3) 스피커의 효율은 변한다

우리가 음파의 소스로 생각하는 스피커란 자체적인 에너지 발생능력이 없습니다. 앰프로부터 전기에너지를 공급받아 기계적 진동운동에 의하여 공기 입자를 앞뒤로 밀어주면서 소리에너지를 전달합니다. 그래서 스피커는 에너지의 형태를 변환시켜주는 변환기(Transducer)로 간주되고 입력된 전기에너지를 소리에너지로 변환해주는 척도가 바로 그 스피커의 효율(Efficiency)입니다. 에너지 변환기로서의 스피커의 기본적인 효율은 아주 낮은 것으로 알고 있습니다. 아마도 10% 이하거나 그보다 훨씬 작은 수치일 것입니다. 소리로 변환되는 못하는 대부분의 에너지는 자기장 속에서 움직이는 무빙코일과 여기에 연결된 콘지의 진동운동에 의하여 열로 소비됩니다. 그리고 이런 스피커의 실제 효율은 동작환경이나 조건에 따라서 변하게 됩니다.

예를 들어,

공기중에서 일정 효율을 가지는 스피커라도 진공상태에서 동작시키면 효율 0% 입니다. 공기라는 매질이 없으므로 변환되는 소리에너지도 없고 따라서 입력되는 모든 전기에너지는 스피커 내부에서 모두 열로 소비됩니다. 주변에 공기가 있어도 콘지를 꽉 잡고 있다면 움직임이 없으니 변환되는 소리에너지도 없고 입력되는 모든 전기에너지 역시 열로 소비됩니다. 공기의 밀도가 바뀌면 스피커의 효율도 변합니다. 공기의 밀도변화는 음파의 전파속도를 변화시키며 음파의 진폭에 영향을 주고 따라서 에너지의 변환에 영향을 줍니다. 첫 번째 글에서의 보기처럼 단독으로 동작할 때는 10W 만 변환시켜주던 스피커가 둘이서 중첩작용을 일으킬 때는 20W 를 변환해 주고 효율은 두배 증가합니다.

4) 소스는 총파워, 거리변화에 따른 공간에서의 파워는 단위면적당 파워

10W 입력을 받고 있는 10% 효율의 스피커를 생각해 보겠습니다. 효율 10% 이므로 소리로 변환되는 파워는 1W입니다. 이 1W 는 음원(스피커)에서 변환되어 공간으로 방출하게 될 소리에너지의 총파워(Total Power)입니다. 3차원 공간에서 음파는 방사상으로 퍼져나가게 되고 편의상 공기중에서의 손실이 발생하지 않는다고 가정하면 음원에서 일정거리 떨어진 곳의 파워는 총파워 값을 그 거리를 반지름으로 하는 구면체의 표면적으로 나눈 양입니다.

파워 밀도 = 총파워 / 구면체 표면적 [W/m^2]

한 점에서 반지름 r 이 만드는 구면체를 상상해보시기 바랍니다. 중심에서 반지름 r 이 커질수록 그 구면체의 크기도 커지고 표면적도 커집니다. 구면체의 중심에 위치한 스피커에서 만들어진 총파워는 이 구면체의 전체표면적을 고르게 가로질러 퍼져나가는데 총파워는 변화가 없지만 표면적은 점점 커지므로 공간상에서는 거리의 변화에 따른 파워의 감소가 생기게 됩니다. 그렇더라도 총파워가 변하는 것은 아닙니다. 반대로 한 점의 파워밀도를 알고, 파워밀도가 동일하다면 그 점을 지나는 구체의 전체 표면적과 곱하여 음원에서 방출되는 총파워 값을 구할 수도 있습니다. 그리고 보통은 공간상의 파워밀도도 그냥 파워라고 말하고 소스의 총파워도 파워라고 말하기도 합니다. 지금처럼 본래의 의미를 비교할 때와 계산할 때만 단위를 정확히 구별하여 따지면 되니까요.

5) 백짓장도 맞들면 낫다 - 우퍼 2대로 얻는 2배의 효율

10W 입력을 받는 10% 효율의 스피커는 1W 만큼 소리로 만들어주고 전체표면적이 1/1000 되는 지점에서의 파워는 0.001W/m^2입니다. (첫번째 스피커 그림)

이 스피커에 40W 를 공급하면 소리로 4W 변환되고 동일 지점의 파워는 0.004W/m^2 입니다. 파워의 이득은 처음 스피커에 비해서 4배(6dB) 얻었습니다.(두번째 스피커 그림)

이번에는 같은 성능의 스피커를 병렬로 2개 연결하고 전체 20W, 개별 10W 파워를 공급하면서 중첩이 가능한 위치에 배치한 경우입니다. 개별 효율은 10% 이지만 중첩효과에 의하여 각 스피커의 효율이 20% 로 증가하여 이번에는 각각 2W 씩 소리에너지로 변환되고 전체 변환 에너지는 4W입니다. 따라서 파워의 이득은 처음 스피커에 비해서 4배(6dB) 입니다. (세번째 스피커 그림)

두 번째와 세번째 스피커의 경우에서, 배치와 동작방법은 다르더라도 동일한 공간에서 얻은 파워의 이득은 같습니다. 차이점은 혼자서 40W 파워로 얻은 이득인가 아니면 둘이서 20W 파워로 얻은 이득인가 이고 이 2배의 차이가 스피커의 배치와 중첩이 가져다준 2배의 능률입니다. 그리고 2배의 능률이 발생한 곳은 앰프도 아니고 중첩의 효과가 일어난 공간상의 한 점도 아닌 바로 스피커입니다. 앰프가 공급 가능한 범위의 파워값이기 때문에 파형의 클리핑 없이 총파워 4W 를 변환시켜 줄 수 있습니다.

최초에 이상욱님께서 언급하신 중첩의 원리에 의한 우퍼 2개의 점음원 배치에 따른 6dB 의 파워 이득은 이처럼 에너지 보존 법칙을 잘 만족시키고 있습니다.