오디오와 음악 그리고 배음 (수정본)

한창원2018-03-28 17:35

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“오디오 스펙의 허상”을 연재하려 했으나 순서를 약간 변경하여 “배음(Harmonic Overtone)"에 대하여 먼저 설명합니다. T.H.D (전고조파 왜율), SN비, 주파수 대역(Frequency Range) 등 숫자로 표현된 오디오의 스펙들의 대부분을 미궁으로 빠트리는 것이 바로 “배음"이기 때문입니다.

 

위키피디아에서 설명한 배음을 보겠습니다.

 

배음 : 배음(倍音)은 하나의 음을 구성하는 여러 부분음들 중, 기본음(基本音)보다 높은 정수배의 진동수를 갖는 모든 상음(上音)들을 가리키는 말이다.

 

조금 난해한 설명입니다. 쉽게 풀어이야기하면 “모든 소리는 2차, 3차, 4차… 등의 정수배로 배음이 발생한다”로 이해하시면 됩니다. 모든 소리는 배음을 갖고 있으며, 사람의 목소리는 물론 모든 악기들도 고유 배음을 갖고 있습니다. 피아노를 예를 들면 피아노는 복합배음악기 입니다. 피아노 해머가 현을 때려 나오는 음을 기음(순음)이라 하고, 그 이후에 발생하는 음을 배음이라고 합니다. 아래 표를 보면 피아노의 낮은 도(C2)를 칠대 발생하는 배음들입니다.

 

 

 

“도" 건반을 하나만 쳐도 저렇게 많은 배음들이 발생하게 됩니다. 이렇게 배음은 음악에 있어서 가장 근본이며 매우 중요한 것입니다. 위의 표를 보면 높은 도와 낮은 도의 주파수는 정확하게 2의 배수가 됩니다. 즉, 한 옥타브의 폭은 정확하게 2의 배수라는 것입니다. 이 배음을 기본으로 하여 음계가 만들어진 것이며, “평균율" 이라 하여 5개의 반음을 합쳐 한 옥타브는 12음계를 갖게 된 것입니다. 이렇게 배음은 음악에 있어서 가장 근본이며 매우 중요한 것입니다.

 

 

악기마다 소리가 다르게 나오는 것은 배음 때문입니다

 

이 배음으로 우리가 들을 수 있는 “음색"이 만들어 집니다. 피아노와 바이올린 소리가 구분되는 것은 “배음"에 의해 만들어진 “음색(Timbre)”이기 때문입니다. 같은 피아노인데도 스타인웨이, 베젠도르프, 야마하의 배음 구조때문에 피아노의 음색이 미묘하게 다르게 들리는 것입니다.

 

아래 도표를 보겠습니다. 악기별 기음과 배음의 주파수 대역입니다.

 

 

 

검정색 부분이 악기의 기본음이고 노란색 부분이 배음 영역입니다. 배음영역이 짧은 수록 맑은 소리가 나오고, 배음이 많은 수록 풍부한 음색의 소리가 납니다. 저러한 악기별 기음과 배음의 조합으로 각 악기 고유의 음색이 나오게 되며 우리는 아름다운 화음의 음악을 듣게 되는 것입니다.

 

 

오디오 마다 다른 소리가 나오는 것도 배음 때문입니다

 

악기가 배음에 의해 다른 음색을 내주듯이, 오디오도 기기마다 천차만별의 소리를 내줍니다. 왜냐하면 악기만 배음을 내는 것이 아니라 오디오 기기들도 자체적으로 배음을 만들어내기 때문입니다. 진공관, TR의 증폭소자는 고유의 배음특성을 갖고 증폭을 합니다. 스피커도 유닛의 재질, 인클로저 구조에 따라 배음을 만들어 냅니다. 심지어 리스닝 룸도 배음을 만들어 냅니다.

