스피커 임피던스의 이해..

Written by Keith
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  1. 들어가며 스피커의 특성을 잘 파악하면 기타 앰프 시뮬레이션에 도움이 될 것 같아 몇 가지 성질로 나누어 알아보기로 한다.
  2. EMF (Electromotive Force) 이 용어는 Force라고 해서 우리가 아는 어떤 힘을 뜻하는 게 아니라, (우리말로는 기전력(?)이라고 하는 것 같다) voltage를 뜻한다. 스피커의 입장에서는 코일 주변의 자기장의 변화로 얻어지는 전기회로에 생기는 전압이라고 이해하면 되겠다. 즉, 가만히 있는 스피커에 손을 대고 콘지를 움직이면 코일에 유도되는 전압을 말한다. 이때 스피커 양단간을 연결해주게 되면, 외부에서 가한 힘이 코일에 전압을 유도하고, 이렇게 유도된 전압은 전류흐름을 만들어 외부에서 가한 힘의 반대방향의 힘을 끌어낸다. 이것을 Counter(Back) EMF (역기전력(?))이라고 한다. 그래서 일부러 스피커의 콘지를 손으로 움직여 보아도 움직임에 방해를 받는 느낌을 받게 된다.
  3. DC resistance 스피커의 코일이 갖는 직류저항을 의미한다. 직류저항은 일반적으로 스피커의 임피던스에 비해 낮은 값을 갖는다. 왜냐하면 임피던스를 구성하는 나머지 성분이 주파수에 따라 이 직류저항보다 큰 값을 갖기 때문에 사실상 평균을 내면 스피커의 임피던스와 가까와지게 된다. 스피커 임피던스의 정의는 400Hz에서의 전기적 저항이라고 한다고 한다.
  4. Resonance Frequency 스피커는 일종의 드럼처럼 그 구경에 의해 결정되는 공진 주파수를 갖는다. 무슨 말이냐면 콘지를 툭하고 건드렸을 때 진동하는 주파수가 공진주파수이다. 마치 드럼피를 두들겼을 때 구경과 드럼피의 장력에 의해 그 음이 결정되듯 말이다. 이러한 경우에는 상대적으로 작은 전류를 가해서 구동하더라도 더 큰 소리가 나게 된다. 다시 말해 진동계가 상대적으로 더 많은 EMF를 가져오게 되므로 높은 임피던스를 갖게 된다.
  5. Speaker Inductance 스피커는 코일로 만들어져있기 때문에 전류의 빠른 변화에 저항하는 특성을 가지고 있게 된다. 즉, 주파수가 올라가면 올라갈 수록 저항성분이 증가하게 된다. 같은 양의 전류를 전달한다고 할 때 주파수가 높으면 높을 수록 더 많은 힘을 발생하게 된다.
  6. Speaker impedance 위의 세가지 특성을 조합하면 스피커 임피던스의 특성은 DC 저항, 공진 주파수에서의 높은 임피던스, 그리고 주파수가 올라갈 수록 증가하는 임피던스 성분 이렇게 3가지로 볼 수 있다. 동일한 양의 전류를 전대역으로 주게 되면, 스피커는 상대적으로 공진 주파수 영역과 고음으로 갈수록 더 큰 소리를 내게 된다. 그래서 일반적으로 파워앰프는 스피커 단에서 측정된 전압을 가지고 스피커를 컨트롤하게 된다. 다시 말해 스피커가 제멋대로 놀지 않고 앰프의 지배권 하에 놓이게 하기 위해 negative feedback을 하게 된다는 말이다. 이렇게 해서 스피커의 출력이 컨트롤 되는 상태를 damping이 된다고 한다. 즉, 공진 주파수 부근에서 크게 진동하려고 하는 스피커의 성질을 앰프가 강제로 잡아둔다고 볼 수 있는 것이다.
