스피커 자작이라고 하면 사람들이 생각하게 되는 것은 대략 이렇습니다. 첫째 상대적으로 저렴한 비용으로 좋은 스피커를 가질 수 있겠구나라는 것입니다. 둘째는 상대적으로 저렴한 것은 아니더라도 아주 멋진 외관을 가진 자신이 원하는 모습의 스피커를 만들 수 있겠구나 하는 생각입니다. 그리고 마지막으로 그리 저렴하지는 않고 외관도 사실 자신의 꿈의 모습은 아닐지라도 소리만큼은 자신이 꿈꾸는 그 어떤 것으로 만들 수 있을 것이라고 생각합니다. 위 세가지 생각 각각을 적어나가고 있는데 이번 편은 그 세번째로 '소리'라는 것을 생각해볼 때인 것 같습니다.

네트워크 튜닝의 어려움

스피커는 대략 세가지 부속으로 구성됩니다. 첫째 스피커 드라이버 유닛, 둘째 스피커 인클로저, 세째 네트워크입니다. 여기서 사실 스피커의 소리를 결정하는 가장 큰 부분은 네트워크 라고 할 수 있습니다. 이 네트워크가 엉망이면 한조에 400만원하는 다이아몬드 트위터를 때려박고 한조에 400만원하는 우퍼를 때려박고 주문제작으로 백만원이 넘는 인클로저를 구비한다 해도 쓰레기 같은 소리가 나올 것입니다. 반면 한조에 30달러하는 트위터에 또 한조에 40달러짜리 우퍼를 넣어서 MDF 직육면체 통에 체결한다 하더라도 네트워크만 제대로 잘 만들어진다면 수준급의 소리를 내줄 수도 있습니다. 솔직하게 말하면 이렇게 저렴한 유닛을 사용해도 네트워크만 제대로 만들어진다면 시중 입문기급 스피커를 발라버릴 수준이 됩니다. 

다만 네트워크를 제대로 튜닝한다는게 일단 노가다에 해당되고 또 극단적으로 어려운 측면이 있다는 문제가 있습니다. 먼저 네트워크는 이전에 말했던 바와 같이 콘덴서, 코일, 저항 세가지 정도로 구성됩니다. 그리고 차수를 따지자면 1차, 2차, 3차, 4차, 6차 정도로 존재하는데 통상 1~4차를 씁니다.

위는 네트워크 회로도입니다. 왼쪽부터 1차 2차 3차 4차입니다. 왼쪽 첫번째를 보면 트위터에 콘덴서 하나 달려 있고 우퍼에는 코일 하나가 달려 있는 것이 보입니다. 두번째를 보면 트위터에 콘덴서가 직렬로 연결되고 코일이 병렬로 연결되며 우퍼에는 코일이 직렬로 연결되고 콘덴서가 병렬로 연결된 것이 보입니다. 인터넷에는 이런 네트워크를 어떻게 구성해야 하고 각각의 소자는 어떤 용량의 것을 써야 하는지 알려주는 계산기도 있습니다. 계산기는 아주 단순합니다. 트위터와 우퍼의 임피던스를 적어주고 크로스오버가 될 주파수를 적어줍니다. 그리고 1~4차 중 하나를 선택해주면 됩니다. 여기에도 버터워스 방식인지 링크비츠-라일 방식인지 등을 선택해주면 됩니다. 그러면 위와 같은 그림이 그려지며 각 소자의 용량은 어떻게 해야 되는지 저절로 나옵니다.

여기서 1차 네트워크에서 4차 네트워크로 올라가면 올라갈수록 크로스오버 지점에서 트위터와 우퍼의 겹쳐지는 수준이 달라집니다. 1차 네트워크를 하게 되면 크로스오버 포인트를 기준으로 1옥타브당 6데시벨이 약해집니다. 아래 그래프에서 보면 차수에 따른 결과가 보여집니다. 이 그래프는 세로축은 음압(소리크기)이고 가로축은 주파수입니다. 파란색 선은 우퍼의 읍압 응답을 나타낸 것이고 빨간색 선은 트위터의 음압 응답을 나타낸 것입니다. 먼저 1차 네트워크를 걸면 우퍼의 응답이 일정 부분부터 그 응답이 약해지는 것을 볼 수 있습니다. 이 기울기가 1옥타브당 6데시벨이 약해지는 수준으로 약해집니다. 원래 이 그래프가 직선이었다면 거기에 1차 네트워크를 걸면 그렇게 된다는 거죠.

