02. 스피커(Speaker)의 구조와 발진원리 이야기

[관운]

02. 스피커(Speaker)의 구조와 발진원리 이야기

5.4.2 전대역 스피커

스피커의 재생 특성은 진동판의 모양으로 개선할 수 있다. 그림5.17에 전형적인 진동판 형태를 주었다.

그림5.17 : 전형적인 진동판 형태

(b)와 (c)에 보여준 커브와 평판 형태는 주파수반응에 특별한 이점이 있다. 어쨋거나 (a)형태는 최대 도달 파워가 가장 높다. 부분 분할된 변형 진동판도 사용된다. 그림5.18 참조.

그림5.18: 부분 분할된 진동판 광대역스피커; 보통 스피커 코일(B)과 비교한 광대역스피커 코일(A)의 임피던스

그림5.18은 주파수에 대한 보이스 코일 임피던스를 보여주고 있다. 저주파수에서의 음향적인 공진은 보이스 코일의 임피던스 증가에 대응된다. 고 주파수 영역으로 갈수록 임피던스가 증가하는 것은 전형적인 것이다. 보이스 코일 임피던스와 스피커의 주파수 반응 사이의 반작용 때문에 고주파수에서 임피던스가 다행히 급격히 증가하지 않게 된다.

5.5 스피커 조합

광대역이 가능하도록 하는 가능한 한가지 방법은 우퍼(woofer)와 트위터(tweeter)를 조합하는 것이다. 조합하는 방법은 몇가지가 있다:

○ 우퍼 앞에 트위터 부착. 그림5.19 참조

○ 고주파용 whizzer 콘과 저주파용 진동판, 그림5.20 참조

○ 고주파용 돔(dome)을 갖는 저주파용 진동판, 그림5.21 참조

○ 동심축 시스템, 그림5.23

동심축 시스템은 고주파음이나 저주파음에 상관없이 같은 위치에서 오는 이점이 있다. 동심축 시스템은 일반적이지는 못하다. 아마도 제조원가가 비싸기 때문일 것이다. 보통은 스피커 배플에 우퍼, 중음스피커, 트위터가 따로 놓여 있는 것을 볼 수 있다.

그림5.19: 트위터와 우퍼의 동축 조합. 두 스피커는 cross-over network로 연결되어 있다.

그림5.20: 우퍼 진동판에 트위터 영역이 나누어져 있다. 두 개의 코일은 network로 연결되어 있다.

그림5.21 : 고역 돔을 갖는 우퍼그림5.22 : 고역 whizzer 콘을 갖는 우퍼

그림5.23 : 동축 스피커. 두 개 코일은 network로 연결되어 있다.

단일 코일을 갖는 그림5.21의 고역돔 스피커와 그림5.22의 Whizzer콘을 갖는 스피커를 제외하면 조합스피커는 cross-over network가 필요하다.

그림5.24 : 단일극과 양극과 cross-over network; 지렬과 병렬 연결

5.6 특별 형태의 진동판

보통은 원형 진동판을 사용하는데 가끔은 공간의 제약 때문에 타원진동판이 사용되기도 한다. 그림5.25 참조.

1930년대에는 자기구동 시스템인 접는 스피커도 있었다. 그림5.26 참조.

그림5.25 : 타원과 원형 스피커그림5.26 : 접는 스피커의 진동판

6. 혼 확성기

혼 확성기는 깔대기 모양의 확성기에서 발전되었다. 깔대기 확성기의 효율을 향상시키기 위해서 더 길게 만들 수 밖에 없었다. 혼 확성기의 크기가 너무 커지다 보니 그림6.1에서 보는 바와같이 악기처럼 접게 되었다. 현대식으로 접은 혼은 그림6.2에 주었다.

그림6.1 : 깔대기에서 혼 확성기로의 변천그림6.2 : 현대식 접는 혼 확성기

원리적으로 작은 다이내믹 무빙코일 시스템을 갖는 현대식 혼 스피커의 깔대기나 혼은 사운드 체임버(sound chamber=pressure chamber)에 작은 구멍으로 연결되어 있다. 그림6.3 참조.

