[오디오]  하이파이에 서브우퍼 접목하기 - 활용편

안녕하세요.

1편 서브우퍼 선택요령에 이어서 글 남깁니다.

2. 2채널 시스템에 서브우퍼 추가 시 얻을 수있는 장점과 단점

2채널 시스템에 서브우퍼를 추가하려는 가장 큰 이유는 저음보강에 있습니다. 일반적인 북쉘프 스피커는 60Hz즈음하여 롤오프가 시작되어 40Hz 아래 대역은 청취위치에서 제대로 느끼기 힘든 수준으로 음압이 떨어져 버립니다. 이 대역대를 커버하기 위해 서브우퍼를 따로 물려주게 됩니다. 잘 만들어진 서브우퍼라면 20Hz까지는 무리없이 재생을 하기에 북쉘프 스피커와 조합으로 대형기에서 느낄 수 있는 깊은 저음을 이상을 느낄 수 있습니다.

또다른 이유로는 균형잡힌 저음을 위해서 입니다. 플로어스탠딩 스피커의 경우 베이스 부분을 따로 빼서 배치를 하지 못하기에 어쩔 수 없이 놓을 수 있는 위치가 제한되게 됩니다. 스피커의 위치에 따라 정재파로 인한 딥과 피크 구간이 청취 위치에서 발생하게 되며 이로 인하여 균형잡힌 저음을 얻을 수 없게 됩니다. 

아무리 대형기라 할지라도 청취위치가 정재파로 인한 딥 구간일 경우 맥빠진 저음만 듣게 됩니다. 이 때 서브우퍼의 도움을 받아 정재파 발생을 피할 수 있는 곳에 서브우퍼를 둘 경우, 청취위치에서 균형잡힌 저음을 얻을 수 있게 됩니다.

2채널에 서브우퍼를 추가함으로 얻을 수 있는 장점도 있지만 세팅을 잘못할 경우 여러가지 단점도 따라오게 됩니다. 

첫번째, 시간정렬과 위상정렬이 제대로 되지 않음으로 인하여 생기는 주파수 응답특성의 악화가 있습니다. 2채널 시스템에 서브우퍼 추가할 때 가장 해결하기 어려운 문제이자 가장 큰 문제이기도 합니다. 시간을 어느정도 일치 시켰다 할지라도 위상이 틀어진다면 스피커와 서브우퍼의 조화가 이루어지지 않습니다. 

두번째, 서브우퍼 유닛과 스피커 유닛의 특성 차이로 오는 매칭의 문제가 있습니다. 시간,위상이 정렬되었다 할지라도 유닛 고유의 소리특성이  다를경우 베이스와 미드의 질감이 분리되어 버립니다다. 하지만 이런 문제가 발생하는 대부분의 경우는 크로스오버를 100Hz 대역 이상으로 높게 잡은 경우이며, 일반적인 50~80Hz 대역에서 크로스가 될 경우 큰 문제가 되지 않습니다. 낮은 대역을 내는 악기라 할지라도 악기 고유의 음색은 배음으로 인하여 나타나는 경우가 많기에 100Hz위를 재생하는 메인 스피커가 음색 결정에 많은 부분을 담당하게 됩니다. 

3. 2채널 시스템에 서브우퍼 세팅 방법

스피커를 대형기로 완벽하게 탈바꿈 시킴과 동시에 균형잡힌 저음을 위해서는 가지고 있는 서브우퍼의 특성을 정확하게 파악을 해야 합니다. 

우선 시간정렬을 하기 위해선 내가 가진 서브우퍼 내부 회로에서 생기는 딜레이가 얼마인지 알아내는게 가장 우선입니다. 그다음 서브우퍼 자체 phase 조절 기능이  어느대역을 중심으로 적용이 되며, phase변경으로 인한 딜레이는 어느정도 증가하는지 아는것 역시 중요합니다. 

