SUBWOOFER ARRAYS (A PRACTICAL GUIDE) 서브우퍼 어레이 II

4. 그래프와 어레이 설계 도구

* SSM 7호에서 이어집니다.

이 칼럼에서의 그림과 지향 특성(Polar Pattern)은 Electro Voice社에서 배포하는 LAPS 2.2A 프로그램으로 작성되었다. LAPS는 Electro Voice社의 라인 어레이(Line Array) 스피커의 구성을 지원하는 가벼운 시뮬레이션 설계 프로그램으로 초판 버전의 2.2A는 서브우퍼 모델링 페이지가 포함되어 있다.

LAPS에는 EVADA(Expandable Vertical Array Design Assistant)의 별도 프로그램으로 확장 가능한 수직 어레이 설계 지원이 가능한 특징이 있다. 이것은 Electro Voice EVA 스피커 어레이 설계의 빠른 계산과 설계를 지원하는 LAPS이다. EVADA에서도 LAPS와 같은 초 저역 모델링 페이지가 있어 설계에 있어서 유용한 솔루션을 제공한다.

5. 우퍼 어레이 유형

프로오디오에서는 서브우퍼 어레이 구성을 다음 3 종류로 구분할 수 있다.

① 브로드 사이드 어레이(Broadside Array) : 다수의 우퍼를 옆으로 일렬로 배열하는 형태의 서브우퍼 배치 방법이다. 1차 방사 라인은 스피커 설치 열에 직각이다. 이것은 대부분의 서브우퍼 설치에서 볼 수 있는 대표적인 배치 방법으로 스택형(Stack) 또는 플라잉(Flying) 형식 중 하나이다. 현재 브로드 사이드 어레이가 대부분 현장에서 세팅하는 방법이다. 

② 그래디언트 어레이(Gradient Arrays) : 우퍼를 마치 마이크와 같은 지향성 패턴(일반적으로 카디오이드 또는 하이퍼 카디오이드)이 될 수 있도록 배치하는 방법이다. 이 어레이로 원하는 패턴을 만들기 위해 딜레이, 필터 및 위상 반전을 설정할 수 있는 여러 구동 채널을 갖는 우퍼가 필요하다. 그래디언트 어레이는 보통 하나의 캐비닛에 구성된 제품이 있어 그래디언트 어레이로 구동이 용이하지만 다른 우퍼 캐비닛을 결합하여 딜레이, 필터, 위상 반전 등을 설정하면 그래디언트 어레이 구성이 가능하다.

③ 엔드파이어 어레이(Endfire Arrays) : 다수의 우퍼 캐비닛을 원하는 방사 방향으로 캐비닛 간에 간격을 두고 일렬로 설치하고, 캐비닛마다 조금씩 지연을 시키면 매우 좁은 지향성 패턴을 만들 수 있다. 엔드파이어 어레이는 샷건 마이크와 같은 동작 원리를 스피커에 적용한 예이다. 엔드파이어 어레이는 드문 경우지만 장거리, 야외 또는 대형 센터에서만 사용할 수 있다.

5.1. 브로드 사이드 어레이(Broadside Array)

브로드 사이드 어레이(Broadside Array)는 우퍼 캐비닛을 가로로 일렬로 설치 한 것(또는 스피커 캐비닛을 쌓아 올린 것), 음파 방사는 일열로 설치한 것에 직각이다. 설치 형태는 직선 배열, 곡선 배열, 계단식 배열로 설치하여 브로드 사이드 어레이를 구축할 수 있다.

브로드 사이드 어레이는 설계와 설치가 간단하므로 가장 일반적인 우퍼 구성에 자주 사용된다. 그러나 넓은 지역에 우수한 저음을 얻기 위해서는 기본 세팅 이외에 몇 가지 조정을 추가하면 보다 명료하고, 밸런스가 우수한 저음을 만들 수 있다. 그림 9에서 그림 12는 기본 원리를 나타낸다.

그림 9는 다수의 우퍼로 구성한 긴 어레이의 경우와 보다 적은 양의 짧은 어레이의 우퍼로 구성한 경우의 패턴을 나타내고 있다. 다수 우퍼 어레이 구성 시는 좁은 패턴이고, 수가 적은 경우의 어레이는 패턴이 넓게 퍼진 것을 알 수 있다. 따라서 우퍼에 지향 방향으로 객석을 향하면 효율적일 것이다. 

