피셔 스피커 및 케이블들 측정 결과

앰프에 입력된 신호가 스피커선, 그리고 스피커를 통해 음파로 바뀌어 귀에 들리는 과정에서 전송 중 여러 가지 변화가 생기는 과정을 살펴보고 있습니다. 앰프에 입력된 음악신호가 공연장에서 듣는 것과 같이 그대로 귀에 느껴지는 것이 이상적이며 좋은 것인지에 대해서도 이견이 많습니다만, 실제로 그대로 재현되기도 대단히 어려운 일인 것 같습니다.

원론적인 이야기입니다만 앰프 내부에서 Noise, Distortion, Sinad 등 기본적인 변화가 일어나고, Preamp단 Equalizer에서의 인위적인 주파수특성 변화, Group Delay로 불리는 주파수별 위상지연차, 또 2 이상의 주파수가 상호 간섭하여 없던 주파수 성분이 생기는 Inter Modulation, 출력레벨이 높아지면 주파수대역이 변화하는 가늠자인 Half Power Bandwidth등 앰프자체에서 음질, 음색을 변화시킬 수 있는 요인만도 상당한 것 같습니다.

Fisher의 빈티지 소리는 과연 발매당시의 소리와 얼마나 다른 것인가 하는 의문을 가지신 분들이 많기 때문에, 이를 확인하기 위해 시간이 날 때마다 실험을 진행 중에 있습니다.

또한 앰프출력을 스피커에 전달하는 전송선인 스피커선의 특성에 관한 논의도 분분한 것 같습니다. 미터 당 수 만원씩 팔리는 주석선을 쓰면 음색이 달라진다...99.9999% 순동이 좋다...그게 무슨 상관이 있느냐 등 경험에서 나오는 체험담도 많군요...

그래서 3가지 선을 같은 길이로 하여 더미로드에 임피던스 및 대역을 측정해 보았습니다.

8옴, 4옴 더미로드는 무유도 4옴 100W 저항을 조합하여 만들어 사용했습니다.

케이블 종류	주파수	L채널 케이블	L채널 D/L	R채널 케이블	R채널 D/L
스피커용 30C 케이블 3m	60 Hz	8.56Ω ∠0.01°	8.23Ω ∠-0.05°	8.61Ω ∠0.13°	8.30Ω ∠0.04°
	1 kHz	8.58Ω ∠0.25°	8.31Ω ∠0.13°	8.65Ω ∠0.25°	8.34Ω ∠0.13°
	7 kHz	8.56Ω ∠1.42°	8.27Ω ∠0.5°	8.63Ω ∠1.40°	8,36Ω ∠0.5°
전기용 1.25㎟ 케이블 3m	60 Hz	8.34Ω ∠0.02°	8.23Ω ∠-0.05°	8.4Ω ∠0.06°	8.30Ω ∠0.04°
	1 kHz	8.36Ω ∠0.22°	8.31Ω ∠0.13°	8.42Ω ∠0.22°	8.34Ω ∠0.13°
	7 kHz	8.35Ω ∠1.2°	8.27Ω ∠0.5°	8.41Ω ∠1.2°	8,36Ω ∠0.5°
A.I.W Comp 90C 주석선 Twist 3m	60 Hz	8.25Ω ∠0.01°	8.23Ω ∠-0.05°	8.35Ω ∠-0.02°	8.30Ω ∠0.04°
	1 kHz	8.29Ω ∠0.21°	8.31Ω ∠0.13°	8.36Ω ∠0.2°	8.34Ω ∠0.13°
	7 kHz	8.29Ω ∠1.13°	8.27Ω ∠0.5°	8.35Ω ∠1.14°	8,36Ω ∠0.5°

결과로 외제 주석선>전기용 케이블>일반 스피커케이블 순으로 케이블손실 및 위상변화가 적은 것으로 나타났으며, 주파수대역은 별 차가 없었습니다.

스피커 네트워크에서 앰프로 반사되어 되돌아오는 Return Loss는 측정에 사용할 오디오대역의 Return Loss Bridge 및 고가의 Anlyzer를 아직 준비하지 못해 한참 뒤로 미루었습니다. 실제로 이 측정이 이루어져야 스피커선에 대한 논의의 정답이 나올 것 같습니다.

일단 되돌아오는 스피커(네트워크 포함) 반사파(역 진동파)가 열로 변환되어도 충분히 소화할 수 있는 출력임피던스가 낮은 앰프(Damping이 좋은)에서는 별 문제가 없으리라 생각되며, 스피커 구동능력의 가늠자인 Damping Factor는 스피커시스템의 공칭 임피던스(보통 4, 8, 16옴)를 앰프의 출력 임피던스로 나눈 수치이며, 반사파(스피커의 역기전력에 의한 불필요한 진동)를 흡수해서 음질에 변화가 생기는 정도를 감소시키는 척도입니다. 이 수치가 낮은 경우에 음질이 변화하는 등 문제가 생길 수 있으며, 최악의 경우는 출력이 낮은 앰프(보통 출력 임피던스가 높음)가 낮은 임피던스의 스피커를 구동하는 경우입니다.

스피커의 공칭 임피던스는 표준주파수에 대한 것이고, 실제의 임피던스(Operating Impedance는 주파수에 따라 또 실제 동작하는 전류에 따라 달라지므로 특정 주파수 대역에서 문제가 발생될 수 있습니다.

몇 가지 Fisher 스피커에 대한 주파수별 임피던스를 측정해 보았습니다.

