KR100838928B1

KR100838928B1 - 액티브 네트워크 멀티웨이 스피커

Info

Publication number: KR100838928B1
Application number: KR1020050009377A
Authority: KR
Inventors: 김형석
Original assignee: 김형석
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2008-06-16
Also published as: KR20060088603A

Abstract

본 발명은 멀티웨이 스피커(Multi-Way Speaker)에서 고음(Treble), 중음(Mid-Range), 저음(Bass) 역을 전력증폭 하기 전에 주파수를 고,중,저음 등으로 분할하여 독립적으로 각 우퍼(Woofer), 서브 우퍼(Sub-Woofer), 스코커(Squawker), 미드 레인지(Mid-Range), 트위터(Tweeter)등 각각의 스피커를 능동적으로 구동하는 스피커장치에 관한 것으로, 특히 디지털 증폭장치의 고조파왜율 저감을 통한 음질의 향상을 위해 각각의 스피커유닛에 가해지는 신호를 세밀히 제어할 수 있는 스피커 장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 신호를 입력하는 신호입력장치와, 스피커의 신호를 증폭하는 증폭장치와, 상기 증폭된 신호로 소리를 발생시키는 스피커 유닛과, 상기 신호입력장치에 설치되어 필터링을 통하여 원하지 않는 음을 제거해 줄 수 있는 프리 필터(Pre-Filter)장치와, 상기 증폭장치의 출력단에 설치되어 피드백(feed-back)형태로 고음(Treble), 중음(Mid-Range), 저음(Bass)을 담당하는 각 스피커별로 음을 분리해 주는 액티브 필터(Active Filter)를 포함하는 것이다.

스피커, 멀티웨이 스피커, 네트워크, 네트워크 유니트, 액티브 네트워크, 패시브 네트워크, 파워 앰프, 파워드 스피커, 디지털 스피커, 디지털 멀티웨이 스피커, 디지털 파워드 스피커, 트위터, 스코커, 우퍼, Speaker, Multi-Way Speaker, Powered Speaker, Digital Speaker, Digital Multi-way Speaker, Digital Powered Speaker, Bass, Mid-Range, Treble, Tweeter, Squawker, Woofer, 2 Way, 3 Way, Passive Network, Active Network,

Description

액티브 네트워크 멀티웨이 스피커 {Active Network Multi-Way Speaker}

도 1 은 일반적인 멀티웨이 스피커의 구조도 일 예

도 2 a 는 본 발명에 사용되는 디지털 액티브 네트워크 중 액티브 필터를 갖는 디지털 액티브 네트워크의 구조도
도 2 b 는 본 발명에 사용되는 디지털 액티브 네트워크 중 프리 필터의 구조를 갖는 디지털 액티브 네트워크의 구조도

도 3 은 본 발명에 사용되는 디지털 신호 입력을 갖는 아날로그 액티브 네트워크의 구조도

도 4 는 본 발명에 따른 아날로그 액티브 네트워크의 구조도

도 5 a 는 본 발명에 따른 고음용 및 중음용 A급 앰프의 회로도
도 5 b 는 본 발명에 따른 고음용 및 중음용 AB급 앰프의 회로도.

도 6 는 본 발명에 따른 저음용 D급 앰프의 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 입력신호 2: DIR 혹은 프리앰프 3: PWM변환기 혹은 DSP

4,5,6: D/A변환기 7: A급 파워앰프 8: AB급 파워앰프

9: B급 혹은 D급 파워앰프 10: 트위터(Tweeter)

11: 스코커(Squawker) 12: 우퍼(Woofer) 13: 고역통과필터(HPF)

14: 중음역통과필터(MPF) 15: 저역통과필터(LPF) 16: A급 파워앰프

17: AB급 파워앰프 18: B급 혹은 D급 파워앰프 19: 트위터(Tweeter)

20: 스코커(Squawker) 21: 우퍼(Woofer) 22,23,24 : 드라이버
25,26,27 : 액티브필터 28,29,30 : 프리필터

