앰프의 규격과 소리의 차이?

톤암을 알아보자

출처 : enjoyaudio 서마지기

 

 

앰프의 음질:

이상적인 앰프는 증폭되어 나가는 신호는 들어오는 신호와 모양이 꼭 같고 크기 비율은 증폭도와 정확히 같아야 합니다. 실제의 모든 앰프에서는 증폭되어 나가는 신호의 모양이 들어오는 신호의 모양과 달라지는 변형이 일어나며, 그 변형의 형태와 크기를 각종 distortion(찌그러짐)과 잡음으로 나누어서 표현합니다.

 

찌그러짐은 입력신호에 의한 출력신호의 변형을 의미하며, 주파수에 대한 게인의 변화(주파수특성), 비선형 특성에 의한 정현파의 찌그러짐(THD/(IMD)), 주파수에 따른 지연특성 등에 의한 위상변화(주파수 위상특성)가 있으며, 크고 빠른 신호에 대응 능력의 한계로 발생하는 TIM distortion이 있습니다. IMD는 THD과 같은 원인으로 발생하고 비례하기에 별도로 측정하지 않는 경우가 많습니다.

 

신호에 무관하게 출력되는, 신호에도 없는 출력신호를 잡음이라고 합니다. 잡음의 크기는 출력되는 잡음 전력에 대한 정규신호출력의 전력크기를 비율로 표시됩니다(SNR: signal to noise ratio). Hi-Fi 앰프라고 광고하려면 100mW 출력에서 SNR이 50dB이상 즉 신호가 없을 때의 잔류 잡음 전력이 10μW이하가 되어야 한다고 규정했었습니다.

 

이 들 찌그러짐율과 잡음은 저항 부하에서의 경우 외, 주파수에 따라 임피던스와 위상이 변하는 스피커부하에서는 임피던스의 변화와 위상의 변화에 영향을 받지 않는 조건이 또 필요합니다. 부하(스피커)임피던스에 의한 주파수 특성 변화는 댐핑팩터(출력 임피던스 관련)에 관련되며, 앰프와 스피커선을 포함한 총 댐핑팩터가 20이하이면, 대부분의 스피커의 임피던스 변화에서의 주파수 특성 변화가 사람의 인지범위를 넘지 않아서, 앰프에서는 적어도 댐핑팩터가 40은 넘어야 합니다.

부하의 위상변화에 대한 과도특성을 억제를 위해, 위상 보상으로 gain margin 과 phase margin의 확보해야 하고 부하위상 보상회로가 필요합니다.

 

 

사람이 듣는 두 앰프간의 소리가 다르다면, 이 두 앰프 중에 하나 아니면 모두가 찌그러짐과 잡음에 의한 신호 변형이 사람의 인지 한계 범위 이상으로 일어났다는 것이 됩니다. 사람이 인지하는 수준 이하의 변형이 일어난다면 소리의 차이를 알 수 없겠죠.

앰프에 입력되는 신호에서 변형된 정도가 사람의 인지 범위내에 있느냐로 음질의 차이가 나느냐로 판단 할 수 있습니다.

 

 

신호의 변형에 대한 사람의 인지 범위

음악 신호에서의 주파수 특성이, 1kHz 기준으로 40Hz에서 +2.5/-4dB, 80Hz에서 +2/-3dB, 200Hz에서 +-1.5dB, 4kHz에서 +1.5/-2.5dB, 8khz에서 +2/-4dB, 20kH에서 +2.5/-5dB이내 이면 그 변형을 알지 못한다고 합니다. (NHK의 자료에서). 이 이유로 Hi-Fi 앰프의 주파수 특성을 최소한 40Hz~16kHz에서 +-1.5dB이내(EQ가 있는 입력에서는 +-2dB이내)에 들어가야 하는 것으로 규정했었습니다(톤 콘트롤이 있으면 이 수준으로 조절 가능 해야 함).

 

1980년 이후의 정상적인 component 형 반도체 앰프라면, 톤 콘트롤을 거치지 않으면 최소한 20Hz~20kHz까지 +-0.5dB 정도의 특성은 가져서, 인지 한계보다 월등하게 작습니다.

