교회나 극장, 학교 같은 곳은 음성의 명료한 전달이 다른 무엇보다도 중요한 곳일 것이다. 물론 이런 곳에서도 각종 형태의 행사가 치러지지만 여전히 이런 공간에서의 음향시스템 사용목적은 사람의 음성을 확성하는 것에 맞추어져 있다고 할 수 있다. 이런 공간들의 일반적인 시스템은 소형의 2-Way 라우드 스피커를 중심으로 구성되어 있는 것이 대부분이다. 물론 공간에 따라서 소형의 천정 매립형 Full-Range 스피커나 컬럼형 스피커를 사용하기도 하지만 전체적으로 볼 때는 2-Way 시스템의 비중이 높으며 또한 앞으로도 그 비율은 더욱 높아질 것이라고 판단한다.
하지만 실제로는 이러한 라우드스피커 시스템의 경우, 설치후의 성능이 일반적인 기대치에 훨씬 못 미치는 경우가 상당히 많음을 알 수 있다.
하나의 스피커만을 사용하여 주파수 응답특성이나 다른 성능을 측정할 때, 프로페셔널용으로 판매되는 대부분의 스피커는 비교적 우수한 성능을 보여준다. 하지만 이러한 특성을 보여주는 스피커라 하더라도 출력을 증가시키기 위해 두 개 혹은 그 이상의 스피커를 어레이 할 경우에는 사정이 틀려진다. 여러개의 스피커로 시스템을 구성할 경우 개별적인 스피커들마다 각 스피커간의 위치 차이에 따른 Time Delay를 고려하여 정확한 위치에 각각의 스피커를 설치하는 것이 불가능해지기 때문에 어쩔 수 없이 이러한 Time Delay를 감수할 수 밖에 없게 되고 이것이 음파의 상호 간섭과 상쇄, 불규칙한 응답특성 등의 부작용으로 인한 명료도의 심각한 저하를 불러오게 되는 것이다. 특히 좋은 명료도를 얻기 위해서는 250 Hz - 4 kHz 대역의 균일한 응답특성과 지향특성이 필수적인데 위의 원인들로 인한 간섭이 이 주파수 대역에도 많은 영향을 미쳐 시스템의 명료도를 저하시키는 것이다.
또한 RT60 값이 1.5초를 넘는 울리는 공간이나 대형공간의 경우에는 어레이를 이루고 있는 각각의 스피커의 지향특성을 균일하게 유지하는 것이 명료도 뿐만 아니라 안전확성이득(일반적으로 말하는 피드백 마진) 과도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 이렇게 잔향시간이 긴 공간에서는 클래식 음악의 연주나 기타 음악공연시에 공간감을 더해주어 음악적으로 좀더 풍부한 느낌을 주는 장점이 있지만 음성의 명료도 측면에서는 전혀 도움이 되지 못한다.
Single Speaker
[그림 1]과 같이 일반적으로 많이 사용하는 2X2 의 2-Way 라우드스피커 어레이의 경우를 살펴보자. 이같은 어레이는 임의적인 방법이 아니라 스피커 제조사가 권장하는 설치방법 그대로다. 아래의 [그림 2]는 이 시스템을 한번에 하나의 스피커만 켜고 특성을 측정한 경우의 결과를 나타낸다. 그래프를 살펴 보면 대체로 고른 응답 특성을 보여주는 것을 알 수 있다. 중, 저 음역에서의 한 두 개의 골은 스피커의 특성에 의한 값이라기 보다는 스피커가 설치된 장소의 특성(Room-mode 또는 인접한 반사면에 의한)이라고 보는 것이 타당할 것이다. 그리고 이러한 고른 주파수 응답특성이 전체 객석위치에서 비교적 고르게 유지되는 것을 발견할 수 있다.
