스피커 시스템 튜닝(엑티브)과 스피커 컨트롤러

[안면도]

멀티스피커 시스템을 사용할 경우에는, 크로스오버를 어떻게 설정해야 하는가가 중요하다.  스피커 컨트롤러를 이용해서 시스템을 조정해야 하는데, 최근엔 스피커 브랜드마다 자회사 제품을 조정할 수 있는 컨트롤러가 출시되고 있다. 이는 회사마다 자회사 제품을 쉽게, 그리고 정확하게 조정되도록 미리 세팅 되어있다. 이럴 때 권장하고 있는 설정을 조금만 변경해도 시스템의 특성이 크게 변하고, 음질도 엄청나게 변해 버리게 되는 경우도 있는데,  곤트롤러의 상수를 정확하게 이해해야 하고, 세밀한 주의가 필요하다. 엑티브형 스피커를 조정해 본적이 없다면 쉽게 선택해서는 않되고, 전문가의 도움을 의뢰하는 것이 좋다.
   그 이유는, 수 많은 크로스오버 주파수와 필터의 종류, 그리고 기울기를 선택해야 하고, 드라이버간의 시간 지연과 위상을 조절해야 하기 때문이다. 또한 해상도를 향상시키기 위해 이퀄라이징을 해야 하며, 측정기로 계측하면서 훈련된 귀로 들으면서 조정해야 한다.
  
   일반적인 멀티 스피커 시스템은 다음과 같은 순서대로 조정한다.
    1. 각 드라이버의 적절한 크로스오버 주파수를 찾는다.
    2. 각 드라이버의 적절한 최적의 필터를 선택한다.
    3. 각 드라이버 간의 위상을 조정한다.
    4. 여러 개의 드라이버 간의 시간 조정을 통해 음향 중심을 일치 시킨다.
    5. 각 드라이버의 음압 레벨이 같도록 조정한다.
    6. 피크와 딥을 조정, 또는 보정한다.

   스피커 컨트롤러(멀티프로세서)의 기능에는 여러 기능이 있는데, 기능 중에는 아래와 갗은 기능들이 있다.
   1. 크로스오버(X-over) : 각 드라이버(저음, 중음, 고음)의 차단 주파수를 설정한다.
   2. 필터 : Linkwitz, Bessel, Butterworth필터 등이 있는데, 각 드라이버마다 최적의 필터를 선택하여 사용한다. 필터에는, all pass filter, 파라메트릭 필터(PEQ)가 있다.
   3. 레벨(Level) : 각 드라이버의 감도에 따라 레벨을 조정하여, 전체 출력이 같아지도록 사용한다.
   4. 딜레이(delay) : 시간을 지연하는 기기로서 각 드라이버의 음상정위(음향중심)를 일치시키기 위해 사용한다.
   5. 리미터(Limiter) : 스피커를 보호하기 위하여 최대 출력레벨의 상한선을 설정하는 것이다.
   6. 극성(Polarity) : 신호의 위상을 180도 반전시키는데 사용한다.

크로스오버 크로스오버란 전기 신호로 분할하기 위한 한 조 또는 여러 조의 필터로 구성된 기기를 말하는데, 풀레인지 스피커는 크로스 오버가 반드시 필요하다. 하나의 스피커 유니트로는 전대역의 주파수(20~20,000Hz)를 같은 레벨로 재생할 수 없기 때문이다. 크로스오버는 저음, 중음, 고음의 적절한 주파수를 각 스피커 유니트에 배분하는 역할을 하고, 적절하게 크로스오버가 설계되었다면, 정확한 합성으로 원래의 신호를 완전하게 재생할 수 있다.
   크로스오버는 스피커의 허용입력이나 빔 폭에 많은 영향을 주게 되므로, 모든 것을 고려해서 사용해야 한다.
   크로스오버를 구성하는 한 조의 필터는 하이패스필터(HPF)와 로우패스(LPF)로 구성되어 있다. 설정한 필터는 주파수 이상이나 이하를 통과 시키고, 그 외의 주파수 대역은 통과 시키지 않는 것이다. 필터 상수는 차단 주파수(cutoff frequency), 토폴로지(topology), 그리고 기울기(slope)의 3가지 파라메터로 정의된다. 차단 주파수는 통과 대역이 -3dB 또는 -6dB이 되는 주파수를 말한다.
   토플로지(topology)는 차단 주파수 부근에서 감쇠되는 필터의 특성인데, 현재 사용되고 있는 토폴로지는 Butterworth, Bessel, Linkwitz-Riley이다.
   Bessel 필터는 롤로프 율이 가장적다. 일반적으로 Bessel 2차 필터는 통과 대역특성이 가장 평탄하고 그룹 지연도 가장 적으므로 많이 사용되고 있다. Butterworth 필터는 통과 대역에서 약간의 리플이 있고, Bessel 필터보다는 약간 떨어지지만 그렇게 큰 문제는 없다.

