스피커의 원리를 알아보는 글 마지막입니다. 마지막 글은 스피커 인클로저에 대해 살펴봅니다. 그냥 스피커 박스라고도 하죠. 혹은 스피커 통이라고 할 수도 있을 것 같습니다. 보통 나무로 된, 스피커 유닛을 박아넣은 통 그것을 스피커 인클로저라고 합니다. 보통 스피커 인클로저가 어떤 역할을 한다고 생각하지는 않습니다. 그냥 스피커 유닛을 붙여놓을 무언가가 필요하다고 생각하기도 하고 예쁘게 만들기 위해서라고 생각하기도 하고 때로는 뭔가 대단한 유체역학적인 설계가 들어 있다고 생각하기도 합니다. 물론 스피커 인클로저의 설계는 기본적으로 유체역학에 근거합니다. 하지만 인클로저의 기본 설계는 매우 단순하면서도 재미있는 원리가 들어 있습니다.

스피커에 인클로저는 필요한가

일단 스피커 인클로저는 반드시 필요할까요? 당연히 필요합니다. 그 기능적인 부분을 제외하고 생각하더라도 인클로저는 필요합니다. 위의 스피커들을 보세요. 각자 취향은 다 다를테지만 모두 얼마나 멋지고 아름답습니까. 개인적으론 가장 오른쪽 B&W의 앵무조개 형상을 본딴 스피커가 아름다움에서는 최강이라고 생각합니다만 이건 어디까지나 개인적 취향들 중 하나겠죠. 개 개임적인 취향으로는 스피커 인클로저가 아무런 기능을 하지 않는다고 해도 유닛만 덩그러니 놓여 있는 것보다는 인클로저가 아름답게 구성되어 있는 것이 정말 좋지 않나 생각합니다. 

참고로 위 스피커들은 왼쪽부터 골드문트의 에필로그(6억원), 윌슨오디오의 WAMM(8억원), KEF의 블레이드(5천만원), 카르마의 이니그마 베이론(15억원), B&W의 노틸러스(8천만원)입니다. 솔직히 위 스피커들 중 KEF와 B&W의 제품은 하이엔드 스피커들이고 나머지는 럭셔리 제품이라고 볼 수 있습니다. 어떻게 무슨 이유로든 비싸게 만들고 파는 스피커죠. 가격을 크게 신경쓰지 않고 가성비 같은건 다른 세상의 개념인 사람들이라면 "제일 좋은 스피커는 뭐야? 제일 비싼 스피커로 사지 뭐" 라며 선택하게 되는 거죠. 솔직히 스피커가 억대가 넘는다면 소리만 내는게 아니라 공연의 모습을 홀로그램으로 보여주고 사운드를 통해 환각을 일으켜 사람을 다른 세계로 느끼게 해주고 강도가 들어오면 사운드로 실신시켜 경찰에 넘기고 외계인과의 우주전쟁에도 사용할 수 있어야 하지 않을까요? 왼쪽의 두 스피커는 그런거 할 수 있게 생기지 않았나요? 뭐 물론 가격이 가장 비싸다고 알려진 카르마의 스피커는 그냥 커다란 덩치만 자랑하는 것 같긴 합니다. 아... 세상에서 가장 비싼 스피커는 이런 스피커가 아닙니다. 정말 평이하고 후지게 생긴 금색 스피커가 있는데 그게 가장 비싼 스피커입니다. 왜냐면 그게 금색인 이유가 그냥 순금으로 만들었기 때문입니다. 집에서 흔히 쓸만한 크기의 작은 스피커도 금으로 만드니 수십억원 합니다. 그건 럭셔리 = 사치 = 돈지랄이라는 정의에 가장 잘 들어맞는 스피커겠죠. 그냥 도시 빈민의 푸념입니다.

스피커 인클로저는 일정한 기능을 가지고 있습니다. 그래서 스피커 인클로저가 대부분 존재하는 것입니다. 흔히 오픈 배플이라거나 평면형 스피커라고 해서 커다란 판에 구멍 뚫고 유닛을 몇개 박아넣는 스피커도 존재합니다. 솔직히 말하자면 그렇게 오픈 배플을 해서 만드는 스피커의 장점은 없습니다. 그냥 만들기 편하거나 혹은 디자인적인 멋을 추구한 거죠. 

