스피커는 어떻게 작동하나요?

Hi-Fi 스피커가 나온 지 70년이 넘었지만, 오디오 세계에 새로 입문한 많은 사람들에게는 다양한 구성 요소와 구멍이 있는 이 나무 상자가 신비롭게 보일 수 있습니다. 이것이 바로 우리가 이제 막 고품질 사운드의 세계로 여행을 시작하는 사람들을 위해 이 기사를 정리한 이유입니다.

설계와 제조 분야에서 수십 년간의 기술 발전에도 불구하고 스피커(또는 음향 변환기) 작동 방식의 기본 원리는 1925년 Edward Kellogg와 Chester Rice가 처음 소개한 이후 거의 변하지 않았다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 스마트폰의 작은 스피커, TV 아래의 사운드바, 콘서트의 대형 스피커 등 모두 동일한 기본 디자인을 공유합니다.

Hi-Fi 시스템의 발전으로 놀라운 음질이 제공되었지만 스피커 기술의 기본 원리를 이해하면 자신만의 오디오 시스템을 구축할 때 더 많은 정보를 바탕으로 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.

스피커는 어떻게 작동하나요?

스피커 구성 요소의 작동 방식을 자세히 살펴보기 전에 스피커가 일반적으로 사운드를 생성하는 방식을 잠시 이해해 보겠습니다. 증폭된 오디오 신호는 와이어로 만들어진 금속 코일로 전송됩니다. 코일을 통해 전류가 흐르면서 스피커 내부의 자석과 상호 작용하여 다이어프램이 진동하게 됩니다.

이러한 진동은 공기를 움직여 원래 오디오 신호를 정확하게 복제한 음파를 생성합니다. 그리고 그렇게 하면 음악이든 누군가의 목소리이든 소리를 듣게 됩니다. 물론 이것은 단순화된 설명이지만 이제 기본적인 이해가 끝났으니 더 자세히 살펴보겠습니다.

스피커 또는 사운드 변환기는 모든 스피커 시스템의 핵심 구성 요소로, 오디오를 들을 수 있게 해줍니다. 그 역할은 증폭기의 전기 신호를 공기를 통해 이동하여 귀에 도달하는 음향 음파로 변환하는 것입니다.

앰프에 연결하기 위해 스피커에는 스피커 내부에 숨겨진 보이스 코일에 연결된 두 개의 단자가 있습니다. 이 코일은 스피커 뒷면에 있는 영구 자석 극 사이의 좁은 간격에 위치합니다. 교류(전기 오디오 신호)가 코일을 통해 흐를 때 코일은 우리 모두가 학교에서 배운 전자기학의 원리에 따라 앞뒤로 움직입니다.

스피커 전면에 보이는 부분인 다이어프램에 코일이 부착되어 있기 때문에 다이어프램(혹은 콘)도 앞뒤로 움직입니다. 이러한 움직임은 우리가 소리로 인식하는 음파를 생성합니다. 다이어프램이 자유롭게 움직일 수 있도록 유연한 서라운드에 장착됩니다. 다이어프램 움직임의 진폭이 클수록 우리가 듣는 소리는 더 커집니다.

스피커 안에는 무엇이 들어있나요?

스피커 내부를 살펴보고 각 부품이 소리를 생성하는 데 어떤 역할을 하는지 자세히 살펴보겠습니다.

스피커

스피커의 주요 임무는 전기 신호를 음파로 변환하는 것입니다. 이는 본질적으로 사운드 생성을 주도하는 "엔진"입니다.

스피커의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 폴;
• 백플레이트;
• 자석;
• 상판;
• 보이스 코일;
• 바구니;
• 거미;
• 콘과 서라운드;
• 더스트 캡.

폴, 백플레이트, 탑 플레이트

극은 도체처럼 작용하여 스피커의 전체 자기 시스템을 조정합니다. 중앙에 위치하며 자기장을 지시합니다. 백플레이트는 폴 뒤에 위치하며, 상단 플레이트는 폴 바로 위에 위치합니다.

