스피커의 발전사

 

      스피커의 발전

 

The development of the loudspeaker

Prof. Dr. - Ing. Dietmar Rudolph

Translation from German to English by Joe Sousa

March 23, 2013

Translation from English to Korean by Dajaehun

November 1, 2014

 

요약

다음 글은 라우드스피커에 대한 기술적인 개요이다. 초기에는 오로지 헤드폰(headphone)에만 사용되었고 이는 전화 수신기로부터 발전했다. 당시에는 쉘락(shellac)에 레코딩한 신호를 "확대(amplify)" 하기 위한 혼(horn)이 달린 음향 그라모폰(Gramophone)이 있었다. 좀 더 엄밀히 말하면 혼은 소리를 확대하지는 못한다. 대신에 그라모폰의 소리박스(sound-box) 안의 소리를 밖으로 전달할 뿐이다. 헤드폰으로부터 좀 더 큰소리를 내도록 하기 위해서는 그라모폰의 혼과 헤드폰이 음향적으로 잘 결합해야 된다. 이 점이 1920년대 혼 스피커 발전의 시작이었다. 혼 스피커의 음질은 아직 많은 개선점을 남겨 두고 있었다. 혼 스피커는 상대적으로 소리는 컷지만 음질은 좋지 않았다. 음질이 좋지 않은 가장 큰 이유는 이어폰 컵(earpnone cup) 안에 강철 진동판을 사용했기 때문이다. 음량에 대한 개선은 균일한 주파수 반응과 "음정의 순음성(purity of tone)"의 개선도 같이 요구되어졌다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해 자기회로가 검토되었다. 그러나 다양하고 많은 지기회로가 검토되었다는 사실만으로도 문제점들이 완전히 해결되지는 못했다는 것을 보여준다. 이들 스피커들은 각 각의 자기 아마추어(armature)의 운동에 서로 다른 기술들이 적용 되었다. 코일을 고정한 자기 시스템은 금속 아마추어를 구동시키고 아마추어는 진동판을 진동시켜 소리를 발생한다. 어쨌든 모든 자기시스템을 고정하고 진동하는 보이스코일(voice-coil)로 진동판을 구동하여 소리를 발생시킬 수도 있다. 아무튼 많은 시도들이 진행되고 정리될 즈음에, 보이스코일 방식이 압도적으로 우세해졌고 오늘날의 스피커는 대부분 보이스코일을 적용하고 있다.

 다이내믹 라우드스피커 초기에는 아직 강한 마그네트를 적용할 수 없었다. 그래서 일정한 강한 자기장을 얻기 위해서 필드 코일(field coil)을 사용했다. 필드 코일의 자기장은 교류를 정류한 전기를 입력하여 구현했기 때문에 험(hum; 웅~소리 잡음)이 발생한다. 험은 버킹(bucking) 코일에 유도된 반대 위상의 리플(ripple; 잔물결같은 파동)전압에 의해 최소화 할 수 있다. 또, 인덕턴스의 감소로 인하여 코일 리플전류가 증가하는 동안, 유도된 자기장 안에서 변화를 줄일 수 있는 쇼트서킷 링(short-circuit ring)을 필드 코일 위에 놓아 험을 줄일 수도 있다. 이 경우에 쇼트 링 때문에 인덕턴스가 감소된 필드 코일은 더 이상 양극 전류(anode current)에 대한 필터코일(filter coil)로 이용되지 않는다. 두 개념이 동시에 적용 될 수는 없다. 리플 전압에 대한 보정은 나중에 기초적인 변압기에서 분기시킨 회로배열로 해결된다. 이는 스피커를 좀 더 쉽게 구성할 수 있게 하는 방법이다.[필드코일을 적용하던 시절에는 진공관 튜브를 사용했기 때문에 anode(양극) 용어가 사용 됨]. 

 강한 영구자석의 출현은 영구자석 스피커를 표준스피커가 되도록 했다. 대부분 스피커의 재생영역은 원하지 않는 편진동에 의해 제한을 받는다. 특별한 제작기술로 주파수 영역을 확장 시킬 수 있었다. 직선 콘 혼(straight sided cone horn) 스피커는 고음용 스피커(Tweeter)나 확성용 스피커(public address speaker=train station speaker)로 사용되는 지수 혼 라우드 스피커(exponential horn loudspeaker)의 발전을 이끌었다. 정전형(electrostatic), 압전형(piezoelectric), 이온형(ionic) 스피커는 특이한 타입의 스피커이다.

