스피커 원리

2007/05/11 22:23

유니트편

 

☆혼 스피커(horn type speaker)

혼 스피커란  중음, 고음용으로 쓰이는 것으로서, 구조는 아래와 같이

공기의 진동을 만들어 내는 드라이버 유닛 (driver unit)

과 그것을확산시키는 혼 (horn)부로구성된다.

드라이버 유닛의 구조는 콘 스피커의 그것과 기본적으로는 비슷하나, 세부적으로는 크게 다르다.

먼저 공기를 진동시키는 콘페이퍼에 해당하는 부분은, 금속 또는

합성수지계열의  단단한 것으로, 크기는 보이스 코일과 비슷

하다. 그 다음 다른 점은 콘 스피커는 후방으로도 소리가 나는데,

혼 드라이버는 후방이 완전히 밀폐가 되어 소리가 후방으로

는 나지 않는다.콘지에 상당하는 진동판은 다이어 프렘 (diaphragm) 이 라고 하는데.

이 다이어 프렘 앞에 이퀄라이져

(equalizer)라 하는 금속으로된 원추형 모양의 부품을 장착한다.

이퀄라이져의 역할은 다이어프렘에 강한 공기 제동을 걸어서

특성을 부드럽게 하고, 재생 주파수 범위를 확대하는 것이다. 

혼 스피커의 성능은 다이어 프렘의 재질과 가공 정밀도, 및 이퀄라이져의 위치 관계로 결정된다.

그런 의미에서 다이어 프렘과 이퀄라이져는 혼 스피커의 전부라 해도 좋을 것이다.

위의 구조를 가진 다이어프렘이 내는 공기 압은 매우 큰 것이며,

이것을 금속 또는 목제 의 메가폰과 같은 꼴로 된 혼 (나팔) 부

로 전방으로 확산시킨다. 낮은 주파수를 재생시킬수록 혼부위의 길이가 길어지고

출구의 개구면적도 커진다. 혼 부위의 길이

가 길어지면, 높은 주파수의 음압 레벨이 떨어지고 고음이 나기 어려워짐과 동시에

혼의 정면 축상으로 조금만 벗어나면 급격

히 고음역이 약화되어 버린다. 즉 지향성이 떨어진다.

이것을 해결 하려면 뒤에 설명하게 되는 음향  렌즈나 멀티 셀러 혼을 사용한다든가 

높은 주파수를 소형의 혼으로 담당하게

하여 3  웨이로 만든다.

혼 스피커의 역사는 콘스피커보다도 오래고, 미군의 전령용으로 ,

적은 입력으로 큰 출력을  내는 것, 즉 능률이 좋은 스피커로

개발이 된것이 최초이다.

그  이후로도 개량이 많이 이루어져 고급 스피커 로서의 시스템용으로 개발이 되어,

홀이나 스튜디오뿐 아니라 널리 일반 애호

가에게도 애용되고 있다.양질의 혼 스피커는매우 고가이지만

그 재생음은 밝고개방적이며 강대한 포르테 시모도 무난히 재생

된다.다른타입의 스피커로는 맛볼 수 없는웅대한 스케일 감과소리의 우수한분리도,

그리고 섬세한투명도를 제공한다.
 


☆멀티 셀러 혼

극장이나 홀과 같은 넓은 장소에서 보다 효율적으로 큰 소리를 재생하기 위해

혼 스피커를 사용하며 모든 방향에대해서 고음

부까지 퍼지게 하려는 목적으로 만들어진 것이다.

결국은 디퓨져와 같은 목적이 되는데, 멀티셀러 혼은 형상이 커지므로,

가정용으로는 부적당하고 공간이 넓은 회의장이나 극

장용으로 쓰인다.구조는 비교적 개구부가 적은 혼 스피커를  많이 사용하여

조금씩 방향을 틀어서 결합시키는 것과 같으므로

그숫자를 더 하므로써 180°방향으로 균일하게 소리를 확산할 수 있다.

