지혜의 창고: 스피커 개발 이야기

서론

익숙해진다는 것은 무엇인가? 오만해지는 것이고, 눈과 귀가 어두워지는 것이다. 또한 안다고 착각하는 것이다.

스피커는 구조나 원리가 너무 단순하고 기능 수준이라 더 이상 연구 개발 할 것이 없다고 생각했다. 하지만 지난 5년간 개발 경험으로 통해 그것이 얼마나 오만한 생각인가 알았다. 전혀 모르는 발견이 있었고, 차이가 문제를 만드는 것, 심리적 타성에 빠진 사람들, 객관성과 주관성 등 수 많은 경험과 학습이 있었다.

지난 5년간 스피커 개발 스토리를 문제학 프레임을 이용해 이야기하고자 한다. 우연한 발견, 인맥, 심리적 타성 등등 여러 가지 이야기를 하려고 한다.

본론

1. 오디오 시스템

오디오 시스템은 전자기-기계적으로 음향을 재생하는 장치로 음원, 앰프, 스피커로 구성되는 기술 시스템이다. 음원은 LP를 구동하는 턴테이블, CD 플레이어, DAC 등이 있다. 앰프는 진공관과 트랜지스터 앰프 등이 있고, 스피커는 다이나믹 드라이버, 리본 트위터 등이 있다.

하이엔드 오디오(High end audio)는 이들 중 고성능, 고가격의 오디오 시스템을 말한다.

1.1 하이엔드 오디오란 무엇인가?

하이엔드 오디오의 정의나 역사는 명확하지 않지만 ‘The Absolute Sound’ 잡지의 설립자 인 Harry Pearson 이 말한 것으로 알려져 있다. ⁽¹⁾

하이엔드 오디오란 다이나믹 레인지(Dynamic Range: DR)가 큰 하이파이 오디오를 말한다. 이것이 클수록 오디오의 음은 더 힘이 있고 생기가 난다. 같은 음악이라도 하이엔드 오디오로 연주를 들을 때, 카셋트나 워크맨으로 들을 때, 공연 현장에서 연주를 들을 때는 음의 깊이와 섬세함 그리고 박력에 대한 느낌이 크게 달라지는 것은 DR의 차이 때문이다.

하이엔드 오디오의 가격은 수백만원에서 수억원대로 대중성은 부족한 취미로 인식된다. 그래서 하이엔드 오디오 시장 전문가에 의하면 국내에 3만명 정도의 소비자가 있는 것으로 알려져 있다. 이는 대한민국 인구 0.05% 만이 누리고 있는 희귀 취미라는 의미이다.

Fig. 1 하이엔드 오디오 예(매킨토시)

1.2 스피커란 무엇인가?

본 연구의 주제인 스피커는 전기 신호를 음향으로 변환하는 장치로 전기-기계적 시스템(Electro-Mechanical System)이다.

스피커는 다이나믹 드라이버(Dynamic driver), 피에조(Piezo), 정전기(Electrostatic), 리본(Ribbon), 플라즈마(Plasma) 등 여러 종류가 있지만 그림 3과 같은 다이나믹 드라이버가 보편적으로 사용된다. 앰프에서 출력된 전기신호가 보이스 코일(voice coil)을 흐르면서 전자력을 만든다. 이 전자력과 영구자석에서 만드는 자력의 차이가 생기면 로렌츠력(Lorentz force)에 의해 보이스 코일이 전후로 구동된다. 보이스 코일에 접속된 진동판이 함께 구동하면 공기를 진동하고 이것에 의해 소리가 발생한다.

Fig. 2 다이나믹 드라이버 스피커

2. 음향 해석 원리

음향 해석 원리는 음원에서 발생하는 소리(파동)를 사람이 어떻게 인지하는가 해석하는 원리이다. 보통 사람은 두 귀로 소리를 듣는다. 두 귀에 도달하는 소리는 그림 4에서 보이는 것처럼 음원에서 직접 오는 것과 반사를 통해서 오는 것이 있다. 이 시간 차에 의해 잔향, 공명 등이 발생한다.