[이하, 본문에서는 Loudspeaker를 경우에 따라서 스피커나 확성기로 번역함]

 

Contents

1. From Telephone receivers to headphones

2. From Headphones to the Horn speaker

3. Alternative Transducers

4. Drive systems for loudspeakers

4.1 Magnetic systems

4.2 The AEG system

4.3 The Inductor-Dynamic system

4.4 The Cantilever system(Freischwinger)

4.5 The Electrodynamic moving-coil system

4.6 Permanent-magnet dynamic loudspeakers

4.7 Ribbon and Leaf loudspeakers

5. Diaphragm loudspeakers

5.1 The electrodynamic Loudspeaker

5.1.1 Field coil power supply

5.1.2 "Hum Bucking" and "Shading Ring"

5.2 The permanent-Magnet Dynamic Loudspeaker

5.3 Holding the diaphragm in place

5.4 Bucking and resonance of the diaphragm

5.4.1 Directionality

5.4.2 Full-range loudspeakers

5.5 Loudspeaker combinations

5.6 Special diaphragm shapes

6. Horn loudspeakers

6.1 Drive systems for a horn-loudspeaker

7. Special forms

7.1 Electrostatic Loudspeakers

7.2 Crystal loudspeakers

7.3 Ionic loudspeakers

 

1. 전화 수신기로부터 헤드폰 까지

 

 최초로 구현된 전기동력학적 음향변환기는 "원거리 수음기(long-distance receivers)"라고 불린 전화 수신기이다. 그림1.1에 알렉산더 그레함 벨(Alexander graham Bell)에 의해 구현된 리시버를 주었다.

 

 

                                             그림1.1 벨 리시버의 단면도

 

 벨 리시버는 막대자석을 적용했다. 명백한 개선은 그림1.2에 보여준 것과 같이 막대자석을 말굽자석으로 바꿈으로서 이루어졌다. 말굽자석은 자기장을 강화시켜 음량을 키웠다.

 

 

                               그림1.2 말굽자석을 이용해 만든 전화수신기의 단면도

 

 벨 시스템의 현격한 개선은 전화수신기(telephone receiver)와 전화 송신기(telephone transmitter)를 분리함으로써 가능해 졌다. 원거리 벨 리시버는 더 이상 손잡이가 필요 없어 졌다. 그림1.3에서 보여지는바와 같이 근래의 헤드폰과 같은 적당한 형태를 갖게 되었다. (역사적으로, 2개의 이어피스를 갖는 근래의 헤드폰은 더블 헤드폰(double headphone)이다.)

 

 

                                     그림1.3 진동판 간격이 잘 맞추어진 헤드폰 단면도

 

 리시버를 귀에 직접 접촉시켜 사용하는 경우에는 수 μW 의 파워만으로도 충분하다. 따라서 검파 수신기로 헤드폰을 충분히 구동할 수는 있었지만, 줄(wire)에 구속되어 자유롭게 움직이기 곤란하고 동시에 여러 사람이 듣기에는 매우 불편했다. 이런 이유로 초반부터 라우드 스피커(loudspeaker=speaker)에 대한 요구가 생겨났다.

 

2. 헤드폰으로부터 혼 스피커 까지

 

 헤드폰을 통해 귀로 직접 듣는 소리는 헤드폰을 귀에서 조금만 멀리해도 현저하게 듣기 어렵다. 파워 레벨이 작아져 고음만 약하게 듣긴다. 그래서 필연적인 해법으로 일종의 혼을 이어폰의 스피커에 연결하게 되었다. 최초의 시도는 그림2.1처럼 큰소리 전화기(loud-speaking telephone)에 적용하였다.

 

 

              그림2.1: 혼에 결합한 헤드폰: double headphones(왼쪽), 단일 스피커에 결합한 간이 혼

 

 나중에 혼을 받침대에 부착하므로써 그림2.2와 같은 전형적인 혼-스피커 (horn-loudspeaker)가 등장하게 되었다.

 

 

                                      그림2.2: 전형적인 혼-스피커 형태

 

 큰 변환기는 헤드폰용 스피커보다 더 강력한 혼-확성기를 바닥에 장착한다. 어쨋던지 큰 진동판을 사용한다고 큰소리를 재생할 수 있는 상황이 아니었음으로 이들 변환기를 무턱대고 크게 만들 수는 없었다.

