KR101145494B1 - 음향 장치 및 음향 장치를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

영역과 동작 주파수 범위를 갖는 진동판(10)으로서 동작 주파수 범위에서 공진 모드를 가지는 진동판(10), 진동판(10)에 결합되고 진동판과 에너지를 교환하도록 구성된 구동부를 갖는 전자기계적 트랜스듀서, 및 진동판에 결합되거나 진동판과 통합된 적어도 하나의 기계적 임피던스 수단(20, 22, 24)을 구비한 음향 장치로서, 트랜스듀서의 구동부(26)와 적어도 하나의 기계적 임피던스 수단(20, 22, 24)의 위치 및 질량은 진동판(10)의 영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도가 0으로 되도록 구성되어 있다. 피스톤 대 모드 천이(Piston-to-modal Transition)를 포함하는 영역을 가지고 동작 주파수 범위를 갖는 진동판을 구비한 음향 장치를 제조하는 방법은, 동작 주파수 범위에서 공진 모드를 갖도록 진동판 파라미터를 선택하는 단계; 진동판과 에너지를 교환하도록 진동판에 전자기계적 트랜스듀서의 구동부를 결합하는 단계; 진동판에 적어도 하나의 기계적 임피던스를 추가하는 단계; 및 영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도가 0으로 향하도록 적어도 하나의 기계적 임피던스 수단의 파라미터와 위치 및 트랜스듀서의 구동부의 위치와 질량을 선택하는 단계를 포함한다.

Description

음향 장치 및 음향 장치를 제조하는 방법{ACOUSTIC DEVICE AND METHOD OF MAKING ACOUSTIC DEVICE}

본 발명은 확성기와 마이크로폰과 같은 음향 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴곡파 장치에 관한 것이다.

제 1 원칙으로부터, 피스톤형 확성기 진동판에 가해진 포인트 포스(Point Force)는 자연스럽게 평탄한 주파수 응답을 제공하지만, 고주파에서는 감소하는 세기 응답(power response)을 제공한다. 이는 방출된 파장이 진동판의 길이 l이나 원형 진동판에 대한 반직경(half diameter) 또는 반경 a와 견줄 수 있게 되면서, 즉 ka가 2보다 크거나 kl이 4보다 큰 경우에 변화하는 방출 커플링(Radiation Coupling) 때문이다(k는 파수 주파수(Wave Number Frequency)). 그러나, 이론적인 자유 탑재형 굴곡파 패널 스피커의 경우, 순수 포스, 즉 무질량 포인트 구동은 주파수 대한 평탄한 음압(sound pressure)과 평탄한 음력(sound power) 양자를 제공한다.

그러나, 실제의 굴곡파 패널은 서스펜션(suspension)상에 지지되어 있고, 질량을 포함한 복합적인 구동 포인트를 가진 여자기를 가지고 있다. 그러한 물체는 이론적인 기대에 비해 평탄하지 못한 주파수 응답(frequency response)을 보여주게 된다. 이는 패널의 모드 동작을 불균형화하는 현존하는 다양한 질량과 컴플라이언스(Compliance) 때문이다. 모드 밀도가 충분히 높은 경우, 시스템은 모드가 보다 균일한 음향 응답(acoustic response)을 위해 주파수에 걸쳐서 유리하게 분산되도록 설계될 수 있다. 그러나, 이 분산 모드 방법은 충분한 주파수 응답을 구축하기에는 모드가 희박하고 전반적으로 불충분한 낮은 굴곡 주파수에서 그렇게 효과적이지 못하다.

피스톤형 또는 전체 몸체 범위에 대해 갭을 매워주면서 최하 굴곡 주파수까지의 편평한 압력과 세기 응답의 목적은 모드 조정의 이론적인 조건을 재설정할 것을 요구한다. 이것이 이루어질 수 있다면, 수정된 모드 조정은 원하는 이론적 조건에 대한 실제 패널의 음향 반응을 교정한다. 이는, 세기나 주파수에 관하여 방출되는 응답이 구동 포인트 질량에 독립적인 경우에, 새로운 계층의 확성기 라디에이터(loudspeaker radiator)를 제공할 것이다.

