스피커 이야기(1)

 

다이내믹 스피커

 

  에디슨(Edison)이 1877년에 발명한 축음기(phonograph)는 소리의 진동을 밀랍(beeswax)을 바른 원통에 홈(groove)으로 기록하고, 다시 그 홈에 바늘이 지나면서 진동을 재생하도록 함으로써 아주 약한 소리를 재생시켰다. 나중에 혼(horn)을 달아 물리적으로 소리를 조금 증폭시켰지만 큰소리로 재생시킬 수는 없었다. 별도의 에너지를 공급할 방도가 없었기 때문이다.

 

 

                                             [그림1] Phonograph 또는 Gramophone

 

   소리신호를 전기신호로 바꾸는 카본 마이크(carbon microphone)는 1877년 에디슨이 발명하여 축음에 적용하다가, 1907년도에 발명된 3극 진공관의 증폭효과로 전기신호를 증폭할 수 있게 됨으로써 Loudspeaker가 필요해졌다. 다양한 Loudspeaker에 대한 발명이 있었지만 현재 사용하는 움직이는 코일(moving coil)을 적용한 소위 Dynamic speaker는 1924년 라이스와 켈로그(Chester W. Rice and Edward W. Kellogg)에 의해서 발명되었다.

  스피커는 결국 입력되는 전기신호를 소리신호로 바꾸는 변환기이다. 소리는 진동판에서 발생한다. 따라서 진동판을 전기신호에 따라 진동시킬 수 있는 구조가 필요하다. 진동력은 전자기력으로 주어진다. 전기가 흐르는 전선이 자석의 힘이 미치는 자기장에서 받는 힘인 전자기력으로 진동판을 진동시켜 소리를 발생토록 만든 도구가 스피커이다.

  Speaker를 분류하는 방법은 다양하지만 여기서는 스피커의 물리적인 작동원리를 살펴보는 것이 목적이므로 구동방식을 기준으로 분류하여 Dynamic speaker, Electrostatic speaker, Piezoelectric speaker, Ribbon speaker, Balanced armature speaker 등으로 분류할 수 있다.

 

  다이내믹 스피커는 진동판의 모양에 따라 크게 세 가지로 분류된다. 하나는 원추형(cone) 모양의 보통 스피커이고, 입출력이 큰 스피커이다. 다른 하나는 핸드폰이나 이어폰, 헤드폰에 사용하는 저 전력 소형 스피커이며, 또 다른 하나는 보통 확성기라고 부르는 혼(horn)이 달린 스피커이다. 이들의 공통점은 진동판에 코일이 붙어 있어서 코일과 진동판이 함께 진동한다는 점이다. 이런 이유로 다이내믹 스피커의 코일을 무빙코일(moving coil) 또는 보이스코일(voice coil)이라고 부른다.

 

1) 원추형 스피커

 

 

                                           [그림2] 원추형 스피커와 마이크로스피커, 확성기

 

 콘 스피커라고 불리는 원추형 스피커는 스피커의 원형이라고 해도 과언이 아닌 가장 일반적인 형태이다. 자동차 와이퍼처럼 원추형 스피커도 초기 발명된 모양 그대로 현재에도 사용되는 도구이다. 원추형 스피커의 구조는 그림과 같다.

 

 

                                           [그림3] 원추형 스피커 구조와 명칭(외자형 스피커)

 

  여기에서 원형 자석(magnet)과 자석에 잘 붙는 강자성체인 순철(Fe)로 만든 플레이트(plate)와 폴피스(pole piece)는 자기회로를 구성한다. 자석은 위 그림에서 위쪽이 N극, 아래쪽이 S극이 되도록 착자 했다면 N극에서 나온 자기력선이 톱 플레이트에서 폴피스를 통하여 바톰(bottom) 플레이트를 지나 자석의 S극으로 들어가는 자기폐회로를 만든다. 이때 톱 플레이트와 폴피스 사이의 갭(gap)에 자기장이 집속되고 이곳에 끼워진 코일에 전류가 흐르면 전자기력을 받게 된다.

