스피커에서 진동이 일어나는 원리

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북을 치면 소리가 난다. 북을 세게 칠수록 북의 가죽이 크게 진동하고, 주변에 있는 공기의 진동도 커져서 소리의 세기가 커지게 된다. 즉, 북의 가죽에서 진동이 일어나 소리를 냈다고 할 수 있다. 그리고, 북의 진동수가 크면 높은 소리가 나고, 진동수가 작으면 낮은 소리가 난다. 스피커도 이와 마찬가지로 진동을 통해서 소리를 낸다. 도선 주위에 나침반을 놓고 도선에 전류를 흘러주면 나침반 바늘이 움직인다. 이는 도선에 전류가 흐를 때 그 주변에 자기장이 생긴다는 사실을 의미한다. 이 성질을 이용하여 전자석을 만들 수 있다. 쇠못에 에나멜(enamel) 선을 감고 에나멜선에 전류를 흘러주면 쇠못은 자석이 된다. 자석이 된 쇠못을 영구자석에 가까이 가져가면 밀어내거나 당기는 힘이 작용한다. 이러한 원리로 스피커를 만들 수 있다. 스피커에는 진동을 하는 진동판이 있다. 이 진동판에 에나멜 선을 감은 것과 같은 코일(coil)을 붙인다. 이 코일을 보이스 코일 (voice coil)이라고 한다. 보이스 코일을 영구자석 가까이 놓고, 코일에 소리 정보를 가진 전류를 흘러주면 플레밍의 왼손 법칙 에 따라 코일이 힘을 받아 움직인다.

스피커는 진동을 통해서 소리를 낸다. <출처: NGD>

코일과 붙어있는 진동판이 진동을 하면 공기가 진동하여 소리가 나게 된다. 이것이 스피커에서 소리가 나는 기본 원리이다. 진동판을 진동시키는 방식에는 여러 가지가 있다. 구동 방식에 따라 다이내믹 스피커, 정전형 스피커, 압전 스피커, 이온형 스피커, 진동면이 얇은 박막형 스피커 등이 있다. 그 중에서 널리 사용되고 있는 다이내믹 스피커의 작동원리를 알아보자. 아래 그림을 살펴보면 원형의 영구자석 윗면으로부터 나오는 자기장이 탑 플레이트, 폴피스, 바텀 플레이트, 영구자석 아랫면으로 이동하는 자기장을 형성한다. 스피커에는 도선을 코일 모양으로 감은 보이스 코일이 있는데, 이 보이스 코일을 폴피스와 플레이트 사이에 놓고 코일에 소리 정보를 가지고 있는 전기를 보내면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 움직이게 된다. 보이스 코일에 교류를 보내주었을 때, 보이스 코일에 흐르는 전류의 방향이 정반대로 바뀔 때마다 힘의 방향이 정반대로 바뀌게 되어 상하로 움직이는 것이다. 그 결과 보이스 코일에 붙어있는 스피커의 진동판이 왕복운동을 하게 되고, 소리가 스피커로부터 재생이 된다. 이때, 진동판이 빠르게(진동수가 많이) 진동하면 높은 음이, 진동판이 느리게(진동수 적게) 진동하면 낮은 음이 재생이 된다. 또한, 진동판의 진폭이 크면 강한 소리가, 진폭이 작으면 약한 소리가 재생된다. 오디오 기기에 연결하여 사용하는 이어폰도 같은 원리로 소리가 재생된다.

다이내믹 스피커의 구조.

 

그렇다면 가동코일형 다이내믹 스피커를 구성하는 각 부품은 소리를 내기 위해 어떤 역할을 하는 것일까? 진동판(콘)은 소리의 재생을 담당한다. 진동판에 붙어있는 보이스 코일이 진동하면 진동판이 진동하여 공기를 진동시키는 역할을 한다. 재료는 종이, 펄프, 활석, 운모, 폴리프로필렌, 흑연, 유리섬유, 탄소, 알루미늄 등을 사용한다. 그 중에서 종이를 사용하면 ‘콘지’라고 부른다. 보이스 코일은 보빈에 감긴 코일이다. 이 코일은 진동판을 진동시키는 역할을 한다. 진동판이 진동하기 위해서는 두 개의 자기장이 있어야 한다. 하나는 보빈 주변에 있는 영구 자석이고, 다른 하나는 보이스 코일에서 흐르는 전류에 의하여 만들어지는 자석이다. 보이스 코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 코일에 연결된 진동판이 진동하게 된다. 에지는 진동판의 바깥쪽 부분을 올바른 위치에 지지시키는 장치로써 진동판의 상하운동을 원활하게 하는 기능을 한다. 댐퍼는 에지처럼 보이스 코일을 올바른 위치에 지지시키는 장치로서 보이스 코일 및 진동판의 상하운동을 잘하게 한다. 그리고, 영구자석은 플레밍의 왼손 법칙에 따라 보이스 코일을 상하로 진동하게 한다. 얇고 가볍고 마음대로 디자인할 수 있는 필름형 스피커 가볍고 공간을 적게 차지하는 스피커를 만들 수는 없을까? 필름형 스피커(압전 스피커)는 이 의문점을 해결해준다. 특수 소재에 압력이나 진동을 가하여 형태를 변형시키면 재료의 표면에 전하가 생성되어 전류가 흐르게 된다. 이러한 효과를 압전효과라고 한다. 전하를 띤 압전 물질에 전류를 흐르게 하면 진동을 한다. 즉, 기계적 에너지와 전기에너지가 상호 전환한다고 할 수 있다. 이러한 원리를 이용한 것이 필름형 스피커(압전 스피커)이다. 필름형 스피커는 폴리불화비닐리덴(PVDF)이라 불리는 고분자화합물 필름으로 만들어진다. 이 필름의 표면에 압력을 가하여 전극을 형성하도록 가공한다. 전극이 형성된 필름에 소리 정보를 가진 전기 신호를 흘려 보내면 진동을 한다. 필름형 스피커는 가볍고 얇고 투명하고 디자인을 다양하게 할 수 있으며 두루마리처럼 말 수도 있는 장점이 있다. 그러나 음질은 저음 영역에서 만족할 만한 수준이 아니어서 계속 개발 중에 있다. 필름형 스피커는 일반 오디오 기기뿐만 아니라 pc용 스피커, 수중 음파 탐지기, 휴대폰, 전화기 등에서도 부품으로 사용된다.