스피커 측정 그래프 보는법- 임피던스, 위상각

September 12th, 2004 by hifinet 
문한주(raker5235@hanafos.com) 2004-09-12 20:05:41 

오디오는 측정값만으로는 모든 특성을 다 드러낼 수는 없다고 한다. 그렇지만 스피커의 경우는 측정치와 객관적인 성능 간의 관련성이 상당히 높다. 스피커의 측정치는 앰프나 CD플레이어 같은 전자제품의 측정값에 비할 수 없이 많은 정보를 포함하고 있어서 체계적으로 훈련된 사람에게는 객관적으로 스피커의 특성을 파악하는 데에 대단히 중요한 보조자료가 된다. 

스피커의 측정값을 적절한 코스를 밟아 제대로 읽을 수 있게 된다면 리뷰어가 미처 설명하지 못했거나 간단히 넘어갔던 (아니면 부분적으로 오해를 유발할 수 있도록 잘못 표현한) 스피커의 특성 부분에 대해서도 예상할 수 있는 능력을 갖게 된다. 

스피커의 측정치라고 한다면 제일 먼저 떠올릴법한 것이 있다면 주파수 응답 그래프일 것이다. 이 그래프는 주파수별로 음량이 정량적으로 어느 수준으로 나와준다는 것을 나타내 준다. 아마 여러분들은 이 그래프로 어떤 스피커의 저역이 어디까지 나와주는지 확인하거나 고역에 롤오프가 있는지 확인하는데 많이 사용하셨을 것이다. 체계적인 지식을 갖지 않아도 이해하기 쉽고 직관적으로 이해할 수 있다는 것이 장점이다. 

그러나 주파수별로 음압의 정량적인 특성만을 나타내주는 주파수 응답 그래프만으로는 알 수 없는 스피커의 특성이 많다. 음악 재생에 있어서 중요한 시간에 대한 특성(소리가 흐릿하게 번지고 변조되는지, 섞이지 않고 선명한 소리를 내줄 수 있는지), 물리적인 실체인 스피커를 구동하는데 필요한 전기적인 특성 (그 스피커에는 어느 정도의 구동력이 있는 앰프가 필요할 것인지), 만듦새에 대한 특성 (통울림이 있을지), 유닛의 지향특성 (음장형성이 잘 재현되는지), 등등에 대해서는 아무런 정보를 얻을 수가 없다. 

그래서 가능하면 다양한 스피커의 측정값을 독해할 수 있게 될수록 스피커에 대해서 다양한 각도로 이해하는 것이 가능해지게 된다. 

스피커 측정 그래프를 독해하는 첫 순서로 임피던스+위상각 그래프를 소개하고자 한다. 이것을 제대로 읽을 수 있게 되면 (1) 해당 스피커가 구동하기가 쉬운지 어려운지를 엿볼 수 있게 해주므로 어떤 앰프를 매칭해야 적절할지에 대한 정보를 얻을 수 있게 해 준다. 또한 (2) 저역의 튜닝이 타이트한지 풀어지게 되었는지를 알 수 있다. 그리고 보너스로 (3) 인클로우저의 공진이 의심되는 부근을 알 수도 있다. 

기초 없이 처음부터 그래프 독해를 하는 것은 무리이므로 전기의 저항 그리고 일에 대해서 잠깐 개념을 잡아보자. 

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여기에 두 개의 전구가 있다. 하나는 60W짜리 전구고 다른 하나는 100W짜리 전구다. 여러분께서 잘 알고 계시다시피 전구의 필라멘트는 저항의 역할을 하고 있고 전구의 밝기는 전류의 흐르는 양에 의해서 결정되어 있다. 

이 중에서 어떤 전구의 저항이 더 높을까? 
100W 전구의 저항이 높다라고 하는 사람들도 많을 거라고 생각한다. 
이유를 물어보면 저항이 높아지면 열이 더 나기 때문이라고 답변할 것이다. 
그렇지만 그 답은 틀렸다. 
60W 전구의 저항이 더 높다. 