주류 음향 해석 원리는 FD(Frequency Domain)이고, TD(Time Domain)라는 원리도 존재한다.

Fig. 3 음향 해석 원리

2.1 FDS(Frequency Domain Speaker)

FDS는 스피커를 구동하는데 FD를 기반으로 음향을 해석하는 것이다. 음향을 파동으로 보면 그림 5와 같이 여러 개의 기본 파동으로 분해, 합성, 해석하는 것이 가능하다. 해석의 이론 기반은 푸리에 변환(Fourier transform)이다. 해석이 용이하고, 계산(적분)이 가능한 음향이론이다. 대다수의 음향 기술자는 이것을 사용한다.

FDS의 한계는 적분오차와 유령 주파수로 이는 FT를 사용하는 모든 회로의 문제이기도 하다.

Fig. 4 Frequency Domain Speaker

2.2 TDS(Time Domain Speaker)

TDS는 스피커를 구동하는데 요시히로 유키에 의해 제안된 TD(Time Domain)를 기반으로 음향을 해석하는 것이다. ^{(2) (3) (5)}

음향을 주파수가 아니라 그림 5에 보이는 것처럼 시간에 기반한 임펄스Impulse로 본다. 그림 6과 같이 상품화도 되어 있다.

한계는 관성을 줄이기 위해 진동판의 크기를 줄인데 따른 저음 음량의 부족이다. 이를 앰프에서 보완하려면 비용이 많이 든다.

Fig. 5 Time Domain Speaker

Fig. 6 Time Domain Speaker 상품

3. fDS 스피커 설계 개념 기반

본 연구에서 사용된 설계 개념은 모순(기술적/물리적), 진화, 기술진화, 발명원리 40, 변증법, 오행이다.

진화와 모순은 변증법을 따르며 모순이 진화의 원동력이란 개념이 채용되었다. 기술진화는 기술도 생명이나 사회처럼 진화한다는 트리즈 이론을 채용하였다. 발명원리 40은 트리즈 발명원리 40을 구조화하여 채용하였다. 변증법은 헤겔의 변증법을 채용하였다. 오행은 동양의 자연철학인 목화토금수를 채용하였다.

3.1 진화와 모순

진화(進化)는 생물 집단이 여러 세대를 거치면서 변화를 축적해 집단 전체의 특성을 변화시키고 새로운 종의 탄생을 야기하는 관찰된 자연 현상을 가리키는 생물학 용어이다.

본 연구에서는 기술시스템의 존재 목적에 접근하는 변화를 진화로 정의한다. 예를 들면 진공청소기의 존재 목적은 적은 에너지와 시간을 사용해 먼지를 제거하는 것이다.

그림 8에 나타난 후버 진공청소기(①)은 손으로 하는 것보다 시간을 줄일 수 있기에 기존 청소보다 진화했다고 평가할 수 있다. 노즐분리형 진공청소기(②)는 ①번 보다 경량으로 사용자의 에너지를 줄였다는 점에서 진화했다고 평가할 수 있다.

Fig. 7 진공청소기 진화 사례

진공청소기(②)가 해결해야 할 모순은 다음과 같다. 먼지를 제거하기 위해 집진백을 사용해야 하지만 이것이 미세 먼지를 만들기 때문에 집진백을 사용하지 않는다는 물리적모순이다. 진공청소기(③)은 사이클론을 채용해 모순을 해결한 진화한 시스템이다.이처럼 진화(진보)는 모순을 해결 함으로서 진행된다.

진공청소기 만이 아니라 볼펜, 베어링, 세탁기 등등 수 많은 기술 제품에서 모순에 의한 진화 사례를 발견할 수 있다.

3.2 기술진화 법칙

기술진화는 G.S알트슐레르가 기술시스템 생애(Life cycle) 개념에 도입한 도입기, 성장기, 성숙기 와 다른 시스템으로의 대체된다는 개념이다. 기술진화법칙과 기술진화 패턴이 이론으로 만들어져 있다.

