케이블과 앰프/스피커 연결
R. A. Greiner
R.A. Greiner는 University of Wisconsin, Madison의 전기와 컴퓨터 공학과 교수입니다. 그는 전기음향학, 음향측정, 디지탈 신호처리의 응용, 오디오 시스템 설계, 그리고 잡음 감소에 대한 교육과 연구를 하고 있습니다. 그는 전기 기구에 대한 12개의 특허를 가지고 있으며 1984년에 오디오 공학회(AES)의 Fellow로 선출되었습니다.
이 기사는 본인이 10년전에 써서 오디오 공학회(AES, Audio Engineering Society)에 제출하여 AES 논문집(Vol. 28, No.5, May 1980)에 게재된 논문을 개조한 것입니다. 저의 원 논문은 파워앰프와 스피커를 연결하는 케이블에 대하여 논의한 것입니다. 그 이후 수년동안 이 주제와 관계되는 특수한 케이블을 제조하는 업체들이 성장해왔습니다. 그러므로 저는 원 논문의 개념을 좀더 확장시키고 시대 흐름에 맞게 고치기 위하여 몇가지 언급을 해야하겠습니다.
원논문의 내용을 전기 공학 용어에 생소하신 분들도 이해하시기 쉽게 약간 편집을 하였습니다. 그러나 이 논문의 내용은 기본적으로 전기 자기학 이론에 기초한 것이고 지난 10년 동안 쏟아져 나온 광고들이 그 기초를 바꾸지는 못하였습니다.
스피커와 앰프의 연결에 기울여지는 주의의 수준은 아주 여러가지인 것 같습니다. 오디오를 직업으로 하는 이들은 일반적으로 주어진 작업에 따라 적절한 크기와 형태를 가진 케이블들을 선택하지만 다른 많은 사람들은 이러한 문제에 꽤 무심합니다. 그러나 최근에는 스피커에서 나오는 소리의 음질을 높여주는 특성을 가졌다고 하는 '특수' 케이블들의 잦은 출현으로 스피커 케이블에 대한 관심히 눈에 띄게 커졌습니다. 이런 주장들의 대부분은 순전한 환상일 뿐이겠지만 스피커 케이블을 심각하게 따져보아야 할 일말의 필요성은 있어보입니다.
이 기사에서는 가청 대역에서 스피커 케이블을 전송로(transmission-line)로 생각하는 것이 타당한지 조사해보았습니다. 그리하여 스피커 케이블을 짧은 전송로들의 종합적인 등가로 나타낼 수 있는가에 대한 결론에 도달하였습니다. 특정한 주파수들에 대하여 케이블이 앰프와 스피커 부하에 어떤 영향을 주는지 따져보기 위한 계산과 측정을 하였습니다. 스피커의 크로스오버, 레벨 조절 장치, 퓨즈들이 일으킬 수 있는 문제들도 조금 다루었습니다.
케이블의 특성을 전기적으로 표현하는 변수들은 직렬 저항, 직렬 인덕턴스(자기 유도 계수), 병렬 전도계수, 그리고 병렬 캐패시턴스(축전 용량)입니다. 이러한 변수들은 직접 측정하거나 간단한 공식을 이용한 계산을 하여 얻을 수 있습니다. 이 변수들은 전적으로 케이블의 기하학적 구조나 전도체의 특성, 그리고 사용된 절연체의 특성에 의해서 결정되는 값들입니다. 구리선과 고무나 플라스틱과 같은 절연체로 이루어진 각종 케이블들의 대략적인 변수 값들은 표 1에서 보실 수 있습니다.
구리, 은, 또는 고전도성 물질로 만든 전도체들은-만든 방법에 관계없이-비슷하게 동작합니다. 가청 대역에서는 절연체의 종류가 케이블의 특성을 눈에 띄게 변화시키지 않습니다. 그러나 케이블의 기계적인 특성은 특정한 절연체나
특정한 제조 기법을 이용하여 더 좋게 만들 수 있습니다.
선의 굵기가 클수록 게이지 수는 작아지며, 게이지 수가 3 만큼 줄어들거나 커질 때마다 선의 단면적은 두배가 되거나 반이 된다는 것을 주의하실 필요가 있습니다. 절연체의 종류나 선의 도금여부는 가청대역에서 케이블의 특성을 거의 변화시키지 않습니다.
저의 1979년 연구 결과에 나오는 표는 '보통' 케이블과 '특수' 케이블 모두를 다루고 있습니다. 보통 케이블들 중 3개는 고무 절연체를 가진 표준 zip cord와 같은 전형적인 2심 전선입니다. 이것들 중의 하나인 게이지 수 12인 전원 연장용 케이블은 Lucas사가 만든 유럽식 연장 케이블입니다; 이것은 미국식 연장케이블보다 두 심 사이의 간격이 넓어 약간 높은 인덕턴스를 갖습니다. 다른 두개의 보통 케이블은 직업 기술자들이 흔히 사용하는 케이블로서 비닐 외피로 싸여있고 2심을 비틀어 꼰 케이블입니다. 이런 케이블들은 Alpha, Belden, Consolidated나 다른 제조업체에서 만들고 있습니다. RG-9은 표준 동축 케이블로서 이번에 사용한 것은 Belden사에서 만든 것입니다.