이런 이유로 그림2.3에서 보는 바와같이 혼-스피커를 위한 개선된 드라이브 시스템(drive systems=구동시스템)이 개발 되었다.

 

 

                                     그림2.3: 혼-스피커용 구동 시스템의 예

 

 구동 시스템의 코일은 아주 가느다란 선으로 여러번을 감아 만들기 때문에 저항값이 높다. 이 코일을 변압기(transformer)없이 진공관 튜브의 양극에 직접 연결한다. 이때 사용하는 전형적인 확성용 진공관은 유럽규격으로 RE144, RE134, RES164이고, 미국규격으로 10, 12A, 71A로써 양극 전류가 10 - 20mW이다. 양극의 전류가 코일을 자기화하여 진동판을 당기고 구부린다. 진동판과 자석 사이는 충분히 큰소리가 나도록 조정할 수 있다. 혼-스피커는 평소에 조정되어 있다. 그림2.3의 g로 표기된 나사가 조정나사이다. 혼-스피커의 음량은 현저하게 개선 되었으나 전형적인 ‘혼 소리(horn sound)'인 주파수 재생에 한계가 있다. 그림2.4의 b그래프를 보라.

 

                             그림2.4: 전형적인 스피커의 재생 주파수대역 그래프: a) 이상적

                 b) 일반적인 혼 c) 지수 혼 d) 배플에 놓인 다이내믹 혼 e) 이상적으로 측정된 귀의 감도

 

3. 변형된 음향기

 

 전기적 신호를 음향신호로 전환하는 방법을 조사해 보면 서로 다른 물리적 원리를 적용한 것을 볼 수 있다. 오늘날의 관점에서 보면 이상한 것도 있다.

 

 

                                          그림3.1: 특이한 변환기 형태

 

 첫째로 그림 3.1의 위험이 수반되어 따라하기를 추천할 수 없는 오래된 방법이다. 결국은 솔레노이드 코일의 자기력 영향으로 한쪽 방향으로 작동하는 변환기이다.

다음은 아주 다른 원리를 적용한 Johnsen-Rahbek 의 스피커이다. 이 스피커는 마노 원통과 금속 띠 사이의 정전기적 인력을 이용하는 것이다. 그림 3.2를 보라.

 

 

                              그림 3.2: Johnsen-Rahbek 스피커의 구조와 원리

 

 Johnsen-Rahbeck 스피커의 실제 구현은 그림 3.3에 주어졌다. 소리를 발생시키는 음향판은 악기가 이용되었다. 즉, 악기가 특별히 음악을 재생하는 도구로 활용한 것이다.

Johnson-Rahbek 스피커는 원통형 롤러의 기계적인 회전으로 재생음의 파워를 이끌어 낸다. 그러므로 큰 소리가 발생한다. 그림 3.4가 그 원리도이다. 그림 3.4를 보면 마노 박판을 코르크(cork)로 끌어 당기도록 되어 있다.

 

 

                                                그림 3.3: 잔센 -라벡 스피커

 

 

                                                     그림 3.4: motor 스피커

 

 

 이 원리는 그림 3.5에 보여지는 바와같이 공기흐름으로 또한 구현된다. 이 공기압 스피커의 원리는 파이프 오르간을 상기시킨다. 어떻게 소리가 발생할까?

 

 

                                       그림 3.5: Pneumatic loudspeaker

 

4. 스피커의 구동 시스템

 

 4.1 자기 시스템

 전자기적 구동 시스템을 살펴보자. 이들은 전류로 변환된 신호를 대응하는 움직임으로 바꾸어 음향신호를 발생시킨다. 이는 자석에 의한 자기장과 코일에 의해 만들어지는 자기적 상호작용으로 수행된다. 두 개의 전형적인 스피커의 자기시스템을 그림4.1에 주었다.

 

 

                 그림4.1: 자기형 스피커의 구동시스템; 좌: 한쪽 끝단이 고정된 강철 떨림판(reed)

                              우: 탄성이 필요없는 발란스드 시스템(balanced system)

 

 그림4.2에서 보는 바와같이 떨림판(reed=armature) 시스템은 한쪽이 고정된 단일 리드와 양쪽을 고정한 리드가 있다.

 

 

           그림4.2: 자기형 확성기의 떨림판 시스템; 좌: 한쪽만 고정 중: 양쪽을 고정 우: 강철 떨림판 상세도

                       (a는 댐핑재)

 

 그림4.3에 4극 시스템을 상세하게 보여준다.

