스피커의 성능 지표와 음향 시뮬레이션 도구 EASE

무게와 크기

주파수 범위나 음압 레벨과 같은 특성도 중요하지만, 본 필자는 음향 엔지니어에게 가장 중요한 스피커의 스펙은 무게와 크기라고 생각한다. 음향 시스템을 구성하는 장비 가운데 가장 큰 덩치와 무게를 자랑하는 것이 스피커이기 때문이다.

무게를 알아야 운반에 필요한 인원과 장비를 계획하고, 스피커를 올려 둘 바닥이나 설치 구조물이 하중과 진동을 감당할 수 있는지 판단할 수 있다. 크기와 모양 역시 설치하려는 공간을 지나치게 차지하지 않는지 확인하는 데 필요하다.

스피커는 소리만큼이나 청중의 시선도 많이 차지한다. 특히 메인 스피커를 스테이지 좌우에 스택할 경우 매우 위압적으로 보이거나 객석의 시야를 가릴 수 있다. 본 필자는 너무 커서 보기 싫다는 이유로 메인 스피커를 모니터로 돌리고, 모니터 스피커를 메인 스피커로 사용해 달라는 요청도 받아 본 적이 있다.

과거 우리나라 SR 현장에서 흔히 사용했던 JBL SR4733X를 예로 들면, 높이 1,219 mm, 폭 616 mm, 깊이 435 mm에 무게가 65.8 kg에 이른다. 이런 스피커가 넘어지거나 떨어지면 스피커도 스피커지만 아래 있던 사람은 중상을 입는다. 스피커의 무게와 크기는 단순한 외형 정보가 아니다. 심미적인 측면뿐만 아니라 안전을 결정하는 중요한 성능 지표라 하겠다. 하지만 혼자서 등에 이고 잘만 나른다. 어떻게 아냐고? 종종 해 봤거든…

주파수 범위(Frequency Range)

음향 기기의 기본 스펙으로, 이 스피커가 재생할 수 있는 주파수의 범위를 나타낸다. 단, 표시된 범위의 모든 주파수가 같은 음압으로 출력된다는 뜻은 아니다. 매뉴얼에 따라 주파수 범위는 기준 레벨에서 음압이 10 dB 낮아지는 지점인 -10 dB를 기준으로 표시하기도 하고, 별도로 일정한 오차 범위 안에서 재생되는 주파수 응답(Frequency Response)을 함께 제공하기도 한다. 따라서 최저·최고 주파수만 비교하지 말고 측정 조건도 함께 살펴보아야 한다.

풀 레인지 스피커라고 해서 사람이 들을 수 있는 모든 주파수에 대응할 수 있는 것은 아니다. 일반적인 SR용 풀 레인지 스피커는 저음역의 하한이 50~60 Hz에서 시작하며, 깊은 저음까지 충분한 음압으로 재생해야 할 때에는 서브우퍼를 추가한다. 물론 더 낮은 주파수까지 재생할 수 있는 풀 레인지 스피커도 있으므로, 필요한 재생 대역과 음압을 기준으로 제품을 선택해야 한다.

감도와 최대 음압 레벨(SPL)

감도와 최대 음압 레벨은 스피커에서 가장 중요한 핵심 성능 지표다. 음압 레벨은 특정 위치에서 측정한 소리의 크기를 나타내며 단위는 dB SPL을 사용한다. 흔히 소음의 크기를 말할 때 공사장 소음을 측정한 결과 110 데시벨이 측정되었습니다.와 같이 말하는데, 여기서 말하는 데시벨이 바로 dB SPL 값을 뜻한다.

스피커는 주로 감도(Sensitivity)와 최대 음압 레벨(Maximum SPL)을 통해 스피커가 전기적 입력을 얼마나 큰 소리로 바꾸는지 나타낸다.

파워앰프에 대한 이야기를 하면서, 정격 출력은 밥통의 크기와 같다고 했다. 감도가 100 dB SPL(1 W/1 m)인 스피커라면 1 W를 입력했을 때 정면 1 m 지점에서 100 dB SPL의 음압을 만든다는 뜻이다. 즉, 감도가 높은 스피커는 같은 파워앰프의 출력, 즉 같은 밥을 먹고도 더 큰 소리를 낼 수 있다.

