스피커 구동 방식과 크로스 오버와 스피커 컨트롤러

 

 

 

 

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스피커 구동 방식

스피커를 진동시키는 장치는 분명 파워 앰프(Power amplifier)입니다. 파워 앰프는 CD와 같은 오디오 신호 장치의 매우 작은 신호를 스피커를 구동하기 위해 큰 전력으로 증폭하는 전용장치입니다. 

스피커는 한 개 또는 여러 개의 스피커 유닛(speaker uit)을 조합해서 만듭니다. 그런데 한 개의 스피커 유닛은 청취 대역 전체 주파수를 재생하는 데는 적합하지 않습니다. 대부분의 스피커 유닛은 중음 대역을 재생하는 데는 적합하지만, 고음 또는 저음을 재생하는 데는 다소 부족한 특성을 가집니다. 그래서 스피커를 2개 또는 3개를 사용해서 소리를 저음 부 또는 고음부로 분할해서 재생합니다.

이글에서는 다수의 스피커 유닛을 사용해서 소리를 재생하는 방법에 대해서 알아보겠습니다.

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스피커 구동 방식

위에서 설명한 것과 같이 다수의 스피커 유닛을 사용하는 방식을 multi-way 방식이라고 하고, 유닛을 두 개를 사용하면 2-way, 세 개를 사용하면 3-way라고 부릅니다. 여러 유닛을 사용할수록 섬세한 재생에 유리하지만, 동시에 기술적으로 해결해야 할 기술적인 문제도 동시에 내포합니다.

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크로스오버

 스피커 유닛이 제대로 역할을 하려면 스피커 유닛 별로 적합한 주파수 재생 대역을 결정해 줘야 합니다. 이 역할을 하는 장치가 크로스오버(crossover, xover)라고 합니다. 그러니 일단 한 개의 유닛을 사용할 때보다 뭔가 더 추가되는 부담이 생기네요. 

크로스오버는 저역통과 필터(LPF), 고역 통과 필터(HPF), 대역 통과 필터(BPF)를 조합해서 만듭니다. 

2-way 크로스 오버는 다음과 같이 구현됩니다.

이때 LPF와 HPF는 다음같이 겹쳐지게 주파수가 조정됩니다. 이 모양이 마치 서로 겹친 모양이라 크로스오버라고 부릅니다. 실제 회로 설명에서 아래 그림을 크로스오버 표시로 사용하기도 합니다. 

3-way 크로스오버는 2-way 크로스오버에 BPF가 추가됩니다.

크로스오버는 크게 수동형, 능동형, 복합형이 있습니다. 

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수동형 크로스오버

• 수동형 크로스오버(passive crossover)는 일반적으로 스피커 통(speaker encrosure)에 포함되며 파워 앰프의 출력을 주파수 대역에 따라 여러 스피커 유닛으로 분해해줍니다. 
• 저항, 콘덴서, 코일의 수동 전자 소자만 사용하기 때문에 만들기 좋지만, 주파수 대역을 나누는 크로스오버 주파수를 조정하기 어렵습니다.
• 이 방식은 하나의 파워 앰프로 여러 스피커 유닛을 구도하기 때문에 경제성도 어느 정도 확보가 가능합니다.
• 좀 더 고급스러운 소리 특성을 얻고 싶으면 파워 앰프 앞쪽에 혼 이큐(Hor equalizer, HEQ)를 설치해서 스피커 유닛의 물리적인  한계점을 극복하면서 음질을 좋게 만들도록 유도합니다. 이때 HEQ는 대부분 피킹 필터와 로 쉘빙 필터 그리고 하이 쉘빙 필터를 사용합니다. 

• 수동형 크로스오버는 구현하기가 간단하지만, 스피커의 유닛의 물리적 위치 때문에 발생하는 로빙 오류(lobbing error)를 해결하기 어렵습니다. 이를 해결하려면 능동형 크로스 오버를 사용해야 합니다.

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능동형 크로스 오버

• 능동형 크로스 오버(active crossover)는 스피커 유닛별로 파워 앰프를 연결하고 오디오 입력 신호를 파워앰프 이전에서 작은 신호를 나눠서 각 파워 앰프에 전달하는 방식입니다.

• 그러니 많은 파워 앰프를 사용하는 경제적인 부담이 늘게 됩니다.
• HEQ는 파워 앰프 이전에 위치하여 각각의 스피커 유닛의 출력 특정을 조정해서 좋은 소리를 출력하도록 유도해 줍니다. 
• 또는 크로스오버 이전에 하나로 통합하거나, 크로스 오버 이전과 이후에 모두 설치하는 방식도 사용합니다.

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스피커 컨트롤러

• 좀 더 발전된 능동형 크로스오버를 스피커 컨트롤러(speaker controller) 또는 네트워크 컨트롤러(network controller)라고 부릅니다. 과거에는 오피 앰프를 주로 사용하였지만, 최근에서는 DSP를 주로 사용합니다. 

• 스피커 컨트롤러에 추가된 내용은 Mix, Delay, Limiter입니다.
• Mix는 입력 신호를 혼합해서 원하는 신호로 재생산합니다.
• 크로스오버를 기준으로 앞 뒤에 지연기(delay)가 있으며 각각 용도가 다릅니다. 앞쪽의 지연 기는 음상 정위(sound image localization)를 위해 사용됩니다. 이 부분은 하스 효과(Hass' effect)를 설명할 때 다시 다룹니다. 뒤쪽의 지연기가 로빙 에러를 해소하기 위하 시간 정렬(time alignment)용으로 사용됩니다. 
• 리미터(Limiter)는 스피커 컨트롤러의 과다 신호 출력을 억제합니다.       

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복합형 크로스오버 

• 복합형 크로스오버는 3-way 이상의 방식에서 가끔 사용됩니다. 
• 스피커 유닛이 하이(hi), 미들(mid), 로(lo)의 형태 일 때 hi-mid는 수동형을 그리고 low는 능동형 크로스오버를 사용합니다. 이를 이용하면 파워 앰프의 수량을 줄일 수 있고, 스피커와 앰프 사이의 연결 선로로 줄일 수 있습니다.
• 이 방식은 고급 스피커에도 적용됩니다. 

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