[그림 1] 일반적인 2 X 2 방식으로 어레인된 2-Way 스피커 시스템
[그림 2] 어레이 중 하나의 스피커만 구동했을 때의 주파수 응답특성
반면에 두 개 이상의 스피커를 동시에 켜고 측정을 한 경우는 앞의 경우와 다소 다른 형태의 그래프를 보여준다. 각기 다른 측정위치에 따라 심하게 변동하는 그래프들을 볼 수 있는데 이것은 앞에서 스피커 각각의 주파수 응답특성에 별다른 문제가 없었던 것을 감안할 때 동시에 소리를 내는 각각 스피커의 물리적인 거리차이에 의한 현상이라는 것을 쉽게 예측해 볼 수 있다.
자연의 법칙
우리가 위의 그림과 같은 형태의 스피커 어레이를 사용하는 한은 이러한 '물리적 거리차이'가 가져오는 소리의 간섭이나 왜곡을 피하기가 결코 쉽지 않을 것이다. 최근 디지털 기술의 발달로 다양한 기능의 컨트롤이 가능해진 Digital Speaker-system Controller를 사용한다고 해도 같은 케비넷 안에서의 Hi, Low 드라이버간의 거리차이만을 조정할 수 있을 뿐 인접한 스피커와의 거리차이에 의한 Delay를 바로잡는다는 것은 불가능하다. 이것은 각기 다른 객석위치에서의 이들 스피커까지의 거리가 모두 달라지기 때문이다. 한곳에서의 특성을 좋게 조정한다 해도 다른 곳에서 측정을 해보면 전혀 다른 결과를 얻을 것이라는 것을 쉽게 예측할 수 있기 때문이다.
위의 어레이의 경우 각기 스피커 케비넷 간의 중심이 수직, 수평 방향으로 모두 70cm 정도의 간격을 가지고 있다. 이것은 앞에서 언급한 바와 같이 스피커 제조사에 의해 최소의 간섭이 발생한다고 확인되고 따라서 제조사로부터 권장된 셋업이다.(참고로 위의 거리는 225 Hz, 450 Hz, 900 Hz 음파의 각각 파장의 절반, 한 파장, 두 파장에 해당하는 거리이다) 위의 그림과 같은 네 개의 스피커를 동시에 작동한다고 했을 때 이들 스피커의 크로스오버 포인트에서는 8개의 드라이버가 같은 레벨의 동일 주파수를 방출하게 된다. 이와 같은 경우에 각각의 스피커의 커버리지가 중첩되는 부분에서는 각각 스피커로부터의 물리적 거리차이 때문에 발생하는 Time Delay에 의해 부심한 로빙(lobing) 현상과 콤필터링(Comb Filtering) 현상이 발생하게 된다.
위와 같은 스피커에 사용된 비교적 소형의 고음역용 혼은 크로스오버 주파수 부근에서 100˚ 를 상회하는 지향각을 가지게 되며 180˚ 에 까지 이르기도 한다. 이 경우 위, 아래로 어레이 된 케비넷들 간에 발생하는 간섭에 의한 콤필터링과 왜곡은 피할 수 없게 된다. 이러한 콤필터링은 대부분 명료도에 중요한 역할을 하는 주파수 대역까지 영향을 미치고 때에 따라서는 이렇게 발생한 골(notch)의 폭이 1/3 옥타브를 넘게 되어 일반 청중도 이러한 골의 발생을 인지할 수 있게 된다.
[그림 3-1] 객석 주파수 응답측정 포인트
일반적인 크로스오버포인트 이하의 주파수 영역에서는 주파수가 낮아질수록 무지향에 가까운 특성을 보이게 되는데 예를 들어 250 hHz 에서 1000 Hz 사이의 대역에서는 청취 위치와 재생 주파수에 따라 상당히 큰 레벨의 차이가 발생하며 또한 스피커의 아래 부분이나 인접한 지역에서 피드백을 증가시킨다. 주파수에 따른 이러한 지향특성의 차이에 관한 자료는 많은 프로용 스피커의 매뉴얼이나 스펙에 자세히 명기되어 있기도 하다.
