펌_왜율(THD ratio) 읽는 법

 
요즘 웨이블릿 사장님이 스피커갤러리에 계셔서 양질의 글이 많습니다. 
  
 https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=speakers&no=232625&exception_mode=recommend&page=1 
  
 댓글 또한 읽을 거리가 다양합니다.

 
   
   
 
 아래는 제가 읽기 쉽도록 문체를 다듬은 것입니다.
  
 

사실 THD ratio 단독으로는 아무것도 알수가 없습니다. 

그래서 "왜 이렇게 그려졌는지"를 추정할 수 있는 추가 데이터를 같이 봐야합니다. 
 

THD ratio 산식  
 
(2차 하모닉성분^2 +3차 하모닉 성분^2)의 루트/ (1차 성분(Fundamenal)^2 + 2차 ^2 + 3차 ^2)의 루트  
  
 

+ 
스피커쟁이들이 쓰는 산식(IEC)이며 100%를 넘지 않습니다.  
앰프쟁이들이 쓰는 산식(IEEE)은 분모가 1차 성분이라 왜율이 100% 넘을 수 있습니다.

하모닉이 많거나, 분모가 작아지면 THD ratio가 크게 나옵니다.

주파수 응답의 크기 응답에 영향을 받게 되어 있습니다. 크기 응답과 같이 봐야 합니다. 
즉, Fo이하의 롤오프가 있는 저역은 보는게 아닙니다.

1차와 배음 성분을 각각 표시한 그래프가 해석하는데 도움이 됩니다.  
(단 몇 %인지 계산을 해야함. -20dB가 10%) 
 

빨간색은 3차인데, 잘 보면 1차 응답의 1/3 주파수에서 비슷한 모양으로 따라가는게 보입니다. 
2차 노랑색은 1/2 주파수에서 따라가는 것이 있습니다. 
  
배음이 크기 응답에 영향을 받기 때문입니다.
배음이 많이 표시된 주파수보다 크기 응답에 있는 피크가 문제입니다.
   
예를 들어, 3차 왜곡 성분을 보면  
3차 배음량의 피크가 60, 110, 145 Hz근처에 있는데,  
해당 주파수가 아니라 기음의 180, 330, 435의 피크가 문제라는 뜻입니다. 
 

배음은 배음 자체의 주파수가 크기 응답에 따라 과소, 과장 평가되어서 같이 읽어야 합니다.

그 다음으로, 배음이 나오는 원인을 추정해야 합니다. 
그 원인을 2가지로 나눌 수 있습니다.  
 

1. 구동부가 만드는 배음과 진동판이 만드는 배음

2. 짝수 배음(특히 2차)과 홀수 배음(특히 3차)의 원인

구동부가 만드는 배음은 구동부의 비선형이 원인,  
진동판이 만드는 배음은 진동판의 공진(모드로 인해 생김)이 원인

(예외적으로 편진동을 발생시키는 모드는 저역으로도 생기는데,  라우드스피커에서 THD로 나타날 정도면 출시가 불가합니다. 이어폰 스피커는 있음)

구동부의 비선형은 스피커가 많이 움직일수록 커집니다. 
스피커는 Fo에서 가장 많이 움직이고, 주파수가 올라갈수록 움직임이 급격히 줄어듭니다. 
(옥타브당 1/4로 감소) 
  
구동부 왜율도 마찬가지입니다. (많이 움직이는데서 발생) 
 

진동판의 모달은 진동판 자체가 갖는 힘 전달 속도와  
보이스코일이 진동판 일부에 가하는 힘이  
얼마나 빠른 주기로 바뀌는지와 관련이 있어서,  
움직이는 거리와 상관없이 주파수가 높을 수록 쉽게 발생합니다. 
 

즉, Fo부근의 왜곡과 고역의 왜곡의 원인이 다릅니다. 
왜곡이 생긴 대역을 보면, 이것이 구동부 문제인지 진동판 문제인지를 추정할 수 있습니다.

단, 여기서 주파수가 높다 낮다는 Fo에 대해 상대적입니다. 
서브 우퍼 기준으로는 300Hz도 높은 주파수입니다. 반대로 트위터는 1kHz도 낮은 주파수입니다.

멀티웨이를 볼 때, 각 유닛이 맡고 있는 대역이 어디인지 표시한 데이터가 필요합니다. 
그래야 구동부가 잘못하는건지, 진동판의 모드가 생기고 있는 건지를 파악할 수 있습니다. 
 

