우퍼

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 우퍼의 설계
3. 액티브 우퍼
- 3.1. 이퀄라이즈드 우퍼
- 3.2. 디지털 필터링 크로스오버 및 이퀄라이제이션
4. 콘 재료
5. 프레임 디자인
6. 전력 처리
7. PA 및 악기 응용 분야
8. 주파수 범위
9. 서브우퍼
10. 미드베이스
참조

1. 개요

우퍼는 저주파 증폭 신호를 기계적 공기 운동으로 변환하는 스피커의 한 종류이다. 우퍼는 라우드스피커 인클로저와 함께 설계되어 저주파수 대역을 재생하며, 오디오 크로스오버 네트워크를 통해 다른 스피커와 주파수 대역을 분리한다. 우퍼 설계는 콘의 움직임을 제어하여 음파를 충실하게 재현하는 것이 중요하며, 1932년 벨 연구소에서 베이스 리플렉스 캐비닛 설계가 특허를 받았다. 액티브 우퍼는 센서를 사용하여 성능을 개선했으며, 이퀄라이제이션 기술과 디지털 필터링을 통해 음향 시스템의 결함을 보상한다. 콘 재료로는 가볍고 강성이 있으면서 링잉이 적은 재료가 사용되며, 프레임은 스탬핑 방식과 주조 방식으로 제작된다. 우퍼의 전력 처리 능력은 열적, 전기적, 기계적으로 구분되며, PA 및 악기 응용 분야에서는 가정용 오디오 우퍼보다 견고하게 설계된다. 서브우퍼는 초저역을 담당하며, 미드베이스는 중저음을 담당하는 유닛으로 우퍼와 함께 사용되기도 한다.

더 읽어볼만한 페이지

스피커 - 베이스 앰프
베이스 앰프는 베이스 기타의 저음역대 소리를 증폭하는 전자 장치로, 솔리드 바디 베이스 기타의 등장과 함께 발전해 왔으며, 다양한 종류와 기술로 연습용부터 대형 공연장용까지 제공된다.
스피커 - PC 스피커
PC 스피커는 컴퓨터 내부에 장착되거나 연결되는 스피커로, 초기에는 소프트웨어와 게임에서 혁신적으로 사용되었으나 사운드 카드 보편화 이후 도태되었지만 오류 표시 등 특수한 용도로 일부 시스템에서 활용된다.
저음부 - 베이시스트
베이시스트는 일렉트릭 베이스 기타나 더블 베이스 같은 저음 악기를 연주하며 록, 팝, 재즈 등 다양한 장르에서 리듬과 화성을 담당하는 중요한 음악가이다.
저음부 - 신시사이저
신시사이저는 전자 회로로 소리를 합성하는 전자 악기로, 1960년대 로버트 무그 등에 의해 현대적인 형태로 발전하여 다양한 음향 합성 방식을 사용하며 여러 장르의 음악과 영화 사운드트랙에 널리 활용된다.
컴퓨터 하드웨어 - 하드웨어 가속
하드웨어 가속은 성능 향상을 위해 특정 연산을 전용 하드웨어로 처리하는 기술이며, 병렬 처리를 통해 연산 속도를 높이지만 유연성이 감소하고 비용이 증가하는 특징을 갖는다.
컴퓨터 하드웨어 - 메인보드
메인보드는 컴퓨터의 핵심 부품들을 연결하여 시스템 작동을 가능하게 하는 인쇄 회로 기판으로, CPU, 메모리, 칩셋, 확장 슬롯 등을 포함하며 펌웨어를 통해 하드웨어를 초기화하고 운영체제 부팅을 관리한다.

