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2차 고주파 vs 3차 고주파?


오디오를 접하다보면 오래된 부품인 진공관으로 만든 앰프 애호가들이 많습니다.


* 진공관 앰프의 특성

1. 임피던스 매칭을 위해서 사용한 출력 트랜스에 의해서 역기전력이 상쇄되어 음질의 원근감을 개선시킨다.

2. 왜율(Distortion) 은 진공관 앰프가 크지만 대부분 2차 고조파(Harmonic)이기 때문에 음을 좀더 풍성하게 만들어준다.
    반면에 트랜지스터 앰프는 대부분 3차 고조파가 발생해서 음질을 떨어뜨린다.
   (트랜지스터 앰프에는 홀수 고조파 성분이 많으며, 진공관 앰프는 대부분 짝수 고조파 성분이 많다고 합니다. 진공관 앰프로 조정하기에 따라서 홀수 고조파 성분이 나오게 할 수도 있으니 주의가 필요하다고 하네요.)


그러면, 왜율과 2차,3차 고조파는 무엇일까요?


* THD(Total Harmonic Distortion) : 전 고조파 왜곡 

  보통 왜율이라고 부르는 THD를 살펴보겠습니다. 

  일반적으로 트랜지트터 앰프의 왜율은 0.1% 이하로 아주 낮습니다. 반면에 진공관 앰프는 1% 이하가 거의 없습니다. 

  왜율은 이름 그대로 입력신호가 아닌 다른 고조파음이 발생하는 정도를 말합니다.

  즉, 왜율은 다른 음이 추가되는 정도로 보면 될것 같습니다. 

  문제는 어떤음이 추가 되느냐에 따라서 듣기 좋기도하고 듣기 싫어지기도 합니다.

  악기를 연주할 때 불협화음을 내면 아주 듣기 싫어집니다. 대신 화음을 내주면 단음에 비해서 음이 풍성해지고 듣기 좋은 소리가 됩니다.

   이와 비슷하게 진공관 앰프의 고주파는 2차 고주파, 즉 한 옥타브 높은 음을 발생해주기 때문에 낮은 '도'와 높은 '도'음을 같이 내주는 것과 비슷합니다. 그러나, 트랜지스터 앰프에서 주로 발생하는 3차 고주파는 화음이 잘되지 않는 음이기 때문에 귀에 거슬리는 음이 되어 듣기 안좋은 소리를 만들어줍니다.


* 2차 vs 3차 고주파 비교

  현재 우리가 많이 사용하는 12음계는 기원전 3500년전의 피타고라스까지 거슬러 올라갑니다.

  12음계의 주파수 비는 다음과 같습니다.

  2차 고주파는 1:2의 주파수 비율로 낮은 도높은 도의 차이과 같기 때문에 항상 화음을 만듭니다.

  3차 고주파는 1:3의 주파수 비율은 1:1.5 비율에서 두번째음이 한 옥타브 높아질때 음과 같습니다. 

    즉, 낮은 도옥타브 높은 도# 이 같이 울리는 경우가 되겠습니다. 아무리 들어봐도 화음이 되기 어려운 음입니다.

  마찬가지로 짝수 고조파는 옥타브 차이가 나는 같은음이 때문에 음을 풍성하게 해주지만 3,5,7,9 차 등 홀수 고조파음은 각각 도#, 미 근처, 라 근처,레 등 정확한 음계에 해당하지 않는 음들도 같이 발생해서 불협화음이 나온게 됩니다.

  가청 주파수 20~20kHz 범위는 약 10옥타브 정도 음역에 해당합니다.


