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출처: 구월1동 성가대 원문보기 글쓴이: 세비생각
오디오부품(수동소자)1. 저항 (Resistor)
2. 콘덴서 (Capacitor)
3. 코일 (Coil)
2p X 1000 X 0.001=6.3ohm 이 됩니다. 이러한 계산은 스피커의 네트워크를 설계할 때 빈번히 사용됩니다. (알려진 회로보고 만들면 몰라도 됩니다만 설계를 잘하기 위해서는 아직 알아야 할 것이 더 많습니다.) |
납땜을 잘 하기 위해서는 무엇보다도 많이 해보는 것이 중요합니다. 납땜상태를 보면 그 사람의 기술수준을 알 수 있지요. 다음에 말씀드리는 사항은 납땜을 잘하기 위한 기본기술과 고려해야 할 사항들입니다.
2. 모재에 인두팁을 대서 모재를 가열합니다. 가열시간은 위에서 언급한 것과 같이 합니다. 3. 모재에 납을 댑니다. 가열된 모재에 납이 녹습니다. 4. 납이 녹는 정도를 보아가며 납을 땝니다. 5. 인두를 땝니다. 인두를 땔 때는 방향과 속도에 주의합니다. 너무 빨리 때면 납땜이 동그랗게 되지 않습니다.
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스피커 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 웨이 북셸프형 스피커 제작
[주의] 본 스피커에 사용된 인클로우저의 설계 및 제작에는 설계자의 오랜 시간과 많은 노력이 투자 되었으므로, 지적 소유권의 보호를 위해 상세 도면 및 설계의 핵심이 되는 기술적 내용은 상세히 기재되지 않았습니다. 이 글에 서술된 내용을 저자의 허락 없이 인용하거나 전제할 수 없습니다. 또한 이 글에 소개된 인클로우저의 형태는 오랜 기간동안 여러 번의 반복계산에 의해 최적화된 형상이므로, 이를 무단으로 복제하거나 모방할 수 없습니다.
스피커를 자작하는 데 있어 가장 큰 어려움은 역시 인클로우저를 만드는 작업입니다. 사용되는 유닛과 잘 조화되는 인클로우저를 설계하는 일도 어려울 뿐 아니라, 이 설계대로 인클로우저를 제작하는 일은 상당한 시간과 노력을 필요로 합니다. 또한 이러한 가공상의 어려움으로 인해 인클로우저의 형상은 크게 제한되며, 일반적으로 직사각형의 형태를 크게 벗어나기 어렵습니다. 인클로우저는 우선적으로 자체 공진이 최소한으로 억제되어 둔탁한 통울림을 만들어내지 않는 것이 가장 중요합니다. 또한 내부 공간에서 불필요한 정재파의 발생이나 인클로우저 배플면에서의 음향 반사 및 회절 등에 의한 음질 저하를 방지하여 유닛으로부터 방사되는 음향에 대한 왜곡을 최소화 할 수 있도록 설계되어야 합니다. 실용 오디오에서 현재 공동 제작중인 2웨이 북셸프형 스피커는 단위질량당 강성이 매우 높은 섬유강화수지복합재료를 사용하여 제작되도록 설계되었습니다. 유닛이 장착되는 앞면은 유닛의 탑재에 필요한 최소한의 공간만을 남기고 불필요한 면적을 모두 제거해 버림으로써 배플면의 공진을 최소화 시켰습니다. 쐐기모양으로 경사진 옆면은 유닛에서 방사되는 음파의 반사를 최소화시켜 넓은 주파수대역에 걸쳐 응답 특성을 평탄하게 만드는데 도움을 줍니다. 인클로우저에 외력을 가하여 진동을 유발시키는 주된 요소인 우퍼가 장착된 면은 우퍼의 가장자리 형상을 그대로 따라가는 원통형으로 설계되었으며, 이에 따라 유닛 장착부의는 기존의 인클로우저에서 처럼 bending stress가 가해지는 것이 아니라 tension/compression 의 외력이 작용하므로 flexural deflection에 따른 공진의 발생 요소가 근본적으로 제거됩니다. 인클로우저의 각 부분은 고가의 FRP 재료의 낭비를 최소화하고 주어진 외부 치수에 대하여 최대한의 내부 용적을 확보할 수 있도록 두께를 줄였으며, 최대의 강성과 공진억제 효과를 얻을 수 있도록 부분별로 각기 다른 두께로 설계되었습니다. 인클로우저의 내부에는 여러개의 보강 rib이 설치되어 있으며, 이 rib들은 인클로우저의 구조적인 강성을 증가시키고 공진을 억제하는 역할을 합니다. 또한 이 rib들은 접착 등의 방법으로 인클로우저에 부착되는 것이 아니라 인클로우저와 일체 구조로 성형되므로, 인클로우저와 rib의 불완전한 결합에 따른 제반 문제가 근본적으로 방지됩니다. 따라서 인클로우저는 앞면, 옆면, 위아랫면, 내부 보강 rib 등 모든 구조물이 일체로 성형되며, 마지막으로 15mm 두께의 MDF 재질로 만들어진 뒷판을 에폭시 접착제를 사용하여 견고하게 접착합니다.
인클로우저는 섬유강화 수지 복합재료 (Fiber Reinforced Plastic)로 만들어 집니다. 이 재료는 보강섬유의 높은 강도 및 강성과 합성수지의 인성 및 성형성을 적절히 결합한 재료로서, 비중이 가볍고 단위 중량당 강성이 높을 뿐 아니라 수지의 인성으로 인한 적절한 댐핑 특성을 가지므로 스피커의 인클로우저 재질로 매우 적합합니다. 높은 강성은 결과적으로 인클로우저의 구조적인 공진주파수를 높은 진동수 영역으로 밀어 올리는 효과를 가져 옵니다. 스피커 유닛은 주파수가 낮을수록 진폭과 진동에너지가 크므로 인클로우저의 공진주파수가 낮을수록 통울림 현상이 심각하게 발생할 가능성이 높아집니다. 따라서 최적의 인클로우저 재료란 높은 강성과 내부 댐핑으로 인해 인클로우저 자체의 공진주파수를 높이고 진동을 효과적으로 감쇄시킬 수 있는 재료입니다. 인클로우저의 진동 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 수행되었으며, 유닛의 진동에 따른 특정한 크기의 외력이 작용하였을 때 인클로우저의 동적 특성을 해석하여 통울림이 최소화 되도록 반복 계산하여 최적화하였습니다. 진동 해석 결과는 인클로우저 설계의 핵심 사항이므로 자세한 기술적인 내용을 첨부하지 않습니다.
FRP는 기존의 MDF 재질에 비해 훨씬 단단하고 다루기 힘든 재료이므로 원하는 형태로 가공하기에 큰 어려움이 따릅니다. 따라서 일반적인 공구나 공작기계로는 직접 성형이 불가능하며, 몰딩 공법을 사용하여 제작하게 됩니다. 이를 위해서는 잘 설계된 몰드가 우선적으로 필요하며, 이 몰드를 사용하여 원하는 형태의 제품을 성형할 수 있는 여러 가지 부대 장치가 필요합니다. 실용3호 인클로우저를 제작에 필요한 몰드의 표면 부위는 carbon fiber / epoxy 재질의 고강도 복합재료를 사용하여 제작되었으며, 기초 골격은 스틸로 제작되었습니다. 이 몰드는 20톤 용량의 프레스에 장착되어 고압으로 인클로우저를 압축 성형하는데 사용됩니다.
몰딩 공정에서는 먼저 몰드 표면에 이형제 (mold release agent)라고 하는 약품을 얇게 도포하여 인클로우저 성형물과 몰드가 달라붙지 않고 쉽게 떨어질 수 있도록 처리합니다. 이형제 처리된 몰드 표면에는 gel-coat라고 불리는 표면처리제가 약 1mm 두께로 균일하게 도포됩니다. gel coat는 제품의 외관을 미려하게 하고 내약품성, 내수성, 내마모성 등을 증가시키기 위해 사용됩니다. 이어서 보강섬유를 적절한 형태로 반가공하여 preform이라는 중간제품을 적층 성형합니다. 이 과정은 수작업으로 꼼꼼하게 진행되어야 하므로 상당한 시간이 소요됩니다. 만들어진 preform은 몰드 내부의 빈 공간에 장착되며, 이어서 상형과 하형을 맞물립니다. 체결된 금형 속으로 잘 설계된 위치의 주입구를 통하여 액체 상태의 합성수지에 압력을 가하여 금형 내부로 밀어 넣습니다. 이 과정에서 액체 상태의 수지는 보강섬유 가닥 사이사이의 미세한 공간을 침투하여 섬유를 완전히 적십니다. 이 과정을 "함침"이라고 부릅니다. 수지의 유동이 완료되어 몰드 내부의 구석구석을 완전히 함침시키고 미세한 보강섬유 한가닥 한가닥을 완전히 적시면 수지주입 공정이 끝납니다. 여기서 수지의 유동 속도는 주입 압력 및 보강섬유의 양에 따라 결정됩니다. 높은 강성을 얻기 위해서는 보강섬유의 양을 늘려야 하는데, 보강섬유의 양이 많아질수록 몰딩공정에서의 수지유동 속도는 저하됩니다. 수지의 유동 속도가 느려지면 완전한 함침이 이루어지기 이전에 경화반응이 진행되어 몰딩 공정이 완료되지 못합니다. 이러한 어려움으로 인해 몰딩 공정은 2단계로 나누어 수행됩니다. 첫 단계에서는 상형과 하형의 몰드가 적당한 거리만큼 벌어진 상태에서 수지를 주입합니다. 보강섬유의 밀도가 낮으므로 수지의 유동이 쉽게 일어납니다. 두 번째 단계에서는 벌어진 만큼의 거리를 프레스로 압착하여 수지가 도달하지 않은 부분을 완전히 함침시킴과 동시에 밀도를 높이고 보강재의 부피분율을 증가시킵니다. 이 압축 과정을 통해 주로 유닛이 장착되는 배플면의 밀도가 크게 높아지며, 강성에 큰 영향을 미치는 보강섬유의 양은 그대로 유지하면서 강성 증가에 도움이 안되는 수지는 압착하여 제거함으로써 무게와 부피를 크게 줄이면서도 매우 두꺼운 배플을 사용한 것과 거의 비슷한 효과를 내게 됩니다.