난데없는 질문에 심기가 흐려지셨을 테다. 
이번에는 질문을 바꿔서 두 전구 중 어느 전구가 더 많은 일을 하는지 물어보겠다. 
다시 말해서 누가 더 밝냐고 물어보겠다. 
이번에는 혹시 속지 않았나 내심 의심을 하다가 100W 전구가 더 많은 일을 한다고 하는 사람이 많을 것이다. 
이번에는 맞다. 
100W짜리 전구는 작동할 때 전류를 많이 흘려서 작동하고 더 밝게 빛난다. 
60W 짜리 전구는 전류가 적게 흐른 반면에 밝기는 100W보다 어둡다. 
이걸 의심하실 필요는 없다. 100W짜리가 더 밝고 전기료가 더 많이 나온다는 것은 50년 전의 사람들도 의심하지 않을 테니까. 

그렇다면 앞의 질문에서 왜 100W가 틀린 걸까? 
앞서 60W 전구는 일을 많이 하지 않고 전기도 적게 소모한다고 했다. 회로상에 전기가 적게 흐른다는 것은 회로에 저항이 크기 때문이다. 이와는 달리 100W짜리 전구는 일을 많이 했고 전기의 소모도 컸다. 회로상에 전기가 많이 흐른다는 것은 회로에 저항이 작다는 뜻이다. 
이것으로 질문이 풀렸으리라 믿는다. 

그렇다면 이번에는 전구 대신 스피커로 바꿔놓고 다시 물어보자. 
스피커의 저항이 낮은 스피커와 저항이 높은 스피커가 있다면 둘 중에 누가 일을 더 많이 할까? 그 답은 [저항이 낮은 스피커가 더 많은 전류를 소모해서 더 많은 일을 한다]가 맞다. 그래서 저항이 낮은 스피커는 저항이 높은 스피커보다 더 소리를 크게 내거나 더 힘센 일을 할 수 있다. 저항이 높은 스피커는 전류를 적게 소모하는 대신에 힘센 일을 하기에는 적절하지 않다. 

교류에 대한 저항은 임피던스(주 1)라고 하므로 위의 글을 그대로 다시 용어만 넣어 표현하면 이렇게 된다. 
[임피던스가 낮은 스피커는 임피던스가 높은 스피커보다 더 소리를 크게 내거나 더 힘센 일을 할 수 있다]. 한편 [임피던스가 높은 스피커는 전류를 적게 소모하는 대신에 힘센 일을 하기에는 적절하지 않다.] 
이렇게 임피던스가 낮은 스피커는 힘센 일을 할 수 있어서 우퍼의 다이어프레임이 무거운 경우라도 힘차게 밀쳐낼 수 있다든지, 밀폐형이어서 내부의 공기 저항을 이겨내야 하는 경우에 임피던스가 높은 스피커에 비해서 유리한 점이 있다. 
그렇지만 스피커의 임피던스가 낮아지게 되면 무슨 문제를 야기시키는가? 

스피커의 임피던스가 낮아지면 앰프는 스피커에게 더 많은 전류를 공급해주어야 하므로 힘에 부치게 된다. 극단적으로 낮은 리본형 스피커의 경우 임피던스가 1 오옴 정도인데 이 경우에는 앰프는 거의 쇼트와 비슷한 상태가 되어 타버리는 것이다. 
이런 극단적인 예가 아니더라도 스피커의 임피던스가 낮아지게 되면 앰프는 많은 전류를 스피커에게 공급해 주어야 하므로 전류 공급능력이 떨어지는 (= 구동력이 떨어지는) 앰프와 매칭시키면 그 스피커에서 내줄 수 있는 모든 소리를 다 꺼내줄 수 없다. 

이제 기초소양이 갖춰졌으리라 믿고 다음 편에서는 임피던스, 위상각 그래프를 읽는 방법을 통해서 앞서 밝혔던 특성을 읽어보도록 하자. 


(주 1)
impede란 단어가 뜻하는 것처럼 

임피던스가 높다는 것은 전류의 흐름에 제약이 생긴다는 뜻으로 사용하고 있으며, 임피던스가 낮으면 전류가 더 잘 흐른다는 표현이다. 

스피커의 임피던스란 스피커의 전기적인 저항이다. 임피던스는 단순한 직류 저항과 기생성분의 합이다. 기생성분으로는 유도성 리액턴스, 그리고 용량성 리액턴스가 존재한다. 