그림6.3 : 혼 확성기의 기본 구성

깔대기는 공기 임피던스에 대한 음향변환기(스피커)의 음향임피던스를 변화시킨다. 이는 특히 sound chamber에서 혼으로 전이되는 부분에 관련된다. 그림6.4 참조.

그림6.4 : 혼 스피커의 단면도

구동부는 높은 음압의 음파를 발생시킨다. 혼은 열린음장(자유음장)과의 연결망 역할을 한다. 혼 길이가 길고 혼의 입구가 클수록 혼을 통과하는 하한 차단 주파수(cut-off frequency)는 더 낮아진다. 그림6.5 참조.

그림6.5 : 혼 확성기의 저주파한계; 저주파에서는 파장이 길고, 뒤로 반사되는 음파(굽은 화살표)는 방사음을 상쇄시켜 음량을 줄인다.

저주파 한계 주파수는 혼의 길이에도 의존한다. 그림6.6 참조.

그림6.6 : 혼 확성기의 혼 모양에 따른 저주파 차단 그래프

상곡선 형태가 가장 적당하다. 초기의 직선형 콘 형태는 저역이 부족하다.

6.1 혼 확성기에 대한 구동 시스템

여기에는 기본적으로 두가지 타잎이 있다. ‘annular' 타잎은 반지 형태의 진동판으로써 좁은 형태이기 때문에 정상파를 배제한다. ’dome' 타잎은 모자와 달리 안쪽으로 돔모양을 하고 있다. 그림6.7, 6.8 참조.

그림6.7 : 진동판의 구동 시스템 / 그림6.8: 역 돔 진동판의 구동 시스템

진동판과 혼 사이의 음향임피던스의 변화의 의미는 명백하다. 1920년대의 혼 확성기는 그림6.9에서와 같이 4극 자기 구동시스템으로 만들어 졌다. 그러나 원하는 음향변환은 완벽하지 못했다.

그림6.9: 혼 확성기의 4극 자기 구동 시스템

혼 확성기의 현대적 적용은 고주파용으로 사용하는 것 하나와 확성장치로 사용하는 것이다. 1920년대에는 오로지 큰 음량의 소리를 발생시키는데 사용되었다. 그림6.10 참조.

그림6.10: 1920년대의 혼 메가폰(horn megaphone)

7. 특이형 스피커

7.1 정전형 스피커

정전형 스피커는 그림 7.1에서 보는 바와같이 변화하는 전기장에서 직류에 의해 바이어스(bias) 걸린 전극이 움직이는 구조로써 원리적으로는 캐패시터(capacitor) 이다.

그림7.1 : 정전형 스피커의 원리

그림7.1로부터 대칭적인 배열인 3번째가 실제 스피커에 적용하기에 가장 적절함을 알 수 있다. 이는 진동판이 정지 상태에서 역학적인 고정 장력으로부터 자유롭기 때문이다.

7.2 결정 스피커

결정 스피커는 그림7.2에서와 같이 압전원리를 이용한다. 결정 스피커는 대부분 트위터로 이용된다.

그림7.2 : 결정 스피커의 구동 시스템

압전 스피커의 진동판에 대한 연결은 그림7.3에 주었다.

그림7.3 : 말안장형(saddle-bender) 구동 시스템

7.3 이온형 스피커

이온 스피커는 그림7.4와 같이 고주파 코로나 방전(corona discharge)이 필요하다. 라디오 주파수 방전은 고주파진동의 진폭변조로 변화함으로써 오디오 신호를 발생시킨다. 이런 진동이 대부분 관성없이 발생하므로 이온 스피커는 보통 트위터로 설계된다.

그림7.4 : 이온 스피커의 원리도

[관운]

자료가 많아서 한번에 올릴 수가 없어서 두개로 나누어 올렸습니다.