스피커에 대한 이해와 선택, 설치방법

PA용 스피커는 넓은 공간에서 많은 사람을 대상으로 높은 음압레벨로 사용된다.  따라서 PA용 스피커는 기본 성능 이외에 넓은 음장을 커버하고, 내입력이 커야한다.
   스피커 시스템의 카달로그나 사양서에 기제 되어있는 성능은 일반적으로
   1. 파워(RMS:정격출력)
   2. 출력 음압레벨(SPL dB)
   3. 주파수특성(20Hz~20kHz)
   4. 입력 임피던스(ohm)
   5. 지향특성(커버리지: 각도)
   6. 크로스오버 주파수
등인데 그 스펙으로 기기의 성능을 확인 할 수 있고, 스피커를 선택할 때 선택기준이 된다.

스피커는 파워도 중요하겠지만, 출력 음압레벨은 그 무엇보다 중요하다. log의 법칙에 따라 3dB의 레벨을 올리기 위해 제곱의 스피커가 필요하게 되고, 또 그 만큼의 앰프가 필요하게 되므로, 음압레벨이 높은 스피커를 선택하는 것이 여러 가지 이유로도 합당하겠다. 앰프와 스피커간의 임피던스 매칭에 주의하고, 홀의 여러 특성을 파악해서 스피커의 지향 각도를 정해야 할 것이다. 가끔, 지향특성을 무시한 채 스피커를 결정하는 경우를 자주 보게 되는데, 지향각도는 하울링의 원인이 되기도 하고, 직접음의 커버리지를 결정하는 중요한 부분이다. 보통, 지향각이 좁은 스피커는 원거리용이며, 지향각이 넓은 스피커는 단거리용으로 사용된다. 지향각이 좁은 스피커는 여러개의 스피커를 어레이 하여 그 커버리지를 조정하기도 한다
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1. 파워(정격파워, 피크파워)

정격파워(RMS)는 앰프와 스피커를 정확하게 매칭시키기 위한 방법으로 아주 중요하다. 스피커의 용량보다 작은 앰프로 구동하면 스피커는 최대 용량을 발휘하지 못하고, 볼륨을 올리게 되면 하모닉스가 생기게 되어 용량이 큰 앰프로 구동한 경우보다 스피커가 파손되기 쉽다.
   반면에 너무 큰 용량의 앰프로 스피커를 구동 시키게 되면 스피커 콘의 왕복운동이나 오버히팅으로 스피커가 파손되기도 한다. 대게 정격출력의 1.5배의 앰프를 사용하는데, 정확한 매칭방법은 스피커와 앰프 매칭에서 다시 이야기 하겠다.

   피크파워(Program power)는 스피커가 취급할 수 있는 아주 짧은 순간 최대 파워를 말하는데, 스피커의 피크파워는 가열에 의해 결정되지 않고, 최대 진폭(콘의 운동진폭)에의해 결정된다. 피크레벨은 평균레벨보다 6dB(4배)높다.
   프로그램 파워는 실제 프로그램과 특성이 유사한 신호를 가지고 측정한 것으로서 연속 파워보다 높다. 그러나 측정하기위한 표준 신호는 없으므로 제조자들마다 각기 다른 테스트 신호를 사용하여 측정하므로, 상호 비교할 수 없다.


2. 임피던스

   입력 임피던스는 앰프에서 가장 손실이 작은 전력을 끄집어내기 위한 값이며, 증폭기(앰프)의 출력 임피던스와 같을 때 스피커로 전송되는 전력은 최대가 된다. 스피커의 공진 주파수는 저음역에서 최초로 산이 되는 주파수 이며, 스피커로 낼 수 있는 저음의 한계이고, 인클로저를 설계할 때 필요한 주파수 이다. 임피던스는 저음 공진 주파수 이상에서 최초로 임피던스가 극소가 될 때의 값이다. 대부분의 공칭 임피던스는 4, 8, 16ohm 이다.
   직,병렬 연결 방법으로 앰프와 스피커간의 임피던스 매칭을 조절할 수 있다. 글로서는 표현하기가 힘든 점이 있으므로 본 사이트로 문의하시기 바란다. 복잡한 설계가 아니라면 스피커와 앰프는 같은 임피던스로 매칭 하는 것이 좋은 방법이다.


