오디오 사운드와 배음: 배음과 고조파

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오디오 사운드와 배음: 배음과 고조파

 

음원에 포함되어 있는 배음은 악기의 특징적인 음색, 뉘앙스, 가수의 두성과 흉성, 사운드 스테이지의 폭과 깊이를 표현하는 입체감, 녹음 현장의 울림인 홀톤, 공간감을 표현하는 반사와 분산으로 이루어지는 공간의 울림들이 포함되어 있다. 그러나 앰프의 증폭 과정에서 배음과 동일한 형태로 만들어지는 고조파(高調波, harmonics)도 배음과 동일한 영역에 존재한다. 이러한 고조파는 배음의 형태를 가지고 있지만 오리지널 음원에 포함되어 있지 않은 왜곡 성분이다. 이 고조파의 존재 때문에 배음이 더 어렵고 혼란스럽게 느껴질 수 있다.

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고조파는 앰프의 증폭과정에서 의도하지 않게 발생하여 배음이 존재하는 영역에 추가되기 때문에 고조파 왜곡(Harmonics Distortion)이라고 정의한다. 고조파는 소리의 특성을 풍성하게 하는 배음과는 달리 증폭 특성의 선형성(Linearity)을 방해하는 요소로 정확한 증폭을 할 수 없는 원인이 되므로 왜곡으로 정의한다. 그런데 왜곡이면 제거해 버리면 되는데 왜 이 고조파를 중요하게 생각하는지 궁금해하시는 분들도 있을 것이다.

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고조파는 왜 만들어 지나?

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고조파는 진공관 앰프이든, 솔리드스테이트 앰프이든, 프리앰프이든, 파워앰프이든, 상관없이 모든 앰프의 증폭회로에서 발생된다. 고조파의 발생 원인은 증폭 소자 및 증폭회로의 시정수와 관련된 부품들의 오차로 인하여 회로의 선형성(Linearity)이 무너지면서 발생하는 것이다. 이러한 오차를 줄이려고 하면 증폭 소자를 비롯한 부품 등의 오차를 줄여야 한다.

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그러나 자연 상태에서 부품의 오차는 피할 수 없는 것으로 이상적인 증폭 회로는 만들 수가 없으므로 고조파는 어느 정도까지 줄일 수는 있으나 완전히 해소할 수는 없다. 예로 상용으로 판매하는 저항의 오차는 최고 정밀하다는 것이 1%이고 일반적인 저항은 5%, 10%의 오차를 가지고 있다. 콘덴서는 오차가 더 커서 일반적으로 10%이나 20% 정도이다. 또한 사용되는 부품의 소수점 3자리 정도의 정확한 값은 구하기가 어렵기 때문에 가장 유사한 값을 사용한다.

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또한 트랜지스터는 증폭 커브의 특성이 대략 10% 정도의 오차를 가지고 있으며 증폭 커브의 특성은 입력 전압이 클수록 오차가 커져 선형성(Linearity)이 유지되지 못한다. 또한 실질적인 오차는 주파수 대역과 공급 전원의 오차에 따라 다이내믹하게 달라진다. 또한 진공관의 오차는 이보다 더 크다. 이런 증폭 소자는 정확한 특성을 매칭시키기 어렵기 때문에 고급 오디오에서는 페어 매칭 정도에서 사용되고 있고 대부분의 중보급형 제품은 그냥 오차가 작은 부품을 납품받아 그대로 사용한다.

 

그래서 오디오의 부품을 선정할 때 기본적으로 오차가 작은 제품을 납품받아 사용하고 이처럼 증폭회로의 오차는 생각보다 크고 이러한 오차가 고조파 발생의 원인이 된다. 즉 설계한 오디오 화로와 실제 제작한 오디오 회로는 같은 시정수 특성의 오디오 회로가 될 수가 없다.

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오디오를 제작할 때에 고조파를 줄이기 위한 부품의 선별은 사람이 부품을 하나하나 측청하여 특정한 오차 이내의 부품만 선별해야 하고, 오차를 넘는 부품은 폐기해야 하므로 비용이 많이 드는 작업이기 때문에 비용을 상관하지 않고 최고의 음질을 목표로 하는 하이엔드 오디오를 제외하고는 거의 적용하지 않는 방법이다.

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이러한 증폭과정에서 발생하는 하는 왜곡은 주파수의 배수의 형태로 발생하기 때문에 고조파 왜곡(Harmonics Distortion)라고 부른다. 증폭회로의 충실함의 척도로 고조파(Harmonics Distortion)의 양이 얼마나 적게 발생하느냐로 판단하고 그의 총양을 THD(Total Harmonics Distortion)이라고 하며 표시는 정상적으로 증폭된 신호의 양에 대한 고조파의 비율을 %로 표시하며 이를 총고조파왜율(THD)이라고 한다.

