케이블의 합리적인 운용
과연 케이블은 소리에 어떤 영향을 줄까? 그렇다면 이유가 무엇일까? stereplay는 최근 몇 년간의 테스트를 중에서 가장 정교했던 과정을 통해 이 질문에 대한 대답을 찾아보았다. 당사의 테스트 결과는 누구든지 확인해볼 수 있으며 비교 청취를 위한 고해상도 오디오 파일도 다운 받을 수 있다.
stereoplay는 케이블 사운드라는 주제와 오랜 인연을 가지고
있다. 1980년대 후반, 우리는 현재는 소위 “Blues Pages”라는 지면에서 케이블이 음질에 미치는 영향뿐만 아니라 기술적인 배경에 대해서도 상세히 다룬
적이 있다. 지금도 생각나는 기사 중 하나는 본지의 프리미엄 시리즈로 호르스트 키제베테르(Horst Kiesewetter)가 작성했던 “케이블의 이해”이다. 그 당시 그는 나중에 Hama로
인수된 오디오 사운드사에서 케이블 성형 전문가로 종사중이었다.
그 후 90년대 초에도 본지는 지속적으로 케이블에 대한 기사를
실었는데 이에 대한 반응은 성공적이었다. 본지 워크샵에 게재되었던 교챠형 인터커넥트 컴퓨터 리본 케이블에
관한 기사인 “자작 스피커 케이블 (The Self-Made
Speaker Cables)”는 공전의 히트를 올리기도 했다. 자랑이 아니라, stereplay는 저 인덕턴스 스피커 케이블의 핵심적인 개발자였음을 우리 스스로 주장할 수 있을 정도다. 이는 지금까지 사용되는 일종의 제작 방법으로 당시 이 업계에 처음 발을 들여놓은 제조사들에게도 많은 도움이
되었을 것이며 HMS, 킴버 케이블, 그리고 노도스트가 이
업계의 메이저 메이커로 거듭날 수 있었다.
물론, 우리 스스로 앞길을 가로막는 장애를 만들기도 했다. 예를 들면 stereplay가 1994년
시험을 위해 개발한 케이블은 뛰어난 사후 필터링 특성과 임피던스 측정치를 보여주었고 기술적으로도 완벽한 매칭을 선사한 스피커 케이블이었다. 실제 리스닝 테스트에서도 대단히 뉴트럴했고 깔끔한 소리를 들려주었지만 테스트 수치상으로 훨씬 분리형 비교용
케이블보다 좋다고 이야기 할 수 없었다. 그 때까진 임피던스에만 치중한 반면, 오디오 케이블로 사용하기 위해 필수적인 필터 방식에 대한 검토가 충분하지 못했던 실수를 보여주었다.
<케이블 전문 업체인 와이어월드의 케이블 비교 장치 (Cable
Comparator)는 저전압 신호용 케이블을 A/B 테스트로 직접 연결했을 때와 비교해서
비교 청음을 수행할 수 있다>
저전압 신호용 케이블에서도 똑 같은 추세가 확실히 드러난다. 같은
오디오 컴포넌트에서 다른 컴포넌트로 아날로그 신호를 전송할 때 무기력한 특성을 확인할 수 있었다. 전기적
임피던스 및 전송 기기와 수신 기기 사이의 어중간한 적응 특성에서도 이런 현상이 뚜렷했다. 하지만 임피던스
리니어리티만으로는 그 케이블이 좋은 소리를 낼 것이라 장담할 순 없다.
케이블에서 소리는 측정이 가능할까?
20년 전에 stereoplay는
확인된 측정치와 이와 관련된 음향 특성 사이에서 어 떤 연관성이 있는지를 규명하기 위해 대략 500개의
저전압 신호용 케이블을 사용하여 대규모 측정을 시도했지만 별다른 성과를 얻지 못했다. 그렇지만 이러한
작업이 전혀 무의미했던 것은 아니었다. 우리가 공개했던 표준화된 케이블의 수치를 측정하기 위한 신뢰성을
얻을 수 있는 방법을 개발했으며 향후 추가적인 조사에 사용될 초기 수치를 정보화 할 수 있었기 때문이었다.
물리학적인 이유로 모든 케이블은 ohm으로 표시되는 직렬 저항
R에 이어서 직렬 인덕턴스 L(코일 효과)와 함께 어느 정도의 병렬 캐패시턴스 C(캐패시터 효과)를 가지게 되며 직렬 저항은 전도체 소재의 단면적과 함수 관계가 있는 반면에 병렬 캐패시턴스와 직렬 인덕턴스는
케이블의 구조를 따르게 된다. 네 번째 매개 변수는 컨덕턴스 G로
전송 및 복귀 전도체를 서로 전기적으로 분리하는 절연 저항에 반비례하는 값이다.
이 네 가지 변수 R, L, C 및 G는 모두 전기적 요소로 고려해야 할 일종의 비가역(손실성) 로우패스 필터이다. (맨 하단
도표 참조)
90년대 초에 stereplay는
일반적으로 인정받고 있는 학설에 따라 이 네 가지 매게 변수를 매핑하면 케이블의 소리를 예측할 수 있을 것이라는 컨셉을 기획했다. 하지만 리스닝 테스트와 측정 결과의 연관성을 보여주는 가설을 만들 수는 없었다.