우퍼
음향
종류	라우드스피커 드라이버
용도	낮은 주파수 사운드 생성
주파수 범위	20Hz ~ 2,000Hz (일반적인 우퍼 범위)

2. 우퍼의 설계

훌륭한 우퍼 설계를 위해서는 저주파 증폭기 신호를 높은 충실도와 허용 가능한 효율로 기계적인 공기 운동으로 효과적으로 변환해야 하며, 이는 라우드스피커 인클로저를 사용하여 콘의 움직임을 공기에 연결해야 하는 필요성에 의해 도움을 받기도 하고 복잡해지기도 한다. 이 작업을 잘 수행하면, 우퍼 설계의 다른 많은 문제(예: 선형 이동 거리 요구 사항)가 줄어든다.^[1]

우퍼 설계 및 제조에는 콘의 움직임을 제어하여 우퍼의 보이스 코일에 대한 전기 신호가 콘의 움직임으로 생성된 음파에 의해 충실하게 재현되도록 하는 것과 관련된 많은 어려움이 있다. 문제점으로는 콘이 멈추지 않고 움직여 각 사이클에서 순시 입력 신호가 0이 될 때 링잉(신호)을 유발하는 가청 왜곡 없이 깨끗하게 댐핑하는 것과 낮은 왜곡으로 높은 이동 거리(일반적으로 큰 소리를 재현하는 데 필요)를 관리하는 것이 있다. 또한, 증폭기에 모든 주파수에서 너무 크게 벗어나지 않는 전기 임피던스를 제공하는 데에도 어려움이 있다.^[1]

2웨이(고음, 저음으로 분할), 또는 3웨이(고음, 중음, 저음으로 3분할)의 스피커 시스템에서 저음역을 담당하는 스피커 유닛을 우퍼라고 부른다. 명칭은 대형견이나 늑대, 사자, 호랑이 등의 으르렁거리는 소리에서 유래했다. 진폭이 큰 저음역에 특화되어, 에지나 댐퍼 등 진동계의 스트로크는 크게 잡혀있으며, 구경을 크게 함으로써 저왜곡·대음압을 확보하여 박력 있는 저음을 재생한다.

2. 1. 우퍼와 인클로저

대부분의 경우 우퍼와 인클로저는 함께 작동하도록 설계해야 한다. 일반적으로 인클로저는 사용되는 스피커의 특성에 맞게 설계된다. 인클로저의 크기는 재생할 가장 긴 파장(가장 낮은 주파수)의 함수이며, 우퍼 인클로저는 미드레인지 스피커 및 트위터의 경우보다 훨씬 크다.^[1]

오디오 크로스오버 네트워크는 패시브 또는 액티브 방식으로, 우퍼 및 기타 스피커에서 처리할 주파수 대역을 필터링한다. 일반적으로 크로스오버와 우퍼를 포함한 스피커 시스템은 증폭기에서 공급되는 전기 신호를 증폭기와 스피커 간의 다른 상호 작용 없이 동일한 파형의 음향 신호로 변환하도록 예상된다. 하지만 때로는 증폭기와 스피커가 함께 설계되어 스피커가 증폭기에 왜곡 보정 부궤환을 제공하기도 한다.^[1]

현재 널리 사용되는 베이스 리플렉스 캐비닛 설계의 초기 버전은 1932년 벨 연구소의 앨버트 L. 터라스에 의해 특허를 받았다.^[1]

2. 2. 오디오 크로스오버

오디오 크로스오버 네트워크는 패시브 또는 액티브 방식으로, 우퍼 및 기타 스피커에서 처리할 주파수 대역을 필터링한다. 일반적으로 크로스오버와 우퍼를 포함한 스피커 시스템은 증폭기에서 공급되는 전기 신호를 증폭기와 스피커 간의 다른 상호 작용 없이 동일한 파형의 음향 신호로 변환하도록 예상된다. 하지만 때로는 증폭기와 스피커가 함께 설계되어 스피커가 증폭기에 왜곡 보정 부궤환을 제공하기도 한다.^[1]

2. 3. 우퍼 설계의 어려움

훌륭한 우퍼 설계를 위해서는 저주파 증폭기 신호를 높은 충실도와 허용 가능한 효율로 기계적인 공기 운동으로 효과적으로 변환해야 하며, 이는 라우드스피커 인클로저를 사용하여 콘의 움직임을 공기에 연결해야 하는 필요성에 의해 도움을 받기도 하고 복잡해지기도 한다. 이 작업을 잘 수행하면, 우퍼 설계의 다른 많은 문제(예: 선형 이동 거리 요구 사항)가 줄어든다.

