I. 서 론

현대의 자동차는 단순한 이동 수단을 넘어 다양한 멀티미디어까지 경험할 수 있는 공간으로 진화하고 있다. 이에 따라 자동차에서 오디오시스템의 중요성이 크게 부각되고 있다. 특히, 라우드스피커는 탑승자에게 고음질의 소리를 제공하는 핵심적인 요소라 할 수 있다.

자동차의 실내에는 라우드스피커의 성능에 영향을 줄 수 있는 여러 가지 조건들이 존재한다.^[1,2,3] 특히, 라우드스피커가 가장 흔히 장착되는 자동차 도어(door)의 구조적 특성이 라우드스피커의 음향 특성에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다. 왜냐하면 도어의 내부 공간 및 형상과 다양한 구조물 등이 라우드스피커에서 발생하는 소리의 음향 특성을 변화시킬 수 있기 때문이다. 그러나 자동차의 도어가 라우드스피커에서 발생하는 소리에 미치는 특성에 관한 심층적인 연구 결과가 부족한 실정이다.

일반적으로 자동차에는 6개의 스피커(이하 다이내믹 스피커)가 탑재되지만, 프리미엄 사운드의 구현을 위하여 서브우퍼를 포함해 12개 ~ 34개의 풀 레인지와 트위터 등을 사용하기도 한다. 이들 중에서 가장 기본적으로 사용되는 스피커들은 주로 자동차의 도어에 장착되고 있다. 자동차의 도어는 원래 탑승자의 승·하차, 안전(측면 충돌 보호를 위한 임팩트 빔 등)과 창문 개폐 등에 관련된 기능을 갖는 기계적인 구조물이다. 그리고 다양한 멀티미디어 콘텐츠를 재생하는 자동차의 내부는 작은 공간, 주행 소음, 극심한 온도 변화(–20 ℃ ~ 80 ℃) 등으로 인하여 가정용 오디오와는 다르게 열악한 청취 환경을 갖는다. 따라서 스피커가 갖는 고유의 음향 특성이 그대로 재생되기에는 한계가 존재할 수가 있다.

본 연구에서는 자동차의 도어를 탑승자의 안전 및 편의를 위한 기계적 장치가 아닌 스피커시스템을 구성하는 인클로저의 관점에서 조사하고자 한다. 따라서 도어의 기능과 도어를 구성하는 각각의 구조물이 소리에 미치는 영향을 스피커시스템의 관점에서 분석한 결과를 얻게 될 것이다. 향후에는 자동차 오디오시스템의 음질 향상을 위한 도어의 구조 개선에 관한 기초 자료로 활용하고자 한다.

II. 인클로저의 특성

유닛, 네트웍과 인클로저로 구성되는 스피커시스템의 음향특성은 인클로저에 크게 의존한다. 인클로저는 유닛의 가장자리에서 발생하는 회절에 의한 전방음과 후방음 사이의 간섭을 효율적으로 억제하기 위해서 반드시 요구된다. 1950년대 이전에는 더 낮은 주파수까지 재생하기 위해 인클로저를 가급적 크게 제작하였으나, 이로 인한 소리의 해상도 저하로 음질 열화가 발생하였다. 그러나 1950년대를 전후하여 진동판의 진동에 의해 발생하는 인클로저 내부의 공기 압력 변화를 마치 유닛의 에지와 댐퍼가 수행하는 동일한 기능으로 새롭게 활용하기 시작하였다. 이처럼 진동판의 운동을 인클로저의 내부 공기가 주도적으로 제어함으로써 음질이 크게 향상되었으며, 이를 High Fidelity(Hi-Fi) 스피커시스템이라고 부르기 시작하였다.

스피커시스템이 갖는 음향특성과 음질은 인클로저의 특성에 따라 크게 변한다. 밀폐형 인클로저에서 유닛의 공명주파수가 자유음장보다 더 높아지지만 단단한 음질을 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나 덕트를 가진 위상반전형은 좀 더 낮은 주파수까지 재생하여 저음을 강화할 수 있는 특징을 가진다. 따라서 자동차 도어의 내부에 존재하는 공간은 마치 인클로저처럼 작용하여 유닛에서 발생하는 소리의 음향특성과 음질에 크게 영향을 줄 수 있다.

