스피커의 규격 및 측정치

스피커의 규격 및 측정치 


스피커의 측정된 성능과 그 음질 사이에는 오디오 시스템의 다른 구성 기기보다 더 많은 상관 관계가 있습니다. 고역 롤오프가 있는 스피커는 소리가 둔할 것입니다; 고역 끝이  상승하는 것으로 측정된 스피커는 밝고 앞으로 나오는 소리를 내어줄 만합니다. 이렇게 말하기는 했지만, 여러분이 스피커의 규격이나 측정치로 스피커의 성능을 판단할 수 없다는 사실을 강조해야 되겠습니다. 우수한 측정 성능은 높이 평가되지만, 감상실에서의 스피커의 음악적인 능력은 알 수 없습니다. 그것을 알기 위해서는 들어보아야 합니다. 

다음은 스피커 규격서나 스피커 리뷰에서 보게되는 측정치에 대한 설명입니다. 

임피던스는 스피커가 파워앰프에 대해 나타내는 전기적인 저항입니다. 부록 B에서 상세히 설명하겠지만, 스피커의 임피던스는 단순한 직류 저항과 유도성 리액턴스(inductive reactance), 그리고 용량성 리액턴스(capacitance reactance)의 조합입니다. 임피던스가 높을수록 앰프가 구동하기 쉬워집니다. 저-임피던스 스피커는 앰프가 더 많은 전류를 스피커를 통해 구동하도록 하여, 앰프에게 많은 스트레스를 줍니다. 

스피커가 "6옴"으로 표시될 수 있다고 해도, 실제의 임피던스는 항상 주파수에 따라 변화합니다. 그림 7-27a는 낮은 임피던스 스피커에 대한 임피던스 곡선(실선)을 보여주고 있습니다. 4옴(수평선 눈금에서 "40.0m") 이하의 임피던스 딥이 저역과 중역의 대부분을 지나가고 있습니다. 임피던스 최소치는 30Hz에서 1옴을 조금 넘습니다 - 극단적으로 낮은 값입니다. 





그림 7-27a 및 b 스피커의 임피던스 크기(실선) 및 페이스 앵글(점선)은 파워앰프가 구동하기가 얼마나 쉬운가 또는 어려운가를 가리킵니다.

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임피던스 그래프에서의 점선은 스피커의 위상각(phase angle)을 보여주며, 스피커가 얼마나 유도성(inductive)인지 또는 용량성(capacitive)으로 앰프에 보이는가를 표시합니다.  만일 스피커가 순수한 저항(커패시턴스나 인덕턴스 없이)만을 나타낸다면, 페이스 앵글의 그래프는 직선이 될 것입니다. 중심선으로부터 멀리 떨어질수록 스피커가 그 주파수에서 더욱 반응하는(reactive) 것이 됩니다. (위상각은 부록 B에서 자세히 논할 것입니다.)

높은 리액턴스와 낮은 임피던스가 합쳐지면, 파워앰프가 구동하는 것이 특히 어렵게 됩니다. 그림 7-27a에 보이는 심한 위상각의 흔들림과 낮은 임피던스가 결합되면, 파워앰프에 지나친 요구를 하는 것이 될 것입니다. 이것은 스피커가 작동하지 않는다는 것을 의미하는 것이 아니라, 상당한 양의 전류를 저-임피던스 부하로 전달할 수 있는 파워앰프에서 스피커가 더욱 잘 작동한다는 것일 뿐입니다. 예를 들면, 8옴 부하와 비교하여 4옴에서 그 파워를 거의 2배로 하는 앰프는, 4옴에서 그 파워를 거의 증가시키지 못하는 앰프보다는 더 좋은 선택이 될 것입니다. 