대부분 우퍼와 인클로저는 함께 작동하도록 설계해야 한다. 일반적으로 인클로저는 사용되는 스피커의 특성에 맞게 설계된다. 인클로저의 크기는 재생할 가장 긴 파장(가장 낮은 주파수)의 함수이며, 우퍼 인클로저는 미드레인지 스피커 및 트위터의 경우보다 훨씬 크다.

오디오 크로스오버 네트워크는 패시브 또는 액티브 방식으로, 우퍼 및 기타 스피커에서 처리할 주파수 대역을 필터링한다. 일반적으로 크로스오버와 우퍼를 포함한 스피커 시스템은 증폭기에서 공급되는 전기 신호를 증폭기와 스피커 간의 다른 상호 작용 없이 동일한 파형의 음향 신호로 변환하도록 예상된다. 하지만 때로는 증폭기와 스피커가 함께 설계되어 스피커가 증폭기에 왜곡 보정 부궤환을 제공하기도 한다.

우퍼 설계 및 제조에는 많은 어려움이 있다. 대부분은 콘의 움직임을 제어하여 우퍼의 보이스 코일에 대한 전기 신호가 콘의 움직임으로 생성된 음파에 의해 충실하게 재현되도록 하는 것과 관련이 있다. 문제점으로는 콘이 멈추지 않고 움직여 각 사이클에서 순시 입력 신호가 0이 될 때 링잉(신호)을 유발하는 가청 왜곡 없이 깨끗하게 댐핑하는 것과 낮은 왜곡으로 높은 이동 거리(일반적으로 큰 소리를 재현하는 데 필요)를 관리하는 것이 있다. 또한, 증폭기에 모든 주파수에서 너무 크게 벗어나지 않는 전기 임피던스를 제공하는 데에도 어려움이 있다.

현재 널리 사용되는 베이스 리플렉스 캐비닛 설계의 초기 버전은 1932년 벨 연구소의 앨버트 L. 터라스에 의해 특허를 받았다.

2. 4. 베이스 리플렉스 캐비닛

현재 널리 사용되는 베이스 리플렉스 캐비닛 설계의 초기 버전은 1932년 벨 연구소의 앨버트 L. 터라스에 의해 특허를 받았다.^[1]

3. 액티브 우퍼

1965년, 젠하이저는 전자 장치를 사용하여 일반적인 우퍼 서브시스템의 문제점을 해결한 필하모닉 사운드 시스템을 선보였다. 젠하이저는 우퍼에 동작 센서를 부착하고, 우퍼의 실제 움직임에 해당하는 신호를 특수 설계된 앰프에 제어 입력으로 피드백하여 성능을 개선했다. 미국에서는 L W Erath가 이와 매우 유사한 방식으로 고급 스피커 라인을 출시했다.

전자 부품 비용이 감소하면서 센서가 장착된 우퍼는 저렴한 '음악 시스템', 붐박스, 카 오디오 시스템에도 일반적으로 사용되었다. 이는 주로 저렴하거나 크기가 작은 드라이버로부터 더 나은 성능을 얻기 위한 시도였다.

포터블 오디오나 PC용 액티브 스피커는 전기적으로 저음을 증폭하는 회로를 갖기도 하지만, 케이스가 작아 저음이 약한 경우가 많다. 따라서 기종에 따라 서브우퍼를 표준 또는 옵션으로 설정하여 저음을 보강한다.