이어서 몰드를 적당한 온도로 가열하여 합성수지를 경화시킵니다. 수지에는 미리 적절한 농도의 경화제와 촉진제가 배합되어 있으므로 설정된 온도에 이르면 빠른 속도로 경화반응이 진행됩니다. 경화가 완료되고 제품이 단단하게 굳어지면 프레스를 작동하여 몰드를 개방하고 제품을 탈형시킵니다. 금형의 온도가 너무 높으면 수지가 완전히 함침되기 전에 경화반응이 일어나 불량이 발생하게 되며, 온도가 너무 낮으면 수지의 경화반응이 너무 느리게 진행하여 지나치게 긴 시간이 소요되어 생산성이 떨어집니다. 따라서 공정 진행중 정확한 온도의 조절이 매우 중요합니다. 또한 주입 압력 및 프레스 압축 속도 등도 제품의 물리적인 성질과 최종 품질에 중요한 영향을 미칩니다. 이와 같이 제품의 품질 및 생산성에 영향을 미치는 공정 변수들은 컴퓨터 반복 계산을 통하여 수치해석적인 방법으로 최적화 되었습니다.
몰딩 과정이 완료되면 우퍼와 트위터를 장착하기 위한 구멍을 뚫는 작업이 수행됩니다. 정확한 위치에 센터를 마킹한 후 홀커터를 사용하여 깨끗하게 구멍을 뚫습니다.
인클로우저 제작에 사용된 재료 및 혼합 비율, 공정 조건 등은 성형 기술의 핵심 사항이므로 자세히 소개되지 않습니다.
본 스피커의 기본적인 구조는 6.5인치 저음 유닛과 1인치 돔형의 고음 유닛을 조합한 2웨이 밀폐형 스피커로서, 적당한 댐핑을 가지는 저음 유닛을 비교적 작은 부피의 인클로우저안에 수납하여 Qtc값을 적당히 높인 후 내부 공간에 충분한 양의 흡음재를 투입하여 이론적으로 가장 평탄성을 제공하는 Qtc=0.707의 근처로 튜닝하는 것을 기본 골격으로 삼고 있습니다. 내부 공간을 흡음재로 가득 채움으로써 모든 내부 정재파를 흡수하고, 혹시나 강성이 높은 인클로우저 구조에도 불구하고 미약하게나마 발생할지도 모르는 통울림을 억제할 수 있는 구조를 지향하였습니다. 즉 "소리는 오직 유닛 이외에는 아무 곳에서도 나지 않도록" 하는 것을 목표로 하였습니다. 또한 경험적으로 알려진 바에 의하면 흡음재를 가득 채우게 되면 결과적으로 저역 한계도 약간 아랫쪽으로 확장되는 효과가 있습니다. 실제로 튜닝 과정에서 이러한 점이 확인 되었으며, 다량의 흡음재를 투입하였을 때 흡음재가 전혀 없는 경우에 비하여 시스템 공진주파수가 약 5~6Hz정도 내려가는 결과를 얻었습니다. 이와 같은 구조로부터 얻는 장점은 탁한 울림이 섞이지 않는 깨끗한 음색을 얻을 수 있다는 점이고, 단점이라면 초저역을 어느 정도 희생하게 되므로 저역의 양감을 일부 상실하게 된다는 점입니다. 부족한 저역은 시청 공간의 크기에 따라 어느정도 보상되며, 약 3평 내외의 방이라면 저음의 양은 실질적으로 대부분의 음악을 감상하는데 충분할 정도로 풍부합니다. 넓은 공간에서의 다소간의 저역의 부족은 피할 수 없으며, 이때는 잘 매칭되는 서브우퍼와의 조합이 큰 도움이 될 수 있을 것으로 생각됩니다.
<Vifa P17WJ-00-08 / Vifa D27TG-45-06> 처음 시도되었던 유닛의 조합은 덴마크 Vifa사에서 제작한 트위터와 우퍼로서, 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다.
위의 우퍼를 인클로우저에 장착하고 흡음재를 전혀 사용하지 않았을 때는 이론적으로 다음과 같은 저음 특성이 얻어집니다. - System resonance : 85.2Hz 여기에 다량의 흡음재를 사용하여 Qtc=0.7 근처로 튜닝하면 저역의 평탄화와 더불어 약간의 저역한계 확장이 얻어지며, 양적으로 풍부하지는 않으나 질적으로 상당히 우수한 특성의 저역을 얻게 됩니다. 실제로 위의 두 유닛의 조합은 상당히 우수한 음색을 내주었습니다. 저음 유닛과 고음 유닛의 매칭에 사용된 네트워크 회로는 다음과 같이 구성되었습니다.
<국산 OEM 6.5" 페이퍼콘 우퍼 / 일제 1" 돔트위터> 실용 3호 공동제작 프로젝트에서는 유닛을 수입하여 제작할 경우 지나친 비용의 부담으로 인해 자작의 매리트가 적어질 것을 우려하여 보다 저렴한 국산 OEM 유닛을 사용할 것을 결정하였습니다. 이 경우의 문제점은 국산 유닛을 사용할 경우 설계에 필요한 기본 데이터가 제공되지 않는다는 점과 안정된 품질의 동일한 유닛을 대량으로 확보하는 일이 쉽지 않다는 점입니다. 다행히 트위터의 경우 비교적 우수한 품질의 저렴한 유닛을 많은 물량 확보할 수 있었으나, 우퍼의 경우는 적절한 유닛을 필요한 만큼 구입하기 쉽지 않은 상태입니다. 더구나 현재 50~60개의 신청 수량 중 약 절반 정도는 방자형, 나머지는 비방자형으로 나누어져 있어 대량 구입에 있어 더욱 큰 어려움으로 작용하고 있습니다. 또 한가지 문제점은 필요한 양 만큼의 유닛을 구한다 하더라도 데이터가 미비하므로 충분한 깊이의 튜닝 작업을 수행하기 어렵다는 점입니다. 현재 테스트용으로 사용중인 유닛의 경우는 임피던스법을 이용하여 간이로 Thiel/Small parameter 값들을 측정하였으며, 이 데이터를 근거로 하여 실용 3호 인클로우저에의 적합성 여부를 판별하였고 저역 튜닝에 필요한 데이터로 활용하였습니다. 고역 유닛의 경우도 같은 방법으로 자체 공진주파수가 2,200Hz 근방에 위치함을 확인하였고, 이를 근거로 하여 crossover 주파수가 최저 3,500Hz 이상에 위치하여야 함을 판정하였습니다. 그러나 두 유닛의 음압 특성 및 주파수 응답 특성에 대한 자세한 데이터가 주어져 있지 않으므로 두 유닛의 최적 조합을 위한 네트워크 설계에 많은 어려움이 있으며, 현재 순전히 귀에 의존하여 반복튜닝 작업을 수행해 왔습니다. 그러나 유닛 대량 구입의 어려움이 대두된 후로는 더이성의 튜닝 작업이 무의미한 것 같아 현재 테스트 유닛을 사용한 튜닝 작업은 중단된 상태입니다. 다음은 함수발생기와 테스터를 이용하여 측정된 테스트용 저역 유닛의 임피던스 곡선과 기타 특성치입니다. 두 개의 유닛을 측정하여 평균낸 값이며, 두 유닛 사이에는 약간의 편차가 있습니다. 단순히 두 유닛의 특성을 각각 산술적인 평균값을 취한 것이므로 평균값을 그대로 TS 공식에 대입하면 성립하지 않을 수도 있습니다. 우퍼는 최종적으로 다른 유닛으로 결정될 가능성도 있으므로 아래의 측정 데이터는 현재로서는 큰 의미는 없습니다.
