KR100679694B1 - 디지털 스피커 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 스피커 유닛에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가청주파 영역의 음파를 샘플링한 병렬 디지털신호를 다수의 초음파변환기를 이용하여 샘플링 시점에 해당하는 크기를 갖는 초음파로 변환시키고 이를 다시 기구식의 저역음향필터를 통과시켜 샘플링 전의 가청주파 영역의 음파로 재생시키는 디지털 스피커유닛에 관한 것이다.

본 발명인 디지털 스피커유닛은,

음향처리장치로부터 출력되는 직렬 디지털신호를 병렬 디지털신호로 변환하는 직병렬변환기; 상기 직병렬변환기로부터 얻어진 n비트의 병렬 디지털신호를 각 비트별로 각각 그 비트값에 해당하는 크기의 초음파로 변환시키는 다수의 초음파발생기; 상기 각 비트의 초음파발생기로부터 발생된 초음파가 매질 내에서 샘플링한 시점에 해당하는 크기를 가지는 초음파로 합성되고, 합성된 초음파 중 가청주파수 대역의 음파만을 재생하는 기구식 저역음향필터;를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 보이스코일과 진동판과 콘지가 필요치 아니하여 하나의 스피커유닛에서 가청주파수대의 저음에서 고음까지 모두 재생되며, 재생된 음파는 주파수특성이 완전히 평탄하며 왜곡이 되지 않은 원음 그대로 이다.

디지털, 스피커, 초음파, 저역음향필터, 직병렬변환기

Description

디지털 스피커 유닛{DIGITAL SPEAKER UNIT}

도 1 은 종래의 스피커 유닛을 이용할 때 원음이 왜곡됨을 설명하기 위한 도면.

도 2 는 본 발명에 따른 디지털 스피커 유닛의 개략적인 블록도.

도 3 은 도파관을 이용한 기구식 저역음향필터의 사시도 및 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 음향처리장치 20 : 직병렬변환기

30 : 초음파발생기 40 : 매질

50 : 저역음향필터 52 : 확장챔버

본 발명은 디지털 스피커유닛에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가청주파 영역의 음파를 샘플링한 병렬 디지털신호를 다수의 초음파변환기를 이용하여 샘플링 시점에 해당하는 크기를 갖는 초음파로 변환시키고 이를 다시 기구식의 저역음향필터를 통과시켜 샘플링전의 가청주파 영역의 음파로 재생시키는 디지털 스피커유닛에 관한 것이다.

종래의 스피커 유닛은 디지털 음향처리장치로부터 출력되는 직렬 디지털신호를 D/A 변환기로 아날로그신호로 변환하고 이를 저역필터를 통해 필터링한 아날로그 신호, 또는 아날로그 음향처리장치로부터 출력되는 아날로그신호를 그대로 앰프로 증폭하여 얼개로 보낸다. 상기 얼개에서는 입력되는 전기신호인 아날로그신호에 따라 보이스코일이 운동하고, 보이스코일에 연결된 진동판과 콘지가 진동한다. 이 진동판 및 콘지의 진동이 공기를 진동시킴으로서 소리가 발생하여 원음파로 재생된다.

그런데 보이스코일 및 진동판과 콘지의 특성(재질, 무게, 고유진동수 등)상 하나의 얼개로 사람의 가청주파수인 20Hz~20KHz를 전부 감당하는 것은 어렵다. 도1a는 평탄한 원음파를 하나의 얼개로 재생시킨 음파의 주파수 특성을 도시한 것으로, 굴곡이 상당히 심하다. 즉, 원음파를 그대로 재생시키지 못하여 왜곡이 발생한다. 그래서 오디오 시스템에서 사용되는 스피커 시스템을 보면 고음을 담당하는 트위터(Tweeter), 중음을 담당하는 스쿼커(Squawker), 저음을 당당하는 우퍼(Woofer)라고 하는 세 개의 얼개를 구비하여 재생되는 음파의 주파수 특성을 평탄화 하고 있는 것이 일반적이다.

그러나 트위터, 스쿼커, 우퍼라고 하는 세 개의 얼개를 사용하는 경우(보다 많은 얼개를 사용하는 경우도 포함)에도 재생되는 음파의 주파수 특성은 평탄하지 못하다. 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 담당 주파수 대역을 갖는 다수의 얼개를 사용하면 가청주파수대의 전체적인 주파수특성이 양호해지긴 하나, 주파수 특성에 굴곡이 있는 것은 근본적으로 보이스코일 및 진동판과 콘지의 특성(재질, 무게, 고유진동수 등)에 의한 것이기 때문이다.

