스피커는 어떻게 복잡한 소리를 출력하는가

소리는 파동으로, 스피커를 비롯한 여러 물체에서 진동을 통해 주변공기를 진동시켜 우리의 귀로 소리가 전달된다.

악기와 같이 아날로그적으로 소리를 내는 물건들은 여러 특징에 의해 음색이 정해진다.

하지만 스피커는 디지털 데이터를 스피커라는 하나의 공통된 장치를 통해 다양한 소리를 재생한다.

소리의 음색은 각자 가진 파형의 차이로 인해 생긴다.

즉, 어떤 한 소리의 주파수 성분에 의해 해당 소리의 특징이 정해진다고 볼 수 있다.

여기서 이번 글의 주제인 스피커가 어떻게 여러 주파수 성분을 가진 소리를 재생하는지에 대해 알아보겠다.

스피커는 간단히 말해 코일과 자석을 이용해 전자기장을 생성해 스피커 내부에 있는 부품을 앞뒤로 이동시키며
공기를 진동시킨다.

위 이미지에서 coil에 의해 cone이라는 부분이 앞뒤로 이동하며 공기중에 음압을 형성해 소리를 생성한다.

위에서 말했던 각 소리의 특징적인 소리는 해당 소리의 파형에 의해 결정된다.

1Hz는 1초에 소리가 한번 진동한다는 것을 의미한다.

위 이미지는 30Hz로, 1초에 30번 진동한다는 것이다.

이렇게 진폭과 주파수가 일정한 음을 순음(Pure Sound)이라고 한다.

여기에 100Hz를 합치면 아래와 같이 조금 더 복잡해보이는 파형이 생성된다.

이런식으로 여러 주파수의 파형이 하나로 합쳐지면 복잡한 파형이 생성되는데, 이를 복합음(Complex Sound)이라고 한다.

아래 이미지는 기타 소리의 파형을 확대한 이미지다.

언뜻봐선 그저 파형이 왔다갔다하는 것처럼 보이지만 이 안엔 여러 파형이 섞여 기타만의 특징적인 소리를 만들어낸다.

스피커는 그저 cone을 주어진 신호에 맞게 앞뒤로 왕복하며 소리를 낸다.

이 때 기타나 여러 소리가 합쳐진 소리를 스피커가 출력해야할 땐 모든 소리가 합쳐진 복합 파형이 스피커에게 신호로 전달되며, 결과적으로 하나의 통합된 파형을 스피커는 출력한다.

이를 출력하는 방법은 간단하다.

간단한 예시를 들어보겠다.

30Hz의 소리를 스피커가 출력할 땐 1초에 30번동안 단순히 Cone이 앞뒤로 주기에 맞춰 왕복할 것이다.

이 때 Cone은 아날로그이며 코일의 통제에 의해 움직이기 때문에 0, 1 같이 극단적으로 움직이지 않으며 그 사이의 파형까지 움직임으로 조절할 수 있다.

따라서 복합 파형이 주어졌을 때 해당 파형의 데이터를 보며 Cone을 앞 혹은 뒤로 그에 맞게 움직이는 것이다.

즉, 실제로 스피커의 Cone은 단순히 앞뒤로 왕복만 하는 것이 아닌, 그 사이의 파형까지 표현하기 위해 세부적으로 진동하는 것이다.

마지막으로 인간의 귀는 이러한 복합 파형을 받아들여, 내부에서 각 주파수 성분을 분리하여 인식한다.

이를 통해 우리는 스피커에서 나오는 복합적인 소리에서 개별적인 음을 구분하여 들을 수 있다.

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