최대 음압 레벨은 스피커가 만들 수 있는 가장 큰 음압을 나타낸다. 즉, 최대로 낼 수 있는 소리의 크기를 말한다. 큰 소리를 낼 수 있다는 것은 더 멀리 더 많은 공간에 소리를 방출할 수 있다는 의미다.

높은 음압이 필요한 극단적인 사례가 바로 대북 확성기 방송으로, 야간에 휴전선에서 약 40 km 떨어진 개성 시내에서도 그 소리를 들을 수 있다고 한다.

정격 출력(Power Rating)

정격 출력이라고 흔히 부르는 이 수치는 스피커가 손상되거나 과도한 성능 저하를 일으키지 않고 받아들일 수 있는 입력의 크기를 말한다. 스피커가 만들어 내는 음향 출력이 아니라 파워앰프로부터 받아들일 수 있는 전력이므로, 엄밀히 말하면 허용 입력 또는 파워 핸들링(Power Handling)이라고 하는 것이 정확하다. 단위는 W를 사용한다. 이는 파워앰프의 정격 출력과는 의미가 다르다는 점에 주의해야 한다.

밥통의 크기가 크면 그 밥통을 채우기 위한 쌀도 많이 필요하다. 마찬가지로 동일한 임피던스의 스피커에 더 큰 전력을 전달하려면 더 높은 전압과 더 큰 전류가 필요하다. 스피커에 지나치게 큰 전류가 계속 흐르면 보이스 코일이 과열되거나 크로스오버의 부품이 손상될 수 있다. 또한 과도한 저주파나 순간적인 피크는 스피커 유닛을 기계적으로 파손할 수도 있다. 흔히 스피커 나갔다!라고 하는 상황이다.

스피커의 제원을 살펴보면 Continuous, AES, Noise, Program, Peak처럼 서로 다른 조건의 전력값이 함께 적혀 있는 경우가 많다. 보통 Continuous나 Noise는 시험 신호를 일정 시간 입력했을 때 견딜 수 있는 값이고, Program은 일반적인 음성이나 음악 신호의 운용을 가정한 값이며, Peak는 매우 짧은 순간에 허용되는 최댓값이다. 하지만 제조사마다 다른 기준을 사용하기도 하기 때문에 숫자만 단순 비교해서는 안 된다.

파워앰프를 매칭할 때에는 기본적으로 Continuous나 Program 값을 참고하면 된다. 만약 두 개념이 혼동된다면 둘 가운데 작은 값을 기준으로 생각하는 것이 좋다.

임피던스(Impedance)

앞서 파워앰프에 대한 이야기를 하면서, 같은 앰프라고 할지라도 스피커의 임피던스에 따라 출력 가능한 파워가 변하고, 임피던스가 매우 낮을 경우에는 파워앰프에 손상이 가기도 한다고 했다. 스피커를 직·병렬 연결하여 운영할 때 합성 임피던스를 계산하기 위해 필요할 뿐만 아니라, 파워앰프가 구동할 수 있는지 확인하기 위해 반드시 알고 있어야 하는 특성이다.

보통 Nominal Impedance가 적혀 있는데, 이는 노말 모드로 운영할 때 스피커의 공칭 임피던스를 말한다. 만약 바이앰프 모드를 지원하는 스피커의 경우라면, 각 스피커 유닛별로 임피던스가 적혀 있다. 일반적인 SR용 스피커의 경우 보통 4~8Ω 수준이다.

분산 각도(Dispersion Angle)

분산 각도는 스피커에서 방사된 소리가 퍼져 나가는 범위를 각도로 나타낸 것이다. 현장에서는 흔히 지향각 또는 커버리지 각도(Coverage Angle)라고도 부른다. 흔히 수평각 × 수직각의 형태로 표시하며, 90°×50°라면 좌우로 90°, 위아래로 50° 범위를 주된 방사 영역으로 삼는다는 의미이다.