3. 1. 이퀄라이즈드 우퍼

1965년, 젠하이저는 필하모닉 사운드 시스템을 선보였다. 이 시스템은 전자 장치를 사용하여 일반적인 우퍼 서브시스템의 문제점 몇 가지를 해결했다. 젠하이저는 우퍼에 동작 센서를 부착하고, 우퍼의 실제 움직임에 해당하는 신호를 특수 설계된 앰프에 제어 입력으로 피드백했다. 이를 통해 유연성과 비용을 희생하는 대신 성능(‘타이트함’과 저주파 성능 확장 모두)을 상당히 개선할 수 있었다. 미국에서는 석유 산업 엔지니어인 L W Erath가 이와 매우 유사한 방식으로 고급 스피커 라인을 출시했다.^[1]

전자 부품 비용이 감소하면서 센서가 장착된 우퍼를 저렴한 '음악 시스템', 붐박스, 심지어 카 오디오 시스템에도 사용하는 것이 일반화되었다. 이는 주로 가볍거나 설계가 부실한 인클로저에서 저렴하거나 크기가 작은 드라이버로부터 더 나은 성능을 얻기 위한 시도였다. 하지만 이 접근 방식은 모든 왜곡을 서보 드라이브 기술로 제거할 수 없으며, 설계가 부실한 인클로저는 전자 보정을 시도하여 얻는 이점을 압도할 수 있다는 어려움이 있다.^[1]

스피커의 특성은 측정하고 상당 부분 예측할 수 있기 때문에, 스피커 시스템의 결함을 어느 정도 보상하는 특수한 회로를 설계하는 것이 가능하다.^[1]

이퀄라이제이션 기술은 대부분의 음향 증폭 및 음향 강화 시스템에 사용된다. 이 경우, 우선적으로 하이파이 재생 문제가 아니라 음향 환경을 관리하는 것이 문제이다. 따라서 이퀄라이제이션은 사용된 스피커 시스템과 사용된 공간의 특정 특성에 맞춰 개별적으로 조정해야 한다.^[1]

3. 2. 디지털 필터링 크로스오버 및 이퀄라이제이션

디지털 신호 처리(DSP) 기술을 통해 더욱 정밀한 크로스오버가 가능해졌다. 유한 임펄스 응답(FIR) 등 디지털 기술을 사용하면, 바이앰프 또는 트라이앰프 시스템의 크로스오버를 패시브 또는 액티브 아날로그 필터로는 불가능한 정밀도로 구현할 수 있다. 또한, Klein and Hummel의 최근 디자인에서와 같이 개별적인 변동을 포함한 많은 드라이버의 특이점을 동시에 해결할 수 있다. 이 접근 방식은 복잡하므로 저가 장비에서는 사용되지 않을 가능성이 높다.^[1]

4. 콘 재료

모든 콘 재료는 각각 장단점을 가지고 있다. 설계자가 콘에서 찾는 세 가지 주요 속성은 가벼움, 강성, 그리고 색깔이 없는 것( 링잉이 없어야 함)이다. 케블라(Kevlar) 및 마그네슘과 같은 특수 재료는 가볍고 강성이 있지만, 제작 및 설계 방식에 따라 링잉 문제가 발생할 수 있다. 종이(코팅된 종이 콘 포함) 및 다양한 고분자와 같은 재료는 일반적으로 금속 다이어프램보다 링잉이 덜하지만, 더 무겁고 강성이 떨어질 수 있다. 어떤 유형의 콘 재료로 만들어졌든, 좋은 우퍼와 나쁜 우퍼가 모두 존재한다. 유리 섬유, 대나무 섬유에서 팽창된 알루미늄 허니컴 샌드위치, 운모가 채워진 플라스틱 콘에 이르기까지 거의 모든 종류의 재료가 콘에 사용되어 왔다.

두 개의 P-Audio 우퍼. 주조 프레임, 통풍식 폴 피스 및 강화된 종이 콘에 주목하십시오.

5. 프레임 디자인

프레임 또는 바스켓은 콘, 보이스 코일 및 자석을 적절하게 정렬하여 고정하는 구조이다. 보이스 코일 갭은 매우 좁기 때문에(간극은 일반적으로 약 2.54cm당 천분의 1 수준) 강성이 중요한데, 이는 보이스 코일이 갭 내에서 자석 구조에 닿아 마찰이 발생하는 것을 방지하고 불필요한 움직임을 피하기 위함이다. 프레임에는 주로 스탬핑 방식과 주조 방식의 두 가지 금속 프레임 유형이 있다. 스탬핑 바스켓(일반적으로 강철)은 저렴한 접근 방식이다. 이 유형의 프레임의 단점은 스피커를 큰 음량으로 구동할 경우 바스켓이 휘어질 수 있다는 점이다. 특정 방향으로만 굽힘에 대한 저항이 있기 때문이다. 주조 바스켓은 더 비싸지만 일반적으로 모든 방향에서 더 강성이 높고, 더 나은 댐핑 성능(자체 공진 감소)을 가지며, 더 복잡한 모양을 가질 수 있으므로 일반적으로 고품질 드라이버에 선호된다.