DC resistance: 6.56W Free air resonance (Fs): 52Hz Peak impedance at Fs: 31.7W -3dB Impedance drop frequency: Fl=45Hz, Fh=60Hz Qms: 3.12 Qes: 0.77 Qts: 0.62 Vas: 0.48 cubic feet 이 데이터를 이용해 흡음재가 전혀 없는 실용 3호 인클로우저에 우퍼를 장착했을 때의 특성을 예측해 보면 다음과 같습니다. Fc (저역 튜닝 주파수): 82Hz F3 (저역 응답이 -3dB 떨어지는 주파수): 69Hz Qtc (인클로우저 장착시 Q factor): 0.95 이 정도면 크기에 비해서는 비교적 흡족한 저역입니다만, Q값이 약간 높게 올라가므로 흡음재를 충분히 넣으면 될 것 같습니다. 이 경우엔 흡음재를 많이 넣으면 F3도 같이 올라가겠지만, 큰 차이는 없을 것입니다. Qtc=0.95는 흡음재를 전혀 넣지 않았을 때의 값이며, Q =0.707일 때 이론적으로 가장 평탄한 저역특성이 얻어지므로 흡음재의 양을 조절하여 이 값에 가깝도록 튜닝합니다. 흡음재를 가득 채울 경우 Fc는 약 5~6Hz정도 낮아지므로 저역 한계 주파수가 확장됩니다. 그 대신 저역의 양은 다소 줄어듭니다. 방의 크기가 작으면 저음의 보강현상이 일어나므로 각자의 조건에 따라서 흡음재의 양을 적절히 가감하여 자신의 기호에 맞는 스피커로 튜닝하면 됩니다. 크로스오버 네트워크는 그림 6과 동일한 회로를 사용하고 있으며, 각 부품의 용량은 현재 반복 튜닝을 통해 최적값을 찾고 있는 중입니다. 그러나 우퍼의 사용가능성 여부가 불투명하므로 튜닝 작업은 일시 중단된 상태입니다.
현재 실용 3호에 사용될 유닛은 아직 확정되지 않았으나, 저렴한 국산 유닛 가운데에서 결정될 것입니다. 국산 유닛의 문제점은 최적 설계에 필수적인 기본적인 특성치 데이터가 전혀 제공되지 않는다는 점입니다. 따라서 직접 실험하여 필요한 데이터를 얻어낼 수밖에 없습니다. 이 측정 작업은 공작실에서 수행할 것이며, 이 실험을 근거로 하여 어떤 유닛이 실용 3호의 인클로우저와 잘 조화되는지 여부를 판정한 후 적합한 유닛을 대량 구입하게 됩니다. 따라서 공동제작에 참여하시는 분들께서는 이 부분은 신경쓰지 않으셔도 좋습니다. Fs, Vas, Qts등의 Thiel-Small 파라미터를 모두 알고 있을 때 원하는Qtc 값 등이 결정되어 있다면 최적의 박스 용적은 유일하게 결정됩니다. 하지만 반대로 박스 용적 및 Qtc가 정해져 있을 때 이를 만족시키는 TS 파라미터 값은 여러가지 조합이 가능합니다. 따라서 정답은 한가지가 아닙니다. 실용 3호의 인클로우저 내부 용적은 약 8~9리터 정도이며, 유닛 자체의 부피 및 네트워크 부품 등의 부피에 따라 실제 유효 용적은 약간 줄어들 수 있습니다. 이 크기의 인클로우저에 적당한 조합을 찾자면, 대략적으로 Vas=15~20리터 정도, Fs=40~45Hz 정도, Qts는 약 0.5 내외이면 큰 무리가 없습니다. 흡음재를 전혀 넣지 않으면 Qtc값은 0.7보다는 좀 높게 나오는데, 흡음재를 적당히 첨가하여 약간 더 낮출수 있습니다. 8~9리터의 통 안에서는 대부분의 6.5인치 유닛을 사용한 경우 Qtc값이 0.7보다 높게 나오는데 이는 자연스러운 일이며, 일반적으로 의도하는 Qtc값보다 약간 높은 상태에서 흡음재를 첨가하여 Qtc를 낮추는 방법을 많이 사용합니다. 오히려 흡음재가 전혀 없는 상태에서 Qtc=0.7이 딱 떨어지게 나오면 나중에 내부 공진 방지 등의 목적으로 흡음재를 첨가하면 0.7 이하로 내려가므로 문제가 생깁니다. 유닛의 임피던스는 제조 업체에서 생산할 때 이미 전기적으로 결정된 값이지만, 여기에는 유닛의 진동판과 지지계 등 여러 기계적인 구성 요소에 따른 기계임피던스 특성도 관여하고 있습니다. 이 기계 임피던스는 통안에 넣거나 부가 질량을 추가함에 따라 상당히 크게 변화하므로, 이 임피던스를 측정함으로써 TS 파라미터와 같은 유닛의 기본적인 특성을 간접적으로 얻을 수 있습니다. TS 파라미터가 알려지지 않은 유닛의 특성을 측정하는 방법은 우선 유닛을 통안에 넣지 않은 상태에서 주파수에 따른 임피던스 곡선을 측정합니다. 이 곡선상에는 항상 유닛 자체의 공진주파수에서 임피던스의 피크가 형성되며, 이 주파수가 바로 Fs가 됩니다. Fs 상하에서는 급격한 임피던스 저하가 발생합니다. 따라서 피크 주파수 상하에 임피던스 저하가 특정한 크기에 도달하는 주파수, 예를 들면 -3dB 포인트나 -9dB 포인트에 해당하는 주파수가 각각 하나씩 생기며, 이를 각각 Fl, Fh라고 이름 붙입니다. 이를 이용하여 Qts값을 결정할 수 있습니다. 이어서 유닛의 진동 특성을 변화시켜 공진주파수가 이동하도록 적절한 조작을 합니다. 그 방법으로는 진동판에 부가질량을 붙이는 방법과 유닛을 이미 정해진 크기의 밀폐형 통안에 장착하는 법이 있습니다. 최근에는 통안에 넣는 방법을 많이 사용합니다. 통안에 넣으면 등가 강성의 증가로 인하여 유닛의 공진주파수가 상승하여 Fs'에 위치합니다. 이때 원래의 공진주파수 Fs와 상승한 공진주파수 Fs'를 비교하면 Vas값을 계산할 수 있습니다. 유닛 특성 측정은 공동제작에 참가하시는 분들 각자가 개별적으로 행하는 것이 아니라 공작실에서 일괄적으로 수행할 작업이므로 자세한 설명을 생략합니다.
밀폐형의 경우 공진주파수가 같을 경우 저음의 양을 결정짓는 가장 중요한 요소는 Q factor입니다.
그림 8a에서 보시는 바와 같이 Qtc=2.0인 경우와 Qtc=0.5인 경우를 비교하면 저음의 양이 공진주파수 근처에서 sound pressure 가 12dB 씩이나 차이가 납니다. 다시 말해 같은 유닛과 같은 통을 사용하더라도 흡음재 및 댐핑을 가감하는데 따라서 저음의 양에 있어 4배 혹은 그 이상의 차이를 만들어 내는 일이 가능하다는 것입니다. 자작파 입장에서는 유닛의 댐핑은 손댈수가 없으므로 흡음재로 튜닝을 하게 되는데, 이때도 보통 약 3~6dB배의 차이 정도는 만들어낼 수 있습니다. 따라서 밀폐형의 경우라 하더라도 단순히 저음의 양만을 늘리는 것은 그다지 어렵지 않다고 말할 수도 있습니다. 그런데 그림 8a에서 Qtc=2.0인 경우와 Qtc=0.5인 경우를 비교해 보면, Qtc=2.0에서는 공진주파수 근처에 매우 심한 피크가 존재합니다. 반면 Qtc=0.5에서는 저음이 매우 빈약한 상태입니다. 두가지 모두 바람직한 튜닝상태가 아닙니다. 그림 8b는 순간적인 펄스 입력에 대한 유닛의 transient 응답특성입니다. 가장 이상적인 경우는 순간펄스가 입력되면 유닛도 순간펄스로 응답하는 것입니다. 그러나 유닛도 하나의 진동계이므로 입력을 그대로 따라가지는 못하므로 필연적으로 잔여진동이 존재합니다. Qtc=0.5에서는 약 t/2pTc = 1.0 이후에는 잔여진동이 거의 사라집니다. 반면 Qtc=2.0에서는 약 t/2pTc=3.0 근처에 까지 잔여 진동이 존재합니다. 다시 말해 Qtc가 높아지면 저음의 양이 증가하기는 하지만, 그 대신에 제동력이 현저히 떨어져 잔여진동이 오래까지 남게 됩니다. 뿐만 아니라 그림 8a에서와 같이 공진 피크가 두드러져서 소위 Booming현상이 느껴지게 됩니다. 그림 8a에 의하면 비교적 평탄한 저역 응답이 얻어지는 것은 Qtc=0.7~1.0 사이입니다. Qtc=1.1은 Chebyshev C2 alignment라고 불리는 튜닝 방법으로서, 저역의 양과 booming 사이에 최적의 타협을 시도한 것입니다. 즉, 어느 정도의 붕붕거리는 저음을 감수하고서라도 저역의 양을 늘려 풍부한 느낌을 주도록 하는 방법입니다. 하지만 저음의 양이 풍부한 대신 booming과 함께 잔여 진동이 증가하여 Qtc=0.707 (B2 alignment)에 비해 두배 이상의 잔여진동이 불가피하게 됩니다. 일반적으로 밀폐형 스피커에서 많이 사용되는 Qtc 값은 0.8~1.0 이내 입니다. 0.707은 이론적으로 가장 평탄한 저역과 우수한 제동력을 겸비한 최적의 설계에 해당하지만, 실제로 저역의 효율이 낮기 때문에 작은 스피커에서 풍만한 저역을 이끌어낼 수가 없습니다. 이러한 이유로 인해 대부분의 스피커 제작사에서는 저역의 질을 약간 포기하면서라도 저음의 양을 늘리기 위한 방법으로서 Qtc=0.8~1.0정도의 값을 취합니다. 아래의 그림을 보시면 일반적으로 많은 사람이 선호하는 전형적인 스피커의 응답특성이 소개되어 있습니다.
