. 그 장치는 그가 놀랐을 정도로 거의 완벽하게 작동하였습니다. 이 드라이버는 이제 틸 스피커 라인 전체에 사용되고 있습니다

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