오디오 스펙의 허상 T.H.D (전고조파왜율) - 1편 / 전자공학과 음악

한창원2018-04-03 16:46

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개인적으로 오디오 스펙에서 가장 문제가 된다고 보는 스펙이 바로 전고조파왜율이라 번역되는 T.H.D(Total Harminic Distortion) 입니다. 네이버 지식백과에 있는 전고조파 왜율의 정의를 보겠습니다.

 

 

파퓰러음악용어사전 & 클래식음악용어사전

전고조파 왜율

[total harmonic distortion ratio, 全高調波歪率]

 

기기에 단일 주파수인 정현파(正弦波)를 입력했을 때, 출력 신호에 포함되는 고조파 성분의 레벨 합계와 출력 신호 레벨과의 비를 백분율로 나타낸 것을 말한다. 예를 들어 열 배의 이득을 가진 앰프에 1V(볼트)의 정현파 신호를 입력한 경우, 출력에는 10V의 정현파만 나오는 것이 이상적이지만 실제로는 앰프내부에서 발생하는 변형 등으로 입력 신호의 2배, 3배...의 주파수인 고조파 성분도 출력된다. 그래서 이들 고조파 성분의 레벨을 합해서 원래의 출력 신호 레벨(여기서는10V)과의 비를 퍼센트로 나타낸 것이 전고조파 왜율이다. 따라서 고조파 성분의 합계를 1V로 한다면 이 앰프의 전고조파 왜율은 1÷10×100=10(%)가 된다. 일반적으로 왜율이라고 하는 것은 대부분 이 전고조파 왜율을 말하는 것이며, 앰프 성능의 기준으로 사용된다.

 

요약을 하면 “앰프가 증폭을 하면서 고조파 성분이 생기는데, 그 성분비를 수치로 표현한 것이 T.H.D(Total Harmonic Distorton, 전고조파 왜율)이며 앰프 성능의 기준으로 사용된다” 입니다. 그래프로 표현하면 아래와 같습니다.

 

 

 

 

 

▴ THD를 주파수(X축)와 증폭도(Y축)으로 표시했을 때 

가장 먼저 나오는 2차배음이 높고 그 다음 순으로 점차 작아지는 형태를 띈다.

 

 

위의 그래프 처럼 앰프가 증폭을 하면서 기존 소리(입력신호)에 추가되는 것이 고조파(배음) 입니다. 

 

 

트랜지스터 앰프

 

발명가들에게 노벨 물리학상을 선사한 TR은 진공관의 스위칭과 증폭기능을 아주 작은 사이즈로 구현한 소자입니다. 더 발전하여 요즘의 반도체까지 왔습니다. 네이버 지식백과에 이있는 트랜지스터 앰프 설명을 보겠습니다.

 

 

파퓰러음악용어사전 & 클래식음악용어사전

트랜지스터 앰프

[transistor amplifier]

 

증폭 소자에 트랜지스터를 사용한 앰프. IC를 이용한 앰프도 IC의 알맹이는 트랜지스터이므로 결국은 트랜지스터 앰프이다. 이 모두를 가리켜 ‘솔리드 스테이트 앰프’라고 한다. 진공관 앰프에 비해 전원의 이용 효율이 높고, 작고 가벼우며 시간이 경과함에 따라 발생하는 변화에 의한 성능의 열화(劣化)가 적다는 것과, 대량 생산하기 때문에 가격을 낮출 수가 있는 것이 큰 특징이다.

 

전기적인 특성으로는 전류가 증폭하기 때문에 회로의 임피던스가 전체적으로 낮고 아웃풋 트랜스가 필요 없는 반면, 왜곡이 많고 성분에 홀수차 고주파를 다량으로 포함하고 있기 때문에 어떤 대책 없이는 오디오에는 사용하지 못한다는 단점도 있다. 그러나 회로 설계를 적절히 하고 구체적으로는 다량의 네거티브 피드백을 걸어서 실용적으로 충분한 왜곡 특성을 얻고 있다.