드라이버 유니트와 연결되는 혼의 네크 (Neck) 부분은 1개의 드라이버 유니트로

이어지도록 되어 있으나 2∼4개로 늘리는

경우도 있다. 혼의 개구 부분만이 분할된 것과 같은 꼴로 된 혼도 있는데

이런 것은 확산 속도는 적고혼 뿌리 부분까지 분할

되어 있지 않으면 그 효과가 적다.

 

☆디퓨져 (diffuser) = 음향렌즈 (acoustic lens)

혼스피커는 넓은 방향으로 균일하게 소리를 확산시키는것이 부족하다.

특히 주파수가 높아질수록 현저하다.

즉혼의 출구 정면으로부터 벗어난 방향으로는 주파수가 높을수록 소리의 크기가 약해져 버린다.

이런 현상을 지향성이 나쁘다고 하는데 이지향성을 개선하기 위해서 쓰이는 것이 소리의 확산기 ,

즉 디퓨져이다. 별명으로는

음향렌즈라고도 하며 마치 凹 렌즈가 빛을 확산 시키는 것과같은 작용을 한다.

디퓨져는 혼의 끝에 붙이고 이경우  일반적으로 혼의개구부는 별로 크지 않다.

혼을 지나온 소리는 디퓨져를 통해 그 진로가 밖으로 휘어진다.

이렇게 해서 넓은 방향으로 균일하게 소리를 확산 시킨다.

디퓨져가 달린 혼 스피커의 원조는 미국의 JBL 사이다.

 

☆돔 스피커 (dome speaker)

돔스피커(dome type speaker)는 가정용의 중형 이하의 시스템에 쓰이는 중,

고음 전용의 스피커 유니트 이다.

구조는 혼 스피커에서 혼 부와 이퀄라이져를 떼어버리고,

다이어프렘이 직접 소리를 확산하는 구조이다. 

凸 형 반구(半球) 상의 다이어 프렘이므로 나온 소리는

거의 180° 방향으로 한결 같이 방사되므로 정면의 축상으로 부터 벗어

나도 고음이 약해 지거나 하지 않는다.  즉 지향성이 좋은 셈이다.

그러나 넓게 방사되기 때문에  앰프로부터 같은 에너지가 공급  되어도

혼 스피커나 콘스피커보다도 소리가 작아 진다. 

즉 능률이 나쁘다. 따라서 돔 스피커로 조합된 스피커 시스템은 가정용이라고는 하지만

비교적 큰 출력 으로 구동 시키지 안

으면 안되지만,  재생 되는 소리는 섬세하고 부드러우며 혼 스피커의 개방적인

울림과는 대조적인 세련된 음색을 가지고 있다. 

재질로는 다이러프렘에는 알루미늄이나 티탄합금 또는

폴리에스티렌과 같은 단단한 재료가 쓰이는 데 최근 고무계열이나

천과 같은 부드러운 소재를 쓰기도 한다. 이와같이 부드러운 소재를 사용한 것을

소프트 돔 스피커(soft dome speaker) 라 부른다. 
 


☆콘덴서 스피커 (condenser type speaker)

그림에서와 같이 고정 극과 가동 극으로 구성되어 있으며 쿨롱력에 의하여

금속판에 높은 교류전압을 걸면 진동하는 현상을

이용한 것이다.콘덴서 스피커 (condenser type speaker) 의

외형은 마치 건축용 내장재로 쓰이는 석고 보드 처럼 얇은 형태를

가지고 있다. 작은 것은1㎡ 정도이고, 큰 것은 마치 한 짝의 도어 크기만 하다.

구조는 플라스틱 박막에 금속을 코팅한 진동판을 붙인 단순한 것이다.

그러나 플라스틱의 막과 코팅이 음질에 크게 영향을 미쳐서 제작에는 특수한 기술을 요한다.