물론 좋은 케이블 역시 사용 의도(저전압 신호, 스피커 또는 디지털용)에 따라 최적화가 필요했다. 증폭 손실을 최소화 하여 고주파 영역에서의 위상 변화를 배제할 수도 있었다.
이러한 방식은 레코딩 스튜디오 같은 곳에서 5미터 이상의 긴 케이블에서는 효과적이었지만
짧은 인터케이블이 압도적으로 많이 사용되는 하이파이 기기에는 적합하지 않았다. 그 정도의 길이는 오염되지
않는 필터로서 저전압 신호용 케이블에서의 우위 인자에는 병렬 캐패시턴스가 포함되지 않기 때문으로 간단히 설명하자면 케이블 임피던스 수치가 아주 낮은
수준에 불과하기 때문에 그 분석 결과가 무용지물이 되기 때문이었다.
손실률과 효율
우리는 1998년의 스피커 케이블 테스트에서 읽은 측정치와 듣는
소리 사이에서 상관 관계의 가능성을 확실히 시사하는 기록을 처음으로 확인했다. 대여해온 최고급 Wayne Kerr 측정 브릿지를 사용하여 최대 3MHz의 미세한 단계별로의
테스트 주파수를 생성해서 기록했다. 그 다음 모든 테스트 참가자들로 하여금 꼼꼼하게 리스닝 테스트를
진행했다. 최상의 신뢰도를 가진 케이블이 비교적 좋기는 하지만 이보다 중요한 흔들림이 없는 일정한 인덕턴스
손실률을 보여준다는 사실에 주목했다.
소리가 복잡하긴 해도 쉽게 설명할 수 있었다. 케이블의 유도용량(코일 효과)는 오염되지 않은 형태로는 이론적으로만 존재하며 실제로는
이론과는 대조적으로 전압의 흐름을 저해하는 다양한 형태의 손실에 의해 영향을 받으며 교과서에 기술된 바와 달리 정확하게 90도로 지연되는 것이 아니라 일례로 위상에서 88도가 벗어나는 경우도
존재했다. 2도의 차이에 대해서는 혹자는 손실각이라고 설명하기도 한다.
그렇지만 직접적으로 명시하기 어려워도 손실률 D(∂ 탄젠트 = 전기적 위상
벡터도에서 직각변 /인접 밑변)로 나타낼 수 있다. 이와 같은 주파수 종속 인덕턴스 손실은 케이블에 따라 더 많거나 또는 더 작게 표시될 수도 있다. 가장 중요한 오염 요소 중의 하나가 소위 표피 효과(Skin Effect 아래
상자 안의 설명 참조)로, 인덕턴스 감소에 비례해서 최소화
할 수 있다.
<와이어월드 케이블 비교 장치로 테스트하기 위해서는 절연에 특히 주의를 기울여야 한다. 이유는 소스기기와 수신 기기 사이가 서로 뒤쪽으로 마주보고 캔틸레버 상태를 유지해야 되기 때문이다>
측정 (Measurements)
케이블 매개 변수는 주파수에 따라 크게 달라지기 때문에 우리는 테스트에 선정된 제품을 각각 100Hz, 1kHz, 10kHz 및 100khZ 4가지 주파수로 측정했다. LCR 측정 브릿지는 Agilent(이전 HP) 4263A로 보정했으며 4극 측정 방식 덕분에 무척 정확한 수치를
얻을 수 있었다. 이들 값들은 모두 케이블 커넥터를 포함해서 측정된 수치임을 감안해야 한다. 케이블 길이가 약 1미터에 불과하기 때문에 커넥터의 영향도 무시할
정도는 아니다.
따라서 더 긴 길이의 케이블에 대한 값을 산정하기 위해 단순히 이 값에 곱하기를 해서는
절대로 정확한 값을 얻을 수는 없다. 각각의 측정치가 예상 범위 내이기는 하지만 뚜렷한 차이를 드러냈다. 여기에서 반덴헐(Van Den Hull)은 놀라운 값을 보여주었는데
이는 다른 전도체에 비해서 탄소 섬유 전도체의 직렬 저항이 약 5옴 정도 높은데 기인한다. Clear Audio와 카다스 케이블의 병렬 캐패시턴스 용량은 미터당 약 200피코패러드(pF)로 긴 케이블로 사용하기에는 그다지 적합하진 않다.
직렬 저항과 인덕턴스
스피커 케이블은 전력을 전송하기 때문에 인터커넥터에 비해 전류 레벨이(해설
– 스피커 콘을 움직여야 하기 때문에) 훨씬 중요하다. 따라서 저항 R과 인덕턴스 L(적절한
수준의 손실이 있는), 즉 직렬 효과가 기본적으로 중요한 포인트이다.