둘째, 트위터, 스쿼커, 우퍼는 담당하는 대역의 음파만 재생하기 위해 각각 고역필터(High-Pass Filter), 대역필터(Band-Pass Filter), 저역필터(Low-Pass Filter)를 통해 필터링된 아날로그신호를 입력받게 되는데 필터는 이상적(컷오프 주파수를 기준으로 완전통과 완전차단)이지 않으므로 도1b에 도시된 바와 같이 크로스오버 주파수(f1 및 f2)에서도 왜곡이 발생하기 때문이다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 하나의 스피커 유닛으로 가청주파수의 저음에서 고음까지 모든 음의 주파수특성을 평탄하게 발생시키고, 발생되는 음에 왜곡(distortion)이 없는 디지털 스피커 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 디지털 스피커유닛은,

음향처리장치로부터 출력되는 직렬 디지털신호를 병렬 디지털신호로 변환하는 직병렬변환기;

상기 직병렬변환기로부터 얻어진 n비트의 병렬 디지털신호를 각 비트별로 각각 그 비트값에 해당하는 크기의 초음파로 변환시키는 다수의 초음파발생기;

상기 각 비트의 초음파발생기로부터 발생된 초음파가 매질 내에서 샘플링한 시점에 해당하는 크기를 가지는 초음파로 합성되고, 합성된 초음파 중 가청주파수 대역의 음파만을 재생하는 기구식 저역음향필터;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 각 비트의 초음파발생기는 단위크기의 초음파를 발생시키는

개 이거나,

크기의 초음파를 발생시키는 한 개인 것을 특징으로 한다. (여기서, m은 0에서 n-1 중 하나의 정수)

또한, 상기 저역음향필터는 초음파영역을 차단시키기 위한 확장챔버가 형성되어 있는 도파관인 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도2는 본 발명에 따른 디지털 스피커유닛의 개략적인 블록도로서 이를 참조하면, 본 발명은 음향처리장치(10)로부터 직렬 디지털신호를 받는 직병렬변환기(20), 초음파발생기(31~3n), 저역음향필터(50)를 포함하여 이루어짐을 알 수 있다.

상기 직병렬변환기(20)는 일반적인 시프트 레지스터 등으로 구성되며 음향처 리장치(10)로부터 직렬디지털신호를 입력받고 이를 n비트의 병렬 디지털신호로 변환시켜 초음파발생기(31~3n)로 전달한다.

아날로그 신호인 음파의 디지털 신호로의 변환을 위한 샘플링 주파수는 통상 가청주파수의 최대치인 20KHz의 두배에 약 10%의 여유를 두어 44.1KHz로 하고, 비트수는 원하는 해상도에 맞게 하나, 이 또한 통상 10에서 16비트 사이로 한다.

상기 초음파발생기(31~3n)는 각 비트로 들어오는 디지털신호를 그 비트에 해당하는 크기의 초음파로 변환하여 출력한다. 이를 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 0 또는 1 로 구성되는 비트 중에 1번 비트의 신호를 입력받은 초음파발생기1(31)은 0이 입력되면 초음파를 발생하지 않고 1이 입력되면

(=1)(1을 최소 단위의 크기로 정의한다.) 크기의 초음파를 발생시키고, 2번 비트의 신호를 입력받은 초음파발생기2(32)는 0이 입력되면 초음파를 발생하지 않고 1이 입력되면

(=2) 크기의 초음파를 발생시키고, 초음파발생기3은 1이 입력되면

(=4) 크기의 초음파를 발생시키고, 초음파발생기n(3n)은 1이 입력되면

크기의 초음파를 발생시킨다. 즉, 각 비트의 초음파 발생기는 디지털 신호가 없을 때(신호=0)는 0을 출력하고 디지털신호가 있을 때(신호=1)는

크기의 초음파를 발생시킨다. 여기서 m은 0에서 n-1 중 어느 하나인 정수이다.