3. 지향특성(스피커 커버리지)

스피커를 선택할 때, 수직 상하의 스피커 각도를 잘 고려하여 선택해야하는데, 지향각을 무시하여 선택하게 되면 직접음을 듣지 못해 손실되는 공간이 나오게 되고, 스피커를 배치할 때, 스피커의 위치선정과 기울기에 기준을 잃어버리게 되므로 아주 중요한 요소이다.

스피커의 정면으로부터 벗어난 각도에 따라서 주파수 특성이 변하는 것을 지향 특성이라고 한다. 주파수가 높아짐에 따라서 지향성이 좁아지는 것은, 진동판의 크기가 파장에 비하여 무시할 수 없는 주파수에서는, 축상에서 벗어나면 전달거리의 차이에 의한 위상차에 의해 지향성이 생긴다. 따라서 중심축 각도에서 벗어나면 고음이 잘 들리지 않게 된다. 지향성 패턴에서 기준 축의 양측에 있는 음압레벨이 기준 축의 음압 레벨보다 6dB 작아지는 양방향의 벌어진 각도를 지향각 이라고 한다.
스피커의 지향특성은 주파수가 높아질수록 지향각이 좁아지고, 또 스피커가 작을수록 일정 주파수에 대한 지향각은 작아진다.

스피커 커버리지  어느 주어진 공간에 설치하는 스피커의 수는 사용하는 스피커 커버리지에 따라서 달라진다. 지향각이 넓은 스피커를 사용하면 주어진 공간에서 사용해야 하는 스피커의 수가 줄어들게 되므로  돈이 덜 들지만, 반드시 좋은 것만은 아니다. 잔향이 많은 공간은 지향각이 넓은 스피커를 사용하면 반사음이 증가되어 명료도가 떨어지게 된다. 따라서 잔향이 많은 공간에서는 지향각이 좁은 스피커를 사용하여 반사음이 최대한 억제 되도록 한다. 또한 마이크에 입사되는 음도 많아짐으로 하울링이 일어날 가능성도 높다.
또한, 스피커의 설치 위치에 따라서도 소리의 특성이 달라진다. 스피커의 지향각이 벽면을 향해 많이 가도록 설치된 경우, 벽면의 반사음이 많아져서 명료도가 떨어지게 되고, 직접음만이 관중으로 향하는 지향각을 만든다면 명료도의 향상과 하울링 마진을 높일수 있게된다. 특히나 상가건물안의 각 측 벽면에 스피커를 설치한 경우를 가끔 보는데, 가능하다면 스텐드를 이용하거나 플라잉 하는 방법으로 정면에서 지향각을 잡는게 좋겠다. 이같이 정면에서 객석을 향해 설치하면 관중에 의해서 음이 흡수되고 반사음이 적어지므로 에코가 생기지 않으며 명료한 소리가 들리게 된다.


4. 스피커 분류(페시브, 엑티브형)

보통, 구경이 큰 스피커는 저음을 재생하고, 우퍼(woofer)라하며, 중음을 재생하는 스피커는 스쿼커(squawker)라 하고, 고음역을 재생하는 스피커를 트위터(tweeter)라한다. 보통 2,3개의 스피커 유니트로 구성되어 있는데, 하나의 스피커로 전 대역의 주파수를 재생하기 어려우므로 2,3개의 저음, 중음, 고음 스피커를 조합하여 사용하게 된다. 각각의 유니트를 통해서 정해진 주파수를 재생하게 되는데, 두개의 스피커 유니트를 가지고 재생하면 2Way이고, 3개의 유니트로 재생하면 3Way가 되는 것이다. 보통 여러개의 스피커를 조합해서 사용하는 경우가 아니라면 3Way로 재생하는 것이 여러면에서 음질이 우수하다고 본다.