 

THD이 1% 이하에서 5%의 사람이 인지하고, 0.5% 이하에서는 거의 인지 못한다고 합니다. (NHK자료에서). 이 이유로 앰프의 출력을 1% THD를 기준으로 출력전력을 규정하고, LP의 규격이 최적 상태에서 0.5% THD 을 목표로 정해집니다.

 

1980년 이후의 정상적인 component 형 반도체 앰프라면, 20Hz~20kHz에서 1/2 정규출력 이하에서 0.25% 이하의 THD을 가져서, 충분한 여유로 사람의 인지 범위보다 작습니다.

 

 

사람의 청각은 위상 정보에 대한 인지 능력은 전혀 없고, 두 귀에 들어오는 소리의 크기차이(음악신호에서 0.5dB 이상의 차이)와 시간차이(10μS이상의 시간)로만 방향을 인식한다고 합니다(여러 관련 논문을 종합). 스테레오 양 채널에서 가청 주파수내에서는 주파수에 따라 변동이 일어나지 않거나 동일한 위상 변화가 일어나면 인지를 할 수 없다는 이야기입니다.

이 조건 등등을 사람의 신체 모양 등등으로 소리방향으로 해석하면, 가정 정밀한 정면 중앙에서 5도 정도의 절대 수평해상도를 가지며, 1도 정도 수평이동을 감지할 수 있다고 합니다(관련 논문 종합). 이러한 이유에서 Hi-Fi급 LP 재생기의 좌우 분리도를 20dB(수평 5.7도 정도의 분해능)이상으로 정했습니다.

이 감지 능력이면, 머리를 좌우로 1도만 돌려도, 3.4mm만 움직여도 소리의 변화를 알 수 있고, 방에서 다른 사람이 약간 움직이는 것을 소리차이로 알 수 있다는 것입니다. 장소와 스피커의 위치가 오디오 기기의 어떤 것에 보다 중요하다는 이야기 입니다.

 

1980년 이후의 정상적인 component 형 반도체 앰프라면, 20Hz~20kHz에서 분리도가 60dB이상이고 주파수 특성이 +-0.5dB이하라, cross talk이나 주파수 특성에 의한 위상변화의 영향은 사람의 인지 범위에 비해 무시할 정도의 수치입니다.

 

 

Slewing Rate는 출력 신호의 변화 속도의 제한 수치로, 강한 고음이 들어올 때 이 수치를 넘기면, 파형을 따라가지 못하여 신호 변형과 불안한 과도 현상을 일으키는 현상이 일어납니다.

한 핀랜드 사람이 당시에 일부 트랜지스터 앰프의 규격은 좋으나 소리가 문제가 있는 것이 slewing Rate가 원인이라고 밝히고 TIM distortion을 정의한 후에 앰프의 중요 규격이 된 것입니다.

 

앰프에서 최소 필요한 Slewing Rate는 6.28*(사용 최대 신호 주파수)*(공급 전압)으로 주어집니다. 공급 전압이 +-40V인 50W앰프에서 20kHz가 최대 사용 주파수라면, 5024000V/S 즉 5V/μS가 되겠죠. 이 앰프가 100kHz까지 재생한다고 주장한다면 Slewing Rate는 25V/μS이상이 되어야하고, 가청 주파수에서만 사용한다고 해도, 입력단에서 Slewing Rate에 걸리지 않는 장치를 만들고 해야 하기에 이 값의 3배정도인 최소 15V/μS 정도는 되어야 합니다.

 

1980년 이후의 정상적인 component 형 반도체 앰프라면, slewing rate가 20kHz용으로 충분한 수준으로 만들어 집니다. (20~20kHz에서 최대 출력시 1% THD이하를 보장하는 앰프들).

 

 

1980년 이후의 정상적인 component 형 반도체 앰프라면, 댐핑팩터가 40이상이고, 스피커 부하에서 과도 특성이 나오지 않게 설계되어, 대부분의 스피커에서 음질 변화는 사람의 인지 범위를 넘지 않습니다.