트랜지스터 앰프 [transistor amplifier] (파퓰러음악용어사전 & 클래식음악용어사전, 2002. 1. 28., 삼호뮤직)

 

위의 설명에 보면 “트랜지스터는 왜곡이 많고 성분에 홀수차 고주파를 다량으로 포함하고 있기 때문에 어떠한 대책 없이는 오디오에는 사용하지 못한다” 라고 정의하고 있습니다. TR을 개발할 때 오디오용으로 사용할 것을 위한 음악의 배음은 전혀 고려사항이 아니었을 것입니다. 만들어 놓고 보니 홀수차 고주파(3차 배음)가 발생하여 오디오에 적용하기 까다롭다 정도였을 것입니다. 

 

 

어떠한 대책

 

위의 트랜지스터 앰프의 어떠한 대책 중에 하나가 오디오에서 대부분 사용하고 있는 NFB(네거티브 피드백) 등의 회로입니다. 그럼 여기서 NFB가 뭔지 알아야 합니다.

 

 

기계공학용어사전

네거티브 피드백

[negative feedback]

 

출력의 일부를 입력측에 되돌렸을 때 최초의 입력 신호에 대하여 역위상(逆位相)으로 되어 있는 경우를 네거티브 피드백이라고 한다. 네거티브 피드백에 의해 출력을 안정시킬 수 있으므로 중폭기(增幅器)에서는 주파수 특성, 진폭 특성, 위상(位相) 특성을 개선하고자 할 때 적합하다.

네거티브 피드백 [negative feedback] (기계공학용어사전, 1995. 3. 1., 한국사전연구사)

 

즉, “앰프의 증폭에서 고조파 노이즈가 발생하여 이를 T.H.D로 표기하며, TR의 경우 오디오용으로 사용을 못하는 홀수차 고조파가 발생하므로 NFB등 별도의 대책이 필요하다.” 로 정의되어 집니다.

 

▴ 일반적인 네거티브 피드백 회로도

 

 

위의 그림처럼 NFB회로란 출력 쪽의 신호를 다시 입력 쪽에 넣어주어 고조파 노이즈를 제거해줍니다. NFB의 경우 진공관이든 TR 이든 증폭소자에서 발생하는 고조파 노이즈를 제거하는 용도 외에도 외부 간섭, 노이즈 등을 없애고 회로를 안정적으로 동작하게 하는 앰프에 있어서 거의 필수적인 회로라 할 수 있습니다. (NFB의 역할은 그것 말고도 많이 있지만 여기서는 그 설명을 생략합니다) 저렇게 NFB를 거치며 앰프에서 발생한 고조파 노이즈는 제거되게 됩니다. 

 

여기까지는 큰 문제가 없습니다. 우리가 일반적인 상식으로 알고 있는 내용입니다. 그래서 T.H.D가 낮은 앰프가 좋은 앰프라는 인식이 일반 대중들에게 각인되어 있습니다. 그럼 지금부터 위의 내용들이 어떤 오류를 갖고 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

 

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위의 전자공학적 정의는 음악과 악기의 배음 특성을 고려하고 있지 않습니다. 만일 오디오로 뉴스만 듣는다면 아무 문제가 없습니다. 하지만 오디오는 음악을 재생하는 기기입니다. 따라서, 음악의 관점에서 특히 어쿠스틱 악기로 연주되는 클래식 음악 등에서 T.H.D 스펙의 문제점을 짚어보도록 하겠습니다.

 

 

Harmonic (배음)과 Harmonic (고조파)

 

T.H.D (Total Harmonic Distortion)에서 주목해야될 단어가 있습니다. 바로 “Harmonic” 입니다. Harmonic 이란 단어는 음악에서는 "배음"이라는 뜻으로, 전기에서는 "고조파"라는 뜻도 있습니다. 지난번 배음을 이야기 할때 음악에서 2차 배음(짝수차 배음)은 화음이고 3차 배음(홀수차 배음)은 불협화음이라 했습니다. 

 

하지만 T.H.D에서는 그저 2차, 3차로 발생하는 "고조파"로 동일시 한다는 것이 문제입니다. 이는 메탄올과 에탄올이 있는데 그것을 무시하고 알콜 도수만 표기한 술과 같다는 극단적인 비유도 할 수 있습니다. 만일 T.H.D를 악기에 그대로 적용한다면 풍부한 배음을 내주는 스트라디 바이올린도 고조파가 발생하는 높은 T.H.D가 나올 뿐입니다.