 

이러한 배음이 음악과 오디오에 관여하는 부분은 매우 광범위하며 전부라 해도 과언이 아닙니다. 앰프의 배음 특성 때문에 진공관 앰프의 음색이 따뜻하게 들리는 것이며, TR앰프가 차갑게 들리는 이유입니다. 소위 브리티쉬 사운드라 하여 영국산 스피커들이 첼로 등 현악기의 음이 따뜻하고 푸근하게 나오게 만들어 내는 것도 스피커의 배음 특성이 가미되었기 때문입니다. 배음이 많다고 무조건 좋은 것은 아닙니다. 불필요한 과도한 배음은 오디오 음의 스피드를 떨어뜨리기도 합니다. 진공관 앰프가 스피드가 느리고, 배음이 적은 TR앰프의 스피드가 빠르게 들리는 이유이기도 합니다. 배음 정보가 살아있는 SN비 70dB에 불과한 LP가 SN비 110dB를 자랑하는 CD에 비해 더 자연스럽고 풍성한(Rich) 좋은 음질을 들려주는 것입니다.

 

기본적인 음색, 다이내믹스, 스피드, 주파수 대역, 사운드 스테이지 등 다양한 곳에 배음이 중요한 키포인트를 쥐고 있으며, "밝다, 어둡다, 빠르다, 느리다, 실키하다, 푸석하다, 날카롭다, 부드럽다, 답답하다, 개방감이 좋다, 세세하다, 뭉툭하다, 두텁다, 엷다, 에어리 하다, 밀폐되어 있다" 등등의 대부분의 악기나 오디오 음 평가용어들이 다 배음 때문에 변화하는 음 때문입니다.

 

 

배음의 추가와 삭제 그리고 왜곡

 

이 배음을 완벽하게 있는 그대로 재생해내는 오디오가 있다면 그것이 최고일 것입니다. 하지만, 아직까지 안타깝게도 그런 완벽한 오디오는 존재하지 않습니다. 배음은 매우 미세한 신호이기 때문입니다. 기타의 경우 기음을 1로 보았을 때 2차 배음은 약 1/81, 기음 대비 약 0.012%의 에너지를 가지며, 4차 배음은 1/625 (0.0016%)의 아주 미세한 에너지를 갖고 있다고 합니다. (배음의 물리학 참조 : http://fluorf.net/xe/my_words/3833)

 

이렇듯 배음은 오디오로 보면 아주 미세한 신호입니다. 이 미약한 신호는 에너지가 너무 작아서 쉽게 소멸되거나 왜곡되어 버립니다. 이 배음 에너지의 생존(?) 여부가 오디오에서 중요하며, 결국 좋은 오디오의 조건은 몇 차수의 배음까지 재생해내느냐 하는 능력일 것입니다. 그렇기 때문에 레코딩 과정, 기록장치의 정확도, 앰프의 증폭소자, 노이즈, 리스닝 룸 환경 등에 의해서 손실되고 왜곡되어 버리게 됩니다. 이 배음을 얼마나 손실이나 왜곡없이 재생해내느냐가 관건입니다.

 

 

 

배음의 왜곡, 추가, 삭제

 

 

이해를 돕기 위해 위의 그림을 그려보았습니다. 정상적인 배음은 오디오의 신호 증폭을 하며 위의 그림처럼 왜곡, 추가, 삭제가 될 수 있을 것입니다. 노이즈 등에 의해서 "배음의 왜곡"이 있을 수 있으며, CD나 mp3등 디지털 소스기기에서는 "배음이 삭제"된다는 것이 문제가 될 수 있으며, 앰프의 증폭, 스피커 등에서 원래 없던 "배음의 추가"가 일어날 수 있습니다. 모든 오디오 시스템에서는 저렇게 하나의 문제가 아닌 "왜곡", "추가", "삭제"가 복합적으로 일어난다고 보아도 무방할 것입니다.