이러한 고조파는 왜곡이므로 오디오의 사운드에 나쁜 영향을 줄 수 있으므로 모든 오디오에서는 이러한 하모닉 디스토션을 제한한다. 부품의 산별 이외에 비용이 많이 들디 않는 고조파를 제한하는 대표적인 방법은 네거티브 피드백(Negative Feedback)이다. 네거티브 피드백(Negative Feedback)은 간단한 부궤환 회로를 사용하여 출력의 일부를 입력으로 되돌려 증폭과정의 왜곡을 조절할 수 있는 혁신적인 회로라고 할 수 있다. 그런데 이 네거티브 피드백(Negative Feedback)은 앰프의 음질에 좋은 영향을 주기도 하지만 또한 나쁜 영향을 주기도 한다.

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고조파는 항상 일정한 정적인 특성이 아니라 주파수에 대하여 그 발생하는 양이 변하는 동적인 측성을 가지고 있다. 고조파의 특성은 1KHz의 중역대에서 가장 적고 주파수가 낮아지거나 높아지면 고조파도 증가한다. 또한 고조파는 출력이 앰프의 최대 출력의 절반 부근 정도의 출력일 때 가장 적게 발생하고 출력이 출력이 커질수록 급격하게 많이 발생된다.

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고조파와 총고조파왜율(THD) 그리고 클리핑

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고조파는 같은 대역에 존재하는 배음과 섞이게 되면서 배음의 정확한 재현을 방해할 뿐만 아니라 오디오 소리의 선형성(Linearity)을 방해하기 때문에 적절한 선에서 제한되어야 한다. 진공관 앰프에서 발생하는 고조파는 주로 짝수차 고조파이므로 음질에 그렇게 나쁜 영향을 미치지 않기 때문에 적극적으로 제거하지 않는 경향이 있다. 그러나 솔리드스테이트 앰프에서는 주로 홀수차 고조파가 많이 발생하기 때문에 적극적으로 제거하려고 노력한다. 위에서도 언급했듯이 고조파를 제한하는 대표적인 방법은 네거티브 피드백(Negative Feedback)이다.

 

대부분의 앰프 브랜드에서는 음질을 위하여 총고조파왜율(THD)과 노이즈의 합(THD+N)이나 총고조파왜율(THD)을 관리하고 사양에 표시한다. 고조파가 주파수에 따라 변동하는 동적인 특성을 가지고 있다. 그러나 대부분의 앰프에서는 고조파의 양을 측정한 총고조파왜율(THD)을 사양에 표시한다. 물론 고조파는 출력에 따라서도 발생하는 양이 변동하는 특성을 가지고 있다. 대부분의 앰프에서 고조파의 다이내믹한 변화를 모두 표시할 수 없다고 하지만, 가청 주파수 전 대역의 총고조파왜율(THD)을 표시하는 브랜드는 거의 없고 가장 고조파가 적게 발생하는 1KHz 대역의 총고조파왜율(THD)을 표시한다.

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고조파는 앰프에 따라 모두 다른 특성을 보이지만 공통적으로 앰프의 최대 출력의 절반 근처에서 가장 작게 생성되고, 출력이 증가할수록 많은 고조파가 생성된다. 또한 출력이 적을 경우에도 고조파의 발생이 최대 출력일 때보다는 적지만 가장 적을 때보다 많이 생성된다. 고조파의 생성 특성은 최대 출력의 절반 정도의 경우가 가장 선형성(Linearity)이 우수하고 양쪽 극단으로 갈수록 선형성(Linearity)이 감소한다는 것이다. 그래서 볼륨의 절반 정도에서 앰프를 운용하는 것이 그 앰프의 가장 좋은 소리를 들을 수 있다는 것이다.

 

앰프의 증폭회로는 보통 입력을 계속 증가시키면 증폭회로는 증폭회로의 동작 한계까지 계속 동작한다. 그리고 동작 한계가 넘어가면 증폭 소자는 파괴된다. 그래서 대부분의 앰프에서는 증폭 회로의 한계값을 정해 놓고 그 이전에 안전장치를 두어 입력을 크기를 줄이거나 차단하는 회로를 사용하여 앰프의 안전한 동작을 보장한다. 대부분의 앰프에서는 앰프의 한계 조건을 총고조파왜율(THD)과 노이즈의 합(THD+N)이 일정 % 이상 증가하는 상태를 클리핑이라고 정의하고 그 지점까지의 출력을 최대출력으로 표시한다.

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클리핑의 조건을 장확하게 공개하는 오디오 업체는 거의 없다. 그러나 미국의 하이엔드 오디오 잡지 스테레오파일에서는 총고조파왜율(THD)과 노이즈의 합(THD+N)이 1%가 넘어가는 지점을 클리핑이라고 정의하고 그 지점까지의 출력을 관리하고 사양에 표시한다. 그러나 짝수차 고조파가 주를 이루어 음질에 나쁜 영향이 적은 진공관 앰프에서는 총고조파왜율(THD)과 노이즈의 합(THD+N)이 3%를 클리핑이라고 하기도 하고 어떤 브랜드에서는 10%를 클리핑으로 정의하기도 한다. 이 지정된 클리핑 지점을 넘어 간다고 앰프가 정지하거나 앰프의 출력 소자가 파괴되는 않는다. 그러나 클리핑 지점에 가까워 질 수록 증폭회로의 선형성(Linearity)이 나빠져 왜곡이 증가하고 음질도 나빠진다.