자석

자석은 자기장을 집중시키는 데 도움이 되는 극과 플레이트로 둘러싸인 스피커에 지속적인 자기 에너지 소스를 제공합니다. 스피커 바스켓에 고정되어 있으며 자기 특성을 무기한 유지하기 때문에 영구 자석이라고 합니다. 반면, 자석과 상호 작용하는 보이스 코일은 전류가 통과할 때만 자성이 됩니다.

보이스 코일

보이스 코일은 보빈이라고도 불리는 작은 실린더 주위에 단단히 감겨 있는 와이어입니다. 요요처럼 생각해보세요. 전기 신호가 코일을 통과하면 전자석이 되어 스피커의 영구 자석과 상호 작용합니다. 물리학 수업을 기억한다면 같은 전하는 밀어내고 반대 전하는 끌어당긴다는 것을 알게 될 것입니다. 이 자기 상호 작용으로 인해 코일이 앞뒤로 움직이고 궁극적으로 음파가 생성됩니다.

스파이더와 서라운드

스파이더는 보이스 코일을 지지하는 주름진 소재로, 보이스 코일을 제자리에 유지하면서 앞뒤로 엄격하게 움직일 수 있습니다. 직관에 어긋나는 것처럼 보일 수도 있지만 스파이더는 코일이 옆으로 이동하지 않도록 하여 안정적인 동작을 유지합니다.

서라운드는 원뿔과 비슷한 목적으로 사용됩니다. 스피커 바스켓 상단의 콘을 제자리에 고정시켜 소리를 내는 동안 부드럽게 움직일 수 있도록 해줍니다.

원뿔

다이어프램이라고도 알려진 콘은 스피커에서 눈에 보이는 몇 안 되는 부분 중 하나입니다. 보이스 코일의 자기 자극에 반응하여 앞뒤로 움직입니다. 이 움직임은 주변 공기에 압력파를 생성하여 우리가 듣는 소리를 생성합니다.

더스트 캡

더스트 캡은 스피커 내부 부품을 먼지와 이물질로부터 보호하여 잠재적인 손상을 방지하는 작은 구성 요소입니다.

바구니

바스켓은 모든 스피커 구성 요소를 함께 고정하는 프레임입니다. 이름에서 알 수 있듯이 모든 부품을 통일된 구조로 모으는 바구니 역할을 합니다.

이것이 스피커가 작동하는 방식입니다. 그러나 "스피커"라고 하면 일반적으로 내부 구성 요소뿐만 아니라 전체 시스템을 의미합니다. 하지만 스피커가 효과적으로 작동하려면 무엇이 더 필요합니까?

전기 부품

보이스 코일이 소리를 생성하려면 전기 신호가 필요합니다. 여기가 스피커 터미널과 꼬인 전선이 작동하는 곳입니다. 터미널은 오디오 케이블이 스피커에 연결되는 금속 연결 지점 또는 포트입니다.

이 단자는 보이스 코일에 전원을 공급하는 편조 와이어에 연결되어 전원을 공급하는 데 필요한 "연료"를 제공합니다. 이 전선은 소리로 변환되는 전기 신호를 전송하는 역할을 합니다.

울로 둘러싼 땅

인클로저 또는 스피커 "캐비닛"은 스피커 기능에 있어 중요한 역할을 합니다. 첫째, 먼지, 오물, 애완동물 털과 같은 외부 요소로부터 내부 구성 요소를 보호하는 밀폐형 하우징을 제공합니다.

둘째, 인클로저는 위상 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다. 스피커의 다이어프램이 움직이면 양방향으로 음파가 생성됩니다. 인클로저가 없으면 이러한 파동이 서로 상쇄되어 음질이 저하될 수 있습니다.

마지막으로 인클로저는 사운드 방향과 베이스 튜닝에 영향을 미칩니다. 잘 디자인된 캐비닛은 필요한 곳에 사운드의 방향을 지정하고 저주파에 대한 인식을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

인클로저는 일반적으로 원치 않는 공명과 진동을 방지하기 위해 조밀하고 견고한 재료로 만들어집니다. 가장 일반적인 재료는 목재 또는 MDF(중밀도 섬유판)이지만 때로는 플라스틱도 사용됩니다.

