Amp이야기(2): Audio Amp의 THD(Total Harminic Distortion)

    


제가 만든 진공관 amp들입니다.

Audio amp는 들어간 음(음악)을 음의 파형의 변화가 없이
크기만 증폭해야 이상적이지만 결코 그렇지 못합니다.
이것은 자연계(물리학적)의 원리입니다.

증폭되어 스피커에서 나오는 소리는 amp에 들어간 소리와 다릅니다.
왜곡(distortion)이 들어갑니다.
이것을 THD(Total Hatmonic Distortion)라고 합니다.
마치 우리가 귓속에 작은 소리로 노래를 듣고 그것을 입으로 노래하면
들은 노래와 내가 부르는 노래에 많은 차이가 있는 것과 같습니다.

보통의 amp 에서는 THD의 크기가 음의 크기에 비례해서 대략 1%보다 훨씬 작습니다.
이 THD 가 작으면 작을수록 좋은 amp 입니다.

Harmonic distortion이란 배진동에 의한 음의 뒤틀림(왜곡)입니다.
배진동이라 소리는 파동(wave)이니까 진동하는 진동수가 있는데
예를 들어 진동수가 100Hz 인 음의 기본진동은 100Hz, 2배 진동은 200Hz, 3배 진동은 300 HZ입니다.
그런데 기본진동과 2, 4, 8, 16배 진동은 음악에서 한 옥타브씩 높은 같은 음이고.
3, 5, 7, 9배 진동 음은 화음은 되지만 다른 음입니다.

세상에 존재하는 모든 물체는 기본진동 수가 있어서 충격을 주면 기본 진동을 하고 기본 진동보다 약한 배진동 합니다.
그게 모두 더해져서 진동의 모양을 결정하는데 그것이 그 물체(혹은) 악기의 음색이 됩니다.
피아노와 바이올린의 음을 구별할 수 있는 것이 이것 때문입니다.

현의 기본 진동과 그것보다 점점 힘이 약해지는 배진동(2,3,4,5..)

바이올린과 피아노는 같은 음이라도 배진동이 섞이는 정도에 따라 진동 모양이 다르다.
이것을 음색이라고 합니다.

그림으로 봐도 바이올린의 파형이 복잡합니다.
높은 harmonics가 많다는 뜻이지요. 그래서 바이올린의 음이 날카롭게 들립니다.
악기에서는 3,5,7의 홀수 배진동은 소리 에너지를 상쇄시키기 때문에 별로 없는 것으로 알고 있습니다.

Guitar를 하시는 분은 harmonics 기법 연주를 할 때 가운데(12 flat)서 튕기는 2배 진동 harmonics 소리는
그냥 튕기는 것 보다 작은데 7 flat의 harmonics는 소리가 훨씬 더작은 것을 알 수 있습니다.
그게 홀수의 harmonics라서 그렇습니다. 홀수 harmonics는 악기 음량에 별로 안 좋은 거지요.

맨 위는 음색이 없는 순수한 진동의 파형. (sine wave라고 함니다)

amp의 Total harmonic distortion으로 돌아갑니다.
그림은 audio amp에서 harmonic distortion이 들어가는 그림입니다.
좀 과장되게 그려 있습니다.

amp에 harmonic distortion이 없으면 참 좋은데 자연의 본질상 없어지지 않습니다.
Audio amp는 Transistor(solid state) amp 이거나 진공관(Vacuum tube) amp인데…
Transistor 혹은 진공관에서 음을 증폭할 때 harmonic distortion이 들어가는 겁니다.
그래서 amp의 maker들은 amp의 규격에 THD가 몇 %라고 써 놓습니다.
대개 1% 미만입니다.

amp에는 Transistor나 진공관을 여럿 이어서 사용합니다.
transistor나 진공관을 하나씩 통과하면서 harmonic distortion이 들어가는 겁니다.
그래서 그것을 모두 합한 것이 THD(total harmonic distortion)입니다.

음악 듣는 사람들은 transistor amp를 오래 들으면 피곤하다고 말합니다.
왜 그럴까요?

