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스피커의 종류와 작동원리

스피커의 종류와 작동원리 


수 년 동안 전기적 신호에 답하여 공기를 움직이도록 하기 위한 많은 메커니즘들이 시도되었습니다. 소리를 만드는데 있어 상업적으로 이용 가능한 - 그리고 실용적으로도 - 제품에 사용할 수 있는 방법은 3가지입니다. 다이내믹 드라이버(dynamic driver), 리본 변환기(ribbon transducer), 그리고 정전형 패널(electrostatic panel)입니다. 다이내믹 드라이버를 사용하는 스피커는 종종 박스(box) 스피커라고 합니다. 왜냐하면 드라이버가 박스 같은 인클로저나 캐비닛에 장착되기 때문입니다. 리본과 정전형 스피커는 평판(planar) 스피커라고 하는데, 그것은 이들이 흔히 평평하고 개방된 패널에 장착되기 때문입니다. 변환기(transducer)라는 용어는 에너지를 다른 형태로 전환하는 장치를 설명하는데 사용됩니다. 스피커는 변환기인데 그것은 전기적 에너지를 소리로 전환하기 때문입니다. 


  

다이내믹 드라이버   


가장 인기 있는 스피커 기술은 의문의 여지없이 다이내믹 드라이버입니다. 다이내믹 드라이버를 사용하는 스피커는 친숙한 콘(cone)과 돔(dome)으로 식별할 수 있습니다. 다이내믹 드라이버가 인기 있는 이유는 장점이 많기 때문입니다: 넓은 다이내믹 레인지, 높은 파워 핸들링, 고감도, 비교적 단순한 디자인, 그리고 견고성. 다이내믹 드라이버는 또한 점-음원(point-source) 변환기라고도 하는데, 그것은 소리가 공간의 점으로부터 재생되기 때문입니다. 

다이내믹 스피커 시스템은 다른 크기의 다이내믹 드라이버 조합을 사용합니다. 저주파는 종이나 플라스틱 콘 우퍼(woofer)에 의해서 재생됩니다. 고주파는 트위터(tweeter)에 의해서 발생되며, 대개 작은 금속이나 천으로 된 돔을 채용합니다. 어떤 스피커는 오디오 대역의 가운데 주파수를 재생하기 위해 세 번째의 다이내믹 드라이버, 미드레인지(midrange)를 사용합니다. 

이들 드라이버의 설계가 매우 다름에도 불구하고, 모두 동일한 원리로 작동합니다(그림 7-2). 우선 간략한 설명: 파워앰프로부터의 전류는 드라이버의 보이스코일(voice coil)을 통하여 흐릅니다. 이 전류는 보이스 코일 주위에 오디오 신호와 동일한 주파수에서 팽창했다가 수축하는 자기장을 만들어냅니다. 보이스 코일은 드라이버 내의 자석에 의해 발생된 영구적인 자기장에 걸려 있습니다. 이 영구적인 자기장은 보이스 코일을 통하여 흐른 전류에 의해서 발생된 자기장과 상호 작용하여 보이스 코일을 교대로 앞뒤로 밀고 당깁니다. 보이스 코일이 드라이버의 콘에 부착되어 있기 때문에 이 자기장은 콘을 앞뒤로 당기면서 소리를 발생시킵니다. 




그림 7-2 다이내믹 드라이버 절단면(Thiel 제공)과 수직면




좀 더 기술적으로 이야기하면, 보이스 코일은 보이스-코일 포머(voice coil former)라는 가는 실린더 주위에 선이 감겨진 것입니다. 포머는 진동판(콘 또는 돔)에 부착되어 있습니다. 앰프로부터의 전류는 그 자력선이 두 개의 영구 자석 사이의 틈(gap)을 통과하는 영구 자기장 내에 장착된 보이스 코일을 통해 흐릅니다. 물리학의 "오른손 법칙"에 따라, 보이스 코일을 통하여 회전하는 전류는 보이스코일의 축 방향으로 유도되는 자기력을 발생시킵니다. 틈에서 보이스 코일의 움직이는 부분과 고정 자기장의 상호작용으로 인하여 진동판을 지지하고 있는 보이스 코일을 앞뒤로 움직이는 축 방향 힘이 발생됩니다. 오디오 신호가 빠르게 바뀔수록 진동판의 움직임이 빨라지고 발생되는 주파수도 더 높아집니다. 다이내믹 드라이버는 이 때문에 무빙-코일(moving-coil) 드라이버라고도 합니다.

