글 | 강성훈
1. 임피던스란, 복소수
2. 저항과 임피던스, 유도성 회로
3. 용량성 리액턴스, 임피던스
4. 스피커의 임피던스,
앰프의 출력 임피던스,
스피커 레벨과 라인 레벨 임피던스
5. 기기의 입출력 임피던스 구하기
6. 임피던스 매칭
7. 임피던스 브리징
1. 스피커의 임피던스
스피커 시스템은 아주 복잡한 전기 기계적인 소자(electromechanical device)이며, 그 동작을 정량화하는 것은 간단하지 않다. 실제 스피커 임피던스는 저항 성분 이외에 유도성과 용량성 성분을 가지고 있다.
신호가 처음에 스피커에 가해지면 콘이 진동하기 전에 시간 지연이 생긴다. 이것은 콘이 무게를 가지고 있기 때문이다. 그리고 콘이 움직이기 시작하면 콘은 운동의 변화에 저항하게 된다. 따라서 앰프는 콘을 움직이기 위해서 더 많은 전류를 공급해야 한다. 앰프가 스피커를 진동시키면, 스피커에서는 역기전력 신호를 발생시켜 앰프의 전류 흐름을 방해하게 된다.
스피커는 질량과 스프링으로 구성된 시스템으로서 어떤 주파수에서는 질량 효과가 크고(유도성 부하), 어떤 주파수에서는 스프링 효과가 크다(용량성 부하). 그리고 어떤 주파수에서는 두 효과가 상쇄되어 저항성 부하가 되기도 한다. 이와 같이 스피커의 임피던스는 순수 저항이 아니고, 리액티브성 저항이다. 따라서 스피커의 임피던스 특성은 주파수에 따라서 저항성이 되기도 하고, 유도성 또는 용량성이 되기도 한다. 유도성과 용량성 성분이 같으면 순수 저항성이 된다. 표 1에는 스피커와 전기계의 대응 파라미터를 나타낸다. 그림 1에는 스피커의 등가 회로를 나타낸다.
| 스피커 | 전기계 | ||
| F | 힘 | V | 전압 |
| V | 속도 | I | 전류 |
| M | 질량 | L | 인덕턴스 |
| Cm | 컴프라이언스 | C | 컨패시턴스 |
| Rm | 기계 저항 | R | 전기 저항 |
이와 같이 스피커는 저항, 인덕터, 커패시터 특성을 다 가지고 있으므로 임피던스는 그림 2와 같다. 기계 저항은 저항, 진동판의 질량은 인덕터, 에지와 댐퍼의 컴플라이언스(compliance)는 커패시터에 대응된다.
일반적으로 스피커 임피던스의 주파수 특성은 그림 3과 같이 공진 주파수(resonance frequency, f0)에서 피크가 생긴다. 진동판을 손으로 가볍게 두드릴 때 나는 ‘퐁퐁’ 하고 울리는 소리의 주파수가 이것이다. 이 공진 주파수는 스피커가 재생할 수 있는 저음의 한계이다.
공진 주파수에서 임피던스가 상승하는 것은 보이스 코일에 낮은 주파수의 신호 전류가 흐르면, 공진 현상에 의해 진동판이 크게 움직이기 때문이다. 그리고 코일 주변에는 강력한 자계가 있으므로 코일이 움직이면 역기전력이 신호 전류를 방해하는 방향으로 발생하므로 임피던스가 상승한다.
f0 이상에서 임피던스는 점점 낮아지고, 그림 4와 같이 공진 주파수 이상에서 최초로 임피던스가 극소가 될 때의 값을 공칭 임피던스(nominal impedance or rating impedance)라고 정의한다. 그리고 주파수가 증가하면 보이스 코일의 인덕턴스(XL=2𝜋fL)도 증가되므로 임피던스가 상승하게 된다. 그림 3의 임피던스 특성은 유닛의 특성이며, 인클로저와 네트워크 필터의 특성이 포함되면 더 복잡한 형태가 된다.
이와 같이 임피던스는 주파수에 따라서 값이 변하므로 하나의 수치로 나타낼 수 없지만, 공칭 임피던스는 스피커 시스템과 앰프의 매칭을 위해서 제조자에 의해서 결정되는 입력 임피던스 값이다. 공칭 임피던스는 앰프에서 본 가장 손실이 작은 전력을 끄집어내기 위한 값이며, 대부분의 스피커 공칭 임피던스는 4, 8, 16Ω이다.
앰프의 출력 전압이 10V이고 스피커 임피던스가 8Ω이면, 파워는 12.5W(=102/8)가 된다. 이것은 스피커 임피던스를 8Ω으로 앰프의 파워를 계산하였지만, 실제로 스피커의 임피던스는 주파수에 따라서 변한다. 고역에서는 임피던스가 커지므로 파워가 떨어지고 음압 레벨도 저하될 것이다. 그런데도 불구하고 스피커에서 발생되는 음압 레벨은 어떻게 평탄한 주파수 특성이 얻어지는가?
앰프는 정전압(constant voltage) 회로이므로 출력 전압은 그림 4와 같이 모든 주파수에서 부하 저항 값에 따라서 달라지지 않고 일정하다. 따라서 음압 레벨 주파수 특성도 평탄하게 나타난다.
2. 앰프의 출력 임피던스
앰프의 출력 임피던스는 보통 명시되지 않지만, 댐핑 팩터(damping factor) 값으로 알 수 있다. 댐핑 팩터는 다음 식과 같이 스피커 임피던스(ZL)를 앰프의 출력 임피던스(ZO)로 나눈 값이다.
