멀티앰핑에 관한 괜찮은 글이 있어서 주요 부분만 번역해서 올려봅니다.

멀티앰핑으로 음악을 들은지 한 5년 정도되었는데, 최근 사무실에 오디오를 설치하면서 구글링하다가 발견한 자료입니다.

5년전에 바이앰핑을 할 적에는 유닛별 게인을 맞추기 어렵기 때문에 동일한 파워앰프를 사용해야한다는 의견들이 많아 파워앰프는 똑같은 것을 사용하였지만, 스피커 유닛의 능률 및 임피던스도 다르고, 청취공간에 의해서도 영향을 받기 때문에 오로지 귀에 의존하여 액티브 크로스오버의 게인을 조절할 수 밖에 없었습니다.

그런데, I-PHONE 등장 이후 주파수별 응답(데시벨)을 측정할 수 있는 각종 어플들이 많아 나와 이번에는 앰프도 다르게 유닛을 보다 자유롭게 구성할 수 있었습니다.

원본 자료 http://sound.westhost.com/bi-amp.htm

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소개

대부분의 사함은 바이앰핑을 하이파이 시스템에서 불필요한 것으로 혹은 시스템에 있어 매우 난해한 것으로 생각하는 경향이 있다. 아래의 글이 설명하고자 하듯이 이것은 사실이 아니다. 우리가 통상 표준적으로 쓰는 방식, 즉 하나의 파워앰프가 때때로 제멋대로 할 수 있는 패시브 크로스오버 네트워크와 함께 인클로져의 모든 유닛을 제어하는 방식 대신에 바이앰핑을 사용하는 것은 매우 확실한 이점이 존재한다.

당신이 1조당 25,000달러 또는 그 이상의 스피커에 투자할 수 있는 수준, 다시 말해 “비용이 목적이 아닌” 접근법인 경우이다. 그러나 대부분의 사람이 그러한 비싼 것을 살 여유가 없으며, 좀더 돌아다녀 보아야 한다. 결과적으로 매우 소수의 시스템만이 자산의 능력 만큼 좋아 지게 된다. 바이앰핑은 복잡하지도 않지만, 가볍게 다루어져서도 안된다. 그렇지만, 실수만 하지 않는다면 바이앰핑의 적용은 매우 적은 예외적인 경우만 제외하면 거의 모든 스피커를 개선할 수 있다.

1.0 – 바이앰핑의 기초
바이앰핑은 저음을 위해서 하나의 앰프 그리고 중음과 고음을 위해서 하나의 앰프를 사용하는 기술이다. 앰프의 파워가 최대의 이점을 얻기 위해 적절히 균형 잡혀져 있다면 크로스오버 주파수의 선택은 크게 중요하지 않으며, 사용된 드라이버(유닛)은 각각의 주파수 범위와 파워 한도 내에서 잘 작동된다.

그림 1은 설계도 형식으로 기본 개념을 보여준다. 스테레오 중 한쪽만 보여준 것이며 나머지 채널은 동일하다. 미드와 트위터 사이에 패시브 크로스오버가 있는 것으로 염두해 두어라. 이것에 대해서는 나중에 더 다룰 것이다.

단순한 형태(매우 단순한 전자크로스오버와 작은 앰프들을 사용한) 바이앰핑은 컴퓨터 스피커, 시계라디오 같은 것에도 사용될 수 있다. 소형 앰프의 가격은 낮으며, 음향의 개선은 무척 드라마틱할 수 있다. 나는 시계라디오에 서브우퍼를 만든적이 있는데 시계라디오가 괜찮은 소리를 내는 한에는 실제로 서브우퍼의 소리로 꽤 괜찮은 소리를 내었었다.

앰프와 스피커 조합의 해법으로서 바이앰핑은 가야 할 길이다. 가장 비싼 또는 가장 저렴한 오디오 장비에서 바이앰프화된 시스템은 전통적인 패시브 크로스오버, 그리고 하나의 앰프가 모든 일을 하는 방식보다 더 나은 소리를 내 줄 것이다.