참고로 SVS제품의 경우 서브우퍼 자체 DSP로 인한 내부 딜레이는 1ms(0.001초)~2ms(0.002초) 사이이며, phase는 80Hz 기준으로 적용이 되게 되어있습니다. phase를 180도로 변경할 경우 80Hz의 반파장 길이가 2.1m 이기에 딜레이 타임으로 따지면 6.25ms의 딜레이가 추가 되게 됩니다. 

phase의 개념은 특정 대역에 따른 시간의 변화차이로 정해지기에 80Hz를 180도로 변경하였다고 해서 다른 대역대 역시 모두 180도로 동일하게 변경되진 않습니다. 이는 서브우퍼 내부회로에 따라 다르게 적용이 되기에, 정확하게 알기 위해선 제조사에 문의 해서 알아보는 방법이 가장 좋습니다. 

서브우퍼 내부 딜레이와, phase 변경으로 인한 딜레이를 알았다면 이제부터 서브우퍼가 메인 스피커로 부터 어느위치 안에 놓여야 되는걸 알아야 합니다. 정재파를 줄이겠다고 무작정 서브우퍼를 메인과 멀리 위치시킬 경우 시간차이로 인한 분리 문제가 생겨나게 됩니다.

첫번째 글인 '서브우퍼 선택요령' 내용 중,  Group Delay에 관한 설명이 있습니다. 우선 이 부분을 한번더 읽어보시길 추천드립니다.  청각은 낮은 대역일 수록 그룹딜레이에 둔감해지며, 대역이 높아질 수록 그룹딜레이에 민감해지게 됩니다. 중역대 이상에서는 10ms 이내에 유지하는게 좋지만 40Hz 이하의 저음대역에서는 그룹딜레이가 길어지더라도 청각으로 느끼기 힘들어 집니다. 

그렇기에 80Hz이상에서 크로스오버가 이루어진다면 더 낮은 대역에서 크로스오버를 할 때 보다 딜레이에 시간을 좀 더 신경 써 주어야 합니다. 

스피커와 서브우퍼 크로스 오버를 50Hz로 지정을 했다면 스피커에서 소리가 나온 시점으로 부터 30ms 시간안에 서브우퍼에서 소리가 나와주면 서브우퍼 반응이 느리다는 느낌을 받을 수 없습니다.  서브우퍼 자체 딜레이가 있기에 계산을 해보자면 30ms– 1.5ms(서브우퍼 자체 딜레이) - 6ms(위상을 180까지 변경한다는 전제하에) – 1.5ms(로우패쓰 딜레이) = 21ms 안에 서브우퍼가 있어야 합니다. 

여기에서 좀더 엄격한 기준을 위해 10ms를 추가로 뺄경우 10ms  정도 시간여유가 생깁니다. 거리로 환산하자면 스피커와 청취자 까지의 거리보다, 서브우퍼와 청취지 까지의 거리가 최대 3m까지 떨어져 있더라도 서브우퍼가 늦어진다는 느낌을 받기 힘들어 집니다.

만약 내부 딜레이 합이 30ms 이상인 서브우퍼의 경우 메인스피커 뒤에 서브우퍼가 있을 경우 응답이 늦어지는 느낌을 받게 됨으로 메인스피커보다 항상 더 앞에 위치를 시켜주어야 하기에 세팅에 있어서 그 만큼 많은 제약을 받게 됩니다.

스피커가 아주 작은 새틀라이트라 크로스오버 지점을 100Hz로 한다면 15ms 안에 서브우퍼에서 소리가 나와야 하기에 서브우퍼 내부 딜레이가 매우 짧은 제품을 매칭해 주어야만 합니다.

여기 까지 따라오셨다면, 자신의 환경에서 서브우퍼가 놓일 수 있는 범위가 어느정도 머리에 그려지게 됩니다. 머리아프고 계산하기 싫다 하실 경우, 간단하게 서브우퍼가 메인스피커보다 더 가까이 청취자에 위치시켜주면 됩니다. 그런 다음 위상을 맞춰 주면 서브우퍼의 반응이 늦다는 느낌은 받을 수 없게 됩니다. 

