트랜스 미션 스피커 시스템
트랜스 미션 스피커 시스템 설계 개념
미로형의 스피커시스템 설계 방식을 트랜스미션(Transmission Line)이라고 부르며 이는 인클로져인 통의 공명 현상이 없게 만든 것을 말한다. 즉 최종 출구 쪽인 개구부에서 공기 압이 스피커시스템 전면 부와 거의 같기 때문이다.
파워앰플리파이어의 댐핑펙터(damping factor)가 높다면 인클로져안의 공기 압의 차이에 관계없이 스피커의 진동판의 움직임을 보다 더 잘 컨트롤할 수가 있게 해준다. 보다 적은 음향 에너지가 스피커 인클로져의 벽에 전달된다는 것은 그만큼 더 공진을 적게 한다는 것을 의미한다.
그리고 음향 통로(pipe)에 충진된 섬유질(fiber)로 인해 중역이 보다 선명해지게 된다. 이러한 Transmission Line 방식의 특성들이 스피커시스템을 만들어 보려는 오디오파일들에게는 인기가 있는 것은 당연하다.
스피커시스템을 제작하는데 있어 트랜스미션 라인 설계 방식은 많은 사람들에게 관심을 갖게 했으나 정확한 음의 방사에 있어 인클로저 내부 구조가 기존의 시스템과는 달리 복잡하고 제작하는데 많은 어려움이 있기 때문이다.
그뿐만 아니라 하나 하나를 거이 수 가공 제작 방식에 의존 시간과 제품 생산량에서도 문제가 있어 제조 원가 상승으로 스피커 제조 회사들이 이 방식을 기피하고 있다. 다시 말해 이 방식은 가장 완벽한 음향 이론에 근거하여 이록된것으로 미로형의 긴 터널은 스피커 유닛 배면에서 발생하는 음향 에너지를 주파수가 높은 쪽부터 흡수 터널 끝에서는 개방 상태로 자연스럽게 방사 되도록한것이다.
이는 흡음 특성이 단계적으로 다른 흡음재의 배치와 역으로 된 백 로드 혼 형태의 내부 구조가 조화를 이로워 가장 낮은 음향 대역에서 넓은 쪽으로 저음재생을 허용하게 한 방식이다.
특히 미로형의 긴 터널 속의 공기의 중량이 진동판 후면에 가해지므로 이로서 최소한 1 옥타브 이상의 넓은 저음대역을 추가로 재생해 줄 수 있게 되는 것이다.
그래서 트랜스미션 방식의 저음 음색은 다른 형태에 인클로저로 제작된 스피커시스템 설계 방식의 통소리와는 다른 것으로 무색 투명하고 훨씬 다이내믹한 감을 갖게 하는데 다시 말해 몸으로 느낄 수가 있게 한 감각적인 저음대역이라고 말할 수가 있다.
최초로 트랜스미션 라인 설계 방식은 1930년대에 Stromberg와 Carlson에 의해 창안되었다. 그것은 우퍼의 공진 주파수의 1/4파장의 길이로 재단하여 만든 나무 파이프와 같은 형태의 음향 미로(Acoustical Labyrinth)형 스피커시스템 이였다.
트랜스미션 라인 방식 창안자
이러한 방식의 가장 큰 문제는 파이프 오르간과 같이 크기가 커진다는 것이다. 1960년대 초에 영국 Bradford 기술 연구소의 물리학자 A. R. Bailey박사가 음향 미로의 특성을 보완하기 위해서 여러 가지 댐핑재를 사용해서 시험을 하였었다.
그는 실험을 통해서 긴 섬유질의 양모가 댐핑재로 가장 우수하다는 것을 발견하였다. Bailey박사는 1956년에 Wireless World라는 전문지에 공진이 없는 라우드 스피커 인클로우저 설계-저 역 패스 필터 특성을 지닌 음향 미로의 사용 (A Non-resonant Loudspeaker Enclosure Design - Using acoustic Transmission Line With Low Pass Filter Characteristics)이라는 논문을 발표하였는바, 이 글이 트랜스미션 라인 설계의 초석이 되었다.
그의 논문이 발표되고 나서 영국에 있는 Radford 전자 회사에서 Bailry의 개량형 트랜스미션 라인들이 판매되었다. 그것들 중 하나가 6 1/2피트나 긴 구부러지면서 점점 좁아지는(folded and tapered) 미로형으로서 KEF사의 B139 우퍼와 영국 Celestion사의 HF1300 트위터가 사용되었는데 저음대역이 23Hz(-3dB)까지 재생되었다.