이 각도를 바탕으로 스피커 앞에 가상의 원뿔을 그려 보면 직접음이 도달하는 영역을 대략 짐작할 수 있다. 스피커를 배치할 때에는 청중이 자리한 영역이 이 분산 각도 안에 들어오도록 높이와 방향을 조절해야 한다.

직접음이 도달하지 않는 구역이 생기면 프론트 필과 같은 보조 스피커를 추가해 사운드 홀을 채워 줘야 한다. 반대로 여러 스피커의 방사 영역이 지나치게 겹치면 위상 간섭과 음압의 불균형이 발생할 수 있으므로 중첩되는 영역도 함께 고려해야 한다.

분산 각도는 적은 수의 스피커로 청중 영역을 빠짐없이 커버하면서 불필요한 중첩을 줄이기 위해 알고 있어야 하는 특성이다. 다만 실제 공간에서는 벽과 천장의 반사음, 스피커의 설치 높이와 각도도 영향을 주게 된다.

지향 계수(Q)

지향 계수(Directivity Factor, Q)라고 하는 스피커의 Q Factor는, EQ의 Q Factor와 다른 값이다. 스피커의 Q는 스피커의 정면에서 측정한 음향 에너지가 모든 방향의 평균값보다 얼마나 큰지를 나타내는 비율이다. 무지향성일 경우 1에서 시작해, 소리의 집중도가 클수록 Q 값이 커진다.

다만, 모든 주파수 대역이 동일한 Q Factor를 가지는 것은 아니다. 주파수 대역마다 전달 특성이 다르므로, 스피커의 지향 정도를 가늠할 수 있는 참고 지표 정도로 알아두는 게 좋다.

크로스오버 주파수(Crossover Frequency)

2-way 이상의 스피커의 경우, 입력받은 신호를 주파수 대역에 따라 분리해 고음역대의 신호는 트위터로, 저음역대의 신호는 우퍼로 보내는 크로스오버 회로가 있다. 이 크로스오버 회로에서 저음과 고음을 구분하는 기준이 되는 주파수를 크로스오버 주파수라고 한다.

이와 함께 추천 크로스오버 주파수가 있는 경우도 있다. 내부 네트워크에 이미 설정된 크로스오버 주파수가 있는데, 뭘 또 추천한다는 건가 하니, 바이앰프 구동을 할 경우, 파워앰프 앞단에 크로스오버를 걸어주어야 하는데 이때는 기준 주파수를 사용자가 직접 설정해 주어야 한다.

이러한 경우 여기서 말한 추천 크로스오버 주파수를 참고하여 외부 크로스오버를 세팅해, 각각의 구동 앰프에 입력해 주면 된다. 만약, 유닛이 2개 이상일 경우라면, 크로스오버 주파수도 그에 맞춰 2개 이상의 주파수가 제공될 것이다.

음성전달지수(STI)

STI(Speech Transmission Index)는 말을 얼마나 잘 알아들을 수 있는가에 대한 척도이다. 음성의 명료도를 0에서 1 사이의 값으로 나타내며, 1에 가까울수록 명료도가 높고, 0에 가까울수록 말소리를 알아듣기 어렵다는 의미다.

STI의 측정과 예측 방법은 IEC 60268-16에서 규정한다. 0.45 미만을 불량, 0.60 미만을 보통, 0.75 미만을 양호, 그 이상은 우수로 구분한다.

강의나 안내방송, 설교와 같이 정확한 정보 전달과 육성이 중요한 공간이라면 공간의 명료도가 일정 수준을 유지해야 음향 시스템의 목적을 달성할 수 있다.

전체 음압 레벨(Total SPL)

Total SPL은 스피커에서 청음 위치로 직접 도달한 음향 에너지와 공간에서 되돌아온 잔향 에너지를 합산한 전체 음압 레벨을 말한다. EASE에서는 각 지점에서 계산한 Total SPL을 색상 지도로 표시하여, 어느 위치의 소리가 크고 어느 위치의 소리가 작은지 한눈에 확인할 수 있다.

