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[오디오]  3웨이 스피커에서의 크로스오버 네트워크 교체와 주관적 감상평

 
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2022-06-30 18:46:50

스피커를 자작하시는 분들은 모두 아시겠지만, 아무래도 기성품에 비해 이런저런 수정, 변경 등을 많이 가하게 됩니다. 기성품이라면 케이블을 바꾼다든지 토인이나 설치 위치 변경, 스파이크나 점퍼선 교체... 등등이 튜닝 범위가 되겠지만 자작품이라면, 특히 네트워크를 직접 설계했다면 네트워크 튜닝이 가장 드라마틱한 변화를 가져오는 것 같습니다. (물론 유닛이 고정되어 있다는 전제 하에요. 개인적으로는 유닛 변경이 가장 큰 변화를 느끼게 합니다)

 

https://dvdprime.com/g2/bbs/board.php?bo_table=hometheater&wr_id=357860

 

위 글을 올린 이후에도 일부 변경이 발생했습니다. 제가 올린 글을 보신 분들은 아시겠지만 저는 주관적 느낌보다는 공학적 측정치에 기반한 내용을 주로 쓰는데요, 개인 취향에 의존적인 주관적 느낌보다는 되도록 스피커 제작에 도움이 될 수 있는 객관적, 공학적 내용을 중시하기 때문입니다. 그래서 너무 기술적인 내용의 글은 일반적인 오디오 동호회엔 잘 안올리는 편인데... 이번엔 주관적인 느낌도 함께 쓰려 합니다. 측정과 공학적인 접근이 기본이라는 생각은 변함 없지만, 그래프만 다림질한다고 좋은 소리가 나는 것도 아니고, 그런 측정치와 제 개인적 취향이 어느 지점에서 부합하고 어디에서 어긋나는 지를 알아야 제 마음에 드는 소리를 만들 수 있으니까요.


잡설이 길었는데, 아무리 주관적 감상을 쓴다 해도 맨땅에 얘기하긴 좀 그렇고, 일단 주파수 응답부터 시작해 봅니다. 완성된 스피커는 그동안 여러차례 게시판에 올렸듯이 아래와 같은 모습이구요.

 


위 사진의 스카닝 미드&우퍼/스캔 베릴륨 트위터 조합의 3웨이는 현재도 네트워크를 튜닝 중인데요. 현재까지 수정된 내용과 주관적 느낌을 써볼까 합니다. 

 

 

위 그래프에서 검정색은 한쪽 스피커만 대상으로 On-Axis 측정한 것입니다. 1m 거리, 트위터 높이, 음향심리 스무딩이 적용되었고 종횡비는 50dB/decade 입니다. 게이팅은 적용하지 않았습니다. 붉은 색은 제 청취위치에서 좌, 우 2대의 스피커를 동시 측정한 것으로 약 20cm 상하좌우 위치를 변경하며 반복 측정하여 평균낸 것으로 거리는 약 3m 정도 되고 12도 정도 토인이 되어 있긴 하지만 약 8도 정도 Off-Axis 측정한 그래프입니다. 실제 제 청취환경과 가장 비슷하게 측정한 것이고 나머지 조건은 같습니다.


청취환경에서 저역대는 룸 영향으로 재생 대역이 10hz 이상 내려가고 음압도 살짝 높아졌습니다. 200Hz~10k 대역은 1~2dB 정도 차이가 나긴 합니다만, 일반적인 가정의 룸 환경에서 이 정도의 평탄함은 어느 정도 용인할 수 있는 수준입니다. 10k를 넘어가면 최대 6db 정도 감쇄되는데, 3m 정도 되는 거리를 감안하면 이러한 감쇄폭은 일반 유명 브랜드 제품에서도 쉽게 찾아볼 수 있고 제방의 Decay time이 10k 이상에서 다소 긴 편이라 낮은 음압을 어느 정도 보상해 줍니다. 


사실 처음에는 PEQ를 적극 활용하여 위 그래프에서 훨씬 더 평평한 그래프를 얻었지만, 35Hz의 피크는 오히려 있는 것이 저역의 양감을 느낄 수 있어 음악의 밑둥이 튼튼한 느낌을 주고 그 대역이 넓지 않아 그대로 놔 두는 것이 청감상 낫다는 결론을 냈습니다. 이어서 있는 60hz의 딥과 상호 보완을 해주면서 생각보다 청감상의 문제나 불균형은 거의 느끼기가 어렵습니다. 개인적으로 이런 비교적 좁은 대역의 피크와 딥보다는 넓은 대역(예를 들면 2옥타브 이상)에 걸쳐 완만하게 꺼지거나 솟은 경우가 청감상으로는 훨씬 더 큰 영향을 주는 것 같습니다. PEQ로 무리하게 잡을 수는 있지만 음질적인 왜곡이나 WASAPI Exclusive 지원은 둘째 치고 몇 가지 한계가 있었습니다.