여기에 2차를 걸면 1옥타브당 12 데시벨이 감소합니다. 6데시벨이 줄어드는 지점을 따지자면 0.5 옥타브 지점에서 우퍼의 음압 곡선과 트위터의 음압곡선이 만나게 되겠죠. 왜 6데시벨이냐면 두 소리가 위상차 없이 만나게 되면 6데시벨의 음압이 증가하기 때문입니다. 결국 6데시벨 낮은 곳에서 우퍼와 트위터의 소리크기가 교차하게 되면 결과적으로 합쳐진 소리는 음압이 6데시벨 높아지게 되고 두 유닛에 의해 만들어지는 최종적 음압 곡선은 평탄해진다는 것입니다.

이때 1차의 경우 1옥타브당 6데시벨 음압의 감소가 일어나고 2차의 경우에는 1옥타브당 12데시벨, 3차는 18데시벨, 4차는 24 데시벨로 음압이 낮아집니다. 그리고 아래 그래프에서 쉽게 확인할 수 있는 일이지만 차수가 높아지면 높아질수록 트위터와 우퍼가 함께 담당하는, 즉 서로의 소리가 겹치는 구간이 줄어듭니다. 그러면 그 결과는 어떨까요? 여기에는 장점과 단점이 있습니다. 1차와 2차를 저차 네트워크라고 부르고 3차나 4차 네트워크를 고차 네트워크라 부릅니다. 이때 저차 네트워크를 쓰면 소리가 자연스럽다고 합니다. 그 이유는 트위터와 우퍼의 소리가 겹쳐지는 부분이 많기 때문에 어느 쪽으로 소리가 나는지 두루뭉수리하게 넘어간다는 것입니다. 그래서 자연스럽다고 합니다. 반면 소리를 내는 범위가 많이 겹쳐지면 겹쳐질수록 소리가 흐리멍텅한 쪽에 가까워질 가능성이 있습니다. 반면 고차 네트워크를  쓰게 되면 이렇게 겹쳐지는 부분이 줄어듭니다. 가령 1차 네트워크에서 겹치는 구간이 대략 1옥타브였다면 4차 네트워크라면 대략 1/4 옥타브 밖에는 안되는 거죠. 그러면 트위터와 우퍼가 함께 소리내는 구간이 줄어들기 때문에 소리가 훨씬 명료해질 수가 있습니다. 반면 소리가 자연스럽지 않다는 느낌이 들 수 있습니다. 왜냐면 피아노 연주를 듣는데 솔을 치고 그 위 도를 쳤는데 솔은 우퍼에서만 나오고 도는 트위터에서 나오는 식이니 소리가 자연스럽지 않을 수 있다는 것입니다.

문제는 그렇게 해서 나온 용량을 적용해서 네트워크를 구성했을 때 적당한 소리가 나올 가능성은 10%도 안되고 좋은 소리가 나올 확률은 1%도 안된다는 사실입니다. 이때부터 노가다가 시작됩니다. 이것은 1차에서 4차까지 차수들을 다 사용해봐야 하는 것이고 그 각각에 있어서 소자의 용량을 조금씩 변경시켜가며 변화를 살펴봐야 한다는 것입니다.

위 그림은 1차 네트워크의 소자값이 표시되어 있습니다. 일단 1차를 한다면 저 수치와 거의 같은 소자를 연결해보게 됩니다. 하지만 소리는 당연히 엉망입니다. 그러면 저 소자들의 수치를 바꿔가며 그 변화를 확인해야 합니다. 이 경우에는 콘덴서의 수치는 5~6가지 정도 수치로 써보게 될 거고 코일도 대략 5~6개의 수치를 적용해봐야 할 것입니다. 그러면 크로스오버 포인트가 조금씩 달라지기도 하고 소리도 달라집니다. 이건 1차 네트워크고 콘덴서와 코일에 각각 5~6가지 경우의 수가 생기는데, 그러면 또 대략 20~30가지 경우를 일일히 확인해봐야 한다는 것입니다. 

만약 이걸 2차, 3차, 4차로 바꾼다면 어떨까요? 여기엔 소자들의 크기가 커지거나 줄어들 때 어떤 효과가 나오는가에 대한 이론적 이해가 선행되어야 합니다. 딱히 어려운 것도 아니고 일단 그 경우의 수를 줄여주는데 크게 일조합니다. 하지만 고차 네트워크를 사용한다면 정말 수백번 소자의 수치를 바꿔가며 확인하게 됩니다. 정말 노가다죠.