구동하기 더 쉬운 부하가 그림 7-27b에 나와 있습니다. 그 임피던스는 넓은 대역에 걸쳐 더 높으며, 위상각의 흔들림이 덜 심합니다. 임피던스는 6옴 이하로 빠지는 일이 없으며, 넓은 대역에 걸쳐 수치가 훨씬 더 높습니다. 이 스피커는 파워앰프로부터 훨씬 적은 전류를 요구할 것입니다. 

스피커의 임피던스 크기와 위상각은, 그 감도와 관련하여 판단하여야 합니다. 높은 감도를 가진 스피커는 스피커의 임피던스를 고려하지 않는다면 낮은 감도를 가진 스피커보다는 파워앰프에 훨씬 적게 요구합니다. 낮은 감도, 낮은 임피던스, 그리고 심한 위상각이 결합되면, 음악적으로 받아들일 수 있는 결과를 얻기 위해 최고급의 앰프가 필요합니다. 

감도(sensitivity)는 1m 떨어진 곳에서 측정한 1와트 입력에서의 음압 레벨로 표현할 수 있습니다. 스피커의 감도는 88dB/1W/1m로 표시될 것입니다. 높은 감도는 일반적으로 90dB/1W/1m 이상의 값으로 여겨지며, 반면에 낮은 감도는 85dB/1W/1m 이하의 값입니다. 

감도는 8옴 부하에서 1W에 해당하는 2.83V의 구동 신호로도 표시될 수 있다는 사실에 주의하십시오. 스피커 제조 회사는 2.83V 값을 4옴 스피커에 사용하여 스피커의 감도 등급을 3dB이나 높임으로써 감도의 수치를 속일 수 있습니다. 이 스피커는 3dB 더 민감한 것이 아니라, 단지 동일한 2.83V에서 파워앰프로부터 2배 많은 전류를 끌어오는 것입니다. 만일 여러분이 2.83V 값을 보게되면, 임피던스가 8옴인지 확인하십시오. 

"능률(efficiency)"이라는 용어가 감도를 대신하여 부정확하게 사용되고 있다는 사실을 주의하십시오. 기술적으로 능률은 스피커에 의해서 음향 에너지로 전환되는 전기 에너지의 백분율입니다.

스피커의 임피던스와 위상각 측정은 실험실에서 전기적으로 할 수 있습니다. 그러나 스피커의 음향 특성을 측정하려면, 스피커의 앞에 마이크로폰을 두고, 테스트 신호로 스피커를 구동해야 합니다. 그 결과 측정된 응답은 스피커의 고유한 특성이 아니라, 측정치가 얻어진 공간에 의해 변조된 스피커의 응답이 됩니다. 우리가 알고 있듯이 스피커의 성능은 사용되는 공간에 크게 의존합니다. 스피커의 특성보다는 공간의 특성을 더 많이 측정하고 결론을 내릴 수 있습니다.

이러한 문제점을 해결하는 한 가지 방법은, 스피커를 무향실 - 표면이 고도의 흡음재로 덮인 방 - 에서 측정하는 것입니다. 이 재질은 실제로 부딪히는 모든 소리 에너지를 흡수하여, 방으로는 에너지를 다시 반사하지 않습니다. 결과적으로, 측정 마이크로폰은 오직 스피커의 응답만을 "보게" 됩니다. 

무향실은 건축에 비용이 많이 들고, 또 많은 면적을 소모합니다. 그래서 기술자들은 일반적인 방에서 측정된 결과로부터 공간의 영향을 배제하고, 스피커를 측정하는 방법들을 개발해왔습니다. 이러한 기술 중 하나는, 고(故) 리처드 헤이저(Richard Heyser)가 고안한 타임 딜레이 스펙트로메트리(Time Delay Spectrometry, TDS)입니다. TDS 측정에서는, 테스트 중인 스피커를 연속 사인파(swept sinewave)로 구동합니다. 측정 마이크로폰에 의해 수집된 신호는 오직 좁은 범위의 주파수만 통과하도록 하는 필터에 의해 걸러집니다. 필터가 통과시킨 주파수는 스피커를 구동하는 연속 사인파를 뒤따르지만, 수 밀리 초(ms)씩 시간이 지연됩니다. 필터의 지연은, 정확히 스피커로부터의 소리가 측정 마이크로폰에 도달하는 데 걸린 시간의 양입니다. 측정 마이크로폰에 도달한 소리는, 스피커의 직접적인 음향출력에 방의 반사에 의해 수 밀리 초 지연된 소리가 뒤따른 것입니다. 