이렇게 생긴 것들을 평면 스피커 혹은 오픈 배플 스피커라고 부릅니다. 그런데 이런 오픈 배플의 경우 가장 기본적인 스피커 인클로저의 역할을 무시한 것이기도 합니다. 스피커의 인클로저는 스피커 유닛의 운동에 따른 유닛의 전면과 후면의 사운드 또는 공기의 흐름을 차단하는 역할을 합니다. 이건 정말 간단한 이유인데 스피커 유닛이 전면으로 나온다고 합시다. 스피커 유닛은 전후로 진동하기 때문에 소리를 만들어내는 것이라고 설명했습니다. 이때 스피커 유닛이 앞으로 나온다고 합시다. 그러면 스피커 유닛 바로 앞의 공기가 눌리면서 공기의 밀도가 높아집니다. 즉 기압이 높아진다고 했죠. 그런데 반대로 스피커 유닛 뒤쪽은 어떨까요? 뒤쪽에선 유닛이 앞쪽으로 가버리기 때문에 공기의 밀도가 낮아집니다. 기압이 떨어지는 거죠. 즉 스피커 유닛이 전면으로 운동할 경우 유닛의 앞쪽은 기압이 높아지고 유닛의 뒤쪽은 기압이 낮아집니다. 따라서 앞쪽 공기가 뒤쪽으로 쉽게 이동하는 현상이 발생할 수 있습니다. 

위는 스피커의 우퍼 유닛입니다. 왼쪽 첫 사진을 보면 스피커 유닛의 뒤쪽을 보여줍니다. 여기에는 진동판이 그대로 노출되어 있습니다. 즉 전면에 보이는 진동판의 뒷면이 그대로 노출되어 있는 겁니다. 결국 스피커 유닛은 앞면으로도 소리를 낼 뿐만 아니라 뒷면으로도 소리를 냅니다. 가운데와 오른쪽의 그림은 스피커 유닛의 진동판이 운동할 때 주변의 공기들이 어떤 양상을 보일지 나타낸 것입니다. 진동판이 앞으로 나오면 공기는 진동판의 가장자리에 있는 공기들은 뒤쪽으로 이동합니다. 그리고 진동판이 뒤로 후진할 때라면 진동판 뒷면의 공기가 앞쪽으로 이동하게 됩니다. 이건 너무나 뻔한 일이죠. 이건 사실 파동이 서로 만나 상쇄간섭하는 것과 같습니다. 음압이 크게 떨어질 수 있고 확산성에 치명적일 수 있습니다.

사실은 그래서 나무판에 구멍 뚫어 유닛을 달아놓는 평면, 오픈 배플 스피커라고 하더라도 그 배플(판떼기)의 크기를 넓게 하는 경우가 많습니다. 위 오픈 배플 스피커들의 사진들 중 가장 왼쪽의 스피커를 보면 판이 매우 넓은 걸 볼 수 있습니다. 그렇게 하면 유닛 전면에서 만들어진 공기 밀도의 변화가 유닛 후면에서 만들어진 공기밀도의 변화와 쉽게 만나기 어렵습니다. 결국 오픈 배플이라는 것은 독특한 모양새를 만들기 위한 과도한 디자인이거나 혹은 박스를 만들기 귀찮은 초보 자작인들의 특이한 시도 정도입니다. 이것이 일단 스피커에 인클로저가 필요한 첫번째 이유입니다.

스피커 포트의 원리

스피커에는 통상 포트라는 것이 존재합니다. 포트가 없는 스피커도 많습니다. 다만 현대 스피커들은 점점 포트가 있는 형태로 변화되고 있고 그래서 대부분의 스피커들은 포트를 가지고 있습니다. 이런 포트가 없는 스피커를 밀폐형이라 부르는데 현재 시판되는 하이엔드 스피커에도 밀폐형의 제법 있습니다. 스피커에서 포트를 쓰느냐 쓰지 않느냐는 선택사항입니다. 각각의 사운드적 장단점이 있죠. 다만 대세는 포트형이라고 할 수 있습니다.

포트는 위 사진에서 보는 것처럼 스피커 인클로저 어딘가에 구멍이 뚫려 있고 그 안으로 긴다란 관이 설치되어 있는 형태입니다. 이 포트는 전면에 위치하기도 하고 후면에 위치하기도 합니다. 통상적으로는 뒷쪽에 포트를 위치시키곤 합니다. 그리고 이 인클로저에 구멍 뚫고 관을 하나 박아넣는 것을 베이스 리플렉스 방식이라고 합니다. 이는 저음의 강화와 저음역대의 확장을 위한 것입니다. 그리고 여기에는 꽤 재미있는 원리가 들어 있습니다. 

포트의 원리를 이해하기 위해 일단 대역별 응답 그래프를 살펴봅시다. 위에서 왼쪽은 어떤 스피커의 응답특성을 나타낸 것입니다. 그리고 오른쪽은 어떤 우퍼의 응답특성을 나타낸 것입니다. 이 그래프는 가로축이 음높이를 나타냅니다. 그래서 10헬츠에서 2만 또는 3만헬츠까지 표시되어 있습니다. 세로축은 음의 세기 즉 데시벨을 표시한 것입니다.

