오디오 시스템에서 공진과 공진 주파수의 중요성

공진 오디오 시스템으로 작업하는 설계자의 경우 두 가지 중요한 과제가 있습니다. 첫째, 스피커 또는 버저의 공진 주파수와 공진 영역을 활용하여 최대 출력 음압 레벨(SPL)을 생성해야 합니다. 둘째, 오디오 장치의 인클로저 및 실장 시스템에서 진동음과 떨림을 유도하는 공진을 방지해야 합니다. 공진은 익숙한 개념이지만, 이 기사에서는 위에서 언급한 과제와 공진에 영향을 미치는 요소, 주파수 응답 곡선을 읽는 방법을 비롯하여 오디오 설계에서 공진이 미치는 영향을 살펴보겠습니다.

공진 및 공진 주파수 기본 사항

공진의 영향을 이해하려면 먼저 기본적인 수준에서 공진을 이해해야 합니다. 공진은 물리적 물체 또는 전자 회로가 초기 임펄스로부터 에너지를 흡수한 후 동일한 주파수로 진동을 유지(진폭은 감소하고 추가적으로 작용하는 힘은 없음)할 때 발생합니다. 이 동작이 발생하는 주파수를 시스템의 공진 주파수(F0)라고 합니다.

공진은 여러 곳에서 나타날 수 있습니다. 기타는 일상에서 찾아볼 수 있는 완벽한 사례로서, 전적으로 진동에 의해 소리를 생성합니다. 연주자가 기타의 줄을 퉁기면 줄이 진동하여 기타의 속이 빈 목재 본체로 소리 에너지를 전달합니다. 그러면 공진 현상이 발생하고 생성되는 소리가 증폭됩니다. 마찬가지로 LC 필터는 올바른 주파수 신호에 의해 자극될 경우 튜닝된 탱크 회로로 공명됩니다. 이 효과는 기본 무선 통신에서 공진 주파수가 동보 통신 주파수와 일치하도록 탱크 회로의 정전 용량 또는 유도 용량 값을 조정하여 동보 통신 신호를 캡처하는 데 사용됩니다. 압전 수정 발진기의 전기 기계 공진을 주파수 참고 자료로 사용할 수 있습니다.

오디오 출력 부품 개요

기계적 공진은 다양한 질량을 함께 연결하는 강성과 무게의 영향을 받습니다. 표준 스피커의 경우 이 질량은 다이어프램(또는 콘)이고, 강성은 다이어프램을 프레임에 연결하는 서스펜션의 유연성에 따라 달라집니다. 스피커는 다양한 방식으로 제조되므로 스피커 유형에 따라 다른 공진 주파수를 생성할 수 있습니다.

스피커의 공진 주파수에 영향을 미치는 다른 요소에는 콘 소재, 서스펜션 두께, 콘 후면에 부착되어 무게에 영향을 주는 전자석 크기 등이 있습니다. 일반적으로 소재가 더 가볍고 단단하고 서스펜션이 유연할수록 더 높은 공진 주파수가 발생합니다. 예를 들어 고주파 트위터는 작고 가벼운 장치로서, 단단한 마일라 콘과 매우 유연한 서스펜션이 부착되어 있습니다. 이러한 요소를 수정하여 표준 스피커는 20Hz ~ 20,000Hz 사이의 주파수 범위를 갖습니다.

그림 1: 표준 스피커 구조(이미지 출처: Same Sky)

다른 유형의 오디오 출력 부품에는 자기 트랜스듀서 버저가 있습니다. 이 버저는 스피커와 다른 방식으로 구동 메커니즘을 소리 출력 메커니즘과 분리합니다. 프레임에 단단히 연결된 가벼운 다이어프램으로 인해 자기 트랜스듀서의 범위는 감소된 반면에 공칭 주파수 범위는 높아졌습니다. 자기 트랜스듀서는 일반적으로 스피커보다 적은 전류로 동일한 SPL을 생성하면서 2kHz ~ 3kHz의 소리를 생성합니다.

그림 2: 표준 자기 버저 구조(이미지 출처: Same Sky)

마지막으로 자기 버저와 동일한 전류량으로 더 높은 SPL을 생성하는 훨씬 효율적인 압전 트랜스듀서 버저가 있습니다. 이 버저는 압전 효과를 활용하여 전기장을 달리함으로써 압전 세라믹 소자가 다른 방향으로 휘도록 하여 음파 출력을 생성합니다. 이 압전 소재는 일반적으로 단단하고, 이러한 유형의 버저에서 사용되는 부품은 작고 얇습니다. 자기 버전과 같은 압전 트랜스듀서 버저는 좁은 주파수 범위를 가진 1kHz ~ 5kHz 사이의 고음을 생성합니다.

그림 3: 표준 압전 버저 구조(이미지 출처: Same Sky)

공진 설계 고려 사항

공진을 활용하는 스피커 또는 버저 설계는 원하는 공진 주파수 또는 공진 주파수 범위, 사용할 스피커 또는 버저의 특성, 실장할 인클로저의 모양과 크기 등을 고려해야 하는 복잡한 작업입니다. 이러한 요소는 상호 간에 매우 큰 영향을 미칩니다.

