오디오 주파수 범위 및 오디오 부품 살펴보기

자동차부터 가정 및 휴대용 장치에 이르기까지 오디오는 모든 곳에 있으며 응용 분야에서 계속적으로 성장하고 있습니다. 오디오 시스템 설계에 관한 한 크기, 비용, 품질은 고려해야 할 중요한 요인입니다. 품질은 여러 변수의 영향을 받지만 일반적으로 주어진 설계에 필요한 오디오 주파수를 재생성할 수 있는 능력에 따라 결정됩니다. 이 기사에서는 오디오 주파수 범위 및 해당 서브세트에 대한 기본 사항, 인클로저 설계의 영향, 응용 제품에 따라 필요할 수 있는 오디오 범위를 결정하는 방법에 대해 자세히 알아봅니다.

오디오 주파수 범위 기본 사항

20Hz ~ 20,000Hz는 일반적으로 언급되는 오디오 주파수 범위입니다. 그러나, 보통 사람이 들을 수 있는 범위는 20Hz ~ 20kHz보다 작으며 개인이 나이가 들면서 감지할 수 있는 범위는 계속 줄어듭니다. 오디오 주파수는 각각의 다음 옥타브와 두 배의 주파수 차이가 나는 음악을 통해 가장 잘 설명됩니다. 피아노의 가장 낮은 음표 A는 약 27Hz이고 가장 높은 음표 C는 4186Hz에 가깝습니다. 이러한 공통 주파수 외에, 사운드를 생성하는 모든 물체나 장치는 고조파 주파수도 생성합니다. 이 경우 진폭이 낮을수록 주파수가 높아집니다. 예를 들어, 피아노의 27Hz 'A' 음표도 54Hz 고조파, 81Hz 고조파 등을 생성하며, 각 고조파는 바로 전 고조파보다 조용합니다. 고조파는 오디오 소스의 정확한 재생이 필요한 고충실도(Hi-Fi) 스피커 시스템에서 특히 중요합니다.

오디오 주파수의 서브세트

아래 표에는 오디오 시스템 설계에 사용되는 목표 범위를 정의하는 데 도움이 되는 20Hz ~ 20,000Hz 스펙트럼 내 7가지 주파수 서브세트가 나열되어 있습니다.

표 1: 오디오 주파수 범위 서브세트 (이미지 출처: Same Sky)

주파수 응답 그래프

주파수 응답 그래프는 버저, 마이크 또는 스피커가 다양한 오디오 주파수를 재생하는 방식을 시각화할 수 있는 좋은 방법입니다. 버저는 일반적으로 가청 가능한 톤을 출력하기 때문에 대개 주파수 범위가 좁습니다. 반면, 스피커는 주로 사운드와 음성을 재생성하는 작업을 수행하므로 일반적으로 더 넓은 주파수 범위를 전달합니다.

스피커 및 버저와 같은 오디오 출력 장치에 대한 주파수 응답 그래프의 y축은 기본적으로 장치의 사운드를 음압 레벨(dB SPL)을 데시벨로 표시합니다. 마이크와 같은 오디오 입력 장치의 y축은 사운드를 생성하는 것이 아니라 감지하기 때문에 대신 감도를 dB 단위로 나타냅니다. 아래 그림 1에서 x축은 로그 스케일을 사용하여 주파수를 나타내고 y축은 dB SPL을 나타냅니다. 이로써 오디오 출력 장치에 대한 그래프가 만들어집니다. dB도 로그 스케일이므로 두 축 모두 로그 스케일입니다.

그림 1: 기본 주파수 응답 그래프. (이미지 출처: Same Sky)

서로 다른 주파수에서 일정한 전력 입력으로 생성되는 SPL의 dB를 나타내는 이 그래프는 주파수 스펙트럼에 걸쳐 최소한의 변화로 비교적 평평합니다. 70Hz 아래에서 급격히 떨어지는 것을 제외하고 동일한 입력 전력을 제공하는 이 오디오 장치는 70Hz와 20kHz 사이에서 일관된 SPL을 생성합니다. 70Hz 미만에서는 SPL 출력이 떨어질 수 있습니다.

Same Sky의 CSS-50508N 스피커(그림 2)는 보다 일반적인 스피커 프로파일에 대한 좋은 예입니다. 이 그래프에는 공진이 출력을 강화하거나 감소시키는 지점을 나타내는 다양한 피크와 밸리가 포함되어 있습니다. 이 41mm x 41mm 스피커의 규격서에는 그래프에서 첫 번째 주요 피크로 볼 수 있는 380Hz ± 76Hz의 공진 주파수가 나열되어 있습니다. 이는 약 600Hz ~ 700Hz에서 급하게 떨어지지만 약 800Hz ~ 3,000Hz에서 안정적인 SPL 성능을 제공합니다. 스피커의 크기로 인해 설계자는 CSS-50508N이 높은 주파수에 비해 낮은 주파수에서 잘 작동하지 않을 것이라고 추정할 수 있으며, 이는 그래프로 확인됩니다. 주파수 응답 차트를 참조하는 방법과 그 시기를 이해함으로써 설계 엔지니어는 스피커 또는 기타 출력 장치가 목표 주파수를 재생할 수 있는지 여부를 확인할 수 있습니다.