고정극과 진동판 간에는 수백 볼트의 직류전압 (바이어스) 을 걸지 안으면

안되므로 콘덴서 스피커 자체 직류전원을 가지고 있는 것이 보통이다.

이 스피커는 구조상 후면에서도 소리가 나므로 그영향을 될수록 줄이기 위해

벽면으로부터 떼어 설치하여야 한다.

낮은 주파수까지 재생하려면 큰 면적이 필요하며,  또 큰 소리를 재생 하기에는 불합리하다.

그러나 재생 음은 투명하고 섬세하며, 아주 산뜻하여 일부의 열광적인 애호가가 있다. 
 


☆리본형 스피커 (ribbon type speaker)

리본형 스피커 (ribbon type speaker) 는 스피커 중에서도 특수한 부류에

속하는 것으로 일반적으로는 별로 사용되지 않는다.

주로 고음 용으로 사용된다. 구조적 으로는 강력한 마그넷 사이에 리본이라 하는

납작한도체를 놓고, 거기에 음성전류를 가하

여 직접 공기진동을 일으키는 것이다.   음압이 작다 .

즉 능률이 낮은 스피커이다. 그러나  전기적 특성, 주파수 특성은 매우 좋으며,

100㎑ 까지 재생이 가능하다.

 

☆이온 스피커 (ion type speaker)

이온 스피커는 2 개의 마주 보는 금속 전극 사이에 음성신호로 변조된 전파가

가해지고이 2 개의 전극간에 발생되는 이온 방

전에 의해서 공기 진동을 일으키는 것으로, 소리의 크기,즉 능률이 낮다.

이 스피커는 프랑스의 크레인이 발명한 것을 영국의 페엔어코스틱사가

제품화 한 것이세계 유일의 제품이다. 재생 주파수는

수 ㎑ 에서 수백 ㎑ 라는 초음파까지 재생이 가능하다. 항상 이온을 발생하므로

유취 (有臭) 형 스피커라 부르기도 한다.

 

☆압전형 스피커

최근에 높은 압전 상수를 가진 폴리불화비닐리덴의 박막이 만들어지게

되었기 때문에이 압전성 박막을 직접 진동판에 사용한

스피커가 만들어 지게 되었다.구조는 박막의 양면에 전극을 설치하고,

전압을 가함으로써 막이 양 방향으로 신축하게 된다.

미리 막에는 기계적 바이어스가 걸려 있으며, 막은 음파를 발생하는 방향으로 진동한다.

각 부분이 동 위상으로 운동하는 것과, 형상의 자유도가 높다는 점에서 스피커로서의 이용도가 높다.

 

☆코액셜 스피커 (coaxial speaker)

2 웨이 ,3 웨이의 스피커 시스템인 경우, 스피커 캐비닛에 각기 의 유니트를

붙이는 것이 보통인데, 그 들의 중,고음 유니트를

저음 유니트 속에 붙인 것을 코액셜 스피커라 부른다.

시스템에서 우퍼 미드렌지 ,트위터의 각 유니트의 장착 위치 관계가

음질에 미묘한 영향을 주는데 코액셜 형은미리 충분히 검

토하여 최상의 위치에 각 유니트가 고정되어 있으므로 수월하게 양질의 음질을 낼수가있다.

또 한가지 특징은 각 유니트가 흐트러진 배치가 되지 않으므로 재생되는 소리의 정위가 좋다는 것이다.

 

시스템 편

 

시스템 스피커를 설명하기에 앞서 디바이딩 네트워크를 설명하기로 한다.

멀티 웨이 스피커 시스템에있어서 각각의 유니트가

담당하는 주파수대로 신호를 분리하는 것이 디바이딩 네트워크 (dividing network) 라 한다.