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스피커 측정 그래프 보는 법- 임피던스, 위상각 (2/3) 
문한주(raker5235@hanafos.com) 2004-09-13 00:08:16 

이제 그래프를 보면서 설명하도록 하겠다. 

위 그래프는 주파수 대역에 따른 임피던스를 나타낸 것과 주파수 대역에 따른 위상각 (phase angle)을 나타낸 두 그래프를 하나에 합쳐놓은 것이다. 왼쪽 Y축을 보시면 임피던스이며, 오른쪽 Y축을 보시면 –90도에서부터 90도까지의 위상각이 나타낸 것임을 아실 수 있다. 실선은 임피던스의 측정결과이고 점선은 위상각의 측정결과다. 

그런데 뭣하러 두 측정 결과를 헷갈리게 하나로 합쳐놓았을까? 그것은 하나의 측정 결과만으로는 앰프에 어떤 부하를 주는지 완벽하게 나타내지 못하기 때문이다. 대충 거기까지만 알고 일단 진도를 나가도록 하자. 
처음부터 양쪽을 동시에 합쳐서 보는 것은 복잡하므로 두 그래프를 분리해서 보여드리고 설명도 나눠서 하겠다. 

주파수에 따른 임피던스 그래프는 다음과 같다. 

다음은 주파수에 따른 위상각의 그래프다. 

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우선 임피던스 그래프를 살펴보자. 이 제품은 대부분의 가청주파수 내에서 4옴의 임피던스를 갖고 있게 됨을 알게 된다. 
그리고 빨간 원으로 표시한 말안장 모양의 측정값이 나타나는 부위는 스피커의 저역 리플렉스 포트의 공진점이 있음을 표시하고 있다. 이 제품의 저역 포트의 공진점은 50Hz 정도이다.

밀폐형 스피커의 경우에는 이런 말안장 형태의 형상이 나타나지 않는다. 

베이스 리플렉스형의 스피커라도 포트를 폼 플러그로 막으면 밀폐형 스피커와 같은 타입의 임피던스 그래프를 보여준다. 다음 두 그래프는 리플렉스 스피커의 저역 포트를 폼 플러그로 막은 것과 그렇지 않은 것의 차이다. 그렇다면 둘 중 어느 것이 폼 플러그로 막은 결과일까? (점선은 헷갈리니까 일단은 무시하고 실선만 읽기 바란다)

답은 아래쪽 것이다. 

위 그래프를 다시 살펴보면 실선과 점선이 잘 가다가 주름지듯이 비틀어지는 곳이 있음을 볼 수 있다. 빨간색으로 동그라미 친 곳을 잘 살펴보기 바란다. 여기가 인클로우저의 공진점이 의심되는 주파수에 해당한다.

한편 연두색으로 둘러싸인 쌍봉으로 솟은 저역의 임피던스값을 보면 상당히 높은 피크를 가지고 있는 것을 알 수 있는데 이 스피커의 경우 저역이 타이트하기보다는 너그럽고 풀어진 쪽으로 튜닝이 되어 있다는 것을 의미하고 있다. 

다음 편에는 위상각의 의미와 임피던스 곡선과 합성했을 때 전기적인 관점에서 어떤 결과가 나타나는지 여러 스피커의 예를 통해서 전기적 특성을 알아보기로 하자. 

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스피커 측정 그래프 보는 법- 임피던스, 위상각 (3/3) 
문한주(raker5235@hanafos.com) 2004-09-14 01:15:31 

위상각을 이해하기 위해서는 앞서 설명했던 것을 다시 한번 상기해 볼 필요가 있다. 스피커의 임피던스란 스피커의 전기적인 저항을 얘기하는 것이며, 스피커에 공급되는 전기 신호는 직류가 아니며 교류이므로 스피커의 저항은 단순히 직류저항만 가지고는 설명이 부족하다. 교류신호의 저항 (임피던스)은 단순한 직류 저항에다 기생성분이 합쳐진 것이라고 했다. 기생성분에는 코일에 의해 형성되는 유도성 리액턴스와 콘덴서에 의해 형성되는 용량성 리액턴스가 존재한다고 했다. 