이런 측정을 할 때는 모든 대역에 걸쳐 동일한 신호를 보내줍니다. 전기로 생각을 하면 2 볼트의 전기를 넣어주면서 테스트합니다. 즉 10헬츠의 신호를 2볼트 넣어주고 100헬츠에도 200헬츠에도 1천헬츠에도 5천헬츠에도 모두 2볼트를 흘려보내며 테스트를 합니다. 물론 하나하나 하는게 아니라 낮은음에서 시작해서 높은음으로 이행하는 방식을 사용합니다. 간단하게 말해서 10헬츠에서 2만헬츠까지 모든 대역으로 동일한 세기의 전기신호를 보내주는 것입니다. 그리고 나서 스피커가 각 주파수 대역별로 얼마나 큰 소리를 만들어내는지 측정합니다. 정말 좋은 스피커라면 동일한 세기의 전기신호를 보내줬으니 출력되어 나오는 소리의 크기도 모두 동일해야 합니다. 물론 세상에 그런 스피커는 존재하지 않죠.

위 그래프에서 눈여겨 볼 것은 왼쪽 그래프의 파란색 선과 오른쪽 그래프의 진한 검은 선입니다. 이 두가지가 바로 우퍼의 응답을 나타내는 것입니다. 왼쪽과 오른쪽의 그래프가 비슷해보이지는 않습니다. 하지만 100~2000 헬츠 사이에서 응답이 계속 비슷하게 나온다는 것을 볼 수 있습니다. 요 대역에서는 우퍼들이 입력받은 것과 상당히 비슷한 소리크기를 보여준다고 할 수 있습니다. 이런걸 평탄하다고 하는데 그래프가 평평하게 나온다는 의미입니다. 원래 입력이 평평하게 각 대역별로 동일한 크기의 신호를 넣어줬으니 출력도 평평하게 나와야 하기 때문에 평탄성이 좋다는 건 스피커나 그 유닛이 잘 작동되고 좋다는 의미이기도 합니다. 

 위의 그래프들을 살펴봅시다. 이는 서로 다른 네개의 스피커들의 응답특성을 나타낸 그래프입니다. 모두 파란색 선이 우퍼에서 나오는 소리의 크기를 나타낸 것입니다. 제가 여기에 오렌지색 동그라미를 넣었는데 왼쪽 세개에는 오렌지색 동그라미가 있습니다. 보면 엇비슷한 주파수에 오렌지색 동그라미를 그렸는데 파란색 선을 보면 특이합니다. 계곡이 형성되어 있죠. 즉 이 대역에서는 소리가 아주 작게 났다는 것을 의미합니다. 즉 100 헬츠에서부터 주파수가 낮아지면서 소리 크기도 작아지는 현상이 발생하는데, 어느 주파수(오렌지색으로 표시된 부분)에 이르면 소리가 무척 작아졌다가 그보다 낮은 주파수가 되면 소리가 또 커집니다. 좀 이상하죠? 

이 이상한 현상은 오른쪽 끝의 그래프를 보면 보이지 않습니다. 그리고 윗 그래프중 오른쪽 그래프를 보면 또 그 계곡이 발견되지 않습니다. 그 이유는 뭘까요? 아래 그래프들 중 가장 오른쪽의 그래프는 밀폐형 스피커의 응답을 나타낸 것이고, 위 그래프 두개 중 오른쪽 그래프는 유닛 자체만 무한 배플상태에서 측정한 것이기 때문입니다. 즉 이 두가지는 포트가 없는 상태라는 뜻입니다. 그리고 포트의 좀 신기한 원리는 바로 여기에서 발견됩니다.

위 그림은 포트가 있는 경우 어떤 일이 벌어지는지를 그려본 것입니다. 먼저 왼쪽 그림을 보면 우퍼유닛과 포트가 표시되어 있는 것이 보입니다. 포트형, 베이스 리플렉스형 스피커의 구조는 저 그림과 같습니다. 우퍼 유닛이 있고 인클로저(박스, 통)로 막혀 있고 한쪽에 포트라는 관이 박혀 있어서 바깥으로 구멍이 뚫려 있습니다. 