 

 

                         그림4.3: 4극 시스템의 원리도와 상세 투시도; 레버 기울기는 보정됨

 

 4.2 AEG 시스템

 AEG 시스템은 저주파음 보상을 목적으로 만들어진 자기구동 길리온(Gealion) 확성기에 적용된다. 이는 그림4.4에서 보는 바와같이 자기시스템이 비선형적으로 감소함으로써 공급전류에 근사적으로 비례하는 자기력을 유지한 채 움직이는 떨림판(reed)의 피벗(pivot) 점에서 구현된다.

 

 

                     그림4.4: 저주파음을 보상하는 AEG 길리온 확성기의 원리도와 단면도

 

 4.3 Inductor-Dynamic 시스템

 언뜻보면, 인덕터-다이내믹 시스템은 앞에서 언급한 4극 시스템과 혼동하기 쉽다. 핵심적인 차이점은 아마추어(armature)가 시소운동하지 않고, 수평으로 왕복운동한다.

 

 

                                              그림4.5: 인덕터-다이내믹 시스템

 

아마추어의 수평 왕복움직임은 움직임이 클지라도 폴피스(pole pieces)와 부딪히거나 소음이 발생하지 않을 것임이 분명하다. 이 점이 소음이 발생하는 4극 시스템과 대조적인 점이다.

 

 4.4 Cantilever 시스템(Freischwinger)

 외팔보 시스템은 아마추어가 큰 진폭으로 진동해도 자석과 접촉하지 않는다. 그림4.6에 보여지는 바와같이 자석 사이의 에어갭(air gap) 앞에 놓여 있다. 그림4.7에서 보는 바와같이 캔틸레버 시스템은 4극 시스템의 단순한 구조이다.

 

 

                                                그림4.6: 캔틸레버 시스템의 원리

 

 

                                그림4.7: 4극 시스템을 단순화한 캔틸레버 시스템

 

 아마추어가 자석에 부딪히지 않고 크게 움직인다해도 움직임의 진폭은 공급전류에 대하여 아직 선형적이지는 못하다. 필연적으로 비선형 왜곡은 일어난다. 캔틸레버 시스템은 다른 시스템에 비하여 생산비가 저렴하기 때문에 보편화 되었다. 그림4.8에 두 개의 캔틸레버 시스템을 주었다.

 

 

                             그림4.8: VE301 캔틸레버 시스템(왼쪽)과 Power-cantilever(오른쪽)

 

 4.5 전기동력학적 moving-coil 시스템

 전자기적 시스템(electromagnetic system)에서는 코일이 고정되어 있고 아마추어가 움직이는데 반하여, 전기동력학적 시스템(electrodynamic system)에서는 코일이 움직인다. 고주파음을 재생하기 위해서 진동부의 질량이 가벼원야 한다. 이는 코일이 가느다란 선으로 적은 수로 감아야 한다는 것을 의미한다. 그림4.9에 초기 전기동력학적 시스템(Magnavox)을 주었다. 자기적 DC장(DC field)은 그림의 c 로 표기된 전자석에 의해 만들어진다.

 

 

   그림4.9: Magnavox 전기동력학적 시스템 단면도                   그림4.10: 전기동력학적 스피커의 단면도

 

 작으면서 혼(horn)을 구동하는 진동판 e를 제외하면, 이 시스템은 그림4.10에 보여지는 최종의 전기동력학적 시스템의 모든 요소를 갖추고 있다.

 

 4.6 영구자석 다이내믹 스피커

 충분히 강한 자석이 개발되자, 그림4.11에 보여주는 바와같이 대부분의 스피커에 영구자석을 이용하게 되었다.

 

 

                                그림4.11: 현대적 영구자석 다이내믹 스피커의 단면도

 

 4.7 리본과 금박 스피커

 리본(ribbon)과 금박(leaf) 스피커는 1930년대에 크게 유행했다. 이 시스템에는 움직이는 아마추어나 코일이 없다. 그림4.12에서 보는 바와같이 움직이는 리본형태의 도체가 있을 뿐이다.

 

                                              그림4.12: 리본 스피커의 원리

 

 리본은 주름잡힌 얇은 알루미늄으로 만든다. 박판 스피커는 그림4.13에 주어진 것처럼 소리를 발생시키는 큰 표면에 B와 같이 전기적 도체를 배치하고 이를 자석 사이의 갭에 놓아 만든다. 다이내믹 스피커에 비해서 더 나은 모양은 아니다.

