디지털 피아노의 작동 원리와 주요 구성 요소

디지털 피아노의 구조는 크게

건반 어셈블리(건반과 그 아래에 위치한 해머 액션 메커니즘)
메인 PCB (Main Circuit Board): 마이크로컨트롤러(MCU) 또는 DSP 기반의 임베디드 메인보드.
사운드 시스템.(소리를 출력하는 유닛)

으로 구성 됨.

아래 시리즈에 세가지 항목을 나누어 디지털 피아노 내부의 컴퓨터와 출력 시스템이 어떻게 연결되어 작동하는지 설명함.

아래는 Keyboard로 통칭하는 다양한 전자악기의 구분임.

1. 디지털 피아노의 입력부(건반 어셈블리)

디지털 피아노의 건반을 누르면, 아래 그림의 축이 움직이면서

시소처럼 해머(무게추)를 들어올림

이때 해머의 질량, 레버비, 마찰, 복귀 스프링이 합쳐져 초기 관성과 저항을 만들어서 터치감이 결정 됨.

각 건반과 레버 아래쪽에 letoff 장치를 물리적으로 만들어서 건반을 천천히 누를 때 걸리는 느낌을 주는데, 이게 Escapement를 구현해서 그랜드 피아노의 해머의 이탈(렛오프)느낌을 줌.

여기서, 건반이 완전히 복귀하지 않아도 빠른 연타가 가능하도록 해주는 Double Escapement는 3센서 디지털 피아노의 세번째 센서가 감지해서 구현함.

그리고 아래 처럼 건반 앞쪽(손가락 닿는 쪽 반대편)이나 내부 하단에 작은 금속추가 들어 있는데, 이건 뒤쪽의 해머나 레버의 질량으로 생기는 무게감을 상쇄해서 건반이 균형 잡히고 부드럽게 복귀되도록 만드는 역할임.

이렇게 건반을 누를 때 Escapement를 구현해서 그랜드 피아노의 해머의 이탈(렛오프)느낌을 만들고, Counterweight를 통해 건반의 복원력을 구현한 것임.

디지털 피아노 제조사들은 이 두 가지 기술을 얼마나 정교하게 적용했는지에 따라 건반 액션의 등급을 나누고,

이걸 어떻게 구현했느냐는 브랜드별로 달라 각각의 특색이 결정됨.

이렇게 눌린 건반은 아래쪽의 고무접점을 눌러 기판을 통해 건반의 터치 깊이와 속도(벨로시티), 소리의 강약(다이내믹스)을 신호로 보냄.

2. 디지털 피아노의 메인보드

위 링크의 글에서 건반의 입력 구조와 흐름을 설명한대로 디지털 피아노의 건반을 누르면 벨로시티와 다이내믹스가 신호로 전송됨.

그 신호는 아래와같은 디지털 피아노의 메인보드가 받아서 처리함.

디지털 피아노의 내부 컴퓨터는

초저지연(Low Latency) 실시간 처리와 브랜드별 사운드 엔진 구현, 안정성 및 내구성 유지를 목적으로

임베디드 시스템으로 구성되어 있음.

이렇게 만들어진 소리는 공통 버퍼 앰프를 통해

헤드폰 앰프 - 헤드폰 잭
line out
파워앰프 - 스피커

의 3개로 동시에 전달됨.

DSP 출력 (디지털) — ①녹음

ㅣ

DAC

(Digital-to-Analog Converter)

ㅣ

아날로그 신호

ㅣ

공통 버퍼 앰프 ----②여기서 임피던스 매칭

ㅣ

ㅣ- 파워 앰프 - 스피커

ㅣ- ③라인아웃 (버퍼 앰프만 거침)

ㅣ- 헤드폰 앰프 - 헤드폰 잭

①녹음

내부 녹음은 DSP가 만든 음원 그 자체로 가장 음질이 좋음.

USB 오디오 녹음 또한 같은 음질임.

USB 오디오 전송에서 문제가 생기면 음질이 조금씩 흐려지기보다 끊김이나 잡음으로 드러나는 경우가 많음. 정상적인 케이블과 시스템에서는 전송 오류를 실사용에서 걱정할 필요가 거의 없음.

②임피던스 매칭

DAC 자체의 출력은 내부 저항이 높고 전류를 많이 못 보냄. 보통 구동력이 약하다고 표현함.

DAC 신호를 그대로 쓰면 노이즈에 취약해 케이블 길이 등의 외부요인애 따라 음질이 달라짐.

그래서 공통 버퍼 앰프가 DAC의 약한 출력을 받아서 낮은 출력 임피던스(보통 100~600Ω)로 변환해 멀리 보낼 수 있는 신호로 만들어줌.

③라인아웃

라인아웃 = 의도적인 낮은 출력을 뜻함. 보통 라인레벨의 출력이라고 말하고, -10 dBV (Consumer 라인 레벨)의 출력임.