특수 케이블들 중 3개는 Mogami사의 고(高)게이지 이중 원통형 동축 케이블과 Cobra사의 꼰 케이블, 그리고 플라스틱 외피를 가진 Fulton 사의 '용접 사이즈' 전선-제가 생각하기에 진짜 용접용 케이블 같습니다.
요즈음의 케이블들이 1979년에 구할 수 있었던 케이블들과 다른 점은 대체로 훨씬 가는 선들을 여러가지 기하학적 형태로 합치고 꼰 것이 많다는 것입니다. 이러한 공법은 케이블의 직렬 인덕턴스를 약간 높이거나 낮춥니다. 인덕턴스를 약간 올리는 공법이나 낮추는 공법이나 모두 케이블의 전기적 특성을 향상시킨다고 주장합니다. 이후의 논의에서
둘 중에 아무것도 가청대역에서 큰 차이를 주지못한다는 것이 밝혀질 것입니다.
표 1을 살펴보면 재미있습니다. 왜냐하면 케이블의 단위 길이당 인덕턴스나 캐패시턴스를 눈에 띄게 바꾸려면 케이블의 기하학적 구조를 아주 다르게 바꾸어야 한다는 사실을 보여주기 때문입니다. 보통 케이블들은, 용접 케이블 쌍까지 포함하더라도, 케이블들의 인덕턴스나 캐패시턴스가 아무리 차이나도 2배 이상이 되지 않습니다.
물론 케이블의 전기 저항은 굵어질수록 크게 작아집니다.
표피효과(skin-depth phenomena)는 가청대역에서 구리선에 아주 약간 영향을 줄 뿐입니다. 20KHz에서 구리의 표피 깊이는 약 0.5mm입니다. 그러므로 게이지 수 14가 넘는 케이블들은 20kHz에서 직류보다 약간 높은 저항을
가질 것입니다. 20KHz일 때와 직류일 때의 저항비율은 표 1에 나와 있습니다.
No. 12 zip cord로 표시된 케이블은 고급 연장선 형식으로서 보통 케이블보다 2심의 간격이 약간 넓습니다. 그러므로 이것은 보통 가정용 전선보다 약간 높은 직렬 인덕턴스를 갖습니다. 이 케이블과 용접 케이블은 보통의 케이블이 갖는 특성 범위에서 약간 벗어나 있습니다.(하나는 약간 높고 하나는 약간 낮고)
Litz-type 전선 구조는 아주 가는 선들로 이루어져 있는데 이에 대해서는 아주 상세하게 설명할 수도 있지만 지금은 이 구조가 가청 대역에서 전혀 의미가 없다고 언급하고 마치겠습니다. 가청대역에서 '표피 효과'는 눈에 띄는 영향을 줄 수 없고, 따라서 표피효과를 좋게하기 위하여 만든 케이블은 어떤 경우에도 그 효과를 볼 수 없습니다.
두 선의 간격을 가깝게하면 직렬 인덕턴스를 줄일 수 있습니다. 그러나 불행하게도 이 방법은 병렬 캐패시턴스를 현저하게 증가시킵니다. 여러가지 방식으로 꼰 케이블들은 직렬 인덕턴스를 3,4배 정도로 낮추고 있지만 캐패시턴스는 10-20배 정도로 높이고 있습니다.
이러한 구조가 갖는 장점이 단점을 능가하고 있는지에 대해서는 나중에 이야기 하겠습니다. 어떤 사용자는 두 심의 간격을 늘리면 선 사이의 '상호 작용'이 줄어든다고 제안했습니다. 그러나 선 사이의 간격을 늘리면 케이블의 인덕턴스가 증가한다는 사실은 잘 알려져 있는 것입니다.
이러한 효과는 표 2에 나와 있습니다. 간격이 큰 선들은 서로 더욱 크게 상호 작용할 뿐아니라 가까이 있는 다른 케이블로부터 신호를 주고 받는 현상(crosstalk)을 보입니다. 선간격을 늘리는 것은 아무런 이득을 주지 못하며 몇가지 아주 심각한 결점을 만듭니다. 이러한 구조는 절대로 가져서는 안되며 여기서 더이상 논의하지 않겠습니다.
몇개의 보통 동축 케이블들은 아주 좋은 인덕턴스, 캐패시턴스 값들을 갖습니다. 그러나 그들 중에 단 몇개만이 스피커 케이블로 사용해도 될만큼 굵은 심선을 가지고 있습니다. 표준 RG-9 케이블이 표 1에 포함되어 있습니다. 이 표에는 그물형태 전선으로 된 두개의 동심 실린더 구조를 가진 특수 동축 케이블도 포함되어 있습니다.
