패시브네트워크에 대한이해

스피커 유닛의 제조 기술이 많이 향상되었음에도 불구하고 단일 유닛으로는 인간의 가청 한계 주파수 전대역을 재생하기에는 부족함이 많은게 사실이다. 이에 따라 각기 재생할 수 있는 범위가 제한된 유닛을 여러 개 조합하여 2 웨이 스피커나 3 웨이 스피커를 사용하게 되었다.

이때 필요한 것이 크로스오버 네트워크 회로다.크로스오버 네트워크(Cross-over Network)는 액티브 필터(ative Filter)와패시브 필터(Passive Filter)가 사용되는데,여기서 알아보고자 하는 네트워크는 패시브 필터다.

액티브 필터는 채널 디바이더 등에서 보여지는 것과 같이 능동 소자를 사용함으로써 상당한 품질의 것을 사용하지 않으면 패시브 네트워크에서의 재생음보다 반감될 수 있으므로 세심한 선택이 필요하게 된다.

네트워크 구성 부품의 역할

패시브 네트워크의 가장 기본적인 이해는 코일과 콘덴서의 역할이다.
코일과 콘덴서의 사용 목적만 이해한다면 스피커 자작에서도 유용하게 사용할 수 있다고 하겠다. 코일의 유도 성분은 교류에 대하여 저항의 성질을 갖고 있다. 그러므로 코일에서는 교류 성분의 높은 주파수는 차단시키고 직류 성분의 낮은 주파수만을 통과시킨다.
코일의 값이 커질수록 크로스오버 주파수가 낮게 잡힌다고 볼 수 있다.
스피커의 크로스오버 필터에서 저역용 유닛에 직렬로 코일을 연결하는 것은 바로 그런 이유 때문이다.반대로 콘덴서의 저항 성분은 주파수가 높아질수록 저항 성분이 줄어지고,낮은 주파수일수록 저항 성분이 커진다. 고음용 유닛에 직렬로 콘덴서를 걸게 되는데, 콘덴서의 용량이 커질수록 크로스오버 포인트가 낮아진다.가장 쉬운 방법의 1차 네트워크가 바로 우퍼의 (+)쪽에 직렬로 코일 하나, 트위터의 (+)쪽에 직렬로 콘덴서 하나를 걸고 트위터와 우퍼의 제조시 음압 특성차에 따라 저항으로 서로간의 음압차를 조절하는 것이다. 1차 필터는 단순하기 때문에 초보자나 쓰는 필터가 아닌가 하고 의문을 가질 수 있지만, 실제로 유명한 하이엔드 스피커들을 살펴보면 의외로 1차 필터를 사용한 예를 많이 볼 수 있다. 홈오디오에서 보체디비나사의 소프라노 스피커가 상당히 고가의 제품임에도 설계자의 강한 개성이 돋보이는 제품으로 코일 한 개, 콘덴서한 개의 1차 필터로 구성하였지만 사용자의 좋은 평가를 받고 있는 것을 보면 복잡한 필터를 구사하였다고 좋은 스피커다 하는 등식은성립하지 않는다.물론 코일이나 콘덴서에도 품질의 차이가 있지만 대체로 저역용 우퍼에는 코일의 직경이 크고 동선의 순도가 높은 공심 코일이 좋은 결과가 나타나고 고역의 콘덴서는 MKP급 필름 콘덴서면 적당하리라 본다. 처음부터 복잡한 계산에 의해 필터를 구성하지 않고 콘덴서, 코일 두 가지만 갖고 청감상으로 크로스오버를 구성해 나가는 것도자작의 한 방편이 될 수 있다.

1차 필터(버터워스)의 구성
가장 쉬운 1차 네트워크의 부품 수치를 구하는 방법은 다음과 같다.
1=159,000/(트위터 임피던스×크로스오버 주파수)L1=우퍼임피던스/(6.28×크로스오버 주파수)1차 필터는 옥타브당 6㏈의 감쇠율을 가지며 완만하게 꺾여져 내려간다. 급격하게 꺾이는 것만이 좋은 것은 아니며 1차 필터도 경우에 따라 많은 장점이 있다. 여기서 주의 깊게 보아야 할 점은 코일의 값이다. 우퍼의 특성에 따라 주파수가 올라갈수록 임피던스
가 상승하는 것이 일반적이므로 실제 계산에서 나타난 값보다 크게 해야 할 경우가 많다. 그러므로 청감상 튜닝을 위해서는 코일의 수치를 공식보다 약 두 배 정도 크게 한 다음 단계별로 줄여가면서 가장 좋은 음질을 선택하는 것이 좋다.

네트워크 필터의 종류

설명을 위해 순서가 바뀐 듯하지만 크로스오버 네트워크를 구성하는 기본적인 필터를 보면 크게 버터워스(Butterworth),체비쉐프(Cheby-shev), 베셀(Bessel), 링크위츠릴리(Linkwitz-Riley) 필터로 크게 나뉜다. 감쇠 곡선의 기울기의 크기로 보면 체비쉐프>버터워스>베셀>링크위츠릴리 순으로 크로스오버의 기울기가 완만해지는것이 일반적이다. 다만 기울기가 급격하게 감소한다고 해서 좋은 것만은 아니다.기울기가 급할수록 크로스오버 포인트 직전에 피크가 생길 확률이 높다는 것이다.
실제로 체비쉐프 필터를 잘 안 쓰는 이유도 크로스오버 경사는 급하게 감쇠시키지만 피크가 존재한다.스피커 자작에 경험이 많은 분들은 네트워크 필터 공식이 정확하게 작동하지 않는다는 것을 잘 알고 있을 것이다.
이 공식은 다만 참고로 할 뿐이지 그 후에 튜닝의 몫은 분명히 사용자에 있다는 점을 명심해야 한다. 본인에게 잘 맞는 소리가 최적의 소리이니까.