본 발명은 멀티웨이 스피커(Multi-Way Speaker)에서 고음(Treble), 중음(Mid-Range), 저음(Bass) 역을 전력증폭 하기 이전에 분리한 후 독립적으로 전력 증폭하여 각 우퍼, 스코커, 트위터등 스피커들을 능동적으로 구동하여 주는 방법 및 장치로서, 더욱 상세하게는 멀티웨이 스피커의 고, 중, 저음 별 각 스피커로 나누어 각기 다른 방식으로 증폭 함으로서 각 주파수 대역 별로 특성에 맞는 증폭 및 위상조정을 가능하게 함으로서 음질을 개선, 향상하고 전력 효율을 극대화 할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 기존의 스피커는 하나의 스피커로 전 음향대역을 재생하는 풀 레인지(full-range)방식과 고음, 중 저음 혹은 고음, 중음, 저음으로 2개 이상 여러 개의 각기 다른 대역의 소리를 재생하는 멀티웨이(multi-way)방식이 있다. 이중 풀 레인지 방식은 하나의 스피커로는 가청 주파수 대역 전체를 커버하기 어렵고 고 음질(HiFi)을 구현하기 어려워 주로 PA등의 저렴한 곳에 많이 사용되고 일반적으로 고 음질이 필요한 곳에는 멀티웨이 스피커가 사용 되어 왔다. 멀티웨이 스피커는 입력된 오디오 신호를 파워앰프로 증폭 한 후 그 구동 신호를 Passive(수동)소자인 L, C로 구성된 네트워크 회로에 인가하여 주파수 대역 별로 분배한 후 고, 중, 저 음역 별 스피커(우퍼, 스코커, 트위터)에 독립적으로 인가하여 스피커 들을 구동 하여 소리를 낸다.

그러나 이와 같은 방법에 의해 멀티웨이를 구성하는 방법은 Passive(수동)소자인 대용량의 전해 콘덴서 및 코일을 사용 함으로서 크로스오버 주파수 및 레벨을 정확히 맞추기가 어려우며 부품의 특성 및 온도 등에 따라 원하지 않는 크로스오버 왜곡 및 과 증폭이 생길 수도 있고 장기간 사용할 경우 음질성능이 현저히 저하 되거나 원치 않는 잡음이 발생하는 등의 문제점이 있는 것이다. 또한 제품의 무게가 무거워 지며 전력 효율이 나빠 결국 음량 손실을 초래하여 음질 저하가 발생 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 멀티웨이 스피커에 있어서, 기존의 네트워크처럼 음향신호를 증폭하여 스피커 구동전력을 만든 후 고, 중, 저음으로 주파수 분할을 하는 것이 아니라 저전력의 음향신호 상태에서 프리필터회로를 통하여 주파수 분할을 한 후 각각의 스피커들을 독립적으로 구동하는 프리필터 방식이나 개별증폭된 신호를 액티브 필터링 방식으로 분리하는 액티브 필터 방식을 사용 하므로서 대용량의 수동회로(Passive Circuit)인 크로스오버 네트워크가 필요 없고 크로스오버 주파수 및 레벨을 쉽게 조정 가능하게 하는 방법 및 장치를 개발 하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고, 중, 저음 대역 별로 전용 스피커를 통하여 음을 재생하는 멀티웨이 스피커장치에 있어서, 상기 스피커 장치에 입력되는 신호가 디지털 신호일 경우와 아날로그일 경우의 두 가지로 구분할 수 있다.

그 하나는 상기 디지털신호일 경우, 스피커로 입력된 디지털 오디오 신호를 DIR (Digital Input Reciever)에 인가하여 PWM(Pulse Width Modulation)변환기를 통하여 출력된 신호를 각 스피커 구동 전력으로 증폭하는 단계, 상기 증폭된 각 신호를 액티브 필터 회로에 인가하여 고,중,저음의 주파수 대역별로 필터링하는 단계, 상기 증폭된 신호로 각 스피커를 구동하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

그 둘은 상기 디지털신호일 경우, 스피커로 입력된 디지털 오디오 신호를 DIR에 인가하여 PWM변환기에 입력한 후 프리필터에서 고,중,저음의 주파수 대역별로 분리하며 위상 및 음량을 조절하는 단계, 상기 각각의 분리된 신호를 드라이버단에서 스피커를 구동할 수 있는 전력으로 증폭하는 단계, 상기 증폭된 신호로 각 스피커를 구동하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
그 셋은 상기 아날로그신호일 경우, 스피커로 입력된 아날로그 오디오 신호를 필터 회로에 가하여 고, 중, 저역의 주파수 대역 별로 분리하여 음량을 조절하는 단계, 상기 조정된 신호를 스피커를 구동하기 위하여 전력 증폭하는 단계, 상기 증폭된 신호로 각 스피커 유닛을 구동하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 네트워크 유닛을 갖는 멀티웨이 스피커의 구조도로서, 파워 앰프를 통하여 증폭된 아날로그 음향신호를 도 1의 L-C 소자로 구성된 수동적(passive) 네트워크 회로에 인가하여 고음, 중음, 저음의 주파수 대역으로 분리해 낸 후 각기 스피커를 구동하여 소리를 낸다. 이와 같은 기존의 방법은 최대 수백 와트(Watt)에 달하는 증폭된 전력신호를 필터링 하기 때문에 L-C소자의 용량이 커야 하고 이에 따라 스피커의 기구가 커지고 전력 소모량 및 발열량이 많아진다.