그림 10의 직선 배열 형태의 어레이는 주파수가 높아질수록 지향성 패턴이 좁아지고, 좋지 못한 로브(Lobe)가 발생한다. 곡선 배열 형태 어레이 방식의 경우에는 직선 배열 대비 더 일정한 지향 패턴을 얻을 수 있다. 따라서 소량의 우퍼 구성이 아닌 다수의 우퍼 캐비닛으로 구성하고 곡선 배열 형태로 구성하면 주파수 대역 40 ~ 60㎐에서 우수한 지향성 패턴을 얻을 수 있다.

 그림 11과 같이 그래디언트 어레이(Gradient array) 방식과 계단식 어레이(Staircased array) 방식은 동일한 지향 패턴을 얻는다. 따라서, 무대 형태나 무대 연출 시에 그래디언트 구성이 어려운 경우는 계단식 어레이로 구성하여 무대 형태 및 연출에 대한 간섭과 제약 사항을 최소화할 수 있다.

그림 12는 패턴의 변화를 위해 곡선 모양이 아닌 계단 형태의 배열로 나타낸 것으로 계단식 어레이 쪽이 좋은 결과를 얻는다. 그림에서 보는 것과 같이 곡선 모양의 경우 Red(60㎐)에서 좁은 패턴이 계단 모양에서는 넓은 패턴으로 변화된 것을 알 수 있다. 계단 모양의 배열이 곡선 배열 대비 40 ~ 60㎐ 대역에서 우수한 지향성 패턴이 된다.

6. 그라운드 스택 어레이 Groundstacked Arrays

그라운드 스택 어레이 방식으로 서브우퍼를 설계 및 설치할 경우에는 패턴 폭과 무대 좌, 우에 어레이를 어떻게 배치할 것인가를 고려해야 한다.

① 패턴 폭(Pattern Width) : 그라운드 스택 수평 어레이는 커버 레인지의 폭이 자주 문제가 된다. 약 3m보다 넓은 초저역의 직선 어레이는 대부분의 장소에서는 지향성이 매우 강하게 된다. 예를 들어, 그림 9의 그래프에서 4개의 Xsub 우퍼(폭은 약 3.7m)의 커버리지 패턴은 60㎐에서 90도로 매우 좁게 된다. 60㎐보다 높은 주파수에서는 더욱 좁게 되는 문제가 발생한다. 또한 더욱 문제가 되는 것은 그림 10의 왼쪽 그림 Xsub 우퍼를 6개 배치했을 때의 패턴이다. 스피커 한 개당 약 1.21m로 6개를 배치할 경우 어레이 구성의 실제 너비는 약 7.3m가 되며, 지향성 패턴은 60도로 60㎐의 다른 곳에 비해 음압이 매우 낮고, 주파수 의존성이 높은 것을 알 수 있다.

패턴 폭의 문제 해결 방안은 어레이를 곡선 모양 또는 계단 모양으로 배치하여 빔 포밍(Beamforming)을 이용하면 커버리지 폭을 넓게 하거나 패턴을 보다 부드럽게 할 수 있다(그림 12 참조).

② 무대 좌, 우 배치 시의 어레이 시스템 : 무대 좌, 우에 서브우퍼를 배치할 경우 좌, 우측 어느 한쪽의 어레이 패턴만을 이해해서는 안 된다. 무대 좌, 우측에 서브우퍼를 설치 할 경우 두 어레이를 동시에 고려해야만 최적의 효과를 볼 수 있다. 한쪽의 지향성을 완벽하게 조정했다 하더라도 왼쪽 어레이는 왼쪽 관객만을 커버하고 오른쪽 어레이는 오른쪽 관객만을 커버하지 않는다. 양쪽의 스피커를 동시에 가동할 경우 좌, 우측의 서브우퍼는 패턴이 겹치게 되고 불필요한 로브(lobe)가 발생하게 된다. 시스템 설계의 목표는 관객 전체를 커버하면서 동시에 로브(lobe)를 최소화하는 것이다.