여기가 스웹트 대역 필터(swept bandpass filter)가 등장하는 곳입니다. 필터는 사인파의 자극을 쫓아서, 반사음이 마이크로폰에 도달할 때 필터가 반사음의 주파수에 앞서 움직이고, 반사음을 소멸시키도록 합니다. 그 결과는 공간에 의해서 변조되지 않은 스피커 고유의 응답이 됩니다. 

더 인기 있는 두 번째의 방법은, 퍼스널 컴퓨터 기반의 하드웨어와 MLSSA(Maximum Length Sequence System Analyzer)로 부르는 소프트웨어 패키지에서 수행합니다. 테스트 대상의 스피커를 특수한 노이즈 시퀀스(noise sequence)의 패턴을 포함하는 자극으로 구동합니다. 스피커의 몇 피트 앞에 있는 측정 마이크로폰은, 이 신호를 수집하고 메모리에 저장된 노이즈 시퀀스의 패턴과 비교합니다. 스피커가 이 시퀀스를 바꾸는 형태로부터, 시스템은 스피커의 임펄스 응답(impulse response)을 계산합니다. 임펄스 응답과 첫 번째 반사 사이의 기간은 울림이 없으며, 무향실에서 측정한 것과는 구별할 수 없습니다. 다음에 임펄스 응답은 첫 번째 반사에서 지속되는 정보를 제거하도록 윈도우드(windowed)되어, 울림이 없는 윈도우(anechoic window)만 남기게 됩니다. 

임펄스 응답은 시간 영역의 신호로, 푸리에 분석(Fourier analysis)을 사용하여 주파수 영역으로 변환합니다. 푸리에 분석은 임펄스 응답(시간 영역의 신호)을 주파수 응답(주파수 영역의 신호)으로, 또는 그 반대로 변환하는 수학적 방법입니다. 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)이라는 용어는, 한 영역에서 다른 영역으로 전환하는 것을 나타냅니다.  

스피커의 임펄스 응답에서 시스템의 주파수 응답을 얻을 수 있습니다. 그 결과는 스피커의 응답에서 공간의 영향을 제거한 것입니다. 그러나 울림이 없는 윈도우의 길이가 측정치의 저주파 해상도를 결정한다는 사실에 유의하십시오. 주파수 영역으로 변환되는 임펄스 응답에서 울림이 없는 부분이 길수록, 정확히 측정할 수 있는 주파수가 낮아집니다. 스피커를 이러한 방법으로 측정할 때에는, 높은 스탠드에 두어서 바닥과 천장의 중간에 있도록 하여 울림이 없는 윈도우를 최대로 합니다. 그렇기 때문에 측정공간은 가능한 커야 합니다. 

이렇게 측정할지라도 MLSSA 측정치의 저주파 해상도는, 매우 넓은 공간(긴 무반사 창)을 갖고 있지 않으면 만족스럽지 못합니다. 스피커의 저주파 성능을 더욱 잘 측정하기 위해 측정 마이크를 우퍼 콘에 거의 닿을 정도로 가깝게 둡니다. 이 위치에서는 공간의 영향을 무시할 수 있습니다. 이렇게 우퍼 근처(nearfield)에서 별도로 측정한 응답을, 넓은 대역에 걸쳐 정확한 측정치를 제공하도록 MLSSA에서 나온 응답에 첨부합니다. 

