LP재생기 턴테이블에 관련된 기술 이야기 (4) 턴테이블의 톤암 이야기

톤암을 알아보자

출처 : enjoyaudio 서마지기

오디오 토론 게시판 - LP재생기 턴테이블에 관련된 기술 이야기 (4) 턴테이블의 톤암 이야기

 

톤암은?

톤암은 카트리지를 레코드 판 어떤 부분에서도 정상적으로 동작하게 이동할 수 있도록 하는 기구 부품입니다.

 

톤암에 카트리지의 바늘이 레코드 판 그루브에 접선을 최대한 유지하게(수평 트래킹 각도) 카트리지를 조립할 수 있어야 합니다. 또한 바늘의 수직각도(VTA와 tip raking angle, Azimuth angle)에 맞출 수 있어야 하며, 바늘 팁이 튀지 않고 정상 동작을 하게 일정 침압을 가해줄 수 있어야 하고, 침압에 의한 쏠림을 제거하기 위해 inside force 를 보상 해줄 수 있어야 하고, 레코드 판의 굴곡 등의 영향으로 발생하는 잡음(rumble)을 신호로 받아 들이지 않게 카트리지와 매칭이 되어야 하고, 톤암의 움직임이 저항이 없고 부드러워 톤암의 움직임이 소리에나 바늘 팁에나 판에 영향을 주지 않아야 합니다.

 

초기 전축은 카트리지가 고정된 뱀대가리 모양으로 만들어진 헤드를 가진 unipivot 톤암이 대부분이었으나, 자석식 카트리지의 시대가 되자 카트리지를 바꿀 수 있는 여러 톤암들이 만들어집니다. 가장 이상적인 톤암은 재생하는 소리골의 접선 위에 톤암의 축을 이동시키면서 언제나 접선과의 각도를 최소로 유지시키는 tangential tonearm 또는 linear tracking tonearm으로 불리는 것이나, 톤암베이스가 이동하는 진동 문제, 카트리지 호환 문제 등등으로 많이는 사용되지 않습니다. 크게 좋은 점도 없습니다. 주로 사용되는 것이 톤암을 고정된 한 축에서 움직이며, overhang 길이와 offset 각도로 레코드 판의 두 위치에서는 정확히 접선으로 재생하고 나머지 위치에서는 오차를 수준 이하로 유지하는 radial 형 톤암입니다. 이 정도로 충분하다는 것입니다.

 

톤암이 재생음에 줄 수 있는 영향은 카트리지의 compliance와 톤암의 무게로 결정되는 공진으로 저역 재생의 한계와 20Hz이하의 주파수 특성이 결정되고, 공진의 댐핑에 따라 40Hz이하의 특성이 결정되고, 톤암에 따라 200Hz전후의 약한 톤암 자체 공진이 음질에 영향을 줄 수 있고, 톤암의 움직임이 부자유스러우면 심하게 휜 판에서 이상동작을 할 수 있는 정도입니다. 톤암과 카트리지에 의한 저역 공진은 10Hz에 맞추어 럼블과 과도한 피크의 영향을 줄여주어야 하고(카트리지와의 매칭, 일부 톤암에서는 오일 댐퍼로 억제하는 기능이 있고, 일부 카트리지에서는 brush로 댐핑을 시키기도 합니다), 움직임이 둔한 톤암이나 공진이 심한 톤암(가늘고 긴)은 피하는 것이 좋습니다.

 

턴테이블에서 카트리지 다음으로 중요한 역할을 하여, 모양과 방식이 다양하고 다수의 턴에서는 톤암도 교환 가능하게 만들어 지기도 했습니다. 그러나 어느 정도 급 턴이라면, 원래 달린 톤암이 가장 좋은 것이라고 봐도 틀리지 않습니다. 대부분의 경우 비싸고 좋다는 톤암으로 바꾸어 봐야 좋아지지 않습니다.

 

카트리지의 저음 특성과 카트리지와 매칭

카트리지가 톤암에 정상적으로 조립되어 레코드 판 위에서 재생할 때, 공진 주파수보다 충분히 낮은 주파수의 바늘 팁의 진동에 대해서는, 톤암 전체의 등가 무게로 주어지는 기계적 임피던스가 카트리지의 바늘을 잡아주는 compliance에 의한 기계적 임피던스보다 작아서, 카트리지의 바늘 stylus를 움직이지 못하고 임피던스가 낮은 톤암 전체를 움직이게 합니다. 따라서 공진 주파수 보다 충분히 낮은 주파수에 대해서는 카트리지가 전기 신호를 만들지 못합니다. 이 현상을 이용하여 디스크의 편심과 휨 등의 럼블을 막게 됩니다.