스피커는 어떻게 다른 주파수를 재생합니까?

우리는 스피커가 전기 에너지를 음파로 변환하는 방법을 이미 다루었습니다. 그러나 모든 사운드 주파수가 동일하지는 않으며 단일 스피커가 사운드의 전체 스펙트럼을 처리하려고 하면 품질이 저하됩니다.

이것이 바로 콘서트에서 거대한 오디오 시스템 스택을 자주 볼 수 있는 이유입니다. 각 스피커는 특정 주파수 범위를 처리하도록 설계되었습니다. 서브우퍼와 우퍼는 저주파수를 관리하고 미드레인지 드라이버는 중음역을 담당하며 소형 트위터는 고주파수를 담당합니다. 이 스피커는 이러한 고유한 범위를 처리하기 위해 다르게 제작되었습니다.

물론 대부분의 사람들은 자신의 스튜디오나 거실을 각 주파수에 대한 많은 스피커와 별도의 드라이버 스택으로 채우고 싶어하지 않습니다. 멀티 드라이버 스피커가 등장하는 곳입니다.

멀티 드라이버 스피커

멀티 드라이버 스피커는 2개, 3개 또는 4개의 서로 다른 크기의 드라이버를 사용하여 다양한 주파수를 처리합니다. 가장 일반적인 유형은 종종 양방향 시스템이라고 불리는 2-드라이버 스피커입니다.

양방향 스피커 내부에는 오디오 신호를 다양한 주파수 범위로 분할하는 특수 구성 요소인 크로스오버가 있습니다. 고주파수는 트위터로 전송되고 중음역과 저주파수는 우퍼로 전달되며 필터를 사용하여 주파수를 적절하게 분배합니다.

크로스오버를 사용하면 스피커는 단일 드라이버로는 불가능할 수준의 품질로 전체 범위의 사운드를 재생할 수 있습니다.

트위터 및 우퍼

대부분의 Hi-Fi 스피커에는 전면 패널에 다양한 크기의 여러 드라이버가 있습니다. 그런데 왜 그럴까요? 이론적으로는 단일 드라이버가 전체 범위의 오디오 주파수를 재생할 수 있지만 이 접근 방식에는 실질적인 제한이 있습니다.

트위터 및 우퍼

작은 드라이버는 적절한 볼륨에서 낮은 주파수를 생성할 만큼 충분한 공기를 이동할 수 없습니다. 반면, 베이스를 잘 처리하는 대형 드라이버는 고주파수를 효율적으로 재생하지 못하는 기계적 한계가 있습니다. 드라이버의 또 다른 중요한 특성은 지향성인데, 이는 사운드가 적절하게 균형을 이루는 각도를 나타냅니다. 드라이버의 지향성은 크기에 따라 다릅니다. 더 큰 드라이버는 고주파수에서 지향성이 더 좁은 반면, 작은 드라이버는 저주파에서 어려움을 겪습니다.

고주파 스피커

모든 주파수에서 고품질의 균형 잡힌 사운드를 얻기 위해 스피커는 다양한 크기의 여러 드라이버를 사용합니다. 각 드라이버는 저음, 중음, 고음 등 특정 주파수 범위를 처리하도록 특별히 설계되었습니다. 각 드라이버가 설계된 주파수만 수신하도록 하기 위해 오디오 신호를 서로 다른 주파수 대역으로 분할하는 크로스오버라는 특수 구성 요소가 사용됩니다. 하지만 이에 대해서는 다음 시간에 이야기하겠습니다.

스피커 임피던스란 무엇입니까?

스피커 임피던스는 스피커의 전류 흐름에 대한 전반적인 저항을 나타냅니다. 이는 옴 단위로 측정되며 보이스 코일 와이어의 저항과 와이어가 코일에 감겨서 발생하는 인덕턴스를 모두 포함합니다. 표준 저항과 달리 인덕턴스는 신호의 주파수에 따라 변하는데, 이 현상을 유도 리액턴스라고 합니다.