앰프와 스피커 사이에 위치하며 3 웨이를 예로 들어 말하면 어떤 스피커 유니트라도

재생하는 주파수의 전 대역에서 모두 훌륭

하게 재생하는 것은불가능하다. 이 때문에 고음부, 중음부, 저음부를 나누어

각 주파수대를 담당하게 하는 것이고, 이렇게

하면 우퍼에서 미드렌지로 옮아가는 주파수, 및 미드렌지에서

트위터로 옮겨 가는 주파수가 정해지는데 이 주파수를크로스

오버주파수 (crossover frequency) 라 하고, 2 웨이에는 1개소, 3 웨이에는 2 개소가 존재한다.

각기의 주파수는 콘덴서와 코일을 사용해서 분리를 한다.

콘덴서의 기호가 C, 코일의전기 기호가 L 이라는 점에서LC 네트워

크라불리기도 한다. 일반적으로 미드렌지와 트위터는 우퍼에 비해

능률이 높으므로 그레벨을 낮출 수 있도록 미드및 트위터

에는 레벨콘트롤을 붙인다. 이것을 어테네이터 (attenuator) 라 한다.

 

☆버플판 (baffle)

콘 스피커 등에서는 진동판의 전면과 후면에서 음파를 방사하게 되는데,

전면 방사음과 후면의 방사음의 위상이반대가 된다.

이 상태에서는 전면과 후면의 파장이 +,-로 서로 상쇄가 되므로 그것을 분리하는

차폐판이 필요하다.이 차폐판이 무한히 커서

완전히 분리를 하면 바랄 나위가 없지만 그렇게 할 수가 없으므로

적당한 크기의 버플을 사용하게된다.

버플 만을 사용하게 된다면 비대칭으로 스피커를 장착하여

주파수 특성상으로 피크와 딮을 방지하는 것이 좋다. 



 


☆후면 개방형

후면 개방 캐비닛은 부정형 버플이 발전한 것으로 보아도 좋다.

버플판은 낮은 소리를 충분히 재생하기 위해서는 파장의 1/4 정도의

반지름이 필요하기 때문에 주위를 접어 구부린 것이 후면

개방 캐비닛이다. 이 형식은 캐비닛의 내면, 상하, 좌우에 정재파가 발생하고

또 전체가 개방된 음향관로서의작용을 해 공진,

반공진이 많고 특성도 피크와 딮이 많이나타난다. 

후면이 개방되어 있기 때문에, 놓는 장소에 따라 특성이 크게 변화하므로

실용적이 못된다는 단점이 있다. 
 


☆밀폐형 (clossed type enclosure)

스피커 캐비닛의 한 방식으로 캐비닛의 뒷면도 완전히 밀폐한 것으로,

스피커의 전면 방사음만을 사용하는  가장 표준적인

타입이다. 캐비닛의 용적을 될 수 있는 대로 크게 잡지 않으면 저음재생이 어려워진다.

그러나 가정용으로는 될 수록 작게 하는 것이 바람직하며 이 이유로

여러 가지 연구가이루어져 어코스틱 서스펜션 방식이

고안되었다.음질상으로는 어렵지 않게 성과를 가질 수 있다는 장점이 있다.  


 


☆베이스 리플렉스형 (bass-reflex enclosure)

베이스 리플렉스형은 스피커를 붙이는 버플면에 구멍을 내고 그 속에 각형의 관이나

원형의 관을 붙인 것이다.

이 관을 이름하여 덕트 (duct) 라 한다. 이렇게 하면 스피커 유니트의 

후면방사음이 이관을 통과해서 나올 때 위상이 전도되어

전면 방사음과 합하여 저음이 증대되는 효과를얻는다.

밀폐형보다 작은 케이스로도 풍부한 저음을 얻을 수 있다.

 

☆후론트로드혼과 백로드 혼형

(front-loaded horn, back-roaded horn)

우퍼용 콘 스피커의 앞 또는 뒤가 혼 모양으로 가공된 캐비닛을 의미한다.