 

팁의 진동 주파수가 올라가면 톤암 무게에 의한 기계적 임피던스는 증가되고 바늘을 잡아주는compliance에 의한 기계적 임피던스는 감소되면서 조금씩 compliance로 잡고 있는 바늘이 움직이면서 신호가 나타나기 시작합니다. 진동 주파수가 더 올라가, 두 성분의 기계적 임피던스 절대치가 같아지는 공진주파수에서 큰 피크를 가지는 특성을 나타냅니다. 공진주파수 이상의 주파수에서 바늘을 지지하는 compliance에 의한 임피던스가 훨씬 작아져서, 톤암의 헤드가 고정되고 바늘 팁의 진동이 모두 바늘의 cantilever의 진동으로 전달되어 정상적으로 신호를 잡아냅니다.

 

즉 카트리지의 저역재생 한계는 톤암의 등가 무게와 카트리지 바늘을 지탱하는 compliance에의한 공진 주파수와 공진을 억제하는 댐퍼 특성에 의해 카트리지의 저음 특성이 결정됩니다. 이 공진 주파수 부근에서는 강한 피크가 발생하기에, 공진 주파수를 럼블 잡음이나 재생 신호가 없는 대역에 맞추어 주는 것이 중요합니다. 이를 톤암과 카트리지의 매칭이라고 합니다. 공진 피크를 잡기 위해 톤암에 오일 댐퍼를 갖춘 톤암도 있고 카트리지에 brush를 달기도 하나, 매칭을 시켜 주는 것이 중요합니다.

 

대부분의 LP판은 0.5~6Hz의 럼블잡음(판의 휨, 편심, 플래터의 진동 등등)을 가지고 있고, 음악신호는 20Hz이상부터 존재합니다. 럼블 신호를 억제하고 저음에서의 과도한 공진 피크를 억제하기 위해서는, 공진 주파수를 그 중간 정도인 10Hz에 맞추어 주어야 합니다. 공진주파수는 톤암의 등가 무게와 카트리지 바늘의 compliance의 곱의 제곱근의 역수에 비례합니다. 무거운 톤암에 compliance가 큰 카트리지(대부분 경침압)를 달아서 공진주파수가 10Hz보다 작아지면 큰 럼블 잡음에 의해 우퍼가 심하게 흔들거리며, 반대의 경우에는 과도한 웅웅거리는 저음이 나와 하울링이 일어나기 쉬워집니다.

 

일반적으로 침압이 큰 카트리지가 compliance가 작아서 무거운 톤암에 맞고, 침압이 작은 카트리지는 가벼운 톤암이 맞습니다.

 

톤암의 종류

포노 카트리지는 1/2인치 방식과 T4P mount 방식의 두 가지 다른 고정하는 방법에 대응하여 각각 만들어집니다. 

 

P-mount 또는 T4P mount로 불리는 방식은 암의 코넥터에 카트리지를 꼽고 스크류 하나로 고정하면 더 이상 조정할 것이 없는 형태이나, 카트리지의 종류는 많지 않고, 구하기도 쉽지 않을 것입니다.

 

표준 1/2인치 방식 카트리지는 1/2인치 거리의 2개의 M2.5 스크류 고정부로 고정할 수 있게 만든 카트리지로, T4P용이 아닌 대부분의 톤암에 사용 가능합니다. T4P카트리지를 ½인치에 고정시키는 어답터가 있으나, 높이가 달라져 VTA가 틀어지기에 사용을 피하는 것이 좋습니다.

 

톤암에는 카트리지가 고정되어 교환이 안되는 형과 카트리지를 교환할 수 있는 형이 있습니다. 표준 1/2인치 카트리지를 사용하는 톤암에서도, 카트리지를 고정하는 부분(헤드쉘 부분)이 분리가 안되는 톤암과 그 회사에서만 사용하는 독자적인 헤드쉘만 사용해야 하는 톤암과 Universal 헤드쉘을 사용하는 톤암이 있습니다. Universal 헤드쉘이라는 것은, Ortofon사와 SME사가 공동으로 개발된 헤드쉘방식으로, 이 방식의 헤드쉘을 사용하는 톤암이 사용하기 편리합니다.