바이앰핑에 대한 가장 흔한 질물

내가 받는 가장 흔한 질문은…
“제가 스피커 안에 있는 패시프 크로스오버(네트워크)를 제거해야 하나요?”
답은 “그렇다”이다. 만약 제거하지 않는 다면 정말로 바이앰핑이 전혀 아니다.
일반적으로는 통상의 바이앰프 셋업에서는 중음과 고음 부분의 네트워크는 그대로 두고 저음과 중고음을 구분하는 네트워크를 제거하게 된다. 두 개(저음과 중고음, 중음과 고음을 분리)의 네트워크는 항상 완전히 분리된 네트워크이다. 비록 한눈에 보기에는 그렇게 보이지 않을 수도 있지만은 말이다.

똑같이 중요한 것은 전자크로스오버 주파수의 선택이다. 전자크로스오버 주파수는 수십헤르츠 범위 내에서 원래의 것과 같아야 한다. 유일한 예외는 당신이 스피커 제조회사로부터 관련 정보를 얻을 때 크로스오버주파수를 수정하는 것이 허용될 수 있다. 통상, 나는 애초의 크로스오버주파수를 선택하고 그냥 그것대로 하는 것으로 추천한다.
크로스오버주파수를 변경할 때는 모든 부속품을 원래 선재들과 함께 보관해두어라. 그림과 사진은 나중에 해당 스피커를 복원하여 중고로 매각할 때 당신에게 매우 유용할 것이다. 비록 바이앰핑의 좋은 점을 느낀 이후에 그것을 당신 자신이 재사용할 가능성은 없지만 말이다.

패시브 바이앰핑(두 대의 앰프가 두개의 줄을 사용하는)은 내 솔직한 표현으로는 돈 낭비이다. 비록 일정부분 음향 효과가 존재하지만, 추가적인 앰프의 비용 대비 가치가 없다.

1.2 – 스피커의 감도(능률 / 효율)

먼저, 저음, 중음, 고음이 동일한 능률(Sensitivity)을 가진(예를 들면 모두 90db / watt @ 1미터) “이상적인” 상황을 봐보자. 이는 트인 공간(free space, 벽으로부터의 반사 등이 없는)에서 1와트의 전기에 스피커가 1미터 거리에서 측정했을 경우 90db의 음압(SPL : Sound Pressure Level)을 만듦을 의미한다.
고음 드라이버(트위터)는 이 논의를 진행하는데 있어 중요하지 않기 때문에 중고음으로 합쳐서 표시될 것이다.

1.3 – 파워 배분과 음압(Power Distribution and SPL)

그것이 무엇이든지 간에 통상적인 음악(프로그램)에 있어 저음과 중고음의 “동일한 출력” 주파수가 250헤르츠에서 350헤르츠 사이에서 결정되어 있다. 이는 저음과 중고음 앰프 전기 요구 수준이 동일한 주파수로 정의될 수 있다. 그러므로 우리의 90dB 유닛들에 있어서는 100W의 앰프가 적절할 수 있을 것이라고 추측할 수 있다.
100W의 앰프는 110dB 이상의 절대적 음량 출력을 허용한다. 당신은 그것이 충분히 큰 소리라 생각할 것이다(당신의 생각은 역시 맞을 것이다.) 그러나 이것은 한가지 주파에 대한 음압의 최고치이며, 앰프가 클리핑(파형의 상-하단부를 잘라내는 것)하지 않는다면 일시적인 신호만을 허용한다. 이것은 소리가 왜곡(Distortion)을 만들어 내어 소리가 몹시 나쁜 것은 차치하고서, 감상자를 피곤하게 하고 스피커 유닛의 손상을 초래할 수 있다.