이 동축 케이블은 게이지 수 12이며 저 임피던스 전송로 용으로 설계된 것입니다.
| 표 1 - 전형적인 케이블 변수. 5 번째 행의 비율은 임피던스를 직류 저항으로 나눈 값입니다. | |||||
| 케이블 종류 | 인덕턴스, uH/m |
캐패시턴스, pF/m |
저항, Ohms/m |
Rac / Rdc | ZOH, Ohms |
| No. 18 zip cord | 0.52 | 58 | 0.042 | 1.05 | 95 |
| No. 16 zip cord | 0.60 | 51 | 0.026 | 1.15 | 108 |
| No. 14 speaker cable | 0.43 | 57 | 0.016 | 1.3 | 87 |
| No. 12 speaker cable | 0.39 | 76 | 0.01 | 1.5 | 72 |
| No. 12 zip cord | 0.62 | 49 | 0.01 | 1.5 | 112 |
| 용접 케이블 | 0.32 | 88 | 0.001 | 4.0 | 60 |
| 꼰 케이블 | 0.10 | 1,630 | 0.026 | 1.0 | 8 |
| 동축 이중 원통형 | 0.052 | 580 | 0.01 | 1.0 | 9 |
| 동축 RG-9 | 0.075 | 30 | 0.013 | 1.0 | 50 |
| 표 2-간격 넓힌 No.12 게이지 선 | ||
| 선간격, mm |
인덕턴스, uH/m |
캐패시턴스, pF/m |
| 0.4 | 0.39 | 76 |
| 1.0 | 0.86 | 34 |
| 2.0 | 1.27 | 24 |
| 4.0 | 1.67 | 17 |
| 8.0 | 2.07 | 14 |
| 16.0 | 2.48 | 12 |
| 3.5m | 50.00 | 1 |
케이블을 전송로로 다루는 경우
케이블을 전송로(transmission lines)로 생각할 때 떠오르는 것들은 특성 임피던스, 케이블 끝맺음, 매칭, 반사, 주파수 퍼짐(역자주: 주파수에 따라 신호 전송 속도가 달라지는 것)등입니다.
이 모든 것들은 정당한 개념들이지만 매우 짧은 전송로의 경우에는 거의 고려되지 않은 것들입니다. 그리고 분명한 것은 일반적으로 사용되는 스피커 케이블의 길이는 아주 짧은 전송로입니다. 20kHz 신호의 파장은 16km입니다. 그러므로 10 미터 케이블은 그 파장의 1/1,500에 불과합니다.
케이블의 양끝에서 일어나는 반사때문에 생기는 신호 요동은 30MHz 정도에서나 일어날 것입니다. 다른 관점에서 본다면, 20KHz 신호의 경우에는 케이블의 최종 전압 분포를 이루기 위해서는 신호가 1,500번 반복 교행해야 한다는 뜻이 됩니다. 우리는 보통 사용되는 케이블 길이에서 케이블 양끝에서 일어나는 반사 효과가 가청대역에서 영향을 절대로 줄 수 없다고 결론을 내릴 수 밖에 없습니다.
스피커 케이블의 경우에 반사 효과를 생각할 필요가 없다는 것은 매우 다행스러운 일입니다. 왜냐하면 케이블들의 앰프쪽 끝이나 스피커 쪽 끝은 서로 매치되지 않기 때문입니다. 실제로 소스쪽이나 부하쪽은 꽤 복소수 적이며
주파수에 따라 다릅니다. 그럼에도 불구하고 전형적인 스피커 케이블의 특성 임피던스(이것도 꽤 복소수적임)를 따져보는 것도 흥미있는 일입니다.
전송로의 특성 임피던스는 다음과 같이 주어집니다:
ZO = [(R+iwL)/(G+iwC)]1/2
여기서 R은 단위 길이당 선저항이며 L은 단위 길이당 직렬 임피던스, C는 단위 길이당 병렬 캐패시턴스, 그리고 G는 단위 길이당 병렬 전도계수(conductance)입니다. 이 두 상수중에서 i는 -1의 제곱근이며 w는 2 pi 곱하기 주파수입니다.
모든 실제적인 스피커 케이블에 대하여 G 값은 0입니다. 그러므로 wL가 R보다 아주 클 정도로 높은 주파수의 경우에는 다음과 같이 됩니다:
ZOH = (L/C)1/2
이것이 특성 임피던스라고 부르는 임피던스입니다. 몇개의 케이블에 대한 이 값들이 표 1에 나와 있습니다. wL가 아주 작을 정도로 낮은 주파수의 경우에는 다음과 같이 됩니다:
ZOL = [R/(iwC)]1/2
이 식은 주파수가 R/(2 pi L)보다 작은 경우에 옳은 것입니다. 여기서 R/(2 pi L)을 fm라고 표시합니다. 이 주파수는 보통 스피커 케이블의 경우 가청 대역의 윗부분 중간 쯤에 해당됩니다. 굵기가 작은 보통 케이블의 경우
fm는 13 kHz 정도이고 굵은 용접 케이블의 경우 fm은 520Hz 정도가 됩니다. 꼰 케이블은 40kHz, 실린더형 동축 케이블은 30kHz, 보통 동축 케이블은 26kHz 입니다.
fm보다 훨씬 높은 주파수에 대해서 선상에서 주파수 퍼짐이 없고 임피던스가 거의 순저항과 같이 동작하는 한계점에 도달하기 때문에 아주 이상적으로 동작합니다. 그보다 낮은 주파수에서는 임피던스는 복소수가 되고
따라서 선은 신호에 주파수 퍼짐을 줍니다. 선에서 퍼짐이 생기면 높은 주파수의 신호가 낮은 주파수의 신호보다 케이블 끝에 먼저 도달합니다. 이러한 현상은 선의 직렬 유도 리액턴스가 순저항보다 너무나 작기때문입니다. 전송로 이론의 원리에 의하면 순수하게 찌그러짐 없는 전송을 위하여 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다:
R/L = G/C
보통 오디오 케이블의 경우 G 값이 0이므로 선을 완전 무결하게 만들기는 불가능합니다.