지도의 최댓값과 최솟값, 위치별 편차를 비교하면 공간 전체에 소리가 얼마나 균일하게 분포하는지 판단할 수 있다. 위치별 차이가 크면 어떤 곳에서는 지나치게 크고 다른 곳에서는 작게 들린다는 의미다. 그리고 음압이 너무 작은 경우, 스피커의 소리가 묻히게 된다.

직접음 대 잔향음비(Direct/Reverberant Ratio)

직접음 대 잔향음비(Direct/Reverberant Ratio)는 스피커에서 청음 위치로 곧바로 도달한 직접음의 에너지와 공간의 벽·천장·바닥 등에서 여러 차례 반사되어 형성된 잔향음 에너지의 비율을 말한다. 일반적으로 D/R Ratio라고 표기하며 단위는 dB를 사용한다.

D/R Ratio가 양수이면 직접음이 잔향음보다 크고, 음수이면 잔향음이 직접음보다 크다는 의미다. 0 dB인 지점에서는 직접음과 잔향음의 에너지가 같으며, 이를 임계 거리(Critical Distance)에 해당하는 지점으로 본다. D/R Ratio가 높을수록 말소리와 음악의 세부가 또렷하게 들리고, 낮을수록 잔향음에 묻혀 명료도가 떨어진다. 커다란 기차역이나 목욕탕을 생각해 보면 쉽게 알 수 있다.

D/R Ratio가 낮은 구역은 스피커의 위치와 지향 방향을 조정하거나, 보조 스피커를 배치하여 직접음의 비율을 높일 수 있다. 벽과 천장에 두꺼운 커튼 같은 흡음재를 설치해 잔향 에너지를 줄이는 방법도 효과적이다.

최초 도달 시간(First Arrival Time)

최초 도달 시간(First Arrival Time)은 스피커에서 방출된 소리가 각 위치에 처음 도달할 때까지 걸리는 시간을 말하며, 단위는 ms를 사용한다. 공기 중의 음속을 약 343 m/s로 보면 스피커와 청음 위치 사이의 거리가 1 m 늘어날 때마다 도달 시간은 약 2.9 ms씩 늦어진다.

여러 대의 스피커를 사용하는 공간에서는 청음 위치마다 가장 먼저 도달하는 소리를 확인하여 메인 스피커와 보조 스피커의 지연 시간을 정렬한다. 보조 스피커의 소리가 메인 스피커보다 먼저 도달하면 소리가 보조 스피커 쪽에서 나는 것처럼 느껴지고, 두 스피커의 도달 시간 차이가 지나치게 크면 같은 소리가 두 번 들리는 에코가 발생한다. 따라서 보조 스피커에는 메인 스피커의 소리가 먼저 도달하도록 적절한 지연 시간을 설정해야 한다.

무대와 객석 사이의 거리가 멀어지면 관객은 무대 위의 동작을 먼저 보고 그에 해당하는 소리를 나중에 듣게 된다. First Arrival Time 지도를 이용하면 이러한 시각과 청각의 시간 차이가 크게 나타나는 구역도 확인할 수 있다.

스피커 중첩(Overlap)

스피커 중첩(Overlap)은 한 지점에서 소리가 겹치는 스피커의 수를 나타낸다. 실제 스피커의 대수를 단순히 세는 값이 아니라 각 스피커가 해당 위치에 기여하는 음압을 반영하므로, EASE의 분석 결과에서는 1.5나 2.3과 같은 소수로도 표시된다.

값이 1이면 하나의 스피커가 지배적으로 들리는 구역이고, 값이 커질수록 여러 스피커의 커버리지가 강하게 겹친다는 의미다. EASE 4.3에서는 이 값이 1.5를 넘는 영역에서 콤 필터링과 같은 간섭 현상이 발생할 가능성이 높은 것으로 판단한다.

같은 신호를 출력하는 여러 스피커의 소리가 서로 다른 거리와 시간으로 도달하면 주파수에 따라 소리가 보강되거나 상쇄된다. 그 결과 주파수 응답이 고르지 않아지고 간섭이 생긴다.