스피커 시스템은 가청 주파수 대역 20 ~ 20,000 Hz를 하나의 유닛으로 재생하는 것이 이상적이지만, 물리적으로 구현하기 어렵다. 따라서 두 개 또는 그 이상의 유닛을 사용하고, 멀티웨이 시스템으로 구성하여 오디오 대역을 커버한다. 멀티웨이 스피커 시스템에서는 고음과 저음의 유닛이 정상적으로 동작되도록 크로스오버 네트워크 필터를 필수적으로 사용해야 한다. 네트워크 필터의 크로스오버 주파수는 대부분 1 ~ 4 kHz 대역에 존재하며, 이 대역은 명료도의 기여율이 높고 음질에 미치는 영향이 아주 크다. 그러나 여러 가지 원인 때문에 크로스오버 주파수 대역에서 위상과 진폭 특성이 정확하게 결합되지 않은 경우가 많다. 즉, 유닛 간의 거리 차와 전기적인 특성 차이 때문에 크로스오버 주파수에서 유닛 간의 진폭과 위상 특성이 정확하게 결합되지 않아서 주파수 특성이 불규칙해지고, 그 결과 음질이 좋지 않고 명료성도 나빠진다. 크로스오버 주파수에서 유닛들을 정확하게 결합시키기 위해서는 각 유닛의 진폭 특성뿐만 아니라 위상 특성까지도 고려하여 결합시켜야 한다. 본 논문에서는 유닛 간의 지연 시간을 조정하여 크로스오버 주파수에서 평탄한 주파수 특성이 되도록 하는 방법과 유닛들의 주파수 롤 오프 특성도 고려한 필터 선택 방법을 제안하였다. 그 결과 크로스오버 주파수 대역에서 ${\pm}1$ dB의 평탄한 주파수 특성이 얻어지고 명료성도 향상되었다.
스피커 시스템은 가청 주파수 대역 20 ~ 20,000 Hz를 하나의 유닛으로 재생하는 것이 이상적이지만, 물리적으로 구현하기 어렵다. 따라서 두 개 또는 그 이상의 유닛을 사용하고, 멀티웨이 시스템으로 구성하여 오디오 대역을 커버한다. 멀티웨이 스피커 시스템에서는 고음과 저음의 유닛이 정상적으로 동작되도록 크로스오버 네트워크 필터를 필수적으로 사용해야 한다. 네트워크 필터의 크로스오버 주파수는 대부분 1 ~ 4 kHz 대역에 존재하며, 이 대역은 명료도의 기여율이 높고 음질에 미치는 영향이 아주 크다. 그러나 여러 가지 원인 때문에 크로스오버 주파수 대역에서 위상과 진폭 특성이 정확하게 결합되지 않은 경우가 많다. 즉, 유닛 간의 거리 차와 전기적인 특성 차이 때문에 크로스오버 주파수에서 유닛 간의 진폭과 위상 특성이 정확하게 결합되지 않아서 주파수 특성이 불규칙해지고, 그 결과 음질이 좋지 않고 명료성도 나빠진다. 크로스오버 주파수에서 유닛들을 정확하게 결합시키기 위해서는 각 유닛의 진폭 특성뿐만 아니라 위상 특성까지도 고려하여 결합시켜야 한다. 본 논문에서는 유닛 간의 지연 시간을 조정하여 크로스오버 주파수에서 평탄한 주파수 특성이 되도록 하는 방법과 유닛들의 주파수 롤 오프 특성도 고려한 필터 선택 방법을 제안하였다. 그 결과 크로스오버 주파수 대역에서 ${\pm}1$ dB의 평탄한 주파수 특성이 얻어지고 명료성도 향상되었다.
Although it is ideal that the sound with the range of 20 ~ 20,000 Hz is produced by the loudspeaker system composing of only one loudspeaker unit, it is almost impossible now. Therefore, the audible frequency range is now produced by the loudspeaker system, which is consisted of more than two loudsp...
Although it is ideal that the sound with the range of 20 ~ 20,000 Hz is produced by the loudspeaker system composing of only one loudspeaker unit, it is almost impossible now. Therefore, the audible frequency range is now produced by the loudspeaker system, which is consisted of more than two loudspeaker units. The multi-way loudspeaker system certainly requires a crossover filter, which is divided the audible frequency into low and high frequency ranges. The crossover frequency of filter usually is in the range of 1 ~ 4 kHz, the frequency range can largely affect to the sound articulation and quality. It is an example that the phase and amplitude at the crossover frequency can be different from each other, due to the variously reasons. Conversely, they can not produce the smooth frequency response due to the different distance between the two loudspeaker units and electrical properties. As a result, the sound articulation and quality can be degraded. Therefore, the phase and amplitude response at the crossover frequency has to be deeply considered, in order to exactly match the woofer and tweeter. In this study, it is proposed the methods which are the flat frequency and phase response to be obtained by adjusting of the delay time between loudspeaker units, and the choice of filter to be considered the roll-off properties of each unit. It is achieved the frequency response with ${\pm}1$ dB, and the sound articulation is also improved.
