톤암(Tone-Arm)에 대해서 알아보자

[관운]

톤암(Tone-Arm)

톤암은 고급 LP재생기에서 가장 복잡하게 보이고 멋있게 보이는 부분으로, 카트리지의 자세와 침압을 만들어 주어 카트리지의 설계 성능이 제대로 나오게 하는 보조적인 일을 합니다.

다른 형태의 역할은 레코드 판에 기록된 신호의 진동과 휜 판이나 턴테이블의 낮은 진동 등등의 럼블 잡음을 분리하는 역할을 합니다. 신호와 휨 등에서 나오는 잡음의 분리를 위해서 카트리지의 compliance와 톤암의 무게와의 공진의 매칭이 중요한 것입니다. 이 공진 주파수를 경계로 카트리지가 재생하는 신호의 주파수와 톤암이 흡수하는 럼블 잡음의 주파수로 나누어집니다.

대부분의 경우는 턴테이블과 암과 베이스와 카트리지까지 일체 System으로 보급되나, 일부 고급기는 톤암을 별도로 붙이거나 교환 할 수 있게 되어 있고, 여러 회사에서 독창적인 아이디어에 의한 여러 종류의 톤암을 생산하고 있습니다. 일부 턴테이블에서는 여러 개의 톤암을 붙이는 것은 카트리지를 선택해서 사용한다는 정도의 의미입니다. 복잡하게 만든 것이나 기능이 많은 것은 카트리지의 자세 조정을 편하게 하기 위한 것으로 실제 사용상으로는 단순한 것과 차이는 나지 않습니다.

톤암의 종류

톤암은 모양과 길이와 조정 방법과 구조에 따라 여러 형태가 있습니다. 톤암의 종류는 모양에 따라 직선형/J자형/S자형/linear tracking tone-arm 등으로 나누어 집니다. Linear tracking tone-arm을 tangential tone-arm, 축을 중심으로 원 운동을 하는 일반적인 톤암을 radial tone-arm이라고도 합니다. Radial tone-arm에서 톤암의 지지점으로부터 바늘의 팁까지의 유효 길이에 따라 9~10인치 전후인 표준형과 12인치 전후인 long tone-arm으로도 분류가 됩니다.

침압을 가하는 방법에 따라 dynamic balance형 / static balance형 / 전자 제어식 등등으로 나누어집니다. 기타로 래트럴 밸런스 조절의 유무, antiskid (bias control)조정 방식, headshell 의 종류 등등으로 더 나누어집니다. 또 톤암 축의 지지 방법에 따라 나누어 지기도 합니다. P-mount 톤암과, 특정한 카트리지를 전용 고정 방법을 사용하는 integrated 형 등도 있습니다.

대표적인 톤암 (직선형, J자형, S자형, Linear Tracking Arm)

직선형 암은 톤암의 축이 직선인 구조로 된 것을 말하며, 단순하며 가볍게 만들 수 있다는 장점은 있으나, 표준 헤드쉘을 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있습니다. 헤드쉘이 고정되어 있거나 전용 교환 헤드쉘을 사용하며, 특정한 offset 각을 헤드쉘에서 가지고 있습니다. 일부 DJ용으로는 수평 트래킹 각도 보상을 무시한 형태의 offset각이 없는 것도 있습니다. 직선형 암의 최대 장점은 헤드쉘의 무게를 포함하여 10g 남짓의 등가 무게를 가지면서 견고함을 유지 할 수 있다는 것이나, 의외로 무거운 직선형 암도 있습니다.

J자형 암은 직선형 암에 표준 헤드쉘을 붙이기 위해 arm tube의 끝을 offset 각도에 해당한 만큼 굽힌 것 입니다.

S자형 암은 표준 헤드쉘을 붙이기 위한 offset 각을 만들고, 암을 지지하는 축이 암과 직각이 되게 하고, 무게 조절용 추의 방향이 암의 지지축의 중심과 팁의 위치와 일치하게 만들어서 침압 조절시 레터랄 밸런스의 조절이 유지되게 하는 구조 입니다. 기계적인 구조가 단순하기에 일반적으로 많이 사용하는 방식이나, 암 튜브 길이가 상대적으로 길어지고 정확히 만들기 위한 공정이 복잡하다는 단점이 있습니다.

