네트워크 의 이해 !

by 올디 posted Dec 25, 2017
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Network !

Speaker Network !!

Crossover ! 

Crossover Network !! 

Speaker Crossover Network !!!


.. 다 같은 표현 입니다.

간단하게, 네트워크( Network) 라 하겠습니다.


풀레인지 스피커 로 가청 주파수(20-20,000Hz ) 모든 대역의 소리를 편안하게 들을 수 있다면 더 이상 바랄게 없겠습니다 만..  이런 능력을 가진 스피커는 스펙상으로도 존재하지 않습니다.


어쩔 수 없이,

가청 주파수 모든 대역을 재생하기 위해서는 낮은 주파수 담당하는 우퍼, 중 고역 담당하는 드라이버 등 2개 이상의 스피커를 사용해야 하는데, 이 개별 스피커의 조합이 이상적인 소리를 재생할 수 있도록 각 스피커(우퍼 와 드라이버)가 필요로 하는 주파수 대역을 배분해 줄 회로가 필요합니다.

이 회로를 네트워크라 합니다.


일반적으로 스피커는 설계된 것보다 낮은 주파수를 재생하는 경우 진동판의 손상을 가져올 수 있습니다.

입력된 가청 주파수 신호를 우퍼 와 드라이버 에서 각각 똑같이 재생한다면 사운드가 커지는 것은 당연할 것이며, 드라이버의 진동판 손상 원인이 된다는 말입니다. 네트워크가 꼭 필요한 이유이기도 합니다.


예를 들어,

Altec 802B 802C의 적정주파수 대역이 800Hz~15kHz 이니까  800hz 이하의 신호를 전송하면 진동판에 손상이 생길 수 있습니다. 그러니까 저역을 보강한다고 컷.오프 주파수를 낮게 하려는 것은 신중해야 합니다. 컷 오프 주파수 결정시 반드시 확인해야 할 사항 중 하나가 '드라이버 능력' 이 되겠습니다.


컷 오프 주파수(Cut-off frequency)시스템(네트워크)을 통과하는 신호(에너지)가 통과하지 않고 감소하기 시작하는 시스템 주파수 응답의 경계, 즉 자르고자 하는 대역의 기준 입니다.

Altec Network의 경우 N-800-D컷 오프 주파수가 800hz,  N-500-C컷 오프 주파수 500hz 입니다. 쉽게 800hz, 500hz에서 잘랐다는 의미입니다.


가능한 최상의 음질의 사운드를 재생하기 위해서는 2개 또는 3개의 스피커  모두를 하나의 네트워크에 통합해야 하는데, 이를 위해 필요한 것이 오디오 신호를 주파수 별로 걸러 줄 '필터' 입니다.


앰프로 부터 입력된 오디오 신호를 주파수 별로 필터링 하여 저 주파수 신호를 우퍼로, 고 주파수 신호를 드라이버(or 트위터)로 필터링 하는 이러한 종류의 '필터 네트워크'를 스피커 크로스오버 네트워크라 합니다.


네트워크는 입력된 오디오 신호를 겹치거나 상호 간섭하지 않는 별도의 밴드로 분리하여 각 스피커(우퍼 와 드라이버)로 전송 함으로써 라우드 스피커 (시스템)’가 원래 녹음된 신호에 가장 근접한 사운드를 재현하도록 하는데 그 목적이 있다 하겠습니다.


네트워크유형은 패시브(Passive) 액티브(active) 로 분류 됩니다.


액티브 크로스오버 네트워크는 전기를 공급해 주어야 동작하고, 주로 바이앰핑(Bi-amping)을 할 때 사용하며,  채널 디바이더가 액티브 의 대표적 모델 입니다.

"바이 앰핑 (Bi-amping)"의 경우 2-way 2개의 앰프, 3-way 3개의 앰프가 필요 합니다 

서로 다른 2~3개의 앰프를 사용, 저음 용 앰프는 저음 스피커 (우퍼)에, 고음 용 앰프는 고음 스피커 (트위터) 또는 중음 및 고음 드라이버 에 신호를 전송하는 방식 입니다 

트라이 앰핑(Tri-amping)은 말 그대로 3 개의 앰프를 필요로 합니다.