트랜스듀서와 실제 진동판을 구비한 확성기 및 구동 방법의 설계자에 대한 목표는 주파수에 본질적으로 독립적인 동작을 얻는 것이다. 일단 1차 목적이 달성되면, 다른 필요한 특성을 설계자가 구현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 영역을 가지고 동작 주파수 범위를 가지며, 상기 동작 주파수에서 공진 모드를 갖도록 이루어진 진동판(Diaphragm); 상기 진동판에 결합되어 상기 진동판과 에너지를 교환하도록 구성된 구동부를 갖는 전자기계적인(Electro-mechanical) 트랜스듀서; 및 상기 진동판에 결합되거나 상기 진동판과 통합된 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단을 구비하며, 상기 트랜스듀서의 구동부와 상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단의 질량과 위치는 상기 진동판의 상기 영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도(Net Transverse Modal Velocity)가 0으로 향하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 장치가 제공된다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면, 영역을 가지고 동작 주파수 범위를 갖는 진동판을 구비한 음향 장치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 동작 주파수 범위에서 공진 모드를 갖도록 상기 진동판의 파라미터를 선택하는 단계; 상기 진동판과 에너지를 교환하도록 상기 진동판에 전자기계적인 트랜스듀서의 구동부를 결합하는 단계; 상기 진동판에 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단을 부가하는 단계; 및 상기 영역에 걸쳐 네트 가로축 모드 속도가 0으로 향하도록 상기 트랜스듀서의 상기 구동부의 위치와 질량을 선택하고, 상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단의 위치와 파라미터를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 장치를 제조하는 방법이 제공된다.

하나 이상의 기계적 임피던스 수단의 기계적 임피던스 Z(ω)는 다음과 같이 정의된다.

Z(ω) = j?ω?M(ω) + k(ω)/(j?ω) + R(ω)

여기서, ω는 라이안/초 단위의 주파수이고, M(ω)는 요소의 질량이고, k(ω)는 요소의 경도이고, R(ω)는 요소의 댐핑이다.

하나 이상의 기계적인 임피던스 수단은 진동판에 결합된 예컨대 질량이나 서스펜션 등의 불연속적인 요소일 수 있다. 선택적으로는, 진동판은 선택된 위치에서 하나 이상의 기계적 임피던스 수단을 제공하는 영역에 따라 변하는 질량, 경도 및/또는 감쇠를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 기계적 임피던스 수단은 진동판과 통합된다. 예컨대, 진동판은 예컨대 몰딩 프로세스(Moulding Process)에 의해 진동판의 한쪽 혹은 양쪽 면상의 평면으로부터 나온 리지(Ridge)나 돌기(projection)를 포함하여 변화하는 두께로 형성될 수 있다. 리지나 돌기는 기계적 임피던스 수단으로서 동작할 수 있다.

영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도는 위상 캔슬에 의해 영향을 받지 않는 rms(Root Mean Square) 가로축 변위를 계산함으로써 정량될 수 있다. 예를 들어, 원형 진동판의 경우, rms 가로축 변위(transverse displacement)는 다음 식으로 계산된다.

여기서, R은 진동판 반경이고, Ψ(r)은 모드 형태이다.

특정한 음향 장치의 이점에 대한 측정은 다음 식으로 계산 가능하다.

상대적인 평균 변위 Ψ_rel = Ψ_mean/Ψ_rms

여기서, 원형 진동판의 경우는 다음과 같다.

평균 가로축 변위

평균 가로축 변위는 최상의 조정을 위해 낮아야 한다. 영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도가 0이면, 상대적인 평균 변위도 0이 된다. 최악의 경우, 상대적인 평균 변위는 1과 같아진다. 영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도가 0으로 향하는 것을 달성하기 위해, 상대적인 평균 변위는 0.25보다 작거나 0.18보다 작을 수 있다. 즉, 영역에 걸쳐 0으로 향하는 네트 가로축 모드 속도는 상대적인 평균 변위가 rms 가로축 속도의 25%보다 작고, 바람직하게는 18%보다 작을 때 달성할 수 있다.