- PEQ로 딥은 잡기가 거의 어려움 (상쇄간섭으로 일어나는 거라서 음압을 올려도 별 차이가 없죠)

- 피크는 눌러줄 수 있지만 Decay time은 거의 그대로 유지됨 (초기음과 잔향과의 밸런스가 깨지는 느낌)

- 스윗스팟이 극단적으로(예를 들면 10cm 이내) 좁아짐


위와 같은 이슈로 인해서 현재는 PEQ를 적용하지 않고 있습니다. Dirac 같은 전문 S/W를 사용하면 훨 나은 결과를 얻겠지만.. 어쨌든 EQ의 효용성을 부정하거나 거부감은 없는 편이라 상황이 바뀌거나 새로운 노하우가 쌓이면 또 적극 활용할 생각이고요.


이번엔 위상 정렬과 크로스오버 포인트에 대한 내용입니다.

 

 

위 그래프의 측정 조건은 위에 언급한 것과 같고, 붉은 점선으로 표시된 미드 역상연결 그래프만 FDW가 적용되었습니다. 크로스오버 지점은 각각 420Hz, 2.8kHz로 예전에 우퍼/미드 COP였던 180Hz보다 많이 올라갔습니다. 제가 모델로 삼았던 Rockport 스피커를  참조하기도 했고, 되도록이면 미드 영역은 고성능 미드로 넓게 커버하는게 좋다는 생각때문에 비교적 낮게 잡았던 것인데, 아무래도 200~400Hz 영역을 5.5인치 미드로 재생하는 것과, 8인치 더블로 재생하는 것은 스케일과 타격감 등에서 꽤 차이가 납니다. 물론 정교함과 섬세한 같은 것은 좀 손해를 보지만 종합적인 느낌은 조금 올려주는게 더 나은 것 같습니다. 제가 모티브로 삼은 Rockport 스피커는 크로스오버가 150Hz로 오히려 더 낫지만, 대신 미드레인지가 6인치가 약간 넘습니다. 저도 스카닝 15H가 아니라 6.5인치 모델을 썼다면 180Hz를 그대로 유지했을텐데, 15H로는 조금 아쉬운 느낌이 있더군요. 애초에 15H가 저역 재생에 강점을 가진 유닛도 아니고요. 반면 우퍼인 23i는 중역대까지 꽤 잘 올라오는 편이라 종합적으로는 400Hz 정도가 더 좋다고 느꼈습니다


사실 COP를 180으로 잡든 420으로 잡든 주파수 평탄화해서 찍어보면 그래프는 거의 같습니다. 그래프만으로는 우열을 판단할 수 없고, 이런 건 오로지 직접 귀로 듣고 평가할 부분이죠. (물론 distortion 그래프는 좀 차이가 나긴 합니다만)  결국은 귀로 들어 판단할 수 밖에 없는 것 같습니다.


두번째 차이점은 COP 대역의 위상정렬 부분인데 원래 제가 신경쓰는 부분이기도 합니다만 이번엔 우퍼 LPF 차수를 3차에서 2차로 조정하고 시뮬레이션 외에 직접 측정을 통해서 좀 더 정확하게 맞췄습니다. 시뮬레이션은 변화의 방향성을 예측하는데는 더할 나위 없이 좋은 도구지만, 입력 파라메터가 정확해야 한다는 전제가 붙습니다. 대략적인 변화 양상을 볼 때는 조금 부정확한 값을 넣어도 되지만, 미세튜닝에 들어가면서 민감도가 높은 부품은 약간의 차이만으로 결과가 크게 바뀝니다. 코일이나 콘덴서, 저항값은 실제 부품에 표기된 것과 생각보다 차이가 꽤 큽니다. 특히 코일의 DCR이나 콘덴서의 ESR같은 것은 완전히 다른 경우도 많은데 우퍼에서는 1옴 이하의 작은 DCR 차이로 위상이 크게 변하기도 하기 때문에 반드시 실측하는게 좋습니다. 코일의 경우 인접한 코일에 의해 변하는 mH값이 꽤 크기 때문에 이 점도 반드시 고려해야 하고요. 