Fig. 8 기술 시스템 생애

3.3 발명원리 40

발명원리 40은 G.S.알트슐레르와 그의 동료에 의해 만들어진 발명원리를 말한다.

본 연구에서는 시간, 공간, 구조의 프레임으로 재구성한 그림 9와 같은 발명원리를 채용했다.

Fig. 9 발명원리 40

3.4 오행

오행(五行)은 그림 12와 같은 중국의 자연철학으로 우주 만물의 변화를 나무(木), 불(火), 흙(土), 쇠(金), 물(水)의 다섯 가지 기운으로 압축해 설명하려는 사상이다.

본 연구에서는 스피커 하우징의 재료를 변경하는데 있어서 오행을 적용했다. 불(火)을 제외한 하우징 재료 변경에 따른 음악의 감성 품질 변화를 조사했다.

Fig. 10 오행

4. fDS 스피커 개발 프로세스

fDS(full Domain Speaker) 스피커의 개발은 다음 다섯 단계를 걸쳐 시행되었다.

1. TDS 시작/평가

2. 기술혁신의 패턴 IV 적용

3. TDS/FDS 모순 평가/작성

4. 개념 응용 설계

5. fDS 개념 설계/시작

4.1 TDS 시작/평가

TDS의 성능 평가를 위해 시제품을 만들었다. 시제품 제작에 필요한 정보는 구글링Goggling을 통해 수집했다. 스펙, 도면, 제작경험 블로그 등을 통해 만든 시작품이 Fig 11이다.

시작한 TDS의 음향 시험 결과는 ‘더 이상 연구개발 진행할 가치가 없다’였다.

논리적 근거는 TDS는 정보대로 해상도는 기존의 FDS보다 좋았지만 임장감이나 웅장함은 FDS보다 떨어졌다. 그리고 해상도의 경우 W5000과 같은 하이엔드 헤드폰의 해상도와 비교할 때 비교 자체가 되지 않았다. 물론 스피커와 헤드폰은 영역이 다르지만 음성을 재생한다는 관점에서는 같다고 할 수 있다. 기존보다 더 낳아지지 않았기에 진화가 아니라 퇴화라고 해석할 수 있다.

Fig. 11 TDS 시작품

이 판단을 문제학으로 해석하면 1종의 오류(전문가의 오류)에 해당된다.

실험 결과를 본 동료가 TDS와 FDS를 동시에 구동하면 어떤 결과가 나오는가 질문했는데 답을 알지 못했기에 실험해 보기로 했다.

그 결과 오디오 50년 경험에서 전혀 듣지 못한 새로운 소리를 듣게 되었다. 그것이 본 연구의 결과물인 fDS이다.

Fig. 12 오디오 테크니카 ATH W5000

4.2 기술혁신의 패턴 해석

fDS 스피커의 ‘발견’은 기술혁신의 패턴으로 보면 패턴 I ‘우연한 발견’으로 해석이 가능하다.

동료의 질문에 답하기 위해 두 개의 스피커를 동시에 구동한다는 실험에 의한 발견이기 때문이다.

Fig. 13 기술혁신의 패턴

4.3. TDS/FDS 모순 평가/작성

3.1항에서 언급한 것처럼 기술시스템이 진화하려면 대응이 되는 모순 시스템이 출현해야 한다.

기존의 FDS에 대해 TDS가 모순 관계를 가지고 있는지 평가한 것이 표 1이다.

TDS는 해상도와 임장감이 뛰어나지만 웅장함이 부족하다.

FDS는 웅장함이 뛰어나지만 해상도가 떨어진다.

이는 하나의 장점이 다른 시스템의 단점인 수성/유성 볼펜의 모순 관계와 유사하다.

이 두 개의 대응 모순을 가지는 것을 합치면 Fig16과 같은 모순도가 만들어진다.