이 변수로 인해 임피던스는 "일반" 저항과 다르며 엔지니어가 아닌 이상 외울 필요가 없는 복잡한 공식을 사용하여 계산됩니다. 기억해야 할 중요한 점은 최적의 성능을 위해서는 스피커와 앰프의 임피던스를 일치시키는 것이 중요하다는 것입니다. 임피던스가 일치하지 않으면 음질이 저하되고 과열되며 심지어 장비가 손상될 수도 있습니다.

따라서 문제를 방지하고 장비를 위험에 빠뜨리지 않고 고품질 사운드를 즐기려면 항상 스피커가 앰프와 호환되는지 확인하십시오!

스피커 전력과 스피커 감도

"큰 것이 더 좋다"는 거죠?

항상 그런 것은 아닙니다. 많은 사람들은 스피커의 와트 수가 높을수록 자동으로 소리가 더 커진다고 생각합니다. 하지만 실제로는 그 모든 힘을 완전히 사용할 수 있을까요?

스피커를 비교하는 더 좋은 방법은 감도를 살펴보는 것입니다. 데시벨(dB)로 측정되는 감도는 스피커가 전기 에너지를 소리로 얼마나 효율적으로 변환하는지 알려줍니다. 감도 등급이 높을수록 스피커가 주어진 전력량으로 더 많은 사운드를 생성할 수 있습니다. 즉, 전기를 음파로 바꾸는 작업을 더 잘 수행합니다.

감도 등급은 스피커 성능과 전력을 비교할 때 경쟁의 장을 평준화합니다. 그러나 외부 앰프를 사용하는 경우에도 스피커가 처리할 수 있는 전력량을 고려해야 합니다. 전력 처리는 스피커가 손상되지 않고 견딜 수 있는 전력량을 나타내므로 앰프의 출력을 스피커의 전력 등급과 일치시키는 것이 중요합니다.

높은 감도와 낮은 감도 중에서 선택하는 것은 시스템 요구 사항에 따라 다릅니다. 에너지 효율성이 중요한 경우(예: 휴대용 스피커 또는 자동차 오디오 시스템) 감도가 더 높은 스피커가 필요할 것입니다. 반면에 전문적인 오디오 설정에서는 더 높은 전력 용량을 갖춘 스피커가 필요할 수 있습니다.

주파수 응답

스피커의 주파수 응답에 관해 이야기할 때 우리는 다양한 주파수 범위에서 사운드를 재생하는 능력에 대해 논의합니다. 완벽한 스피커는 없기 때문에 주파수 응답 그래프는 스피커가 지나치게 강조하거나 성능이 저하될 수 있는 주파수를 나타내는 데 도움이 됩니다.

주파수 응답은 여러 가지 이유로 중요합니다. 첫째, 멀티 드라이버 시스템을 설계하고 서로 다른 드라이버 간에 주파수를 나누는 크로스오버를 설정할 때 중요합니다. 둘째, 전문 스튜디오 작업이든 홈 음악 감상이든 특정 오디오 요구 사항에 적합한 스피커를 선택하는 데 도움이 됩니다.

많은 소비자 등급 스피커는 사운드 경험을 향상시키기 위해 주파수 응답에 약간의 "스마일" 곡선을 사용하여 의도적으로 조정됩니다. 그러나 음악 제작 작업을 한다면 평탄한 주파수 응답을 갖춘 스피커가 필요합니다. 이렇게 하면 장비나 샘플이 주파수 범위의 딥으로 인해 가려지거나 피크로 인해 인위적으로 증폭되는 일이 발생하지 않습니다.

기본적으로 평탄한 주파수 응답을 갖춘 스피커는 정확하고 깨끗한 사운드를 제공하며 원래의 오디오 소스를 밀접하게 반영하며 이는 정밀한 믹싱 및 마스터링에 매우 중요합니다.

헤드폰은 어떻습니까?

헤드폰은 스피커 드라이버와 동일한 기술을 사용하지만 규모는 더 작습니다. 본질적으로 이 스피커는 귀 위나 안쪽에 위치하여 맞춤형 사운드를 제공하는 작은 스피커입니다.