 

 

오디오 시스템과 배음

 

그러면 오디오 시스템에서 배음이 문제가 되는 부분을 단계별로 짚어볼 수 있습니다. 크게 소스, 앰프, 스피커, 케이블 및 액세서리 그리고 리스닝 룸까지 배음은 계속 변화하며 모든 부분에서 문제가 될 수 있습니다. 앰프의 T.H.D가 0.01%라는 이야기는 0.01%보다 작은 신호의 배음정보는 왜곡된다는 것입니다. 이 부분은 오디오 스펙의 허상 - T.H.D 편에서 이야기 해보겠습니다. 스피커의 2차 배음이 원래 음악에 없던 풍부한 하모니를 만들어 내어 강력한 임팩트의 드럼소리를 느슨하게 만들어버릴 수 있습니다.

 

음원이 담겨져 있는 소스(LP, 테이프, CD, mp3등)는 레코딩시 기록된 배음 정보를 얼마나 정확하게 많은양의 정보를 갖고 있느냐가 관건일 것입니다. 물론 가장 많은 배음 정보를 그대로 간직하고 있는 것은 레코딩사의 마스터 테이프일 것이며, 일반 사람들이 접할 수 있는 매체 중에서는 LP가 가장 많은 배음정보를 갖고 있습니다.

 

소스기기의 역할은 소스에 있는 배음 정보를 있는 그대로 재생해내는 것이 관건 입니다. LP 플레이어, CD 플레이어, 네트워크 플레이어 모두 이러한 재생역할을 하면서 완벽한 정보를 모두 끌어내지는 못하며 왜곡과 생략을 만들어내고 있습니다. 그럼 여기서 CD와 네트워크 플레이어 그리고 노이즈로 인한 배음 정보의 삭제와 왜곡에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

CD, 네트워크 플레이어 노이즈 제거 유무 음질비교

 

우선 CD와 노이즈를 제거한 네트워크 플레이어의 음질을 비교해보도록 하겠습니다. 음질적으로 고주파 노이즈를 제거한 Network Player의 음질이 월등히 좋습니다. 음질의 차이를 글로 들려드릴 수는 없으므로, 그것을 스마트폰 어플을 이용아여 스펙트럼 그래프를 그려보았습니다. 정밀 녹음장비가 아닌 스마트폰으로 측정해보아도 확연히 다른 차이를 보여줍니다. 향후 정밀 측정장비를 동원하여 다시 한 번 오디오의 배음을 측정해볼 예정입니다.

 

 

 

CD와 네트워크 플레이어(노이즈 제거)의 음질 차이 스펙트럼 분석입니다.

CD쪽이 확실이 정보량이 부족한 것을 확인할 수 있습니다.

 

 

로시니 눈물의 도입부분을 녹음하여 측정한 것입니다. 위의 스펙트럼을 보면 확연히 CD의 정보가 부족함을 알 수 있습니다. 음질적으로도 CD가 배음정보가 없다는 것이 명확하게 구분됩니다. 스펙트럼으로도 CD는 노이즈를 제거한 Network Player에 비해 확실히 정보량이 적은 것이 확인되며, 기음부분의 데이터도 많이 다르지만, 배음부분의 정보가 현격하게 줄어듬을 알 수 있습니다. 상단의 푸른색 부분은 배음과 잔향 및 앰비언스가 있는 부분일 것입니다. 그 부분의 정보량의 차이도 많이 납니다. CD가 현장감이 떨어지는 이유입니다.

 

또 하나의 그래프를 비교해보도록 하겠습니다. 노이즈가 없는 Network Player(ROON)와 일반 Network Player(DLNA) 플레이어입니다. 음질적으로 일반 DLNA 방식의 Network Player는 나스 및 공유기(허브)에서 발생한 노이즈로 인하여 기음이 엷어지고 배음부분이 왜곡되어 매우 경질의 날카로운 소리가 나옵니다. 그 부분을 동일조건으로 측정해보았습니다.