Although it is ideal that the sound with the range of 20 ~ 20,000 Hz is produced by the loudspeaker system composing of only one loudspeaker unit, it is almost impossible now. Therefore, the audible frequency range is now produced by the loudspeaker system, which is consisted of more than two loudspeaker units. The multi-way loudspeaker system certainly requires a crossover filter, which is divided the audible frequency into low and high frequency ranges. The crossover frequency of filter usually is in the range of 1 ~ 4 kHz, the frequency range can largely affect to the sound articulation and quality. It is an example that the phase and amplitude at the crossover frequency can be different from each other, due to the variously reasons. Conversely, they can not produce the smooth frequency response due to the different distance between the two loudspeaker units and electrical properties. As a result, the sound articulation and quality can be degraded. Therefore, the phase and amplitude response at the crossover frequency has to be deeply considered, in order to exactly match the woofer and tweeter. In this study, it is proposed the methods which are the flat frequency and phase response to be obtained by adjusting of the delay time between loudspeaker units, and the choice of filter to be considered the roll-off properties of each unit. It is achieved the frequency response with ${\pm}1$ dB, and the sound articulation is also improved.
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문제 정의
이러한 작용은 재료에 따라서 탄성 및 제동 그리고 음색에도 차이를 나타낸다. 그러므로 멀티웨이 스피커 유닛의 물리적인 특성이 필터 선택에 영향을 미치게 되고, 이를 개선할 수 있는 방법을 제안한다.
멀티웨이 스피커 시스템의 크로스오버 필터를 선택할 때, 네트워크 필터의 전기적 특성만을 고려하여 나타난 문제점을 보완하기 위해 스피커 유닛의 롤 오프 특성까지 고려하여 효과적인 필터 선택 방법에 대해서 실험하였다.
본 연구에서는 각 유닛의 지연 시간을 조정하여 크로스오버 주파수에서 평탄한 주파수 특성이 되도록 조정하는 방법[6]과 스피커 유닛 롤 오프의 기울기 특성까지 고려한 방법에 대해서 실험하여 멀티웨이 스피커 시스템의 효과적인 크로스오버 필터 선택에 대해 연구한다.
제안 방법
크로스오버 주파수 대역에서 평탄한 주파수 특성이 되도록 스피커 유닛에 네트워크 필터의 기울기를 변경하면서 실험하였다. Fig. 4에서 측정한 스피커 유닛의 특성을 이용하여 저음과 고음의 스피커 유닛의 롤 오프와 비슷한 기울기를 선택하여 진폭 및 위상 특성의 변화를 측정하였다.
제안된 방법의 음향적인 특성을 파악하기 위하여 스피커 유닛의 특성을 측정한 후 측정된 특성을 기준으로 스피커 유닛의 롤 오프 기울기와 비슷한 기울기의 네트워크 필터를 적용하였다. 그리고 각 유닛에 적용된 필터를 서로 교차 적용한 후, 주파수 특성의 변화를 측정하였다. 네트워크 필터에서 기울기를 선택하고, 각 스피커 유닛의 위상을 조정하여 유닛 간의 위상이 크로스오버 주파수에서 정확히 일치될 수 있도록 하였다.
그리고 각 유닛에 적용된 필터를 서로 교차 적용한 후, 주파수 특성의 변화를 측정하였다. 네트워크 필터에서 기울기를 선택하고, 각 스피커 유닛의 위상을 조정하여 유닛 간의 위상이 크로스오버 주파수에서 정확히 일치될 수 있도록 하였다.
그러나 저음부터 고음까지 하나의 유닛으로 재생하기에는 물리적으로 어려움이 있다. 따라서 저음을 재생하는 저음 스피커, 중음을 재생하는 중음 스피커, 고음을 재생하는 고음 스피커를 조합하여 스피커 시스템을 구성한다. 이렇게 여러 개의 유닛을 조합하여 인클로저에 장착하고, 각 유닛(unit)이 최상의 상태에서 동작하도록 적절한 네트워크 필터를 사용한다.
고음은 상대적으로 저음에 비해 롤 오프 기울기가 급격하게 나타내고 있으며, 저음은 완만한 롤 오프기울기를 나타내고 있다. 이러한 스피커 유닛의 특성에 가장 효과적인 기울기를 네트워크 필터를 선택하기 위해 다양한 네트워크 필터의 기울기를 적용하여 실험하였다. 실험한 결과, Fig.
제안된 방법의 음향적인 특성을 파악하기 위하여 스피커 유닛의 특성을 측정한 후 측정된 특성을 기준으로 스피커 유닛의 롤 오프 기울기와 비슷한 기울기의 네트워크 필터를 적용하였다. 그리고 각 유닛에 적용된 필터를 서로 교차 적용한 후, 주파수 특성의 변화를 측정하였다.