그러면 이 우퍼 유닛이 전후 운동을 한다고 합시다. 전후운동을 할 때 보통은 별다른 문제 없이 잘 움직입니다. 그런데 어느 특정 대역이 되면 스피커 인클로저 내부 공간의 공기 밀도와 스피커 유닛의 움직임이 서로 충돌하게 됩니다. 가운데 그림을 보면 우퍼 유닛이 앞으로 나가려고 하는 순간을 그린 것입니다. 그런데 이때 스피커 인클로저 내부의 공기 밀도가 최대로 낮아진 순간입니다. 그러면 우퍼 유닛은 앞으로 나가려고 하지만 그러면 스피커 내부 밀도가 더 낮아지는 상황이 되기 때문에 유닛은 앞으로 나가기 어려워집니다. 반면 이번엔 유닛이 뒤로 가려고 한다고 합시다. 가장 오른쪽에 그려진 그림이 그 상황입니다. 그런데 이제는 밀도가 높아져 있습니다. 스피커 유닛은 뒤로 가려고 하는데 위는 밀도가 높아서 스피커 유닛을 오히려 밀고자 합니다. 그러면 어떻게 될까요? 스피커 유닛은 원래 움직이던 것 보다 훨씬 조금 밖에는 움직이지 못합니다. 그러면 유닛이 조금밖에 움직이지 못하면, 즉 진동폭이 줄어들면 어떻게 될까요? 소리가 아주 작게 나게 마련이죠.

일정 대역에서 스피커의 유닛이 전후운동을 하는데 있어서 스피커 인클로저 내부의 압력 변화에 방해받아서 잘 움직이지 못하는 상태가 되고 그 상태라면 유닛 앞으로 소리를 크게 내보내지 못하게 되는 순간이 존재합니다. 그리고 그것이 바로 위 그래프들에서 제가 오렌지색으로 동그라미를 그려놓은 바로 그 순간인 것입니다. 이런 현상이 몇 헬츠에서 일어나는지는 스피커 인클로저 내부의 부피와 포트 관 내부의 부피에 의해 결정되는데 아무튼 그런 대역이 어디엔가는 발생하게 됩니다.

이는 포트에 대해서도 동일하게 작동됩니다. 그래서 이를 용수철 같은 것이라 생각할 수 있습니다. 이중의 용수철인 셈입니다. 우퍼 유닛의 전후운동은 인클로저 내부의 공기 밀도를 더 낮거나 더 높게 만들어줍니다. 가운데 그림의 경우 인클로저 내부의 공기 밀도가 낮음에도 불구하고 유닛은 앞으로 나가려고 합니다. 따라서 인클로저 내부의 공기 밀도는 최대로 낮아집니다. 또 오른쪽 그림을 보면 인클로저 내부의 공기 밀도가 높은데도 불구하고 유닛이 뒤로 들어오려고 합니다. 인클로저 내부의 공기 밀도가 최대로 높아지는 것이죠. 이렇게 되면 인클로저 내부가 해당 대역에서 최대나 최저의 공기 밀도를 가지게 되고 그 결과 평상시보다 훨씬 큰 압력이 포트에 가해집니다. 그리고 포트 내부의 공기도 들어오거나 나갈 때마다 최대로 압축되거나 최대로 희박해진 상태가 되기 때문에 포트에서는 해당 대역의 소리가 아주 크게 발생합니다. 

이제 포트가 있는 일반적인 스피커의 응답 그래프와 우퍼 유닛을 무한 배플에서 측정한 그래프 두가지를 다시 살펴봅시다. 왼쪽 그래프에서 녹색 곡선은 트위터에서 만들어진 소리의 음압(소리크기)를 나타낸 것입니다. 파란색은 우퍼 유닛이고 빨간 색은 포트입니다. 살펴보면 파란색(우퍼) 곡선이 55 헬츠 정도에서 깊게 응답이 떨어지면서 골짜기가 형성된 것을 볼 수 있습니다. 위 그림에서 설명한 그 현상이 이 스피커에서는 55헬츠에서 발생한 것입니다. 그래서 우퍼의 앞에서 측정을 하니 저렇게 음압이 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 저 대역에서 우퍼 유닛이 전후운동을 잘 못하게 되었다는 것을 의미합니다. 그런데 빨간 그래프를 봅시다. 빨간 그래프의 가장 높은 지점은 역시 동일하게 55 헬츠 부근입니다. 위에서 설명했던 바와 같이 유닛이 잘 못움직이는 와중 인클로저와 포트에 밀도가 가장 높거나 가장 낮은 현상이 일어나면서 포트로는 가장 큰 소리가 만들어진 것입니다. 