예를 들어 매우 큰 인클로저에 작은 스피커를 실장할 경우 스피커를 자유롭게 이동할 수 있으므로 시스템(스피커와 인클로저)의 공진 주파수가 야외에서 작동하는 스피커의 고유한 공진과 동일할 수 있습니다. 하지만 작은 밀폐형 인클로저에 스피커를 실장할 경우 내부 공기가 기계식 스프링 역할을 하여 스피커 콘과 상호 작용하고 시스템의 공진 주파수에 영향을 줍니다. 또한 비선형 전기 구동 특성과 같이 효과적인 설계를 위해 고려되어야 하는 다른 특성이 있습니다.

이 복잡성을 고려할 때 오디오 설계를 진행하는 데 가장 좋은 방법은 시제품을 제작하고, 제품 특성을 평가한 다음 선택한 오디오 소스로 최상의 출력을 생성하도록 조정하는 것입니다. 이 시제품 제작 기반 접근 방식은 부품 특성이 제조 허용 오차 범위 내에서 변경되고 인클로저의 기하학적 구조와 강성에 따라 생산이 변형될 수 있다는 사실을 설계자가 이해하고 이를 보완하는 데에도 도움이 됩니다. 처음부터 최상의 부품을 선택하여 제작하는 수제 스피커는 대량 생산 기술과 표준 부품을 사용하여 반복적으로 달성하기 어려운 성능을 실현하기도 합니다.

특히, 스피커의 인클로저는 충분한 내부 공간을 확보하여 오디오 에너지를 감쇠 없이 생성하도록 설계되어야 합니다. 인클로저 덮개 또는 소재로 인해 SPL이 3dB만 감소되더라도 출력음은 반으로 축소됩니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 Same Sky의 'How to Design a Micro Speaker Enclosure' 블로그 게시물을 참조하십시오.

오디오 부품의 전체 스펙트럼 응답을 조사하여 공진 주파수 피크의 어느 한쪽에 있는 주파수에서 생성되는 부품 성능을 활용해야 합니다. 특히 스피커의 경우 공진 주파수가 정확한 수치가 아니고 매우 좁은 대역도 아니므로, 설계자가 활용할 수 있는 유용한 주파수 응답이 규격서에 지정된 피크 값의 어느 한쪽에 존재할 가능성이 있습니다. 지정된 입력 전력에 맞게 출력 SPL 및 주파수를 최적화하는 것이 가장 좋습니다. 이렇게 하려면 공진 주파수와 공진 영역 내 주파수에서 장치를 구동해야 합니다.

예를 들어 Same Sky의 CSS-10246-108 스피커 규격서에는 공진 주파수가 200Hz ±40Hz로 나와 있지만, 주파수 응답 그래프에는 약 3.5kHz에 다른 공진 스파이크가 표시되어 있습니다. 또한 약 200Hz ~ 3.5kHz 사이에 공진 영역이 있습니다. 설계자는 이러한 정보를 활용하여 응용 분야에 맞는 스피커를 선택할 수 있습니다.

그림 4: CSS-10246-108 스피커에 대한 주파수 응답 곡선(이미지 출처: Same Sky)

다른 예로, Same Sky의 CMT-4023S-SMT-TR 자기 트랜스듀서 버저는 규격서에 공진 주파수가 4000Hz로 나와 있습니다. 이 값은 아래에 있는 버저의 주파수 응답 그래프에서 확인할 수 있습니다. 또는 공진 문제를 간소화하기 위해 버저를 구동 회로망이 내장된 오디오 표시등으로 사용할 수도 있습니다. 내부적으로 구동되는 이러한 장치는 고정된 정격 주파수에서 작동하도록 설정되고 지정된 주파수 범위에서 SPL을 최대화하도록 설계되어 있으므로 주파수 응답 그래프가 필요하지 않습니다.

그림 5: CMT-4023S-SMT-TR 자기 트랜스듀서 버저에 대한 주파수 응답 곡선(이미지 출처: Same Sky)

결론

설계자는 응용 분야에 맞는 오디오 장치를 설계할 때 원치 않는 진동을 유도하지 않으면서 최대 SPL을 생성하도록 장치의 공진 주파수를 고려해야 합니다. 즉, 제조업체에서 제공하는 데이터, 특히 공진 주파수를 설계의 시작점으로 활용한 후 이 값의 주위에 존재하는 전체 공진 영역에서 설계를 최적화해야 합니다. 초기 설계를 완료한 후 시제품을 사용하여 오디오 장치가 인클로저 및 실장과 상호 작용하는 방식이 설계된 성능에 부합하는지 확인해야 합니다. Same Sky는 주파수 스펙트럼 전반에서 다양한 오디오 솔루션을 제공하여 엔지니어가 업무에 적합한 부품을 찾을 수 있도록 도와줍니다.