이외 첨언할 것이 하나 있는데, COP에서의 위상정렬을 역상으로 연결하여 딥이 깊게 생기는 것으로 판단하곤 합니다만 얼마 전 구경꾼님께서 이렇게 튜닝할 경우 스윗스팟이 매우 좁아져서 오히려 정/역상으로 연결했을 때 별 차이가 없는 그래프가 더 낫다는 조언도 주신 바 있습니다. 저도 어느 정도는 공감하는데, 확실히 이렇게 튜닝하면 스윗스팟이 50cm ? 정도로 매우 좁게 형성되는 느낌이 있습니다. 다만 개인적으로는 스윗스팟 안에서 들을 수만 있다면 현재 제가 하는 방식으로 튜닝한게 소리가 더 좋게 들렸고요. 결국 혼자서 정해진 위치에서 주로 듣는지, 여러 사람과 함께 다양한 자세(?)로 위치를 바꿔가며 들을 것인지에 따라 튜닝 방법이 달라질 수 있을 것 같습니다. 


암튼 정밀 튜닝에 들어가서는 지루한 실측과 청감상의 튜닝이 반복되는데 측정치와 청감상의 느낌이 일치하면 좋지만 사실 그렇지 않은 경우도 많습니다. 위상정렬도 잘 됐고 임피던스 곡선도 문제 없고 주파수도 플랫하고 등등 측정치가 좋지만 여전히 뭔가 아쉬울 때가 있죠.


이 단계에 들어서면 그때부터는 네트워크 회로는 유지하되, 부품을 한 두개씩 바꿔봅니다. 이번 경우에는 비용과 부피문제로 들어갔던 미드의 직렬 콘덴서가 문도르프 전해에서 젠센의 Z-cap standard로 교체됐고, 트위터의 직렬 저항이 문도르프 MOX에서 슈프림 권선저항으로 교체됐습니다. 둘다 효과를 보긴 했는데, 제 개인적으로는 (이번 경우에 한해서) 저항교체가 더 큰 차이를 느꼈습니다. 대개는 콘덴서 교체 시 차이를 더 크게 느끼는데 이번엔 트위터의 직렬저항이 더 병목이 됐던 모양입니다. 저항 교체 후에 더 경쾌하고 음의 윤곽이 뚜렷한 느낌을 받았습니다.

 

이전에 작업했던 크로스오버 네트워크인데, 우측 상단의 전해 캡이 교체된 콘덴서입니다. 

미드 LPF에 들어가는 직렬 코일도 조금 굵은 것으로 교체했는데 (문도르프 공심 L71 --> L100) 이것도 나름 차이가 느껴지긴 합니다. 주로 남성 보컬 (예를 들면 레너드 코헨 ?, 아니면 팬텀 싱어에 나왔던 남성 4중창단 류)에서 힘이 느껴질 때가 있습니다.


다음 교체 대상을 살펴 보면 우퍼의 병렬 코일이 전해 콘덴서 (150uF)가 들어가 있고, 조벨용 병렬저항과 트위터의 병렬저항이 MOX인데 이것도 필름과 권선저항으로 바꿀지는 아직 결정하지 못했습니다. 개인적으로 병렬로 연결되는 부품들은 직렬보다는 소리 차이가 덜 느껴지기도 하고, 150uF을 필름으로 하려면 부피와 비용이 좀 부담스러워 가성비가 높지 않다고 느껴서인데, 결국 언젠가는 바꾸지 않을까 싶습니다. -_-


이밖에 포트도 주파수를 약간 올렸고, 볼트로 고정되는 부품간의 밀폐/결합도도 조금씩 더 손을 봤습니다.  200Hz 정도에서 최하 2.8옴까지 떨어졌던 임피던스도 최하 3.9 정도로 조정하면서 앰프의 부담을 줄였고요. 결과적으로 이것저것 손을 꽤 많이 본 편인데, 일부는 측정치로 나타나기도 하고, 어떤 것은 실제 들어야만 차이가 느껴지는 것도 있습니다. 물론 이 청감상의 차이는 워낙 주관적이고 플라시보도 많아서 그 동안 올린 글에는 가급적 얘기를 안했었는데, 어느 정도 소리가 안정화되는 시점이 돼서 한번 정리해 봤습니다.