패시브 크로스오버 네트워크

스피커 통 내부나 외부에 부착되어 대역 분리용으로 사용되는, 일반적으로 흔히 볼 수 있는 빈티지 오디오 용 네트워크 는 모두 여기에 속한다 할 수 있습니다.

단일 파워 앰프에서 증폭 입력된 오디오(소리) 신호를 서로 다른 2개 이상의 스피커 (우퍼, 드라이버, 트위터)로 나누어 전송하는 유형의 네트워크를 말하며,

전적으로 수동 부품인 인덕터(Inductor,코일) 케패시터(Capacitor, 콘덴서) 및 회로로 구성 하기때문에 '수동 크로스오버 네트워크라고도 합니다.


인덕터는 저주파를 잘 통과시키고 고주파를 차단하는 성질을 가지고 있어 저역 통과 필터(LPF), 

케패시터는 고주파를 잘 통과시키고 저주파를 차단하는 성질이 있어 고역 통과 필터(HPF) 로 사용 합니다.


네트워크의 성능을 좌우하는 첫 번째는 필터(부품)의 품질이고, 두 번째가 제작자의 몫 입니다.

때문에, 고품질의 부품을 사용해야 하는 것은 당연 합니다.


인덕터(코일) 와 캐페시터(콘덴서)는 어느 정도 저항을 갖고 있습니다.

네트워크는 스피커 자체 저항을 기반으로 설계하기 때문에 인덕터의 저항이 높으면 스피커 저항과 결합된 부하저항으로  음질에 불리 하게 작용 할 수 있습니다.

인덕터는 현실적으로 유일한 재료인 구리선을 사용하는데 저항을 낮추기 위한 방법으로 적당한 굵기를 선택해야  합니다. 여기서 더 낮추고자 한다면 철 코어(일명 철심코일)를 사용할 수 있습니다. 유' 불리는 잘~ 판단해야 할 문제일 것 입니다. 

케패시터 또한 고품질의..  환경 문제로 생산 금지된 PCB 오일 콘덴서 도 필요하다면 사용할 수 있습니다...


하지만,

필터는 원하는 주파수 범위(컷 오프 주파수)를 벗어나는 모든 주파수를 완전히 차단(감쇠) 시키지 못합니다. 즉, 차단되지 않은 저역 과 고역 주파수는 그대로 남아 있음을 의미 합니다.  이렇게 남은 주파수가 일정한 기울기를 가지는 롤오프 ( roll-dff ) 이며 ,  신호 재생시 로빙(돌출 및 피크 현상)의 원인이 됩니다.

일반적으로 네트워크 설계에서는 '롤오프를 최대한 좁게(곡선의 기울기를 가파르게) 하여 신호가 겹치지 않도록 하는 것'이 포인트 일 것입니다.


스피커 네트워크에 주로 사용되는 필터 유형은

버터워스 필터 (영국 물리학자 Stephen Butterworth)  1930년 필터 이론

통과 대역(필터를 통과할 수 있는 주파수 범위) 에서 가능한 한 주파수 응답이 평탄(동일)하도록 설계된 신호처리 필터 유형입니다. 크로스오버 주파수 주변의 피크가 단점으로 알려져 있습니다.


베셀 필터 (독일 수학자 Friedrich Bessel 1784-1946) 필터 이론

통과 대역에서 필터링 된 신호의 파형을 보존하는 위상 지연(대역폭을 향상시키기 위해 필요)을 극대화하는 필터 유형으로 알려져 있습니다.


체비셰프 필터 (러시아 수학자 Pafnuty Chebyshev)  필터 이론

Butterworth 필터 보다 가파른 롤오프 특성이 있으나, 필터 통과 대역에서 파문이 있는 특성이 단점 입니다.