Bailey 박사가 처음 미로형의 소리를 듣고 "이 소리는 과장되지 않은 자연스러운 소리이다" 라고 언급한 바 있다. 처음 들었을 때는 저 역이 모자라는 듯하게 들린다. 왜냐하면 지금까지는 공진 하는 저음을 들어왔기 때문이다. 이와 같은 큰 특징이 트랜스미션 라인이 오랜 횟수를 넘기면서 인기가 있는 이유이다.
참고로 국내에 트랜스미션 라인 설계 방식 제품이 선보인 것은 영국 TDL사가 내놓은 제품들로 국내에서도 상당한 반응을 보였으나 많이는 보급되지 못했다. 동사가 국내에 선보인 모델 레퍼런스 시스템의 경우 매우 복잡한 내부 구조를 갖추고 있다.
피아노와 바이올린, 첼로 등 악기의 음색 표현이 기존의 어떤 형의 스피커시스템 보다 색다르고 뛰어나다는 평가를 받은바 있다. 특히 타원형인 저음용 유닛은 두께가 무려 30mm의 진동판에서 분할 공진을 철저하게 배제 정확한 음상 표현을 실현 해주게 했으며 이로서 풍부한 저음 대역이 살아나게 한 것이다.
다만 아남전자가 TDL사와 기술진과 함께 내놓은 트랜스미션 라인 설계 방식 모델 TL-6과 TL-7등이 있다.
트랜스미션 라인의 발달 연혁
L.J.S. Bradbury가 1967년에 "The Use of Fiberous Materials in Loudspeaker Enclosures"라는 논문을 The Journal of the Audio Engineering society지에 게재하였다. Bradbury는 본 논문에서 음향이 섬유질을 통과할 때는 공기 중에서 보다 1,130피트/초만큼 속도가 느려진다는 수학 방정식을 제시했다.
섬유질의 밀도가 1입방 피트당 1/2파운드 일 때, 소리의 속도는 408피트/초가 느려진다는 것이다. 따라서 본 이론에 따르면 종전의 미로의 길이보다 8-12피트 정도 짧게 TL을 설계할 수가 있다. 트랜스미션 라인에 충진된 흡음재를 통과하는 음의 속도를 정확하게 측정하기가 어렵기 때문에 많은 오디오 파일들은 Bradbury의 공식을 간과하고 깊은 저음을 얻기 위해서 매우 큰 우퍼를 장착하는 고집에 매달리고 있다.
어떤 오디오 파일은 저주파수대에서는 트랜스미션 라인이 짧을수록 우퍼의 부담이 덜어지며 콘지의 움직임을 확장시킬 수 있다고 믿는데, 그것은 사실이다. 적당하게 잘 설계되고 흡음재가 충진된 짧은 트랜스미션 라인은 1/4파장에서 지나친 우퍼의 콘의 움직임이 없이 저 역이 잘 재생된다.
1980년대 초에 서부 해안에 있는 한 사람이 "클수록 좋다(Bigger is Better)"라는 개념에 의문을 갖기 시작했다. John Cockroft씨가 1987년 3월에 작은 직경의 우퍼를 사용한 짧은 길이의 트랜스미션 라인을 설계하는 논문인 The Octaline을 발표하였다.
그는 4인치 (Radio Shack 40-1022)우퍼와 Audax TW74트위터를 사용한 짧은 트랜스미션 라인 방식의 스피커를 설계하였다. 초저역은 나오지 않으나 매우 훌륭한 음질이며, 전반적으로 우수한 사운드를 재생한다. 그후 Octaline이 그 동안 스피커 제작 관련 잡지에 소개되었던 그 어떤 것 보다 아마추어 제작자들에게 가장 인기 있는 작품이 되었다.
"The Unline"이라는 트랜스미션 라인 스피커도 Cockroft가 설계하였는데 트랜스미션 라인의 총길 이가 11인치에 불과한 믿기 어려울 만큼 짧은 미로형이라고 할 수 있다. 이와 같이 짧은 라인에서 좋은 저음을 얻기 위해서 Cockroft는 트랜스미션 라인의 길이, 흡음재의 밀도, 그리고 미로의 전환부분(cross-sectional area)에 관한 새로운 지침을 제시하였다.