다른 다이내믹 드라이버의 구성 요소로는, 보이스 코일이 앞뒤로 움직일 때 제 위치에 유지시켜 주는 스파이더(spider)가 있습니다. 바스켓(basket)은 주조 또는 압출된 금속 구조로 전체 어셈블리를 고정시킵니다. 서라운드(surround)라고 부르는 유연한 고무 재질의 고리는 콘을 바스켓의 테두리(rim)에 부착시킵니다. 서라운드는 콘이 바스켓에 붙어있으면서도 앞뒤로 움직일 수 있게 해줍니다. 콘이 앞뒤로 움직일 수 있는 최대의 거리를 진폭(excursion)이라고 합니다. 

일반적인 콘 재질에는 종이, 강화재가 함유된 종이퍼, 폴리프로필렌 같은 플라스틱, 또는 케블라(Kevlar) 같은 특수한 물질등이 포함되어 있습니다. 금속(티타늄을 포함하는)도 서로 다른 재질을 겹쳐 놓은 형태로 우퍼 콘에 사용됩니다. 설계자들은 파괴(breakup)라는 왜곡의 형태를 방지하기 위해서 이들 재질을 사용합니다. 파괴는 콘 재질이 완전한 피스톤으로 움직이는 대신 휘어질 때 발생합니다. 콘이 안쪽의 작은 부분(보이스 코일 크기의 부분)에서 구동되기 때문에, 휘어지면서 비-선형적 왜곡(non-linear distortion)을 발생시키기 쉽습니다. 콘 재질이 딱딱하면 파괴를 방지할 수 있습니다. 모든 다이내믹 드라이버가 특정 주파수에서 파괴현상을 보여주지만, 유능한 스피커 설계자들은 드라이버가 파괴를 발생시키는 주파수에서 구동되지 않도록 합니다. 예를 들어 만일 우퍼의 첫 번째 파괴모드가 4kHz에 있다면, 설계자들은 아마도 드라이버를 약 2kHz까지만 작동시켜서 파괴 주파수로부터 멀리 떨어지도록 할 것입니다.  

콘은 강할 뿐 아니라 가벼워야 합니다. 가벼운 콘은 관성이 적어서 순간적인 신호에 빨리 반응하며 구동 신호가 멈춘 후에 빨리 멈출 것입니다. 베이스 드럼을 치는 것을 생각해 보십시오. 





그림 7-5 점-음원 스피커(왼쪽)은 한 쪽 방향으로 소리를 방사합니다; 다이폴 스피커(오른쪽)는 소리를 전후로 동등하게 방사합니다. 






그림 7-6 풀-레인지 다이폴 리본 스피커

Magnepan 





리본 스피커는 극히 깨끗하고 빠른 순간적인 신호 - 어쿠스틱 기타를 현을 퉁기거나 타악기와 같은 - 를 발생시키는 주목할만한 능력이 특징입니다. 그 소리는 갑작스럽게 시작되고 멈춰서 실제 악기를 듣는 듯 합니다. 리본의 소리는 날카롭거나 지나치게 밝게 되는 일 없이 선명하고 직접적입니다. 게다가 소리가 개방적이고, 깨끗하며, 다이내믹 스피커에 비할 수 없을 정도로 투명합니다. 마지막으로 리본의 다이폴 특성 때문에 넓은 공간감과 공기, 그리고 음장의 깊이를 발생시킵니다. (공간 정보가 녹음할 때 기록되어 있다는 전제하에) 그러나 어떤 사람들은 이러한 깊이감이 실제 녹음에 의해 재생된 것이 아니라 리본 스피커에 의해서 인공적으로 발생된 것이라고 합니다. 

뛰어난 음질 특성에도 불구하고 리본 드라이버는 몇 가지 약점을 갖고 있습니다. 첫 번째는 낮은 감도입니다; 감도가 낮으면 구동에 많은 앰프 파워가 필요합니다. 두 번째는 리본이 본질적으로 매우 낮은 임피던스가 낮으며, 흔히 몇 분의 1옴 정도라는 것입니다. 그러므로 대부분의 리본 드라이버에서는 파워앰프에 더 높은 임피던스를 주기 위해 크로스오버에 임피던스 매칭 트랜스포머(impedance matching transformer)를 갖고 있습니다. 그렇기 때문에 음질 저하를 방지하기 위해서는 트랜스포머의 설계가 매우 중요합니다. 