12음계

주파수비

1.00

도#

1.50

1.13

레#

1.69

1.27

1.90

파#

1.42

1.07

솔#

1.60

1.20

라#

1.80

1.35

1.01

3차

1.50

5차

1.25

7차

1.75

9차

1.13



악기들의 각 주파수 영역




<12음계의 주파수비율 계산 방법>

단계: 주파수비

도     1: 1:1

도#   2: 2:3 (= 1:1.5) => 두번째 음의 한 옥타브 높음 음과 비교하면 

        (1:3) => 3차 고조파

     3: 2^2:3^2  -> 4:9 인데 첫음의 옥타브를 높여 

        한 옥타브에 있게 맞추어주면 

        2^3:3^2 (= 8:9 = 1:1.12)

레#   4: 2^3:3^3  -> 2^4:3^3 (= 16:27 = 1:1.68)

미     5: 2^4:3^4  -> 2^6:3^4 (= 64:81 = 1:1.26) => 5차 고조파(1:1.25)

파     6: 2^5:3^5  -> 2^7:3^5 (= 128:243 = 1:1.89)

파#  7: 2^6:3^6  -> 2^9:3^6 (= 512:729 = 1:1.42)

솔     8: 2^7:3^7 -> 2^11:3^7 (= 2048:2187 = 1:1.06)

솔#   9: 2^8:3^8 -> 2^12:3^8 (= 4096:6561 = 1:1.60)

라    10: 2^9:3^9 -> 2^14:3^9 (= 16384:31683 = 1:1.93)

라#  11: 2^10:3^10 -> 2^15:3^10 (= 32768:59049 = 1:1.80)

시   12: 2^11:3^11 -> 2^17:3^11 (= 131072:177147 = 1:1.35)

도   13: 2^12:3^12 -> 2^19:3^12 (= 524288:531441 = 1:1.01)

---------------------- 한 옥타브 -----------------------------------



<펌글>

왜 진공관 앰프인가?

1. 진공관 앰프는 원근감의 표현이 트랜지스터 앰프보다 우수하다. 

스피커는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸어 소리를 만든다. 
보이스 코일에 전류가 흐르면 자장에 의해서 코일이 움직이며 이때 콘 페이퍼가 함께 움직이므로 
소리가 만들어진다. 그러나 자장 속에서 코일의 움직임은 유도기전력을 발생시킨다. 
이를 역기전력이라 하는데. 역기전력이 발생하면 전류는 앰프로 역류하여 앰프에서
스피커 쪽으로 나가는 신호와 간섭하여 소리를 왜곡시킨다. 

역기전력에 의한 소리의 왜곡은 공간감, 특히 원근감의 표현을 떨어뜨리는 중요한
요인으로 알려져 있다. 

진공관 앰프는 진공관의 출력 임피던스가 높아서 임피던스 매칭을 시켜주어야 하므로, 
보통의 경우 출력 트랜스가 사용된다. 
반면 트랜지스터 앰프는 증폭 소자인 트랜지스터의 출력 임피던스가 낮아서 임피던스 매칭을
시킬 필요가 없다. 

출력 트랜스가 있는 진공관앰프는 역기전력을 트랜스의 2차측에서 소모함으로 앰프의 신호가
역기전력에 의한 신호와 혼합되는 정도가 적어진다. 
일부에서는 출력 트랜스가 임피던스 매칭을 위한 불가피한 존재로 생각하여 출력 트랜스
자체가 갖고 있는 왜곡 요인을 제거하여, 출력 트랜스가 없는 OTL방식의 앰프가 진공관이
갖는 순수한 소리를 들을 수 있는 이상적인 방식이라고 주장하기도 한다. 
그러나 출력 트랜스는 진공관 앰프가 트랜지스터 앰프에 비하여 대부분의 특성이 나쁜데도
불구하고, 사랑받는 이유, 즉 원근감을 만들어주는 요인이다. 


2. 진공관 앰프는 왜율은 크나'왜율의 종류가 다르다. 

진공관 앰프는 대부분의 특성에서 트랜지스터에 뒤지며 특히 왜율(distortion)에 있어서는
order가 다르다. 
전통적으로 왜율은 harmonic distortion 과, intermodulation distortion으로 구별하여 
앰프의 성능을 나타내는 가장 중요한 요소로 여겨져 왔다. 
이상적인 앰프와 정의가 왜곡없는 신호 증폭기이기 때문이다. 
트랜지스터 앰프의 경우 왜율은 0.1% 보다 작은 것은 흔히 볼 수 있지만,진공관앰프의 경우
1% 보다 작은 왜율을 실현하기가 어렵다. 