즉, 그의 이론에 의하면 TL의 통로면 을 보다 짧게 할 수 있다는 것이다. 또한 그는 트랜스미션 라인시스템의 성능에 있어서 우퍼의 Qts(전기적, 기계적인 수치: 기술적 단위)가 중요한 요소가 된다고 말하고 있다. 그리고 우퍼의 콘지 크기(cone area), 음의 통로(line area), 우퍼의 Qts 및 흡음재의 밀도가 상호 연관성을 갖고 있다.
Transmission Line 설계의 기본 개념
트랜스미션 라인(Transmission Line) 방식의 스피커시스템이란 기존의 방식과는 달리 저음용 우퍼 후면으로 음의 통로를 만들어 저음역대의 음이 풍성하게 재생되도록 설계된 방식의 한 스피커시스템을 말한다.
Transmission Line 시스템은 기본적으로 파이프 형태를 띠고 있다. 즉 한쪽은 우퍼로 막혀있고, 반대쪽 끝은 개방되어 있는 형태이다. 음의 통로인 파이프의 안은 섬유질의 댐핑재로 채워놓으므로서 중·고역대의 음을 걸러주게 된다.
Transmission Line 시스템은 일반적인 스피커보다 저음이 더 깊고 부드러우며 중역 대 음이 더 명료하고, 더 개방적인 경향이 있다는 것이 전문가들의 평이다. 그러나 충분한 파워를 가진 앰플리파이어가 질감 있는 소리를 듣게 해준다고 보겠다.
트랜스미션 라인의 종류
기본적으로 미로형인 트랜스미션 라인 방식에는 4종류가 있다. 직선형(straight Transmission Line)과 점점 좁아지는 형(tapered Transmission Line), 구부러진 형 (folded Transmission Line), 그리고 구부러지면서 좁아지는 형(folded and tapered Transmission Line)등 이다.
직선형 트랜스미션 라인과 구부러진 형 트랜스미션 라인은 음의 통로와 크기가 일정하나 좁아지는 형과 구부러지면서 좁아지는 트랜스미션 라인은 후면으로 갈수록 통로가 좁아지는바, 이는 평행 통로 벽 표면으로부터 발생되는 표준 음파의 공명을 최소화하기 위함이다.
트랜스미션 라인을 구부러지게 만드는 것은 합리적인 크기의 인클로우저 안에 통로를 되도록 길게 해서 음의 왜곡 현상이 없게 해주기 위한 방식이다.
트랜스미션 라인 설계 방식이 밀폐형이나 개방형과의 다른 점
밀폐형 스피커시스템의 인클로져는 밀폐된 좁은 공간에서 공기가 마치 큰 스프링과 같은 기능을 하는 것이다. 오퍼의 콘지가 후방으로 움직이면 내부의 공기가 순간적으로 압축되므로 탄성이 생겨 반동력이 우퍼의 콘지를 원래의 위치로 밀어내는 작용을 하게된다.
그런데 우퍼의 앞면과 뒷면의 공기압이 차이가 남으로 인해 상당한 비선형 디스토션이 발생되며 많은 양의 음향 에너지가 스피커시스템의 캐비닛 벽면에 전달되어 공진이 발생 할 수가 있게된다. 이러한 공진을 감소시키기 위해서 버팀목을 부착하지만 공진을 완전히 제거하지는 못한다.
위상반전형인 개방형 스피커시스템은 공명의 원리를 이용한 것이라고 정의할 수 있다. 다시 말해 저음대역의 반향을 얻기 위해 통의 공진 주파수를 이용하는 것이라고 할 수 있다. 그런데 올바르게 조정되지 않으면 저음대역이 인위적으로 부풀려진다. 그렇게 때문에 개방형(veted system)이 제작하기에 쉬운 것 같으면서도 음을 튜닝하는 과정이 중요하다고 본다.
그러나 트랜스미션 라인 방식은 통의 공명 현상이 없다. 그 점을 자세히 살펴보면 마지막 개구부에서 공기압이 스피커시스템 배플 전면 부와 거의 같기 때문이다. 파워앰플리파이어의 댐핑펙터(damping factor)가 높다면 인클로져안의 공기 압의 차이에 관계없이 스피커의 콘지의 움직임을 보다 더 잘 컨트롤할 수가 있다.
즉 보다 적은 음향 에너지가 스피커시스템 인클로져의 벽에 전달된다는 것은 그만큼 더 공진을 적게 한다는 것을 의미한다. 그리고 음향 통로(pipe)에 충진된 섬유질(fiber)로 인해 중역이 보다 선명해진다것이다. 이상 열거한 특성들이 트랜스미션 라인 방식이 고음질을 감상하고자 하는 제작자들에게 인기가 좋은 이유이다.
