베이스 리플렉트형 스피커 자작 노하우 01

 

 

베이스 리플렉트형 스피커 자작 노하우

 

김민욱

2009-12-29 02:25:20

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[1] 베이스 리플렉트형 스피커의 특징
제 일로 꼽을 수 있는 것은, 앞에서 나오는 소리랑 위상이 반대인 음파가 통 속의 유닛 뒷면으로 발생된다는 점입니다. 음파는 소밀파(공기의 밀도가 높고 낮음이 확산되는...)이므로 앞면의 진동판에서 "밀" 할때는 뒷면은 "소"가 될 수밖에 없지요. 즉, 베이스리플렉트형 스피커의 구멍이 잘못되어있으면 저음이 보강되는 것이 아니라 상쇄될 수도 있다는 것입니다.

[2] 베이스 리플렉트 (Bass Reflect)
말 그대로 유닛 뒷면으로 나온 저음만 반사시켜서 밖으로 빼주어 저음보강효과를 보자는 겁니다. 알려진 바로는 잘 설계하면 6dB, 즉 파워로 따지면 저역대만 약 4배정도(물론 청감상은 한 1.5배 정도입니다) 강하게 해주는데, 물론 그런 일은 외제 스피커같이 좀 체계적으로 설계하는 스피커에서만 가능한 이야기입니다. ISD같은 스피커 시뮬레이션 툴로 인클로져를 설계하여도 이러한 베이스 리플렉트 현상은 생긴 모양이나 구조에 따라 달라지므로, wave equation이라 불리는 해괴한 방정식을 이용해서 통 속의 파동을 컴퓨터로 계산해보기 전에는 제대로 설계하기란 불가능합니다. 그러므로 전통있는 메이커에서 만든 스피커가 아니면 차라리 손튜닝을 거친 것이 어중간한 공장에서 찍어낸 스피커보단 낫겠죠.

[3] 통 속 저음 제어의 기본 과정
(유닛 후방음) --> (위상 반전/통울림) --> (중고음 필터링) --> (덕트 방사)

[4] 통 울림
통울림은 가장 쉽게 접근 가능한 작업이면서도 가장 중요합니다. 저음보강효과에 필요한 원천 음원을 만드는 작업이니까요. 기본적으로는 통울림이라는 것은 파이프 울림처럼 왕왕 거리는 물리현상과 같은 것인데요, 주로 유닛의 진동판 면적이랑 힘이 원하는 대역의 저음을 울리게 해주는 용적을 좌우합니다. 이런 것은 ISD같은 시뮬레이션 툴이 유닛 정보만 가지고 있으면 일단 대략적인 용적을 계산해주기도 하고, 정보가 없으면 대충 2리터단위로 크기가 다른 통을 구해다가 (버리는 스피커 등..) 미지의 유닛을 끼워보고 손으로 콘지를 툭툭 쳐 보았을 때 제일 묵직한 북소리가 나는 통 용적으로 고르면 됩니다.

[5] 위상 제어 방법 및 튜닝
위상반전은 제데로 되지 않으면 위에서 언급했듯이 구멍으로 나오는 소리가 오히려 저음을 감소시키는 결과를 초래합니다. 위상을 반전하는 방법은 음파 진행에 방해가 되는 장애물을 이용해서 지연시간을 주는 것입니다. 기본적으로 덕트의 지름이 작아질 수록 공기흐름의 지연이 생기구요, 내부의 흡음재도 그 역할을 합니다. 톨보이형 같은 큰 스피커라면 유닛에서 덕트 사이의 거리로도 시간지연을 확보해 줍니다. (미로형 스피커는 이걸 주로 이용한것이지요)

위상을 변하게(공기이동의 지연을 주는) 하는 영향력은 덕트>거리>흡음재 순인데, 문제는 덕트>흡음재>거리 순으로 공기이동을 지연시키다가 에너지를 잘 잃어버린다는 것입니다.
* 덕트가 좁아지면 (길어지는 것도 같은 효과를 냅니다) 뽑아내려는 저음의 세기를 많이 까먹습니다.
* 그렇다고 덕트를 무조건 넓히다보면 위상이 채 안뒤집혀서 오히려 앞으로 나오는 소리랑 상쇄간섭을 일으킵니다.
이 두가지 양 극단의 중간에 최적 포인트가 있습니다. 이 것을 찾는것이 덕트 튜닝의 포인트가 되겠습니다.