  7. 댐핑감?? 댐핑 팩터?? 우리가 흔히 쓰는 말 중에 “댐핑감”, “댐핑이 죽인다”, “댐핑 펙터”라는 말이 있는데, 듣는 사람에 따라서는 앰프의 출력이 스피커에 잘 반영되었다, 큰 음량에도 불구하고 저음이 잘 컨트롤 되고 있다라는 느낌을 나타내긴 하지만, 이게 사실 소리가 크다는 것인지 저음이 강력하다는 것인지 (그러니까 저음을 잘 못내는 기계인데도 앰프가 잘 내게 한다는 것인지) 의미가 불분명하다는 것이다. 앰프가 negative feedback을 하게 되면 출력은 줄게 되지만, 출력 임피던스는 작아지는 장점을 갖는다. 출력 임피던스가 작아졌다고 함은 많은 전류를 필요로 하더라도 그것을 앰프에서 바로바로 잘 제공할 수 있다는 의미도 되고, 굴리는데 힘이 많이 드는 부하를 잘 굴릴 수 있다라는 의미로도 볼 수가 있다. 즉 출력을 좀 떨어뜨리는 대신 그 남는 힘으로 말을 잘 안듣는 주파수 응답이 잘 나오게 해서 스피커를 앰프가 원하는 대로 제어한다고 이해하면 된다. 댐핑 펙터는 앰프가 스피커를 컨트롤하는 정도가 어느 정도인지를 의미한다. 댐핑 팩터가 작으면 스피커는 앰프의 통제하에 없어서 소리를 많이 내고 싶은 영역에선 큰 볼륨으로 나가고 그렇지 않은 곳은 작게 나가고 하는 것이다. 반면 댐핑 팩터가 크단 것은 앰프가 원하는 대로, 즉 원음 그대로 내보내는 정도가 크다는 것을 의미한다. 그래서 저음이 단단하게 나온다고 해서 그게 댐핑감이 좋다 댐핑 팩터가 크다고 할 수는 없다. 왜냐면 대부분의 우퍼의 공진주파수가 100Hz 근방에 있어서 댐핑을 제대로 하지 않아도 저음은 벙벙거리며 나오게 된다. 사실 헤드폰으로는 잘 들을 수 없는 소리라 헤드폰/이어폰을 즐겨쓰는 이들이 듣기엔 그들이 평소에 듣지 못한 저음을 듣기 때문에 그게 댐핑이 잘 안되서 쓸데없이 큰 것인지 아닌지 분간하기 어렵다는 것이다.

  8. 피드백 회로와 댐핑팩터, 저음과의 관계 피드백을 하게 되면 공진주파수 (저음)쪽에 스피커의 임피던스가 높은 관계로 해당 주파수의 증폭률을 낮춰서 실질적으로 스피커에 걸리는 전압 측면에서는 전반적으로 전압을 평탄하게 만들어주려 노력하게 된다. 측정과 그것에 의한 보정이 빛의 속도로 이루어지기 때문에 전혀 알 수 없다. 스피커에 걸리는 전압이 곧바로 스피커 출력과 연관되는지는 1:1 대응관계가 아니므로 정확하다고 볼 수는 없기 때문에 앰프에서 이렇게 전압상으로는 평탄하게 맞춰주었다고 하면, 실질적으로 우리 귀에 들리는 것은 공진주파수 부근에서 응답이 커지는 현상은 줄어들게 되면서 아울러 피드백을 과하게 하면 할 수록 저음이 평탄한 것과는 다소 거리가 있는 저음이 좀 부실하게 들리는 결과를 가져오게 된다. 스피커의 리액턴스에 의해서 고음이 강조되는 특성도 아울러 보정이 되어 과도한 고음이 나지 않게 될 것이다.

