원문

http://www.neumann-kh-line.com/neumann-kh/home_en.nsf/root/prof-monitoring_knowledge_glossary_measurement

지향성 (Dispersion / Directivity)

스피커에서 나오는 음파는 한 방향으로만 움직이지 않습니다. 청취자가 Off-Axis로 움직일수록 높은 주파수의 음압이 낮은 주파수의 음압보다 빠르게 작아집니다.

※역주 : 이는 주파수에 따라서 음파의 지향성이 달라지기 때문입니다. 낮은 주파수의 음파는 전방향으로 퍼지려는 특성을 가지고 있는 반면, 높은 주파수의 음파는 한방향으로 움직이려는 특성(직진성)을 가지고 있습니다. 따라서 청취자가 On-Axis에서 벗어나면 고음은 크게 감소하고 저음은 적게 감소합니다.

스피커 드라이버의 크기와 드라이버가 장착된 표면(벽, 패널 또는 스피커 캐비넷)에 따라서 Off-Axis에서의 음압감소가 달라집니다. 드라이버와 결합된 표면의 지름과 면적이 클수록 방사각의 크기가 작아집니다. 그러나 저음의 지향성을 컨트롤 하기 위해 혼 구조를 사용하면 혼의 크기가 매우 커져야하기 때문에 비효율적입니다.

이렇게 주파수에 따라 지향성이 달라지는 현상 때문에 크로스오버 주파수에서 문제가 생깁니다. 2웨이 스피커는 일반적으로 2 - 3 kHz에서 크로스오버되기 때문에 저음을 담당하는 우퍼는 크로스오버 지점 아래의 주파수를 재생합니다. 그런데 2 - 3 kHz 음파의 파장은 우퍼의 지름에 비해 많이 작기 때문에 크로스오버 지점에서 우퍼의 지향성이 상당히 좁아집니다. 한편, 트위터는 크로스오버 주파수의 윗 대역부터 소리를 내기 시작합니다. 이 주파수의 파장은 짧은 편이지만(10 - 20 cm) 트위터의 지름보다는 꽤 크기 때문에 이 주파수의 트위터 지향성이 넓어집니다. 따라서 2웨이 스피커에서는 음파의 지향성이 크로스오버 주파수 아래까지는 점차 좁아지다가 크로스오버 지점에서 다시 넓어지는 형태가 됩니다. 이러한 지향성을 가진 스피커는 부드럽지 않은 Sound Power Response(스피커에서 방사되는 소리 에너지의 총량)가 생성되어 스피커를 청취실에 배치했을 때 좋지 않은 소리가 납니다. 스피커의 지향성이 좋지 않으면 On-Axis의 응답이 평탄해도 청취실에서 스피커를 재생할 때 톤 밸런스가 변해버리는 문제가 생길 수 있습니다. 노이만은 이러한 Off-Axis 문제를 해결하기 위해 트위터와 미드레인지 드라이버에 웨이브가이드(acoustical horn)를 설치해 크로스오버 주파수에서 지향성이 넓어지지 않게 만듭니다.

일반적인 룸에서는 청취자가 스피커의 On-Axis에 위치하더라도 청취자는 직접음(On-Axis sound)과 반사음(Off-Axis sound)이 합쳐진 소리를 듣게 됩니다. 첫째로, 직접음은 가능한 평탄해야 합니다. 둘째로, Off-Axis sound는 룸의 표면들(장비, 가구, 벽 등)에서 반사됩니다. 반사되는 표면의 음향적 성질에 따라서 반사음은 채색되고 음압이 작아집니다. 단, 좋은 음향설계로 룸을 튜닝하면 부정적인 영향을 최소화할 수는 있습니다. 스피커의 Off-Axis sound는 채색되지 않아야 합니다. 그렇지 않으면 룸 튜닝으로 이러한 추가적인 음질 요인에 대처해야 하는데, 이는 실용적이지도 않고 경우에 따라서는 아예 불가능합니다. 마지막으로 방의 잔향 시간이 비선형일 경우에도 청취위치에서의 소리가 채색됩니다.