스테레오 스피커는 어떻게 작동하나요?

단일 스피커는 일반적으로 모노로 사운드를 재생합니다. 완전한 스테레오 사운드 스테이지를 구현하려면 각각 왼쪽 및 오른쪽 오디오 신호를 전송하고 넓은 사운드 환경을 조성할 수 있는 위치에 있는 두 개의 스피커가 필요합니다.

하지만 사운드바는 어떻습니까? 스테레오 효과를 어떻게 생성합니까?

스테레오 출력용으로 설계된 사운드바에는 캐비닛 전체에 여러 개의 드라이버가 배열되어 있습니다. 스테레오 신호는 왼쪽과 오른쪽 채널로 분할되며 각 드라이버는 해당 부분을 수신하여 더 넓은 스테레오 이미지를 생성합니다. 이러한 시스템에는 깊은 저음을 위한 추가 서브우퍼가 함께 제공되는 경우가 많습니다. 이는 저주파 또는 배트맨의 거친 목소리를 재생하는 데 적합합니다.

스피커는 누가 발명했나요?

20세기 초의 다른 많은 발명품과 마찬가지로 확성기를 발명한 사람이 단 한 사람이라고 말하기는 어렵습니다. 과학자와 엔지니어가 음파와 전류에 대한 더 나은 이해를 얻음에 따라 이 기술은 시간이 지남에 따라 발전했습니다.

전화기의 유명한 발명가인 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 19세기 후반에 최초의 확성기 버전 중 하나를 개발하면서 오디오 기술에 지대한 공헌을 했습니다. 얼마 지나지 않아 Oliver Lodge는 최초의 무빙 코일 스피커를 만들었습니다. 1915년에 덴마크 엔지니어인 Peter L. Jensen과 Edwin Pridham은 다이어프램에 부착된 와이어 코일이 자기장에 배치되는 전기역학 스피커에 대한 특허를 받았습니다.

1925년 대서양을 건너 Edward W. Kellogg와 Chester W. Rice는 다이어프램이 있는 다이내믹 스피커를 개발했으며 나중에 RCA의 라이센스를 받았습니다. 그들의 디자인에는 현대 스피커 기술의 기초를 형성하는 많은 요소가 포함되어 있습니다.

그래서 오늘날 음악이나 영화를 고음질로 즐길 수 있는 기술의 발전에는 많은 분들이 기여했다고 해도 과언이 아닙니다. 많은 위대한 발명품과 마찬가지로 현대 스피커에 생명을 불어넣는 데는 많은 노력이 필요했습니다!

음향 시스템의 미래

기술은 점점 더 작아지고 저렴해지고 있습니다. 이는 사실입니다. 그러나 스피커의 경우 핵심 기술은 발명 이후 거의 변하지 않았습니다.

실제로 스피커는 오늘날 우리가 사용하는 가장 비효율적인 기술 중 하나입니다. 스피커에 들어가는 에너지의 99% 이상이 소리로 변환되지 않습니다. 대부분은 열로 낭비됩니다. 환경 보호국(EPA)이 에너지 효율성이 낮다는 이유로 아직 스피커를 금지하지 않았다는 것은 놀라운 일입니다.

하지만 2004년에 발견된 신소재인 그래핀 덕분에 스피커의 미래가 바뀔 수도 있습니다. 이 소재는 놀라울 정도로 가볍기 때문에 음파를 생성하기 위해 앞뒤로 움직이는 데 훨씬 적은 에너지가 필요합니다. 이는 특히 고주파수에서 효율적으로 작동하기 위해 경량 소재가 필요한 트위터의 경우 좋은 소식입니다.

과학자들이 그래핀 생산 규모를 성공적으로 확장하고 이를 상용 제품에 통합할 수 있다면 미래의 스피커는 더 가볍고 훨씬 더 에너지 효율적일 수 있습니다.

그때까지는 우리는 현재 가지고 있는 스피커라고도 알려진 전기 신호를 기압 변화로 변환하는 미니 공간 히터를 사용해야 합니다.