 

                                 [그림4] 전자기력의 크기와 방향 및 코일에 작용하는 전자기력

 

  [그림4]에서 알 수 있듯이 자기장 B에서 길이 L인 도선에 전류 I가 흐르면 크기가 BIL이고, 방향이 플레밍의 왼손법칙을 따르는 전자기력을 받는다. 따라서 [그림4]의 오른쪽 그림에서처럼 플레이트에서 폴피스를 향하는 자기장 B에서 전류가 반시계 방향으로 코일에 흐르면 코일은 지면에서 앞으로 튀어나오는 방향의 힘을 받는다. 아래 그림에서처럼 + 전류진폭일 때 코일에 반시계방향으로 전류가 흘렀다면 -전류진폭일 때 시계방향으로 전류가 흐르고 코일은 지면을 뚫고 들어가는 방향의 힘을 받는다. 그러므로 교류신호가 코일에 입력되면 갭(gap) 내의 코일이 신호에 따라 위, 아래로 힘을 받아 움직인다. 그러면 코일이 진동판(diaphragm or cone)에 붙어 진동판을 위, 아래로 진동시키게 됨으로써 인접한 공기로 진동이 전달되어 소리가 된다.

  여기서 서라운드(surround or Suspension) 또는 에지(edge)라고 부르는 부분과 스파이더(spider)는 진동판을 잡아주면서 진동판이 변위되었을 때 진동판을 제자리로 돌아오게 하는 일종의 스프링(spring)과 같은 역할을 한다. 이는 진동판의 진동을 억제하는 역할임으로 댐핑(damping)재 즉, 진동 억제역할을 하는 부품이다. 따라서 자기회로로 코일을 통하여 진동판에 진동력을 제공하고 스파이더를 통해 적절하게 진동판의 진동을 억제하여 그 적절한 균형을 맞추는 작업이 스피커 설계 및 제작과정이라고 할 수 있다.

  스피커의 진동판을 원추형으로 만든 이유는 코일에 의해 작용하는 힘에 의해 진동판 전체가 동위상으로 움직이도록 하기 위해서이다. 평판으로 하는 경우보다 원추형으로 만들 때 소위 피스톤진동과 유사한 진동을 할 수 있다. 진동판의 조건은 가볍고 강도가 강할수록 좋은 진동판이다. 현재 스피커 진동판은 펄프, 프라스틱, 금속, 케블라, 자작나무 등을 이용하여 만든다. 재료가 달라지면 소리의 음색이 달라진다고 하는데 이는 재질에 의한 강도의 차이 때문에 나타나는 현상이다. 그러나 좋은 스피커는 소리를 왜곡시켜 특정영역의 소리를 강조하거나 감쇄시키는 것이 좋은 것이 아니라 원음과 같은 음색의 소리를 재생하는 스피커가 좋은 스피커이다.

  최근에는 2~3인치의 직경을 갖는 원추형 스피커로 가청음 영역 20~20000Hz을 재생하는 소위 풀레인지(full range) 스피커가 만들어지기도 하지만, 10인치 이상의 큰 사이즈 스피커는 서브우퍼(sub woofer) 스피커로 20~100Hz의 재생용으로 사용되고, 수 kHz의 고음 이상의 재생용으로 소형의 트위터(tweeter)를 사용하고, 그 중간음을 재생하는 스퀘커(squawker)로 분류된다.

 

                  [그림5] Dome tweeter 와  Manger speaker[영어로는 Membran->Membrane(진동막),

                               platte->plate(판), Polkern->polepiece] 

 

2) 확성기

 

 우리가 확성기라고 부르는 스피커나 메가폰이라 부르는 스피커도 다이내믹 스피커이다. [그림6]에서와 같이 자기회로에서 코일이 전자기력을 받아 진동하기 때문이다. 다만 전기 입력 파워가 크기 때문에 진동판은 금속으로 만든다. 이 금속진동판에서 만들어진 소리는 다중 혼(horn)을 통하여 소리가 집속하여 방사되기 때문에 지향성이 강한 큰 소리가 발생한다.

 

 

                                              [그림6] 확성기와 내부 구조도

 

3) 마이크로 스피커

 

                                  [그림7] 마이크로 스피커 및 유닛드라이버의 진동판과 구조도

 

  마이크로 스피커는 모바일 음향기기에 적용하되 특히 핸드폰이나 이어폰, 헤드폰에 이용된다. 작고 얇아야 하기 때문에 진동판을 수 내지 수십 미크론 두께의 PET나 PEI  필름을 사용하기 때문에 마이크로 스피커라 부르는 것이다. 즉, 진동판이 얇은데다 평면 스타일이기 때문에 주름을 갖도록 성형하여 특히 핸드폰의 벨소리나 알람, 스피커를 작동할 때 큰 소리를 내는 스피커를 마이크로 스피커라 부르며, 최대 입력을 1W로 기준을 잡는다. 반면에 통화용 스피커를 특별히 리시버(receiver)라 부르고, 이어폰이나 헤드폰의 스피커는 유닛 드라이버(unit driver)라고 부른다.

     

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