진공관에서 발생하는 고조파는 대부분 2차 고조파(second halmonics)이며. 
트랜지스터에서 발생하는 고조파 는 3차 고조파(third harmonics) 임이 알려져 있다. 
보통 앰프의 사양을 표시할 때에는 2차 고조파와 3차 고조파에 의한 왜율을 구별하지 않으므로,
어떤 성분이 얼마마한 크기로 있는지 알 수 없다. 
그러나 소리에 미치는 영향은 매우 다르다. 

2차 고조파들은 기본음을 보강하여, 전체적인 소리의 경향을 두텁고 풍성하게 만드는 반면,
3차 고조파는 단순한 왜곡을 발생시킨다. 
진공관 앰프의 경우, 왜율은 높지만 음악적으로 들리며, 트랜지스터 앰프는 낮은 왜율을 갖지만
차갑게 느껴지는 현상은 이 때문이다. 
과장된 비유로 트랜지스터 앰프의 낮은 왜율과 진공관 앰프의 높은 왜율을 표현하자면 
0.1%의 독약을 탄 물과 1%의 설탕물의 차이라고 말할 수 있다. 

증폭 소자로서 최초의 디바이스인 진공관. 현재 시점에서 보면 어쩌면 원시적으로 여겨지는
진공관 그리고 회로 기술이 지금처럼 발달하지 못했던 시대에 만들어진 진공관 앰프가
오디오 애호가들로부터 지속적인 사랑을 받는 이유는 이 밖에도 많다. 
그러나 가장 중요한 요인 두 가지는 공간감의 재현 능력과 2차 고조파에 의한 풍부한 음악성일 것이다.  

진공관 앰프의 장점  

70년대 이후 전력이 적을 뿐만 아니라 출력이 높은 솔리드 스테이트 앰프가 출현하자, 편리성과 경제성으로 순식간에 진공관 앰프는 퇴물이 되었습니다.  그러나 솔리드 스테이트인 트랜지스터 앰프의 한계점이 나타나자, 서서히 진공관 앰프의 붐이 불기 시작 하였습나다.  이 붐은 일본에서 부터 시작되어, 지금은 진공관 르네상스라는 말이 생길 정도가 되었습니다.  진공관 앰프의 최대 장점은 값싼 앰프라도 제 구실을 한다는 데 있습니다.  초 하이엔드 급에서는 트랜지스터 앰프와 진공관 앰프의 우위를 논한다는 것이 무의미 하지만, 그 밑에서는 진공관 앰프가 장점을 많이 가지고 있다는 데는 이론의 여지가 없습니다.  특히 진공관 앰프는 진공관에 따라 독특한 음색을 가지므로 TR 앰프가 따라 올 수 없는 개성을 가지고 있습니다. 진공관앰프의 장점을 정리하면 다음과 같습니다


1. 포근하고 윤기 있는 음

2. 뉘앙스가 있고 전체를 감싸는 듯한 분위기

3. 표정이 풍부하고 음색의 미묘한 변화가 잘 나타나는 음

4. 자연스런 음감

5. 넓은 공간에서 뒤편까지 뻗어 나가는 듯한 음감

6. 출력관에 따라 독특한 음질을 낼 수 있는 다양성


--
진공관 vs. 트랜지스터 

진공관은 미국에서는 튜브(tube), 영국에서는 밸브(valve)라고 합니다. 트랜지스터 앰프는 솔리드 스테이트(solid state) 앰프라고도 하죠.