이 그림에서 보시는 바와 같이 많은 사람들은 약 60Hz 근처에서 약간의 피크가 존재하는 다소 붕붕거리는 저음을 "좋은 소리"라고 생각하고 있습니다. 이 때의 Qtc는 약 1.0에 가깝습니다. 실용 3호의 저음은 높은 제동력과 빠른 응답속도를 및 순발력에 높은 우선 순위를 둡니다. 제동력과 응답속도가 부족하면 멍청하고 혼탁한 음이 될 수 밖에 없으며, 전체 대역의 느낌을 흐리게 만듭니다. 부족한 저음의 양은 톤 컨트롤 등을 이용해 쉽게 보상될 수 있지만 혼탁한 저음은 사용자가 제어할 방법이 없습니다. 따라서 실용 3호는 이론적으로 가장 평탄하고 잔여 진동을 효과적으로 감소시킬 수 있는 Qtc=0.707을 목표로 하고 있습니다. 경우에 따라서는 저역의 양이 부족함을 느낄 수도 있지만 이는 잘 매칭되는 서브우퍼를 이용하여 충분히 보강될 수 있습니다. 실용 3호와 같이 작은 크기의 인클로우저에 대부분의 6.5" 유닛을 장착하면 흡음재를 전혀 넣지 않은 상태에서 Qtc값은 0.7보다는 좀 높게 나오는데, 흡음재를 적당히 첨가하여 약간 더 낮출수 있습니다. 유닛 자체의 공진주파수 Fs는 일정하게 주어진 값이며, 흡음재를 더 추가할 경우 시스템 공진주파수 Fs'는 약간 변화하지만 크게 달라지지는 않습니다. 반면 임피던스 곡선의 형태는 상당히 달라지며, 특히 공진주파수 근처의 임피던스 피크의 형태가 많이 변화하여 Fl과 Fh가 달라집니다. 달라진 Fl과 Fh는 시스템 전체의 Q factor라고 할 수 있는 Qtc값을 변화시키며, 따라서 흡음재의 양을 가감한 후 매번 임피던스 곡선을 측정하고 또다시 양을 가감하는 작업을 반복하면 최종적으로 자신이 원하는 Qtc에 해당하는 흡음재의 양을 얻을수 있습니다. 흡음재는 각각 고유의 흡음율을 가지고 있고 재료마다 다르므로 흡음률을 모르고는 정확한 튜닝은 힘듭니다. 아마츄어 자작 수준에서는 재료의 흡음률을 알기 어려우므로 계산에 의해 정확히 설계하기는 어렵고 결국 실험적으로 흡음재의 양을 가감하면서 튜닝할 수 밖에 없습니다. 튜닝하는 방법은 임피던스법이 적당합니다. 흡음재를 많이 넣으면 Fs' 자체도 약간 낮아지며, 저역 한계 주파수도 좀 더 내려가는 효과가 있습니다. 이는 주로 통안에 흡음재를 가득 채운 경우에 발생하는 현상이며, 그 이유는 흡음재의 존재로 인하여 음파의 전달 속도가 약간 느려지고, 결과적으로 통의 크기가 약간 증가한 것과 같은 효과를 가져오기 때문입니다. 이렇게 되면 결국 전체적으로 비선형 문제가 되므로 기존의 스피커 설계 공식으로는 손쉽게 해석하기 어렵게 됩니다. 하지만 저역 한계주파수가 낮아지고 불필요한 잔여진동이 감소하므로, 적절한 한도 내에서 흡음재의 양을 증가시키는 것은 음질적으로는 오히려 이득이 많다고 볼 수 있습니다. 흡음재 양을 최적 튜닝하는 과정은 간단히 생각하면 손쉽게 끝낼 수도 있지만 정밀하게 작업하려면 상당히 지루한 작업이며, 특히 함수발생기 및 테스터가 필수적으로 필요하므로 경험이 적은 분은 직접 수행하기 어려울수도 있습니다. 그러나 결과적으로 필요한 것은 흡음재의 재질과 양만 알면 되는 것이므로 유닛이 결정되고 나면 적절한 흡음재를 공구하여 적당량을 미리 무게로 달아 나누어 드리면 각자 별 어려움 없이 조립할 수 있을 것으로 생각됩니다. 물론 유닛마다 스펙이 약간씩 달라 편차는 있겠지만, 이 문제는 양산 스피커의 경우에도 마찬가지일 것이며, 양산 스피커중에서도 각 유닛의 특성을 모두 측정하여 그에따른 최적 튜닝을 개별적으로 실시하는 경우는 극히 드물고 대부분 미리 결정된 설계대로 일정한 네트워크 회로 및 흡음재 등을 일률적으로 사용하는 것으로 압니다. 개인적으로 정밀 튜닝을 하시고 싶으신 분들은 위에 설명된 방법을 참고로 하여 시간을 좀 투자하시면 큰 어려움 없이 가능할 것으로 봅니다.
현재까지 몇조의 실용 3호가 시험 제작 되었으며, 다음 사진들에서 그 외관을 감상하실 수 있습니다. 외부 마감은 사포를 이용하여 충분히 연마한 후 자동차용 스프레이 페인트를 사용하여 도색하였으며, 아래의 사진은 군청색 메탈릭 페인트를 얇게 6회씩 도포한 후 투명 라카를 2회 도포하여 제작한 초기의 프로토타입입니다.
다음 사진은 1999년 9월 11일 목동 제자교회 21세기 홀에서 개최되었던 실용오디오 소형 스피커 비교 시청회에 출품되었던 실용 3호의 모습입니다. 은색 자동차용 스프레이를 3회 도장하였으며 투명 라카는 1회 도장하였습니다. 사진은 윤태원님께서 제공하신 것을 축소하여 실었습니다.
실용 3호 북셸프 스피커의 공동 제작은 FRP 전문 성형 업체에 의뢰하여 인클로우저를 제작합니다. 유닛 및 네트워크 부품류는 기성품을 일괄적으로 구입하거나, 재고가 부족할 경우에는 주문 제작합니다. 유닛과 기타 부품은 개인적으로도 여러 가지 방법으로 구입할 수 있으므로, 공동제작의 주된 목적은 인클로우저의 제작입니다. 인클로우저의 공동제작에 참여하는 방법은 공작실 게시판을 통하여 신청 의사를 밝히거나 공작실 담당자인 김성욱씨의 e-mail 주소인 sungwook@eddy.snu.ac.kr 로 개별적인 서신을 보내 주시면 항시 접수 가능합니다. 각자 신청하실 수 있는 최소, 최대 수량에는 제한이 없으며, 신청 수량을 수시로 합계하여 20개가 넘어서면 각 차수의 신청 수량을 마감하며, 이 후에 신청하시는 분들은 다음 차수에 참여할 수 있습니다. 20개가 넘더라도 마감 당일 신청분에 대해서는 접수를 받습니다. 신청자 분들의 수가 많으므로 일일이 전화로 제반 사항을 통보해 드릴 수는 없으므로 반드시 e-mail을 통해 모든 공지사항을 전달해 드립니다. 신청 수량이 20개를 초과하면 먼저 공작실 담당자가 개별적으로 e-mail로 참여 의사를 재확인한 후 입금액과 입금계좌번호를 통보해 드립니다. 입금이 완료되면 업체에 주문을 발주하고, 20개 내외의 수량인 경우 대략 1~2주의 기간내에 제작이 완료됩니다. 업체에서 인수받은 FRP 인클로우저는 공작실 담당자가 유닛 구멍뚫기 및 나사구멍 가공 등의 필요한 작업을 거쳐 MDF 뒷판 및 기타 부품과 함께 개별적으로 나누어 드립니다. 나누어 드리는 방법은 직접 공작실 담당자를 찾아 오셔서 수령하실 수도 있고, 직접 찾아오시기 힘든 경우에는 착불로 택배해 드립니다. 1, 2차 공동제작을 진행해 본 결과 많은 분들의 신청을 받아 단체로 주문하게 되므로, 개인적인 사정에 따라 e-mail 공지 사항에 대한 회답아니 제작 대금의 입금이 늦어지는 경우도 있습니다. 또한 신청하셨다가 취소하시는 분들도 생기고 마지막까지 아무런 통보 없이 입금을 안하시는 분들도 생깁니다. 따라서 모든 분들이 입금을 완료할 때까지 무작정 기다릴 수는 없으며, 약 90% 정도의 수량이 입금 완료되면 바로 주문을 발주합니다. 입금되지 않은 10% 분량은 인클로우저가 완성되어 배달될 때까지 입금을 접수하며, 인클로우저가 배달된 후에도 입금되지 않으면 신청을 취소한 것으로 간주합니다. 10% 내외의 미입금된 수량에 대해서는 모자란 금액을 설계자와 공작실담당자가 함께 부족분을 먼저 메꾸고 난 후 차후에 공작실게시판 및 오디오장터란을 이용하여 실수요자에게 같은 가격에 판매합니다. 예상되는 제작 비용은 다음과 같이 구성됩니다. (스피커 1개 분량 / 단위: 원)
* 위의 가격은 실용3호의 공동제작 중 추가제작분의 예정가격으로 제작시기와 업체 사정에 의해 변동될 수 있습니다.