오른쪽 그래프를 봅시다. 저 그래프는 오픈 배플이고 무한 배플로 만들어진 상태에서 측정된 것입니다. 어떻게 하느냐면 벽에 구멍을 뚫고 유닛을 장착한 뒤 전면에서 나오는 소리만 측정해 그린 것이라고 보면 됩니다. 그러면 인클로저, 포트의 영향이 없기 때문에 100헬츠 이후 완만하게 응답이 약해지는 것을 볼 수 있습니다(진한 검은색 선을 말하는 것입니다). 그런데 여기서 회색 선을 하나 살펴봅시다. 진한 검은색 선과 비슷한 선 말고 혼자 다른 모양을 하고 있는 선을 볼 수 있습니다. 이 선은 저 유닛에서는 40헬츠 정도에서 최고점을 찍고 양쪽으로 낮아지는 모습을 보입니다. 이것은 유닛의 임피던스를 측정한 것입니다. 임피던스는 유닛의 저항값이라고 할 수 있는데 대역별로 이 저항값이 변동됩니다. 그것을 임피던스라 합니다. 스피커 유닛의 저항값이 대역별로 다른 이유는 스피커 유닛이라는 물건이 그냥 전선이나 도선이 아니라 코일 형태를 취하기 때문이고 이를 통해 영구자석과 영향을 주고 받기 때문입니다. 

그리고 이 공진주파수에서는 스피커 유닛이 만드는 소리의 품질이 매우 떨어집니다. 스피커에서 저렇게 임피던스가 높아지는 지점은 모두 음질이 좋지 못한 부분이라고 보면 됩니다. 그러면 어떻게 해야 할까요? 간단합니다. 이 대역에서는 소리가 거의 나지 않도록, 즉 유닛이 전전후운동을 별로 하지 않도록 하는 겁니다. 그렇게 되면 음질의 저하를 막을 수 있을 것입니다. 그리고 바로 이 대역을 포트가 담당하도록 만드는 것이죠. 위 그래프에서 왼쪽과 오른쪽은 서로 다른 우퍼의 결과입니다. 왼쪽 그래프에서 보면 55 헬츠 정도에 우퍼의 응답이 매우 낮아졌고 포트의 응답이 최대가 되는 것을 볼 수 있는데, 오른쪽 우퍼 유닛을 사용하는 스피커라면 40헬츠 정도에 우퍼 응답이 낮게 나오고 포트 응답이 최대가 되도록 설계하면 될 것입니다.  

꽤 오래전에 본 것인데 국내 스피커 제작자 중 한분이 이에 대한 글을 올렸었습니다. 포트를 설계한 음역대가 되면 우퍼에서는 거의 소리가 안나오고 가만히 있는 것 같아 보이는데 신기하게도 포트에서는 엄청 큰 소리가 나온다고 말이죠. 그분이 스피커의 원리를 몰라서 그런 말을 했던 것은 아닐 겁니다. 다만 그런 이론적인 작용이 실제로 일어나고 이를 통해 포트로부터 일정 대역의 매우 강한 소리가 나온다는 현실의 결과가 신기하게 느껴졌던 거죠. 

혹시 위 그림과 같은 실험을 본적이 있으세요? 가운데가 뻥 뚫린 호일 내부로 자석을 떨어뜨립니다. 그러면 자석은 호일통 가운데를 지나 아래로 떨어질 겁니다. 그런데 이상한 건 호일통의 길이를 생각하면 대략 0.5초면 자석이 호일통 아래로 나올텐데 대략 2~3초가 지나야 자석이 호일통 아래로 나옵니다. 대체 무슨 일일까요? 마술처럼 보입니다. 하지만 실제로는 전자기학의 매우 단순한 결과입니다. 호일은 여러겹으로 만들어진 도체입니다. 그런데 자석이 이 속으로 떨어지면 호일에는 자기선속의 변화가 생깁니다. 자기선속의 변화는 호일에 전류를 발생시킵니다. 그런데 그 전류는 자석이 내려가는 방향과 반대로 자기장을 형성시키려 합니다. 즉 자석을 호일통 안으로 떨어뜨리는 것만으로도 호일에는 유도 기전력이 발생하고 그 유도기전력에 의해 발생하는 자기장이 자석의 낙하를 방해하는 방향으로 만들어지기 때문입니다. 그래서 자석은 예상보다 훨씬 느리게 아래로 나옵니다. 정말 신기해 보이는 일이지만 어쩌면 세상의 참 흔하고 평이한 일들의 이면에는 모두 그런 신기한 원리들이 작동되고 있지 않나 싶습니다.

여기까지 스피커에 대한 원리적 측면을 모두 마칩니다. 별 재미가 없게 느끼실 분들도 많을텐데 저로서는 참 재미있고 신기하다 느꼈던 것들을 나눠봤습니다. 재미있게 보셨기를 바랍니다.