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고조파의 특성 그래프를 공개하는 앰프 브랜드는 거의 없다. 단지 총고조파왜율(THD)과 노이즈의 합(THD+N)이나 총고조파왜율(THD)을 사양에 표시한다. 그리고 클리핑에 대한 조건도 표시하는 경우를 본 적이 없다. 그러나 사용자는 최대 출력까지 앰프를 사용하지 않으면 클리핑을 염려할 필요가 없다. 그런데 문제는 입력의 조건이 끊임없이 변하기 때문에 최대 출력 가까이까지 보륨을 옾이면 가장 좋은 소리를 들을 수 있을 뿐만 아니라 다이내믹이 큰 음악을 들으면 클리핑의 조건에 들어 갈 수도 있다. 그러므로 다시한번 강조하지만, 앰프의 사용은 가장 고조파가 적게 발생하는 앰프의 최대 출력의 50% 근처에서 사용하는 것이 가장 음질이 좋고 안전하다.

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짝수차 고조파와 홀수차 고조파 그리고 배음

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배음은 기음의 짝수차 배음과 홀수차 배음이 있다. 이 짝수차 배음과 홀수차 배음은 소리에 미치는 영향이 서로 다르다. 짝수차 배음은 소리를 부드럽고 조화롭게 하고, 홀수차 배음은 소리를 딱딱하고 경질로 들리게 한다. 자연상태에서의 어쿠스틱 악기나 사람의 목소리에는 짝수차 배음과 홀수차 배음이 자연스럽게 조화를 이루며 섞여있다. 심지어 유리창이 깨지는 소리나 물체가 충돌하는 파열음에서도 소리의 특성에 맞게 짝수차 배음과 홀수차 배음이 조화롭게 분포되어 있다.

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그러나 증폭회로의 증폭과정에서 만들어지는 인공적인 배음인 하모닉 디스토션 즉 고조파는 짝수차 배음이 두드러지나 홀수차 배음이 두드러지는 현상이 발생한다. 예로 진공관 증폭 과정에서는 짝수차 배음이 우세하게 만들어지고, 솔리드스테이트 증폭 과정에서는 홀수차 배음이 우세하게 만들어진다. 그러므로 진공관 앰프들은 고조파가 사운드에 그리 나쁜 영향을 주지 않기 때문에 하모닉 디스토션(Harmonics Distortion)인 고조파에 대해서 관대하다. 그래서 진공관 앰프들은 총고조파왜율(THD) 특성이 좋지 않다.

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반면 솔리드스테이트 앰프에서는 많이 생성되는 홀수차 고조파는 소리를 단단하게 만드나 거칠게 만들고 경질의 성향이 있기 때문에 음질에 나쁜 영향을 주므로 고조파를 가능하면 억제하거나 제거하려고 노력한다. 그래서 솔리드스테이트 앰프의 총고조파왜율(THD) 특성이 우수하다. 그러나 총고조파왜율(THD)을 특성이 곧 앰프의 음질을 대변하지는 않는다.

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배음은 일반적으로 2차 배음의 크기가 가장 크고 차수가 커질수록 소리의 크기가 작아진다. 즉 배음의 차수가 커질수록 전체적인 소리에 미치는 영향이 작아진다는 의미이다. 그러나 특정 차수의 배음이 더 커지는 경우도 있고 차수가 늘어나면서 자연적으로 소리의 크기가 작아지면서 10차 이상의 배음도 존재한다.

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악기에 따라서 배음의 형태는 악기에 따라 제 가각이며 색소폰과 같이 낮은 차수에 배음이 집증적을 배치되는 경우도 있고 현악기처럼 배음의 차수가 길게 유지되는 경우도 있으며, 팀파니나 킥드럼같이 배음의 구조가 불규칙한 경우도 있다. 고조파 왜곡(Harmonics Distortion)은 그 패턴이 조화롭게 배치되지 않고 특정 차수가 우세하게 만들어진다.

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고조파는 기음의 고조파도 생성되지만 배음에 대한 고조파도 발생한다. 그리고 이는 오디오 사운드에 전반적으로 영향을 미치기 때문에 배음은 최대한 살리고 고조파는 모두 제거하는 것이 가장 이상적이다. 그러나 지금까지의 기술로는 이러한 이상적인 회로는 존재하지 않는다. 배음과 고조파가 오디오의 음질에 미치는 영향에 대해서는 다음에 별도로 기술할 예정이다.

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