 

 

잡음의 크기는, 효율이 높은 스피커에서 조용한 곳에서도 잡음 소리가 들리지 않은 정도가 되어야 합니다. 조용한 도서관의 잡음 수준이 30dB SPL정도이니, 93dB/Wm의 효율을 가진 스피커에서 30dB SPL 잡음은 -63dBW의 잡음 크기로, 100W (20dBW) 앰프에서 적어도 83dB의 SNR이 필요합니다.

 

1980년 이후의 정상적인 component 형 반도체 앰프라면, 90dB 이상의 SNR 특성을 가져서(phono 입력은 제외) 라인 입력에서는 대부분의 스피커에서 잡음을 못 느끼는 수준으로 만들어졌습니다.

 

 

Hi-Fi의 정의

고충실도니, 고성능이니, 고해상도니, High end니 하면서 오디오 기기에 대해 여러 생산 판매자들의 광고선전이 난무하자, 각국에서 과대광고의 규제가 필요해지고, 이 규제가 국제적인 무역 규제로 작용할 것을 방지하기 위해, 각국에서 Hi-Fi등등을 정의하고 테스트를 해야 하는 항목과 표준 측정방법을 법적으로 규제하고, 국제 기구를 통해 세계적인 표준화를 했습니다. 그 중 유명한 것이 미국의 IHF와 독일의 DIN과 국제기구인 IEC의 규격입니다.

 

대부분이 소비자가 쉽고 정확하게 성능을 비교할 수 있게, 필수공개 항목을 표준화된 방법으로 측정된 성능을 수치로 공개해야 하고, 더 좋다고 자랑하기 위해 자발적으로 공개하는 규격도 대부분을 미리 정의하고 측정법을 통일하여 수치로만 나타나게 하는 법률적인 규정입니다.

 

이 중 DIN과 IEC의 일부 규격에서는 고충실도라고 선전광고를 하려면 이 적어도 이 정도는 되어야 한다는 내용이 법률규정에 포함되었거나 별도로 규정하고 있습니다. 우리나라도 IEC가입국가로 국가표준으로 운영되었죠.

 

음원의 공급이 LP와 테이프에서 CD로 넘어가고, 모든 시장 제품이 성능이 월등한 반도체 앰프로 변한 후에는 측정방법 정도 외는 규격이 철폐되었습니다. 그러나, 아직도 대부분의 회사에서는 그 규격대로 측정하여 앰프의 성능을 발표하고 있습니다.

 

어떻게 해서 음질을 개선했다고 하면서 음질에 관련된 항목으로 개선된 것을 수치로 제공하지 못한 것들은 대부분 사기입니다. 언제나 개선된 것을 수치로 나타내어야 합니다. 그렇지 못한 것은 속이는 수준으로 평가하면 100% 정확합니다.

어떻게 해서 뭐가 뭐가 개선되었다느니 하며 글로 때우는 것이나, 직접적으로 음질에 관련 되지 않는 뭔가를 얼마 개선했다는 것은, 대부분 한강에 각설탕 하나 넣었으니 한강이 설탕물이 되었다고 선전하는 수준으로 보면 100% 정확합니다.

자신들은 법적으로 책임을 지지 않으면서, 그 들의 지원을 받는 잡지와 사람들을 통해 나머지를 속이려는 짓거리죠.

 

 

앰프의 음질차이

앰프의 음질차이는 앰프들의 신호 변형이 사람의 청각(사람 귀의 크기와 모양과 구조를 가진 귀를 사용하는)에서의 위의 인지한계보다 작으면, 인지를 할 수 없다고 봐도 됩니다.

귀 모양과 크기에서 예외도 있을 수 있으나, 변형이 충분히 여유를 준 값 이내 에서만 발생한다면, 아무도 소리만으로는 앰프를 구분하지 못할 것입니다.

 

정상적으로 컴포넌트형으로 만들어진 1980년 이후 앰프는 대부분이 이 성능 기준을 훨씬 초과하는 수준입니다. 이들 앰프들의 평균치를 기준하여 그 이상은 앰프의 소리를 구분할 수 없는 정상적인 앰프라고 볼 수 있겠죠. 억지로 나쁘게 만들려고 노력했거나 기술이 모자라는 회사 제품이 아니면 성능이 이보다 나빠질 이유가 없습니다.