앞으로 머지 않은 장래에 가정용 오디오 포맷은 현재의 스테레오에서 5.1 멀티채널 쪽으로 무게 중심이 이동할 것이 거의 기정사실화 되고 있습니다. 현재 폭발적인 신장세를 보이고 있는 DVD-video 및 향후 CD를 대체하여 순수 음악용 포맷으로 유력하게 거론되고 있는 DVD-audio, 그리고 현재의 디지털 위성방송 (DSS), 차세대의 디지털 방송 (HDTV) 등 대부분의 차세대 규격의 소프트웨어들이 멀티채널 오디오를 기본적으로 채택하고 있습니다. 기존의 CD 역시 스테레오 음악을 재생하는데 있어서 인간의 청력 한계를 능가하는 충분한 성능을 가지고 있으나, 한편으로는 청력 한계와 비교하여 그다지 큰 여유를 가지고 있지 못한 것이 사실이며, 이 때문에 현재와 같은 수준의 CD의 완성도를 얻기 위하여 여러 가지 보조적인 기술들이 개발 적용되어 왔습니다. 그러나 과거와는 달리 이제는 방대한 데이터 용량을 싼값에 손쉽게 얻을 수 있으며, 이러한 상황에서 더 이상 제한적인 스테레오 포맷을 고집할 당위성을 찾기 어렵습니다. 또한 CD에서는 불가능하였던 멀티채널 서라운드는 순수 음악 및 AV 양쪽 분야에 있어 한단계 높은 수준의 음장감을 제공할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다. 하지만 한편으로는 포맷의 전환에는 언제나 그 충격을 완화하기 위한 과도적인 기간이 필요하며, 수십년간 다듬어져 온 스테레오 방식이 하루 아침에 쉽사리 그 자리를 내놓지는 않을 것입니다. 이러한 과도기 단계에 사용자가 겪는 가장 큰 고민거리는 최소한의 투자로 두 가지 표준을 모두 만족시키는데 있습니다. 실제로 지난 몇달간 실용오디오 AV 포럼에서 가장 빈번하게 접하는 질문중의 하나가 순수 오디오와 AV를 동시에 만족시키는 시스템 구축에 관한 것이었으며, 이는 비슷한 분야를 다루는 여타 사이트 등에서도 가장 자주 질문되는 사항입니다. 공작실에서 공동제작이 진행중인 실용 3호는 전용 서브우퍼와 결합할 경우 순수 음악 및 AV 양쪽에 걸쳐 작은 투자로 최선의 결과를 얻을 수 있는 방법을 제안합니다. 현재 실용 3호 밀폐형 북셸프 스피커만이 제작되고 있으며, 이 스피커는 기본적으로 풍부하고 여유 있는 저역보다는 타이트하고 응답이 빠른 명료한 음색쪽을 지향하고 있습니다. 실용 3호는 원래 중고역을 중시한 소형 모니터적인 용도 혹은 멀티채널 서라운드를 염두에 두고 설계되었으며, 애초부터 질 좋은 초저역을 받쳐줄 수 있는 대구경 서브우퍼를 전제로 하고 있습니다. 아래의 그림에는 현재 구상중인 멀티채널 자작 스피커 시스템의 개략적인 구성이 나타나 있습니다.
우선 메인과 센터에 실용 3호가 시용되며, 그림상에는 나타나지 않았지만 리어 채널에도 2개의 실용3호가, 즉 총 5개의 실용3호가 5개의 독립 채널을 담당합니다. 메인을 구동하는 데는 일반 인티앰프나 프리/메인 앰프가 사용될 수 있으며, 물론 AV앰프로도 구동할 수 있습니다. 메인 스피커 아래에는 좌우에 각각 1개씩의 서브우퍼가 장착되며, 이 서브우퍼가 초저역을 담당합니다. 유닛으로는 12인치 대구경 유닛을 각 1개씩 사용합니다. 서브우퍼는 패시브 방식이며 이를 구동하기 위해 별도의 파워앰프나 인티앰프를 연결하게 됩니다. 이 서브우퍼의 기본적인 설계는 완료된 상태이며, 향후 적절한 시기에 공동제작을 추진할 계획도 구상중에 있습니다. 스테레오 음악을 감상할 때는 메인 좌우채널과 좌우의 서브우퍼만 작동합니다. 일반 인티나 프리메인 앰프를 써서 메인을 구동한다면 AV와는 전혀 관련이 없는 순수 오디오적인 구성으로 동작하게 됩니다. 이 경우의 구성은 결과적으로 중고역을 담당하는 실용3호와 저역을 담당하는 서브우퍼가 서로 다른 앰프에 의해 구동되는 바이앰핑 방식이 됩니다. 중고역을 담당하는 유닛과 저역을 담당하는 유닛을 서로 독립된 인클로우저에 분리 수납하는 방식은 최고급기기에서 흔히 볼 수 있는 방식입니다. 물론 초저역은 방향성이 적으므로 여건에 따라서는 서브우퍼는 하나만 사용하여도 크게 부족함은 없습니다. AV에서는 5개의 실용3호가 각각 메인, 센터, 리어를 담당하며, 2개의 패시브 서브우퍼는 저역채널을 담당합니다. 즉 일반 5.1 서라운드와 동일한 방식이지만 서브우퍼를 2개 사용하여 저역의 양감을 증가시키고 깊이를 더할 수 있습니다. 이 역시 고급형 AV 시스템에서 선호하는 방식입니다. 싱글 서브로도 볼륨을 높이면 저음양은 증가시킬 수 있지만 더블서브의 꽉찬 느낌을 흉내내기는 상당히 어렵습니다. 하지만 5.1의 기본 구성을 갖추는데는 1개의 서브우퍼로도 물론 가능합니다. 앰프로는 Dollby Digital 디코더가 내장된 AV용 앰프를 사용할 수도 있고, 외장형 Dolby Digital 디코더를 사용하는 경우에는 외장 앰프를 써서 각 채널을 독립적으로 구동할 수도 있습니다. 외장 앰프를 쓰는 경우에는 순수 음악을 들을 때 AV용 기기를 전혀 쓰지 않고 일반 스테레오 감상과 같은 방식으로 사용할 수 있습니다. 이러한 기본 구성 이외에도 각자의 용도에 알맞게 여러 가지 방법으로 조합이 가능합니다. 우선 멀티채널에 관심이 없고 가능힌 저렴한 예산으로 풍부한 저음을 즐기고자 하는 경우는 실용3호 2개와 서브우퍼 1개로 조합할 수 있습니다. 멀티채널은 원하지 않지만 좀더 충실한 스테레오 재생을 원하는 경우는 2개의 실용3호에 각각 1개씩 총 2개의 서브우퍼를 사용할 수 있습니다. 이때는 실용 3호를 약 120~150Hz에서 하이패스 필터를 거쳐 중저역 이상을 담당하도록 하고 서브우퍼에는 같은 기준주파수를 가지는 로우패스 필터를 장착하여 저역을 담당하도록 합니다. 이와 같이 하면 최고급 스피커시스템에서와 같이 중고역과 저역을 독립된 인클로우저에 수납하고 잘 설계된 네트워크로 매끄럽게 연결시키는 가장 이상적인 형태를 기대할 수 있습니다. 서브우퍼와 북셸프 스피커를 각각 별개의 파워앰프로 구동하는 멀티앰프 방식도 가능합니다. 멀티채널과 음악을 동시에 원할 경우에는 5개의 실용3호와 2개의 서브우퍼로 풀세트를 갖출 수 있으며, 음악을 들을 때는 메인과 두개의 서브우퍼를 이용해 위와 동일한 방식으로 이상적인 형태의 음악용 스피커로 작동할 수 있습니다. AV를 시청할 때는 풀세트를 모두 구동하며, 이 경우는 실용 3호와 서브우퍼 사이에 별다른 하이패스나 로우패스가 필요하지 않으며, AV앰프나 5.1 디코더에서 나오는 각 채널별 신호를 그대로 직결할 수 있습니다. 5.1의 각 채널은 풀레인지이므로 프론트에도 상당한 저음이 담겨 있으므로 실용3호의 저역을 필터링 없이 그대로 이용할 수 있으며, 저역채널의 경우는 5.1 인코딩된 신호에 중역 이상을 잘라낸 저역 신호만 담겨 있으므로 서브우퍼에 별도의 로우패스 필터가 필요하지 않습니다. 따라서 멀티채널과 음악을 동시에 사용하는 풀시스템에서는 프론트와 서브의 네트워크를 필요에 따라 바이패스 시킬 수 있는 토글스위치를 장착하면 음악과 AV 양쪽을 모두 최상의 방식으로 구동할 수 있습니다. AV쪽으로 좀더 욕심을 부린다면, 프론트 채널에도 전용 서브우퍼를 물리는 방법이 있습니다. 프론트 신호 자체는 풀레인지이므로 상당한 양의 저음이 들어있으며, 이는 서브우퍼 채널에 수록된 저음과는 또 다른 성격입니다. 따라서 프론트에도 전용 서브우퍼를 물리면 한단계 더 높은 차원의 서라운드가 가능합니다. 또한 음악과 AV를 전환할 때 별다른 토글스위치가 필요하지 않으므로 사용하기에도 간편합니다. 물론 2개의 서브우퍼가 추가되므로 비용이 상승할 것입니다.