0인 네트 가로축 모드 속도에 대해, 진동판의 모드는 "전체 몸체 변위"나 "피스톤" 모드를 제외하고 모드가 0의 평균 변위를 갖는 정도(즉, 제너레이터 평면 위의 모드 형태로 포위된 영역이 그 평면 이하의 영역과 같은 경우)까지 관성적으로 조정될 필요가 있다. 이는 네트 가속과 그에 따른 축상(On-axis) 압력 응답(pressure response)이 어떠한 주파수에서도 동작의 피스톤 성분에 의해서만 결정된다는 것을 의미한다.

예컨대 포인트 소스에 의해 구동되는 자유단을 가진 균일한 단위 질량(Mass-per-unit) 영역의 판(plate)과 같이, 모든 비피스톤형 모드가 0의 평균 변위를 갖는 넓은 계층의 물체가 있다. 그러나, 이러한 물체(object)는 실제적으로 포인트 구동과 자유단을 달성할 수 없기 때문에 이론적인 음향 장치를 의미한다.

0으로 향하는 네트 가로축 모드 속도는, 이상적인 이론적 장치의 경우(즉, 자유롭게 진동하는 진동판)에 비교하여, 노드 윤곽(Nodal Contour)과 그에 따라 실제 음향 장치의 모드 및 속도 프로파일을 수학적으로 매핑함으로써 달성될 수 있다. 수학의 경우, 매핑은 1개 세트 X의 각 요소 x를 다른 세트 Y의 유일한 요소 y에 연관짓는 규칙이다. 따라서 매핑은 y=f(x)라는 함수 f로서 표현된다. X로부터 매핑되지 않은 요소가 없고 x의 각 값이 y의 단 하나의 값에만 할당되는 경우에 X로부터 Y로 매핑된다고 할 수 있다.

이를 실현하는 한가지 방법은 구동 포인트 임피던스 Zm이 최대이거나 어드미턴스 Ym이 이상적인 이론적 음향 장치의 모드에 대해 최소인 위치를 계산하고 구동부 및/또는 적어도 하나의 기계적 임피던스 수단을 이들 위치에 탑재하는 것이다. 어드미턴스는 임피던스의 역이다(Zm = 1/Ym).

예를 들어, 원형 케이스의 경우, 위치는 중앙과 주변부 사이의 진동판의 구동 직경을 변경하고, 구동 직경이 변함에 따른 평균 구동 포인트 어드미턴스(mean drive point admittance)를 계산하고, 그 어드미턴스 최소치에 의해 주어진 위치에서 기계적 임피던스를 추가함으로써 연산될 수 있다.

임피던스 Zm과 어드미턴스 Ym은 모드 합계로부터 계산되므로, 이들 값은 합계에 포함된 모드의 개수에 따라 달라진다. 제 1 모드만 고려된다면, 그 모드의 노드 라인에 상당히 인접하거나 그 위에 해당 위치가 놓이게 된다. 더욱 일반적으로는, 위치는 고려된 가장 높은 모드의 노드 근처에 존재하려는 경향이 있지만, 다른 모드의 영향으로 인해 정확히 일치하지 않을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 디자인 솔루션을 위해 선택된 최고조 모드의 노드 라인의 위치는 수용할만하다. 첫번째 3가지 모드로부터의 솔루션은 첫번째 2가지 모드 등으로부터의 솔루션의 확장은 아니다. 위치는 평균적인 노드 위치가 되도록 고려될 수 있으며, 그에 따라 트랜스듀서의 구동부 및/또는 적어도 하나의 기계적 임피던스 수단은 동작 주파수에 있어서 모드의 평균적인 노드 위치에 배치될 수 있다.