 

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Comments
Updated at 2022-06-30 22:51:30

너무나 재미있게 읽었습니다. 실험 정신이 여전하시네요.

 

몇가지 주제 넘는 말씀을 드린다면,

 

1. 언급하신 Crossover Point 에서의 결합 방법은 -6dB / 180도 또는 -3dB / 90도의 차이겠습니다. 전자가 설명하신 것과 같이 역상 결합에서 딥이 생기는지로 확인하는 것이며, 후자가 제가 제안한 것과 같이 극성을 뒤집어도 레벨 차이가 적도록 하는 방법이겠습니다. 두 방법의 차이는 스윗 스팟에 대한 것도 있겠으나, 전자의 경우는 미드와 트위터가 곂치는 transition 영역이 후자보다 상대적으로 적은 만큼, 청감상 미드와 트위터의 개성이 뚜렸하게 드러나는 경향이 있어, 이것이 장점으로 작용할 수 있게 됩니다.

 

2. 유닛에 병렬로 연결되는 부품들이 직렬 연결 부품보다 소리 차이가 덜 느껴지는 것은 100% 사실입니다. 특별하지 않는 이상, 병렬 연결 부품에 cost 를 많이 쓸 필요는 없습니다. 우퍼의 병렬 콘덴서의 경우는 무극성 전해 콘덴서에 작은 용량의 film 을 병렬로 같이 쓰는 것만으로도 충분할 수 있습니다.

 

3. 네트워크 사진에서 잘 안보이는데, 미드의 attenuation 용으로 L Pad 와 같은 저항을 사용하지는 않으신 것 같은데, 이 점은 좋은 선택이라 생각됩니다. 미드에 연결되는 직렬 코일의 굵기에 따라 청감이 다른 것은 결국 DCR 때문이며, DCR 뿐만아니라 저항으로 레벨을 조정하는 것도 청감에 많은 영향을 주며, 저항 없이 attenuation 레벨을 맞추는 것이 청감상 좋은 결과로 이어지는 편입니다. 참고로 미드의 경우, LPF 와 HPF 의 조합만으로 레벨 attenuation 도 가능하며, LPF 와 HPF 를 어떻게 조합할 것인가의 그 knowhow 에 따라 청감상 엄청난 차이를 가져올 수 있겠습니다 (이와 관련되어 저도 스피커 설계 경력 40년이 넘는 선배님으로부터 최근에서야 배운 인터넷 검색으로는 절대 찾을 수 없는 어마어마한 - knowhow 를 하나 가지고 있네요).

 

4. 트위터의 경우, 저항으로의 attenuation 은 필요불가결한 편이라, L Pad (직병렬 저항)보다는 (가급적) 직렬 저항만 사용하는 것을 추천 드립니다. 다만, 직렬 저항의 경우, 신호 경로 상에서 앰프 쪽으로 배치할 것인지, 유닛 쪽으로 배치할 것인지에 따라, (측정치와도 관계되겠지만) 청감상 매우 다른 결과를 가져오게 됩니다. 개인적인 추천은 앰프 쪽으로 배치하는 것입니다(항상 가능한 것은 아니겠지만...).

 

이만... 도움이 되셨기를... 

 

WR
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2022-07-01 08:06:12
일반적으로 얻기 어려운 고급스런 내용들을 조언해 주셔서 감사합니다. 

1. 지난 번 조언해 주신 내용에 따라 이리저리 회로를 수정하며 청감상으로 비교를 해 보고 내렸던 주관적인 결론이었는데, 보다 공학적으로 판단해 본다면 말씀해 주신 이유가 있겠군요. 크로스오버 설계시 겹치는 구간에 대한 고민은 주로 차수를 결정하는 관점에서만 단편적으로 했던 거 같은데 확실히 유닛특성(자체 감쇄 슬롭 등)이나 위상정렬, 주파수 평탄화, 음압 매칭 등 다양한 변수들이 서로 의존성을 갖고 복합적으로 영향을 끼치기 때문에 좀 더 종합적으로 판단하는 능력을 길러야 할듯 합니다. 