6. 전력 처리

우퍼의 중요한 사양 중 하나는 손상 없이 처리할 수 있는 전력량인 정격 전력이다. 그러나 전기 정격 전력은 정확하게 나타내기 어려워, 많은 제조사들은 매우 짧은 순간에만 도달할 수 있는 최대 정격을 표시한다.

우퍼 정격 전력은 스피커가 극한 상황에 놓일 때 중요해진다. 극한 상황은 다음과 같다.

높은 출력이 필요한 경우
앰프 과부하
특이한 신호(예: 비음악적인 신호)
인클로저가 거의 음향 부하를 제공하지 않는 매우 낮은 주파수 (최대 콘 이동 발생)
앰프 고장

큰 음량에서는 우퍼의 보이스 코일이 가열되어 저항이 증가하고, "전력 압축" 현상이 발생하여 높은 전력 활동이 지속된 후 출력 음압 레벨이 감소한다. 추가적인 가열은 보이스 코일을 물리적으로 왜곡시켜 긁힘, 전선 절연 열화로 인한 단락, 기타 전기적 또는 기계적 손상을 유발할 수 있다. 갑작스러운 임펄스 에너지는 보이스 코일 와이어 일부를 녹여 개방 회로 및 우퍼 고장을 일으킬 수 있다. 일반적인 청취 레벨에서는 우퍼의 전기 정격 전력이 중요하지 않지만, 고주파 드라이버의 경우에는 여전히 중요하다.

스피커 드라이버에는 열적(열), 전기적, 기계적, 이렇게 세 가지 유형의 전력 처리 능력이 있다. 기계적 전력 처리 한계는 콘 이동이 최대 한계에 도달할 때 발생한다. 열적 전력 처리 한계는 높은 전력 레벨이 우퍼에 너무 오래 공급될 때 도달한다. 보이스 코일에 가해지는 에너지 대부분은 소리가 아닌 열로 변환되며, 이 열은 폴 피스, 자석 구조, 프레임으로 전달된 후 주변 공기로 발산된다.

일부 드라이버는 통풍 자석 폴 피스, 전용 열 전도 구조 등 냉각 기능을 포함하여 작동 중, 특히 고전력 레벨에서 코일/자석/프레임 온도를 낮춘다. 보이스 코일에 열을 방출하는 능력보다 많은 전력이 가해지면 최대 안전 온도를 초과하여 접착제가 녹거나, 보이스 코일 포머가 변형되거나, 보이스 코일 권선 절연체가 손상될 수 있다. 이러한 현상은 우퍼를 손상시켜 사용할 수 없게 만든다.

7. PA 및 악기 응용 분야

음향 증폭 및 악기 앰프용으로 설계된 우퍼는 가정용 오디오 우퍼와 유사하지만, 일반적으로 더 견고하게 설계되었다. 일반적인 설계 변경 사항에는 반복적인 운반 및 취급을 위해 제작된 캐비닛, 더 높은 음압 레벨을 허용하는 더 큰 우퍼 콘, 더 높은 전력을 견딜 수 있는 더 강력한 보이스 코일, 더 높은 서스펜션 강성 등이 있다. PA/악기 응용 분야에 사용되는 가정용 우퍼는 PA/악기 우퍼보다 더 빨리 고장 날 수 있다. 반면에 가정용 오디오 응용 분야의 PA/악기 우퍼는 특히 낮은 볼륨에서 동일한 품질의 성능을 발휘하지 못한다. PA 우퍼는 고품질 가정용 오디오의 목표인 동일한 가청 고음질을 생성하지 못한다.