 

톤암의 길이는 유효길이(톤암의 회전축에서 바늘 팁까지 거리)로 나타내며, 유효 길이가 8인치에서 12인치까지 여러 종류가 있으나, 30cm LP판에서는 9~10(228~254mm)인치가 적당합니다. 유효길이가 길면 radial 암의 수평 트래킹 오차를 줄여서 찌그러짐율을 줄일 수 있으나, 무게가 증가하고 톤암 파이프 자체의 공진이 더 강하게 일어납니다. 9인치 보다 더 길어져도 트래킹 오차가 크게는 개선되지 않습니다. 9인치 보다 더 긴 톤암은 거의 존재하지 않는 16인치의 디스크용으로 만들어진 것으로 보입니다. 암의 길이보다는 얼마나 정확히 카트리지의 자세를 잡아 주었느냐가 더 중요합니다.

 

Radial 형 톤암에서도 암의 모양에 따라 직선형, J형, S형으로 나누어 집니다. 직선형은 가장 가볍게 만들 수 있는 형태이나, universal 헤드쉘을 사용할 수 없고, 직접 카트리지를 조립하는 형태이거나 별도의 헤드쉘을 사용하는 형태로 만들어집니다. offset 각도가 없는 직선형은 DJ용이니 피해야 합니다. 

 

J형은 직선형에 universal 헤드쉘을 붙이기 위해, 헤드쉘이 결합하는 부분을 offset 각도로 휘어서 J자 모양이 된 톤암입니다. 톤암의 좌우 무게의 발란스가 틀어지는 단점이 있어서 좌우 발란스를 맞추어 주는 추를 달기도 합니다. 

 

S형 톤암은 비슷하게 보이지만 두가지 종류가 있습니다. 하나는 카트리지 침압에 무관하게 톤암의 좌우 무게 발란스를 잡기 위해 J형에서 카트리지의 위치를 뒤로 옮기면서 S자 모양이 된 톤암이고, 또 다른 하나는 바늘 팁의 위치를 수평지지 베어링의 중심선에 일치시켜 수직 움직임에는 수평지지 베어링으로만 작동하는 톤암입니다. 좌우 무게 발란스를 잡는 모양의 S형 암은 수직 움직임 축에 offset각도를 두어서 LP디스크의 표면이 휘어져 카트리지가 상하로 흔들릴 때에 카트리지의 좌우 azimuth가 틀어지지 않게 만들 수가 있습니다. 바늘팁을 수평지지 베어링의 중심선에 일치시키는 형은, 톤암이 상하로 흔들릴 때 수평지지 베어링만 움직여서 knife edge 형 톤암에 유리하나, 좌우 무게 중심이 맞지 않고 상하 흔들림 이 azimuth각도에 영향을 줍니다. 두 가지형의 S 형의 톤암은 어떤 것을 중요시하느냐에 따라 둘 중하나를 사용하는 것으로 보입니다. Knife edge 톤암에서도, 상하 운동에 수직 수평 베어링 모두가 움직여야 하는 형태를 사용하기도 합니다. S 형 톤암의 단점은 더 긴 암이 되어 무게가 조금 무겁고, 생산 투자(금형 투자 및 열처리 등)가 더 들어간다는 점입니다.

 

톤암을 지지하고 움직임에 영향을 작게 하기 위한 톤암의 지지하는 형태에 따라, unipivot 형, knife edge 형, gimbal 형 등으로 나누어 집니다.  Unipivot 형은 톤암의 움직임 축에서의 저항을 없애기 위해 하나의 송곳 같은 지지대에 톤암을 고정시킨 형태로, 초기 고급 전축 업체에서의 많은 광고로 좋은 것으로 과장되게 알려진 방식입니다. 톤암의 좌우 발란스를 맞추어 주기 위해서 무거운 추를 달아 주어야 하는 등등으로 가벼운 톤암을 요구하는 현대 시스템에는 맞지 않는 방식입니다. 무거운 추로도 해결이 되지 않아서 연결선 등의 에어쇼로 좌우의 높이를 억지로 지켜주는 짓으로 움직임을 방해하는 구조로 만든 것들은 피하는 것이 좋습니다.

 

Knife edge형은 칼날과 같은 것에 암의 수직 움직임 축을 올려 놓은 형태로, 이론적으로는 unipivot 수준의 저항이 없는 상하 움직임을 할 수 있으나 수평 움직임은 베어링에 의존해야 합니다. 수직 트래킹 각도가 틀어지는 것을 방지하기 위해 수직 움직임 축에 offset각을 둘 경우(S암 설명 참조)에는 knife edge의 장점이 없어집니다.

 

gimbal형은 수직과 수평 움직임 축에 가는 송곳 끝과 베어링이나 보석 등으로 만든 지지 점을 이용한 방법으로 가장 진보된 방식입니다. 수직 움직임이 azimuth에 영향을 주지 않게 수직 움직임 축을 offset각을 주었을 때도 문제가 발생하지 않습니다.