그것은 두 소자(transistor, 진공관)의 특성상
transistor는 3,5,7 배의 harmonics distortion이 들어가고.
진공관에는 2,4,8 배의 harmonics distortion이 들어가기 때문입니다.
transistor amp와 진공관 amp를 비교할 때 THD는 의미가 없다는 말이지요.

그러니까 각 소자의 특성에 따라, 예를 들면…
transistor amp는 1%씩 다른 음이 섞여 들어가고 (물론 화음은 됩니다)
진공관 amp는 1%씩 옥타브 높은 같은 음이 섞여 들어가기 때문이지요.
그래서 Classic Music 매니아들, 음악을 오래 듣는 사람들은 진공관 amp를 좋아합니다.

또한 그래서 때문에 연주회장에서 듣는 것이 최고급 amp로 듣는 것보다 웅장하고 현장감이 있는 것이지요.
그리고 실내악의 고운 음이 참 감미롭게 들리는 것이지요.
Classic Guitar 바로 옆에서 들으면 참 감미로운데 amp로 들으면 그 느낌이 아주 많이 사라집니다.
귀로는 몰라도 우리 몸과 마음 어느 구석에서인가 harmonic distortion에의한
1% 미세한 변화를 감지하는 것이라 생각합니다.

하나님께서 창조하신 우리 몸은 생각하면 할수록 경이롭습니다.
이게 저절로 이렇게 되었다고 생각하십니까?
제 이야기는 하다보면 성경, 예수님, 하나님 이야기로 빠집니다. 제가 그런 사람입니다.
여기까지 기술적(?) 이야기를 지루하게 읽고 오신 분이 여기서 전혀 다른 이야기를 읽으시는 겁니다,

진공관과 transistor의 harmonocs가 2,4,8과 3,5,7의 짝수 홀수 배수인 것은
아마도 음을 증폭하는 전자의 흐름을 제어하는 방식에 차이가 있어서 그렇다고 생각합니다.
(저의 추측입니다)
사람도 사람마다 남의 말을 전달할 때 강조점이 미묘하게 달라 정보를 살짝 왜곡(bias)시키거든요.

그런 이유로 진공관 앰프가 질적인 면에서는 Transistor amp보다 사람이 귀로 듣는
음의 왜곡이 훨씬 적어 같은 크기의 THD라도 오래 들어도 덜 피곤한 거지요.
사람의 귀는 참 미묘하고 예민합니다.

그러나 이것은 어디까지나 전기적 음향의 중립적 특성이지
이것이 Transistor 혹은 진공관 Amp의 더 좋고 나쁨을 결정하는 것은 아닙니다.

Transistor amp는 Rock & Roll Live 공연장의 열기와 음을 표현하기가 참 좋다고 생각합니다.
강한 비트의 드럼, 고막을 찢을 듯 한 큰 음악소리, 꺄-아 하고 지르는 팬들의 강한 불협화음
이런 것들이 사람을 무아지경으로 몰아가는 데 transistor amp가 적합하다 생각합니다.
기본적으로 약간의 불협화음이 적당히 들어가면서 음색이 과장될 수 있으니까요.
Transistor Amp는 불협화음이 미묘하게 강조 됩니다. 3,5,7 배음 때문에 그렇습니다.
(제 의견입니다)

1969년 모 여대 클리프리차드 내한 공연 때, 한 여성 팬이 속옷 벗어 던진 유명한 이야기가 있고
(제가 그때 고등학교 3학년이었으니 그분 지금은 70이 넘었겠군요)
최근 BTS 공연에는 누가 돈다발 던졌다는 말이 있습니다.
대중음악 실황 공연장에는 그런 살아있는 시장과 같은 이성을 마비시키는 열기가 매력인데
transistor amp는 그것을 표현하기가 그래도 진공관 amp 보다 쉽다고 생각합니다.
그런 대중음악도 오래 기억되고 사랑 받으면 Classic이 되겠지요.
공연장에서의 흥분과 열기 젊음, 이성을 잠시 젖혀두고 기뻐 뛰는 것, 좋은 것이지요.