Table 1 FDS와 TDS 특성 비교

	TDS	FDS	비고
해상도	◎	△	디스토션/강체진동
임장감	◎	●	유닛 등급
웅장함	△	◎	진동판 크기

Fig. 14 스피커 모순

해상도를 높이려면(TC1), TDS를 채용해야 한다(PC1).

힘있는 음을 얻으려면(TC2), TDS를 채용하지 않아야 한다(PC2)

4.4 개념 고안

TDS와 FDS가 모순 관계에 있는 것이 판정되고, 그림 14와 같은 모순문제가 성립되면 해결책을 찾는 것이 다음 단계이다.

해결의 방향은 TDS를 채용하면서 힘있는 음을 얻거나, TDS를 채용하지 않으면서 해상도를 얻는 것이다.

발명원리 5, 통합을 이용해 TDS와 FDS를 합친 스피커를 만들었다. 결과는 힘 있는 음, 해상도 동시에 재현되었다.

이렇게 해서 만들어진 것이 그림 17에 보여지는 fDS이다. 하단부에 FDS를 설치하고, 상단부에 TDS를 설치한 하이브리드 시스템이다.

Fig. 15 fDS 시작품

4.5. fDS 개념 설계/시작

이렇게 발견된 스피커를 fDS(full Domain Speaker)로 명명하고 개념 설계 9회와 실시 설계 2회가 추가로 시행되었다.

문헌에 제시된 스펙들이 fDS에는 적합하지 않은 것이 많았기 때문이다. 예를 들면 요시히로 유키에 의하면 TDS의 스피커 유닛은 관성 구동을 유지하기 위해 스피커 진동판의 직경이 3인치를 넘어서는 안된다. 하지만 fDS에서 3인치 유닛은 DR이 충분하지 못했다. 그래서 4인치, 5인치, 6인치 유닛으로 확대하면서 최적의 조합을 찾아야 했다. 그리고 수목금토 등 하우징 재료도 음색에 영향을 주었다.

또한 문헌의 스펙대로 제작하려면 재료비가 너무 많이 들어간다는 문제나 제작한 시제품의 운반이 어려운 것도 시제품 제작에서 예상치 못한 문제였다. 부록에 지난 5년간 개발한 시제품이 있다.

References

(1) The_Absolute_Sound, Ideaholic, 2004, https://en. wikipedia. org/wiki/

(2) 타임 도메인이론 적용 스피커, https://kbench.com/? q= node /26052

(3) オールホーンシステムの開発意図, 「電波科学」

　84年3月号

(4) Suh, S. H., Choi, Y., Roh, H. W. and Doh, H., 1999, "Flow Analysis in the Bifurcated Duct with PIV System and Computer Simulation," Trans. of the KSME (B), Vol. 23, No. 1, pp. 123~180.

(5) 高忠実度再生への新しいアプローチ, "物理特性は、なぜ聴感と合わないのか" ラジオ技術　

83年7月号より

3. 결 론

본 연구의 결론은 다음과 같다.

1) fDS는 스피커 역사에서 다이나믹 드라이버, 스테레오, 공명, 플라즈마 트위터, 평면 진동판에 버금가는 기술진화이다. 왜냐하면 기존의 2차원 스피커가 아니라 3차원 스피커이기 때문이다.

2)fDS의 음질 감성 평가 결과 fDS의 DR이 기존 FDS 대비 6배 이상의 가성비를 가진 것으로 평가되었다. 이로 인해 하이엔드 오디오의 진입 장벽을 낮출 수 있다.

3)기술진화는 변증법을 따르며 진화를 하려면 대응되는 모순 시스템이 선행되어야 한다.

부록 제작 스피커

1st 스피커

TDS만으로는 소리가 맑지만 약해 실패라고 판단.

사촌동생이 기존 스피커와 결합 시 어떤 소리가 나는가 질문

그 질문에 대답하기 위해 실험한 결과 60평생 처음 듣는 소리를 들었음