그러나 R은 작게 만들고 C를 작게 만들어서 이 조건에 가깝게 할 수 있습니다. 이러한 조건이 최대한 만족하도록 하려면 L 값이 커야 합니다. 전화 회사에서는 loading coil을 선에 삽입하여 퍼짐에 의한 찌그러짐을 낮춥니다.
몇몇 케이블들이 하는 것처럼 직렬 인덕턴스를 줄이는 것은 전송로의 관점에서 보면 별 의미가 없는 것입니다. 그러나 케이블을 한개의 단일 회로 소자로 생각한다면 모든 요소들을 가능한한 줄어야 할 좋은 이유들이 있습니다;이것은 아래에서 논의될 것입니다.
첫째로 몇개의 전형적인 스피커 케이블들의 퍼짐을 계산해보면 재미있습니다. 모든 케이블들이 어느 정도의 손실과 퍼짐을 주기 때문에 다음과 같은 강력한 질문에 대한 답을 해야 합니다; 어느 정도로?
고주파수 신호와 저주파수 신호의 도달 시간 차이를 알아내기 위해서는 전달되는 신호의 군속도(group velocity)를 찾아내야 할 필요가 있습니다. 군속도는 다음 식으로 주어집니다.
Vp= 2 pi f/b
여기서 b는 다음과 같습니다.
b = (1/2)1/2
[ (ZY)1/2 +BX -GB ]1/2
그리고 다른 값들은 다음과 같습니다.
Z = R +iwL,
Y = G +iwC,
B = wC,
X = wL
G 값은 0이므로 b는 다음과 같아집니다.
b =(1/2)1/2
{ wC [(R2 +w2L2)1/2 +wL]}1/2
주파수 100Hz와 10KHz일 때 몇개의 케이블의 퍼짐 특성을 표 3 에 보였습니다. 이 표를 보면 10미터 케이블인 경우 시간차는 불과 수분의 1 마이크로 초라는 것을 알 수 있습니다-꼰 케이블은 제외합니다-꼰 케이블의 경우에는 좀 나쁩니다. 어떤 경우에도 시간차, 또는 주파수 퍼짐은 상식적인 길이의 스피커 케이블의 경우 문제될 수가 없습니다.
짧은 선을 종합선(Lumped Lines) 변수로 취급하기 전에 우리는 전송로에 대한 일반적인 사항을 한가지 더 따져보아야 합니다. 선은 특성 임피던스보다 훨씬 큰 부하 임피던스가 걸렸을 때는 병렬 캐패시턴스와 아주 흡사하게 보일 것입니다. 훨씬 작은 부하 임피던스가 걸렸을 때는 직렬 인덕턴스와 비슷해집니다. 거의 모든 스피커 케이블은 후자의 기준이 적용되는 것입니다. 일반적으로 특성 임피던스의 고주파 값을 따지는 것은 전반적으로 쓸데 없는 일입니다.
| 표 3-스피커 케이블의 주파수 퍼짐 특성, 퍼짐의 크기 순서로 배열, 두개의 주파수에 대한 진행 속도와 둘 사이의 지연 차를 나타냄 | |||
| 케이블 종류 | Vp(100 Hz), m/S |
Vp(10 kHz), m/S |
지연 차 S/m |
| No.12 전선 (4-cm 간격) | 8.15 x 107 | 1.87 x 108 | 0.69 x 10-8 |
| 동축 RG-9 | 5.67 x 107 | 4.76 x 108 | 1.55 x 10-8 |
| No.12 zip cord | 4.92 x 107 | 2.57 x 108 | 1.64 x 10-8 |
| No.12 스피커 케이블 | 4.03 x 107 | 1.78 x 108 | 1.92 x 10-8 |
| No.18 zip cord | 2.28 x 107 | 1.59 x 108 | 3.76 x 10-8 |
| 동축 이중 실린더 형 | 1.45 x 107 | 1.24 x 108 | 6.09 x 10-8 |
| 꼰 케이블 | 5.45 x 106 | 4.84 x 107 | 16.30 x 10-8 |
케이블을 종합선으로 다루는 경우
분명한 것은 스피커 케이블을 전송로로 다루는 것은 흥미있는 일이기는 하지만 설계할 때 염두에 둘만한 것은 별로 없다는 점입니다. 부하는 복소수 적이며 선은 매우 짧고, 그리고 전송로 이론을 쉽게, 이상적으로 적용하기에는 주파수가 너무 낮습니다.
원리적으로는 가능하지만 엄밀하게 계산하기가 너무 복잡합니다. 이 섹션에서는 케이블을 종합 등가 회로 소자로 나타낼 수 있는 한쌍의 전선으로 취급될 것입니다. 이러한 방법은 적절한 설계 지침이 될 것이며 직관적으로 이해할 수 있는 결과를 줄 것입니다. 앰프/케이블/스피커 회로의 등가 회로는 그림 1이 잘 보여줍니다.
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| 그림 1--케이블의 특성을 나타내기 위하여 종합 회로 소자를 이용한 앰프/케이블/스피커 회로, 10 m 길이 케이블의 전형적인 R,L,C 값은 표 4에 있습니다. |
예를 들어 다루기 편한 수치들을 얻기 위하여 10 m 길이의 전형적인 케이블들의 값들을 표 4에 보였습니다.