저음, 중음, 고음의 소리를 분할하기 위해서는 각각의 소리를 내기위한 네트워크가 필요하게 되는데, 3Way의 경우, 고음은 고음만을 통과시키고, 중음 이하의 소리를 커트 시키는 고역통과 필터,  중음은 고음과 저음을 커트 시키는 대역통과 필터, 저역의 주파수만을 통과시키고 중,고음을 커트시키는 저역 통과 필터가 필요하다.  2Way의 경우 간단한 네트웍인데, 고음 스피커에 콘덴서(콘덴서는 고역 통과필터)를 붙여서 고역만 통과하도록 하고, 저역에 코일을 붙여서 저역만 통과 시키는 것이다. 
각 필터의 겹쳐지는 부분, 즉, 크로스오버 주파수에서 결합이 잘 이루어지지 않으면 딥이 생기게 되고 음질이 좋지 않게 된다. 이런 네트워크 회로는 콘덴서와 코일 및 저항으로 구성되고, 스피커 인클로저 내부에 설치된다. 이를 페시브형(수동 네트워크)이라하고, 용량이 작은 시스템에서 사용하면 가격면에서 효율적이며, 스피커에 한 대의 앰프만 있으면 되고, 스피커 케이블도 +, - 한 가닥이면 된다. 그러나 파워를 크게 해야 하는 경우에는 크로스오버 필터에서 많은 에너지가 소비되므로 고출력 파워 시스템에서는 엑티브형(능동 네트워크)을 사용하는 것이 좋다.

크로스오버에서 응답 특성은 아주 중요하다. 각각의 필터를 크로스오바에서 적절하게 결합시켜서 전체 특성을 만듦으로 크로스오버 포인트는 아주 중요하다. 주파수 연결이 부드럽지 않으면 크로스오버 주파수에서 딥이 생기게 된다. 이 딥은 이퀄라이저로도 보정이 되지않는다.
네트워크는 크로스오버 특성도 중요하지만, 각각의 유니트에 파워 배분도 중요하다. 보통은 고역 측에 레벨 조정용 패드를 삽입 하게 된다.  이러므로 이 모든 조합이 잘 이루어진 스피커가 좋은 평을 받게 되는데, 각 회사마다 특성 있는 조합으로 각양의 소리를 내게 되므로, 많은 경험으로 각 제품별 특성을 알아두는 게 좋다.

엑티브형  페시브형은 스피커 자체 레벨에서 동작하는 반면에, 엑티브형은 라인 레벨에서 동작하므로 정밀 필터를 사용하여 여러 가지 신호를 처리 할 수 있다. 즉, 밴드의 보정과 같은 부가 기능이 추가되어 크로스오버 주파수 조정, 각 밴드의 출력조정, 필터종류, 시간정렬 조정 등의 기능이 있다. 이것을 스피커 컨트롤러라고도 하는데, 멀티프로세서라고도 한다.
멀티채널 방식은 2대의 앰프를 사용하는 경우를 바이앰프 방식, 3대의 앰프를 사용하는 경우를 트라이 앰프 방식 이라고 한다.

멀티채널 방식은 다음과 같은 장단점이 있다.
    1. 레벨 조정은 앰프의 볼륨(멀티 프로세서)으로 조절하므로 각 유니트 사이의 조합이간단하고, 네트워크의 감쇠기를 사용하지 않으므로 전력소비가 적다.
    2. 앰프와 스피커간에 네트워크나 감쇠기가 없으므로 댐핑도 좋아진다.
    3. 파워앰프의 안정도가 나쁘면, 증폭도가 변동하여 각 대역간의 바란스가 나빠지는 단점도있다.
    4. 파워앰프에 입력되는 신호의 대역이 좁으므로, 앰프의 혼 변조 왜곡이 적어진다.
    5. 가격이 비싸다. 