2차 필터(버터워스)의 구성

2차 필터에서도 마찬가지로 우퍼의 코일은 계산치보다 높게 잡는 것이 좋다.자작으로 스피커를 제작하는 이들의 대다수가 필터 계산에 의해 만든 네트워크를 과신하는 경향이 너무 많다. 이는 대단히 잘못된 방법이다. 스피커만큼 가변 요소가 많은 제품은 많지가 않다. 결국 전문적인 스피커 제조 업체처럼 측정 장비를 통해 정확한 크로스오버 포인트를 확인할 방법은 없지만, 결국은 자신을 위한 자작이니만큼 인간이 가진 최대의 측정 장비인 청력을 동원한 크로스오버 네트워크 제작 또한 의미 있는 일일 것이다

이제, 크로스오버 네트워크에 대해서 살펴보자.

먼저 소개한 2차까지의 필터를 가지고 제작해 보신 분들 중 원하는 결과가 나오지 않은 경우도 더러 있을 것이다.
네트워크에 사용되는 필터는 전자 공학적 입장에서 보면 매우 단순하고 기본적인 필터 이론일 뿐이다. 그러나 쉽게 성공하지 못하고 실패하는 이유는 앰프에 사용된 회로나 여타 회로에 적용하는 필터는 회로에 부가되어 저항(Resistance)이 고정된 상태로 언제나 같은 결과를 도출해내지만, 실제로 스피커에서는 재생하는 주파수에 따라 항상 임피던스가 변하므로 크로스오버 포인트를 설정하는 데는 필터 이론보다는 경험적인 감각이나 끊임없는 시행 착오의 노력이 필요하기 때문이다. 스피커의 네트워크는 그 결과치가 전자적인 스펙이 아니라 매우 민감한 청감상의 음색이나 밸런스 등으로 표현되므로 최적의 결과는 제작자마다 다를 수도 있고, 스피커 엔지니어의 입장에서 본다면 어느 부분을 집중적으로 튜닝을 할지, 어느 선에서 타협을 해야 할지를 쉽게 결정하지 못하는 고민거
리가 된다.

크로스오버 포인트의 설정

목표로 삼고 있는 스피커 유닛에 관하여 충분한 자료를 모은 후 각각의 유닛의 특성과 주파수 반응 곡선을 참조하여 재생 대역에서 특이하게 발생하는 공진이나 불필요한 피크 등을 제거할 수 있게 크로스오버 포인트를 설정하여야 한다.
스피커 제작시 원하는 크로스오버 포인트를 먼저 설정하는 것이 아니라 유닛을 선정한 다음 유닛에 최적인 인클로우저의 제작이 끝난후 여러 포인트의 크로스오버를 변형시켜가며 최종적으로 크로스오버 포인트를 결정하여야 한다. 특히 2 웨이의 네트워크에서 크로스오버 포인트는 매우 중요한 부분으로서, 유닛의 특성에 따라 가장 청감에 민감한성악 등 보컬의 질감이 확연히 달라질 수 있어서 근본적인 스피커의 개성을 좌우하
게 된다.

크로스오버 네트워크의 주안점

서로 다른 두 개의 유닛이 교차하는 크로스오버 포인트에서는 여러 가지 주의점이 필요하다. 필요 이상으로 일찍 감쇄하여 틈이 벌어진다거나, 중복되는 영역에서 합쳐진 피크를 철저하게 차단하고 상호간의 위상차(Phase Shift)가 발생하지 않거나, 180° 또는 360°의 위상차를 유도하여 한 유닛의 극성을 바꿈으로 간단히 해결할 수 있어야 한다. 또한 각 유닛의 공진점을 잘 관찰하여 효과적으로 차단할 수 있어야 하며, 두 유닛간의 음색 차이를 효과적으로 조절하여 중역대의 음색을 최대한 자연스럽게 표출시켜야 할 것이다. 기본적인 물리 이론을 통해 본다면 동일한 주파수를 두 개의 유닛이 증폭할 경우 6㏈ 정도의 음압이 상승한다. 만일 특별한 필터를 사용하지 않고 두 유닛을 중첩시켰다면 이론적으로 6㏈ 정도의 응답 피크(Response Peak)가 발생한다고볼 수 있다.
따라서 이러한 피크를 나타내지 않는 형태의 필터 연구가 진행되었으며, 현재 많이 사용되는 필터의 특성과 적용 범위를 이해하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 1차, 3차 등 홀수차의 필터에서는 90°의 극성차가 생기고 2차, 4차 등 짝수차 필터에서는 180°, 360°의 위상차가 발생하므로 간단히 한 유닛의 (+), (-) 극성을 반대로 연결하는등의 방법으로 해결할 수 있다. 그러나 이것도 이론적일 뿐이지 실제 장착된 유닛의 간격이나 보이스 코일의 위치 등 도사리는 변수는 여전히 많다고 할 수 있다.경험적으로 보면 2차 링크위츠릴리 필터가 부드러운 감쇄와 위상차의 안정면에서 권장할 만하다고 본다.