이러한 배경 지식을 갖고 스피커 리뷰에서 보았을 법한 측정치들의 세트를 살펴보고, 또 그것들이 무엇을 의미하는지 조사해 보겠습니다. 

스피커의 임펄스 응답은 스피커 시스템이 얼마나 시간적으로 일치(time-coherent)되어 있는지, 또 드라이버가 얼마나 링잉(ringing)을 나타내는지, 그리고 드라이버들이 같은 극성으로 접속되어 있는지 등을 포함하여 스피커의 시간 특성을 나타냅니다; 코히어런트 스피커는 드라이버 사이의 위상 지연이 없습니다. 즉, 드라이버들이 입력 신호에 응답하여 모두 보조를 맞추어 움직이는 것입니다. 타임 코히어런트하지 않은 스피커는 개별 드라이버로부터의 출력이 시간에 대해 다소 요동합니다. 링잉(ringing)은 입력 신호가 멈춘 다음의 드라이버의 움직임입니다. 

그림 7-28a는 좋지 못한 타임 코히어런스를 가진 스피커의 임펄스 응답입니다. 음의 방향으로 진행하는 스파이크(spike, 트위터의 출력)는 다른 드라이버들이 출력하기 전에 트위터의 출력이 발생하며, 반대 극성으로 연결되어있음을 가리킵니다. 그림 7-28b에서의 충격 반응은 훨씬 더 코히어런트 합니다; 모든 드라이버가 같은 방식으로 충격에 반응합니다. 이상적으로는, 임펄스 응답이 빠른 상승 시간(rise-time, 충격의 가파름으로 표시되는)을 그리고 충격이 멈춘 후에는 최소의 드라이버 링잉을 가져야 합니다.(링잉은 충격 이후의 짧고 불규칙한 곡선으로 볼 수 있습니다.) 

  




그림 7-28a 및 b 불량한(왼쪽) 그리고 우수한 임펄스 응답(오른쪽) 

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스피커의 시간 특성을 살펴보는 또 다른 방법은, 스텝 응답(step response)이나 또는 직류(DC)가 들어왔을 때, 스피커가 어떻게 행동하는가를 보는 것입니다. 스텝 응답은 임펄스 응답에서 얻어지며, 스피커의 출력과 시간을 그래프로 나타냅니다. 그림 7-29a는 우리가 그림 7-28a에서 본 임펄스 응답과 동일한 스피커의 스텝 응답입니다. 느린 상승 시간(스피커가 입력 신호에 응답하여 최대의 증폭도에 도달하는 데에 걸리는 시간) 뿐 아니라, 트위터(음의 방향으로 진행하는 스파이크)와 다른 드라이버들 사이의 지연이 뚜렷합니다. 대조적으로, 그림 7-29b는 실질적으로 완벽한 스텝 응답입니다. 드라이버들이 타임 코히어런트하고, 상승 시간은 극단적으로 빠릅니다(스텝은 곧바른 수직선입니다). 이 스텝 응답은 그림 7-28b의 임펄스 응답으로부터 얻어진 것입니다. 





  

그림 7-29 a 및 b 불량한 스텝 응답(좌측) 및 우수한 스텝 응답(우측) 

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림 7-30은 스피커의 전체적인 주파수 응답을 30°수직 윈도우 위에서 측정한 것입니다. 이것은 단순히 주파수 응답을 스피커의 전면 배플로부터 다양한 각도로 측정하였음을 나타내며, 곡선이 되도록 평균을 낸 것입니다. 응답을 평균화하면 스피커에 대한 감상자의 주관적인 응답을 더욱 잘 나타내게 됩니다; 측면 에너지의 일부분은 감상실의 옆벽으로부터 반사되고 나서 감상자에게 도달할 것입니다. 이 특정한 스피커는 좀  5kHz와 15kHz 사이에 과도한 고역 에너지를 갖고 있어서, 고역에서 들뜬 소리를 냅니다. 15kHz 이상에서는 응답이 얼마나 급속히 떨어지는지 유의하십시오. 500Hz와 1kHz 사이의 넓은 딥은 바로 앞에 있는 것보다는, 멀고 깊은 느낌을 줍니다. 저역에서의 상승은 저주파 억제가 덜하여, 저역이 넉넉하지만 펑퍼짐한 인상을 준다는 사실을 지적하고 있습니다. 요약하면 평탄한 선으로부터의 이러한 이탈은 스피커의 착색을 나타내는 것입니다. 