어드미턴스를 이용하는 것 대신에, 기계적 임피던스 수단에 대한 위치는 기계적 임피던스 수단이 시스템의 통합부인 모델을 정의하고 그 모델을 네트 체적 변위(Net Volume Displacement)가 0으로 향하도록 최적화함으로써 연산될 수 있다. 예컨대 원형 진동판의 경우, 모델은 링의 접합부에서 원형선 질량을 가지는 동일 물질의 동심원(concentric ring)을 구비한 디스크로서 정의될 수 있다. 네트 체적 변위는 다음으로부터 계산될 수 있다.

여기서, R은 진동판 반경이고, Ψ(r)은 모드 형태이다.

선택적으로는, 기계적 임피던스 수단에 대한 위치는 기계적 임피던스 수단이 시스템의 통합부인 모드를 정의하고, 0으로 향하는 상대적인 평균 변위를 제공하도록 모드를 최적화함으로써 산출될 수 있다.

다양한 방법의 조합을 사용할 수도 있는데, 예컨대 기계적 임피던스 수단이 제 3 모드의 노드 라인에 탑재되고, 첫번째 2가지 모드를 반영하도록 최적화를 사용할 수도 있다.

트랜스듀서(tranducer) 위치는 평균적인 저속 위치, 즉 어드미턴스 최소점이다. 표준 분산 모드 확성기에 대한 표준 이론은 트랜스듀서를 가장 완만한 임피던스를 갖는 위치에 탑재하여, 가능한 한 많은 모드에 가능한 한 균등하게 결합하도록 하는 것이다. 따라서, 일 관점에서 보면, 상기 발명은 분산 모드의 경우와는 다르다.

진동판 파라미터는 형태, 사이즈(개구율), 굴곡 경도, 표면 영역 밀도, 절단율, 이방성 및 감쇠(damping)를 포함한다. 파라미터는 다양한 어플리케이션에 대한 성능을 최적화하기 위해 선택될 수 있다. 예컨대, 5 내지 8cm 길이 또는 직경 길이의 소형 진동판의 경우, 진동판 재료는 필요한 상부 주파수 동작 범위에서 2가지 모드만을 가지는 비교적 단단한 경량 진동판을 제공하도록 선택될 수 있다. 2가지 모드만 존재하므로, 이들 모드를 조정함으로써 비교적 적은 노력(cost)으로 양호한 소리(sound)를 방출을 달성할 수 있다. 선택적으로는, 예컨대 피스톤 범위에서 양호한 저주파 세기를 갖는 길이 및 직경이 25cm인 대형 패널에 대해, 진동판 재료와 두께는 예컨대 1kHz 이상의 중역에서 제 1 모드를 배치하도록 선택될 수 있다. 7번째 이상까지의 일련의 모드는 그 후 좋은 세기 균일성을 갖는 광대역 주파수 응답을 달성하도록 조정될 수 있고, 주파수에 대한 축외 응답(off-axis response) 이 잘 유지될 수 있다.

설계에 있어서, 파라미터 변화의 상대적인 효과는 관련성이 있으며, 모드 방출의 조정은 굴곡 경도보다 표면 영역 밀도의 균일성에 보다 의존적이다. 예를 들어, 단순 원형 진동판의 경우, 2:1까지의 굴곡 경도의 이방성은 성능에 적절한 효과만을 나타내며, 4:1까지도 허용된다. 고절단(High Shear)은 높은 주파수에서 효과적인 감쇠를 형성하도록 활용 가능하다.

트랜스듀서는 천이에 있어서 진동판을 이동하도록 구성될 수 있다. 트랜스듀서는 자석 시스템과 구동부를 형성하는 보이스 코일을 가진 이동 코일 장치일 수 있다. 탄력성 서스펜션은 섀시에 진동판을 결합한다. 자석 시스템은 섀시에 접지될 수 있다. 서스펜션은 동작 주파수 범위에 있어서 모드의 평균 노드 위치에 배치될 수 있다. 보이스 코일이 진동판에 결합되는 위치는 상기 서스펜션이 진동판에 결합되는 위치에 비해 다른 위치일 수 있다.