1미터 거리에서 실제적인(평균의) 음압은 음악의 종류에 따라 90에서 100dB 근처에 존재한다. 감상위치에서의 평균 음압은 청취룸의 울림효과(Acoustic)를 온전히 분석 없이는 측정할 수 없다. 통상의 방에서는 6에서 10dB의 음압이 소실된다. 따라서, 단순성을 위해 우리는 1미터 음악을 참조 값으로 사용할 것이다.
이 글을 읽는 사람에게는 고맙게도 크로스오버 주파수에 따라 전력의 배분을 보여주는 표가 있다. 이 표는 FANE에 의해 출판된 “라우드스피커의 인클로져 디자인과 만들기”의 라우드스피커 매뉴얼로부터 가져왔다.

X-over Frequency (Hz) Power to Bass (%) Power to Mid+High (%)
250 40 60
350 50 50
500 60 40
1,200 65 35
3,000 85 15
5,000 90 10

이 표에 따르면 350헤르츠가 동일한 전기력을 요구하는 지점이다. 이는 내가 직접해본 측정치와 약간 다르지만 그 차이는 누가 맞는지 여부를 떠나 중요하지 않다. 표에서 알 수 있듯이 필요한 전력량은 1200헤르츠 이후 급감한다. 또한 위에서 보이지 않지만 주파수가 감소함에 따라 필요한 전력량도 또한 감소한다.

마지막 문장은 불편하고 혼란스러움을 야기할 수 있기 때문에 좀더 설명하겠다. 여기에서 전력량은 평균 전력량을 의미한다. 그리고 정말로 10헤르츠 이하에서는 필요한 평균 전력량이 감소한다. 최고 전력소모량은 다른 문제이고, 음악의 종류에 따라 매우 다르다. (역자 주 : 실제로 100헤르츠 이하의 소리는 많지 않음, 악기의 저음한계도 존재하며, 작곡가자 해당 악기의 저음 한계 부근을 자주 사용하지도 않기 때문임)
위의 표는 저음과 중고음 드라이버의 능률이 동일함을 가정한다. 만약 다르다면, 조정 요소가 반드시 추가되어야 한다. 예를 들면 저음 드라이버가 3dB만큼 능률이 낮다면 저음의 파워는 두 배가 되어야 한다(혹은 반대도 성립한다). 만약 차이가 3dB이하라면, 당신은 안전하게 파워를 두배로 늘이거나 실제 필요한 파워를 계산할 수 있다.
이는 매우 중요한 포인트이고 아무리 강조되어도 지나치지 않다. 일부의 서브우퍼들(특히, “Extended Low Frequency” ELFTM 기술을 사용한 것들)은 구동 방식으로 인해 거대한 추가적인 파워를 요구한다. 단순한 수많은 변수들이 존재하기 때문에 필요한 파워를 산출하는 단순한 산식을 만드는 것은 쉽지 않다.

크로스오버 주파수에 상관없이 저음 파워를 40% 이하로 줄이려는 시도는 하지 마라. 왜냐하면 비록 평균적인 파워는 매우 낮을 수 있지만, 통산 상대적으로 매우 높은 피크 범위를 가지고 있기 때문이다. 저음부의 넓은 다이나믹은 클리핑하지 않을 경우, 상상하는 이상으로 많은 파워를 요구한다. 클리핑은 어떠한 비용을 치르고서라도 반드시 피해야 하는 것이다. 소리가 끔찍한 것은 차치하고서, 평균적인 파워 수준이 증가하여 스피커를 손상시킬 수 있다. 서브우퍼의 피크 클리핑은 나머지 시그널이 깨끗하더라도 들어줄 수 없는 소리를 낸다.