이 공동 제작은 자작 프로젝트이므로 공작실에서는 인클로우저, 유닛, 네트워크 부품 및 각종 부품들을 일괄 구입하여 나누어 드리는 일을 담당하며, 최종적인 표면 다듬기, 페인트 칠작업, 조립, 및 마무리 등의 작업은 각자 수행하셔야 합니다. 페인트는 자동차용 스프레이를 사용하며, 가능하면 펄(pearl)이 첨가된 메탈릭 계열의 색상으로 선택하시는 편이 비교적 덜 매끈한 표면에서도 미려한 광택의 아름다운 외관을 얻을 수 있습니다. 페인트 도장을 하는 요령은 흐르지 않도록 얇게 칠한 후 말리고 또 칠하는 과정을 여러번 반복하며, 최종적으로 투명한 라카를 1~2회 도포하면 보다 높은 광택을 얻을 수 있습니다. 색상 선택에 참고가 될 수 있도록 몇가지 대표적인 메탈릭 계열의 자동차용 페인트 색상을 아래 그림에 예시하였습니다. 화면상의 색상과 실제 색상은 다소 차이가 있을 수도 있습니다.
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앰프 배우기 1여러분들께서 앰프의 회로를 이해할 수 있도록 설명을 한 번 시작해보도록 하겠읍니다. 잘될지 안될지는 해봐야 아는 것이고. 앰프 배우기 2지난 번에 말한대로 에미터 팔로워를 흔들어 보기로 하겠읍니다. 앰프 배우기 3이 번에는 증폭에 대하여 다루어 보겠읍니다. 에미터 전압 콜렉터 전압 1V 15V 2V 10V 3V 5V 딱, 보시면 눈치를 채시겠지만, 에미터 전압의 변동폭에 비해 콜렉터 전압의 변동폭이 다섯 배가 됩니다. 이 '다섯 배'는 어디서 나오는 것일까요? 바로 '콜렉터 저항 나누기 에미터 저항' 인 것입니다. 앰프 배우기 4앰프 배우기 1 - 앰프에서의 TR은 저항처럼 동작 앰프 배우기 2 - 힘이 좋은 에미터 팔로워 앰프 배우기 3 - 증폭, 입력보다 출력이 크다니 에 이어 앰프 배우기 4 - 모 아니면 도, 과격한 차동 증폭기를 제목으로 글을 시작하겠읍니다. 지난 번까지 부제없이 숫자만 메기면서 글을 쓰려니 재미도 없는 것 같고, 저 조차도 지난 번에 어떤 내용의 글을 썼는지 오락 가락하기에 부제를 지어놓는게 나을 것 같아서 이번부터 그리 하도록 하겠읍니다. 앰프 배우기 54회 이후에 한참을 쉬었다가 올리는 군요. 그 동안 제가 좀 여유가 없었읍니다. 앰프 배우기 6정말 오래간만에 이 연재물을 올리는 군요. 그 동안 바빠서 그랬읍니다. 게으른 탓도 있었지요. 죄송합니다. 오랜만이다 보니 어떤 내용까지 글을 올렸었는지 저조차 기억이 잘 안나는 정도이니 관심이 있으신 분들은 지난 연재 내용들을 살짝 복습하시는게 좋을 듯 싶습니다. 지난 회에서는 힘은 좋지만 거친 달링턴에 대하여 말씀드렸읍니다. 출력 파형이 0V 부근에서 멈췄다 지나가기 때문에 그 상태로 스피커를 울리면 용서받지 못할 음질이 되어 버리게 됩니다.. 0V 부근에서 멈칫하고 가는 이유는 출력 트랜지스터가 p형, n형 모두 쉬게 되어서 전류가 끊어지기 때문입니다. 이 현상을 피하기 위하여 바이어스 전류를 흘리도록 하는 것입니다. 바이어스 전류라는 말을 많이 들어보셨죠? 바이어스 전류를 아주 심하게 흐르도록 한 것이 A class 앰프라는 말을 들어보신 분들도 많으실 겁니다. 0V 정도의 출력 전압이 나갈 때 p형, n형 트랜지스터 모두 동작이 되고있는 상태가 되어야만 0V를 지날 때의 찌그러짐이 작아집니다. 이번 회로도에서 Q1, Q2가 동시에 켜져 있어야 한다는 것입니다. 물론, 큰 양전압이 출력 될 때에는 아래 쪽의 Q2는 쉬고, 큰 음전압이 나갈 때에는 위의 Q1이 쉬어야 효율이 좋아지겠지요. 앰프의 출력단은 기본적으로 에미터 팔로워 입니다. 베이스와 에미터간 전압이 0.6V 정도 차이가 나도록 에미터의 전위가 베이스 전위를 따라다닌다는 의미입니다. 달링턴은 이중 에미터 팔로워라고 보시면 됩니다. 아무리 에미터 팔로워라고 해도 힘에는 한도가 있으므로 큰 전류를 흘리기 위한 큰 트랜지스터의 베이스를 작은 트랜지스터로 구성된 에미터 팔로워가 구동하는 것입니다. 회로도에 초록색으로 전압 표시가 되어있는 것은 입력 전압이 0V일 때의 전압 상태를 나타냅니다. Q3의 베이스 전위가 1.21V로 되어있으니 Q3의 에미터, 즉, Q1의 베이스는 그보다 0.6V 정도 낮고, Q1의 에미터는 그보다 또 0.6V 정도 낮아져서 0.01V 정도로 되었읍니다. Q4의 베이스 전위가 -1.21V로 되어있으니 Q4의 에미터, 즉, Q2의 베이스는 그보다 0.6V 정도 높고, Q2의 에미터는 그보다 또 0.6V 정도 높아져서 -0.03V 정도가 되었읍니다. 따라서, Q1의 에미터와 Q2의 에미터 간에는 0.04V 정도의 전압이 걸려있읍니다. 이 사이에 저항 R5와 R6이 있어서 전류가 흐르게 됩니다. R5와 R6의 직렬 저항이 2옴이므로 스피커가 연결되지 않아도 이들을 통해 0.02A 정도의 전류가 흐르게 됩니다. 두 트랜지스터 Q1과 Q2가 아슬 아슬하게 쉬지 못하고 동작하고 있는 것입니다. 이렇게 된 것은, 달링턴의 앞 쪽, 즉, Q3과 Q4의 베이스간에 2.42V 정도의 전압이 걸려있기 때문입니다. 이 전압을 만들어 주는 것은 다이오드들 D1,D2,D3,D4 들입니다. 다이오드는 전류가 흐를 때 그 양극과 음극 사이에 0.6V 정도가 걸리게 되는 성질이 있읍니다. 전류가 거의 흐르지 않을 때에는 0V, 아주 많이 흐를 때에는 1V도 넘게 걸리다가 죽어버리지만, 대충 웬만한 전류에서는 0.6V 정도의 drop 이 발생하게 됩니다. 이런 다이오드 4개를 직렬로 붙이고 R3 와 R4를 통해 전류가 흐르도록 하여 필요한 전압(2.4V가 살짝 넘는)을 만든 것입니다. 지난 회들과 마찬가지로 입력 전압에 저항 R1(2.2k옴)을 붙여 힘이 약한 신호원을 흉내 냈읍니다. 출력단에 다이오드 D5와 D6이 있는 것이 궁금하셨던 분은 이 글을 열심히 읽고 계시는 분일 것입니다. 이 다이오드들은 1옴찌리 출력저항(R5,R6)을 통해 너무 많은 전류가 흐르면 손실이 커지는 것을 막기 위한 것입니다. R5나 R6에 0.6A 이상의 전류가 흐르면 0.6V 이상의 전압강하가 생기게 됩니다. 그러면, 병렬로 붙어있는 다이오드 D5 또는 D6을 통해 전류가 흐르게 되므로 저항 R5, R6을 보호할 수 있고, 손실도 줄일 수 있게 됩니다. 출력 전압이 나올 수 있는 범위도 넓어지게 됩니다. 이제 동작 파형을 보시지요. 빨간색의 입력전압을 완벽하지는 않지만 잘 따라가는 출력 파형이 나옵니다. 지난 번 처럼 0V 부근에서 노골적으로 쉬었다 가지를 않고 부드럽게 지나갑니다. 자세히 보시면 0V 부근에서 쉬고싶어하는 경향이 있는 것을 눈치채실 수 있을 것입니다. 아직, 완벽한 회로가 된 것은 아니지요. 다음 회에서는 거~의 완벽하게 입력 전압과 닮은 출력 전압이 나오는 회로를 보여드릴 예정입니다. 