실용적인 측면에서 볼 때, 리본 기반의 스피커는 방에 설치하기가 매우 어렵습니다. 주로 이들의 바이폴라 방사 패턴 때문에, 위치에 약간만 변화가 있어도 소리가 크게 달라질 수 있습니다. 이 다이폴 패턴은 리본 스피커를 뒷벽으로부터 멀리 떼어놓을 것을 요구하며  뒷벽은 음향적으로 양호하여야 합니다.

리본 드라이버가 감상자의 귀와 같은 높이에 있고 키가 작은 리본 스피커는 감상자가 몇 인치 위나 아래로 움직이면, 극단적으로 고역의 밸런스가 달라집니다. 그것은 리본 스피커가 매우 좁은 수직 방사를 갖기 때문이며, 고주파에서 리본 위나 아래로는 거의 소리를 방사하지 않음을 의미합니다. 만일 여러분이 너무 높이 앉거나 또 서서 듣는다면, 적은 고역을 듣게 될 것입니다. 어떤 리본 스피커에는 경사 조절기가 있어서 특정한 감상 높이에 맞게 고역 밸런스를 맞출 수 있게 해 줍니다. 

리본은 또한 공진 주파수를 갖고 있어서 공진 주파수가 자극을 받으면, 알루미늄 호일이 버스럭거리는 것 같은 끔찍한 소리를 냅니다. 결과적으로 리본은 주파수 대역을 엄격히 제한하여 사용해야 합니다. 게다가 리본 드라이버는 최적의 성능을 위해 공장에서 장력을 줍니다. 너무 장력이 많으면 리본은 소리를 작게 낼 것입니다; 장력이 너무 적으면 리본은 음악이 "깨지는 것"같은 왜곡된 소리를 발생시킵니다. 이것은 피아노에서 가장 잘 알 수 있습니다; 순간적인 소리결이 깨지고 비틀리게 됩니다. 공간의 온도가 갑자기 올라가면 리본 드라이버가 장력을 잃어서 설명한 왜곡이 유입될 수 있습니다. 만일 여러분이 이러한 소리를 듣게된다면, 제조 업체에 전화를 걸어 문의하십시오. 그 해결책은 몇 개의 장력 조절용 볼트를 절반 정도 돌리는 것처럼 간단할 수 있습니다.  

리본 드라이버는 반드시 길거나 가늘어야할 필요가 없습니다. 다양한 리본 기술로 인하여, 결점이 적고 바람직한 특성을 많이 갖고 있는 리본 드라이버가 생산되었습니다. 제네시스 테크놀로지(Genesis Technologies)에서 개발한 우수한 1" 리본 트위터가 그 좋은 예입니다. 이 소자는 뒤에 도체가 접착된 2.5㎛(0.0001") 두께의 캡톤(Kapton, 플라스틱과 비슷한 재질) 층입니다. 진동판은 대단히 질량이 낮고 - 그 앞의 공기보다도 질량이 적습니다 - 점-음원 방사 패턴으로 인하여 일반적인 돔 트위터처럼 사용할 수 있습니다. 

이러한 트위터를 4' 높이의 미드레인지 리본 곁에 위치시키면, 리본 미드레인지의 선-음원 방사 패턴을 흉내낼 수 있습니다. 선 음원을 흉내내는 것 외에도, 트위터를 수직으로 배열하면, 각각의 트위터가 매우 작은 소리만 내어주면 되기 때문에, 다이내믹 레인지가 증가되고 왜곡을 낮출 수 있습니다. 각각의 트위터가 거의 구동되지 않기 때문에, 이러한 시스템은 왜곡이나 긴장 없이 매우 큰 소리를 재생할 수 있습니다.  

신호를 전달하는 도체가 진동판에 접착되어 있기 때문에, 제네시스 트위터(그림 7-7)는 기술적으로 리본이 아니라 평판 마그네틱 드라이버입니다. 인피니티의 EMIT(Electromotive Induction Tweeter)도 평판 마그네틱 드라이버의 또 다른 예입니다. 