이렇게 시간 정렬을 일정 수준 이상으로 맞췄다면, 위상은 과연 딱 맞아 떨어지게 될까요?

정답은 아쉽게도 '아니다' 입니다. 

시간정렬과 위상정렬은 비슷한 거 같지만 따로 다른 관점으로 접근 해야 합니다.

시간정렬의 경우 같은 주파수 대역을 재생하는 기기 사이의 타이밍을 맞출 때 유용합니다. 높은 대역의 주파수는 상대적으로 낮은 대역의 주파수 보다 파장이 짧은 만큼 타이밍도 빨라지게 됩니다. 시간정렬을 위해 어떤 지연시간을 선택하든지 주파수 파장의 길이가 다르다면 정확한 시간 정렬은 매우 한정적일 수 밖에 없습니다.

좀더 쉬운 설명을 위해, 서브우퍼만 재생하는 대역을 30Hz라고 과정을 하고 스피커만 재생하는 대역을 200Hz라고 과정을 합니다. 그리고 공통으로 재생하는 대역을 50Hz라고 과정을 합니다.

이를 다시 기차에 대입해 봅니다. 50Hz=50미터 길이의 기차라고 정합니다. 50Hz기차가 언제 역을 지나쳤느냐 에 대한 답변은 기차의 길이와 어디를 기준으로 하느냐 따라 달라 지게에 정확한 답을 낼 수가 없습니다. 

시간 기준이 기차 길이에 따라 다른 상태에서 각 기차를 시간만을 이용하여 연결 하기란 매우 힘듭니다. 하지만 기차 서로간의 거리 조절(위상조절)을 이용한다면 30Hz 기차를 50Hz기차 끝에, 200Hz기차를 50Hz기차 앞쪽에 연결 시켜주기 쉬워집니다. 하지만 거리 조절 한계 역시 정해져 있기에, 기차간의 시간을 어느정도는 맞춘 상태에서 거리 조절을 해주는 것이 중요합니다. 

이어 달리기로 비유를 한번 더 해보도록 하겠습니다.

첫번째 주자들은 모두 시작점이 동일하기에 같은 시작점으로 정렬이 됩니다. 탕! 하는 총소리는 시간 정렬의 순간입니다. 이 때, 주자의 위치와 트랙 시작지점의 거리 차이는 위상차이로 설명이 됩니다. 모든 주자들이 같은 속도로 달리게 되면 시간과 위상도 함께 정렬된 상태로 진행이 됩니다. 그러다 한 주자가 다른 주자보다 빨리 달리기 시작하면 두 주자간의 시간과 위상이 깨어지게 됩니다. 그러다 첫번 째 주자가 시작점에 다시 들어오게 되면 위상은 다시 정렬이 되지만 시간은 여전히 정렬되지 않은채 흐르게 됩니다. 

이어 달리기 시합이기에 첫번째 주자는 두번째 주자에게 바턴을 넘겨주어야 합니다. 여기서 핵심은 두번째 주자는 시간에 관계없이 두 사람의 바턴을 효과적으로 주고 받기 위해 위상을 일치 시켜 주어야 합니다. 만약  바턴을 주고 받아야 하는 지점을 건너 띄어 버린다면(위상이 벌어지게 됨을 의미) 그대로 탈락해 버립니다.

이런 이유로 서브우퍼와 스피커의 정렬을 위해서는 시간 정렬을 한 상태에서 위상정렬을 꼭 해주어야 합니다. 위상이 일치할 경우 트위터가 앞으로 움직일 때 우퍼역시 앞으로 움직이게 됨으로 소리를 자연스럽게 연결해 줄 수 있습니다. 

<노란색색-밀폐형의 위상특성,  흰색-50Hz로 포트튜닝 된 개방형 스피커의 위상특성>

개방형 스피커의 경우 튜닝대역에서 위상값 변화가 밀폐형 제품에 비해 상대적으로 큰 편이기에 위상정렬이 조금더 까다롭습니다.  이럴경우 포트를 막은 상태로 서브우퍼와 위상정렬 시키는것도 좋은 방법입니다.