III. 연구 방법

일반적인 승용차(현대자동차 그랜저)의 운전석 도어를 대상으로 음향 특성을 조사하였다. 본 연구에 사용할 12개의 스피커(이하 유닛)는 모두 국내 자동차에서 가장 많이 사용하고 있는 6.5인치 풀 레인지(full range) 유닛으로 선정하였다.

유닛이 Fig. 1처럼 도어에 장착되기 전/후에 갖는 음향 특성들을 분석하기 위하여 완전무향실에서 주파수와 임피던스 특성을 측정하였다. 유닛이 도어에 장착된 상태에서 측정된 저음의 감쇠(roll-off) 특성을 이용하여 도어가 가진 인클로저의 기능을 조사하였다. 도어의 구조물에서 발생하는 2차 공진특성을 유닛의 임피던스와 구조물의 진동 변위를 분석하여 도어를 구성하는 각각의 구성 요소들이 소리에 미치는 영향을 조사하였다. 이때 도어의 외측 판넬 위를 길이가 1 m인 단단한 지지대로 상·중·하단부를 물리적인 방식(힘)으로 눌러 2차 진동을 억제하였다. 그리고 유닛의 Thiele Small(TS) 파라미터와 도어 구조물의 진동 변위가 Klipple의 레이저 변위 측정법을 활용하여 비접촉 방식으로 측정되었다. 이와 같이 측정된 음향 특성들을 활용하여 도어의 음향학적 기능과 소리에 미치는 영향을 종합적으로 자세히 분석하였다.

Fig. 1.

(Color available online) Dynamic speaker mounted on car door.

IV. 유닛의 음향특성

자유음장에서 측정된 12개 유닛의 공명주파수와 Efficiency Bandwidth Product(EBP)를 Table 1에 나타내었다. 여기서 EBP(=f_s/Q_ES, Q_ES: 전기적인 Q-factor)에 따라서 다음과 같이 인클로저의 형태가 일반적으로 권장되고 있다.^[4,5,6]

∙EBP < 50: 밀폐형(closed type)

∙50 < EBP < 100: 밀폐형 또는 위상반전형

∙EBP > 100: 위상반전형(bass reflex type)

Sample 1과 3은 밀폐형 인클로저가 권장되는 가운데, Sample 4, 5, 10과 12는 위상반전형 인클로저가 그리고 Sample 2, 6, 7, 8, 9와 11은 밀폐형과 위상반전형 모두가 권장되는 것으로 나타났다.

Fig. 2는 자유음장에서 측정된 유닛들의 주파수응답과 임피던스 특성들을 보여준다.^[5]Fig. 2(a)에서 주파수응답에서는 저음의 감쇠 특성이 이론적인 –12 dB/Oct.과 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

Fig. 2.

Frequency response and impedance of speakers in free field.

V. 자동차 도어에서의 음향특성

일반적으로 스피커시스템에서 인클로저란 유닛의 뒷면을 둘러싸고 있는 통을 말한다. 따라서 자동차 도어의 구조를 스피커시스템의 인클로저와 비교하였을 때에 도어 모듈은 배플(baffle)로, 도어 프레임은 인클로저로 그리고 프레임과 모듈 사이에 존재하는 공간은 인클로저의 내부 공간에 각각 대응할 수 있다. 그리고 탑승자의 안전도를 높이기 위한 도어의 임팩트 빔은 인클로저의 브레이싱과 같은 기능을 담당하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 구조적인 유사성은 도어가 단순히 자동차를 구성하는 기계적인 부품으로만이 아니라, 유닛에서 재생되는 소리의 음향 특성에 크게 영향을 미치는 인클로저로도 함께 고려해야 할 것이다.

유닛이 도어에 장착되었을 때의 주파수응답을 나타내는 Fig. 3에 의하면, 공명주파수 이하의 저음 영역에서 –12 dB/Oct.의 감쇠 특성을 확인할 수 있다.^[5] 이는 밀폐형 인클로저에서 나타나는 일반적인 감쇠 특성과 일치하는 반면에, –24 dB/Oct.의 감쇠 특성을 갖는 위상반전형 인클로저와는 큰 차이가 있다.^[4,7,8] 따라서 자동차의 도어가 가지고 있는 구조를 스피커시스템에서의 밀폐형 인클로저로 취급할 수 있다.

Fig. 3.