덕트 튜닝이 어느정도 되었는데 저음의 양감이 조금 아쉽다 싶을 땐, 흡음재 튜닝에 들어갑니다. 덕트를 조금 넓히고(혹은 길이를 줄이고) 흡음재를 잘 넣어줍니다. 흡음재가 유닛 후면하고 덕트 사이에 똘똘뭉치지 않게 고루고루 퍼뜨려 배치해서 공기가 마치 안개속을 주춤주춤 가게끔 한다는 느낌으로 채웁니다. 그러면 좁았던 덕트가 커지면서 늘어난 저음의 양이 흡음재의 흡음효과보다 훨씬 많아서 남는장사를 하게 됩니다. 그러면서도 덕트가 커지면서 손실된 위상변화(지연효과)는 가득찬 흡음재가 충분히 커버해줍니다.

이렇게 했는데도 뭔가 아니다 싶으면 인클로져를 다시 짜야합니다. (웬만하면 자작하는 사람 입장으로 여기까지는 테스트용 인클로져였길 바랍니다.) 용적이 같아도 형태가 달라질 수 있습니다. 실제로 외산 스피커의 mk2 이런식으로 신형 제품이 나오면 앞뒤통수 길이가 더 깊어지는 것이 대부분입니다. 이렇게 하면 저음이 더 나오므로 유닛에서 자석힘이 쫌 적어도 되니까 원가 절감이 되기 때문입니다. 여튼 유닛이랑 덕트 사이의 거리를 조금이라도 더 주면 거리에서 기인한 생각보다 강력한 시간지연효과를 얻을 수 있습니다. 거리가 만드는 시간지연은 양감을 안까먹는다는 최고의 장점이 있습니다. 대신 모양이 커지죠.

장애물이 없을 시 소리의 전파는 상온에서 약 340m/s입니다. 50Hz의 저음의 한 주기는 0.02초, 이 사이에 가는 거리는 6.8m이므로 위상이 반전되려면 이것의 절반인 3.4m가 필요합니다. 톨보이 스피커의 경우 일단 1m에 해당하는 1/3 정도의 위상반전을 제공하면서 양감은 줄지 않으므로, 흡음재와 덕트를 이용한 위상제어를 북셀프 스피커보다 적게 해도 되고, 이는 통계적으로 톨보이 스피커가 저음이 많다는 입소문을 만들어냈습니다.

북셀프 스피커에서는 위에서 말했던 인클로져를 다시 짜야할 곤경에 처했을 때는, 앞 덕트를 후면 덕트로 바꾸거나 스피커 내부에 칸막이를 몇개 넣어서 미로구조를 만들어주는 테크닉을 쓰기도 합니다. 어쨌든 공기가 전달되는 실제 거리만 늘어나면 흡음재와 덕트의 짐을 덜수 있고, 이는 저음 양감 증가로 이어지기 때문입니다.

[5] 중고음 필터링
지금 까지 덕트의 역할이 공기전달의 지연시간을 줘서 위상을 바꾼다는 것만 언급되었습니다. 그런데 사실 잘 티는 안나지만 또하나의 역할을 하는 것이, 헬름홀츠 공진계 역할을 한다는 것입니다. 덕트의 절대 길이(지름은 상관 없는)는 공진(증폭)시켜주어 내보낼 주파수의 2/3주기에 어떤 수학적인 관계로 맞아야됩니다. 하지만 덕트의 이러한 효과는 미미하므로 생략하겠습니다. 오히려 흠음재의 기능에 눈여겨 봐야합니다. 흡음재는 기본적으로 솜같은 섬유질이기 때문에 직진성이 강한 고주파대역의 흡수율이 높고, 직진성이 약하며 회절이나 굴절이 잘되는 저역은 흡수가 잘 안되는 특성이 있습니다. 저 위에서 흡음재도 저역의 양감을 깎아먹는다고 했는데, 사실 고음이 흡수되는 것에 비하면 깎이지도 않는겁니다. 이렇게 대역에 선택적으로 흡수하는 특징은 우리에게 유리하게 작용합니다. 고음은 밖으로 나와봐야 도움이 안되니까요. 그래서 아무리 톨보이고 덕트만 써서 저음 빵빵 잘 나오더라도 일부러 일정량의 흡음재를 넣어줍니다. 이 원치않는 중고음이 스피커 통 속에서 튕겨다니지 못하게 잡아먹기 위해서 입니다.

[6] 덕트 방사
간혹 덕트를 너무 지름이 작게 잡아주면 공기의 저항이 심한 나머지 터뷸런스(과속기류)를 발생해서 소음이 나게 됩니다. 저음이 벙~벙~ 하는 대목에서  후륵후륵 거린다든지 파르르 파르르 거린다면 덕트 소음을 의심해보십시오. 이럴 때는 덕트의 단면적(반지름 제곱 x 3.14)과 길이의 비가 유지되도록 지름과 길이를 키워주어야 공기의 소음이 줄어듭니다. 단면적대 길이 비율만 유지되면 사이즈가 커져도 공기이동지연효과(위상변화효과)는 줄어들지 않으므로 걱정 안하셔도 됩니다.