그런데 베토벤은 교향곡 9번 합창 4악장에서 미친 듯이 그것을 표현했습니다.
(제 느낌입니다 들어보세요)

다윗 왕은 하나님의 법궤 앞에서 알몸을 들어내며 미친 듯 춤을 추었습니다.
여성 팬이 속옷 벗어 던진 여성 팬이 이해되는 장면이었습니다.
하나님 앞에서 우리가 잠시라도 그렇게 살면 얼마나 좋을까요?
저만의 생각입니까?
또 하나님과 성경으로 돌아왔습니다.

[사무엘하 6:14-16, 20-21]
14 여호와 앞에서 힘을 다하여 춤을 추는데 때에 베 에봇을 입었더라
15 다윗과 온 이스라엘 족속이 즐거이 부르며 나팔을 불고 여호와의 궤를 메어 오니라
16 여호와의 궤가 다윗성으로 들어올 때에 사울의 딸 미갈이 창으로 내다보다가
다윗왕이 여호와 앞에서 뛰놀며 춤추는 것을 보고 심중에 저를 업신여기니라
20 다윗이 자기의 가족에게 축복하러 돌아오매 사울의 딸 미갈이 나와서 다윗을 맞으며 가로되
이스라엘 왕이 오늘날 어떻게 영화로우신지 방탕한 자가 염치없이 자기의 몸을 드러내는 것처럼
오늘날 그 신복의 계집종의 눈 앞에서 몸을 드러내셨도다
21 다윗이 미갈에게 이르되 이는 여호와 앞에서 한 것이니라 저가 네 아비와 그 온 집을 버리시고
나를 택하사 나로 여호와의 백성 이스라엘의 주권자를 삼으셨으니 내가 여호와 앞에서 뛰놀리라

 

“내가 여호와 앞에서 뛰놀리라”


진공관 amp는 원음이 덜 손상된 상태의 음을 그나마 재현하니까

Classic이나, 성악, 실내악 등을 듣기에 좋습니다. 오래 들어도 덜 피곤합니다.
그러나 누가 Classic 음악만 좋은 음악이라 하겠습니까?
음악은 듣는 사람의 주관에 따라 결정되는 것이니 내가 좋아하는 음악이 좋은 음악이지요.

흥분과 열기 속에서 오래 있으면 저처럼 나이 든 사람은 피곤한 것처럼
transistor amp는 오래 듣기는 불편한 점이 있습니다.

한편 transistor amp나 진공관 amp나 오래 사용하면 모두 낡아집니다.
transistor amp는 transistor의 특성상 낡아지면 “쐐-애-”하는 transistor 특유의 잡음이 들어갑니다.
들기에 너무 너무 거북합니다.
그런데 이 부품을 교체하기가 매우 어려워서 결국은 amp 전체를 교체해야 합니다.

진공관 amp도 오래되면 전등처럼 진공관이 끊어지기도 하고 “탁-탁-”하고 진공관 튀는 소리가 납니다.
진공관 amp는 그러면 그 진공관을 빼내어 바꾸면 다시 새것과 같은 소리가 난다는 장점이 있습니다.
그런데 고급 진공관 고급 brand는 transistor amp 하나 보다 더 비싼 것도 있으니 생각해볼 문제지요.

제가 만든 진공관 amp의 최고급 진공관(300B, 2A3)은 요즘 생산되는 중국 혹은 Russia 제를 써서
가장 비싼 것이 $100 정도로 저렴한 편입니다. KT88은 $3-40 정도?
그래도 $100 이면 transistor amp 싼 것 하나의 요즘 값입니다.
제가 무슨 돈으로 몇 백불 천불 단위의 진공관을 사겠습니까?
저같이 amp 만드는 사람은 돈이 있어도 안사겠지요.

취향에 따라 선택하지만 저는 진공관 amp 그중에서 Single Ended 방식을 좋아합니다.
재미있는 것은 Rock 음악하는 Guitarlist 들은 amp가 자기의 악기(Guitar)와 같이 중요한 데
이분들이 진공관 amp를 많이 사용한다는 것입니다.
자기의 음악에서 나오는 소리는 가능한 순수하게 나오고
거기에 자신이 원하는 음의 색깔을 넣어야 하기 때문이라고 생각합니다.
그러다 보니 Guitarlist 하다가 진공관 amp 고치고 전문가가 된 분도 꽤 많이 있는 듯합니다.

       

(Beethoven Symphony 9번 4악장 환희의 송가)

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