2. 제가 청감능력이 좋지 않다 보니 병렬 소자등에 대한 소리 차이를 잘 못느껴도 이게 정말 차이가 없는 것인지, 저  개인적으로만 잘 모르는 것인지 판단이 어려웠습니다. 물론 그 차이를 크게 느끼는 분도 계시겠지만 제 수준에서는 조언해 주신 것처럼 병렬 소자에 비용을 들이는 것보다는 좀더 효과가 큰 다른 포인트에 투자를 하도록 해야겠습니다. 실제로도 현재 우퍼의 병렬 콘덴서는 문드로프 e-cap 전해캡에 소용량의 실버골드 캡이 덧방되어 있는데 청감상 나쁘지 않은 것 같습니다.

3. 개인적으로 네트워크 소자는 되도록 숫자를 줄이는 것을 선호하기도 하고, 미드나 우퍼부에 음압조절용으로 저항을 넣는 것은 그래프상으로 평탄화하는데는 도움이 될지 몰라도 청감상으로는 그다지 좋은 효과를 보지 못해서 최대한 배제하는 편입니다. 특히 미드/우퍼에 직렬 저항을 쓰는 것은 W도 커져야 하고 여러모로 선호하질 않아 최대한 cutoff 필터만으로 조정하는 편인데 조언해 주신 내용과 어느 정도 부합하는 거 같아서 안심(?)이 되네요 ^^ 사실 코일의 DCR 은 처음 자작 시작했던 초년병 시절에는 별로 신경쓰지 않았던 값인데, 나중에 이런 저런 경험이 쌓이면서 사용처에 따라 꽤 청감상의 차이를 가져온다는 사실을 깨닫고 미세 튜닝시에는 반드시 확인하는 편입니다. 경험상 무조건 코일 두께가 굵고 DCR이 낮다고 좋은 소리는 아니었는데 이를 일반적인 저항으로 치환해 보면 최적화된 값이 있을테니 납득이 가기도 합니다.

4. 트위터 음압조절은 초기엔 L-PAD를 선호했는데 요즘은 임피던스 곡선 확인하면서 직렬 저항만으로 조정하는 경우가 많아졌습니다. 개인적으로 유닛 쪽에 배치하는 경우가 많았는데, 이번 경우엔 앰프쪽에 다는게 측정치나 청감상 더 좋더군요. (사진은 수정 이전 버전이라 없지만 현재 문도르프의 슈프림 저항이 앰프쪽에 직렬로 들어가 있습니다) 

다시 한번 전문적인 조언 감사드립니다. 대부분 기성품으로 취미생활을 즐기는 DP에서 이렇게 자작과 관련된 고급 정보를 얻게 된다는 사실이 다소 의외이기도 하고요 ^^
2022-07-01 11:32:46

알순아빠님이 올리신 내용에 "자작 수준을 넘는 고급 정보들"이 더 가득하네요. ^^ 이미 DIY 가 아니라, 기성품과 비교될 수 있는 수준이십니다. 그래프에서의 한가지 아쉬운 것은 200~250Hz 사이에서의 딥인데, 측정시의 룸 특성일 수도 있겠고, 유닛 자체의 특성이나 네트웍 특성일 수도 있겠습니다. 만약 유닛 자체의 특성이 아니라면, 개선점을 찾아보셔도 좋을 것 같네요. 다음 글도 기대해보겠습니다.

WR
2022-07-01 13:35:25

"단순 취미 수준"의 글로 기대치를 낮추고 본다면 조금 쓸모 있는 내용도 있지 않을까 싶었은데, 별로 댓글이 없는 거 보면 지루하고 재미없는 내용인 거 같습니다. ^^; (물론 자작 커뮤니티가 아니니 흥미도가 떨어지는 건 당연하긴 합니다만)

 

지적하신 딥은 인클로져에 유닛만 수납하고 근접측정했을 때 나오지 않는 것으로 보아 유닛 자체의 특성은 아니라고 생각하고 있습니다.  사실 근접측정하면 LPF 걸어도 해당 딥이 나오지 않는 것으로 보아 룸모드의 영향이 가장 크지 않을까 추측하고 있습니다. 룸특성으로 추정하는 또 다른 이유는 PEQ로 해당 딥을 부스팅해도 잘 채워지지 않는다는 것도 있고요. 하지만 일반적인 음악에서 상당히 영향이 큰 대역이 비교적 넓게 꺼져 있어서 청감상으로 감지되는 게 사실인지라 룸 튜닝을 하든 네트워크 보정을 하든 풀어야 할 숙제인 것은 맞습니다. 계속해서 여러가지 시도와 연구가 필요할 것 같습니다. (첨부한 그래프는 인클로져에 유닛만 수납하고 네트워크 없이 근접 측정한 그래프입니다) 

 
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