링크위츠 라일리 필터 (미국 공학자Siegfried Linkwitz & Russell Riley )의 공동 이론

버터 워스 제곱 필터라고 하며 일반적으로 엑티브(전자) 크로스오버 에서 주로 사용한다고 알려져 있습니다.


등이 있지만,

컷 오프 주파수 부근의 음향 돌출부(로빙 현상)를 완벽하게 해소한 네트워크는 찾아보기 어렵습니다.


이상적인 라우드 스피커(2~3-Way 시스템)는 모든 주파수에서 로브(돌출)를 갖지 않아야 하는데,

실제로 거의 대부분의 스피커는 크로스오버 주파수 부근에서 음향이 돌출되는 피크 현상(로빙)을 보입니다.

이 피크 현상이 고역과 저역을 해치는 원인으로 작용 합니다.   빅 마우스가 대표적인 예 입니다.


찾아볼 수 있는 연구자료의 대부분은,

저역통과 필터(인덕터, 코일)를 통과 한 저역 보다는 차단 시키려는 고역 감쇠에,

고역통과 필터(캐페시터, 콘덴서)를 통과 한 고역 보다는 차단 시키려는 저역 감쇠에 관한 자료 들 입니다.

모두, 로빙 현상을 해결(최대한 가파르게)하기 위한 노력 인 것이며,

5차에서 ~ 10차 이상까지 필터링 하는 고가의 하이앤드 네트워크 경향도 같은 이유에서 일 것입니다.


구경도 못해 봤지만, 15차 필터까지 나왔다고 하니 이론 과 실제는 일치하기 쉽지 않은가 봅니다.  

한편, 이러한 노력들은 결과적으로 신호의 손실을 적당히 타협한 수준 일 것이라는 생각을 해 봅니다....


부품 갯수가 많으면, 시스템이 복잡해 지고 제어하기 힘들어지며 그만큼 손실도 따르게 됩니다.

필터 함수가 생긴지 80여년, 오픈 되어 있는 연구자료를 눈 아프게 찾아보지만,, 속 시원한 자료는 보이지 않습니다.


마지막 길목을 가로막고 있는 산적,  앰프를 바꾼다 한들  시원하게 길을 열어줄리 없습니다.

먼저, 산적을 물리쳐야 앰프 선택이 수월해 지고 웬만한 앰프로도 길이 열릴 것입니다.


Oldy 는,

어차피, '2개의 스피커를 완벽하게 꿰맬 수 없다' 면 생각을 달리해서 방법을 찾아야 했습니다.

우선, 옛 것을 철저히 분석하는 것입니다.  복습 철저 !^^

다음, 통과 와 차단 성능이 우수한 고품질의 필터 부품을 찾는 것입니다.

다음은, 기존 회로의 헛 점을 찾아내는 것입니다.

그 다음은,  2 차 필터 까지만 사용해서 해결 방법을 찾아야 합니다.

마지막으로, 손실 최소화를  위한 최소의 복잡성으로 통합 하는 것입니다.


까 짓거 이 정도야 !

봄부터 지금까지 ! 생각보다 오래 걸리긴 했지만,,,

앰프를 만져서는 결코 들을 수 없었던,, 들어 본적 없는 소리가 납니다.

놀랍고!  운이 좋다! 싶습니다.^^


로빙’ 즉, ‘빅 마우스가 해결되니 밸런스가 맞습니다.

컷 오프 주파수 부근의 겹친 에너지 분산으로 저역이 보강되고 배경 음이 살아 납니다.

신호 손실 없는 여유로운 배음은 무대를 풍성하게 합니다.

전에 못 듣던 작은 심벌즈 소리까지 생생 합니다.

이 정도면...


한 건 크~게 사고친  느 낌 !

Oldy의 한 해는 이렇게 저물어 가고 있네요^^

회원 님 들 관심 덕분 입니다.



회원 님 들 !

2017년 한해 고생 많으셨습니다.


남은 시간 마무리 잘 하시고,

2018년! 행복 가득한 무술년 새해 맞으시기 바랍니다. ^^



감사합니다.

음악의 기준 Oldy !

http://cafe.naver.com/oldygoody/380