  9. TR 앰프와 진공관 앰프 일반적으로 TR 앰프는 출력 임피던스가 낮고 피드백을 한다고 알려져있고, 진공관 앰프는 출력임피던스가 높고 피드백을 하지 않는다고 알려져있다. 그런데 그것은 만들기 나름이고, 아마도 그런 글을 쓴 이가 보아온 어떤 예제들이 그러했으리라 추측이 된다. 보급형의 TR 앰프는 앰프 자체가 하나의 모듈로 되어 집적회로로 구현되어있어서 외부 전원 변화라든가 잡음, 그리고 스피커의 특성에 따른 변화에도 불구하고 스스로 평탄한 응답을 만들어내도록 잘 설계되어져있다. 따라서 피드백은 기본적으로 하게 되어있다. 또 진공관 기타 앰프의 경우 출력단의 피드백이 기본적으로 구현되어있다. 아마 이것은 그 옛날 기타 앰프의 원형이 되었던 앰프들이 다 피드백을 했기 때문으로 보여진다. 계량하면서 베끼고 베끼면서 계량하다 보니 그리 되었으리라 본다. 이 때 피드백을 하더라도 피드백을 얼마나 하느냐에 따라 스피커의 공진주파수/리엑턴스 특성이 결정되게 되어있다. 다시 말해 피드백 저항(스피커 단자와 phase splitter간을 연결하는 저항)이 작은 경우는 많은 양의 전압을 피드백하므로, 파워앰프 출력이 줄고 공진주파수와 고음역의 커트가 크고 반대로 이게 커지면 저음과 고음이 살아나는, 다시 말해 mid-scooped가 되는 것이다. Rectifier와 일부 앰프의 경우는 아예 feedback을 하지 않는 모드가 존재하는데, 이러한 경우에는 mid scooped 현상이 극에 달하게 되는 것이다. 따라서, 우리가 소위 ‘댐핑감 좋다’라고 하는 경우는 mid scooped되어서 잘 안들리던 저음이 상대적으로 크게 들릴 때를 얘기하는 경우가 빈번한데, 실제로는 이 의미와는 반대로 파워앰프가 스피커의 댐핑을 제대로 못하는 경우를 말하는 것이 된다. 스피커가 댐핑이 제대로 되면 입력에서 일부러 저음을 키워놓은 게 아니라면 저음이 크게 나와서는 안되는 것이다.
  10. 앰프 시뮬레이션과의 관계 이 문제에 있어서는 다음의 두 가지 해법이 실제로 존재한다고 본다.
  11. 파워앰프 회로에 스피커 등가회로를 넣어서 실제로 피드백 하는 방법: 내가 취하고 있는 방법1. 스피커의 임피던스에 따라 스피커가 반응할 것으로 기대하고 Parametric EQ를 파워앰프 출력단에 넣는 방법 2번의 방법은 실제로 Axe Fx에서 취하고 있는 방법론이다. 그런데, 우리가 사용하는 IR을 어떻게 취득했느냐가 사실 더 중요한 문제가 된다. 댐핑팩터가 높은 TR 앰프에서 white noise를 쏘아서 취득한 IR인 것인지, 기타 앰프를 특정 모드로 놔두고 여기에 send/return 단자에 signal generator를 물려서 측정한 IR인 것인지 불분명하다는 것이다. 어떤 이들의 IR을 보면 tube screamer를 on/off했다는 둥, 또 power amplifier의 presence를 얼마로 놨다는 둥 하는 이야기가 있는데, 이러한 경우에는 대부분 power amplifier의 색깔이 IR에 다 녹아들어갔다고 이해할 수 있다. 그런데, IR의 길이가 얼마인가가 또 중요한 문제가 된다. 적어도 100Hz의 주파수 특성을 내게 하려면 1/100초의 IR은 있어줘야 한다. 1/100=10ms라고 하면 44.1 KHz만 생각하고 보더라도 IR의 길이가 4410개가 된다. 그보다 더 아래 주파수의 응답을 IR convolver에서 내주겠다고 하면 더 긴 IR이 필요한 것인데, 실제로 IR들을 보면 길이가 그 정도로 길지 않다. 결국 IR에 그런 성질이 포함되었다고 하더라도 샘플 수가 작으면 포함되지 않은 것과 같다는 얘기고, 어차피 IR에서 못하면 나머지 요소를 통해서 대신 넣어주어야 한다는 말도 된다.
