확성기의 비밀

운동회에서 쓰는 손확성기는 건전지 몇 개로 돌아간다. 들어가는 전력은 작은데 소리는 운동장 반대편까지 닿는다. 확성기가 하는 일의 핵심은 소리 에너지를 새로 만들어 내는 것이 아니라, 진동판이 만든 에너지를 공기로 넘겨줄 때 새는 양을 줄이는 것이다. 나팔처럼 벌어진 모양이 바로 그 일을 한다.

진동판은 왜 혼자서는 소리를 멀리 못 보내나

스피커의 소리는 진동판이 앞뒤로 움직이며 공기를 밀고 당기는 데서 생긴다. 코일에 전류가 흐르면 자석과의 힘으로 코일이 움직이고, 코일에 붙은 진동판이 따라 떨린다. 여기까지는 확성기든 이어폰이든 같다.

문제는 진동판과 공기의 '궁합'이다. 진동판은 단단하고 무겁지만 공기는 가볍고 쉽게 밀려난다. 무거운 판이 가벼운 공기를 밀면, 공기는 제대로 압축되지 않고 옆으로 비켜 버린다. 손바닥을 허공에서 아무리 빨리 흔들어도 큰 소리가 나지 않는 것과 비슷하다. 물리학에서는 이를 음향 임피던스가 맞지 않는다고 표현한다. 임피던스는 매질이 진동을 얼마나 순순히 받아들이는지를 나타내는 값이다. 두 매질의 임피던스 차이가 크면 경계에서 에너지 대부분이 되돌아오거나 흩어진다.

나팔 모양은 어떤 일을 하나

나팔, 곧 혼(horn)은 좁은 목에서 넓은 입구로 서서히 넓어지는 관이다. 확성기의 혼은 진동판 바로 앞의 좁은 공간에서 공기를 한 번 가둔다. 좁은 곳의 공기는 도망칠 데가 없으니 진동판의 움직임을 고스란히 받아 강하게 압축된다. 이 압력 변화가 관을 따라 나아가면서 단면이 조금씩 넓어지고, 입구에 이르면 바깥 공기와 거의 같은 조건이 된다.

즉 혼은 진동판 쪽의 '단단한 조건'과 바깥 공기의 '헐렁한 조건' 사이에 놓인 경사로다. 계단을 한 번에 뛰어내리면 몸에 무리가 가지만 완만한 경사로를 따라 내려가면 힘이 고르게 전달되는 것과 같은 이치다. 이 경사로 덕분에 같은 전력으로 훨씬 많은 에너지가 소리로 바뀐다. 혼을 쓰는 스피커가 콘 스피커보다 효율이 높다는 사실은 오래전부터 알려져 있다.

혼의 단면이 넓어지는 방식도 중요하다. 직선으로 벌어지는 원뿔보다 지수 함수처럼 처음에는 천천히, 나중에는 빠르게 벌어지는 모양이 저음까지 고르게 내보내는 데 유리하다. 다만 낮은 소리를 잘 내려면 혼이 길고 입구가 커야 한다. 손확성기가 사람 목소리 대역에 맞춰 적당한 크기로 만들어지는 이유다.

왜 앞쪽으로만 크게 들리나

확성기 정면에 선 사람과 옆에 선 사람이 듣는 소리의 크기는 꽤 다르다. 혼의 벽이 소리가 사방으로 퍼지지 않도록 붙잡아 앞쪽으로 모아 보내기 때문이다. 같은 에너지를 좁은 방향에 몰아주면 그 방향에서는 더 크게 들린다. 손전등의 반사경이 빛을 모으는 것과 닮았다.

구분	맨 진동판	혼을 단 진동판
공기로 넘어가는 에너지	적다	많다
소리가 퍼지는 방향	사방으로 넓게	앞쪽으로 좁게
잘 내는 소리	크기에 따라 다양	혼 크기에 맞는 대역
쓰이는 곳	가정용 스피커	확성기, 경기장 음향

방향성은 장점이자 한계다. 앞쪽 청중에게는 또렷하게 들리지만, 넓은 공간 전체를 고르게 채우려면 여러 대를 방향을 나눠 설치해야 한다. 경기장 지붕에 확성기가 여러 방향으로 매달려 있는 것도 그래서다.

전기가 들어가기 전에도 확성기는 있었다. 원뿔 모양의 종이나 금속 통에 입을 대고 외치는 메가폰이다. 이때는 사람의 성대와 입이 진동판 역할을 맡고, 원뿔이 같은 원리로 입 안의 압력 변화를 바깥 공기에 고르게 넘겨준다. 손을 입가에 모아 외치는 버릇도 아주 작은 혼을 만드는 셈이다. 다만 원뿔이 짧아 낮은 소리에는 별 도움이 안 되고, 목소리의 중간 대역을 앞쪽으로 모아 주는 효과가 대부분이다.

목소리가 찢어지는 소리는 어디서 오나

확성기 소리는 흔히 거칠고 날카롭게 들린다. 사람 목소리를 알아듣는 데 가장 중요한 대역만 골라 크게 키우도록 설계되어 있어서다. 낮은 울림과 아주 높은 배음은 잘려 나가고, 말소리의 뼈대인 중간 대역만 남는다. 멀리까지 내용을 전하는 데는 유리하지만 음색은 단조로워진다.

입력이 지나치게 크면 진동판이 움직일 수 있는 범위를 넘어선다. 그러면 파형의 꼭대기가 잘려 나가는 일그러짐이 생기고, 원래 목소리에 없던 높은 소리가 섞인다. 확성기에 입을 너무 바짝 대고 소리치면 오히려 알아듣기 어려워지는 이유다. 마이크와 확성기가 가까이 있으면 나온 소리가 다시 마이크로 들어가 커지는 되먹임이 일어나 '삐' 하는 소리가 나기도 한다.

아직 남은 과제

혼의 원리는 오래되었지만 설계가 끝난 것은 아니다. 혼의 목과 입구, 벌어지는 곡선을 어떻게 잡느냐에 따라 소리의 고르기와 방향이 미묘하게 달라지고, 이 관계를 완전히 계산으로 예측하기는 여전히 어렵다. 지금은 컴퓨터 시뮬레이션으로 수많은 모양을 시험해 보고 고르는 방식이 쓰인다.

소리를 특정 방향의 특정 사람에게만 들리게 하려는 연구도 이어지고 있다. 초음파 두 개를 겹쳐 공기 중에서 들리는 소리를 만들어 내는 방식이 그 예다. 다만 이런 기술은 낮은 소리를 내기 어렵고 효율도 낮아, 오래된 나팔 모양을 대신하기까지는 갈 길이 멀다.