리니어 트래킹 암은 암의 위치를 트래킹 오차가 최소가 되게 유지시켜주는 써보 모터를 이용한 기구로 구성하는 짧은 암을 가집니다. 써보 모터를 사용하지 않는 방법도 있으나 신뢰성에서 한계가 있습니다. 가장 이상적인 톤암이나, 써보(?) 기구를 적용하기 위한 구조에 의해 성능에서 한계를 가집니다. Maniac들이 좋아하지 않는 멋없는 모양이며, 카트리지의 종류가 제한된 모델이 많고, 일부 제품에서 써보 기구가 작동하는 모터 잡음이 있었다는 등등의 이유로 그렇게 많이 보급이 되지 않았습니다. 근래에도 몇몇 회사에서 고가로 만든 리니어 트래킹 톤암이 나옵니다. 여기에서는 radial tone-arm 중심으로 정리를 했기 때문에 linear tone-arm 이야기는 줄이겠습니다.

또 하나의 분류는 대응하는 카트리지의 무게와 침압의 범위로 경침압용과 중침압용으로 구분할 수 있습니다.

톤암의 음질

톤암에 의한 음질의 차이는 카트리지의 영향에 비하면 차이가 없다는 수준입니다. 카트리지가 정확히 장착 되었다면, 카트리지의 특성에 의해 모든 것이 결정되어 암의 모양으로는 소리가 달라질 이유가 없습니다. 차이가 난다면, 카트리지의 설치 오차(톤암의 길이도 포함)나 암의 무게에 의한 저음의 공진과 암의 기계적인 공진 형태 정도 입니다. 비싼 암 중에는 다기능인 것이 많으나, 설치 조정이 조금 편하다는 정도이고, 사용상 영향이 없는 것을 조정하게 된 것도 다수 있습니다.

톤암의 길이

톤암의 길이는 일반적으로 mounting distance나 실효 길이를 말하며, mounting distance는 톤암의 축 중심에서 플래터의 중심까지의 거리이고, 실효 길이는 mounting distance에 overhang을 더한 것 즉 톤암의 축에서 바늘의 팁까지의 거리 입니다. 실효 길이가 대략 220mm에서 320mm까지 여러 종류가 있으나 대략, 235mm전후와 300mm전후에 거의 80% 이상이 분표합니다.

Long arm

12인치 또는 그 이상의 long arm은 수평 트래킹 오차로 발생하는 일그러짐 율의 최대치(판의 최외각 부와 최내각 부에서 발생함)가 조금 작다는 것 또는 같은 오차 내에 들어가게 조절할 때 조금 여유가 있다는 것 또는 16인치의 판이나 레코드 판의 내부 특히 7인치 판을 재생할 때의 트래킹 에러를 보정할 수도 있다는 장점이 있습니다. 대신 턴테이블의 크기가 커져야 하고, 톤암이 무거워진다는 단점이 있습니다.

톤암의 등가 무게

톤암 자체의 등가 무게에 카트리지 무게와 헤드쉘의 무게가 더해져서 전체 등가 무게가 되며, 이 무게에 의해 편심과 휨에 의해 불필요한 힘이 stylus tip과 레코드 판에 가해지고, 침압보다 클 때 튀게 됩니다. 심하게 휜 레코드 판을 경침압 카트리지를 사용할 때는 톤암의 전체 등가 무게가 침압의 10배 이하는 되어야 하고 일반적인 경우는 침압의 25배 이하가 되어야 합니다. 또한 이 무게가 카트리지의 compliance와 큰 공진을 일어나고, 그 공진주파수로 신호와 럼블 잡음을 분리해야 하기 때문에 그 공진주파수가 10Hz(8~13Hz)가 되도록 매칭시켜 주어야 합니다. 가벼운 것은 10g(그람) 이하에서부터 무거운 것은 헤드쉘 없이도 20g을 넘어가는 것도 있습니다. 근래에 주종을 이루고 있는 직선형 암이 고정된 헤드쉘을 포함하여 10g을 조금 넘게 만드는 것은 compliance가 큰 카트리지에 대응하게 만든 것입니다. 톤암이 대응할 수 있는 카트리지 무게는 대략 톤암이 밸런스를 맞출 수 있는 무게 범위를 의미하는 것입니다.