[7] 그 밖의 것들
새로 짠 통은 접합부분이 단단해질 때까지 통의 미세한 떨림이 존재합니다. 이는 외부로 내부의 진동을 전달해서 원치 않는 상쇄간섭을 일으키는데요, 에이징이 된 후에 비로소 안정이 됩니다. 특히 저음이 많이 그렇구요. 따끈따끈하게 완성된 상태에서 저음이 잘 안나오더라도 한달정도 냅두면 좋아집니다.
마지막으로 보강목에 대한 이야기를 해야하겠는데요, 위에서 위상제어에 좋은 효과를 내기위해 통 속의 미로를 만들어줄 때 쓴다고 했지요. 그런데 사실 그 보다 더 좋은 효과가 있습니다. 보통 6면체로 만들어지는 스피커 통의 재료로 12~20mm MDF를 많이 사용하는데요, 대부분의 디자인에서 양 옆판이 가장 큰 면적을 갖습니다. 이 양 옆판이 그 만큼 진동하기 좋은 꼴이 되는데요, (장구의 가죽판 처럼..) 이 둘은 초고속카메라로 보듯이 생각해 보면 스피커 통 속에 압력이 올라갈 때(유닛이 후면으로 밀려들어갈 때) 양쪽 판 모두 통 바깥으로 휠 것이고, 압력이 내려갈 때(유닛이 전면으로 밀려나올 때) 양쪽 판 모두 통 안으로 휠 것입니다. 서로 같은 위상으로 진동한다는 것인데요, 이 두 판 사이에 단단한 다리가 양쪽 판을 붙들고 있으면 서로 같은 위상으로 진동할 수가 없겠지요. (정역학적으로 서로 다른 방향의 힘 백터가 강체 다리에서 만나서 상쇄됩니다.)  이는 보강목으로 인해 훨씬 저음이 안정적이고 떨림이 적어지고 원하는 깊은 저역의 양감이 늘어나는 효과를 줍니다.
덕트는 그냥 두루마리 휴지 속심같은걸 쓰기보단 제대로 파는것을 사다 쓰십시오. 용산이나 청계천에 많이 있습니다. 파는 제품중에서도 주둥이쪽에 곡선처리가 잘 된것으로 사십시오. 나팔모양으로 약간 굴곡을 준 주둥이를 가진 덕트는 덕트에서 생기는 터뷸런스로 인한 소음을 크게 줄여줍니다.
네트워크는 가능하면 회로이론을 공부하신 다음에 자작하시는 것이 좋을 것 같습니다. 그래도 직접 만들어보고 싶으시다면 다음을 유념하시면 삽질의 수고를 덜으실 수 있을겁니다. 인터넷을 뒤지다보면 네트워크에 필요한 부품인 저항, 바이폴라 콘덴서, 코일의 용량계산에 대한 수식이나 표를 보실 수 있을텐데요, 이 때 스피커를 그냥 공칭 임피던스에 해당하는 저항(뭐 대충 8옴 4옴짜리)으로 가정해버리고 계산에 들어가시면 안됩니다. 네트워크는 주파수를 나눌 때 사용하는 것이기 때문에, 태생적으로 코일의 속성을 가진 스피커를 다루실 때는 교류 저항값을 따지셔야합니다. 교류저항이란 것은 주파수에 따라 달라지는 저항을 의미합니다. 보통 핸리미터 같은 것으로 스피커의 코일성분이 몇 핸리인지 재고, 직류저항성분을 재서 스피커유닛을 이상적인 코일과 저항의 직렬연결 모양으로 모델링합니다. (간혹 고등학교 물리에서 건전지를 직류전압원과 저항으로 모델링 하는것처럼 말이죠) 이러한 측정을 하지 못하실 경우에는, 스피커의 데이터시트에 틸 스몰 파리미터와 함께 심심치 않게 보실 수 있는것이 주파수별 임피던스 곡선입니다. 그 그래프를 보고 자신이 원하는 크로스오버 주파수에서 몇 옴인지 찾으셔서 그걸로 인터넷의 표나 공식에 대입하여 네트워크를 설계하시면 시행착오가 훨씬 줄어들 것입니다. 보통 국내 사이트에 많이 널려있는 네트워크 설계자료는 Butterworth타입의 필터인데, 더 관심있으신 분은 외국사이트도 찾아보시면 다른 주파수응답특성을 갖는 회로도 많이 있습니다.