시간정렬이 앞서 말한 그룹딜레이 범위 밖으로 나가지 않는다면 위상정렬을 통해 메인 스피커와 조화를 이룰 수 있습니다. 

대역별로 정확한 위상정렬은 각 유닛특성에도 영향을 받습니다. 스피커 제작에 있어서도 각 유닛간의 위상정렬을 재생 대역 모두 완벽하게 일치시키기란 사실상 불가능에 가깝습니다. 그렇기에 서브우퍼를 추가하여 메인스피커와 위상을 완벽하게 맞춰야지라는 생각은 하지 않는게 좋습니다. 대략적으로 크로스오버 지점은 15도 범위 안에, 주변 대역 위상은 45도 범위 안에만 맞춰 준다면 무리 없이 매끈하게 연결되는 모습을 볼 수 있습니다. 

전문 측정 장비를 이용한다 할지라도 서브우퍼의 한정된 메뉴와 거리조절을 이용하여하 하기에 여기서는 이런 장비를 이용한 내용까지는 다루지 않겠습니다. 취미 수준에서도 기본적인 음압측정을 통해서 위상을 맞춰줄 수 있습니다. 

이제 부터 위상정렬을 하는 방법에 대해 설명드리겠습니다. 설명은 50Hz 크로스오버 기준으로 하겠습니다.

1. 서브우퍼를 스피커 시간축이 허용하는 범위 안에 놓아 줍니다. 정상적으로 만들어진 서브우퍼라면 메인스피커보다 뒤로 2M 이상만 떨어져 있지 않다면 허용 범위 안이라고 판단하셔도 됩니다. 타이밍을 좀 더 정확하게 하고 싶다면 메인스피커 보다  앞으로 나오는게 좋습니다.

2. 서브우퍼 Low Pass 대역을 50Hz로 설정합니다. 만약 기울기 선택도 가능하다면 메인스피커 감쇄값에 따라 맞는 기울기 값을 선택합니다. 기울기 값은 위상에도 영향을 주기에 다양한 기울기 값을 선택 가능한 서브우퍼가 위상정렬에 유리합니다. 

3. 메인스피커의 극성을 반대로 연결해 줍니다.  이 때 스피커는 한개만 사용합니다. 

4. 31hz, 39hz, 49hz, 62hz, 78hz, 99hz, 125hz 를 재생 할 수 있도록 준비합니다. 휴대폰 어플, 톤제너레이터 소프트웨어, 또는 http://onlinetonegenerator.com/ 웹페이지에서 바로 재생 가능합니다.

좀더 정밀한 측정을 위해서는 측정 주파수 대역을 1/6 octave 수준까지 올려주면 됩니다. 

5. 휴대폰 어플중에 데시벨 미터기를 다운받습니다. 휴대폰으로는 정확한 데시벨 크기 측정은 불가능 합니다. 하지만 상대적인 음압 크기만 체크하면 되기에 휴대폰 데시벨 미터기 만으로도 충분합니다. 만약 전문 데시벨미터기가 있으면 그걸로 활용하셔도 됩니다.

6. 위상값을 0도에서 각 주파수신호를 재생하여 음압을 메모해 놓습니다. 15도씩 증가시켜 나가면서 위상에 따른 대역별 음압을 모두 적어놓습니다. 

7. 31~125Hz 의 평균 음압이 가장 낮게 나오는 위상값을 찾은 다음 고정합니다. 이때 100Hz 이상 대역보다는 50Hz 주변 대역을 우선 시 하는게 좋습니다.

8. 이제 부터 위상은 변경하지 않습니다. 

9. 서브우퍼를 앞뒤 최대 60cm 정도 이동하는 범위 안에서 80~120Hz 음압이 가장 낮게 나오는 곳에 위치 시킵니다. 42cm 이동할 경우 50Hz에서 위상값은 22.5도 변경 되지만 100Hz에서는 45도가 변경 되게 됩니다. 그렇기에 상대적으로 낮은 대역의 위상값을 우선 찾은 다음 높은대역은 서브우퍼의 위치이동을 통해 맞춰 주는게 좋습니다. 