저 역 통과 필터로서의 트랜스미션 라인
저 역 통과 필터(low pass filter)는 어느 주파수 이상의 음파는 감쇄시키며 그 이하의 주파수대역의 음은 통과시킨다. 즉 트랜스미션 라인 속에 충진된 흡음재(솜, 암면 등)는 음향적으로 저 역 통과 필터의 기능을 한다.
흡음재는 중역과 고역의 음파를 신속히 감쇄시키며, 저 역의 음파는 전파 속도는 느려지지만 거의 감쇄되지 않는다. 환언하면 고주파 음은 속도는 줄지 않으나 크기는 급격히 감소되는 반면에 저주파의 음은 속도는 줄지만 크기는 거의 감소되지 않는다는 것이다.
앞에서 언급한 바와 같이 Bailey 박사는 그의 연구 과정에서 긴 섬유질의 양모를 발견했다. 그 양모는 미로형에서 사용하기에 가장 우수한 댐핑 특성을 갖고 있으며, 1입방 피트의 중량이 1/2파운드이다.
그런데 양모의 가장 큰 문제점은 취급하기에 용이하지 않다는 것이다. 즉 세탁하여 건조시키고, 빗질하고, 좀먹지 않도록 처리해야 하고, 통 속에 큰 뭉치를 집어넣어 고정시켜야만 한다. 그래서 대부분의 스피커 제작자들은 고정용 긴 못을 사용하거나 그 물망을 사용하기도 한다.
그리고 양모 이외의 섬유질도 사용이 가능하다. Dacron이나 Rayon이 사용가능한데 인조 섬유로서는 Acousta-stuff만이 음향적으로 양모보다 우수한 특성을 갖고 있다. 본 흡음재는 nylon polyamide로 제조된 소재로서 솜처럼 느슨하게 부풀어진 섬유 뭉치로서 유리 섬유처럼 인체에 유해롭지 않아 많은 아마추어 스피커 제작자들이 즐겨 사용하고 있다.
트랜스미션 라인 위상(phase)
트랜스미션 라인의 길이가 우퍼의 공진 주파수(Fs)의 1/4 파장과 같다면 우퍼에서 재생되는 저 역이 증가되며 최적의 저음이 출력된다. Gary Gala는 그의 우수한 논문인 Transmission Line Loudspeakers(89. 9.)에서 트랜스미션 라인 내에서 음파의 위상이 90°에서 바뀐다는 원리를 예시해 주고 있다.
즉 1/4파장에서 90도, 1/2파장에서 180도, 3/4파장에서 270도, 1파장에서 360도의 위상이 바뀐다. 스피커시스템 전면에서는 음파가 콘지의 하단에서 시작되고, 후면에서는 음파가 콘지의 상단에서 시작됨을 알 수가 있다. 스피커시스템의 앞과 뒤에는 180도의 위상 차가 있다는 것이다.
스피커 캐비닛 내부에 흡음재를 채우지 않았을 경우의 소리의 전파 속도는 다음과 같은 공식으로 나타낸다.
1/4λ= (1130/Fs)/4 (*Fs:우퍼의 최저공진주파수)
○ 음향적 길이와 실제의 길이
우퍼의 최저 공진 주파수(Fs)가 28Hz일 때, 위 공식에 의거, 계산하면 1/4파장의 길이는 10.09피트가 된다. 그러므로 1/4파장으로 설계한 트랜스미션 라인의 길이는 10,09피트이다. Bradbury의 방정식에 의거 1입방피트당 1/2파운드의 흡음재를 사용하면 소리의 속도는 초당 408피트가 된다. 따라서 위 공식에서 1130피트 대신 408피트를 사용할 수 있다.
1/4λ= (408/28)/4=3.64
앞에서 계산한 바와 같이 1/4파장의 트랜스미션 라인을 설계하면 길이를 3.64피트로 하면 되고, 3/4파장으로 설계하면 3배를 곱하면 된다. 이와 같이 흡음재를 사용하면 트랜스미션 라인의 길이를 많이 줄일 수가 있다.
이 원고는 영국 Hi-Fi News & record review지 1993년 8월호에 John Crabbe가 기고한 글이다. 참조해 주시면 관심 있는분들에게 도움이 될것입니다.
