서브우퍼 어레이 | SUBWOOFER ARRAYS (A PRACTICAL GUIDE)

이 내용은 Electro-Voice社의 엔지니어 Jeff Berryman이 기술한 ‘Subwoofer Arrays(A Practical Guide)’로 서브우퍼의 기초적 이론과 함께 서브우퍼 스피커 설계 및 설치 시에 고려해야 할 사항과 명료하고 밸런스가 좋은 저역을 만들어내기 위한 컨셉과 기술을 설명한다. 이 내용에서 저역은 약 20[㎐]에서 150[㎐]까지 주파수 범위를 다루게 된다. 

1. 개요

만약 스피커 지향 특성이 조명의 스포트라이트와 같이 동작한다면 스피커 설계와 시공, 설치에 있어서 매우 쉽고 유용할 것이다. 지향 특성이 우수한 스피커 시스템을 선택할 수 있다면, 사운드를 원하는 목적에 맞게 제어하고, 컨셉에 맞는 운용성을 얻을 수 있을 것이다. 그러나 스피커 특성은 주파수별 특성에 따라 조합하여 사용하게 되고, 특히 대형 공연장, 경기장 등은 원하는 음량을 얻기 위해 다수의 스피커를 스택(Stack)하거나 어레이(Array) 형태로 구성하게 된다. 이때 고음역 부분과는 다르게 특히 저역이 들리지 않거나 저역과 중, 고역의 밸런스가 잘 맞지 않는 문제가 발생하게 된다. 

보통 저역용 스피커는 동작 주파수 범위에서는 무지향 특성을 보이지만, 이런 저역용 스피커 여러 개를 바닥에 쌓아 스택하여 설치하거나 어레이로 구성 한다면 무지향성이 아닌 지향성 스피커로 변하게 된다. 그 패턴 또한 매우 복잡하고 예상하는 커버리지와는 다른 형상의 지향 특성을 주파수별로 얻게 된다. 이것은 각각의 스피커에서 방사되는 여러 개의 스피커가 하나가 되어 동작하는 것이 아닌 각각의 스피커에 의해 간섭이 발생하게 되어 좋지 않은 결과가 되는 것이다. 

음파는 전파와 같이 파동에 의해서 전달되는 것으로 각각의 스피커에서 방사된 음파는 지향성 원리에 의해 보강 간섭과 상쇄 간섭이 발생하고, 이를 잘 이용하여 서브우퍼 구성을 하게 되면 원하는 지향 특성을 얻을 수 있게 된다. 

서브우퍼를 목적에 맞게 설계하는 경우에 요구 특성은 다음과 같다. 

서브우퍼의 적절한 설계의 경우

– 저역이 선명하고 청취 범위에서 소리의 균형에 변화가 없어야 한다.
– 저역의 사운드 레벨을 청취 범위에서 중, 고음역과 밸런스가 맞아야 한다.
– 잔향이나 반향의 개선 효과가 생긴다.
– 기기 효율(1대의 비용당 사운드 출력)이 최대가 된다.

2. 음향 개념Acoustical Concepts

2. 1. 파장

스피커 어레이의 음향 특성 조정에 필요한 것은 그 대부분이 파장에 관한 것이다. 스피커 인클로저(Enclosure)나 어레이의 크기 또는 크기 일부가 파장의 약 1.5배 이상이면 대형이며, 파장의 약 1/3 미만이면 소형으로 간주한다. [표 1]은 주파수에 대한 대표적인 파장의 길이다. 

주파수[㎐]	파장[m]
20	17
50	6.8
80	4.3
120	2.8
200	1.7
1,000	0.34
20,000	0.017

2. 2. 지향성의 기본 원리

보통 음원의 지향성은 크기에 반비례한다. 즉, 물체가 물리적으로 작으면 그 지향성은 넓고, 크면 지향성은 좁아진다(그림 1 참조). 

2. 3. 수평 수직의 독립성

지향성의 기본 원칙은 수평면과 수직면에서 다르게 적용된다. 예를 들어, 그림 2와 같이 서브우퍼의 수평 라인은 수평 방향으로 크고, 수직 방향으로는 작은 경우 그 지향성은 수평 방향으로는 좁고, 수직 방향으로는 넓게 된다.

2. 4. 다중음원과 로빙(Multiple Sources and Lobing)

스피커 어레이는 대부분 무대 양쪽에 2개의 어레이로 구성하여 설치한다. 이러한 어레이는 바닥에 스택(Stack)하거나 공중에 플라잉(Flying)한다. 두 방법 모두 다중 음원 환경으로 물리학의 ‘파동 간섭’이라고 하는 현상과 음향에서의 ‘콤 필터링(Comb filtering)’ 또는 ‘로빙(Lobing)’이라고 하는 현상이 발생하게 된다.

그림 3은 무대 크기를 12 x 6[m]로 간주하고 하나의 Xsub(Electro-Voice社) 우퍼 50[㎐]의 지향성을 나타낸 것이다. 빨간색 선은 스피커의 폴라 패턴(Polar Pattern)으로 원의 간격은 6[㏈]이다. Xsub는 기본적으로 무지향성이다.