** Professional 라인 레벨이라고 +4 dBu (약 1.228V)짜리도 있음.

라인아웃은 보통 믹서/앰프로 가고, 믹서나 앰프는 라인레벨의 신호를 위해 설계되어 있으므로 전문 장비에서 증폭하라고 의도적으로 낮게 출력함.

라인 출력은 다음 장비의 라인 입력이 받도록 정해진 전압 범위와 임피던스로 신호를 보냄. 출력이 무조건 낮을수록 깨끗한 것은 아니며, 송신부와 입력부의 기준 레벨을 맞춰야 신호 대 잡음비와 헤드룸을 확보할 수 있음.

그래서 라인아웃을 쓰려면 앰프로 받아 스피커로 출력하거나, 앰프가 내장된 액티브 스피커를 써야함.

덧붙여

이 기판은 야마하 CLP-735의 메인보드임. 가격은 $135임.

이 보드는 내부의 다른 연결부와 전부 커넥터로 연결됨. 만약 메인보드 고장이 맞고, 부품을 구할 수만 있다면 사서 직접 수리 교체하는 게 좋아.

전원 분리하고
외부 연결 다 빼고
뒷판이나 하판 열고
커넥터(키 스캔, 스피커, 전원, 패널 등) 빼고
메인보드 고정 나사 풀고
조립은 분해의 역순

이것 말고도 디지털 피아노 내부엔 다양한 보드들이 있는데, 어디가 고장난건지 정확히 알아내기가 어렵고 부품을 구하기가 어려운 게 문제지 교체는 다 커넥터 방식이라 쉬움.

부품 수급은 아래 링크 글 참고

3. 디지털 피아노의 사운드(내장 스피커)

디지털 피이노를 처음 접할 때 기장 큰 실망을 주는 요인은 스피커임.

어쿠스틱 피아노는 현의 울림을 향판(Soundboard)의 공명으로 증폭하는데, 디지털 피아노의 내장 스피커 유닛은 향판처럼 공간 전체를 울리기엔 여러모로 부족함.

디지털 피아노의 구조적 한계

콘솔형의 내장 스피커는 캐비닛 내부에 위치한데다, 소리가 연주자에게 직접 향하지 않고 위, 아래, 뒤 등 간접적인 위치에서 나와 연주자에게도 청취자에게도 만족을 주지 못하고, 입체적으로 분산되는 어쿠스틱의 특성을 재현하기 어려움.

콘솔 구조(디지털 피아노 박스)와 울림통 역할

스피커가 완성된 소리를 내려면 유닛의 성능에 맞는 인클로저(Enclosure, 스피커 박스)의 설계가 필요함.

그런데, 디지털 피아노의 캐비닛은 음향 전문 기기가 아닌 가구의 형태로 설계된데다 건반, 앰프, 보드를 모두 담아야 하므로, 음향학적으로 완벽한 인클로저 설계가 불가능함.

또, 스피커에서 나온 소리를 내부에서 반사해 목재를 진동하게 만들어 스피커 유닛이나 내부 앰프가 가진 성능보다 더 큰 소리를 만들어주지만, 이로 인해 불필요한 공진(Resonance)이나 특정 주파수의 왜곡이 발생하고 음질저하의 주원인이 됨.

이런 이유로 내장 스피커와 동일한 음량을 가진 액티브 스피커와 비교했을 때 외장 스피커의 소리가 작다고 느껴질 수 있음. 공명을 추가해 더 큰 소리를 만드는 캐비닛의 울림이 오히려 선명하고 깨끗한 외장 액티브 스피커의 소리가 상대적으로 빈약하게 느껴지는 착각이 발생함.

이는 사실 음질의 우수성이 아니라, 단지 제어되지 않은 특정 대역의 ‘공진음’이 부각되어 크게 들리는 것 뿐임. 선명도(Clarity)나 해상도(Resolution) 면에서는 잘 설계된 외장 액티브 스피커가 압도적으로 우수하지만, 많은 사용자가 당장의 ‘울림’과 ‘음량’에 현혹되어 이 ‘지저분한’ 캐비닛의 울림을 ‘풍성함’으로 오해함.

향판 스피커

물론, 디지털 피아노 제조사들도 이러한 구조적 한계를 인지하고 있고, 가와이를 시작으로 문제를 근본적으로 해결하기 위해 실제 어쿠스틱 피아노처럼 향판(Soundboard)‘을 탑재한 모델이 있음.

가와이의 향판 스피커 시스템은 스피커 유닛이 직접 나무 향판 전체를 진동시켜 소리를 방사하는 방식임. 음량과 울림의 풍부함 면에서도 어쿠스틱 피아노에 비교할 수 있을 만큼 자연스럽고 입체적인 공명을 만들어 줌.

마지막으로

포터블디지털 피아노는, 건반과 메인보드, 그 외 기타 등등을 넣고나면 남는 공간이 거의 없음. 소리가 공명할 수 있는 내부 공기층이 없어서 캐비닛과는 달리 불필요한 공진이나 왜곡은 없지만, 떨림(Buzzing)현상이 생길 수 있음. 또한 설치된 위치로 인해 불만스럽기는 마찬가지임.