그림 7-30 30°수직 윈도우 이상에서의 주파수 응답 평균 

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그림 7-31은 스피커 응답 곡선의 "수평계(horizontal family)"입니다. 이들은 측정 마이크로폰이 스피커의 주위에서 움직임에 따라 스피커의 응답이 어떻게 변화하는가를 나타냅니다. 주파수 응답 측정치는 이러한 개별 곡선의 평균을 나타냅니다.






그림 7-31 수평 응답계

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스피커의 바로 앞(축 방향)에서 주파수 응답을 나타내는 선을 직선으로 일반화하여, 다른 곡선들이 오직 축 방향 응답으로부터의 차이를 보여주도록 할 수 있습니다. 수평계는 스피커의 확산, 또는 스피커가 음향 에너지를 주파수의 함수로서 어떻게 공간에 방사하는가를 나타냅니다. 이 특정한 스피커는 마이크로폰을 캐비닛의 양옆으로 옮겨감에 따라 전형적인 고역 감쇠를 보여주지만, 또한 축 방향에 과도한 고역 에너지를 드러냅니다. 이러한 커브는 스피커를 토-인 없이 들어야 한다는 사실을 제시합니다; 축 방향에서의 과도한 고역은 감상자가 약간 비축 방향(토-인 없이)으로 앉으면 감소됩니다. 비축 방향에서 극단적인 변화를 나타내는 스피커는 축 방향 응답이 매우 평탄할지라도 소리를 착색시킬 수 있습니다.


다음의 측정(그림 7-27)은 감상 높이에 따라 스피커 응답이 어떻게 변화하는가를 보여주고 있습니다. 평탄한 선을 일반화하여 수직 축 방향 응답으로부터의 차이만 보이도록 할 수 있습니다. 축 방향 지점은, 대개 트위터 축, 또는 일반적인 감상 축입니다.(흔히 측정에 이를 나타내는 주석이 붙습니다.) 여러분이 보다시피, 주파수 응답의 변화는 감상 높이에 따라서 극단적으로 변화합니다. 스피커는 응답에서 매우 심한 피크와 딥(간섭효과에 의해서 발생합니다)을 갖고 있습니다. 이것은 스피커가 감상 높이에 따라 매우 다르게 소리를 낼 것임을 의미합니다. 이 예는 극단적입니다; 대부분의 스피커는 수직 축에 따라 그렇게 심한 응답 변화를 나타내지 않습니다. 그러나 모든 스피커들은 감상 축에 따라 음조의 균형이 약간씩 변화를 보입니다. 이 측정된 응답은 스피커를 시청할 때의 감상 높이에 대한 중요성을 강조합니다. 