도 2a는 본 발명에 따르는 디지털 액티브 네트워크 중 액티브 필터를 갖는 디지털 액티브 네트워크의 구조도로서, 입력된 디지털 음향신호(AES/EBU)는 DIR회로를 거쳐 PWM변환기에 인가된다. PWM 변환기에서 출력되는 신호는 이미 아날로그 신호에 거의 유사한 신호로서 출력단의 L-C LPF 필터를 거치면서 적분되어 고주파 성분이 제거되고 아날로그 음의 파형을 갖추게 된다. 이 경우 출력단의 신호를 (22), (23),(24)의 드라이버에서 각기 전력 증폭 후 고,중,저음 별로 (25),(26),(27)의 액티브 필터를 거쳐 대역 별로 스피커를 구동한다. 액티브 필터는 도 3a에 묘사되어 있는데 드라이버 단에서 PWM입력신호를 받아 증폭하는 증폭기와 증폭기의 출력의 일부 중 필터링 할 주파수 대역을 피드백으로 상쇄시키는 구조로 이루어져 있어 세밀한 필터링을 구현할 수 있다.

도 2b는 본 발명에 따르는 디지털 액티브 네트워크 중 프리필터 구조를 갖는 디지털 액티브 네트워크의 구조도로서, 입력된 디지털 음향신호(AES/EBU)는 DIR회로를 거쳐 PWM변환기에 입력된다. PWM 변환기에서 출력되는 신호는 도3b의 프리필터에서 R-C필터 형태로 고음, 중음, 저음의 주파수 대역으로 분리해낸 후 고음, 중음, 저음 별로 각기 (22),(23),(24) DRIVER를 거쳐 대역 별 스피커를 구동한다. 이때 각 대역별로 별도의 독립적인 방식으로 증폭이 가능하며 고음은 (22)증폭기에 의해서 A급, AB급 혹은 D급 증폭을 사용할 수 있고 중음 및 저음은 (23),(24)의 드라이버단에 의해서 스피커를 구동 한다.
도 3a는 액티브 필터 액티브 네트워크 유닛의 구조도로서, 드라이버 단에서 PWM입력신호를 받아 증폭하는 증폭기와 증폭기의 출력의 일부 중 필터링 할 주파수 대역을 피드백으로 상쇄시키는 구조로 이루어져 있어 세밀한 필터링을 구현할 수 있다.
도 3b는 프리필터 구조를 갖는 액티브 네트워크 스피커장치의 구조도로서, R-C필터 형태로 고음, 중음, 저음의 주파수 대역으로 분리해낸 후 고음, 중음, 저음 별로 각기 (22),(23),(24) DRIVER를 거쳐 대역 별 스피커를 구동한다. 이때 각 대역별로 별도의 독립적인 방식으로 증폭이 가능하며 고음 및 중음은 (22),(23)증폭기에 의해서 A급, AB급 혹은 드라이버 증폭을 사용할 수 있고 저음은 (24)의 드라이버단에 의해서 스피커를 구동 한다.