Frequency response and impedance curve of speakers mounted on the car door.

자동차의 도어에는 배수구, 도어 래치(door latch), 웨더 스트립(weather strip) 고정 홀, 창문 패킹, 손잡이 조립부와 같이 공기가 누설될 수 있는 작은 구멍이 다양하게 존재하기 때문에 실제로 완벽한 밀폐 구조가 되지는 못한다. 이들 공기 구멍이 위상반전형 인클로저에서의 포트와 같은 기능을 하는지에 대해서는 저음에서의 감쇠 특성으로 확인될 수 있다. 다시 말하면, 감쇠 특성이 –24 dB/Oct.가 아니고 –12 dB/Oct.인 것은 이들 구멍에 의한 내부 공기의 누설이 헬름홀츠 공명을 일으키는 포트의 역할을 하지 못한다는 것이다. 따라서 도어에 있는 여러 개의 작은 구멍은 공기를 누설시키는 작용만 할 뿐이기 때문에 자동차의 도어가 음향학적으로 밀폐형 인클로저에 해당하는 특성을 보이는 것이다. 따라서 자동차의 음향 성능을 향상하기 위해서는 도어를 일종의 인클로저로 취급하는 스피커시스템의 관점으로 접근해야 한다.

Fig. 3의 임피던스 특성에서 진폭이 큰 공진 피크들을 Table 1에 제시하였다. 3개 ~ 5개의 공진 피크가 약 54 Hz, 60 Hz, 70 Hz, 85 Hz와 110 Hz 부근에서 공통으로 나타났다. 특히 진폭이 가장 큰 피크는 각각의 유닛이 갖는 기계적인 공명주파수(f_s)와 일치하는 경향을 보여주었다. 이는 도어의 구조에 의해서 공진이 추가로 발생할 수도 있지만, 가장 지배적인 공진은 유닛의 기계적인 공명이라는 것이다. 그리고 유닛의 공명주파수(f_s)가 아닌 다른 공진주파수(f_DR1~6)들은 유닛에 상관없이 전반적으로 유사하게 나타났지만, 일부에서는 장착 상태와 도어 내부의 구조물 차이에 의해 차이가 발생하였다. 따라서 자동차 도어의 구조 특성이 소리의 고유한 특성에 영향을 줄 수 있다.

자동차의 도어를 실내 쪽에서 마감하는 내부 판넬인 트림(trim)을 제거한 상태에서 측정한 Fig. 4의 임피던스 특성을 살펴보면, 50 Hz ~ 150 Hz에서 공진 피크들이 발생하고 있다.^[5] 이들 중에서 새롭게 추가된 약 50 Hz의 공진을 제외한 60 Hz ~ 110 Hz에서의 주요 공진주파수들은 Fig. 3에서와 거의 동일하게 유지되었다. 그리고 50 Hz와 60 Hz ~ 85 Hz의 임피던스 피크들이 트림이 제거됨으로써 더욱 뚜렷해지는 현상은 이들 공진이 트림에 의해 감쇠된다는 것으로 볼 수 있다. 따라서 도어의 트림은 저음에서 발생하는 공진을 억제하여 유닛에서 발생하는 소리의 왜곡을 감소시키는 데에 기여하는 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Impedance curve of speakers without the door trim.

유닛의 공명주파수(f_s)를 제외한 다른 주파수에서의 공진을 확인하기 위하여 도어의 외부 판넬에서 발생하는 2차 진동을 억제한 후에 측정한 임피던스 특성을 Fig. 5에서 보여준다.^[5] 이때 대부분의 유닛에서 약 60 Hz 부근의 공진 피크가 크게 감소하거나 소멸하였다. 그러나 70 Hz, 85 Hz와 110 Hz 부근의 공진 피크들은 대체로 유지되어 도어 판넬의 2차 진동과 관계가 없음을 확인하였다. 이는 1개를 제외한 모든 유닛에서 동일하게 나타남으로써 외부의 판넬 진동이 저주파수 공진의 주요 원인임을 보여주었다. 따라서 외부 판넬의 2차 진동은 자동차 도어에 장착된 유닛의 저주파수 임피던스 특성에 크게 영향을 준다고 할 수 있다.

Fig. 5.

Impedance curve of speakers without the the 2^nd vibration of external door panel.