보통 나는 저음 앰프가 적어도 중고음 영역을 위한 앰프와 같은 파워를 가질 것을 제안한다. 만약 EQ가 사용된다면, 파워 요구량은 극적으로 증가한다. 단순히 6데시벨의 부스팅은 앰프의 파워를 4배 더 요구하게 된다

1.4 – 실제 대 유효 파워 Actual vs Effective Power

100와트 앰프가 같은 진폭(소리의 크기)를 가지는 정확히 똑 같은 프로그램(소리)를 처리하고, 이후 합쳐진 프로그램(소리)를 위해 총 200와트 가지고 해본다고 가정해보자. 그러면, 여기 어디서 마술이 들어오게 되는 걸까? 앰프 조합은 마치 400와트를 가진 것처럼 측정된다. 즉, 실제 파워보다 2배 유효한 파워를 가진 것 같아 진다. 이를 이해하기 위해 우리는 다시 한번 돌아볼 필요가 있다.

28볼트의 유효 진폭을 가진 100헤르츠의 파장을 상상해봐라. 8옴의 스피커에 있어서는 이는 100와트(정확하게는 98와트)와 동일하다. 1000헤르츠에서 동일한 진폭은 동일한 파워를 가진다. 이제 음악에서 신호들이 합쳐지는 방법으로 두 파장을 합쳐보자. 우리는 단지 최고 진폭에만 관심이 있다. 소리가 두 배로 커졌으므로 유효 출력의 파워가 3데시벨만 높아졌음을 의미할 뿐이며, 오실리코프가 사용되었을 때에만 진정한 파장의 모양이 나타난다.

우리는 높은 주파수의 파장이 낮은 주파수 신호의 출렁임에 올라타고 있는 낮은 주파수의 파장을 볼 수 있다. 계산해보면(또는 그냥 간단히 합쳐진 시그널을 오실리코프로 측정해본다면), 최대 진폭이 두 배가 된 것을 알 수 있다. 유효 출력 값은 약 40볼트이며, 이는 200와트를 의미한다. (역자주 : 스피커의 저항이 동일하다면, 파워 P=I*V=(V/R)*V=V2/R 이기 때문에 28에서 40으로 올라가면 전기소모량은 200와트가 된다) 비록 이것이 진정한 유효출력전압일지라도, 이는 해당 주파수를 온전하게 재생하는데 필요한 전력량(파워)를 확실히 과소 측정한 것이다. 오실리코프는 합쳐진 해당 주파수에 대해 56볼트를 보여주며, 그 결과 56V의 피크 신호를 온전히 처리하기 위해서는 400와트가 필요하다.

이점을 설명하기 위해, 그림 2는 2가지 신호를 보여준다. 각각 1단위의 최대 진폭을 가졌다. 보여지듯이 두 개가 결합할 경우 최대 진폭은 휠씬 더 커진다. 최대 진폭은 2단위가 된다. 출력전압이 2배가 되며, 요구되는 최대 전력량은 따라서 4배가 된다. 전력량은 전압이 커질 때 제곱 승으로 증가한다. 실제 유효 출력은 3데시벨 또는 파워 2배로 증가했지만, 이것은 상황을 오도한 것이며, 이 수치를 사용되어서는 안 된다. 오실로스코프가 필수적이다.

최대 진폭은 실제로는 위에 인용된 값의 두 배이다. 그러나 앰프가 보통 대칭적이므로(플러스 마이너스 전압을 동일하게 다룰 수 있으므로) 단순히 한쪽 진폭만 말하는 것이 편리하다.

실제 음악이 대칭적이라고 말하고자 하는 것은 아니다. 음악은 그렇지 않고, 오히려 성질상 완전히 예측 불가능하다. 결과적으로 앰프를 대칭적으로 만들고 전환 회로에 적합하게 위상을 조정할 수 있다. 회로는 위상을 전환하기 위해 사용되어지며, 그 결과 더 높은 변조는 더 많은 전력 전달을 일으킨다. 그러나, 수용 가능한 수준 이하로는 절대 감소시키지 못한다. 일부 오디오쟁이들은 동의하겠지만, 내가 여기에 동의하지 않기 때문에 나는 여기에 대해 더 설명하지 않을 것이다.