* 만약 REW 같은 소프트웨어와 측정마이크를 가지고 있다면 해당 프로그램을이용해 20~200Hz 응답곡선을 체크해보면 됩니다. 굳이 위상값을 체크해 볼 필요는 없습니다. 

* 휴대폰 RTA어플은 추천드리기가 어렵습니다. 우선 해상도가 너무 안 좋으며 1/12 octave 수준으로 나오는 어플역시 정확도가 떨어집니다. 테스트해본다고 유료어플까지 받아 보았는데 별로입니다 ㅠㅠ

빨강: 3인치 풀레인지 스피커의 주파수 응답 

파랑: SVS PC12-Plus 주파수 응답
초록색: 서브우퍼와 스피커 극성을 바꾼 사애에서 측정한 주파수 응답

위 FR 그래프는 스피커 극성을 바꾼 상태의 응답곡선입니다. 위상이 맞지 않은 상태에서 측정한 결과물과 비슷하다고 생각하셔도 됩니다. 3인치 스피커와 서브우퍼과 겹치는 구간에서 보상이 이루어지지 않고 심하게 캔슬링이 되어 계곡이 생기는걸 볼 수 있습니다. 

위 그래프는 위상을 맞춘 상태에서 측정한 FR응답특성입니다. 3인치 풀레이지 + 서브우퍼라는 아주 변태적인 조합의 결과물 입니다.

서브우퍼 크로스오버는 150Hz로 설정이 되어 있으며, 위상값은 150도로 설정을 하였습니다. 

크로스오버 지점이 일반적인 경우와 달리 150Hz로 매우 높은 상태였지만, 아주작은 3인치 풀레인지 스피커에 서브우퍼가 자연스럽게 연결된 소리를 내어 주었습니다. 

지금까지 서브우퍼 한개를 이용하여 스피커 한개에만 맞춰서 위상을 맞추었습니다. 만약 서브우퍼 한개만 이용하여 2채널 하이파이에 접목 시키기 위해서는 서브우퍼 위치를 스피커 사이 중앙에 놓는게 좋습니다. 이렇게 해야지만 좌, 우측 스피커 동시에 위상을 정렬시켜줄 수 있습니다. 이상 적이기엔 스피커 하나에 서브우퍼를 하나씩 물려서 좌,우 스피커에 맞게 각각 위상을 맞춰 주는게 좋습니다. 

여기까지 글을 마칩니다. 

정확한 세팅을 위해선 많은 노력이 필요하며, 그럼에도 불구하고 위상정렬에 실패할 수도 있는 작업입니다. 하지만 시간, 위상 정렬에 성공한다면 이전 보다 훨씬 더 깊고 균형잡힌 저음을 얻을 수 있습니다. 

쉬우면서 간편하게 매칭을 시켜줄 수 있는 문제가 아니기에 이 글을 시작할까 말까 고민을 많이 하였습니다. 하지만 서브우퍼를 하이파이에 접목하실려는 분들께 조금이나마 도움이 될까 싶어 이렇게 글을 남기게 되었습니다.  뭔가 쉽고 간편한 방법을 기대하시며 기다려주신 분들께는 죄송합니다 ㅠ,ㅠ

번외::

서브우퍼와 메인스피커간의 매끈한 연결이 주 목적이 아니라, 정재파 문제를 극복하면서 균형잡힌 저음응답특성이 우선일 경우에는 2대 이상의 서브우퍼를 분산배치하여(앞,뒤 또는 대각선 앞뒤) 응답특성을 좋게 가져가는 방법도 있습니다. 이 같은 방법은 주로 홈씨어터에 적용하는 방법입니다. 홈씨어터의 경우 리시버의 거리조절 기능과 자동보정 기능을 통하여 서브우퍼와 메인스피커간의 타이밍을 훨씬 더 손쉽게 맞춰줄 수 있습니다.