도 4a는 본 발명에 사용되는 디지털 신호입력을 갖는 아날로그 액티브 네트워크의 구조도로서, 크로스오버 네트워크 유닛이 없이 입력된 디지털 음향신호(AES/EBU) 신호를 DSP회로를 거쳐 고음, 중음, 저음의 주파수 대역으로 분리해낸다. 고음, 중음, 저음 별로 각기 (4), (5), (6) D/A를 거쳐 대역 별 아날로그 신호로 변환 된다. 변환된 아날로그 신호는 대역 별로 별도의 증폭을 거치는데 고음은 (7) 증폭기에 의해서 A급 증폭되고 스피커를 구동하고, 중음은 (8)증폭기에 의해서 AB급 증폭 되며 OCL(Output Capacitor Less)방식으로 스피커를 구동한다. 저음은 (9)증폭기에 의하여 B급으로 증폭 되어 OCL방식으로 스피커를 증폭 한다.
도 4b는 본 발명에 사용되는 아날로그 액티브 네트워크의 구조도로서 입력된 아날로그 음향신호 신호를 (13)(14)(15)의 필터회로를 거쳐 고음, 중음, 저음의 주파수 대역으로 분리해낸다. 분리된 각 고음, 중음, 저음 신호는 대역 별로 고음은 (16) 증폭기에 의해서 A급 증폭되고, 중음은 (17)증폭기에 의해서 AB급 증폭 되며 OCL(Output Capacitor Less)방식으로 스피커를 구동한다. 저음은 (18)증폭기에 의하여 B급 혹은 D급으로 증폭 되어 OCL방식으로 스피커를 증폭 한다.
도 5a 와 도 5b는 고, 중음의 각 증폭기의 방식에 대한 개념도로 기존의 D급 증폭기의 고역 및 미드레인지(Mid Range)의 특성을 보강하기 위한 것으로 고음 및 미드레인지의 증폭을 A급 및 AB급 증폭 함으로서 최상의 음질을 구현할 수 있다.
도6은 저음의 증폭을 위한 D급 증폭기의 개념도로 상기 D급 증폭을 할 경우 출력필터의 설계를 크로스오버(Cross-Over)주파수 까지 끌어내려 별도의 필터가 필요 없게 되고 적은 전력을 사용하여 최대의 파워를 발생하도록 한다.

상기에서 묘사된 것 같이 고, 중, 저음 별로 증폭방식을 다르게 함으로서 각 대역 특성에 맞는 최대의 음향 특성을 이끌어 낼 수 있으며 각 대역을 커버하는 스피커에 다른 대역의 시그널이 혼입 되는 현상을 없애고 주파수 응답 특성, 다이나믹 레인지, 선형 특성이 뛰어난 출력을 얻을 수 있는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 멀티웨이 스피커에서 각 스피커 별로 특성에 맞는 증폭방법을 채택할 수 있으므로 음질의 극대화를 꾀할 수 있고 이상적인 크로스오버 특성을 가져 크로스오버 왜곡을 최소화할 수 있으며 각 대역을 커버하는 스피커에 다른 대역의 시그널이 혼입 되는 현상을 없애고 주파수 응답 특성, 다이나믹 레인지, 선형 특성이 뛰어난 출력을 얻을 수 있는 것이다.

Claims

디지털 스피커 장치에 통상적인 네트워크 어답터를 거쳐서 인입된 디지털 오디오 신호를 신호입력수신기(DIR)를 거쳐서, PWM변환장치를 거쳐서, PWM변환된 신호 중 필요없는 고음역을 제거하고 가청주파수만을 선택적으로 증폭하는 능동적(액티브) 필터 장치를 거치는 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 장치.
제1항에 있어서,

상기 능동적 필터 장치에서 입력된 신호를 각 음 대역별로 별도의 고음, 중음, 저음을 구분하여 선택적으로 증폭하는 멀티웨이 능동적(액티브) 필터장치가 포함된 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 장치.
제2항에 있어서,

상기 능동적 필터 장치는 상기 증폭된 PWM신호를 차동증폭기를 거쳐서, 필요없는 고주파를 제한하기 위한 인덕터를 거쳐서, 상기 고주파가 차단되어 나온 신호의 일부를 R,L,C 필터회로를 통하여 입력회로로 피드백하는 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 장치.
제2항에 있어서,

상기 능동적 필터 장치는 상기 PWM신호가 증폭되기 전에 저전력 상태에서 프리필터 장치를 거쳐서, 고음, 중음, 저음으로 분리 된 후 음향 신호를 증폭하기 위한 증폭장치를 거쳐서, 증폭된 신호의 고주파 부분을 제거하기 위한 피드백 형태의 필터장치를 거치는 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 장치.
제4항에 있어서,

상기 프리필터 장치는 상기 PWM신호를 증폭하기 전에 고음, 중음, 저음 대역별로 필터링 하기 위하여 출력신호의 일부분이 피드백 되는 구조의 저 전력형 액티브 필터를 거치는 것을 특징으로 하는 디지털 스피커 장치.