스피커의 임피던스가 8Ω이고 앰프의 댐핑 팩터가 100이면, 앰프의 출력 임피던스는 0.08Ω이 된다. 또, 앰프의 출력 임피던스는 주파수에 따라서 다르므로 그림 5와 같이 댐핑 팩터의 주파수 특성으로 표기한다. 앰프의 출력 임피던스는 주파수가 높아지면 커지므로 댐핑 팩터는 작아진다.
대부분의 앰프 사양에서는 댐핑 팩터의 주파수 특성 대신에 그림 6과 같이 저음의 댐핑 팩터나 또는 저음과 고음에서의 댐핑 팩터만 표기한 경우가 많다. 그림 6의 예에서 250Hz 이하에서는 출력 임피던스는 0.02Ω (=8/400)이고, 주파수가 높아지면 임피던스가 상승하여 250Hz에서 10kHz까지는 0.16Ω(=8/50)이다.
그림 7에는 여러 종류의 앰프의 사양에서 댐핑 팩터를 표기한 예이다. 대부분의 앰프에서 저역의 DF만 표기한 경우가 많고, 이것은 저음(10~400Hz)의 댐핑 팩터가 음질에 영향을 많이 주기 때문이다.
또, 스피커 케이블의 저항 값은 앰프의 출력 임피던스에 더해져서 댐핑 팩터가 작아지는 원인이 되고, 음질에 많은 영향을 준다. 예를 들어 앰프의 출력 임피던스가 0.1Ω이고, 스피커 임피던스가 8Ω이면 댐핑 팩터는 80(=8/0.1)이다. 그런데 케이블의 저항 값이 0.3Ω이면 댐핑 팩터는 20{=8/(0.1+0.3)}으로 작아진다. 따라서 스피커 케이블은 저항 값이 낮은 것을 사용하고, 길이도 짧게 배선해야 한다.
3. 스피커 레벨의 임피던스와 라인 레벨의 임피던스
스피커는 라인 레벨 기기보다 낮은 임피던스로 설계하는 이유는 무엇일까? 이것은 전류가 주요 원인이다. 임피던스가 클수록 전류가 적게 흐르고, 임피던스가 작을수록 전류가 많이 흐른다. 음향 기기에서 사용하는 부품들은 작은 전류에서 동작한다. 전류가 많이 흐르면 민감한 전자 제품이 파손될 수 있다. 믹서, 이퀄라이저, 리코더 등의 음향 기기는 임피던스를 높게 해서 작은 전류로 동작하도록 하여 회로의 안전성을 좋게 하고, 비용도 절감하는 것이다.
반면에 스피커는 음향 기기의 출력 신호를 음으로 변환하기 위해 앞뒤로 진동해야 한다. 모터(보이스 코일과 자기 구조로 구성)는 음파로 변환하기 위해 상당한 전기 에너지를 가진 레벨의 신호가 필요하다. 상대적으로 견고하게 만들어진 스피커는 더 많은 전류가 필요하므로 임피던스를 낮게 만든 것이다. 스피커 레벨은 라인 레벨보다 전류가 많이 흐르므로 스피커 케이블은 라인 레벨(또는 마이크 레벨) 케이블보다 상대적으로 굵다.
라인 레벨 기기 간의 신호 전송은 신호 레벨이 낮고 임피던스가 크므로 외부 잡음이 유도되기 쉽다. 따라서 기기 간을 실드 선으로 연결하여 외부 잡음의 유도를 최소화해야 한다. 실드 선은 케이블에 외부의 유도 잡음을 방지하기 위하여 내부의 전선을 원통형 정전 실드로 둘러싸고 있다. 유도를 방지하기 위해서는 송신 측과 수신 측 사이에 실드 선을 사용하여 유도된 잡음을 어스 라인으로 흐르도록 한다. 이와 같이 라인 레벨 기기 간의 연결은 실드 선을 사용해 유도된 잡음을 제거하는 것이다.
그러나 앰프와 스피커를 연결하는 스피커 케이블은 실드 선을 사용하지 않는다. 이것은 앰프 출력 신호는 고 레벨(high level, 수십V 단위)이고, 케이블에 잡음이 유도되어도 증폭되지 않고 신호에 영향을 주지 않기 때문이다. 스피커 케이블에도 잡음이 유도되지만, 앰프의 출력 임피던스가 낮으므로(0.1Ω 이하) 잡음이 거의 유도되지 않는다. 만약 스피커 선 대신에 실드 선을 사용하면, 그림 8(b) (c)와 같이 저항과 콘덴서 회로로 구성된 저역 통과 필터가 형성되므로 고역이 감쇠되어 음질이 열화된다. 또, 실드 선이 길어지면 정전 용량(C)이 커지므로 차단 주파수도 낮아지고, 고역 감쇠가 많아진다.
그림 9에는 시스템 구성에서 신호 레벨에 따라서 사용하는 케이블 종류를 나타낸다. 마이크 레벨(mic level, mV 단위)과 라인 레벨(line level, 1V 전후) 기기는 잡음이 음향 기기로 유입되지 않도록 실드 선을 사용한다.
이상을 정리하면, 신호 레벨이 낮고 임피던스가 큰 기기(마이크, 믹서, 음향 효과기 등)들을 연결할 때에는 실드 선을 사용하여 외부 유도 잡음을 차단한다. 그리고 레벨이 높고 임피던스가 작은 기기(앰프)를 연결할 때에는 스피커 케이블을 사용한다.