 

 

 

Network Player의 노이즈 유무로 변하는 음의 스펙트럼 분석 데이터 입니다.

노이즈로 인해 배음영역대가 변하는 것을 확인하실 수 있습니다.

 

 

노이즈를 제거한 Network Player 보다 정보량이 많아보이지만 저부분은 실제 악기의 배음이 아니라 고주파 노이즈인 것이 음질로 확인됩니다. 특히 중.고음 부의 배음부분이 네트워크 플레이어에서는 유독 강한 음들이 있는데 저 부분이 노이즈로 인해 왜곡되는 부분이 아닐까 합니다. 그래서 네트워크 플레이어에서는 마이크로 다이내믹스가 잘 표현되지 않고, 그로인해 음악적 미세한 고저, 강약의 표현이 되지 않고 플랫하고 날카롭게 나오게 되는 것 같습니다.

 

 

CD Player의 생략, 네트워크 플레이어의 왜곡

 

확인해보면 16bit/44.1kHz의 포맷은 그리 큰 문제가 되지 않습니다. CD 트랜스포트 쪽의 문제가 더 확실해 보입니다. 같은 음원을 네트워크 플레이어 (하드디스크)로 재생하여 보면 확실히 해상력이나 배음정보가 많이 있습니다. 하지만 네트워크 플레이어는 컴퓨터 및 네트워크 장비의 고주파 노이즈로 인해 배음정보가 왜곡됨을 알 수 있습니다. 즉, CD는 배음정보를 생략해버리며, 네트워크 플레이어는 배음정보를 왜곡시켜버린다는 결론에 도달할 수 있습니다. 네트워크 상의 노이즈를 제거하면 배음정보 등이 사라지지 않고 정확한 신호가 들어오고 있다는 것을 음질로, 스펙트럼 그래프로 알 수 있습니다.

 

현재까지는 노이즈를 제거한 네트워크 플레이어가 디지털 소스 포맷으로는 가장 정확한 배음정보를 재생하여 주고, 가장 우수한 음질을 들려준다는 결론에 도달했습니다. 이것을 기준으로 비교하여 CD의 배음의 생략과 기존 네트워크 플레이어의 배음 왜곡을 알아낼 수 있었습니다.

 

 

리스닝 룸

 

리스닝 룸이나 녹음 장소도 매우 중요할 것입니다. 아래 BBC에서 방송한 다큐멘터리를 보면 중세에 세워진 성당을 보면, 음악의 기본 음정 그대로 계산되어 건축되었습니다. 신도석 가로 : 세로 기둥간격 = 2:1, 제단 : 신도석 = 8:5 (단6도) 등 3:2(완전5도), 4:3(완전4도), 5:4(단3도)의 음악적 음정 비율대로 성당을 건축했습니다. 아마 저 성당에서 듣는 합창은 정말로 아름다운 소리가 날 것입니다.

 

 

 

Netflix 사용자 분들은 "CODE"를 검색하시면 3부작으로 된 BBC 다큐멘터리를 감상하실 수 있습니다.

수학으로 음악의 원리를 설명하고 배음과 소음을 구분하는 등,  

이 세상의 모든 이치를 "수학"으로 풀어내는 매우 재미있고 유익한 프로그램입니다.

 

계속되는 배음의 변수

그 이외에도 오디오에서 배음은 여러가지 여건과 변수와의 전쟁이 됩니다. 스피커 우퍼의 역기전력이 트위터에 전달되면서 배음정보는 왜곡되거나 사라져 버릴 수도 있을 것입니다.  파워앰프 대용량 트랜스포머의 진동이 훨씬 작은 신호를 처리하는 프리앰프 회로에 전이되어 이 미세한 배음 정보를 왜곡시켜 버릴수 있습니다. 소스기기의 모터에서 발생한 노이즈, 컴퓨터 노이즈에 의해서 배음정보는 손실되고 왜곡되며, 음이 딱딱하고 거칠고 플랫해져버릴 수 있습니다.