구동부 비선형은 주로 Bl(구동상수) 비선형과 Stiffness(스프링값) 비선형이 배음을 만듭니다. 
 (인덕턴스 비선형은 모듈레이션에서만 생기며, THD 분석으로는 알 수 없음) 
 

비선형은 비대칭(asymmetry)과 압축(Compression)가 있는데,  
비대칭 : 스피커가 앞으로 나갈 때랑 뒤로 갈 때 이 값들이 대칭적으로 변하지 않는다
압축 : 대칭은 맞지만 감소(U자 반대) 하거나 증가(U자) 한다는 말입니다
 

비대칭은 2차(짝수) 배음을 만들고, 압축은 3차(홀수) 배음을 만듭니다. 
그래서 구동부가 원인인 배음은 2차(비대칭)가 더 해롭습니다.  
2차 배음이 더 가청이 안되고 완전 하모닉을 이뤄서 듣기 좋다는 말은 개나줘버렸!

진동판 비선형은 저도 잘 왜 그런지 모르겠는데, 2차가 많이 나오는 경우가 대부분입니다.
그래서 fo에서 먼 주파수의 배음의 주 성분이 2차라면 진동판 모드에서 발생한 왜곡이라고 판단합니다.

즉, 3차는 리미팅, 2차는 비대칭 
저역은 구동부 비선형, 고역은 진동판 모드,  
 구동부는 2차가 더해롭고, 진동판 모드에서는 2차가 잘나옴(해롭다기보다는 현상임)

배음 분석을 각 유닛별로도 해주면 좋겠지만,  
이렇게 하려면 스피커를 분해해야 하므로 리뷰가 어렵습니다.  
  
이 제품은 우퍼, 미드가 담당하는 대역에서 2차가 상당히 낮고 (피크는 크기 응답 때문)  
3차도 미드가 맡은 대역에서 좀 나오는데 높은편은 아닙니다. 
 

특이하게 2.6kHz 부근에서 배음 주성분이 3차에서 2차로 바뀌는데,  
아마도 여기가 미드와 트위터가 교차하는 주파수로 보입니다. 
 

그럼 이제 THD ratio 를 해석해보면, 저역의 높은 %는 그냥 응답이 안나와서 그런것이며,

300부근의 낙타봉 2개는 크기 응답의 2개 뽕에서 유래한 듯 합니다. 
 

충분히 낮은 수준이기는 하지만 3kHz 전후의 낙타뽕이 약간 거슬리기는 합니다.
이건 저도 확신이 없는데, 다음의 가능성 중 하나입니다. 
  
 

1, 미드의 진동판 모드가 영향
 (네트워크가 미드를 2kH에서 자르기는 하지만, 여전이 3kHz가 나오기는 하고,  
 배음(6KHz)의 경우 네트워크가 자른다고 잘라지는게 아닙니다. 
 3KHz의 기음이 있을 때 스피커가 떨기 때문) 
 

2. 트위터의 구동부 비대칭일 확률  
 (트위터는 워낙 진폭을 적게 쓰기 때문에 미드나 우퍼보다 센터를 맞추기가 힘듭니다.  
 같은 0.1mm라도 1cm에 대해서는 1/1000이지만 1mm에 대해서는 1/10) 
 

3. 트위터의 진동부 모드일 확률  
 (거의 없음. 진동부 모드는 진동판이 작을수록 높은 주파수에서 발생)  
   
  
 
  
  
 댓글 
   
 맥나 : 진동판 모드로 인해서 네트워크로 잘라줘도 기음에서 배음이 잘리지 않는것 처럼, 실내 응답에 큰 편차(피크) 가 있으면 이큐로 보정하더라도 그 대역을 하모닉스로 기음 대역의 왜율이 높아지는 현상이 생겨버리니.. 그런 점에서도 보정 없이 깨끗한 응답을 얻는 것이 중요하기도 하더군요. 그런데 고음으로 갈 수록 인덕턴스가 높아지는 정도에 따라서 Voice coil current harmonics 에서 홀수차도 유의미하게 증가하던데, 이 부분은 모듈레이션에서 나타나는 것과 또 다른 부분인가요? 혹은 모듈레이션 측정 시 Le X Curve 에서의 편차에 따라 커렌트 하모닉스가 변동하면서 증가하게 되는 부분인가요?  
 