동작 주파수 범위는 피스톤-모드 천이(Piston-to-modal Transition)를 포함할 수 있다. 진동판 파라미터는 2개 이상의 진동판 모드가 피스톤 범위를 초과하는 동작 주파수 범위 내에 존재하도록 될 수 있다.

진동판은 원형 주변부와 질량 중심을 가지고 있다. 진동판의 주변부는 제 1 진동판 모드가 ka=2 미만으로 되게 이루어질 수 있으며, 여기서 k는 파수(wave number)이고, a는 미터 단위로 측정된 진동판 반경이며, k의 단위는 m^-1이다. 예를 들어, 이것은 적절한 경도를 갖는 패널 재료를 선택함으로써 달성 가능하다. 패널 재료의 경도는 방향성을 제어하는데 도움이 되도록 합치 주파수(Coincidence Frequency)를 배치하는데 사용될 수도 있다.

진동판은 굴곡 경도(bending stiffness)에 관해 이방성을 가질 수 있다. 굴곡 경도의 적당한 진동판 이방성은 결과 모드 위치를 평균내는 rms(root means square)에 의해 제작 가능하다. 예들 들어 x=2y인 타원형 진동판의 경우, 순수 원형 등가 모드 결과는 16:1의 대응하는 경도율로 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 진동판은 타원형이면서 이방성 재료의 원형 진동판과 같이 동작하도록 굴곡 경도에 대해 이방성을 가질 수 있다.

원형 케이스의 예에 있어서 이방성은 공진 모드의 실제 주파수를 변경하지만, 원형 모드 동작은 강해고 진동판상에서 나타난다. 상술한 바와 같이, 4:1까지의 적당한 이방성은 허용된다.

하나 이상의 기계적 임피던스 수단은 원형이거나 타원형일 수 있는 환형 질량의 형태로 될 수 있다. 몇몇 환형 질량은 동작 주파수 범위의 모드의 평균 노드 위치에서 진동판과 결합되거나 진동판에 통합될 수 있다. 질량은 진동판의 중앙을 향해 중량이 감소할 수 있다. 각각의 환형 질량은 불연속적인 질량의 배열로 형성될 수 있다. 3개 이상의 이와 같은 질량은 충분할 수 있으며, 6개의 이와 질량은 연속적인 환형 질량에 등가가 되기에 충분하다. 질량 및/또는 서스펜션의 질량은 보이스 코일 질량에 비교될 수 있다.

댐핑 수단은 높은 패널 속도의 위치에서 진동판과 통합되거나 그 위에 배치될 수 있으며, 이로써 선택된 모드가 감쇠한다. 원형 혹은 타원형 패널의 경우, 댐핑 수단은 높은 패널 속도의 환형(annulus)에 배치된 패드의 형태일 수 있다. 굴곡파 장치에서, 높은 패널 속도의 영역은 패널의 최대 만곡 영역이다. 감쇠(제한형 레이어 혹은 비제한형 레이어)은 가능한 최대 각도로 구부러짐으로써 대상이 최대로 팽팽하게 될 때 가장 효과적이다.

모든 주파수에 대해, 비록 중앙 댐핑이 바람직하지만, 패널의 중앙(centre)과 모서리(edge)에서 최대 굴곡 만곡이 존재하므로, 중앙 및/또는 모서리 감쇠를 이용하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 서로 다른 모드 차수에 대해, 중앙과 모서리 영역 사이의 서로 다른 직경 비율에서 높은 패널 속도의 영역이 역시 존재한다. 따라서, 중앙 및/또는 모서리 영역에서만 감쇠를 사용하는 것은 정확하게 감쇠하는 축상 응답(on-axis response)을 제공하지만, 감쇠가 적용되지 않은 고속 영역으로부터의 축 외 기여분은 축 외 응답의 적당한 감쇠가 없음을 의미한다. 높은 패널 속도의 환형에서 댐핑 패드(damping pad)를 배치하여 이 문제를 해결한다.