어레이가 약 3m보다 넓은 경우 좁은 패턴을 이용하여 로브를 줄일 수 있다. 왼쪽과 오른쪽의 빔을 무대 뒤로 향하게 하면 중앙의 패턴이 중첩되는 것을 줄이고, 동시에 전체적인 커버리지를 확장시킬 수 있다. 그림 13과 같이 상단 그림은 우퍼 어레이를 30도 정도 무대 뒤쪽으로 직선 형태 배치한 것으로 90㎐에서 0점은 무대 안쪽으로 지향성이 깊게 들어가게 되고, 커버리지가 개선되는 것을 알 수 있다.

빔 포밍은 우퍼를 무대 뒤쪽으로 배치했을 때와 거의 같은 효과가 있다. 그림 14는 그림 13의 배열에 빔 포밍을 위해 각각의 우퍼마다 딜레이를 적용했을 때의 효과를 나타낸 것이다. 그림 13 대비 매우 만족스러운 커버리지 패턴을 구축할 수 있다.

③ 큰 중앙 스택 : 대규모 공연장이나 야외 무대에서는 서브우퍼를 무대 전면에 한 줄로 배치하여 설치하는 경우가 많다. 무대 형태, 무대 연출에 지장이 없는 범위에서 전면에 설치면 편리하기 때문에 자주 사용하게 된다

 전면에 한줄로 배치하여 설치 시에 세팅 방법으로 빔 포밍 딜레이를 사용하면 우수한 한 결과 값을 얻을 수 있다. 그림 15는 12개의 Xsub 우퍼를 일렬로 딜레이를 최적 값으로 설정했을 때의 지향성을 나타낸다.

그림 15는 빔 포밍 적용 시를 상세하게 나타낸 것으로 튜닝에 주의가 필요하다. 딜레이 값을 보면 동등하게 적용하지 않았다. 보통 딜레이의 증가 폭은 어레이의 양 끝단으로 갈수록 점점 커진다. 실제로 빔 포밍을 설계해 보면, 어레이의 양쪽에서 딜레이를 크게 할수록 방사 패턴과 커버리지 확대에 있어서 모두 좋은 결과를 얻을 수 있다.

그림 16은 그림 15와 같은 어레이 패턴이지만, 빔 포밍을 적용하지 않았다. 커버 레인지 각도는 좁고 주파수 의존성이 보다 강하게 된다. 그림 16의 어레이는 길고 좁은 장소(예를 들어 퍼레이드 행진 루트)의 커버에는 유효하지만 보통 공연장에서는 그림 15에 표시된 빔포밍을 이용한 세팅이 적합하다. 

7. 플라잉 어레이 Flying Array

플라잉 서브우퍼 어레이(Flying Subwoofer Array)는 일반적으로 캐비닛의 너비가 하나의 캐비닛 또는 두 개 정도의 캐비닛 너비로 구성되며, 매우 넓은 수평 커버리지를 가지고 있다. 또한, 이 어레이는 일반적으로 길고, 수평 커버리지에 비해서 수직 커버리지는 매우 좁은 특징을 가지고 있다. 특히 맨 앞 열의 좌석에서 초저역이 들리지 않을 수 있는 문제가 발생한다. 세팅 방법은 다음과 같다.

① 플라잉 어레이는 그림 10, 그림 12와 같이 수평면에서 곡선 형태로 배치하는 것이 아닌 수직면에서 곡선 형태로 배열한 것이다. 주로 중, 고음 스피커 어레이와 서브 우퍼 어레이를 앞 뒤로 겹쳐서 구성하거나 서브우퍼를 위쪽에 중, 고음 스피커를 아래쪽으로 일렬로 배치하면 시각적으로도 매우 우수하게 된다. 그러나 이 세팅은 스피커를 높게 쌓았을 경우에만 효과가 있다.

② 서브우퍼를 플라잉 어레이 외에도 중앙 무대에 여러 대의 그라운드 스택 우퍼를 추가한다. 그라운드 스택 우퍼는 앞 열의 영향을 받는 영역까지만 커버할 수 있도록 음량을 조절해야 한다. 딜레이와 레벨은 앞 10열에서 20열까지 균등하게 커버하도록 조정한다. 이것은 일반적인 방법이지만 균등하게 커버하도록 조정하는 것은 복잡하고 어려운 설정 작업이다.