그림 7-7 평판형 트위터 

Genesis Technology





마지막으로 일부 스피커들은 두 기술의 장점을 취하기 위해, 다이내믹 및 리본 트랜스듀서의 조합을 사용합니다. 이들은 하이브리드 스피커(hybrid speaker)라 하며 일반적으로 저역 재생을 위해서 인클로저 내의 다이내믹 우퍼를, 그리고 리본은 미드레인지/트위터를 사용합니다. 하이브리드 기술은 리본 드라이버의 장점을 낮은 가격 수준으로 얻게 해주며(리본 우퍼는 크고 비쌉니다), 약점은 피하고, 각 기술의 장점을 취합니다. 리본/다이내믹 하이브리드 스피커의 범위를 그림 7-8에 그림으로 나타내었습니다. 





그림 7-8 "하이브리드" 스피커는 다이내믹 우퍼를 리본 미드레인지/ 트위터에 조합합니다 

Apogee Acoustics, Inc 






정전형 드라이버 


리본 트랜스듀서와 마찬가지로, 정전형 드라이버(electrostatic driver)는 공기를 움직이기 위해 얇은 막(membrane)을 사용합니다. 그러나 거기서 유사점은 끝입니다. 다이내믹과 리본 스피커는 전자기적인 변환기입니다. - 이들은 전기적으로 유도된 자기장의 작용에 의해서 작동합니다 - 정전형 스피커는 정전 작용(electrostatic interaction) 이라는 완전히 다른 원리로 작동합니다. 

정전형 드라이버에서, 얇고 움직일 수 있는 진동막 - 때때로 투명한 마일라(Mylar)로 만들어지는 - 은 스테이터(stators, 그림 7-9)라고 부르는 두 개의 정적인 요소 사이에 펼쳐집니다. 이 진동막은 고정자에 비해 매우 높은 전압으로 충전됩니다. 오디오 신호가 스테이터에 걸리면, 그에 응답하여 변화하는 정전기장(electrostatic fields)이 발생됩니다. 스테이터 주위에 발생된 변화하는 정전기장은 진동막의 고정된 정전기장과 작용하여, 막을 밀고 당겨 소리를 발생시키게 합니다. 한 스테이터가 막을 밀면 다른 스테이터는 막을 당깁니다.(전-대역 정전형 스피커는 그림 7-10에 나와 있습니다.)





그림 7-9  정전형 드라이버 

Martin-Logan, Ltd. 





그림 7-10  전-대역 정전형 스피커 

Martin-Logan, Ltd 





정전형 스피커에 걸리는 전압은 매우 높습니다. 진동판에 적용되는 전압은 1만 볼트(10kV) 정도 될 것입니다. 게다가 오디오 신호는 정전형 스피커 내의 스텝 업 트랜스포머(a step-up transformer)에 의해 수십에서 수천 볼트까지 단계적으로 승압됩니다. 이러한 높은 전압은 진동판과 스테이터 주위에 정전기장을 발생시키기 위해 필요합니다. 

아칭(arcing) - 전자가 다른 소자로 건너뛰는 것 - 현상을 방지하기 위해서 스테이터는 흔히 절연재질로 코팅합니다. 그렇게 해도 정전형 스피커를 지나치게 구동하면, 정전기장이 공기 중의 산소에서 자유전자를 빼앗아서, 이온화(ionized)되도록 합니다; 이것은 전하에 전도 경로를 제공합니다. 진동판의 진폭이 크면 - 즉, 큰 재생 음량이 크면 - 진동판이 고정자에 더 가깝게 되어 아칭이 발생되게 됩니다. 아칭은 진동막에 작은 구멍을 뚫어서 정전 패널을 파괴할 수 있습니다. 아칭은 건조한 기후에서보다는 다습한 기후에서 더 큰 문제인데, 그것은 습기가 고정자 사이의 공기를 더욱 전기를 잘 통하게 하기 때문입니다. 