이보다 짧거나 긴 케이블들을 사용하는 경우에는 이 예에서 주어진 값들을 확대하거나 줄이면 될 것입니다.
그림 1과 같은 시스템의 경우에는 적어도 두가지 상호 작용을 생각해보아야 합니다. 한가지는 앰프와 총 부하(케이블 포함)의 상호 작용입니다; 또 한가지는 스피커와 앰프(케이블 포함)의 상호 작용입니다.
시스템은 매우 밀접하게 결합되어 있기 때문에 Zo과 ZL의 본질에 대하여 생각해볼 필요가 있습니다. 가능한 모든 경우를 전부 따져볼 수는 없지만 보다 일반적인 경우를 논의해보도록 하겠습니다. 우선 하이파이 시스템의
앰플리파이어쪽 끝을 생각해보겠습니다.
이상적인 앰프라면 Zo가 0인 전압원(Voltage source)일 것입니다. 실제로 많은 고품질 앰프들이 이러한 이상에
매우 가깝습니다. 저역과 중역에서 출력 저항은 0.05 ohm 이하이며 최고 주파수 대역에서도 0.2 ohm입니다. 그 출력은 일반적으로 약간 자기 유도적이라고 할 수 있습니다.
때때로 축전 용량을 가진 부하로부터 앰프의 피드백 루프를 보호하기 위하여 2 uH 정도의 직렬 인덕턴스를
삽입하기도 합니다. 이 인덕턴스는 20KHz에서 0.25 ohm 정도로 리액티브 합니다. 좋은 앰프들은 이러한 축전 용량적 부하를 포함하여 어떠한 종류의 부하에도 안정하게 동작해야 합니다.
아무리 나쁜 케이블이라 하더라도 10m 길이에서 축전 용량이 0.2 uF 정도밖에 안되므로 그런 케이블이 좋은 앰프를 불안정하게 만들거나 발진하게 하지는 않습니다. 2 uH를 20KHz에서 공진시키려면 35 uF의 축전용량이 필요합니다. 그러므로, 앰프/케이블의 상호 작용이 가청 한계 안에서 문제를 일으킬 가능성은 별로 없습니다.
그렇지만 몇몇 앰프들은 아주 약간이라도 부하가 축전 용량적이면 견디지 못한다고 알려져 있습니다. 이것은 앰프 설계에 문제가 있는 것이지 케이블에 문제가 있다고 할 수는 없습니다. 그러므로 이러한 문제는 그러한 관점에서 해결해야 할 것입니다.
앰프의 부하에 대한 민감도 테스트를 하는 것은 어렵지 않습니다. 그리고 그러한 테스트에서 만족스럽지 않은 앰프들은 제거되어야 합니다. 우리는 앰프/케이블 문제는 "좋은"앰프에만 국한시켜서 논의 할 것입니다.
출력 회로를 퓨즈로 보호하는 문제는 명확하지 않으므로 나중에 논의하겠습니다.
좋은 앰프가 주어졌다면, 전기적인 문제는 스피커가 어떤 방식으로 케이블을 구동하며 어떤 방식으로 케이블과 상호 작용하는가-하는 문제가 된다. 앰프는 케이블 축전용량을 구동할 수 있다고 가정한다면 등가회로를 약간 더 간단하게 만들 수 있습니다. 그림 2는 이렇게 간단해진 회로를 보여줍니다.
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| 그림 2--"좋은 앰프"가 케이블과 스피커를 구동하는 것을 보여주는 간단한 회로. 이 회로로 다룰 수 있는 한계 주파수는 표 V에 있습니다. |
여기서 케이블의 직렬 저항과 인덕턴스는 쉽게 잴 수 있고, 잘 알려져 있으며, 특이한 점이 없지만 부하(load)의 경우는 전혀 그렇지 않습니다. 스피커에 대한 등가 회로는 직렬 연결된 저항, 인덕턴스의 조합일 것입니다. 그러나 진짜 스피커는 크로스오버 넷트웍을 구성하는 코일, 축전기, 저항, 트랜스포머 등과 보이스 코일등이 복잡하게 얽혀있는 것입니다.
다행스러운 것은 이 모든 것들을 다 따져보아야 할 필요가 없다는 것입니다. 단지 아주 최악의 한계 상황만 따져보면 됩니다. 아주 낮은 주파수에서는 대부분의 스피커들이 거의 저항 성분만 갖게되며, 이 저항값들은 꽤 낮습니다.
가장 낮은 값은 공칭 임피던스보다 훨씬 아래인 경우도 많습니다. 여기서 우리는 최저값이 공칭 임피던스의
반 이하로 내려가지는 않는다고 가정합시다.
| 표 4--10 meter 케이블의 종합 소자 특성 | ||||
| 케이블 종류 | 인덕턴스, uH |
축전 용량, pF |
직류 저항, Ohms |
임피던스(20kHz), Ohms |
| No.18 zip cord | 5.2 | 580 | 0.42 | 0.44 |
| No.16 zip cord | 6.0 | 510 | 0.26 | 0.30 |
| No.14 speaker cable | 4.3 | 570 | 0.16 | 0.21 |
| No.12 speaker cable | 3.9 | 760 | 0.10 | 0.15 |
| No.12 zip cord | 6.2 | 490 | 0.10 | 0.15 |
| 용접 케이블 | 3.2 | 880 | 0.01 | 0.04 |
| 꼰 케이블 | 1.0 | 16,300 | 0.26 | 0.26 |
| 동축 이중 실린더형 | 0.5 | 580 | 0.10 | 0.10 |
| 동축 RG-9 | 0.75 | 300 | 0.13 | 0.13 |
콘 스피커들이 그렇듯이 스피커가 높은 주파수에서 매우 자기 유도적이 된다면 저주파 문제보다 나쁜 문제는 없을 것입니다. 그러나 축전 용량적인 트위터나 리본 트위터등, 일반적이 아닌 트위터들은 높은 주파수에서 낮은 임피던스 효과를 가질 수 있습니다.