우퍼의 전면에 혼을 붙인 것을 후론트 로드혼, 후방에서 나는 소리를 혼 모양으로 하여

전면에 끌어낸 캐비닛을백로드혼 이라

한다. 이들은 극장이나 큰 홀의 확성용으로 고안 된 것인데,

밀폐형이나 베이스리플렉스형에비해 큰 소리를 낸다.

후론트 로드인 경우는 대체로 혼의 효과가 있는 것은 100㎐ 까지이고,

그 이하의 주파수에서는 밀폐형 또는 베이스리플렉스

형과 같이 동작이 된다.따라서 중저음의 재생은 부족한감이 있지만,

독특한 밝은 울림이 특징이다.

한편 백로드혼은 50㎐ 정도의 혼의 효과를 갖고 있으므로

상당히 중저음까지 재생할 수있다. 그러나 저음의 에너지는 크고

그만큼 캐비닛도 진동을 하므로 비교적 큰 방이아니면 진정한 효과를 기대하기 어렵다. 
 


☆어코스틱 서스펜션방식

소형의 캐비닛으로 완전 밀폐형의 스피커 시스템이 이 방식이라 생각하면된다.

최저 공진주파수의 극히 낮은 그리고 하이

컴플라이언스라 하는 성질을 가진 우퍼를 소형 캐비닛에 넣고,

스피커의 콘지의 후방에서 나오는소리를 캐비닛에 흡음재를

가득 채운 상태로 제동을 건 것이다.

이와같이 하면 흡음재에 의해서 우퍼의 콘지의 움직임은 크게 제동이 되고

캐비닛의 용적에 영향을 받지 않게 되어서 거의

스피커 고유의 fo 가까이 까지 재생이 가능하게 된다.

그러나 이와같이 콘지의 움직임을 강하게 제동을 하므로

능률이 나빠지고,가정용으로 쓸 때에도  큰 출력을 가진앰프로 구동

하지 않으면 좋은 음을 재생하기 어렵다.

저음은 상당히 무거운 느낌이지만 30㎐ 전후의 중저음도 무난히 재생할 수 있다.

능률이 낮으므로 돔 형의 중, 고음 스피커와 조합한 시스템이 많다.

 

☆컬럼 (colulmn) 형

세로로 긴 캐비닛에 같은 스피커 유니트를 세로 1 렬로 정렬한 스피커 시스템이다.

이렇게 하면 옆 방향의 넓은 각도에 대해 고음까지도 잘 재생이 된다.

즉 지향성이 좋아지므로 홀이나 옥외의 넓은 회장의 어나운스용으로 쓰인다.

톤쉴렌 (tonsulen) 스피커라고도 하고 라인 소오스 스피커

(line source speaker)라 부른다.속에 넣는 스피커는 10∼20cm

정도의 풀레인지형으로 4∼8 개 정도를 사용한다. 옥외용은 비 바람에도

견디지 않으면 안되므로  콘지에 고무 코팅한 스피커

가 쓰이기도 한다.

 

☆패시브 라디에이터 (passive radiator) 방식

겉보기에 마치 우퍼가 2 개 붙어 있는 것처럼 보이는데 실제로는

우퍼가 1개이고 다른1개는 보이스 코일이 없는 진동계

(콘지,에지,댐퍼) 로 된 시스템이다. 이러한 보이스 코일이 없는

스피커를 패시브 라디에이터라 부른다.

일명 드론콘 (drone cone) 이라고도 한다.

원리는 베이스 리플렉스방식의 일종으로서 베이스리플렉스방식은

덕트의 공명을이용하는데 비해서, 패시브 라디에이터방식

은 진동계의 공진을 이용한다.

패시브 라디에이터의 공진 주파수 부근이 되면, 캐비닛 속의

공기진동이 라디에이터를 공진시킨다. (공명현상)그렇게 되면

마치 2 개의 우퍼로구동하고 있는 것과 같이 저음이 증폭된다.  
 

 

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