  12. 나가며 결론을 내려보자면, 기타 스피커의 임피던스 특성이 기본적으로 미드 스쿱드된 형태, 즉, 80Hz 근방의 저음이 강하게 부각되어있고 1kHz이상에서 주파수가 높아질 수록 응답이 점점 좋아지는 형태의 주파수 특성을 가지고 있는데, 이게 파워앰프의 feedback이 많으면 많을 수록 고음과 저음의 이득이 줄어드는 특성을 가지고 있고, feedback을 하지 않을 때 가장 강하게 드러나는 효과를 갖는다. 그런데 IR을 이용하여 스피커 케비넷의 성질을 흉내낸다고 할 때, 그 IR을 어떤 조건에서 측정했는지, 길이가 얼마인지에 따라 스피커의 특성이 어떻게 반영되어있는지가 전부 다르므로, 그것을 고려하여 스피커 임피던스 특성을 반영해야한다고 보는 게 옳다. 다시 말해 기타 스피커 임피던스 특성이 앰프시뮬이든 더미로드이든 반영이 되지 않으면 ‘소리가 실물과 다르다’란 소릴 듣는단 말이다. 캐비넷 앞에서 기타를 치고 있으면 스피커의 공진 주파수 부근에서 워낙 펀치감이 좋기 때문에, 이것을 시뮬레이터나 더미로드에 반영하지 않으면 ‘역시 디지털(?) 스럽다’, ‘역시 시뮬이다’란 소릴 하는 것이다. 또 대부분의 IR의 샘플 길이가 짧기 때문에 100Hz 아래의 주파수에 대한 표현이 잘 되지 않는다. 그래서, 앰프 시뮬레이터나 더미로드에서 이 부분을 잘 부각시켜주어야 한다. 그러나, 이 부분이 잘 처리 되어있는 더미로드나 앰프 시뮬레이터는 그리 흔하지 않다. Axe Fx는 이미 얘기했다 시피 스피커 특성을 반영하기 위해서 mid-scooped EQ preset이 기타 앰프 종단에 들어가 있다. 이것은 나름 인위적일 수도 있지만 의미가 있는 요소로 볼 수 있다. 실제로 IR을 파워앰프 출력 (feedback을 고려하더라도 스피커를 일반 저항으로 가정하는 경우)에 그대로 convolve한 경우 저음과 고음역 응답이 상대적으로 작아서 답답하게 느껴지는 경우가 더 많다. 물어보나 마나 Axe Fx의 경우는 80Hz 근방의 펀치감과 깔깔한 고음부가 강조되어있기에 ‘진짜 같다’, ‘해상력 좋다’ 란 소릴 듣고 있다. 여기서 ‘해상력, 혹은 해상도(resolution?)’이란 말을 걸고 넘어지자면, 혹자의 정의를 빌자면 ‘악기별 소리가 잘 분간이 되는’ 정도라고 한다. 오디오 측면에서는 frequency 별 resolution이 높다는 것인지, 아니면 dynamic range가 넓다는 것인지 불분명할 때가 있다. 대개 사람들은 고음 응답이 좋아지면 (고음이 부각되면) 해상도가 좋다고 한다. 소리가 잘 구분된다는 측면에서 틀린 말은 아닌 게 맞다. 이를테면 고음 응답특성이 좋지 못한 이어폰을 버리고 새걸 샀더니 고음이 더 잘 들리게 되었다면 ‘해상도가 좋다’라는 말을 하고, 예전보다 소리가 더 또렷하게 들리면 (역시나 중고역대 응답이 살아났다고 봐야 할 것 같다) 그런 말을 한다. 어떤 요소가 비정상적으로 가공되어도 해상력이 좋다는 얘길 하고, 고음이나 저음이 다 잘려나갔는데 비선형 왜곡을 시켜서 특정 대역에 집중적으로 하모닉을 쌓아올렸더니 역시나 해상력이 좋다는 얘길 하고. 도무지 우리 말이지만 용어 정의가 너무 불문명한 말이 많다. 그게 무슨 소리냐? 따지고 들면 ‘피곤하다’ 하겠지.