 

어떤 톤암 지지방식이 좋느냐는 억지 판단 보다는, 톤암이 움직이기 의해 필요한 실제 힘 크기가 성능의 전부입니다. 테스트하는 방법은 톤암을 수평으로 놓고 복사지 1cm*1cm의 조각들을 헤드쉘 위에 살짝 놓았을 때, 몇 개로 얼마나 아래로 움직이느냐로 판단할 수 있습니다. 눈금 확대기가 있으면 편리하겠죠. 복사지의 1cm*1cm의 무게는 대략 0.008g 전후로 고급 톤압은 그 정도 무게에서도 움직여야 합니다. 적어도 그 2배 무게(0.016g)에서는 움직여야 합니다.

 

내부 배선

톤암의 내부 배선은 톤암의 움직임에 거의 영향을 주지 않아야 하고, 부유 커패시턴스가 아주 작아야 합니다. 그래서 아주 가는 쉴드선이나 아주 가는 동선을 사용합니다. 일반적인 쉴드선을 사용하면 굽히거나 비트는데 필요한 힘이 커서 톤암의 움직임에 영향을 주고, 카트리지의 부하 커패시턴스를 증가시킵니다. 대부분의 톤암을 금속으로 만드는 이유가 내부 배선을 쉴드선을 사용하지 않고 톤암의 튜브를 쉴드로 사용하기 위해서 입니다. 그런 이유로 대부분의 턴테이블을 따로 그라운드선을 연결하게 만들어지는 것입니다.

 

침압기구

카트리지에 적절한 침압을 가하는 방법에 따라 Static balance형과 dynamic balance형이 있습니다. Static balance형은 막대저울의 원리를 이용해 추의 무게로 발란스를 잡고 침압을 가해주는 방식으로 간단하고 정확합니다. Dynamic balance형은 스프링의 힘으로 침압을 가해주는 방식으로, 발란스는 추로 잡고 침압만 스프링으로 잡는 방식도 많이 사용하고 있습니다. 명칭이 spring tracking force라는 것이 더 정확히 맞겠죠. 톤암의 등가 무게가 침압의 크기에 무관하다는 것이 장점이라고 하나 거의 무의미합니다. 일부 스프링형은 침압 눈금이 정확하지 않아서 침압계가 있어야 정확한 침압을 가해 줄 수 있습니다.

 

Inside Force Canceller

트래킹 오차를 줄이기 위해 카트리지를 offset각도로 설치하면서, 바늘 팁과 레코드 판 사이에 일어나는 마찰력이 offset 각도에 의해 안쪽으로 당기는 힘이 발생합니다. 이 힘을 inside force 라고 합니다. 일반적으로 마찰력이 침압의 30%정도로 일어난다고 하며, offset 각도를 20도 정도를 많이 사용하기에, 침압의 약10%에 달하는 힘으로 바늘팁을 안쪽으로 밀어 넣는 힘이 발생합니다. 이 힘이 카트리지를 미끄러지게 하고 소리골의 한쪽을 더 마모시키고, 바늘의 수직 각도를 틀어버리는 힘으로 작용합니다. 이 힘을 중화시키는 기능을 anti-skidding 또는 inside force canceller라고 합니다.

 

실제로는, 마찰력은 녹음된 상태에 따라 차이가 나며, 바늘팁의 모양에 따라 접촉 면적이 달라져 차이가 납니다. 원뿔형 팁에서 침압의 15~60%정도도 발생한다고 하고, 타원형 5*18미크론 타원형 팁의 경우 표준 원추형 팁에 비해 40% 정도 더 크고, 선접촉형은 원추형의 40%에서 절반 정도까지 작다고 합니다. 대부분의 톤암에는 inside force canceller를 원추형 팁에 맞춘 눈금의 칩압과 같은 숫자에 맞추어 주게 만들어 집니다. 타원형 팁은 침압숫자보다 30~40%더 더해주고, 선 접촉형은 침압의 숫자의 30% 정도로 낮추어 주는 것이 좋습니다. Inside force가 기록된 상태에 따라 크게 달라지기에, 정확히 맞춘다기 보다는 대충 맞추어 준다는 생각을 하는 것이 좋습니다.

 

여러 요인들을 보면, 어느 정도 수준의 턴에 조립되어 나오는 톤암보다 좋은 톤암이 없습니다. 특히 MM카트리지를 사용할 경우 사용 앰프와 연결선의 커패시턴스를 꼭 확인해야 합니다.