크로스오버 주파수 대역에서 평탄한 주파수 특성이 되도록 스피커 유닛에 네트워크 필터의 기울기를 변경하면서 실험하였다. Fig.
성능/효과
6과 같이 저음 부분에서 일정하게 시작되었지만, 고음 부분에서는 딥이 발생되었다. 두 방법으로 측정한 결과를 Fig. 7과 비교한 결과 저음 유닛에 12 dB/oct와 고음 유닛에 24 dB/oct를 적용하는 것이 분석하였다.
12는 스피커 유닛 롤 오프 기울기와 비슷한 필터 기울기를 선택했을 경우와 선택하지 않은 경우에 대한 비교 결과이다. 스피커 유닛의 롤 오프 특성에 적합한 네트워크 필터의 기울기를 선택할 경우 주파수 특성이 평탄하게 나타나며, 효과적으로 네트워크 필터의 기울기를 선택하지 않은 경우에는 크로스오버 주파수 대역에서 일부 딥 현상이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
그러나 필터의 차수가 높아질수록 잔음(ringing)이 생기고, 그룹 딜레이가 길어지며, 경제성도 떨어지는 단점이 있다. 스피커 유닛의 롤 오프의 기울기와 비슷한 기울기의 네트워크 필터를 선택할 경우 네트워크 필터의 토폴로지와 관계없이 크로스오버 주파수 대역에서 전체적으로 평탄한 주파수 특성을 나타냈다. 그리고 스피커 유닛의 롤 오프의 기울기를 고려하지 않고 필터의 기울기를 선택한 경우에는 크로스오버 주파수 대역에서 주파수 특성이 상대적으로 나빠진다.
그리고 스피커 유닛의 롤 오프의 기울기를 고려하지 않고 필터의 기울기를 선택한 경우에는 크로스오버 주파수 대역에서 주파수 특성이 상대적으로 나빠진다. 실험 결과, 스피커 유닛의 롤 오프의 기울기와 비슷한 네트워크 필터의 기울기를 선택할 경우 크로스오버 주파수 대역에서 주파수 특성의 편차가 ±1 dB 이내로 얻어졌다
실험 결과, 스피커 유닛의 롤 오프의 기울기와 비슷한 필터의 기울기를 선택하여 적용하지 않은 경우에는 크로스오버 주파수 대역에서 ±2 dB의 편차가 나타났지만(Table 2), 적용한 경우에는 ±1 dB의 편차를 나타내고 있다(Table 3).
이러한 스피커 유닛의 특성에 가장 효과적인 기울기를 네트워크 필터를 선택하기 위해 다양한 네트워크 필터의 기울기를 적용하여 실험하였다. 실험한 결과, Fig.4의 스피커 유닛과 비슷한 기울기를 갖는 필터는 저음 유닛은 12 dB/oct 와 고음 유닛은 24 dB/oct이었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
크로스오버 네트워크란?
멀티웨이 스피커 시스템은 오디오 주파수 범위를 커버하기 위해서 최소 두 개 이상의 유닛이 필요하다. 가장 간단한 형태로 이러한 필터링은 고주파수 유닛을 위한 고역 통과 필터와 저주파수 유닛을 위한 저역 통과 필터를 구성하고, 이것을 크로스오버 네트워크라고 한다.
저음, 중음, 고음을 나누어 스피커 시스템을 구성하는 이유는?
20 ~ 20,000 Hz 오디오 대역을 하나의 스피커 유닛으로 재생하는 것이 가장 이상적이다. 그러나 저음부터 고음까지 하나의 유닛으로 재생하기에는 물리적으로 어려움이 있다. 따라서 저음을 재생하는 저음 스피커, 중음을 재생하는 중음 스피커, 고음을 재생하는 고음 스피커를 조합하여 스피커 시스템을 구성한다.
네트워크 필터를 사용하는 이유는?
따라서 저음을 재생하는 저음 스피커, 중음을 재생하는 중음 스피커, 고음을 재생하는 고음 스피커를 조합하여 스피커 시스템을 구성한다. 이렇게 여러 개의 유닛을 조합하여 인클로저에 장착하고, 각 유닛(unit)이 최상의 상태에서 동작하도록 적절한 네트워크 필터를 사용한다. 그러나 각 스피커 유닛마다 최적의 필터 설계 방법은 없으며, 음질을 직접 청취하고 평가하면서 최적의 크로스오버 필터를 많은 시행착오를 거쳐서 찾아내야 하는 어렵고 번거로운 작업이다.
참고문헌 (7)
W. Marshall Leach, JR., "Electroacoustic system realizations for the linkwitz-riley crossover networks," J. Audio Eng. Soc. 35, 792-800 (1987).
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