③ 일반적으로 플라잉 어레이에서 가장 효과적인 테크닉은 빔 포밍(Beamforming)을 사용하는 것이다.

그림 17부터 그림 19는 LAPS 라인 어레이 모델러의 결과이다. 대표적인 2개의 발코니를 가진 극장에서 플라잉 서브우퍼 라인 어레이(8대의 XLC-215 우퍼)의 세팅을 바꾸었을 때의 성능 차이를 나타내기 때문에 수평 로빙(Lobing) 문제는 분석하기 어렵지만, 수직 패턴의 조정에 있어서 패턴 분석을 지원 할 수 있다. 그림 17은 커브, 그래디언트, 빔 포밍(Beamforming)없이 간단한 플라잉 어레이를 나타낸다. 분명히 저역의 문제가 있는 것을 알 수 있다.

그림 18은 그림 17과 같은 어레이로 구성하고, 2대의 XLC-215 우퍼를 추가하여 무대 또는 무대 전면에 쌓아 올린 방식이다. 프론트 필(Front-fill)용 우퍼는 2.0mSec 지연시킨다. 곡선의 모양은 딜레이 값에 매우 민감하다. 저음의 성능은 향상되지만, 그 특성은 좋지 못하게 된다.

위의 결과에 간단한 빔 포밍(Beamforming)을 조금 더하면 그림 19와 같이 효과를 얻을 수 있다. 스택 하단의 2개의 스피커 캐비닛은 4mSec 지연시킨다. 다른 프로세싱은 적용하지 않는다.

이러한 모든 세팅 예에서는 전체적으로 앞쪽과 뒤에서 12 ~ 14㏈정도의 저역쪽에서 레벨 차이가 있어 만족스럽지 못한 결과가 된다. 이 문제를 해결하는 완벽한 세팅은 사실상 매우 어렵다. 

공연장 규모에서는 가능하다면 앞에서 뒤까지의 저역 SPL을 균일하게 하기 위한 하나의 가장 효과적인 기술은 트림(Trim)을 높게 설정하는 것이다. 먼저 나온 그림과 같은 세팅은 스택 상단까지의 트림 높이가 10m정도이다. 그림 20는 그림 19와 같은 빔 포밍 어레이의 결과이지만, 스택 상단까지의 트림 높이를 20m정도 높인 것이다. 앞과 뒤의 레벨 변화는 매우 적게 된다.

플라잉 형 중앙 초저역 라인 어레이(Flown Center Subbass Line Arrays) : 

연출이나 무대 장치에서 가능하면 중앙의 서브우퍼 플라잉 스택은 좋은 결과를 얻을 수 있다. 로빙(Lobing)은 없으며, 수평 커버리지는 기본적으로 360도이고, 수직 커버리지는 빔 포밍(Beamforming)을 적절하게 조정할 수 있다.

그림 21은 공연장 중앙에 12개의 Xsub 우퍼를 매달았을 때의 커버리지를 나타낸 것이다. 우퍼는 똑바로 매달아 최적으로 설정된 빔 포밍(Beamforming) 딜레이가 적용된 것이다. 또한 레벨 쉐이딩(level shading)이 적용되었다. 그 결과, 초저역의 커버리지 패턴은 청취 영역에 걸쳐 소리의 밸런스가 일정하게 유지된다. 

이 예에서는 딜레이는 2개의 세트에 적용되었다. 즉, 인접한 1조의 우퍼를 구동 채널을 공유한다. 이것은 각 우퍼 구동부와 앰프 채널을 제공하는 것보다 경제적이다. 반면 각 우퍼로 구동 채널을 이용할 수 있는 것이 좋은 커버리지가 가능하다.      

위 기술원고 내용은 [Jeff Berryman, ‘Subwoofer Arrays (A Practical Guide)’, White Paper, June 7. 2010]을 번역하였습니다.

  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 설계 도구, 우퍼 어레이 유형,
그라운드 스택 어레이, 플라잉 어레이

3회 (SSM Vol.09) 
경사(그라이디언트) 어레이, 서브우퍼 설정