이런 말도 안되는 노가다가 발생하는 것에는 충분히 이유가 있습니다. 아래 그래프를 보면 왼쪽은 트위터의 음압 곡선이고 오른쪽은 우퍼의 응답 곡선입니다. 트위터는 한조에 80만원, 우퍼는 한조에 70만원하는 사실상 최고급 유닛들입니다. 이보다 더 비싼 럭셔리 유닛이라고 해도 곡선은 아래보다 나을 것 없습니다. 살펴보면 왼쪽 트위터는 대략 2500헬츠 이하는 사용하지 않을 구간이지만 그 위쪽 구간은 평탄해야 할텐데 그다지 평탄하지는 않다는 느낌이 듭니다. 오른쪽 우퍼의 경우에는 2500 헬츠 이상은 사용하지 않을텐데 그 윗 구간 중 4천헬츠에서 6천헬츠 구간에서 엄청난 피크가 존재합니다. 저 부분은 네트워크로 깍아버려야 하는 부분이지만 피크가 너무 커서 문제일 수 있습니다. 

사실 문제는 이 뿐만 아니라 어떤 소자가 됐든 그 소자 자체가 저항을 가지고 있고 다른 효과들이 나타난다는 문제도 있습니다. 아니 좀 더 사실적으로 말하자면 1000 헬츠 부근에서 정말 이해가 안되게 대단한 피크가 만들어질 수도 있습니다. 이 부분은 말 그대로 노가다가 필요한 시간입니다. 여기서는 경험도 큰 도움이 안됩니다. 처음 사용해보는 유닛 두어가지를 가지고 스피커를 만들게 된다면 그 결과가 어떻게 나올지는 이론적으로 알 수 없으며 좋은 결과를 얻기 위해서는 말 그대로 노가다를 해야만 합니다. 지루한 일입니다.

측정의 어려움

측정은 스피커를 만드는 과정에서 당연히 하게 되는 것입니다. 위에서 네트워크를 구성하고 소자를 바꾸는 과정에서 측정은 반드시 동반됩니다. 뭐 20년 전에 국내 어느 스피커 제조사가 "기계보다 정확한 귀가 있기 때문에"라는 말을 하면서 자신들은 측정을 하지 않는다고 말하기도 했습니다만, 그건 정말 최악의 사례일 것입니다. 그 업체는 지금도 존재하고 있는데 설마 지금까지 그러진 않겠죠. 일단 측정의 목적은 대역별 응답이 얼마나 되는지 확인하는 것이고 그 평탄성을 높이기 위해서입니다. 대역별로 보았을 때 어느 부분이 피크가 있고 어느 부분이 딥이 있다면 네트워크를 변경시키면서 이 문제를 개선해나갈 수 있습니다. 그렇게 조금씩 변경해가며 계속 측정을 하게 됩니다. 그리고 측정 프로그램은 인터넷에 올라와 있는 무료 프로그램을 사용해도 아무 문제가 없고 측정용 마이크도 10~30만원 정도면 충분합니다. 그런데 이 측정의 문제는 사실상 거의 불가능한 수준의 난관이기도 합니다.

위 그래프는 어느 스피커를 스테레오파일이라는 오디오잡지에서 측정한 것입니다. 왼쪽의 그래프는 트위터, 우퍼, 포트 각각을 측정한 것이고 오른쪽 그래프는 이 셋이 합쳐진 것을 그린 것입니다. 오른쪽 그래프를 보면 ± 3dB 오차 범위 내에서 28Hz~20,000Hz의 대역을 재생해준다고 할 수 있습니다. 왼쪽 그래프를 보면 녹색 부분은 포트에서 소리가 나오는 것을 그린 것이고 파란색은 우퍼 빨간색은 트위터입니다. 즉 우퍼와 트위터 두개로 구성된 스피커인데 저역 확장성이 엄청나다는 느낌이 듭니다. 북쉘프 스피커로 이런 정도의 저역 확장성은 놀라운 것도 사실입니다.

그런데 위 그래프에서 보여지는 측정 결과는 '무향실'에서 측정된 것이라는 사실이 중요합니다. 무향실이란 소리가 났을 때 그 소리가 울리지 않는 곳이라는 의미입니다. 보통의 실내에서 소리를 낸다면 만들어진 소리는 벽에 부딪히고 다시 돌아옵니다. 그게 당연한 일입니다. 무향실이란 그런식으로 소리가 돌아오지 않고 그냥 소멸된다는 것입니다. 가령 녹음실 같은 곳도 약간은 이런 장치를 해놓습니다. 그래서 일반적인 공간에서 말을 할 때와 녹음실에 들어가 말을 할 때는 느낌이 완전히 다릅니다. 공간에 퍼지고 되돌아오는 성향이 완전히 다르기 때문입니다. 