모든 신호 원본은 위의 그림2에서 보여주는 것과 동일한 특성을 가지고 있다. 심지어 하나의 목소리 또는 하나의 악기조차도 마찬가지다. 이런 경우에, 기음은 낮은 주파수가 되고, 배음은 기음 위에 올라타는 형태가 된다. 따라서, “동일한 전력량”의 주파수가 250헤르츠에서 350헤르츠까지 변화하게(때로는 드라마틱하게) 되지만, 기본 원칙은 변하지 않는다.

완전히 논점에서 벗어났지만(그러나 어쨌거나 흥미로운) 많은 악기에 있어 배음들이 실제적으로 기음보다 진폭이 더 크다.

주: 3데시벨의 유효 파워 증가는 획득 가능한 절대적인 최고치임으로 반드시 여기서 설명해야 한다. 대부분의 경우에는 음악에 있어 파워 증가에 따른 게인은 1데시벨 이하였음을 검증하였고, 상당히 안전하게 가정할 경우, 대부분의 경우 1~2데시벨 가운데 실질적인 파워 게인이 있다고 할 수 있다. 실제 수치는 음악의 종류, 실제의 크로스오버 주파수, 그리고 두개의 분리된 신호의 피크치와 평균치의 비율에 많이 달려 있다. 이 부분 하나만으로 온전한 글(논문)을 가질 충분한 권리가 있을 것이다.

1.5 –신호의 분리 Separating The Signals

패시브크로스오버는 위에서 보여준 두 가지 신호를 분리하여 스피커 시스템 내에서 적합한 유닛으로 보내준다. 앰프는 파형의 전체 부분을 다룰 수 있는 능력이 있어야 하며, 각 신호가 100와트를 필요로 할 경우, 그 파형을 왜곡 없이 만들어 내려면 400와트 이상의 파워가 있어야 한다.

만약 우리가 이러한 신호들을 파워앰프 이전에 전자 크로스오버를 사용하여 분리 한다면, 상황은 완전히 달라진다(여기서 전자크로스오버가 분할하는 주파수가 동일한 전력을 요구하는 중간치라고 가정하자). 각각의 신호는 100와트의 앰프를 거쳐 스피커 해당 유닛에 보낸다. 앰프는 파형을 잘라내지 않고, 각각의 신호는 원래의 모양으로 재생되어, 2개의 100와트짜리 앰프로 400와트 앰프를 대등하게 본뜨게 된다.

그림 3A, 3B, 3C의 파형의 비교를 통해 합성 파장이 100와트 앰프에 입력되었을 때 어떤 일이 일어나는지를 보여준다. 일단 앰프의 출력 전압이 내부 전원 공급 전압을 초과하려고 하면, 앰프는 파장의 가장 아래 부분과 가장 윗부분들을 잘라내고(=클리핑하고), 절단된 파장의 급격한 이동에 의해 만들어 지는 추가적인 고주파 에너지에 의해 심각한 왜곡과 트위터 손상의 위험을 초래하게 된다. 그리고 이것은 신호의 압축에 의해 더 심화된다. 이는 또한 신호에 상당한 양의 혼변조(intermodulation) 왜곡을 추가시가며, 그래서 왜곡은 조화롭지 않을 뿐더러, 화성적으로 관련이 없는 귀에 거슬리는 소리를 만들어 낸다. 이는 최악의 왜곡이며, 소리는 진짜 형편없다.

위에서 설정한 동일한 원칙을 적용하여 각각 1단위(1볼트) 진폭을 가진 200헤르츠 신호에 2킬로헤르츠 신호를 덧붙이자. 그 결과는 2단위의 최대 진폭을 가진 신호로 합쳐진다. 다시말하면, 만약 1단위가 정격 100와트라면, 2단위(2V)는 400와트와 동일한 전력을 요구한다(역자 주 : 이는 간단히 전력량 P는 “전류 * 전압 = 전압/저항 * 전압”이 되는 전압의 제곱에 비례한다).