이번 회의 부드러워진 달링턴과 4번 째의 과격한 차동증폭기가 어울려 거의 완벽한 회로가 되는 것입니다. 회로는 다음 회에서 일단 완성되는 것이니 기대하시기 바랍니다. 앰프 배우기 7먼저 동작 파형부터 보십시오. 파란색의 [입력전압*10] 을 빨간색의 출력전압이 거의 정확하게 따라가고 있습니다. 10배 증폭을하는 파워 앰프가 드디어 완성이 된 것입니다. 게다가, 20kHz에서 완벽하게 동작하고 있읍니다. 거의 이야기가 끝난 것이지요. 10배가 되어야 하는 이유는 출력전압의 1/10 을 검출하여 입력 전압과 비교하기 때문입니다. 입력 측의 차동 증폭기는 입력전압과 되먹임전압(출력전압의 1/10)을 비교하여 조금이라도 차이가 있으면 가차없이 수정을 해버립니다. [앰프 배우기 4]에서 차동 증폭기가 아주 과격하다고 했읍니다. 그 과격한 차동 증폭기의 출력을 오차가 수정되는 방향으로 다음 회로에 넘겨주는 것입니다. 예를 한 번 들어볼까요? 입력전압보다 되먹임전압이 아주 조금 작다고 가정을 해봅시다. 그러면, 차동증폭기의 되먹임측 TR은 꺼지고 입력측 TR이 켜지게 됩니다. 그러면, 저항 R9로 흐르는 전류가 많아져서 전압강하가 커집니다. 그 전압 강하를 R8을 통해 전달받는 Q10의 베이스전압이 낮아지게 됩니다. 그러면, Q10의 에미터-베이스간 전압이 커져서 Q10이 도통하게 됩니다. 그러면, 달링턴 출력단의 입력전압이 올라가게되지요. D2와 D3 사이의 전압 말입니다. 달링턴 출력단은 입력 전압을 따라가는 회로이므로 결과적으로 출력전압이 올라가게 됩니다. 따라서, 되먹임전압도 올라갑니다. 처음의 가정이 입력전압보다 되먹임전압이 작다고 했었는데, 그게 원인이 되어 되먹임전압이 올라가는 결과가 나오게 됩니다. 이런 동작은 최초의 원인이 해소될 때까지 이루어지게 됩니다. 즉, 입력전압과 되먹임전압이 같아지게 되는 것이지요. 제목에서 주장하는 바와 같이 앰프는 자동제어기기라고 보아야 합니다. 앰프의 핵심은 그 두뇌역할을 하는 차동증폭기에 있읍니다. 따라서, 출력석을 별로 다르지 않은 TR로 교체해도 동일한 소리를 내게 되는 것입니다. 스피커를 구동이 까다로운 고약한 놈으로 물렸다고요? 그래도, 앰프의 출력전압은 마찬가지입니다. 앰프의 주변 온도가 매우 높거나 낮다고요? 그래도, 앰프의 출력전압은 마찬가지입니다. 앰프는 민감한 기기가 아닙니다. 어떤 고난과 역경이 닥치더라도 고장이 나지 않는 한 입력전압과 되먹임전압이 같아지도록 자동제어를 하면서 묵묵히 동작하지요. 제 앰프에 관한 연재물을 여기까지 이해하실 수 있는 분들은 실용오디오에서 주장 중 하나인 '제대로 만들어지고 제대로 동작하는 앰프들의 소리는 사람의 귀로 분간할 수 없을 정도로 같다'는 말이 진실인 것을 아실 것입니다. 그렇다면, 앰프를 자작할 이유도 없겠군요. 그냥, 값싸고 튼튼하고 사용 편하고 이쁘게 생긴 놈을 사서 쓰면 되니 말입니다. 굳이 고생하여 자작할 필요가 있겠읍니까? 사실, 제가 이 글을 연재하였던 의도는 앰프 자작을 말리기 위해서였읍니다. 노력해봐야 기성제품보다 좋은 놈은 만들어낼 수 없다는 것을 알리고 싶었읍니다. 그래서, 제목도 [앰프 만들기]가 아니라 [앰프 배우기]로 지었던 것입니다. 그렇지만, 이 연재가 여기서 끝나지는 않습니다. 다음에 올릴 글에서는 실제로 앰프를 만들었을 때 발생할 수 있는 발진의 문제를 해결하는 기법에 대하여 다루도록 하겠읍니다. 제가 아무리 말려도 누군가가 만들어 보았다가 더러운 일을 당하면 안되니 말입니다. 앰프 배우기 8지난 회까지 앰프의 회로가 거의 완성되었읍니다. 이해를 하며 따라오신 분들은 앰프를 거의 만들줄 알게 된 것입니다. 실질적인 경험은 조금 쌓아야 겠지만 말입니다. 제가 이 연재를 하게 된 동기는 앰프의 회로가 이렇게 쉬운 것이라는 것을 알려드리려는 것이고, 앰프의 동작을 이해하게 되면 보급형 앰프나 하이엔드 앰프나 성능이 다르지 않다는 것을 알게되리라 생각했기 때문입니다. 아무리 잘 만든 자작 앰프라도 보급형 앰프보다 성능이 좋아질 수 없으니 앰프 자작 같은 것은 할 필요가 없다고 주장하는 바입니다. 그래서, 회로도의 트랜지스터들이 형명이 없는 것도 있고, 형명이 있는 것들을 구한다고 하더라도 내압이 안맞아 동작을 하지 않을 것입니다. 제가 이렇게 간곡히 말려도 자작을 시도하시는 분들이 있을 지도 모릅니다. 그래서, 이 글을 준비했읍니다. 실제로 앰프를 만들기 위해서는 해결해야 하는 문제가 더 있읍니다. 바로 발진이라는 현상입니다. 발진이라는 것은 출력단의 동작 속도가 느려서 생기는 것입니다. 따라서, 속도가 느린 진공관 앰프에서 생기기 쉽고, 게이트 capacitance 가 있는 MOSFET 앰프 또는 IGBT 앰프도 문제가 일어나기 쉽습니다. 보통의 트랜지스터 앰프가 제일 좋은 것입니다. 평범한게 최고지요. 먼저, 제일 위의 동작 파형을 보십시오. 파란색의 출력파형이 빨간색의 입력*10파형을 따라가기는 하는데 심하게 발진을 하고 있읍니다. 이런 현상이 일어나도록 하기 위해서 지난 번의 회로에다 C3 라는 1nF 짜리 콘덴서를 달았읍니다. 회로도의 출력석들 사이 정도에서 찾아보시면 있을 것입니다. 이 콘덴서로 출력단의 동작 속도가 느린 것을 흉내낸 것입니다. 발진이라는 것이 잘 이해가 안되실텐데 예를 들어서 설명해보도록 하겠읍니다. 샤워를 시작한다고 생각해보십시오. 샤워기의 레버를 조작해서 적당한 온도의 물이 나오도록 조절해야 할 것입니다. 차가운 물이 나오길래 뜨거운 물이 나오도록 레버를 확 돌립니다. 그러면, 조금 있다가 뜨거운 물이 나오기 시작합니다. 너무 뜨거워 이번에는 차가운 물이 나오도록 레버를 확 돌립니다. 잠시 후, 너무 차가운 물이 나오기 시작합니다. 이런 식으로 계속되면 차가운물, 뜨거운물이 번갈아 나오기만 할 뿐 적당한 온도의 물이 나오지 않을 것입니다. 샤워기 조절 레버와 물이 나오는 노즐(?)까지의 거리 때문에 물이 이동하는데 시간이 걸려서 이런 현상이 나타나는 것입니다. 그런데, 여러 분들은 적당한 온도의 물이 나오도록 샤워기를 잘 들 사용하고 계십니다. 요령이 무엇일까요? 샤워기의 레버를 홱 홱 빠르게 조작하지 않고, 천천히 조작하는 것입니다. 앰프에서도 마찬 가지입니다. 발진이 일어나고 있는 것은 제어부인 차동증폭기가 너무 빨리 작동하고 있기 때문입니다. 그래서, 제일 아래의 동작 파형처럼 깨끗한 출력 파형이 나오도록 하기 위해 회로에 덧 붙여 준 것이 150pF 짜리 콘덴서 C4 입니다. 차동증폭기 부분을 보시면 찾으실 수 있을 것입니다. 차동증폭기의 성질을 누그러 뜨리다 보니 한계 가청주파수인 2만 헤르츠 에서 이지만, 입력 파형을 출력 파형이 그대로 흉내내지 못하는 것이 보이게 됩니다. 