톤암의 구성

톤암은 카트리지를 고정하는 헤드쉘과 헤드쉘 커넥터와 tone-arm tube와 tone-arm의 지지부와 고정부와 각종 조정부와 동작시키기 위한 기구로 구성됩니다. 톤암의 기계적인 공진은 tone-arm tube 자체의 stiffness와 헤드 부분의 무게에 의해 주로 일어납니다. 이 공진의 영향을 최소화하기 위해서는 톤암의 강성이 크고 가볍고 짧은 것이 유리하며 톤암 내부에 댐핑 재질을 넣기도 합니다.

Tone arm tube는 가벼운 금속 파이프를 가공한 것과 주조한 것이 있습니다만, 길이와 가공 정밀도와 자체 공진의 특성과 무게 등에서 차이가 날 것이 없습니다. 가공 정밀도도 pivot부와 카트리지의 조립에서만 문제됩니다.

톤암에는 T4P 또는 P mount라고 하는 특수한 카트리지를 사용해야 하는 것과 표준 1/2인치 고정 방식의 카트리지를 사용하는 것이 있습니다. 톤암에 붙어있는 헤드쉘에는 교환 방식과 비교환 방식이 있고, 표준 방식인 universal headshell을 사용하는 톤암과 전용 비표준 방식이 있습니다. 다수의 카트리지를 사용하고자 턴테이블이나 톤암을 구할 때는 표준 헤드쉘용이냐 또는 쉽게 구할 수 있는 것인가를 확인해야 합니다.

P mount용은 모든 것을 표준화하여 조정이 필요 없는 특수한 형입니다. 고급 카트리지의 종류가 많지 않고, 별도의 암을 만들어 파는 것이 없어서 여기 논의에서는 제외 합니다.

P mount용을 제외한 대부분의 톤암에는 침압 조정부와 antiskid bias조정부가 있으며, 고급 톤암에서는 암의 높이 조정부와 azimuth (카트리지의 좌우 기울기) 조정부와 lateral balance 조정부가 있습니다. 이러한 고급기능은 카트리지를 조립할 때 편하다는 점은 있으나, 사용상 성능과는 무관한 것입니다. 잘못 조정되었을 경우에는 성능에 문제가 생길 수도 있습니다. 카트리지를 바꾸면서 사용하는 경우는 조정 기능이 단순한 것이 오히려 편합니다. 카트리지가 달린 헤드쉘을 교환하면서 침압과 bias만 다시 설정하게 하는 것이 편합니다.

Pivot 축

톤암의 또 하나의 중요한 부분은 지지축(pivot)으로, 베어링, knife edge, 보석 등을 사용합니다. 중요한 것은 움직임에 저항이 작아야 하고 정확한 평면을 유지해야 하고 움직일 때 자체의 진동이 없어야 합니다. Radial tone-arm에서 가장 많이 사용되는 것은 수직 수평의 움직임을 베어링 또는 점으로 지지하는 gimbal을 이용하는 형식 입니다. 일부에서는 수평면의 움직임 면을 유지하기 위해 정밀 베어링으로 축을 지지하고 수직은 knife edge를 사용하는 것과 움직임 저항을 없애기 위해 자석을 사용한 것도 있습니다. 한 때 유행 했고 지금도 일부 회사에서 생산하는 하나의 점으로 지지하는 unipivot 방식은 gimbal 방식의 단점인 베어링의 정밀성에 대해 강점이 있다고는 하나, 비슷한 문제가 unipivot에도 있고 무게의 중심 문제로 가벼운 톤암에서는 레터랄 밸런스와 턴테이블의 수평 등등을 정확하게 맞추어 주어야 하기 때문에 근대적인 카트리지에서는 장점이 없습니다.

