스피커의 기초상식(★)

인터넷에 올라온 스피커의 여러 자료를 살펴봤지만 입문자나 기계에
대한 관심이 낮은 분들이 보기에는 이해하기 어려운 접근방법으로 나열되어 있어
유치원생들도 한 번에 이해할 수 있을 정도의 수준으로 강좌를 올려드립니다.
오디오 생활 하시는데 좀 더 깊은 곳 까지 근접하실 수 있는 계기가 되었으면 합니다.

1, 스피커 유닛의 이해
스피커 유닛은 형태에 따라서 돔형, 콘형 등 여러 가지로 나눠집니다.
하지만 원론적인 부분을 이해 못하면 아무 소용이 없습니다.
그래서 스피커 유닛의 기본 작동원리를 말씀 드립니다.
가장 오래되고 가장 널리 사용되는 방식이 자석에 동그란 코일을 감아
자력 층 가까이에 위치시키면 코일에 흐르는 전류에 따라 자력의 영향을
받은 코일은 위아래도 움직이고 이 코일을 소리를 만든다 하여
보이스 코일이라고 합니다.
이 보이스 코일 위에는 진동판이 붙어있어 소리를 내게 됩니다.
사진1

스피커 유닛의 구조유닛의 구조

사진2

위 사진에서 노란색으로 표시한 부분의 공간은 보이스 코일과 자석간의
간격을 표시합니다.
이 간격을 최대한 좁히면 보이스 코일은 좀 더 많은 자력을 얻어
힘을 더 만들 수 있지만 너무 좁아지면 상하 운동을 하는데 있어
자석과 부딪힐 수 있습니다. 그리고 조그만 이물질이 이 사이에
들어갈 경우 코일표면에 코팅된 절연체인 에나멜이 손상되어 결국
고장이 납니다.
그리고 스피커 유닛이 고장 나는 이유는 너무 과 입력이 들어와
보이스코일이 타거나 과한 운동으로 보이스 코일이 헝클어집니다.
보이스 코일이 타면 냄새로 알 수 있고 소리가 나지 않거나 거꾸로
앰프를 고장 내기도 합니다. 그래서 보이스코일을 당장 갈아줘야 합니다.
보이스 코일이 헝클어진 경우에는 뭔가 걸리는 듯한 소리가 나며
이럴 경우 보이스코일을 정리해서 재조립만 해주면 됩니다.
사진 3

사진 4

사진 5

사진 6

2, 스피커 유닛의 실험
스피커는 회로 상에서 전기적인 현상에만 적용되기에 아래와 같이 표시됩니다.
사진 7

위 스프링 같은 것이 보이스 코일을 표현한 도식입니다.
만약에 1.5볼트의 배터리를 스피커에 연결하면 어떤 현상이 일어날까요?
사진8

위 사진과 같이 스피커 유닛에 스위치를 만들어 전류를 흘립니다.
이때 사용되는 유닛은 눈에 잘 보이기 위해 우퍼를 사용합니다.
사진 9

스위치를 ON 시키면 그림과 같이 우퍼의 콘지는 배터리 전력의 크기만큼
“퍽” 소리를 내며 앞으로 튀어나옵니다.
기준점은 어떤 에너지도 스피커에 넣지 않았을 때의 콘지 위치입니다.
그럼 반대로 배터리의 극성을 바꿔 연결하면 어떻게 될까요?
사진 10

이럴 경우 역시 “퍽” 소리를 내며 유닛의 후방으로 콘지는 빨려 들어갑니다.
그런데 여기에서 사진 9 나 10의 상태로 배터리를 연결해 오랜 시간이
흐르면 어떻게 될까요?
이는 마치 돌아가는 선풍기를 강제로 세우려는 것과 같은 원리입니다.
선풍기를 꼭 잡고 전원을 넣어 보신 분 계신가요?
그렇게 한 5분만 지나면 선풍기 모터에서 열이 발생하여 불이 납니다.
이는 운동에너지로 방출해야 당연한데 운동에너지가 멈추니 그 에너지가
모두 열에너지로 바뀌게 되어 모터가 타는 것입니다.
스피커도 마찬가지입니다.
상하로 운동을 해야 하는 보이스 코일이 전류만 흐르고 정지해 있다면
이 에너지는 열에너지로 변해 보이스코일에서 서서히 열이 발생하며
심한 경우 보이스코일이 타버립니다.
이런 극단적인 설명을 드리는 이유는 따로 있습니다.
앰프를 켰을 때 앰프의 스피커 출력단자에는 미세한 직류성분이 흐릅니다.
이것을 출력 DC 드리프트라고 합니다.
이 DC 드리프트 전압은 음악신호에 상관없이 앰프가 켜져 있다면 항상
생깁니다.
그럼 어느 정도의 전압까지 허용될까요?
업체마다 그 기준은 조금씩 다르지만 보통 +/- 100mV, 즉 +/- 0.1V 로
잡습니다.
이 기준치를 넘으면 점검을 받으셔야 합니다.
이 DC 드리프트 전압이 기준 이상이 된다면 위 사진의 기준점으로 표시된
라인에서 벗어난 상태에서 스피커가 움직입니다.
그리고 이 DC 드리프트 전압은 앰프를 켤 때와 끌 때 가장 많이 발생합니다.
그래서 릴레이가 없는 앰프에서 앰프를 켤 때와 끌 때 “퍽 소리가 나는 것입니다.
하지만 릴레이가 없는 앰프더라도 회로구성이 잘 된 제품이라면 전원 투입 후
수초가 지나면 안정적으로 변합니다.
하지만 그 반대의 앰프들은 일명 스피커 잡는 앰프라 하여 오디오를 오래 하셨던
분들은 그런 모델을 기억하실 겁니다.
아무리 하이엔드 제품이라도 이런 현상은 발생하기 때문에 자동차의 점검처럼
테스터를 이용하여 수시로 체크해 주셔야 합니다.
그렇지 않으면 고가의 스피커가 쥐도 새도 모르게 고장 날 수 있습니다.