위에서 [그림3-2]의 여섯 개의 그래프를 살펴보면 [그림 2]의 그래프와는 많은 차이점을 보여준다. 포인트 1에서는 400Hz 이하 영역에서의 커다란 골과 1.2 kHz에서 피크를 찾아 볼 수 있다. 여기서 포인트 2와 포인트 5를 비교해 보기로 하자. 둘 다 공통적으로 400 Hz 부근을 중심으로 한 골이 보이지만 고음역대에 가서는 포인트 2가 좀더 매끄러운 그래프를 보여준다. 또한 포인트 4에서는 [그림 2]의 그래프와 가장 유사한 패턴을 보여주는 것을 알 수 있는데 이것은 이 지점이 바로 4개의 스피커들 중 하나의 축 상에(On Axis), 바꾸어 말해 정면에 위치하기 때문이다. 이러한 주파수 응답특성의 차이는 청중이 느낄 수 있는 음질의 차이로 표현되기 때문에 이러한 공간에서 각 객석에 앉은 청중들은 서로 다른 음질을 듣게 되는 것이다. 위의 그래프를 살펴보면 골과 피크 값의 최대 차가 24 dB에 이르는 것을 확인할 수 있으며 그런 음질의 차이가 얼마나 심할 것인가에 대한 것도 쉽게 예측할 수 있는 것이다.
그럼 EQ 하면 되잖아?
물론 EQ 는 이러한 음향 시그널의 주파수 응답특성을 보정해 주기 위한 장치임에는 틀림없다. 하지만 EQ 가 이처럼 각 스피커간의 거리차이로 발생하는 딜레이와 그에 따른 응답특성의 왜곡을 바로잡아 줄 수 있을까? 위의 그림과 같은 시스템은 4개의 스피커가 동일한 음원으로부터 구동되기 때문에 단순히 Time Delay 장비를 사용해서도 이러한 문제를 해결할 순 없다. 미래의 누군가가 4차원의 EQ 나 Delay를 발명하기 전까지는 이러한 문제점은 아마도 없앨 수 없을 것이다.
사용목적에 부합하는 스피커 시스템을 선택하기 위해서는 원하는 재생주파수의 범위와 최대음량, 그리고 시스템 커버리지 등에 대해서 주의를 기울여야 한다. 이러한 요소들이 충족되었을 때 잊어서는 안되는 것이 바로 가능한 한 적은 수의 스피커로 시스템을 구성해야 한다는 점이다.(여기서 말하는 적은 숫자란 딜레이용 스피커를 포함한 분산 시스템을 제외한, 순수하게 하나의 어레이에 포함되는 스피커의 숫자에 대한 것이다) 또한 시스템 디자이너와 엔지니어, 시공업자가 설치하고자 하는 스피커 시스템의 주파수 및 지향특성을 완전히 이해하고 이들을 함께 묶어서 사용했을 때의 특성 변화와 부작용들에 대한 충분한 데이터를 확보하는 것을 잊어서는 안될 것이다.
[그림 3-2] 각 위치에서의 주파수 응답특성 비교
현명한 선택을 위해
위에서 언급한 확성 시스템은 여러분이 집에서 듣는 하이파이 오디오 시스템과는 그 목적과 활용에서 많은 차이가 있다. 하지만 많은 사람들이 가정용 오디오를 구입하는 기준과 별로 다르지 않은 기준으로 시스템을 고르고 있는 것이 사실이다.
위의 예와 같이 중, 소형 2-Way 스피커를 사용해 기존의 음악 CD를 듣는다면 많은 수의 사람들이 만족할 수 있는 결과를 얻는 것이 어렵지 않다. 또한 대다수의 사람들은 음악 프로그램의 경우 일정량의 주파수 응답특성의 불균형에 상당히 관대(?)한 반응을 보인다. 하지만 똑같은 사람들이 연설과 같이 사람의 목소리를 확성 시스템을 통해 들을 때에는 음악에 대해 보여준 관대함과는 전혀 다른 모습을 보여준다. 따라서 사용하고자 하는 시스템을 고를 때에는 설치하고자 하는 장소와 유사한 공간에서의 시연(demonstration) 을 사전에 해볼 것을 권한다. 그리고 시연시에는 귀에 익숙한 목소리를 확성해 전체 청취지역에서 고른 주파수 응답특성을 얻을 수 있는지, 그리고 충분한 안전확성이득을 얻을 수 있는지 등을 세심히 살펴야 할 것이다. ♣