그림 4는 무대 반대쪽에 또 하나의 Xsub를 설치했을 때 지향성을 나타낸 것으로 하나의 우퍼를 설치한 경우와 완전히 다른 지향 패턴을 보이며, 그 특성 또한 좋지 못하다.

우퍼는 무지향성으로 그 공간에 있는 모든 청취자들은 좌, 우의 우퍼 소리를 듣게 된다. 그러나 우퍼에서 객석까지 거리는 중앙부(Center)를 제외하고, 커버리지 패턴이 각각 다른 것을 알 수 있다. 거리 차이가 반 파장의 홀수 배에 동일한 곳에는 2개의 우퍼에서 사운드가 제한되고, 객석에서는 우퍼의 직접음을 듣지 못하게 된다.

실내에서는 이러한 로브(Lobe)에 의해 저역 밸런스 레벨이 균일하지 못하게 된다. 실내에서는 잔향에 의해서 소리 불균형은 느껴지지 않지만, 명료도는 역시 떨어지게 된다. 이와 반대로 야외에서는 잔향이 없기 때문에 이러한 현상이 매우 잘 나타나게 된다.

그림 5는 현장에서 설치하는 환경의 두 가지 대표적인 일예로 ‘그라운드 스택 타입의 서브우퍼’와 ‘플라잉 타입의 서브우퍼 라인 어레이’의 성능을 수평면 내 지향 특성으로 나타낸 것이다. 

모든 주파수에서 로브가 없는 곳은 무대 중앙의 전면뿐이다. 이 라인을 따라 저역은 강력하고 선명한 음이 된다. 이것이 잘 알려진 ‘파워 앨리(Power alley)’효과로, 저역 사운드는 믹스 포지션(FOH)에서 아주 좋은 균형을 나타내지만, 다른 객석에서는 어떻게 들리는지 믹싱 엔지니어는 알 수가 없다.

따라서 로빙(Lobing) 문제에 대한 최적의 해결책은 좌우로 쌓는 것이 아니라 중앙에 모아서 배치하는 세팅이다. 이 세팅은 수평 배열과 수직 배열 모두 유효하지만, 연출적 문제나 리깅키트(Riggging Kit)와 같은 솔루션이 없는 것이 대부분이다. 

좌우로 쌓는 경우에는 스택킹(Stacking), 빔포밍(Beamforming), 경사(Gradient) 우퍼를 이용하여 로빙(Lobing) 문제를 완화할 수 있다. 어떤 경우에도 두 스택의 커버리지 영역 간에 간섭을 최소화하는 것이 최선이다.

2. 5. 빔포밍(Beamforming)

빔포밍은 큰 어레이에서 방출하는 음파의 도달 방향을 결정하고, 형성하는 기술이다. 빔포밍 어레이는 스피커 각각(또는 작은 그룹마다) 구동되는 각각의 스피커에 딜레이와 레벨을 설정하여 음파의 방향을 제어한다.

그림 6과 그림 7은 대표적인 중형 서브우퍼 어레이 빔포밍의 전형적인 효과를 나타낸다. 그림의 배열은 4개의 Xsub 서브우퍼이다. 그림 6은 빔포밍 없는 배열을 나타낸다. 그림 7은 저역 방사 특성이 무대 뒤로 향할 수 있도록 딜레이 값이 선택되어 있다. 이것은 사이드 커버리지를 늘리기 위한 대표적인 기법이다.

빔 포밍은 큰 어레이에서 (다수의 서브우퍼 조합)만 효과를 발휘한다. 작은 어레이의 지향성 조정은 경사(Gradient) 테크닉이 필요하다(8항 참조).

3. 게인 음영 Gain Shading

음영(Shading)은 어레이 양쪽 끝단 또는 그 근처에 있는 스피커 유닛에 대한 어레이 구동 파라미터를 조정하는 것이다. 이것에 대한 ‘게인 음영(Gain shading)’은 구동되는 스피커의 게인을 조정하는 것으로 어레이의 양쪽 끝에 하나 이상의 개별 서브우퍼 게인을 줄이는 조정 작업이다.

긴 배열에 음영 조정방법을 설정하면 각 끝에 마지막 두 개 또는 세 개의 서브우퍼의 유닛은 게인이 0[㏈]에서 약 -6[㏈]로 서서히 음량이 작아진다. 음영 효과는 커버리지 패턴을 보다 균일하고 주파수의 변화를 작게 만드는 효과가 있다(이 효과의 예는 그림 21을 참조).

다음 호에 계속 알립니다.
지면 관계상 ‘서브우퍼 어레이’ 기사는 3회에 걸쳐 연재할 예정입니다. 

싣는 순서 
1회 (SSM Vol.07) 개요, 음향개념, 게인음영
2회 (SSM Vol.08) 그래프와 어레이 설계도구, 우퍼 어레이 유형, 그라운드 스택 어레이, 플라잉 어레이이
3회 (SSM Vol.09) 경사(그라이디언트) 어레이, 서브우퍼 설정