※역주 : 채색되지 않은 소리를 들으려면 반사음과 직접음의 차이가 적어야하므로 Off-Axis 응답이 On-Axis와 유사해야 합니다. 또한 모든 주파수에서 잔향시간이 비슷해야 소리가 채색되지 않습니다. 방의 잔향시간은 REW의 Spectrogram에서 쉽게 확인할 수 있습니다.

소리가 방사되는 특성을 측정하기 위해서는 스피커 주변에서 많은 측정이 필요합니다. 모든 방향에서 모든 각도를 측정할 필요가 없도록, 전형적인 수평면과 수직면에서만 5도마다 측정합니다. 이 데이터에서 보간법을 사용하여 측정하지 않은 각도의 주파수 응답을 도출할 수 있습니다. 또한 필요한 측정 횟수를 더욱 줄이기 위해 대칭성을 사용할 수 있습니다.

위와 같은 방식으로 측정하면 다음과 같은 그래프를 그릴 수 있습니다 : dispersion plot, directivity balloon, isobars, polar plot, directivity index/factor, power response, etc.

이러한 그래프에는 frequency smoothing, level normalization 등의 후보정이 적용되는 경우가 많습니다.

지향성 그래프(Dispersion plot)는 X축에 주파수를 표시하고 Y축에는 각도를 표시합니다. 특정 주파수와 각도에서의 음압은 여러가지 색깔을 이용해서 표시합니다. 아래의 그래프는 지향성 제어장치가 없는 대형 3웨이 스피커(드라이버들이 평평한 전면 패널에 붙어있음)와 웨이브가이드가 장착된 대형 3웨이 스피커의 지향성 그래프입니다. 지향성 제어장치가 없는 스피커의 그래프에서는 높은 주파수(3 - 6 kHz)에서 지향성 컨트롤이 되지 않는 모습을 확인할 수 있습니다. 이 스피커의 Off-Axis sound는 상당히 채색될 것이고 청취 위치에서의 소리도 채색될 것입니다. 또한 잔향 시간이 길수록 채색된 소리가 더욱 잘 느껴질 것입니다.

지향성 제어를 하지 않은 스피커

지향성을 제어한 스피커 (O 500 C)

지향성 제어 기능이 없는 스피커에서는 1-7kHz의 지향성이 매우 넓은 것을 볼 수 있으므로 이상적인 음향 상태가 아닌 방에서 스피커의 소리가 채색될 것입니다. 또한, 높은 주파수 영역에서 지향성이 무너지면 해당 주파수의 스윗 스팟이 좁아집니다.

과거에는 점토를 이용해 웨이브가이드의 프로토타입을 제작한 다음 무향실에서 측정해 체크하는 방식으로 웨이브가이드를 설계하고 있었습니다. 측정 결과가 좋지 않으면 웨이브가이드의 프로토타입을 다시 만들고 무향실 측정을 다시 해야했습니다. 오늘날, 노이만 스피커의 웨이브가드는 목표가 달성될 때까지 음향 모델을 사용하여 반복적으로 컴퓨터로 설계됩니다. 그런 다음 무향실 측정으로 최종 설계 검증만 수행하면 됩니다.(Mathematically Modeled Dispersion™ waveguide, MMD™) 이것은 자동차 공기역학이 컴퓨터, 점토 모형, 풍동 터널을 사용하여 설계되었던 방식과 유사합니다.

웨이브가이드의 목적은 크로스오버 지점과 그 이상에 걸쳐 일정한 지향성을 제공하는 것입니다. 이상적으로는 모든 모델이 동일한 지향성 또는 동일한 특성의 지향성을 가져야 하며, 제품을 혼합하여 적절히 지정된 음향 재생 시스템을 만들 수 있어야 합니다.

3줄요약

1. 지향성이 좋지 않으면 반사음이 개판나서 소리가 이상해진다.

2. 웨이브가이드를 이용해 크로스오버 지점의 지향성을 잡아준다.

3. 노이만은 지향성 설계를 잘한다.

지금 스피커가 없어서 다점측정 튜토리얼 3부는 쓸수가 없음

사실 3부에 들어갈 내용의 실효성에 의문이 생겨서 그냥 하지 말까 고민중임

개강 미뤄져서 심심하니까 저 웹페이지에 있는 내용을 다 번역해볼 생각임

영어가 되는 분들은 직접 읽어보는걸 추천함