이런 용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스는 위상을 지연시키거나 앞서나가게 된다. 용량 리액턴스는 전압을 전류보다 약간 지연시키게 되며 유도 리액턴스는 이와는 달리 전류가 전압보다 지연되는 현상이 일어난다. 이것을 그래프로 표시하면 용량 리액턴스는 0~-90도의 위상각을, 반대로 유도 리액턴스는 0~+90도의 위상각으로 표시될 수 있다. 

위상 회전의 그래프에서 점선이 0도의 중심선 위쪽에 있으면 스피커가 유도 리액턴스의 성향이 강한 것이다. 점선이 0도의 중심선 밑으로 내려가면 용량 리액턴스가 우세하다. 
용량 리액턴스와 유도 리액턴스를 연계하여 얻은 위상각은 +90도와 –90도 사이에서 나타난다. 위상 회전이 적을수록 스피커가 덜 리액티브 해져서 앰프가 구동하기 쉬워진다. 위상각의 커브가 0도의 중심선 근처에서 머물면 스피커는 파워앰프에는 단순한 저항처럼 보이게 된다. 

이 위상각 그래프를 통해서 해당 스피커가 얼마나 유도성인지 혹은 용량성으로 앰프에 나타나는지를 보여주게 된다. 중심선에서 멀리 떨어질수록 스피커가 그 주파수에서 더욱 반응하며 앰프에는 더 부담을 주게 된다. 

이제부터는 임피던스 그래프와 위상각 그래프를 합쳐서 다시 보게 될 것이다. 
한눈에 보이도록 그래프에 합쳐놓은 이유는 앰프에 얼마만큼의 부하를 주는지 종합적으로 따져보기 위한 것이다. 
앰프는 위상각이 큰 주파수에서 어려움을 겪으며, 임피던스가 낮은 주파수에서 어려움을 겪는다. 높은 리액턴스와 낮은 임피던스가 합쳐지면 파워앰프의 구동이 특히 어렵게 된다. 
이런 특성을 가진 스피커는 current hungry 한 스피커라고 불리며, 그 스피커를 구동하기 위해서는 많은 전류를 낮은 임피던스 부하에 공급할 수 있는 앰프(이른바 구동력이 있는 앰프)에서 그 스피커가 더욱 잘 작동한다는 얘기가 된다. 
예를 들어 8 오옴 부하와 비교했을 때 4 오옴에서 그 파워를 거의 2배로 하는 앰프는 4오옴에서 파워를 거의 증가시키지 못하는 앰프(골드문트에서 자주 보인다) 보다는 더 좋은 선택이 된다. 

Case Study #1 
다음은 위상각이 크고 임피던스도 낮아 고전을 면하기 힘든 스피커의 예이다. 

107Hz 부근을 보면 임피던스는 3.67 오옴이 되고 용량성 위상각이 54도에 이르기 때문에 이 스피커를 구동하는데 어려움을 주며 앰프도 쉬 뜨거워지게 된다. 

Case Study #2 
다음 스피커의 경우도 쉽지는 않다. 미드레인지부터 미드베이스에 이르는 대역이 모두 6 오옴 미만이며 22Hz와 65Hz에서 3.35 오옴 그리고 236Hz에서 2.9 오옴까지 내려간다. 17.5Hz에서는 4.4 오옴에 –48도의 위상각을 갖고 있어서 앰프에 무리를 주겠지만 대부분의 음악은 이 부근에서 에너지가 담겨 있지는 않다. (파이프 오르간 제외) 나머지 대역에서는 낮은 임피던스와 큰 위상각이 겹치는 일이 일어나지 않기 때문에 앞서의 경우만큼 큰 무리를 일으키지는 않는다. 

Case Study #3

위 스피커는 언뜻 보기에 위상각이 크게 요동쳐서 구동이 힘들 것 같지만 그런대로 다루기에 어렵지는 않다. 우선 가청주파수내의 임피던스가 높은 편이다. 4.5kHz 이상이 되어야 6 오옴 밑으로 떨어질 뿐이다. 그림상으로는 34kHz 부근에서 2.7 오옴까지 떨어지기는 하지만 이곳은 음악 에너지가 없는 곳이기 때문에 영향이 없다. 

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이상에서 살펴본 것처럼 스피커 측정치 중에서 전류의 소비와 공급이라는 관점에서 임피던스와 위상각 정보만큼 유용한 정보를 얻을 수 있는 것은 없다.