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앰프와 음의 품질을 정의하는 몇 가지 단서들 (1), Total Harmonic Distortion

글쓴이 : SOONDORI

어떤 인티앰프가 앞에 있다고 할 때 제작사 스펙서에서 눈여겨볼 것들 몇 가지가 있다. 출력, 재생주파수대역, 신호 대 잡음비, Damping Factor, THD…

■ THD

우선 이것부터. 전고조파왜곡(全高調波歪曲, Total Harmonic Distortion) 또는 그것의 비율인 전고조파왜율은 어찌보면 가장 중요한 평가항목? 이 수치가 높으면 음 찌그러짐은 물론 앰프 내부에서 생성되는 괜한 복합잡음들이 많다는 뜻이고 상식선에서 이해되는 바, 그 만큼 제대로 된 음을 감상할 수 없다.

신호왜곡은 어떤 기기이든 필연적으로 발생하는데… 예를 들어 사용 소자들의 비선형성(=시키는 대로 안하는 속성. 입력 1에 대해 출력 0.9 또는 1.1)에 의해 Ideal Sine 파형은 100% 그대로 증폭, 재현되지 못하고 99프로쯤 변형되고 여러 개 군더더기 파형들이 붙게 된다. 군더더기들은 Idea한 기본파(Fundamental Frequency, N으로 표기)에 대해 아래와 같이 더 높은 차수(Order, 次數) 파형들로 나타나고 그것을 ‘n차 고조파’라고 칭한다. (N2, N3, N4… 여기서 ‘고’는 분명 높을 고(高) 즉, 부가 생성된 주파수들이 기본파에 비해 더 높다는 의미)

(이 그래프는 일종의 푸리에변환기인 스펙트럼 애널라이저로 관측된 것. 그리고… 고조파 ≠ 고주파, Harmonic = 군더더기 = n차 고조파. 출처 : https://www.psaudio.com/wp-content/uploads/2017/01/THD.png)

* 관련 글 : 오디오의 주파수와 푸리에 변환 (1)

아래는 50hz 기본주파수를 입력으로 하는 가상앰프의 출력단자에서 3차, 4차, 5차 등 고조파가 관측됨을 개념적으로 보여주고 있다. 기본 파형과 군더더기 파형들이 합쳐진 상태 즉, 오실로스코프로 볼 수 있는 파형은 맨 위쪽 ‘Total’로 표기된 것과 같다. 깨끗한 Sine파 ‘Fundamental Frequency’ 대 ‘찌그러짐 많은 Total Frequency’의 시각적 비교만으로도… THD의 존재와 의미를 쉽게 확인할 수 있을 듯.

(출처 : http://aspap-trial.s3-us-west-1.amazonaws.com/articles/images/000/000/010/original/PS_Harmonics.png?1547395506)

다음은 THD를 정의하는 공식.

여기서, V1은 스펙트럼 분류상의 기본주파수 전위, V_n은 N차 고조파들의 개별 전위들. n개의 모든 고조파들을 분리 감지하고 각 전위들을 모두 측정한 다음 계산식에 넣어야 한다. 분리? 모두 대입? 현실에서 그게 가능할까? NO. 군더더기 n차 고조파는 사실상 무한대 차수(개수)로 나타나므로 적당한 선에서 끊을 수 밖에 없다. 2차, 3차, 4차, 5차… 높이가 별 의미 없는 어떤 차수에서 그만. 그리고 THD 측정값 제시할 때 몇 차에서 끊었는지를 함께 표기한다.

제대로 된 표기 예시 : THD (through 6th harmonic) less than 0.01%, 1 Vrms, 20~20Khz, Unity Gain

참고용으로 게시하는 바, 몇 종 기기별 THD는 다음과 같다. 모두 테스트조건 명시하지 않았다는 점에 주목. 사실, 그 이유는 따로 있다.

(1982년, Kenwood L-02A 앰프 : 0.003%)

(1977년, Technics SU-A2 프리앰프 : THD (20~20Khz)@Aux 0.003% (VRmax, 10Voutput))

(2014년, Pioneer A-70 D-클래스 인티앰프 : 0.2%)

(1978년, QUAT 405 파워앰프 : 0.01~0.05%)

(강조, 강조, 무조건 강조)

분명 THD라고 했거늘 다들 중구난방에, 병행 표기가 필요한 테스트 기준들 거리낌 없이 생략했다. 그러하니 이쯤에서 상환반전의 질문을… “위 제품들의 THD는 무엇으로 측정했을까?”

위 THD 정의와 계산 등은 지극히 원론적인 것이고 60년대, 70년대, 80년대, 그 이후의 모든 이들이 ‘고속푸리에연산기(FFT) 내장 오디오애널라이저’를 사용했다고 보기는 어렵다. 대부분의 경우 아래 이어지는 ‘THD+N’ 방식으로 측정했을 것.

■ THD+N

여기서 N은 Noise. THD 측정은 군더더기들을 따로 계산해야 하는 번거로움이 있으므로 아예 앰프 종단을 기준으로 “에라 모르겠다”식, 실전적으로 일괄검측한다. 이때 앰프가 본래부터 갖고 있는 최저선 자체 노이즈(예를 들어 열잡음*)까지 포함될 것이니 ‘+N’을 표기한 것.

* 다음 글, 신호 대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)에서 정리.

공식과 제대로 된 표기방법은 아래와 같고… 노이즈를 포함하므로 측정치는 당연히 앞의 THD보다 크거나 같다.

제대로 된 표현 (예) THD+N less than 0.01%, 1 Vrms, 20~20Khz, Unity Gain, 20Khz Band Width
흔한 표현은 (예) 0.1%@1Khz = 1Khz 신호를 사용했을 때 THD+N값 0.1% → 얼렁뚱땅 제조사 마음대로, “소비자가 뭘 알아?” 유리한 쪽으로.