그러므로 고역 한계 주파수 에서 공칭 임피던스의 1/2에 해당하는 순저항적, 자기유도적, 축전 용량적, 부하들을 조사해볼 필요가 있습니다. 음향 스펙트럼의 저역 한계는 20Hz로 하고 고역 한계는 20kHz로 잡을 것입니다.
| 표 5-- 여러가지 부하에 대한 10 미터 케이블의 주파수 한계 | ||||
| 케이블 종류 | ||||
| 고역 주파수,KHz | 4 uF 부하에 대한 공진 주파수, kHz | 20KHz에서 4 ohm 부하에 대한 측정 위상각 | ||
| 2 ohm 부하 | 4 ohm 부하 | |||
| No.18 zip cord | 75 | 136 | 35 | 3o |
| No.16 zip cord | 61 | 114 | 32 | 2o |
| No.14 speaker cable | 82 | 156 | 38 | 2o |
| No.12 speaker cable | 88 | 169 | 40 | 1.5o |
| No.12 zip cord | 55 | 106 | 32 | 4o |
| 용접 케이블 | 100 | 200 | 44 | 1.5o |
| 꼰 케이블 | 360 | 680 | 80 | 1o |
| 동축 이중 실린더형 | 670 | 1,300 | 112 | |
| 동축 RG-9 | 450 | 880 | 92 | |
그림 2에 있는 간략화된 등가회로를 사용하여 몇개의 의미있는 주파수를 계산하였습니다. 우선 보인 것은 부하의 값이 낮고 초고역에서 순저항적인 부하에 대한 고역 주파수입니다. 실제로 이런 부하가 있을 가능성은 별로 없지만, 있다면 최고로 악질적인 부하일 것입니다.
이러한 경우에는 케이블의 직렬 인덕턴스가 고역을 처지게 할 것입니다. 약간의 인덕턴스를 가진 현실적인 부하라면 케이블의 인덕턴스는 부하의 인덕턴스에 묻혀버려 전혀 효과를 주지 않을 것입니다.
두번째는 케이블의 인덕턴스와 축전용량적 부하가 공진할 경우의 공진 주파수입니다. 축전용량적 부하는 4 uF로 하였는데, 그렇게 한 이유는 이 값이 20KHz에서 2 ohm 부하를 주기 때문입니다. 실제로 이런 부하가 있을 가능성은 거의 없지만 최악의 상황을 보여주기 위한 것입니다.
그러므로 표5에 주어진 주파수들은 우리가 구동할 수 있는 최악의 부하를 걸었을 때 가능한 최하의 숫자들입니다. 여기 나오는 모든 주파수들이 가청 한계의 훨씬 바깥쪽에 있습니다. 그러나 그 값들이 아주 높은 것은 아니므로 케이블의 길이를 두배로 한다면 쓸모가 없어질 수도 있습니다.
상식적으로 알고 있는 것과 마찬가지로, 아주 임피던스가 낮은 스피커를 멀리 두면 안됩니다. 만일 아주 긴 케이블을 쓸 수 밖에 없는 상황이라면 임피던스가 높은 스피커를 사용하는 것이 좋습니다. 대부분 가정의 청취실 조건에서는 케이블의 길이가 충분히 짧기 때문에 가청 한계내의 주파수 문제가 일어나지 않을 것입니다.
여기서 한가지 재미있는 것은 더 굵은 전선으로 바꾸어도 고역 공진이나 감쇠 주파수에 별 변화가 없다는 점입니다. 이러한 주파수들은 직렬 인덕턴스에 의하여 결정되는 것입니다. 그러므로 낮은 직렬 인덕턴스를 갖는 케이블을 써야한다는 주장은 설득력이 있습니다. 표준 동축 케이블 형태로 케이블을 만드는 것은 높은 병렬 축전용량을 갖지 않으면서도 동시에 낮은 직렬 인덕턴스를 갖게 할 수 있는 방법입니다.
대부분의 스피커들은 저역에서 최저 임피던스를 갖기 때문에 물리적으로 굵은 전선을 사용하여 직렬 저항을 낮추는 것이 유리합니다. 한가지 이점은 전선의 연결에서 출력의 손실을 줄여주고; 또 한가지는 파워 앰프의 높은 댐핑 팩터를 유지시켜준다는 것입니다.
30 미터 이내의 길이의 케이블과 보통의 스피커를 연결할 때 No.12 게이지 전선 보다 굵은 것은 아무리 최고급 하이파이 시스템이라도 사용할 필요가 없습니다.