그림 2: Same Sky 의 CSS-50508N 41mm x 41mm 스피커의 주파수 응답 그래프. (이미지 출처: Same Sky)

오디오 범위 및 인클로저 고려 사항

오디오 범위는 아래 섹션에 설명한 것처럼 여러 방법으로 인클로저 설계에 영향을 줄 수 있습니다.

스피커 크기

작은 크기의 스피커는 큰 스피커에 비해 더 빠르게 움직이므로 원치 않는 고조파가 적은 더 높은 주파수를 생성할 수 있습니다. 그러나 더 낮은 주파수에서 유사한 SPL 출력을 얻으려는 경우 더 높은 피치와 동일한 인식 dB SPL을 일치시키기 위해 충분한 공기를 이동시키는 데 더 큰 스피커 진동판이 필요합니다. 진동판이 클수록 훨씬 더 무겁지만, 이는 일반적으로 훨씬 느리게 움직이는 더 낮은 주파수에서 문제가 되지 않습니다.

더 작거나 더 큰 스피커를 결정하는 것은 궁극적으로 응용 제품의 요구 사항에 따라 다르지만 일반적으로 스피커가 작을수록 인클로저도 작아져 비용을 줄이고 공간 절약을 개선할 수 있습니다. Same Sky의 블로그 How to Design a Micro Speaker Enclosure에서 자세한 내용을 알아보세요.

공진 주파수

공진 주파수는 물체가 자연적으로 진동하려고 하는 주파수를 나타냅니다. 기타 줄을 튕기면 공명 주파수로 진동합니다. 즉, 공명 주파수를 재생하는 기타 줄 옆에 스피커를 배치하면 기타 줄이 진동하기 시작하고 시간이 지남에 따라 진폭이 증가합니다. 그러나 오디오의 경우 이 동일한 현상으로 인해 주변 물체에서 윙윙거림과 달그락 소리가 발생할 수 있습니다. 공진 및 공진 주파수에 대한 Same Sky의 블로그에서 이러한 주제에 대한 추가적인 정보를 제공합니다.

비선형 출력과 원치 않는 고조파를 모두 포함하는 스피커를 사용하지 않으려면 인클로저 설계에서 인클로저가 의도한 오디오 출력과 동일한 스펙트럼에서 고유한 공진 주파수를 갖지 않는지 확인하는 것이 중요합니다.

재료 장/단점

스피커 및 마이크 설계는 움직이는 동안 조용하고 유연하며 단단하게 유지되어야 하는 부품 간에 섬세한 균형을 유지합니다. 스피커의 진동판(또는 콘)은 빠른 응답을 위해 가벼워야 하고 움직일 때 변형을 피하기 위해 가능한 한 단단해야 합니다. 일반적으로 Same Sky의 스피커는 가볍고 단단한 종이와 마일라를 사용합니다. 플라스틱의 일종인 마일라는 수분과 습기에 강하다는 추가 이점도 있습니다. 진동판 외에 고무를 사용하여 진동판을 프레임에 연결하기도 합니다. 극단적인 움직임으로 인한 파손을 방지하기 위해 이 재료는 진동판의 움직임을 제한하지 않도록 강하면서 유연해야 합니다.

그림 3: 스피커의 기본 구성. (이미지 출처: Same Sky)

마이크 기술을 비교할 때도 이와 동일한 절충점을 볼 수 있습니다. 일렉트릿 콘덴서 마이크와 MEMS 마이크는 사용자에게 내구성, 소형 패키지, 저전력을 제공하지만 주파수와 감도가 더 제한적입니다. 반면에 리본 마이크는 내구성이 좋지 않다는 단점이 있지만 향상된 감도와 주파수 범위를 제공합니다.

재료는 또한 인클로저 설계에서 사운드의 공명과 흡수에 모두 영향을 미치는 중요한 선택입니다. 인클로저의 주 목적은 역위상 후방 생성 사운드를 감쇠시키는 것입니다. 즉, 선택한 재료가 사운드 흡수에 효과적이어야 함을 의미합니다. 이는 저 주파수 사운드 응용 제품에 특히 중요합니다.

결론

결국 오디오 시스템의 수는 제한되어 있고 충실도에 관계없이 전체 오디오 스펙트럼을 확장할 수 있는 개별 오디오 출력 장치는 없습니다. 일반적으로 대부분의 응용 제품에는 이러한 수준의 충실도가 필요하지 않으며 완벽한 선형 출력은 필요하지 않을 수 있습니다. 그러나 오디오 주파수 범위를 이해하는 것은 설계에 적절한 오디오 부품을 선택하는 데 여전히 중요한 역할을 합니다. 이러한 이해를 통해 엔지니어는 비용, 크기 및 성능 간의 균형을 더 잘 가늠할 수 있습니다. Same Sky는 모든 응용 분야를 지원할 수 있도록 다양한 주파수 범위를 갖춘 오디오 솔루션을 제공합니다.