라인 어레이의 근본 원리2

[군기반장]

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①음원의 종류와 성질

라인 어레이의 음향적인 특징을 설명하기 전에 음원의 종류와 그 성질에 대해 간단히 설명을 하면.

먼저 음원에는 점(点)음원, 선(線)음원, 그리고 면(面)음원의 3종류가 있다. 점음원은 음원으로부터의 거리에 대해 음원이 충분히 작은 것으로 통상적으로 스피커 유닛은 아주 대형 스피커의 바로 근처가 아니면 모든 점음원이라고 해석해도 무방하다.

가령 직경이 1미터인 스피커 유닛에서 1m떨어진 위치에서는 이 스피커 유닛은 점음원으로서 간주할 수 없지만 10m 떨어지면 고음역을 제외하고는 점음원으로서 생각할 수 있다.

점음원에서 나온 음은 그림01(a)에 나타나듯이 구면상으로 퍼져간다. 음원에서 나온 에너지는 거리가 멀수록 퍼져가는 밀도가 희박해진다. 구체적으로는 음원으로부터의 거리가 증가하면 음이 퍼지는 면적이 거리의 제곱에 비례해서 크게 되기 때문에 음의 에너지는 거리의 제곱에 반비례 즉, 거리의 제곱으로 감쇠한다. 이것이 유명한 역제곱 현상이다. 때문에 거리가 배가 되면 음압 레벨은 6dB 감쇠하게 된다.

또한 동일(음압과 위상)한 점음원이 2개 있는 경우에 그 위치관계와 주파수에 의해 음은 강해지거나 없어지거나 한다. 이를 일반적으로 위상간섭이라고 부른다. 2개의 점음원이 주파수에 대해 충분히 가까운 거리에 있는 경우는 어떤 장소라도 완전한 합성에 의한 효과가 얻어지고 단일한 음원에 대해 6dB 높은 음압 레벨을 얻을 수 있다. 이를 ‘커플링’이라고 한다.

하지만 2개의 음원이 주파수에 대해 1/2 파장거리를 두고 나란히 있는 경우는 2개의 음원의 연장선 방향에서는 음이 사라지고 이론적으로 음의 에너지가 없어지고 만다. 이는 스테레오의 좌우 스피커의 극성을 틀린 경우에 중앙 부분에서 저음이 모두 없어지는 것과 동일하다. 이에 대해 2개의 음원의 위상이 전부 무관계(무상관)인 경우는(2대의 자동차 등) 고압레벨은 3dB만 높아진다.

두 번째로 선음원은 음원으로부터의 거리에 대해 음원이 충분히 긴 것을 가리킨다. 교통량이 많은 고속도로 등은 선음원의 전형적인 사례이다. 단지 고속도로의 경우는 음원에서 음원의 요소가 무상관의 선음원이지만 이번 라인 어레이의 경우는 상관이 있는 음원이라는 것이 조건이 된다.

어떤 경우도 음원에서 나온 음은 원통형으로 퍼지기 때문에 거리에 대해 음이 퍼지는 면적은 비례한다. 따라서 음의 에너지는 거리가 배로 3dB감쇠한다. 다만 음원에서의 거리가 선음원의 길이에 대해 먼 경우는 앞의 점음원의 정의에도 설명했듯이 가령 선형을 취해도 음향적으로는 점음원이 되고 만다.

마지막으로 면음원을 설명하겠다. 사고방식은 기본적으로 점음원이나 선음원과 동일하다. 즉, 면의 크기(가로, 세로 마찬가지)에 대해 거리가 가까운 경우에 음원은 무수한 점음원의 집합에 의한 면이라고 생각한다. 때문에 모든 음원에서의 에너지를 적분하면 거리와 관계없이 음압레벨은 일정하게 된다. 즉, 거리가 떨어져도 음압레벨은 어느 일정한 거리까지는 감소하지 않는다. 이것이 바로 면음원의 성질이다.

②선음원과 선상음원

라인 어레이에 초점을 맞추어보자. 라인 어레이는 어떤 특정의 간격을 지닌 음원이 제한된 길이로 나란한 유사한 선음원이라고 말할 수 있다. 이상적인 선음원은 음원이 간격이 제로이고 길이가 무한한 것을 가리킨다. 유사한 선음원과 이상적인 선음원의 차이는 스피커의 근처의 특성과 스피커에서 멀리 떨어진 곳의 특성만큼 차이가 있다.

길이가 무한대라는 것은 그리 현실적이지는 않다. 선음원으로서 충분한 길이를 지니고 또한 스피커 근처의 특성을 이상적인 선음원과 동등하게 취급할 수 있는 것을 ‘선상음원(라인 소스 어레이)’이라고 한다.