많은 종류의 케이블에 저항적이거나, 축전 용량적인 부하, 그리고 실제 스피커를 연결시킨 것을 고감도, 광대역, 차동 앰프 기술을 이용하여 측정하였습니다. 저항적 부하는 스피커보다 구동하기 어려웠습니다. 축전용량적 부하도 스피커보다 어려웠습니다. 어떤 종류의 전기적 문제라도 (예를 들면 위상 이동, 감쇠, 주파수 퍼짐,등) 10 미터 길이의
전선으로 보통의 스피커를 구동하는 경우에는 가까스로 측정할 수 있는 차이만을 보였습니다.
들어서 그 차이를 알아낼 수 있는 경우는 절대로 없었습니다. 케이블 문제를 해결하는 제일 좋은 방법은 앰프를 스피커 가까이에 두어 케이블의 길이를 짧게 하는 것입니다.
앰플리파이어와 스피커를 연결하는 전선에 대한 논의를 할 때는 스피커 내부에 있는 전선의 잔존 효과(residual effect)를 고려해보는 것이 현명할 것입니다. 낮은 주파수에서 가장 나쁜 것은 저역 통과 크로스오버 필터회로의 직류 저항입니다-여기에 보이스코일의 저항도 물론 더해집니다.
결국 인덕터를 구성하는 20미터의 No.18 게이지 전선은 앰프와 스피커를 연결하는 10 미터의 No.18 게이지 전선과(왜냐하면 왕복이므로) 같은 저항을 갖습니다. 거의 모든 스피커들은 내부에 크로스오버 회로를 가지고 있고 레벨 조정 패드등을 가지고 있기 때문에 이러한 내부 저항, 내부 인덕턴스등은 케이블을 바꾸어 생길 수 있는 모든 변화를 무색하게 만들어 버립니다.
이러한 크로스오버 회로의 내부 저항은 보통 앰프들의 높은 댐핑 팩터를 쓸모 없게 만들어버리는 경우가 많습니다. 앰프 출력을 보이스코일에 직접 연결하기 위해서는 크로스오버를 앰프 앞에 붙이는 멀티 앰프 방식을 써야 합니다.
아주 고급 시스템에서는 수동 크로스오버를 제거하는 것이 음질 향상을 위한 방법으로 여겨지고 있습니다.
그러므로 시스템을 개량하고 케이블 문제를 근본적으로 해결하는데 가장 좋은 충고는 -앰프를 스피커 바로 곁에 두고 액티브 크로스오버와 멀티앰프 시스템을 사용하여 크로스오버 회로를 없애버리는 것입니다. 소스 기기로부터 낮은 레벨의 신호를 앰프에 전하는 것은 비교적 간단한 일입니다.
왜냐하면 그 임피던스 크기들이 비교적 높고, 대단히 뛰어난 동축 케이블들은 수십년 동안 사용되었기
때문입니다. 이러한 수법들은 출력 레벨 신호, 험, 열,등을 신호 소스 기기나 프리앰프로부터 멀리 떨어지게 해주었습니다. 이런 종류의 방법등은 일반적이고, 효과적인 공학적 방법이며 프로용 오디오 시스템에서 일반적으로 쓰이고 있는 방법입니다.
이제까지 다루었던 문제들은 선형적인 회로 소자에 대한 것이었습니다. 이상적인 경우라면 출력단에 사용되는 퓨즈도 선형적인 저항입니다. 그러나 퓨즈는 뜨거워지고, 녹으며, 타버리기 때문에 결국은 출력단 회로의 비선형적 소자라고 할 수 있습니다.
퓨즈가 제 역할을 하려면 특정한 출력 레벨 이상이 되면 녹아서 끊어져야 합니다. 대개 퓨즈가 녹아서 끊어지기 직전의 저항은 냉각되었을 때 저항값의 3~4배가 됩니다. 퓨즈 용량의 60%정도가 걸렸을 때는 약 2배가 됩니다.
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| 그림 3--ㅤ퓨즈를 0.8초내에 끊을 수 있을 만큼 큰 20Hz 신호에 대한 퓨즈의 burn-out cycle. 이 오실로스코프 그림에서 전압-전류의 경사가 현저히 변하는 것은 퓨즈가 가열되면서 저항값이 변하는 것을 보여줍니다. | ||||||||||||||||
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| 그림 4--ㅤ스피커 보호를 위하여 설치되는 직렬 퓨즈에 대한 회로. 가능한 최악의 찌그러짐은 표 6에 나와 있음. | ||||||||||||||||
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| 그림 5-- 20Hz 톤버스트와 5kHz 신호를 가했을 때 퓨즈 저항의 변화 사이클. 이 오실로스코프 그림에서 버스트는 8 사이클에서 on이며 32 사이클에서 OFF입니다. 진폭은 퓨즈를 끊는데 필요한 출력의 60%입니다. | ||||||||||||||||
전형적인 퓨즈 단락 사이클(burn-out cycle)이 그림 3에 있습니다; 이 그림에서 사이클마다 저항이 달라지는 것을 똑똑히 보실 수 있습니다. 이 절에서는 이러한 저항 변화로 생기는 찌그러짐이 일상적인 음악 재생의 경우에도 일어날 수 있는가-하는 것을 계산하고 측정해보려고 합니다. 그림 4에 보이는 간단한 회로를 가지고 실험을 할 때, 일반적인 튜브 형태의 퓨즈가 발생하는 찌그러짐의 크기는 표 6에 있습니다.