1단위(1V)의 재생 능력이 있는 앰프에 2단위(2V)의 신호를 입력한 결과는 그림 3B에 나타나 있다. 그림 3B의 파형은 앰프가 최고 출력 진폭이 ±1V으로 제한되어 있어 신호가 클리핑되는 부분을 제외하고는 3A의 파형과 정확히 동일하다. 이것은 즉각적으로 명확하지는 않지만, 저주파와 고주파는 클리핑으로 인해 왜곡되어지고, 신호 디테일의 상당 부분이 클피핑되어 없어짐이 명백하다.

클리핑으로 인해 일부 신호를 잃어 버리는 것은 확실하다. 새로운 주파수가 만들어 지는 것도 분명하고, 이는 그림 3C에서 보여준다. 이것은 클피핑된 파형의 스펙트럼이다. 클리핑되지 않는 신호라면 200헤트츠와 2킬로헤르츠 두 부분에서만 피크가 있을 것이다.

그림 3C는 다수의 “새로운” 주파수들이 있음을 보여준다. 원래의 주파수들은 714Mv로 출력이 줄었고, 새로운 주파수들이 추가되었다. 600헤르츠의 신호가 추가된 왜곡을 있다. 데시벨로 표시된 부분은 출력 전압으로 환원하면 아래 표와 같다. 아래표는 -40dB이상으로 나타나는 스펙트럼 주파수는 왜곡율이 1% 이상임으로 의미한다. 위의 그림 3C에서는 600헤르츠 수준에서 1.8과 2.2킬로헤르츠에서 3.8과 4.2킬로헤르츠에서 그리고 7.8과 8.2킬로헤르츠의 신호가 추가되는데 이는 모두 왜곡율 1% 이상이다. 그리고 그 이하에서도 수많은 새로운 파장들이 생성된다. 그 결과는 매우 끔찍한 소음이다. 더 이상 원하는 소리 또는 음악의 특성을 가졌다고 할 수 없게 된다.

[참고] 그림 3C를 해석해 보면, 원래 진폭은 1V의 진폭을 가진 200헤르츠와 2킬로헤르츠 신호인데 실제 클리핑된 소리를 분석하면 그림과 같은 다양한 파장의 소리가 만들어 진다. 물론 소리의 크기가 다르다. 소리가 3데시벨 작은 것은 출력 파워가 절반이고, 이는 출력 전압이 약 71%임을 의미한다(파워는 전압의 제곱에 비례), 따라서, -21데시벨 작은 것은 출력 전압이 0.7^7=0.081 = 81mv를 의미하고, -39데시벨은 0.7^13=0.01 = 10Mv를 의미함. 따라서 -39데시벨 위로 나타나는 주파수 들은 원래 소리의 왜곡이므로 왜곡율이 1%가 넘는 것으로 의미한다고 설명하는 것으로 보임

바이앰핑 시스템은 출력부분에 있어서는 “아무것도 없는”것을 당신에게 주는 것 같지만, 실제로는 그렇지 않다. 채널당 100와트짜리 스테레오 앰프 2개(총 100와트*4채널)는 채널당 400와트짜리 스테레오 앰프 1개 가격과 비슷할 수 있다. 그러나, 바이앰핑 시스템은 높은 출력 전압에 의해 크게 스트레스를 받지 않고, 발열이 적은 상태로 작동될 것이고, 각각은 제한된 주파수 영역만을 처리하면 될 것이다. 전자 크로스오버 또한 필요하고, 이는 전체 시스템의 비용을 상승시킨다. 물론 저음부를 위한 패시브 크로스오버는 더 이상 필요하지 않게 되고, 그 결과 전체적인 비용은 다소 상쇄된다.

-끝-

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