 

 

                                                 그림4.13: 박판 스피커의 원리

  

5. 진동판 스피커

 원리적으로 모든 스피커는 진동판을 갖고 있다. 그러나 혼 스피커와 대조적으로 진동판 스피커는 진동판 단독으로 소리를 직접 방사할 수 있다. 그림4.11에 주어진 이 스피커 기술은 오늘날 가장 널리 보급된 기술이다.

 

 5.1 전기동력학적 스피커

 전기동력학적 스피커는 전쟁(2차 세계대전) 전 라디오 스피커의 표준이었다(전쟁 후에도 짧게는 표준의 위치에 있었다). 그림5.1을 보면 자기 DC 장은 코일의 전류 흐름으로 만들어 진다.

 

                                      그림5.1: 전기동력학적 스피커의 단면도

 

그림5.2의 분해도는 전기동력학적 스피커의 다양한 부품을 확인시켜 준다.

 

                                        그림5.2: 전기동력학적 스피커의 분해도

 

  5.1.1 필드 코일 파워공급기

 그림5.3에 보여준 바와 같이 전기동력학적 스피커의 필드 코일(field coil)에 대한 파워(power) 공급은 두가지가 가능하다.

A: 라디오의 양극전류가 흐르도록 직렬연결 하는 방법

B: 병렬연결

 

 

                        그림5.3: 전기동력학적 스피커의 필드 구동 (A)직렬연결 (B)병렬연결

 

 병렬연결은 1930년대에 라디오용 안이나 밖에 놓는 스피커로써 널리 퍼졌다. 이 전환기적 시기에는 파워 공급기를 같이 붙인 스피커가 이용되었다. 여기에 사용된 필드 코일은 작은 저항을 가졌다. 필드 전류의 정류는 셀레늄(selenium)브릿지 정류기가 사용되었다. 그림5.4를 보라.

 

 

                                  그림5.4: 파워 공급기가 달려있는 전기동력학적 스피커

 

 라디오 양극전압은 파워공급기의 2차 정류관으로 발생시킨다. 리플(ripple)은 수 μF의 캐패시터에 의해 제거되며 또, (A)의 필드코일의 초킹효과(chocking effect)와 그 외 (B)의 별도 초크코일로 제거시킨다. 그러나 리플이 완전히 제거되지는 않는다.

 

  5.1.2 “Hum Bucking" 과 "Shading Ring"

 필드 코일의 리플전류 때문에 발생하는 험 잡음을 감소시키는 데는 두가지 가능한 방법이 있다.

1. 험과 같은 크기의 반대 위상의 전류로 보상하는 방법:“Hum Bucking"

2. 필드코일에 간단한 차단-링을 붙이는 방법:“Shading Ring"

 

 

  그림5.5: Hum-Bucking을 구비한 전기동력학 스피커     그림5.6: Shading Ring을 구비한  전기동력학 스피커

                                                  

 여기서 보여주는 방법은 필드코일의 리플전류를 줄이기 위한 것이다. 양극전압의 리플과 증폭단의 영향으로 발생하는 험을 완전히 없앨 수는 없다. 남아있는 험을 보상하는 방법은 변압기의 1차 탭(tab)을 통한 양극전류의 공급으로 가능하다. 이렇게 하므로써 브릿지 회로가 험을 최소화하는데 도움이 된다. 이 방법은 영구자석 스피커로 만든 리시버(receivers)에도 적용된다. 전기동력학적 스피커로 만들어진 라디오를 수리할 경우, 변압기와 필드코일 선을 처음처럼 재 연결하는 것은 매우 중요하다. 만일 필드 와이어를 반대로 연결하면 처음의 hum-bucking은 상실되고 전해질 콘덴서의 용량 증가로 스피커의 험은 더 크게 나타난다.

 

 

 5.2 영구자석 다이내믹 스피커

 강한 자석을 사용하면서 스피커는 그림5.7과 같이 영구자석 다이내믹 스피커 형태로 변해갔다.

 

 

                                  그림5.7:영구자석 다이내믹 스피커의 단면도와 투시도

 

 그림5.8에 보여준 영구자석 다이내믹 스피커의 분해도를 보면 그림5.2에 보여준 전기 동력학적 스피커와 비교할 때 얼마나 단순한지 알 수 있다.