이값들은 출력 회로에 퓨즈가 끊어지기 직전의 크기를 가진 파워 버스트 펄스를 가할 때 발생하는 intermodulation 찌그러짐을 나타냅니다. 그림 5는 퓨즈가 끊어지는데 필요한 출력의 60%만한 크기의 톤버스트 펄스를 가했을 때 발생하는 전형적인 고역 모듈레이션을 보여줍니다.
이 그림은 20Hz의 톤버스트로 모듈레이트된 5kHz 신호를 오실로스코프로 잡은 것입니다. 5KHz의 모듈레이트된 신호만을 보이게하기 위하여 톤버스트는 필터로 제거 하였습니다. 퓨즈의 가열-냉각 사이클을 똑똑히 볼 수 있습니다.
일반적인 퓨즈의 가열-냉각 시간을 생각하면 퓨즈의 가열-냉각 사이클이 보통 음악의 저역 비트에 영향을 줄 수도 있습니다. 주파수 스펙트럼에 이와 같은 상호작용을 극소화하기 위해서는 멀티웨이 시스템의 각 주파수별로 따로 퓨즈를 마련할 필요가 있습니다. 고속 퓨즈는 일반 퓨즈보다 나쁩니다. 왜냐하면 고속 퓨즈의 온도는 열배나 빠르게
변하기 때문입니다. 이 문제에 대해서는 퓨즈를 피드백 루프에 넣는 경우가 아니라면 퓨즈를 과도한 용량의 것을 쓰든지, 아예 쓰지 않든지 그 밖에 다른 해답이 없습니다. 물론 퓨즈를 전원 공급 선에 넣든지 보통 피드백 루프에 넣든지 해서 해결할 수 있습니다.
스피커 케이블을 전송로로 다룰 필요가 없다는 것은 이미 밝혔습니다. 그리고 전송로 이론으로 매우 짧은 선을 다루면 전혀 틀린 결과만을 얻게되므로 이러한 짧은 선은 종합선(Lumped lines)으로 다루어야 한다는 것도 밝혔습니다. 한편, 잘못 선택된 부하와 긴 케이블을 같이 사용하면 최고역에서 위상, 주파수 특성, 또는 공진등의 결함이 생길 수 있습니다.
명확한 것은 보통 케이블이 아주 적당하며, 기본적으로 완벽하다는 것입니다.
전송로 시스템의 결함에 비유한다면 그렇다는 것입니다-스피커 크로스오버나 레벨 패드와 같은 것은 말할 필요도 없습니다.
몇몇 특수 상황에서는 특수한 케이블이 필요하겠지만 보통의 동축 케이블들을 포함해서 특수한 케이블을 사용하는 것이 성능 향상을 보장하지는 않습니다. 그리고 그러한 특수 상황이라고 해도 짧은 케이블을 사용하는 것보다 좋은 해결책은 없습니다.
이 논문의 원본이 세상에 나온지 수년동안 케이블과 인터코넥트에 대한 관심이 높아졌습니다. 사실상 전혀 새로운 산업이 나타났다고 할 수도 있습니다. "표준" 케이블과는 약간 다른 특성을 갖는 새로운 케이블 디자인들이 쏟아져 나왔습니다. 재미있는 사실은 이러한 디자인들이 두 길을 한번에 가고있다는 것입니다. 어떤 것은 인덕턴스를 올리고 어떤 것은 내리고 있습니다.
어떤 것은 축전 용량을 올리고 어떤 것은 내립니다. 어떤 것은 임피던스를 올리고 어떤 것은 내립니다. 어떤 것은 시간 퍼짐을 줄이고 어떤 것은 증가시킵니다. 대충 이런 상황입니다.
저는 서로 다른 디자인의 케이블들이 주목할만한 음질 변화를 준다는 과학적이거나 통계적으로 의미있는 연구 결과를 본 적이 없습니다. 물론 이 말은 시스템을 구성할 때 케이블에 대하여 염두에 두어야 할 상식이나 주의가 전혀 필요 없다는 이야기가 아닙니다. 나는 다음과 같은 것들을 생각해보시라고 권해드립니다:
비교적 저항이 적은 케이블을 고르십시요-말하자면 스피커의 최저 임피던스의 5%이내가 되는 케이블입니다.
비틀린 전선을 사용하십시요. 이것은 평행하게 설치된 전원 코드나 다른 전선의 간섭을 줄이기 위한 것입니다. 케이블의 양끝을 적당한 스페이드 단자나 나사 단자를 이용하여 확실하게 조여주십시요.
스피커 케이블이나 인터코넥트나 물리적으로 확실하게 연결해주는 코넥터를 사용하십시요. 너무 많은 코넥터는 물리적으로 불안정합니다. RCA 포노 코넥터가 오디오 기기에 사용되는 것은 가장 나쁜 일 중에 하나입니다.
프로용 기기들은 XLR이나 BNC 코넥터를 사용합니다. 금도금은 요즈음 아주 흔해졌고 나쁠 것은 전혀 없습니다.
케이블의 음질 향상 효과가 과학적으로 검증된 것은 아니지만 품질 좋은 케이블을 사용해서 나쁠 것은 없습니다. 이런 케이블들의 가격은 그리 비싸지 않고, 그런 것들을 사용해서 심리적인, 아마도 심리 음향적인 만족을 준다면 그것 나름대로 가치가 있는 것입니다.
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