정전 패널은 진동판의 공진 영향을 감소시키기 위해 흔히 더 작은 패널로 나뉘어 집니다. 일부 패널은 고역에서의 로빙 효과(lobing effect, 평탄하지 않은 방사패턴)를 감소시키도록 곡면으로 되어 있습니다. 로빙은 소리의 파장이 진동판에 비해 작을 때 발생합니다. 로빙은 정전형 스피커의 고역 방사 패턴이 평탄하지 않은 이유가 되며, 이로 인하여 머리를 좌우로 움직임에 따라, 음조의 균형이 급속하게 반복적으로 변화하는 현상에 대해 스테레오파일(Stereophile) 매거진의 창간자인 J. 고든 홀트(J. Gordon Holt)는 버티컬 베네시안-블라인드 효과(vertical venetian-blind effect)라고 이름을 붙였습니다.  

정전형 패널은 심지어 평판형 트랜스듀서보다도 더 가볍습니다. 진동판이 오디오 신호 전류를 전달하는 리본 드라이버와 달리, 정전형 진동판은 오디오 신호를 전달할 필요가 없습니다. 그러므로 진동판은 매우 얇으며 때로는 0.001"이하일 수도 있습니다. 이처럼 질량이 매우 낮기 때문에 진동판이 매우 빠르게 움직이기 시작하고 멈추는 것이 가능하여, 순간적인 응답을 개선해 줍니다. 정전형 패널이 전체 면적에 걸쳐서 균일하게 구동되기 때문에 파괴(break up)되는 경향도 적습니다. 평판형 스피커(리본)와 정전형 스피커는 모두 분산이 적은 장점을 갖고 있는데, 이것은 감상 위치에 도달하는 반사음이 적다는 것을 의미합니다. 리본 스피커처럼, 정전형 스피커는 음질을 저하시키는 인클로저를 갖지 않습니다. 정전형 스피커는 또한 본질적으로 다이폴라 방사 패턴을 갖고 있습니다. 진동판이 개방된 패널에 부착되기 때문에, 정전형 드라이버는 전면으로 만큼의 소리를 후면으로도 발생시킵니다. 마지막으로, 정전형 스피커의 큰 표면적 때문에 악기 이미지를 올바른 크기로 재생하는데 장점이 있습니다. 

그렇지만 이러한 장점을 누리기 위해서, 정전형 스피커는 분극 전압(polarizing voltage)을 발생시키도록 반드시 벽의 AC 아웃렛에 플러그를 꽂아야 합니다. 정전형 스피커가 본질적으로 다이폴라 방사체(dipolar radiator)이기 때문에, 좋은 소리를 얻기 위해서는 방의 위치가 더욱 중요합니다. 정전형 스피커는 잘 발달된 음장을 실감하도록 뒷벽과 떨어진 방의 안쪽에 위치시켜야할 필요가 있습니다. 또한 정전형 스피커는 감도가 낮아서, 큰 파워를 요구하는 경향이 있습니다. 앰프에 나타내는 부하 임피던스가 다이내믹 스피커보다 더욱 반응적(reactive)이기 때문에, 앰프에 추가적인 부담이 됩니다. (리액턴스(reactance)는 이번 장의 뒷부분에 설명합니다.) 다이내믹 스피커처럼 큰 음량을 낼 수 없습니다; 뿐만 아니라 정전형 스피커는 다이내믹한 충격이나, 파워 또는 깊은 저역으로는 주목받지 못합니다. 대신에, 정전형 스피커는 투명도, 섬세함, 과도 응답, 섬세한 해상도, 뛰어난 이미징, 그리고 전반적인 음악적 통일성에서 뛰어납니다.

정전형 스피커는 낮은 주파수로의 응답을 확장하고 다이내믹한 충격감을 제공하기 위해 별도의 다이내믹 우퍼나 서브우퍼를 추가할 수 있습니다. 다른 정전형 스피커는 같은 패키지로도 동일한 결과를 얻고 있습니다: 인클로저 내의 다이내믹 우퍼를 정전형 패널과 짝 지워줍니다. 이러한 디자인 중 일부는 다이내믹 드라이버와 정전형 패널 모두에서 최고의 품질을 얻고 있습니다. (하이브리드 정전형/다이내믹 스피커의 예가 그림 7-11에 나와 있습니다.) 이러한 하이브리드 스피커를 조심스럽게 시청해 보십시오; 이러한 스피커들은 때로, 우퍼가 떠나고, 정전형 패널이 대신하는 전환 주파수에서, 청감상의 불연속성을 보여줍니다. 예를 들어, 피아노가 다른 음역에서 연주될 때의 음색, 피어남, 원근, 그리고 이미지 크기에서의 변화를 들어보십시오. 재즈에서의 어쿠스틱 베이스도 다이내믹/정전형 하이브리드 스피커에서 우퍼/패널의 불연속성의 좋은 테스트가 됩니다. 