또한, 도면은 각 비트의 초음파발생기(31~3n)는 각각

크기의 초음파를 발생시키는 한 개인 것(전체적으로는 n개)을 도시하였으나, 각 비트 마다 최소 단 위 크기를 갖는 초음파를 발생시키는 초음파발생기(31~3n)

개를 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 각각의 초음파발생기(31~3n)가 동시에 출력하는 초음파는 초음파가 진행하는 매질(40)에서 합쳐져 샘플링 한 시점의 음파의 진폭에 해당하는 크기를 갖는 초음파로 합성된다. 상기 매질(40)은 통상 공기가 될 것이나 액체 또는 고체일 수도 있으며, 초음파발생기(3)와 저역음향필터(50) 사이에 위치한다.

매질(40)에서 합성된 초음파는 가청주파수 대역의 음파만을 통과시키는 기구식 저역음향필터(50)를 거쳐 원 음파로 재생된다. 상기 기구식 저역음향필터(50)의 원리는 자동차의 소음기(Muffler)와 유사하다.

저역음향필터(50)로 도파관을 도시한 도3을 참조하면, 닥트(51)와 닥트(51) 사이에 확장챔버(52)가 형성되어 있음을 알 수 있다. 상기 확장챔버(52)는 초음파영역을 차단시키기 위한 것이다. 통상 샘플링 주파수는 44.1KHz 이므로 이 주파수의 1/2 이상의 주파수를 차단하게끔 컷오프 주파수를 결정하면 최대 가청주파수인 20KHz를 포함하게 된다. 따라서 원음파로 재생시 왜곡은 발생하지 않는다.

도파관 닥트(51)의 직경을 S1, 확장챔버(52)의 직경을 S2, 확장챔버(52)의 길이를 L이라 할 때 이 저역필터의 전송특성계수

는 아래의 식과 같다.

여기서 k=2π/λ(λ=파장)이다.

컷오프주파수는 통상 최대치에서 3dB 작은 값을 지칭하는데 이때의 전송특성계수

는 0.5 이다. 그리고 음파의 초속은 약 340m/s 이므로 컷오프주파수를 44kHz의 1/2인 22kHz로 하고자하는 경우 k=2π/λ=2π/(340/22000)이다.

따라서 상기 식에서 미지수는

,

,

이므로, 이들을 적절히 선택하면 원하는 컷오프주파수를 갖는 저역음향필터가 만들어진다.

상기한 바와 같이 본 발명은 보이스코일과 진동판, 콘지가 필요치 아니하여 하나의 스피커 유닛에서 가청주파수대의 저음에서 고음까지 모두 재생되며, 재생된 음파는 주파수특성이 완전 평탄한 특성을 가지며 왜곡이 되지 않은 원음 그대로 이다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 디지털 스피커유닛에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 음향처리장치로부터 출력되는 직렬 디지털신호를 병렬 디지털신호로 변환하는 직병렬변환기;

   상기 직병렬변환기로부터 얻어진 n비트의 병렬 디지털신호를 각 비트별로 각각 그 비트값에 해당하는 크기의 초음파로 변환시키는 다수의 초음파발생기;

   상기 각 비트의 초음파발생기로부터 발생된 초음파가 매질 내에서 샘플링한 시점에 해당하는 크기를 가지는 초음파로 합성되고, 합성된 초음파 중 가청주파수 대역의 음파만을 재생하는 기구식 저역음향필터;를 포함하여 이루어지되,

   상기 각 비트의 초음파발생기는 단위크기의 초음파를 발생시키는

   

   개인 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 유닛.(여기서, m은 0에서 n-1 중 하나의 정수)
3. 음향처리장치로부터 출력되는 직렬 디지털신호를 병렬 디지털신호로 변환하는 직병렬변환기;

   상기 직병렬변환기로부터 얻어진 n비트의 병렬 디지털신호를 각 비트별로 각각 그 비트값에 해당하는 크기의 초음파로 변환시키는 다수의 초음파발생기;

   상기 각 비트의 초음파발생기로부터 발생된 초음파가 매질 내에서 샘플링한 시점에 해당하는 크기를 가지는 초음파로 합성되고, 합성된 초음파 중 가청주파수 대역의 음파만을 재생하는 기구식 저역음향필터;를 포함하여 이루어지되,

   상기 각 비트의 초음파발생기는

   

   크기의 초음파를 발생시키는 한 개인 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 유닛.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 저역음향필터는 초음파영역을 차단시키기 위한 확장챔버가 형성되어 있는 도파관인 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 유닛.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 각 비트의 초음파발생기에서 출력된 초음파가 합성되는 매질은 공기인 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 유닛.

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