그림 7-32 수직 응답계 

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이상적인 스피커는 입력 신호가 멈추자마자 음향 에너지를 발생시키는 것을 멈춥니다. 실제로 일부의 음향 에너지는 양은 적지만, 항상 드라이버와 인클로저에 저장됩니다. 이 에너지는 시간에 따라 방사되어 종이 울리는 것 같습니다. 스피커의 응답을 시간에 따라 살펴보면, 그 주파수 응답을 분할된 시간에 따라 그래프로 그릴 수 있습니다. 앞서 설명한 대로 주파수 응답은 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 임펄스 응답으로부터 얻을 수 있습니다. 임펄스 응답의 윈도우를 FFT가 수행되는 곳에 옮겨서, 시간에 따라 서로 다른 지점에서의 스피커 주파수 응답을 얻을 수 있습니다. 특히 그림 7-33a와 b의 그래프를 만들어내기 위해서 FFT로부터 얻는 주파수 응답을 4ms마다 대략 백 번 이상 계산합니다. 이 그래프는 큐뮬러티브 스펙트럴-디케이 플롯(cumulative spectral-decay plot)으로 부르는 것이 적절하지만, 폭포에서 물이 떨어지는 것과 비슷하기 때문에 더 일반적으로는 워터폴(waterfall) 플롯으로 부릅니다. 이 그래프는 스피커의 출력이 시간과 주파수에 따라 어떻게 변화하는가를 나타냅니다. 가장 위의 곡선은 제로 시간에서 스피커의 주파수 응답입니다. 그 다음으로 낮은 선은 40마이크로 초(40㎲)에서의 주파수 응답입니다. 그 다음으로 낮은 선은 40㎲ 이후로 계속됩니다. 






그림 7-33 a 및 b 불량한(왼쪽) 그리고 우수한(오른쪽) 큐뮬러티브 스펙트럴 디케이

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시간에 따른 응답을 그래프로 나타냄으로써, 캐비닛의 공진, 드라이버의 링잉, 드라이버의 파괴, 그리고 다른 문제들을 쉽게 이해할 수 있습니다. 드라이버의 공진은 그래프에서 수직방향의 능선으로 보이게 됩니다; 스피커는 충격이 멈춘 후에도 오랫동안 능선의 주파수에서 에너지 방출을 지속합니다. 완벽한 스피커는 꼭대기에서 직선을 만들어내고, 즉시 소멸하여 에너지 출력이 사라집니다. 

큐뮬러티브 스펙트럴-디케이 테스트에서의 불량한, 그리고 우수한 성능의 예가 그림 7-33a와 b에 나와 있습니다. 그림 7-33a에서는 구동 신호가 멈춘 후 2ms동안 - 스피커에서는 긴 시간 - 이 주파수에서 스피커가 음향 에너지를 발생시키는 것을 지속한다는 사실을 나타냅니다. 대조적으로 그림 7-33b는 예외적인 특성을 보여줍니다; 음향 출력은 매우 신속하게 떨어지며(위쪽의 몇 몇 곡선과 아래쪽 곡선 사이의 하얀 공간), 그리고 능선이 뚜렷하지 않습니다. 2963Hz에서의 작은 공진은 그림 7-33a에 보이는 공진과 비교했을 때 사소한 것으로, 이 주파수가 음악에 의해서 자극될 때에 음색이 변화하는 것으로 들을 수 있습니다. 

스피커 캐비닛의 특성을 조사하기 위해서 동일한 방법을 사용할 수 있습니다. 진동 가속도계(accelerometer)를 스피커에 부착하고, MLS 신호로 구동합니다. 진동 가속도계의 출력을 워터폴 그래프에 그려서 주파수와 캐비닛 공진의 증폭도를 나타냅니다. 예를 들면, 그림 7-34는 187Hz의 극심한 공진을 가진 인클로저를 보여주고 있으며, 그 주파수에서 좁은 능선으로 보입니다. 이 스피커는 187Hz에서 에너지를 저장했다가 서서히 방출합니다. 이렇게 되면, 그 주파수에서 음악에 의해 자극될 때, 의심할 바 없이 저역을 착색할 것입니다.   






그림 7-34 스피커 캐비닛에 부착한 진동 가속도계 출력의 큐뮬러티브 스펙트럴-디케이

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스피커 디자인에 대해 더 깊은 지식을 원하는 독자들은 마틴 콜롬즈(Martin Colloms)의 하이 퍼포먼스 스피커(High Performance Loudspeaker, Halsted Press, ISBN 0-470-21271-9)가 이에 대한 결정적인 참고서입니다.