스마트폰, 노트북, TV, 이어폰, 자동차 오디오, 공연용 스피커까지 현대인의 삶에서 소리가 없는 기기는 하나도 없다. 그런데 대부분의 사람들은 스피커를 통해 음악이나 영상 음성을 듣는 것은 익숙하지만 스피커가 어떻게 소리를 만들어내는지는 잘 모른다. 스피커는 단순한 전자기기처럼 보이지만 그 내부에는 전자기력·기계진동·압력파·음향공학이 결합된 정교한 시스템이 숨어 있다. 이 글에서는 스피커가 전기신호를 받아 어떻게 공기 진동으로 변환하는지, 어떤 물리·공학적 원리가 작동하는지, 왜 스피커 구조가 형태에 따라 달라지는지 과학적으로 설명한다.
소리는 압력의 파동이다: 음향의 물리학
스피커가 소리를 만드는 원리를 이해하기 위해서는 먼저 소리(sound)가 무엇인지부터 이해해야 한다.
1. 소리 = 공기 압력의 변화
소리는 본질적으로 매질 내 압력 변화가 시간에 따라 전달되는 파동이다.
공기 중에서 소리는 종파(Longitudinal wave)로 전달되며, 이는 다음 두 영역으로 구성된다:
● 압축(Compression): 공기 분자가 밀집한 영역
● 희박(Rarefaction): 공기 분자가 흩어진 영역
이 두 영역이 연속적으로 이동하며 우리가 소리를 듣는 현상을 만든다.
2. 주파수와 진폭
소리는 다음 두 변수로 기술된다:
● 주파수(Hz): 1초당 압력 변화 횟수 → 음의 높낮이 결정
● 진폭(dB): 변화의 크기 → 음량(크기) 결정
예를 들어:
● 440 Hz → 피아노 ‘라(A)’ 음
● 20 Hz 이하 → 인프라사운드 (귀로 듣기 어려움)
● 20 kHz 이상 → 초음파 (인간은 듣지 못함)
3. 소리를 전자로 바꾸는 과정의 역순
마이크는 공기 진동 → 전기 신호로 바꾸는 기기이고,
스피커는 전기 신호 → 공기 진동으로 변환하는 기기다.
즉 스피커는 일종의 역마이크(inverse microphone) 역할을 하는 장치다.
스피커의 핵심: 전자기력(로렌츠 힘)으로 진동판을 움직인다
대부분의 스피커는 전기 → 기계진동으로 바꾸는 방식인데, 이때 핵심 원리는 전자기 유도 + 로렌츠 힘이다.
1. 전기신호가 먼저 입력된다
음악 파일이나 음성 신호는 전기적으로는 아날로그 전류의 시간 변화이다.
예를 들어 100 Hz 사인파가 입력되면 전류가 1초에 100번 위아래로 흔들린다.
2. 보이스 코일(Voice Coil)과 영구자석
스피커 코어에는 두 가지 주요 부품이 있다:
● 보이스 코일: 얇은 구리선으로 감은 코일
● 영구자석(Permanent magnet): 강력한 자성체
보이스 코일에 전류가 흐르면 전류 방향에 따라 자기장이 생성되고,
이 자기장은 영구자석의 자기장과 상호작용하여 힘을 만든다.
이 힘이 바로 로렌츠 힘(Lorentz force)이다.
즉 전류가 바뀌면 힘의 방향도 바뀌어 앞뒤로 진동하는 힘을 얻는다.
3. 진동판(다이어프램, Diaphragm)이 공기를 밀고 당긴다
보이스 코일은 진동판에 직접 연결되어 있다.
전류가 흐르는 동안:
● 전류 증가 → 진동판 앞으로 이동 → 공기 압축
● 전류 감소 → 진동판 뒤로 이동 → 공기 희박
이 과정이 고속으로 반복되면 압축-희박 주기적 변화 = 소리가 된다.
즉 스피커는 실제로 공기를 물리적으로 흔드는 장치다.
4. 단순 진동이 ‘음악’이 되는 이유
사인파 한 개는 순수한 톤이지만, 음악은 다양한 주파수의 중첩(합성)이다.
오디오 전기신호는 다양한 주파수 성분을 포함하며, 스피커는 이를 각각의 시간 파형대로 재현한다.
스피커 구조는 왜 여러 종류일까: 음역대·방식·크기 차이
스피커는 모두 같은 원리를 쓰지만 구조는 목적에 따라 다르다.
① 음역대별 분류 (트라이앵글 구조)
음악은 저음~고음까지 폭넓으므로 하나의 스피커로는 전대역을 구현하기 어렵다.
그래서 보통 다음처럼 나뉜다:
| 분류 | 음역대 | 특징 |
| 트위터(Tweeter) | 고음(2~20kHz) | 진동판 작고 가벼움 |
| 미드레인지(Midrange) | 중음(300~3kHz) | 사람 음성 영역 |
| 우퍼(Woofer) | 저음 (20~300Hz) | 진동판 크고 무거움 |
서브우퍼(Subwoofer)는 100Hz 이하 초저음을 재현한다.
2. 개방형 vs 밀폐형
스피커 박스도 소리를 좌우한다:
● 밀폐형(Sealed): 응답 정확, 저음 덜함
● 베이스 리플렉스(Ported): 통로를 추가해 저음 강화
● 혼형(Horn): 혼 튜브로 고효율 증폭
클럽이나 공연장은 혼형을 많이 사용한다.
3. 이어폰·헤드폰은 구조가 미니어처화된 형태
이어폰/헤드폰도 보이스코일 + 영구자석 + 다이어프램 구조이며, 형태만 작다.
특히 BA(밸런스드 아마추어) 방식은 코일/자석 구조를 초소형화한 기술이다.
4. 최신 방식: 플래너 자기식(Planar Magnetic)
고급 헤드폰에서 사용되는 방식으로:
● 얇은 필름 위에 전류 경로 인쇄
● 양쪽에서 자석으로 전자기력 가함
● 진동판 전체가 균일하게 움직임
그래서 해상도·분리도가 매우 높다.