3, 네트워크의 역할
풀레인지 스피커(스피커 통에 유닛이 하나뿐인 스피커)를 빼고는 모든 스피커에
네트워크란 회로가 들어갑니다.
사진 11

스피커 유닛은 저역 중역 고역, 이렇게 크게 세 가지로 나뉩니다.
이것은 각각의 유닛이 담당하는 주파수 대역 재생을 유리하게 하기 위하여
만들어졌기 때문입니다.
2WAY 스피커
- 스피커에 유닛이 우퍼(저역담당)와 트위터(고역담당) 이렇게 두 개가 들어가는
스피커입니다.
3WAY 스피커
- 스피커에 유닛이 우퍼와 미드레인지(중역담당), 트위터 이렇게 세 개가
들어가는 스피커입니다.
4WAY 이상의 구조를 가진 스피커는 3WAY 시스템을 좀 더 잘게 잘라서
유닛구성이 3개 이상인 구조를 말합니다.
그런데 2WAY 3스피커, 또는 3WAY 4스피커라는 형식도 있는데 이는
다음에 다시 설명 드리겠습니다.
먼저 네트워크 없이 스피커를 만든다면 어떻게 될까요?
사진 12

위 그림과 같이 됩니다.
그럼 입력되는 음악 신호가 똑같이 우퍼와 트위터에 들어갑니다.
그런데 유닛의 성격상 우퍼는 고역 재생을 잘 못하고 트위터는 저역재생을 잘 못합니다.
재생능력이 떨어지는 주파수대와 유닛이 만나면 소리가 찌그러집니다.
이런 현상을 막는 것이 네트워크이고 주파수를 교통통제 하듯 고역은 트위터로만,
그리고 저역은 우퍼로만 들어갈 수 있게 컨트롤 해주는 것입니다.
그럼 어떻게 가청주파수 대역인 20Hz에서 20KHz 의 주파수를 어떻게
고역과 저역으로 걸러낼까요?
이때 콘덴서와 코일을 이용합니다.
콘덴서는 높은 주파수 대역은 잘 통과시키는데 반면 코일은 낮은 주파수대만
신호를 통과시키는 특성이 있습니다.
그래서 다음과 같은 간단한 네트워크가 사용됩니다.
사진 13

이렇게 개별적으로 각각의 소자가 하나씩 들어가게 되면
6dB의 특성을 갖습니다.
여기서 6dB란 감쇄율을 말하는 것으로 다음 그림을 참조하세요.
사진 14

그림에서 이득이 올라가고 내려가는 가파른 상승률 또는 하강률을
말하며 저역 주파수 대역과 고역 주파수 대역이 만나는 지점을 흔히 크로스오버 주파수라고 합니다.
크로스오버 주파수는 사용자에게 미리 스피커의 특성을 알 수 있게
해주는 척도가 되기도 합니다.
지금까지 6dB 감쇄율의 네트워크를 보았는데 다음은 12dB 감쇄율을
갖는 네트워크를 보시겠습니다.
사진 15

6dB 네트워크에 비해 부품이 하나씩 더 추가되어 들어갑니다.
6dB 네트워크에 들어간 부품은 유닛에 대해 직렬로 들어갔지만
12dB 네트워크는 병렬로 연결되는 방식을 취합니다.
사진 16

고역은 일단 한번 콘덴서를 거친 고역대 주파수를 걸렀는데 혹시
걸러진 주파수에 남아있는 저역성분을 한 번 더 버리기 위해
코일이란 배수진을 친 것이며 저역에 들어가는 콘덴서 역시 같은 맥락입니다.
이렇게 되면 감쇄율은 더 급격하게 올라가고 떨어집니다.
그림을 잘 못 그렸는데 하강곡선이 두 배로 떨어진다고 봐 주세요....
사진 17

그렇다면 6dB 방식이 더 좋을까요? 아니면 12dB 방식이 더 좋을까요?
정답은 없습니다.
유닛과 여러 특성을 감안해서 6dB방식과 12dB방식을 적절하게 섞어서
만드는 제품도 있기에 정답은 없는 것입니다.
이런 네트워크와 스피커 유닛의 특성이 합쳐져서 스피커의 전반적인 스펙이 나옵니다.
참고로 콘덴서와 코일의 특성을 다시 한 번 언급하겠습니다.
2WAY 네트워크를 보여드렸는데 전에 언급한 앰프의 DC드리프트가 심할
경우 우퍼와 트위터 중 어느 쪽의 데미지가 더 크겠습니까?
DC는 0Hz로 이 0Hz를 네트워크 특성에 비춰본다면 가장 낮은 저역입니다.
코일은 저역만을 통과시킨다고 했고 콘덴서는 고역만을 통과한다고 했습니다.
당연 트위터 보다 우퍼가 더 데미지를 받습니다.
그래서 콘덴서가 들어가는 트위터 쪽은 DC 테스터기로는 임피던스 측정이 불가능 하여
특정 주파수(보통 1KHz)를 이용하여 임피던스를 체크합니다.
그래서 저항 값이 아닌 임피던스 값이라고 부릅니다.
그리고 2WAY 3스피커, 또는 3WAY 4스피커라고 불리는 스피커의 구조를 한번
보겠습니다.
사진 18

위 그림처럼 한 개의 네트워크에 더블 유닛이 붙은 경우를 말합니다.
어떠한 유닛도 더블 유닛으로 사용 할 수 있기에 저역, 중역, 고역을 가리지 않습니다.