 

좋은 음질을 내기 위해 다양한 오디오 튜닝을 합니다. 전기 노이즈를 제거하기 위해 차폐트랜스를 사용하고, 오디오랙과 앰프 받침대를 바꾸며, 케이블, 전원코드, 룸튜닝재, 스파이크 받침대 등으로 다양한 튜닝을 시도합니다. 무엇을 바꾸던간에 오디오의 소리는 변하게 됩니다. 사운드가 부드러워지거나, 투명해지거나, 중역이 두툼해지거나, 저역이 단단해지기도 하며 변화무쌍하게 변합니다. 이 역시 배음영역대의 부분이 변하기 때문입니다. 진동을 억제하여 흔들리던 고역이 바로잡히면서 기음도 변하지만 사라지거나 왜곡되었던 배음부가 제대로 나오면서 소리는 풍성해지고 자연스러워질 것입니다.

 

오디오의 스펙을 맹신하며, 제조사 등이 제시한 스펙이 좋은 오디오가 당연히 좋다고 믿는 것은 매우 위험한 발상입니다. 그렇다면 인간 가청주파수 대역 밖의 쓸데없는(?) 소리를 없애서 파일용량을 획기적으로 줄인 mp3로도 클래식 음악의 실연의 감동을 그대로 느낄 수 있어야 합니다. 하지만 mp3에는 클래식 음악의 배음 정보 대부분이 사라져 있습니다. 상대적으로 에너지가 큰 배음의 일부분만 들어 있을 뿐 무한대의 차수로 발생하는 배음정보는 거의 들어있지 않다고 보면 됩니다. 그러다보니 mp3로 듣는 클래식 음악은 단순하고 재미없는 음악이 되어버립니다.

 

 

배음, 잔향, 앰비언스 그리고 마이크로 다이내믹스

 

배음, 잔향, 앰비언스, 마이크로 다이내믹스 등은 음악에 존재하는 매우 중요한 요소이며, 특히 클래식 음악에서 음악적 뉘앙스를 살려주는 핵심입니다. 배음은 악기에서 발생하는 음이며, 잔향은 벽에서 반사되는 반사음이고, 앰비언스는 우리가 공연장에서 느낄 수 있는 분위기입니다.

 

위 요소의 공통점은 매우 작은 신호라는 것입니다. 하지만 다른 것이 있습니다. 배음은 연주시에 발생하는 소리라 레코딩시에만 녹음되는 소리라는 것이며, 잔향과 앰비언스는 믹싱, 마스터링에서 추가할 수 있다는 것이 차이라 할 수 있겠습니다. 심지어 앰비언스는 AV 프로세서에 있는 음장모드 등으로 추가하기도 합니다. 공연 라이브 영상(DVD, 블루레이)을 보면 CD보다 좀 더 울림이 있게 들립니다. 현장감을 더하기 위하여 리버브(잔향효과)와 앰비언스 효과를 추가했기 때문일 것입니다. 하지만 이는 실제 악기의 배음과는 관련이 없는 그저 딜레이 타임의 잔향효과를 가공한 것 뿐입니다.

 

이렇듯 배음은 하이파이 오디오와 음악에서 매우 중요한 요소이며 이 배음의 재생 여부가 오디오 사운드의 가장 중요하다 하겠습니다. 순수한 원음 재생을 목표로 하는 하이파이 오디오에서는 레코딩 현장에서 그대로 녹음된 음악의 소리와 배음, 잔향 등이 그대로 보존되고 재현되어야 합니다. 단순히 음색, 취향 만으로 오디오 음을 평가하는 것 보다, 배음의 원리와 역할을 알고 소멸이나 왜곡되지 않는, 있는 그대로의 배음 재생이 완성도 높은 사운드를 만들어낼 수 있는 키 팩터라 할 수 있겠습니다.