반면 인터커넥트 케이블은 전압만 전달하기 때문에 작동 상태를 쉽게 예측할 수 있다. 이러한
이유로 병렬 캐패시턴스 C와 컨덕턴스 G는 특별한 관심 대상이
된다. 그래서 스피커 케이블에서의 인덕턴스 소멸율 D에 대한
대응 요소인 커패시턴스 손실율도 관찰해야 한다. 그리고 손신율은 저전압 신호용 케이블이 서로 다른 소리를
내게 만드는 주요 인자이기 때문에 stereoplay에게는 관심이 갈 수 밖에 없는 주제이다. 그렇지만 짧은 케이블에서 이 인자가 미치는 영향력의 크기를 측정하는 것은 사실상 불가능했다.
이러한 문제에 대해 XLO 케이블의 설립자이자 전임 개발 담당자였던
로저 스코프는 흥미 있는 언급을 했다. “나는 경험이 풍부한 기술자들이 간혹 케이블 사운드에 대한 개념에
대해서는 조소하지만 그러고 나서는 캐패시터의 경우도 근본적으로 동일한 문제임에도 불구하고 캐패시터 종류에 따른 기술적 그리고 음향적 장단점은 인정한다는
사실에 놀랄 수 밖에 없다”
그의 이야기가 맞다. 전도체 사이에 들어있는 유전체 또는 절연체라고도
부르는 절연용 소재의 특성은 인터커넥트 케이블에서 특히 뚜렷한 역할이 있다. 전도체 사이에 공기가 들어있을(해설 – 에어 튜브라 부른다) 때가
가장 성능이 뛰어나며 이어서 PTFE(테프론), 발포 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)이 뒤를 따르지만 어쨌든 염화비닐수자(PVC)를 케이블 외부를 씌우는 용도로는 좋아도 절연체로서는 성능이 떨어진다.
전도체 소재는 끝 없이 토론할 수 있는 주제이다. 구리가 케이블의
직렬 저항을 고려할 때 원가와 전기 전도율 양 측면에서 최선의 절충안이라는 것은 분명하다. 구리는 그런
측면에서 몇 가지 브랜드의 제품을 화학적으로 분석하면 실제로 항상 동일한 성분으로 발견되는 올리브유 같은 것이라고 얘기할 수 있지만 그 느낌은
각기 다르다. 원료와 제조 방식 역시 품질에 많은 영향을 미치기 때문에 설사 저항 특성이 동일한 구리라고
해서 모두 똑 같은 특성을 가지도록 만들어지는 것은 아니다.
셀 수 없이 수 많은 리스닝 테스트를 통해, stereplay는
구리와 은을 사용했을 때 소리의 차이를 직접 들어보았다. 은 케이블은 솔리드 알루미늄 구조로 제작된
전도체일 경우 순도가 개선되는 효과가 있었다. 한편 은도금한 구리 전도체의 은 도금측이 너무 얇을 경우
다소 바람직하지 않은 현상으로 고역에서 소리가 너무 낭랑해지는 기미도 나타났다. 그런 경우에는 표피
효과 때문에 눈에 뛸 정도로 상이한 전파 속다가 생성되는 현상이 나타났다.
표피 효과 (Skin Effect)
더 높은 주파수가 전송 될수록 전도체 표피에 더 많은 전류가 흐르는 경향이 있다. 전류의 흐름은 배선 내부의 전자기 상호 작용으로 대체할 수 있다. 표피
효과는 150kHz 이상의 무선 주파수에서 아주 뚜렷이 작용하지만 케이블에서 오디오 주파수의 최상위
대역에서도 확실한 작용을 한다.
예를 들면 6mm2의
단면적을 가진 스피커용 케이블에서 흐르는 20kHz의 교류는 0.46mm의
E 투과 심도만 가질 뿐이다. 이는 직류에 적용되는 6mm2의 원래 단면적이 아니라 3.2mm2의
단면적을 통해서만 전류가 흐른다는 의미이다. 이 단면적은 거의 절반에 이르도록 효과적으로 줄어들며 또한
그렇기 때문에 직렬 저항도 거의 두 배로 늘어나는 것이다. 이 원리를 정확하게 알고 싶으면 아래와 같은
자동 재계산용 방정식을 이해해야 한다.
여기에서 e는 mm, ρ는 Ωmm2, f는 kHz 단위이다.
μr은
구리, 은 및 금 = 1 세트
ρ (구리)
= 0.01724 Ωmm2
ρ (은)
= 0.01612 Ωmm2
ρ (금)
= 0.02222 Ωmm2
내부 전도체가 특히 두꺼운 케이블은 표피 효과 측면에서 확실히 불리하다는 사실을 확실하게 알 수 있다. 고주파 대역이 전송되는 경우에 이러한 문제는 직경이 투과 심도의 2배
이하인 개개의 전도체를 사용해서만 피해갈 수 있다.
<전기 등가 회로 배선 – 전형적인 특성, 직렬
저항 R, 직렬 인덕턴스 L, 션트 커패시턴스 C 및 컨덕턴스 G는 상기 그림에서 각각 별도의 요소로 표시되어 있다. 이 그림은 손실형 로우패스 필터를 설명할 때 종종 사용되기도 하지만 케이블 사운드 현상에 대한 설명에는 별로
도움 되지 않는다>
2부에서 더욱 재미있는 이야기가 펼쳐집니다.