 

 

 

바이올린의 배음

 

 

 

증폭소자의 고조파(배음) 성분 

 

악기마다 배음특성이 다르듯이 증폭 소자도 소자별로 추가되는 배음 성분이 다릅니다. 2차 배음(화음)이 주로 나오는 소자가 있고, 3차 배음이 주로 나오는 소자가 있습니다. 하지만 T.H.D에서는 그것을 규정하지 않고 있습니다. 그렇다면 증폭소자의 배음 성분이 왜 중요하고 2차 배음, 3차 배음이 왜 극단적으로 다른지를 다시 한 번 알아보겠습니다. 

 

 

 

 

피아니스트가 공연 중에 "도(C3)"를 치면서 실수로 한 옥타브 높은 "도(C4)"-2차 배음을 살짝 쳤습니다. 하지만 청중들은 눈치 채지 못할 것입니다. 하지만 실수로 한 옥타브 높은 "솔(G4)"-3차 배음을 쳤다면, 누구나 피아니스트의 실수를 알아채릴 것입니다. 2차 배음과 3차 배음의 차이는 그렇게 크다고 보시면 됩니다.

 

 

입력신호(원본)의 손상

 

출력소자의 고조파 왜곡을 없애기 위해 NFB 회로 등을 사용한다고 했습니다. 출력을 입력에 다시 넣어서 잘못(왜곡)된 고조파를 제거하여 깨끗한 신호를 만든다는 것입니다. 하지만 그 과정을 거치면서 원래 신호에 있던 음악의 배음(Harmonic) 등이 사라져버리게 되는 것입니다. 왜냐하면 전기적으로 같은 고조파 신호이기 때문에 NFB회로가 음악의 배음인지, 출력소자에서 발생한 고조파인지 구별할 방법이 없기 때문입니다. 

 

 

 

NFB를 거치며 손상되는 원음 정보

NFB를 거치며 원본신호의 정보는 손상되어 버립니다.

 

 

악기 배음의 중요성 계속 강조하고 있습니다. 그랜드 피아노는 상단의 향판(Soundboard) 등에 의해 배음을 조절하여 아름다운 음색을 만들어냅니다. 그러한 구조의 차이로 스타인웨이, 베젠도르프, 야마하 피아노의 음색이 달라지게 됩니다. 스트라디바리우스 바이올린은 300년이 훨씬 지난 지금에도 최고의 바이올린으로 평가받고 있으며, 현대의 최첨단 기술을 동원해도 그것을 능가하는 바이올린을 못만들고 있습니다. 스트라디바리우스 바이올린이 좋은 소리를 내는 비밀에 대해 나무, 그 당시 기후, 사용한 도료 등등 다양한 분석들이 나오고 있습니다.

 

 

 

 

과르네리는 남성적이고 굵은 소리가 나며, 스트라디바리우스는 여성적이고 섬세한 음색을 갖고 있다고 합니다. 왜 같은 바이올린인데 다 다른 소리가 날까요? 바로 배음 때문입니다. 이렇듯 악기의 배음은 매우 미묘하고 아주 예민한 부분이며, 마치 난공불락의 요새처럼 오디오 시스템이 왜곡없이 증폭해내기엔 매우 어려운 정보입니다.

 

 

 

오디오에서 이 악기의 배음은 너무도 쉽게 사라져버리거나 왜곡될 수 있으며, 그 주범중에 하나가 NFB회로라는 것입니다. 오디오에서 악기 고유의 배음이 왜곡되면 과르네리가 스트라디바리우스처럼 나올 수 있으며, 그랜드피아노가 업라이트 피아노처럼 나오게 되며, 심한경우 마치 바이올린의 울림통이 사라져버린 것같은 가늘고 쏘는 소리가  나와버리는 등 심각한 음색(Timbre)의 왜곡이 발생합니다.

 

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이 세 가지의 오류로 인해 T.H.D는 원음의 재생을 목표로 하는 앰프의 성능을 평가하는데 사용하기에는 의미가 없다는 것입니다. 그렇다면 "음악의 배음과 전기적 고조파는 다른 것이며 T.H.D의 수치보다 고조파의 성분이 더 중요하고 원본 신호에 들어있는 배음정보의 손상 유무가 더 중요하다." 라는 결론에 도달하게 됩니다.

 

 

2편 "T.H.D - 진공관과 TR의 왜곡"에 계속 됩니다.