 

 

                                      그림5.8: 영구자석 다이내믹 스피커의 분해도

 

 5.3 진동판 제자리 고정하기

 보이스 코일이 자유롭게 움직이는 에어갭은 가능하면 가능할수록 좁게 만들어야 한다. 그래야 갭 안에 강한 자기장이 만들어진다. 갭 안에 놓인 코일의 전류가 힘을 받아 진동하되 코일을 진동판에 붙여 진동판이 함께 진동해야 하므로 진동판은 갭에 정확하게 중심이 맞아야한다. 그림5.9에 보여준 바와같이 스파이더(spider)가 진동판을 잡아준다.

 

 

                   그림5.9: 다이내믹 스피커의 중심잡기 스파이더; A는 내부 고정, B는 외부고정

 

A 방법은 내부고정 중심잡기 방법으로 오래된 방식이다. 이 방법은 에어갭을 먼지나 철가루로부터 보호하지 못하기 때문에 불리하다. 반면에 그림5.2와 같이 현대의 외부고정 중심잡기 스파이더 방식은 먼지 유입을 막아준다. 그림5.10은 얇은 페르티낙스(pertinax)로 만들어진 구형의 스파이더이다. 이 그림에는 외부 고정형도 있는데 그러나 먼지 유입을 막을 수는 없다.

 

        그림5.10: 다이내믹 스피커의 구형 스파이더; 오른쪽 두 개는 외부고정형, 왼쪽의 두 개는 내부 고정형.

 

 스파이더는 내외부형에 무관하게 진동판의 움직임에 약간의 반대 방향의 힘을 가해야만 한다. 이는 그림5.11에서 보는 바와같이 스피커 배스킷(basket=frame)에 붙이는 진동판의 외곽에도 똑같이 적용된다.

 

 

                            그림5.11: 진동판의 외부 접착; 복원력을 최소화 시켜야 한다.

 

 이상적인 진동판은 강성은 있되 질량이 없는 것이라서 중심부와 주변은 아주 부드럽게 잡아 주어야 한다. 이같은 이상적인 스피커는 최고역과 같은 효율로 저음역을 재생한다. 이런 이상적인 스피커는 또한, 어떤 위 아래로의 흔들림 없이 이상적으로 댐핑되는 시스템이 된다. 하지만 실제의 스피커 진동판과 보이스 코일은 유한한 질량이 있고 스파이더나 에지(edge)의 복원력이 있기 때문에 물리적으로 감쇠 탄성- 질량 시스템이라서 공진이 가능하다.

 

 5.4 진동판의 공진과 고정

 실제 진동판은 질량이 분포되어 있으므로 공진 진동과 고정의 문제가 있다. 이들은 주파수 의존성 공진피크와 지향방사를 유발하기 때문에 없는게 더 낫다. 고정의 문제는 일찍이 인지되었다. 그 결과 NAWI(night abwickelbar-not unwindable) 진동판이 1930년대 말에 우퍼(woofer)용으로 개발되었다.

 

 

                              그림5.12: NAWI 진동판(위)와 고정하기 쉬운 콘형 진동판(아래)

 

 진동판은 복잡한 정상파 패턴을 갖는다. 그림5.13

 

 

                                 그림5.13: 고주파수 진동하는 진동판의 정상파 예

 

 정상파가 스피커의 주파수대역이 왜 제한적인지를 설명해준다. 스피커의 정상파 패턴이 많으면 많을 수록 주파수 반응 특성은 일정하지 않다. 그림5.14와 그림2.4 참조.

 

 

                                그림5.14: 내장 스피커의 주파수 반응 특성의 예

 

  5.4.1 지향성

 주파수가 높을수록 진동판의 중심부에 진동판 진동이 좀 더 집중되고 반면에 바깥 부분은 반대위상(정상파)으로 움직인다. 만일 스피커의 레벨을 반구에 대하여 측정하면 깔끔한 지향 패턴을 볼 수 있다. 그림5.15 참조. 이는 주파수 반응 특성이 음 방사의 방향에 의존함을 의미한다. 그림5.16 참조.

 

 

    그림5.15: 주파수함수인 스피커의 지향성 예              그림5.16: 배플에 놓인 스피커의 방향 각도 의존성

 

  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 우퍼                                  그림5.22: 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 스피커                      그림5.26: 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 변천                          그림6.2: 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

 

 

 

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