Fig. 6에서 보여주는 도어 모듈의 진동 변위를 분석한 유닛 근처(speaker)와 도어 중앙부에서의 공진주파수(f_mod1~3)를 Table 2에 나타내었다.^[5] 이들 중에서 65 Hz의 공진은 측정 위치에 상관없이 나타나는 것으로 보아서 도어 모듈의 대표적인 공진으로 볼 수 있다. 이들 공진주파수의 진폭이 유닛에 따라 다소 다르다고 하여도, 이들의 분포가 모든 유닛에서 유사한 것은 유닛보다 도어 모듈의 구조적 특성이 공진에 더 크게 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다. 따라서 자동차의 음질을 향상하는 데 50 Hz ~ 80 Hz에서 발생하는 모듈 공진의 제어가 권장된다.

Fig. 6.

Vibration amplitude of door module.

도어를 구성하는 외부 판넬에서 발생하는 공진의 변위를 분석한 결과를 Table 2와 Fig. 7에서 보여준다.^[5] 판넬의 상단(top)에서는 60 Hz, 70 Hz, 100 Hz와 120 Hz의 공진이 그리고 하단(bottom)에서는 55 Hz와 65 Hz를 비롯한 75 Hz ~ 120 Hz에서 주요 공진이 발생하였다. 100 Hz와 120 Hz에서는 상단과 하단에 상관없이 모든 측정 위치와 유닛에 관계없이 유사한 공진주파수가 나타남으로써 전체 판넬이 한 개의 판넬로 진동하는 특성을 보여주었다. 특히 55 Hz와 65 Hz의 공진들은 하단에서 공통으로 나타났으며, 상단에서는 70 Hz의 공진에서 가장 크게 발생하였다. 비록 유닛에 따라 공진의 진폭이 약간씩 변하지만, 공진이 일어나는 주파수들이 거의 동일함으로써 공진의 특성이 유닛보다는 외부 판넬의 구조적 특성에 의해 주도되는 것으로 분석되었다. 따라서 도어의 외부 판넬에서 발생하는 55 Hz ~ 120 Hz의 진동을 제어함으로써 음질이 향상될 수 있을 것이다.

Fig. 7.

Vibration amplitude for the external panel.

도어의 모듈과 외부 판넬의 상·하단에서 측정한 변위를 종합적으로 분석한 결과에 의하면, 50 Hz는 도어 모듈에서 60 Hz와 70 Hz는 외부 판넬의 상단에서 그리고 55 Hz와 90 Hz들은 외부 판넬의 하단에서 주로 발생하였다. 65 Hz와 80 Hz는 도어 모듈과 외부 판넬의 하단에서 그리고 100 Hz와 120 Hz는 외부 판넬의 상/하단이 함께 공진하는 것으로 분석되었다.

도어의 내부 체적(약 59 L)은 유닛의 등가체적(V_as)보다 매우 커서 인클로저의 내부에 들어있는 공기에 의한 에어 서스펜션(air suspension) 작용이 매우 약화할 수 있다. 이는 유닛에서 소리를 실질적으로 재생시키는 진동판의 운동에 대한 제어가 주로 유닛 자체의 서스펜션에 의존한다는 것을 말한다. 그 결과로써, 유닛에서 재생할 수 있는 저음의 한계가 좀 더 낮아질 수 있지만, 진동판의 운동에 대한 제어력이 감소하여 과도응답과 해상도가 저하될 수가 있다.

VI. 결 론

유닛이 자동차 도어에 장착되었을 때의 음향 특성과 도어의 판넬 및 구조물이 공진특성에 미치는 영향은 다음과 같다.

∙자동차 도어는 구조적으로 완벽한 밀폐 상태는 아니지만, 음향학적으로 밀폐형 인클로저로 간주할 수 있다. 이는 도어의 큰 내부 체적에서 일어날 수 있는 에어 서스펜젼 작용의 취약으로 인하여 위상반전형 인클로저의 특성이 나타나지 않았다.

∙유닛이 장착되었을 때 유닛의 기계적인 공명뿐만 아니라, 도어 판넬의 2차 공진도 함께 발생하였다.

∙도어의 트림은 판넬에서 발생하는 공진들을 억제하였다.

∙도어의 프레임과 판넬의 위치에 따라 공진특성이 달라지며, 외부 판넬의 진동을 억제하면 공진의 진폭이 감소하였다.