5. 스피커의 극성

앰프와 스피커간의 극성이 바르게 연결되어 있으면, 앰프에서 +전압을 가하면, 스피커의 진동판이 앞으로 나오고, 반대 일 경우 안으로 들어가는 현상이 생기는데, 쉬운 방법으로는, 1.5볼트 소형 건전지를 이용해 각 극성끼리 이어보고, 스피커의 +극성과 건전지의 +극성을 연결했을 때, 진동판이 앞으로 나오면 제대로 연결이 된 것인데, 그 +선을 앰프의 +극성에다 물리면 된다.
   이를 대수롭지 않게 생각해서 극성이 바뀌어 있는 경우를 자주 보게 되는데, 정위상인 경우에는 정중앙에 위상이 모아지지만, 역위상인 경우에는 정중앙에 음압이 상쇄되고 좌우로 확산 되게 된다.  쉽게 확인 할 수 있는 방법은,  역위상 일 때, 소리를 재생하고, 홀의 중앙에서, 한쪽의 스피커에서 다른 한쪽의 스피커로 이동해보면 소리가 머리주위를 휘감는 느낌이 들게 된다.  아주 기초적인 것이지만 중요한 요소이다.

  
6. 스피커의 간섭현상  

PA 음향 시스템에서는 큰 음량을 얻거나 지향각을 조정하기 위해서, 스피커를 스프레이(옆방향으로 늘어놓음)하거나, 스태킹(위로 쌓는 것)한다. 이렇게 하면, 파워도 증가하고, 배치 방법에 따라 지향각이 넓어 지기도하고 좁아지기도 한다.
또한, 스피커간의 간섭이 생겨 음색이 변하기도 한다. 시간 조정(딜레이)을 통하여 간섭이 생기지 않도록 하고, 스프레이나 스태킹을 할 경우에는 이러한 간섭을 피할수 있도록 다음과 같은 점에 유의 하도록 한다.
   1. 항상 보이스 코일(트위터)을 일렬로 맞추어 위상 간섭을 최소화 한다.
   2. 스프레이 경우, 스피커 간의 간섭이 없으면 파워는 6dB 증가되지만, 지향각은 증가하지 않는다. 그리고 스피커를 수평으로 늘어 세운 경우에는 사다리꼴 형상인 인클로저(스피커의 생김새)모양대로 사용하여 위상 상쇄를 줄이고, 전체의 분산각을 증가시킨다.
여러 개의 스피커를 조합하여 사용할 경우에는 각각의 스피커를 특별하게 설계하지 않는 한, 근접시켜 설치하면 간섭이 생긴다. 그래서 음원의 파장의 2, 3배 떨어뜨려 설치하면 간섭의 영향을 최소화 할 수 있다.
   3. 스태킹을 할 때는 주로 원거리용으로 사용하기 위해서 인데, 분산각을 좁히고자 할 경우에는, 같은 주파수 범위의 컴포넌트를 배치시킨다. 즉, 아래 스피커를 바로 세웠을 때, 위로 올라가는 스피커를 트위터가 아래로 가도록 거꾸로 세운다는 것이다. 이럴 경우, 수직 분산각이 좁아지고, 간섭 현상도 생기기 않는다. 3개 이상의 여러대의 스피커를 스태킹 할 경우에는, 중고음에 심한 간섭이 생기게 되고,  음압레벨도  스피커 한 개를 쓸 경우보다 증가하지  않는다. 이때 생기는 간섭은 그래픽 EQ로도 보정되지 않는다. 따라서 이 간섭을 최소화 하기 위해서는 스피커간의 간격을 파장만큼 띄우는 것도 한 방법이다.

이러한 불필요한 조건들을 없애기 위해 지향각이 없는 즉, 정지향성 스피커를 여러 대를 연결해 쓰는 라인 어레이 방식이 최근 많이 사용되고 있다. 여러 대의 정지향성 스피커를 위 아래로 조합하여 지향각을 만드는 방법이다.