   이론적으로 필터는 단지 신호가 통과하는 대역내에 있는 주파수만을 허용하지만, 실제의 필터는 기울기가 급격하지 않으며, 통과 대역외의 신호도 작지만 통과된다. 차단 주파수는 통과대역 에너지보다  -3dB 떨어지는 주파를 말하며, 기울기에 따라서 필터의 특성이 좌우된다. -3dB까지의 주파수를 통과 대역이라고 하고, -6dB 이상되는 주파수 대역을 저지 대역이라고 한다.
   필터의 성능을 나타내는 기울기(slope)는 주파수가 한 옥타브 증가할 때마다 이득이 -6dB씩 떨어지는 기울기를 -6dB/oct 라고 하며, -12dB 씩 떨어지면 기울기를 -12dB/oct로 표기한다.
   Bessel 필터와 Butterworth 필터는 차단 주파수가 -3dB 이고, Linkwitz-Riley 필터의 차단 주파수는 -16dB 이다.
   필터의 성능은 급격한 기울기를 갖는 것이 좋다. 그러나 필터의 기울기가 급격해지면 통과 대역에서 리플이 생기고, 군 지연 특성도 변한다. Butterworth 필터는 Bessel 필터보다 기울기가 더 급격하지만, Bessel 필터는 통과대역 내에서 평탄한데 비해서, Butterworth 필터는 통과대역 내에서 진폭에 리플이 생긴다. 크로스오버 필터의 설계는 여러 가지 견해가 많은데, 3차 이상의 Butterworth 필터는 링깅이 나타나므로 2차 이하의 필터를 사용하는 것이 적절하다고 하는 의견도 있고, 2차 Bessel 필터가 적절하다고 하는 의견도 있다.

크로스오버 주파수를 선택하는 것은 스피커의 음질을 좌우하는 아주 중요한 요소다.
대역크로스오버 주파수bi-amptri-amp고역-2.5~20kHz중역800H~20kHz800Hz~2.5kHz저역40Hz~800Hz40Hz~800Hz


                                                          크로스오버 주파수

                                             bi-amp                               tri-amp

                               고역            -                                  2.5~20kHz
                               중역     800H~20kHz                       800Hz~2.5kHz
                               저역     40Hz~800Hz                        40Hz~800Hz

   인간의 귀는 300~3,000Hz 대역이 가장 민감하다. 전화 통신에서 이 대역을 사용하는 이유는 바로 이 때문이고, 음향에서 이 대역이 조금만 왜곡되어도 쉽게 지각된다. 그런데, 대부분의 크로스오버 주파수가 이 대역에 있다.
   특히, 크로스오버 주파수를 설정할 때 주의해야 할 점은 2kHz를 피하는 것인데, 이것은 음성의 명료도에 가장 많은 영향을 주는 주파수이기 때문이다. 특히 500~2,000Hz 의 음성 대역은 편차가 1dB 정도만 있어도 쉽게 지각된다. 특히 중고음역에서 사용되는 스피커에 나타나는 최저 크로스오버 주파수는 이 주파수 이하에 사용하면 음질적으로도 불충분하고, 내입력 값도 보정하지 못하므로 주의해야 한다.
   일반적으로 중고음 스피커와 우퍼의 크로스오버 주파수는 80~150Hz가 적절하고, 풀레인지와 서브우퍼의 크로스오버 주파수는 80~120Hz를 사용한다. 그러나 특별한 경우를 제외하고 크로스오버 주파수는 메이커의 권장 주파수를 사용하는 것이 바람직하다.(스피커 스펙에서확인)

   필터의 종류는 귀로 들으면서 최적의 것을 선택해야한다. 이것은 제조사마다 특성이 다르기 때문에 원칙이 없다. 일반적으로 그룹 딜레이가 가장적은 Bessel 필터를 사용하는 경우가 많다. 스피커 특성과 전기필터를 조합하면 비대칭 밴드 패스 필터의 형태가 되는 경우가 많고, 음향 크로스오버 주파수는 전기적으로 선택한 경우와 달라질 수도 있다. 이러한 경우에는 크로스오버 주파수의 순음을 입력하여 각 대역별로 확인할 필요가 있다. 중음 드라이버의 차단 주파수는 200Hz와 800Hz 이다. 또, 고음 드라이버의 특성에서도 12dB/oct 특성과 24dB/oct 필터 특성에  별 차이가 없으므로 12dB/oct 필터를 사용한다.
   이상과 같이 크로스오버 주파수와 필터가 결정되면, 크로스오버 주파수를 입력시켜 각 대역의 소리크기가 같은지를 꼭 확인한다.

   레벨(Level) 각 대역별 음량 조정은, 엑티브 크로스오버의 경우, 출력 레벨조정은 다른 기기와 약간 다른데, 크로스오버 출력 조정은 각 드라이버의 감도가 다르므로, 각 감도를 적절하게 조절하는 것이다.
   1. 저역 출력 레벨 볼륨을 제외하고, 다른 볼륨은 차단 시킨다.
   2. 핑크 노이즈를 발생한다. SPL 미터기를 사용하여 최대 음압레벨이 얻어질 때까지 저      역 출력 조절기를 올린다. 아주 큰 소리이지만 청각장애는 초래하지 않는다.(SPL 측정      기로 100~105dB 에 이르도록 한다.)
   3. 다음에 저음을 차단 시키고(뮤트), 중음 레벨을 2.와같이 조정한다.
   4. 고음도 위와같이 조정한다.
   5. 저음, 중음, 고음을 모두 재생하여 청취하면서 청감적으로 바란스가 맞는지 체크한다.

   딜레이(시간정렬) 보통 저음과 중음은 음파의 도달 시간이 거의 일치하지만, 고음은 중고음에 비해 약간 앞설수 있는데, 따라서 고음 드라이버를 조금 지연 시키면, 청취점에서 각 드라이버의 도달 시간이 같아질 수 있다. 각 브렌드마다 조정되어 나오기도 한다.
   서브 우퍼와 저음 스피커는 정확하게 얼라인이 맞지 않아도 큰 문제가 되지 않는다. 이것은 저음에서의 위상차는 음질에 큰 영향을 미치치 않기 때문이다.-색소피아-