 글쓴이 : 인덕턴스 커브의 편차에서 오는 배음은 싱글톤으로는 나타나지가 않습니다. 인덕턴스가 영향을 주는 주파수 -> 주로 고역대 -> 고역대는 스피커가 많이 움직이지 않는 대역 -> 비선형이 있더라도 안나타남. 이걸 보려면, Fo부근을 가진하면서 고역을 틀어주면 바로 나옵니다. 인덕턴스 편차가 나타나는 원인은, 코일이 공기중에 있을 때(공심)보다, 철 구조물이 담겨질 때 (철심) 훨씬 커지게 되는데, 보이스코일이 크게 움직이면 철심과 공심을 반복하게 되면서 인덕턴스값이 변동하게 되는 거라, 싱글톤으로 고역만 쏴주면 왜곡이 안나옵니다. IMD나 멀티톤 테스트를 하는 이유이기도 하죠. voice coil current에서 관측되는 하모닉은 마이크로 관측하는 하모닉과 1대1로 즉각 대응됩니다. 전류 센서만 있다면 current로 측정하는 것이 훨씬 쉽고 다른 잡음 영향도 없어서 이걸 보는 거고, 마이크로폰 측정이 편하면 굳이 따로 current 왜율을 볼 필요는 적습니다. 클리펠에서는 배음 왜곡의 원인이 되는 비선형성을 직접 측정하는데, 원리가 전류 센서에 잡히는 왜곡을, 수학적(?)으로 모델링 한 값과 비교하여 찾는 것입니다. 비선형성이 커런트 왜곡을 통해 음압으로 나온다고 보면 얼추 맞는 거 같네요.  
혹시 질문을 제가 잘못 이해한 듯 해서.. 저 제품에서 트위터가 맡은 고역은 음압으론 2차가 주성분인데, 커런트에서는 3차도 보인다는 말씀이신가요?  
 
 맥나 : 아 두번째 질문은 저 스피커에 대한 것은 아니고 보편적인 유닛 특성에 대해서 여쭤본 것입니다. 저도 질문을 잘못 했는데 인덕턴스가 아니고 임피던스를 물어보려 했습니다. 고음으로 갈수록 급격히 임피던스가 상승하는 유닛의 경우, 홀수차 current 하모닉스가 많은 것을 자주 보게 됩니다. 거기에 인덕턴스 커브의 영향은 포함되지 않으며, 커브의 비선형성이 클 경우 그러한 하모닉스에 더해져서 변위폭이 커질 경우에 IMD가 더 급격히 상승할 수 있다는 것이죠?  
 
 글쓴이 : 네. 인덕턴스 비선형은 다른 주파수로 변위를 좀 줘야 관측이 됩니다. 인덕턴스 값 자체가 큰(인덕턴스로 인한 임피던스가 큰) 제품에서 3차가 더 많이 나오는 원인은 저도 잘 모릅니다. 3차가 나왔다는 건 어쩄던 압축(compression, saturation)과 관련이 있는 건 맞아요. 변위가 아닌 다른 뭔가가 압축을 일으켜야 3차가 증가하는데 그게 뭔지는 잘 모르겠습니다.
 
 맥나 : 증가하는 형상을 보면 Fo 주변으로 구동부의 변위 한계에 가까워지면서 음압에 따라 빠르게 증가하는 홀수차가 아니라, 거의 같은 왜율이 균일한 폭으로 전 대역에 깔려있는 것으로 보입니다. 임피던스 커브가 고음까지 바닥에 찰싹 달라붙어 있으면 보통 매우 낮게 나오고요. 유닛도 알쏭달쏭? 합니다 
  
 (중략)  
  
 글쓴이 : 어려운 내용은 아닙니다. 저도 기초만 알고 있습니다. 이 글은 왜율 분석의 기초고, 측정치를 읽을 때 알아야 하는 배경 지식입니다. 가끔 배음 왜곡의 가청 가능성에 대해 얘기를 나누던데, 이정도 배경 + 더 많은 내용(별도의 파라미터 등)이 있어야 얘기가 가능합니다. 배음과 음질은 단순히 THD로만 논의할 수는 없습니다. 물론 THD 특성이 좋지 않다면 다른 음질관련 파라미터는 더욱 나쁠 확률이 높습니다.