그림 7-11 정전형/다이내믹 하이브리드 스피커 

Martin-Logan, Ltd. 





모든 대역을 리본 또는 정전형으로 재생하는 스피커의 한 가지 큰 장점은, 크로스오버가 없다는 것입니다; 진동판은 전체 오디오 신호로 구동됩니다. 이것은 다른 드라이버에 의해 다른 주파수가 재생됨으로써 소리에 불연속성이 발생하는 것을 방지합니다. 게다가 크로스오버에서 볼 수 있는 저항, 커패시터(capacitor), 인덕터(inductor)를 제거함으로써 풀-레인지 평판형 스피커의 투명성과 화성적 정확도를 크게 증가시킬 수 있습니다. 

심지어 다이내믹 우퍼와 평판형 패널 사이의 크로스오버 주파수를 매우 낮게(800Hz이하, 거의 중간 A에서 한 옥타브 위 주파수) 설정한 하이브리드 평판형 스피커는, 대부분의 가청 대역에서 드라이버 사이의 불연속성이 없습니다. 

마지막으로 정전형과 리본 드라이버의 큰 진동판은, 다이내믹 드라이버에서 보이스 코일의 비교적 작은 면적을 강하게 구동했던 것과는 달리 전체 표면적을 부드럽게 구동합니다. 이처럼 좁은 면적에 강한 힘을 가하면 대형 평판형 스피커에서는 잘 일어나지 않는 현상인 다이내믹 드라이버의 파괴 현상을 일으키는데 기여합니다. 

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McIntosh MC 500 Stereo Amplifier

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금도금 출력 단자
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특유의 매킨토시 파워 가드 회로
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냉각팬이 필요없는 저온동작의 고능률 회로
1/2인치 두께의 풀글래스 전면 패널
● Descriptions
매킨토시 최고의 파워앰프 중의 하나인 MC1000 모노앰프의 설계사상과 디자인을 그대로 계승한 제품

스피커 감도 표시와 dB 값

스피커의 스펙을 볼 때, 보통 저항값과 감도를 보게 된다.
스피커의 감도는 보통 dB(데시벨)로 표시한다. 그러나 정확하게는 '2.83V/m' 라는 표시가 더 붙게 된다.
예를 들어 89dB(2.83V/m)와 같은 식이다.

이것의 의미는 다음과 같다.
스피커의 감도를 측정할 때, 당연히 스피커 앞에 마이크를 대고 그 소리를 측정하게 되는데, 마이크와 스피커의 거리를 1미터로 하게 된다.
그 다음, 당연히 스피커에 주어지는 입력 신호도 표준적인 값이 사용되는데, 그 값은 2.83V 의 랜덤 노이즈 시그널이다. 2.83V 는 8옴 저항에서 1W 전력이 나오는 것과 같은 의미다.

89dB 이상이면 고효율 스피커로 분류된다. 효율이 높다고해서 절대적으로 좋은 소리가 나는 스피커는 아니지만, 보다 적은 힘으로도 울릴 수 있는 스피커라고 볼 수 있다.

그렇다면, 데시벨(dB)이란 것은 어떤값인가?

너무나 흔히 사용되고 많이 들은 단위라서, 소리의 크기에 사용된다는 것 정도는 누구나 알고 있지만, 사실 데시벨을 정확히 알고자 하면 상당히 복잡하다.
복잡한거 다 알려고 하면 정신만 사납다. 어찌되었건 데시벨 값이 크면! 큰 소리다.
주의할 점은 데시벨 값은 절대적인 값이 아니다. 상대적인 수치로 사용되기 때문에, 0dB 값이 가장 조용한 상태 값을 의미할 수도 있고, 가장 큰 소리를 의미할 수도 있다.
보통 녹음실에서는 0dB 가 가장 큰 소리의 기준값이다.
스피커의 dB 표시는 측정실에서 스피커에 신호를 가하지 않은 상태의 마이크 측정 값을 0dB 로 했을 때, 신호를 가했을 때 마이크에서 측정한 값의 차이값을 의미하게 되는 셈이다.