일반적인 공간에서 측정을 하게 되면 위에서 그려진 그래프의 측정공간과는 전혀 다르기 때문에 위의 스피커를 가져다 측정을 한다고 하더라도 위와 같은 그래프가 절대 나오지 않습니다. 일반적인 공간은 반향이 생길 뿐 아니라 정재파(스탠딩 웨이브)도 발생하기 때문에 완전히 다를게 뻔한 일입니다. 

여기서 고음역대와 중음역대는 반향이 크게 문제가 됩니다. 한번 부딪힌 소리가 다시 한번 돌아오는 그 현상이 문제가 되는 것입니다. 반면 저음역대에 있어서는 정재파가 문제가 됩니다. 공간은 보통 직육면체로 되어 있어서 전후, 좌우, 상하의 마주보는 면이 존재합니다. 그리고 그 마주보는 면은 그 거리에 따른 정재파를 발생시킵니다. 이 정재파는 일종의 공명과 같은 것이라 굉장히 크게 발생할 수 있습니다. 이것은 오디오룸 공간 튜닝의 문제에서도 보여지는 문제인데 측정에서도 문제가 될 수 밖에 없습니다. 마주보는 면의 거리의 절반 되는 주파수에 정재파가 발생합니다. 가령 전후의 벽이 3.4 미터라고 합시다. 그러면 50헬츠, 100 헬츠 등에 정재파가 발생합니다. 그러면 50헬츠와 100 헬츠 근방은 측정될 때 스피커에서 나오는 소리보다 훨씬 큰 음압(음량)인 것으로 측정됩니다.

위는 스피커 제조사라던가 전문적으로 측정하는 곳에서의 측정 방법을 그린 것입니다. 스피커의 트위터와 같은 높이에서 1미터 떨어진 곳에서 측정하게 됩니다. 그리고 무향실이어야 합니다. 그런데 일반 공간에서 이런 측정을 하게 되면 엉망인 결과가 나올 수 밖에 없습니다. 그래서 측정 마이크를 트위터와 우퍼의 중간쯤 되는 지점으로 위치시키고 스피커 앞 30센티 정도 되는 곳에서 측정하곤 합니다. 스피커에 좀 더 가까이 가기 때문에 스피커에서 나오는 직접적인 소리가 반향보다 훨씬 커지기 때문에 좀 더 정확한 측정이 가능합니다. 

하지만 이런 꼼수에는 또다른 문제가 존재합니다. 먼저 소리라는 것은 소리를 내는 유닛의 형태나 크기에 따라 소리의 확산성 혹은 지향각의 문제가 발생합니다. 트위터의 경우에는 통상 5천헬츠 이하의 부분에서는 확산성이 아주 좋은 편입니다. 하지만 그보다 높은 영역에서는 지향성이 커집니다. 다시 말해서 확산성이 떨어집니다. 그리고 우퍼의 경우에는 1천헬츠 이상부터는 지향성이 높아져 확산성이 떨어집니다. 즉 1미터 앞 트위터와 같은 높이로 측정하는 것과 우퍼와 트위터 중간 지점에서 측정하는 것은 이 지향성 문제  때문에 대역별로 부정확한 결과가 나온다는 것입니다. 

그렇다고 취미로 스피커를 만드는 입장에 무향실을 만들 수는 없습니다. 무향실은 이론적으로는 불가능한 곳이고 최대한 이와 비슷하게라도 만들어내기 위해서는 굉장히 넓은 공간과 엄청난 비용이 들어갈 수 밖에 없습니다. 개인이 그런 공간을 만드는 것은 불가능할 뿐만 아니라 어지간한 스피커 제조사도 그만한 공간은 보유하고 있지 못합니다. 국내에 불완전한 무향실이 몇몇 존재합니다만 스피커 제조사가 가지고 있는 것은 아니고, 해외에서도 제법 규모가 있는 업체가 아니라면 제대로 된 무향실을 가지고 있지 못합니다. 

스피커를 자작해본 분들이라면 이 측정의 문제에서 일정한 벽을 느꼈을 수도 있습니다. 원론적으로 생각하자면 이 측정의 문제는 거의 불가능에 가까운 영역이기 때문입니다.

다음 글이 마지막이며 제목은 "그럼에도 불구하고"입니다. 제목에서 짐작할 수 있는 것처럼 지금까지 열거한 것처럼 스피커 자작은 어리석은 일이지만 그럼에도 불구하고 스피커 자작은 해볼만한 것이라는 내용이 될 것입니다. 사실 지금까지 했던 말들을 뒤집는 측면이 많을 것입니다.