때문에 스피커 서로간의 간격이 대상이 되는 주파수에 대해 충분히 가까운 것이 조건이 된다. 따라서 문제가 되는 것은 파장이 짧은 고음역이다. 앞서 설명한 원형의 음을 장방형으로 바꾸는 장치나 작은 지름의 고성능 유닛은 이를 실현하기 위해 개발된 기술이다.

③음원의 간격과 고음역의 특성

앞서 설명한대로 음원 사이의 거리는 고음역의 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 먼저 콘서트용 모듈타입의 라인 어레이의 경우는 고음역의 위상을 갖추기 위한 페이즈 플러그와 같은 연구가 이루어지기 때문에 모듈 내의 연속성에 문제가 없다고 생각한다.

하지만 모듈을 복수로 스택하는 경우는 모듈 사이의 물리적인 간격이 파장이 짧은 고음역으로서 무시할 수 없는 경우도 있을 수 있다.

이는 각 제조업체에 의한 방침이 다르지만 스피커의 바로 밑 부분은 거리가 가깝기 때문에 라인 어레이로 얻을 수 있는 높은 음압은 필요하지 않다는 점에서 연속성이 필요하지 않은 경우도 있다. 그러나 이때 다른 모듈 사이와의 에어리어에서 발생하는 위상간섭은 무시할 수 없다고 여겨진다.

그리고 소형의 유닛을 근접해서 배치한 경우는 고음역의 특성은 그 유닛의 간격에 크게 의존한다. LA1612의 경우에 4kHz로 몇 미터 정도 스피커에서 떨어지면 완전한 위상합성의 효과가 얻어지고 길이의 범위 내에서 음질이 변화하는 모습은 없다.

④음원의 길이와 저음역의 특성

저음역은 음원의 길이와 큰 관계가 있다. 음원이 길어지면 보다 저음역까지 선음원으로서의 효과가 얻어진다. 또한 당연한 일이지만 길이와 선음원으로서 효과가 있는 거리는 관계가 있다.

이에 대해서는 지금까지 다양한 연구결과가 나와 있지만 여하튼 주파수와 음원이 길이에 대해 어느 지점의 거리를 지나치면 선음원은 점음원과 동일해지기 때문에 거리감쇠도 점음원과 동일한 거리가 배(倍)가 되고 6dB 감쇠한다. 즉, 거리가 배이면서 3dB 감쇠하는 범위를 Near Field, 또한 6dB가 되는 에어리어를 Fair Field라고 부른다.

표1)은 MA12를 2개 및 4개로 쌓아올려 실제로 측정한 거리감쇠이다. 500Hz와 4kHz의 어떤 주파수에서도 4개를 쌓아올린 것이 거리감쇠의 모습이 작고 또한 고음역인 4kHz의 경우가 절대값으로서도 그 값이 작다. 또한 4개를 쌓아올린 4kHz에서는 거의 이론적인 감쇠(거리가 배로 3dB)가 얻어짐을 알 수 있다.

	500Hz	4kHz
MA12x4	-4.3	-3.1
MA12x2	-5.2	-3.9

표1)MA12의 거리감쇠 측정결과

이상과 같이 라인 어레이에 대해 스피커 시스템으로서의 이행 과정을 배경으로 한 관점과 기술적인 관점의 양면에서 설명을 했다. 기술적인 관점에서는 수식을 이용한 설명이 그리 필요 없었지만 라인 어레이의 음향적인 성질의 개요와 정량적인 성질에 대해서는 수식을 이용할 수밖에 없었다. 이점 이해하기 바란다.

끝으로 라인 어레이는 역시 하나의 수단에 지나지 않고 경우에 따라서는 콘서트용 모듈 타입 라인 어레이 보다는 콤포넌트나 어레이어블의 시피커 시스템이 보다 양호한 결과를 제공할 수 있는 경우가 많다는 사실도 일러두고 싶다.

또한 소형 라인 어레이 시스템보다는 통상적인 스피커 시스템이 보다 적절한 경우도 있다. 가령 모듈 타입 라인 어레이의 각 모듈 사이에 5도 이상의 각도를 취함으로써 비교적 적은 수로 프로세니엄 스피커로서 사용할 수 있는지도 모른다. 하지만 이는 모듈 사이의 간섭이 중고음역에서 격렬해지거나 본래의 라인 어레이로서의 효과(거리감쇠가 작다 등)가 전혀 없어지고 만다.

따라서 이처럼무리한 방법을 사용하기보다는 종래의 원 박스 스피커를 이용한 원호형의 어레이를 취하는 것이 음향 성능적으로 훨씬 낫다. 중요한 점은 라인 어레이 본래의 성질과 특징을 충분히 이해하고 이를 상황에 맞추어 적절히 응용하는 것이다.

편집:미래음향