모드는 음향 응답에 있어서 원치 않는 피크를 유발하기 때문에 선택되며, 댐핑 패드의 효과는 이 피크를 줄이거나 제거하는 것이다. 감쇠는 부가적인 것이 아니며, 서로 다른 모드는 상이한 위치에서 감쇠가 존재할 것을 요구한다. 댐핑 패드는 예컨대 더 많은 감쇠 정확도가 필요한 경우에 하나 이상의 위치에 탑재될 수 있다. 그러나, 전체 패널을 덮도록 전체에 걸쳐 댐핑 레이어(damping layer)를 적용하는 것은 피해야 한다.

하나의 선택된 모드나 선택된 모드들만 감쇠시킴으로써, 전체 패널을 댐핑할 필요가 없어지고, 따라서 민감도에 있어서의 손실이 없다. 선택된 모드의 전부가 감쇠될 수 있다. 즉, 축상 및 축외가 모두 감쇠될 수도 있다. 또한, 저주파 모드는 충분히 감쇠되지 않으며, 따라서 댐핑 모드 이하의 확성기 동작은 보존된다.

댐핑 패드는 연속적인 환형 패드일 수 있으며, 비원형 댐핑의 작은 조각이 사용되도록 구획되어 있을 수 있다. 선택적으로는, 감쇠될 필요가 있는 응답 피크의 크기에 따라서, 고리들 중 일부만이 감쇠될 수 있다.

원형 및 타원형 형태에 있어서, 진동판 주변부로 집중된 노드 라인을 갖는 반경 모드(redial mode)와 진동판 반경상에 노드 라인을 갖는 축 모드(axial mode)의 2가지 유형의 모드가 존재한다. 축 모드는 2차적인 모드로서 보통 음향적으로 중요하지 않다. 그러나, 필요하다면 이들도 기계적 임피던스 수단의 협력적인 조정에 의해 감쇠되거나 최소화될 수도 있다. 예컨대, 진동판의 평면에 있어서의 경도는 반경 모드의 조정에 영향을 주지 않고 축 모드에 관해 진동판을 강화한다. 축 모드는 일부 문서에서 "벨(bell)" 모드라고 부르기도 한다.

진동판 파라미터는 동작 주파수 범위에서 2개의 진동판 반경 모드가 존재하도록 선택될 수 있다. 환형 질량은 0.39 및 0.84의 직경 비율의 전부에서 실질적으로 배치되며, 이로써 이들 2가지 모드가 조정된다. 제 3 반경 모드가 동작 주파수 범위에 있는 경우, 댐핑 패드는 직경 비율 0.43 및 0.74의 어느 하나 혹은 모두에 배치될 수 있다. 선택적으로는, 환형 질량은 0.26, 0.59 및 0.89의 직경 비율의 어느 하나 혹은 전부에서 실질적으로 배치될 수 있고, 이로써 첫번째 4가지 모드가 조정된다.

만약 제 4 반경 모드가 주파수 범위 내에 있다면, 댐핑 패드는 0.32, 0.52 및 0.77의 직경 비율 중 어느 하나 혹은 전부에서 배치될 수 있으며, 이로써 제 4 모드가 감쇠된다. 선택적으로는, 환형 질량은 0.2, 0.44, 0.69 및 0.91의 직경 비율의 어느 하나 혹은 전부에서 실질적으로 배치되며, 이로써 첫번째 4가지 모드가 조정된다.

제 5 반경 모드가 주파수 범위에 있는 경우, 댐핑 패드는 0.27, 0.48, 0.63 및 0.81의 직경 비율 중 어느 하나 혹은 전부에서 배치될 수 있으며, 이로써 제 5 모드가 감쇠된다. 선택적으로는, 환형 질량은 0.17, 0.35, 0.54, 0.735 및 0.915의 직경 비율의 어느 하나 혹은 전부에서 실질적으로 배치될 수 있다. 만약 주파수 범위에 추가적인 모드가 존재한다면, 더 많은 모드가 선택되어 설명한 기본 방식을 따라 조정이 이루어질 수 있다.