측정방법은 예를 들어, 1Khz Ideal Sine파를 주입한다 → 앰프의 종단에서 필터(Notch Filter)를 적용하여 1Khz를 “콕! 집어” 제거한다 → 1Kh가 제외된 나머지는 노이즈 포함 군더더기들. 그것이 곧 THD+N으로 표현되는 왜곡들이다. 이 ‘공제전략’은 빈티지 왜율계들에 널리 적용된 원리이고 그렇게 생각하면 THD+N 계측기가 THD 원론에 맞는 계측기보다 먼저 사용된 셈이다. 아날로그 튜너가 디지털 튜너보다 앞서는 것처럼.

(노치필터의 성능이 핵심. 출처 및 글 : https://www.ap.com/blog/thd-and-thdn-similar-but-not-the-same/)

한편으로, “콕! 집어내기”를 하려면 정교한 Filter 조절기를 써야 한다. 커다란 원형 다이얼이거나 디지털 버튼들이거나.

(손맛 있는 빈티지 계측기… 원형 다이얼은 Notch Filter 최저점(Dip)을 결정하는 변수. 살살 돌리다가 지시계 눈금의 최저값을 읽는다. 그 때가 (예) 1Khz 기본파가 최대한 제거된 순간)

* 관련 글 : Leader LDM-170, 균형 잡힌 빈티지 왜율계

(동일 원리가 적용된 대표적인 명품 계측기 HP/Agilent 8903B 오디오 애널라이저.)

아래는 예시 기기들의 THD+N.

(D-클래스 솔루션을 적용한 에이프릴 뮤직 S1 파워앰프 : THD+N 0.005%)

(Cyrus 8A DAC 내장 디지털 앰프 : THD+N 0.003%)

■ 부스러기 멘트들

○ 오디오신호 품질을 계측하는 고가 전문장비는 아래와 같다. DIY용으로는… 수 십 만 원 대 중고 Audio Analyzer, PC연동 모듈장치가 있다. 최저선은 PC 사운드카드를 이용하는 무료 프로그램 Wavespectra 사용?

(Audio Precision社 ATS-1 독립형 오디오 분석기, THD를 0.00001까지)

○ 계측을 위해 신호발생기가 반드시 필요하다. 100% Ideal Sine파를 생성하는 장치는 현실적으로 없다고 보고… DIY 대안은 1) 흔한 펑션 제너레이터를 쓰거나, 2) 조금 구하기 어려운 오디오 시그널 제너레이터를 쓰거나. 단, 전자는 THD 0.5%, 후자는 0.05% 정도로 상호 유의미한 차이가 있다. 그 외… PC 사운드카드 응용 제너레이터 프로그램을 쓰거나, 4) 모바일 DSP 제너레이터 앱를 쓰거나.

○ 디지털 앰프의 시대라… 아래는 어떤 D-클래스 앰프 IC의 출력, 주파수대역, THD+N 그래프들이다.

여기서 주목해야 할 것은THD+N=1%와 THD+N=10%.

(누구 마음대로?) 빈티지 고급 앰프들과 요즘의 고급형 D-클래스 앰프들에서 전 대역 0.001%까지 거론된다는 점 생각하면 1%와 10% 표기는 칩 제조사에게 유리한 측면이 있다. 상상컨데… 동작전압 무시하고 최저선 0.02%기준으로 다시 말해 달라 하면 최적출력은 사실상 전혀 쓸모 없는 0.1W. 무슨 말씀? 여기저기 널린 포터블 기기들의 D-클래스 앰프 출력은 빈티지 오디오의 관점 또는 THD/THD+N 관점에서 보면 노골적인 뻥튀기.

○ 또 다른 상상 질문. THD 0.001% 앰프와 0.1% 앰프가 앞에 있다고 할 때 전자가 더 좋은 앰프일까?

NO. 왜곡, 잡음과 사람 귀로 들었을 때의 평가는 사뭇 다르다. 고조파의 속성은 배음(倍音)에 관련된 사항이기도 한데… 1) % 수치 높은 짝수배음 진공관 앰프가 수치 낮고 홀수배음 강세인 반도체식 앰프보다 더 좋게, 더 편안하게 들린다는 세간의 평가와 2) 현실적으로 0.1%와 0.01%, 0.001%를 쉽게 분간할 사람 없다는 점, 3) 제조사 스펙이 내 앞에 있는 빈티지의 상태를 정의하지 않는다는 점 고려하면 “반드시 그렇다”라는 말은 넌센스.

○ 80~90년대의 극렬 경쟁 속에서 제작사들 마구 달려나갔고 0.0000001이라도 더 낮은 수치는 곧 자사 기술력을 과시하고 상대를 제압하는 도구인 양 간주되었다. 그리하여 가장 낮은 THD의 앰프가 가장 좋은 앰프인 것처럼 호도되고 관성적으로 작용하며… 특히 일본 Technics. 이 글 쓰면서 생각하니 참 웃기는 일이다.

○ 마무리 멘트. 기왕 내 손에 들어온 0.x% 빈티지 앰프를 어찌할 방법은 없다. THD는 이종 모델들간의 설계도 상대 비교 혹은 앰프의 과거 대 현재 상태 비교용으로만 활용. 예를 들어 제작사 스펙에서 많이 벗어나면 소자, 커패시터, 접속재, 접점 면 등에 뭔가 문제가 있는 것이다. (표제부 사진 출처 : https://www.davmar.org/TE/HP334A/)

* 관련 글 : 앰프의 품질을 정의하는 몇 가지 단서들 (2), 기타

 

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