암대에서 앞뒤 상하 좌우로 작은 힘을 주었을 때에 유격이 없어야 하고, 축의 움직임에 저항이 10밀리그램 이하가 되어야 합니다. 움직임 저항의 테스트 방법은 antiskid bias를 ‘0’으로 하고, 톤암을 수평으로 밸런스를 맞추고 밀리그램까지 읽을 수 있는 계측기로 움직임 저항을 알아보는 방법과, 무게를 아는 프린터용지 등을 0.5cm 평방이 되게 잘라서 톤암이 바이어스가 없는 수평 상태에서 헤드쉘 위에 몇 개를 충격 없이 올리면 움직이느냐를 고정된 현미경으로 보는 방법도 있습니다.

톤암의 기타 기능

기타 기능으로는 톤암 고정장치(tone-arm rest)와 arm lifter와 톤암 댐퍼가 있습니다. 암 리프터는 판이 돌아갈 때 안전하게 톤암을 들거나 놓는 역할을 하며, 대부분이 댐퍼 장치가 있어서 톤암이 급히 내려가는 것을 방지하고 있습니다. 암 리프터의 댐퍼는 주로 오일을 사용하며 오일을 교환하게 되어있는 방식이 있고, 전자적인 제어나 기구적인 관성을 이용하는 것이 있습니다.

톤암 damper는 톤암에 부착물을 달고 그 부착물을 댐퍼용 오일에 담그는 방식 또는 전자 제어식 또는 자석식 등을 사용합니다. 톤암과 바늘의 공진, 톤암의 자체 공진을 줄이는 역할을 하지만, 톤암의 운동에 약간의 저항을 준다는 것과 오일의 오염 또는 유출 등의 문제가 있습니다.

헤드쉘

헤드쉘은 플라스틱으로 만든 것, 알루미늄 합금판을 찍어서 만든 것, 알루미늄 합금이나 가벼운 금속을 성형하여 만든 것 등등이 있습니다. 대표적인 형태는 얇은 금속으로 카트리지를 싸고 있는 듯한 형태와 가벼운 금속으로 ‘ㄱ’자 모양으로 만들어서 카트리지를 노출시키는 형태가 있으며, 기계적인 공진의 방지와 사용상으로는 카트리지가 노출되는 형태가 좋으나 무게는 약간 무거워집니다. 헤드쉘의 기계적인 강도 문제가 없는 범위에서 가벼워야 합니다. 헤드쉘과 카트리지의 자중의 합이 톤암의 총 등가 무게 중의 큰 부분을 차지하고 있기 때문에 헤드쉘의 무게가 중요합니다. 카트리지와 톤암의 형태에 따라 총 무게를 헤드쉘의 무게로도 조정할 수도 있습니다. 일반적으로 6그람 정도에서 20그람 정도까지 있으며, compliance가 크고 침압이 작은 카트리지에는 가장 가벼운 것을 사용하고 compliance가 작은 것은 무거운 것이 좋습니다. 카트리지의 무게와 헤드쉘의 무게는 톤암이 수평을 조정할 수 있는 범위 내에 있어야 합니다. 표준 헤드쉘은 overhang의 길이와 높이와 무게를 제외하고는 서로 호환성을 가지고 있습니다. 톤암 마다 overhang 길이가 다르기 때문에 확인해야 합니다.

DJ용으로 공급하는 추는 사용하지 말아야 합니다. Scratching 용으로 공급하는 것으로, 가볍게 만든 톤암에 반대로 무게를 늘일 일이 없습니다. 카트리지를 고정하는 나사 등을 알루미늄 등의 가벼운 금속이나 플라스틱으로 만드는 것도 무게를 줄이기 위한 것입니다. 고정식 헤드쉘은 무게를 줄일 수 있는 좋은 방법이나, 카트리지를 쉽게 교환할 수 있는 편리함을 잃어버립니다.