 

3대의 각각 다른 앰프에서 2대의 소리는 같고 유독 한대가 다른 2대의 소리와 다르다면 상식적으로 어떻게 판단하겠습니까?

‘다른 하나가 잘 못 된 것이다?’ 또는 ‘다른 하나가 완전히 우수하다?’ 어떤 것이 상식적인 판단일까요?

공학에서는 다수결과가 신뢰성이 훨씬 높은 것으로 봅니다. (항공기, 우주선, 표준시간 등등등 안전과 정밀을 요구하는 것은 거의 모두가 3개 이상의 동일한 것을 비교하여 다수결의 결과로 판단함)

 

 

의견이 있으시거나 질문이 있으시면 댓글 부탁합니다. 여기는 자유토론방이니.......

 

 

 

참고: Hi-Fi 앰프에서 측정해서 수치로 공개해야 했던 항목 (미국 IHF/EIA/CEA 2008 규격에서).

 

7.1 Primary Rating and Disclosure

For power amplifiers, integrated amplifiers, tuner/receivers (or such section), the primary ratings shall be:

a) Power Output (see 5.1)

b) Frequency Response (see 5.13.1)

c) Input Impedance (see 5.9.2)

d) THD (see 5.4)

The primary rating should be disclosed in the format indicated in the following examples:

a) Monaural

Single Channel:120 Watts RMS at 8 ohms, 1 kHz, and 1% THD

b) Stereo

Two channels: 100 Watts RMS per channel at 8 ohms, 1 kHz, and 1% THD

c) Multi--Channel

i) Equal Power for All Channels (Example: Five channels)

Five channels: 125 watts RMS per channel at 8 ohms, 1 kHz, and 1% THD

ii) Unequal Power Among All Channels (Example: Five channels)

Five channels: 80 Watts RMS per Front channel (L, C,R), 40 Watts RMS per Rear channel

(L,R)— at 8 ohms, 1 kHz, and 1% THD

In each instance, the following information should be included with the primary rating disclosure: at 8

ohms, 1 kHz, and 1% THD.

 

7.2 Secondary Ratings and Disclosures

In addition to primary ratings, ratings associated with other frequency bandwidths, impedance levels,

THD+N levels and other measurement characteristics may be disclosed, as applicable, such as: 21 CEA-490-A-R2008

 

a) Dynamic Headroom (see 5.2.3)

b) Clipping Headroom (see 5.3)

c) Sensitivity (see 5.7)

d) Output Impedance (see 5.10.5)

e) Wideband Damping Factor (see 5.11.1)

f) Low Frequency Damping Factor (see 5.11.2)

g) A-weighted Signal-To-Noise Ratio (see 5.12.2)

h) ITU-R/ARM Signal-To-Noise Ratio (see 5.12.3)

i) Tone-Control Response (see 5.13.2.1)

j) Filter Cutoff Frequency (see 5.13.2.3)

k) Filter Slope (see 5.13.2.4)

l) Crosstalk (see 5.14.1)

m) A-weighted Crosstalk (see 5.14.2)

n) ITU-R/ARM Crosstalk (see 4.9.9)

o) SMPTE Intermodulation Distortion (see 5.15.3)

p) Dual Tone Intermodulation Distortion (see 5.16.3)

q) Transient-Overload Recovery Time (see 5.17.2)

r) Slew Factor (see 5.18.2)

s) Reactive Load (see 5.19.3)

t) Capacitive Load (see 5.20)

u) Separation (see 6.2.1)

v) Difference of Frequency Response (see 6.3.3)

w) Gain-Tracking Error (see 6.4.3)

x) Tone-Control Tracking Error (see 6.5.3)

The format of secondary and other disclosures shall be at the manufacturer’s discretion.

 

미국 CTA에서는 Dynamic Power, Power Bandwidth, SNR, Sensitivity 도 최소 공개 규격(Primary Rating)에 포함하고 있습니다.