PA 시스템 우퍼는 일반적으로 높은 효율성과 높은 전력 처리 용량을 갖는다. 합리적인 비용으로 높은 효율성을 얻기 위한 절충점은 일반적으로 비교적 낮은 익스커션 능력(많은 가정용 우퍼만큼 "안팎으로" 움직일 수 없음)인데, 이는 혼 또는 대형 반사 인클로저를 위해 설계되었기 때문이다. 또한 마지막 옥타브의 저주파 응답이 크기와 비용을 상당히 증가시키고, PA 응용 프로그램에서와 같이 높은 수준에서 시도하는 것이 점점 비경제적이므로 확장된 저음 응답에도 일반적으로 적합하지 않다. 가정용 스테레오 우퍼는 비교적 낮은 볼륨으로 사용되기 때문에 매우 낮은 주파수를 처리할 수 있다. 이 때문에 대부분의 PA 우퍼는 고품질 고음질 가정용 응용 분야에 적합하지 않으며 그 반대도 마찬가지이다.

8. 주파수 범위

일반적인 음압 수준에서^[2], 대부분의 사람은 약 20Hz까지 들을 수 있다. 가장 낮은 음을 정확하게 재생하려면 우퍼 또는 우퍼 그룹이 적절한 양의 공기를 움직여야 하는데, 이는 주파수가 낮을수록 더 어려워지는 작업이다. 방이 클수록 저주파수에서 필요한 음향 출력을 생성하기 위해 우퍼는 더 많은 공기를 이동시켜야 한다.

9. 서브우퍼

3웨이보다 더 유닛이 담당하는 대역을 분할하여 저음을 재생하는 쪽을 우퍼, 초저역을 재생하는 쪽의 유닛을 서브우퍼 또는 슈퍼우퍼라고 칭하는 경우도 있다. 이 정도의 대역이 되면 인간의 청각으로는 음상 정위가 뚜렷해지지 않으므로 스테레오 재생의 경우에도 설치 위치는 비교적 자유로우며, 차량용 오디오나 소형으로 묶을 필요가 있는 홈 시어터에서는 메인 우퍼와 별도로 설치된다.

풀 레인지 유닛으로 고음에서 저음까지 재생하는 경우에, 보다 저음을 더할 때에도, 더 저음을 재생하는 쪽의 유닛을 서브우퍼라고 칭하는 경우가 많다(우퍼라고 칭하는 경우도 있다).

포터블 오디오나 PC용 액티브 스피커는 전기적으로 저음을 증폭하는 회로를 갖는 경우도 있지만, 케이스가 작기 때문에 선천적으로 저음이 약하며, 기종에 따라 서브우퍼를 표준 또는 옵션으로 설정하여 저음을 보강한다.

홈 시어터 시스템에서 자주 사용되는 돌비 디지털 등에서는 5.1ch나 2.1ch로, 메인 스피커 외에 서브우퍼를 0.1ch로 부가하는 경우가 있는데, 이것은 LFE라고 하여, 메인 스피커와는 별도의 채널로 저음을 부가하는 것이다. 메인 스피커에서 재생해야 할 음의 대역을 분할하는 것과는 다르므로 유의해야 한다.

10. 미드베이스

중저음을 재생하는 유닛을 미드베이스, 저음을 재생하는 유닛을 우퍼라고 부르며, 대역을 나누는 경우도 있다. 어떤 주파수에서 중저음/저음으로 나뉘고, 혹은 저음/초저음으로 나뉘는가에 대한 명확한 구분은 존재하지 않는다. 다만, 미드베이스·우퍼의 경우 동일 인클로저에 장착되며, 우퍼·서브우퍼의 경우처럼 별도의 인클로저에 설치되는 경우는 없다.

참조

_[1] 웹사이트 woofer, n. https://www.thefreed[...]
_[2] 웹사이트 Frequency range of human hearing https://hypertextboo[...] 2022-01-22
_[3] 특허 US patent 1869178

우퍼