출력 파형의 크기가 10배에서 약간 모자라게 되고, 약간 위상이 뒤쳐져서 출력이 나오게 됩니다. 까다로운 오디오 애호가라면 마음에 안드는 부분이겠지만, 인간의 귀로는 이 정도 차이를 분간할 수 없읍니다. 주파수 특성은 약간 양보하지만 앰프가 발진하지 않도록 하는 것이 더 중요합니다. 안정성을 일단 확보해야 하는 것입니다. 발진이 일어나면 앰프는 물론이고 스피커도 고장날 수 있읍니다. 동작 주파수 대역이 수백kHz까지 된다는 앰프는 쓰지 마십시오. 발진 방지 대책이 허술하기 때문에 그리 될 수 있읍니다. 50kHz 정도만 되어도 충분하고도 남습니다. 다음 회에서는 이 앰프 회로의 성능을 분석하겠읍니다. 앰프 배우기 9이번 회를 마지막으로 이 글의 연재를 마치고자 합니다. 그 동안 재미없는 글을 읽어주시느라 고생들 많이 하셨읍니다. 저는 이 글의 연재를 하면서 자작에 대한 미련이 다 없어져서 제 자작앰프도 치워버렸고, 지난 번에 크렐 파워와의 대결에서 비겼던 AA-40을 주 앰프로 사용하고 있읍니다. 멀티 앰핑 시스템도 치우고 수동 소자 들만을 이용한 간단한 네트워크 회로로 서브 우퍼와 메인 스피커 간의 주파수 대역 할당을 시키고 있읍니다. 첨부한 회로도와 8회 무렵의 회로를 비교해 보시면 차동앰프 부분과 출력단의 바이어스를 걸어주는 부분의 설명을 위해 중첩되어 있던 회로들이 없어져서 간단해 진 것을 알 수 있을 것입니다. 바이어스를 걸어주기 위한 다이오드 D1~D4에 전류를 공급해주던 저항들 중 위의 것이 사라지고 그 자리에 차동 증폭기의 출력단인 트랜지스터 Q10 이 들어온 꼴입니다. 회로가 이렇게 바뀌더라도 동작 특성에는 거의 변화가 없읍니다. 앰프의 동작을 거의 좌지 우지 하는 것은 입력과 출력을 비교하는 차동 앰프 부이기 때문입니다. 이 회로의 성능을 평가해보았읍니다. 우선 주파수 특성입니다. 차동 앰프의 동작 속도를 일부러 늦추도록 붙여놓은 콘덴서 C4의 값을 줄이면 더 높은 주파수에서도 동작할 수 있겠지만 앰프의 안정성을 최대한 확보하기 위해서는 쓸데없이 높은 주파수에서 동작시킬 필요가 없읍니다. 시뮬레이션상에서 평가한 것 뿐이지만 실제로 앰프를 만들어도 별 차이없을 것입니다. 주파수와 출력 전압(Vrms) 입니다. 입력은 1Vrms 정도를 넣은 것입니다. 1kHz 10.0Vrms 2kHz 9.9Vrms 5kHz 9.9Vrms 10kHz 9.8Vrms 20kHz 9.2Vrms 50kHz 7.7Vrms 100kHz 5.1Vrms 200kHz 2.5Vrms 500kHz 0.9Vrms 고역 주파수 한계는 주파수 특성이 평탄하던 부분에 비해 71% 정도의 출력이 나오는 주파수 입니다. 위의 결과로는 5만헤르츠가 좀 넘는 군요. 가청영역한계인 2만헤르츠에서 92%로 줄었으니 좀 안좋은 것 같다고 생각하시는 분들도 계시겠지만 그 정도 주파수는 들리지도 않으며 소리 크기가 8%정도 준 것은 느낄 수도 없읍니다. 고역 주파수 한계를 더 높이려면 C4의 값을 줄이면 됩니다. 제가 만들어 보기로는 고역 주파수 한계를 300kHz정도로 만드는 것도 별로 어렵지 않습니다. 이 앰프는 피크 출력 전압이 대략 +45V,-45V까지 나옵니다. +50,-50V의 전원을 쓸 경우 말입니다. 출력 전압이 그 보다 약간 커지면 클리핑이 일어납니다. 그래서, 순간 최대출력은 8옴 부하의 경우45*45/8 ~= 250와트 정도입니다. 교류에서는 그 반을 생각해야 하므로 125와트 출력의 파워 앰프인 것입니다. 물론, 방열판이 받쳐주어야 그리 되는 것이지요. 댐핑 팩터도 측정해보았읍니다. 댐핑 팩터의 정의는 [스피커의 임피던스 / 앰프의 출력 임피던스] 로서 8옴 스피커라면 [8 / 앰프의 출력 임피던스] 입니다. 이를 좀 수식적으로 매만지면 댐핑팩터 ~= 8옴부하에서의 출력 전압 / [ 8옴부하에서의 출력 전압 - 무부하에서의 출력 전압] 으로 바꿀 수 있읍니다. 즉, 8옴이 달렸을 때의 출력 전압과 부하가 연결되지 않았을 때의 전압을 측정하면 간단한 계산으로 산출할 수 있는 것이지요. 시뮬레이션 상이지만 측정하여 계산했읍니다. 결과는 거의 1000 이 나오는 군요. 엄청나게 높은 수치입니다. 실제의 앰프에서는 출력전압을 피드백 받는 곳에서 부터 스피커 단자사이의 저항 때문에 댐핑 팩터가 내려갈 것입니다. 퓨즈의 저항이 0.1옴 정도도 될 수 있고, 릴레이도 그 정도이니 실제의 앰프들이 수십 정도가 나오는 것입니다. 예전의 비교 청취에서 크렐파워는 댐핑팩터가 30정도이고 아남AA-40은 100정도가 나오던데 블라인드 테스트에서는 분간이 안되었지만 느낌상 AA-40이 크렐파워보다 힘이 좋게 느껴지더군요. 이상으로 앰프 배우기 연재를 마치도록 하겠읍니다. 좀 더 알기 쉽고 명확하게 쓸수도 있었겠지만 능력의 한계와 게으름 때문에 졸작이 된 것 같습니다. 여러 분들께 조금이나마 도움이 되었기를 바랄 뿐입니다. 땜질끝났다 싶었는데 땜질을 하게되어 죄송스럽게 생각합니다. 완전히 끝냈다 싶더니 회로에 벌레(bug)가 있었네요. 잘못된 점은 아니고 더 개선을 할 곳이 있었다는 말입니다. 동작상에 문제가 있었던 것이 아니고 더 이쁘게 설계할 수 있었던 것입니다. 아무리 쉬운 것이라도 완벽하게 하기는 참으로 어려운 것 같습니다. 이번 회로도 완벽한 것 같긴 한데, 혹시 땜질을 더 해야 할 지도... 이 전의 회로에 비해 달라진 곳이 두 군데 있읍니다. 1. 다이오드 전압강하를 이용하여 AB class 앰프로 동작하도록 해주는 부분입니다. D1~D4 의 다이오드들과 병렬로 콘덴서 C1 이 붙어있는데, 예전의 회로에서는 콘덴서가 하나 더 있었읍니다. D1~D2 는 C1 이 잡아주고, D3~D4 는 C2 가 잡아주었었는데 그럴 필요가 없읍니다. 하나의 콘덴서로 전체 D1~D4 를 다 잡아주면 되지요. 2. +50V 전원과 -50V 전원 쪽에 0.1옴 씩의 저항이 달려 있읍니다. 진짜로 이런 저항을 붙이라는 이야기는 아니고, 이 자리에 퓨즈를 달라는 뜻입니다. 8옴 스피커이고 전원전압이 +/-50V라면 2A 정도의 퓨즈면 될 것입니다. 스피커를 보호하고자 하는 것입니다. 이 회로는 파워 앰프의 회로로서 왼쪽 부분에 in 이라는 단자에 15k옴 짜리 저항을 통해 차동 증폭기로 신호가 전달됩니다. 이 앞에는 프리단이 있어야 합니다. 프리단의 출력 임피던스가 매우 작아야 합니다. 만약, 프리단의 출력 임피던스가 15k옴과 비교될 정도로 커진다면 전체적인 주파수 특성이 달라지니 주의 하시기 바랍니다. 이 회로와 같이 변경을 하여도 동작은 이 전의 회로와 거의 똑같습니다. 왜그러신지는 아시죠? 네~ 맞습니다. 출력 전압을 측정하여 목표치와 비교하며 제어해 나가기 때문이지요. 땜질2ryuha 님의 다음 질문에 대한 답변: -- 끝 -- |