반이아빠의 장난감 속 반도체 - 노래하는 반이 4편, 스피커

지난 6월호에서 반이는 뽀로로 드럼세트에 달린 마이크에 대고 신 나게 노래를 했었습니다. 마이크는 공기의 파동인 반이의 노랫소리를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 했는데요, 이 전기 신호는 7월호에 소개된 앰프를 통해 크게 증폭되었고, 이번 호에는 그 전기신호를 소리로 바꾸어주는 스피커에 관해 이야기해보겠습니다.

스피커의 기본 구조는, 아래 그림과 같이 영구자석, 도선을 감아 놓은 코일, 진동판 등으로 구성되어 있습니다. 코일의 양 끝은 음성신호 전류가 흐를 수 있게 되어 있지요.

▲ 스피커 구조

이미지출처 : http://goo.gl/sn4NcV

지난 6월호에서는 코일 안으로 자석을 집어넣었다 빼면서 자기장의 변화를 일으키면 코일에 전류가 흐른다는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 대해 알아본 바 있습니다. 마이크 내부 구조에서는 영구자석을 둘러싸고 있는 코일이 소리라는 파동에 의해 앞뒤로 진동하게 됩니다. 이때 아래 그림과 같이 오른손의 엄지, 검지, 중지를 서로 수직이 되게 펴고 엄지를 코일이 움직이는 방향, 검지를 자기장 방향으로 향하게 하면, 코일 속에 발생하는 유도 전류는 중지의 방향으로 흐릅니다. 이를 플레밍의 오른손 법칙이라고 하며, 물리적인 움직임을 전기 신호로 바꾸는 발전기와 마이크의 원리가 이 법칙을 따르고 있습니다.

▲ 플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙

이미지출처 : http://goo.gl/pQq5Mq

그와 반대로, 감아 놓은 코일 안에 자석을 두고 코일에 전류를 흘리면, 전류의 방향과 크기에 따라 코일이 받는 힘이 바뀌면서 움직이게 됩니다. 코일은 진동판에 붙어 있기 때문에 진동판이 진동하며 공기의 파동을 만들어 내고, 이 파동은 결국 우리가 들을 수 있는 소리로 나타납니다. 이때에는 왼손을 펴서 검지를 자기장 방향으로, 전류를 중지의 방향으로 향하게 하면 코일은 엄지 방향으로 움직입니다. 이를 플레밍의 왼손 법칙이라고 하며 전기 신호를 물리적인 움직임으로 바꾸는 모터의 기본 원리가 되며 스피커나 도어락(door-lock)의 전자석 등에도 이 법칙이 응용되어 있습니다.

정리하자면, 움직이는 장치를 이용하여 전기신호를 얻는 것은 모두 플레밍의 오른손 법칙이 적용되고, 전기신호를 이용하여 장치를 움직이게 하는 것은 모두 플레밍의 왼손 법칙이 응용된 것이라고 할 수 있습니다.

가만히 살펴보면 플레밍의 오른손 법칙을 따르는 마이크나 왼손 법칙을 따르는 스피커가 비록 구조는 다르고 정반대의 작용을 하지만 원리는 같다는 것을 알 수 있습니다. 결국, 마이크와 스피커는 진동하는 재질과 흐르는 전기의 크기만 다를 뿐 나머지는 같은 원리로 만들어진 것이지요.  따라서 아주 급한 경우에는 음질은 그다지 좋지 않더라도 스피커를 마이크 대신 사용할 수도 있습니다. 그러나 반대로 마이크를 스피커 대신 사용할 경우, 전기 용량의 차이로 마이크의 코일이 끊어지게 됩니다.

한편, 항공기의 조종실과 같이 주변의 소음 정도가 심하거나, 사용자가 양손을 자유롭게 유지할 필요가 있는 곳에서, 또는 청취자가 움직이거나 타인에게 방해를 주지 않고 듣기를 원할 때 사용하는 헤드폰(Headphone)이나 이어폰(Earphone)도 결국 작은 스피커의 일종입니다.

▲ 이어폰과 우퍼 스피커

사진출처 : (좌) https://goo.gl/R11wmT (우) https://goo.gl/GMUtiw

사람의 귀로는 대략 16~20,000㎐(헤르츠)의 주파수 영역을 들을 수 있습니다. 1㎐는 1초에 1회 진동한다는 의미입니다. 주파수가 낮을수록 저음이, 높을수록 고음이 나게 되는데, 이 주파수 영역에 따라 스피커를 각각 고역, 중역, 저역을 담당하도록 트위터(Tweeter), 스쿼커(Squawker), 우퍼(Woofer)로 구분하여 사용하기도 한답니다.

다음 호에는 <로보카 폴리 1편 - 폴리 도미노>와 만나보겠습니다!

감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장