두 방식 모두 장단점이 있습니다. 진공관은 진동에 약하고 트랜지스터는 열에 약하죠. 또한 진공관은 수명이 제한되어 있어서 교체를 해주어야 하지만 트랜지스터는 과열되지만 않으면 영구적으로 사용이 가능합니다. 하지만 주의할 것은 트랜지스터가 과부하에는 매우 약하다는 것입니다. 진공관은 어느 정도의 과부하가 걸려도 견딜 수 있고 교체가 쉽지만 트랜지스터는 과부하가 걸리면 수명이 급속히 단축됩니다. 사용할 때 주의해야 하죠.

진공관은 높은 전압 / 낮은 전류를 사용하는 반면 트랜지스터는 낮은 전압 / 높은 전류를 사용합니다. 이 때문에 트랜지스터의 전원부가 더 단순하고 안정적이죠. 또한 진공관은 임피던스가 높아서 스피커의 낮은 임피던스에 맞추기 위해서는 변환기를 거쳐야 합니다. 트랜지스터는 임피던스가 낮아서 스피커에 바로 연결하는 것이 가능하죠.

사운드의 차이를 보면 진공관은 따뜻하고 부드러운 소리가 나고 트랜지스터는 맑고 명료한 소리가 납니다.
진공관은 짝수차 배음(harmonics)을 강조해 주는 반면 트랜지스터는 홀수차 배음을 강조해 줍니다. 인간의 귀는 짝수차 배음들을 더 부드러운 것으로 받아들이는데 이 차이가 바로 음색의 차이로 연결되는 것입니다.
FET 트랜지스터는 짝수차 배음을 강조해 주지만, 진공관보다 신호처리 속도가 빠릅니다. 진공관은 음극에 열을 가해서 전자를 방출하는 방식으로 되어 있는데 기타에서 나오는 전류의 변화에 대한 반응이 트랜지스터보다 느리죠. 이 느린 반응이 음의 모서리를 둥글게 깎는 역할을 하게 됩니다.
이러한 따뜻하고 둥근 음색은 기타 사운드에는 잘 어울리지만 베이스 사운드에서는 그렇지 않죠. 낮은 음인 만큼 명확한 울림이 더 중요한 겁니다. 그래서 베이스 앰프에서는 진공관이 그다지 인기가 없습니다. 많은 베이시스트들은 진공관보다 트랜지스터 앰프를 선호하죠. 


[출처] 진공관? 트랜지스터? (☆★☆★블루스 기타 코리아☆★☆★) |작성자 엔지니어


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Posted by 마이다스77

댓글을 달아 주세요

  1. 안녕하세요 2014.10.05 17:18 Address Modify/Delete Reply

    진공관 앰프의 장점은 하모닉스가 많고 트랜지스터 앰프는 그냥 딱 소스에서 나오는대로만 재생해주죠. 그런면에서는 하이파이 마니아에게는 트랜지스터앰프가 더 나을듯 한데 진공관을 더 좋아하더라구요.

    진공관의 단점은 고장이 날경우가 많고 진공관 교체시에 돈이 많이 깨져요. 좋은 진공관은 엄청 비싸고. 진공관에 따라 소리가 변하니 안좋은거 쓰기도 뭐하고...

    • BlogIcon 마이다스77 2014.10.05 19:20 신고 Address Modify/Delete

      저는 주로 AV를 즐기는지라 아직 진공관 앰프를 들이지는 못했습니다.
      진공관 구입시에 같은 출력이 나오는 페어로 구입해야 된다고 하더군요.
      추천해주실만한 진공관 앰프가 있으신지요? ^^

  2. BlogIcon 마이다스77 2015.05.05 21:53 Address Modify/Delete Reply

    개인적으로는 진공관 앰프에는 거품이 많다고 생각합니다. 약간의 부품 변화에 의해서 음질이 크게 변한다는 것은 품질자체가 가청주파수 범위내에서 조차 안정된 품질을 확보하지 못하고 있다는 생각이듭니다. 하드웨어적은 앰프기술은 충분히 정점에 와있지 않나 하는 생각입니다. 스피커와 청취공간, 룸보정 소프웨어쪽은 좀 더 개선의 여지가 클것 같습니다.