스피커 모델	주파수	L채널	R채널
XP-7K 공칭 8Ω 임피던스 트위터 Attenuator 0dB	60 Hz	15.7Ω ∠-33.4°	15.6Ω ∠-33.8°
	1 kHz	8.02Ω ∠0.16°	10.4Ω ∠5.45°
	7 kHz	11.07Ω ∠14.7°	11.86Ω ∠10.68°
XP-7C 공칭 8Ω 임피던스 트위터 Attenuator 0dB	60 Hz	20.6Ω ∠-25°	21.2Ω ∠-31°
	1 kHz	7.61Ω ∠4.4°	8.5Ω ∠5.6°
	7 kHz	21.9Ω ∠43.6°	24.7Ω ∠65.7°
STV-723 공칭 8Ω 임피던스	60 hz	37.6Ω ∠-8°	38.6Ω ∠-11.8°
	1 kHz	17.29Ω ∠-5.9°	17.43Ω ∠-7.3°
	7 kHz	7.17Ω ∠-12.1°	7.47Ω ∠-12.1°
ST-440 공칭 8Ω 임피던스	60 Hz	6.13Ω ∠23.1°	4.18Ω ∠6.0°
	1 kHz	10.3Ω ∠2.99°	4.4Ω ∠13.3°
	7 kHz	6.85Ω ∠-0.3°	6.3Ω ∠16.9°

결과를 보면, 빈티지스피커인 XP-7 시리즈에서는 1kHz 부근에서 공칭임피던스와 근접하며 이때 위상각도 적게 나타납니다...그리고 상대적으로 나중에 출시된 ST 시리즈에서는 훨씬 높은 주파수에서 공칭임피던스와 근접하며 ST-440은 L,R의 차가 많아 한 채널이 고장으로 보입니다. 어느 스피커든 저음과 고음에서 중음에 비해 위상각을 포함해서 임피던스차가 상당히 나타나므로 일종의 필터로서 동작함을 예상할 수 있습니다.

따라서 앰프와 스피커의 매칭은 음질 음색에 중요한 영향을 준다고 볼 수 있겠습니다.

그리고 사실 실제 귀에 들리는 음파로 바꾸어주는 스피커는 원음에 제일 큰 영향을 미치는 부분인 것으로 생각됩니다. 1개의 유니트로 전대역(Full Range)을 재생해주면 이상적이지만, 실제로는 힘들기 때문에 각종 유니트와 네트워크를 조합하여 목제박스(Enclosure)에 수납한 Bookself 형을 많이 사용하지만, 혼 스피커외 특수한 스피커들도 여러분들이 사용하고 계시는 것 같습니다. 물론 공연장등에 사용하는 프로용의 Array Flying Speaker PA 시스템 등에는 Multi-Amp 시스템과 스피커 그룹의 대역(Bandwidth)과 위상(Delay)를 자유롭게 설정해주는 DSP프로세서를 사용합니다만, 가전용 스피커들은 코일(L)과 무극성콘덴서(C)를 조합한 수동네트워크(Passive Network)를 주로 사용하므로 수동필터 이론이 적용됩니다. LPF(Low Pass Filter), BPF(Band Pass Filter), HPF(High Pass Filter)의 조합이며, Cutoff점의 샤프한 정도 및 대역내의 평탄한 정도 등에 따라 차이가 있는 Butterworth, Chebyshev, Bessel, Linkwitz-Riley 필터가 주로 사용되는 종류입니다. 구성품인 L,C 정수계산은 다소 복잡하므로 필터방식, 대역폭, 차수(Pole수, 소자수에 관계), 감쇄량 등을 입력하면 소자값을 계산해주는 소프트웨어를 이용하면 되며, 이론값과 실제 측정치와의 차이를 보정하기 위해 L은 가변할 수 있는 페라이트 코어를 주로 사용하고 있네요.

RF분야에서 송신기에서 출력한 파워를 전송선로를 거쳐 안테나 네트워크(L, C 필터로 구성)로 들어가면 안테나에서 공간으로 전파를 방사하기 위해 임피던스 매칭을 하는 과정과 매우 유사한 것 같습니다. 다만 주파수가 매우 낮고 가변적이어서 더 어려운 것 같습니다.

주파수에 따라 진폭과 위상이 변하고, 유니트를 여러 개 사용하므로, RF 멀티안테나 시스템의 위상제어로 지향성을 제어하는 시스템과 유사합니다. 즉, 유니트에서 변환되 나오는 신호간의 위상차에 따라 합성되는 지향성에 변화가 생긴다는 것을 의미하며, 안테나의 반사판과 같이 스피커 인클로저 백으로 나오는 음압의 위상각을 변화시켜 전면으로 내보내 합성하는 리플렉스 시스템도 반사판이 달린 RF안테나와 비슷한 원리입니다. 다만 스피커유니트는 엔클로저에 들어있기 때문에 사이드 및 백으로 나가는 음파의 합성에 제한이 있는 점은, 360도 무지향성 안테나를 여러 기 사용해 마음대로 지향성을 주는 RF안테나와는 다르다고 하겠습니다.

짧은 지식을 늘어놓다보니 길어졌습니다만 각설하고, 이번에는 3-Way 스피커의 유니트별 주파수 특성 및 위상변화 측정을 해 보았습니다.

주파수 특성이 좋은 지향성 콘덴서마이크, 마이크스탠드 등 준비가 되지않아 일반 다이내믹 마이크를 손으로 잡고 유니트에 근접해서 원리적인 측정만 하였으며, 정밀한 측정은 차후에 하려고 합니다.

사용한 계측기는 Anritsu Network Analyzer MS3401A2 (10Hz ~ 30MHz)이며, Tracking Generator 기능을 이용하였고,

20Hz ~ 20kHz 구간을 측정하였으며, 마이크로 픽업한 위상변화는 사진에 Woofer만 게시하였습니다.