진동판은 환형일 수 있다. 아래의 테이블은 패널의 반경이 0.05 내지 0.35인 범위의 홀 사이즈에 대해 보이스 코일과 질량의 가능한 환형 위치를 나타낸다. 최내측 위치는 홀 사이즈에 의해 가장 영향을 많이 받는다.

2가지 반경 모드가 고려되는 경우의 위치:

3가지 반경 모드가 고려되는 경우의 위치:

4가지 반경 모드가 고려되는 경우의 위치:

예를 들어, 진동판은 직경 비율 0.20인 홀을 구비하고, 환형 질량은 0.33, 0.62 및 0.91의 직경 비율의 어느 하나 혹은 전부에서 실질적으로 배치될 수 있으며, 이로써 3가지 모드가 조정된다. 선택적으로는, 환형 질량은 0.23, 0.46, 0.7 및 0.92의 직경 비율의 어느 하나 혹은 전부에서 실질적으로 배치될 수 있으며, 이로써 4가지 모드가 조정된다.

진동판은 전체적으로 사각형이고 질량 중심을 가질 수 있다. 진동판의 파라미터는 제 1 진동판 모드가 kl=4 이하로 되게 이루어질 수 있으며, 여기서 k는 모드수(단위는 m^-1)이고, l은 m 단위로 측정된 패널 길이이다.

서스펜션, 트랜스듀서의 구동부 및/또는 하나 이상의 기계적 임피던스 수단은 진동판의 주변부와 질량의 중심에서 먼 반대편 위치에 배치될 수 있다. 진동판이 단위 면적당 균일한 질량을 갖는 경우, 이들 반대편 위치는 질량 중심으로부터 같은 거리일 수 있다. 기계적 임피던스 수단은 진동판의 질량 중심로부터 이격된 대향 위치에 배치된 한쌍의 질량의 형태일 수 있다.

진동판은 연장된 사각형 표면적(surface area)을 가진 빔 형태일 수 있으며, 모드들은 그 빔의 긴 축을 따라 존재할 수 있다. 트랜스듀서, 질량의 쌍 및/또는 서스펜션은 빔의 긴 축을 따라 진동판에 결합될 수 있다.

동작 주파수 범위에 2가지 모드가 존재한다면, 질량 쌍은 0.29 및 0.81의 질량 중심으로부터의 비율 중 어느 하나 혹은 전부에 실질적으로 배치될 수 있다. 질량 쌍은 0.19, 0.55 및 0.88의 질량 중심으로부터의 비율 중 어느 하나 혹은 전부에 실질적으로 배치될 수 있으며, 이로써 3가지 모드가 조정된다. 선택적으로는, 4가지 모드가 조정되는 경우, 질량 쌍은 0.15, 0.4, 0.68 및 0.91의 질량 중심으로부터의 비율 중 어느 하나 혹은 전부에 실질적으로 배치될 수 있다. 선택적으로는, 5가지 모드가 조정되는 경우, 질량 쌍은 0.11, 0.315, 0.53, 0.74 및 0.93의 질량 중심으로부터의 비율 중 어느 하나 혹은 전부에 실질적으로 배치될 수 있다. 설계에 있어서, 더 많은 모드를 선택하여 설명한 바와 같은 기본 방식에 따라 조정이 이루어질 수 있다.

빔형 진동판의 경우, 빔의 짧은 축에 평행한 노드 라인을 갖는 모드들과 빔의 긴 축에 평행한 노드 라인을 갖는 크로스 모드들의 2가지 모드 유형이 존재한다. 크로스 모드들은 2차적인 모드들로서 대체적으로는 고주파를 제외하고는 음향적으로 중요하지 않다. 트랜스듀서 직경 대 패널 폭의 비율은 약 0.8의 값을 가지고, 이로써 가장 낮은 크로스 모드가 효과적으로 억제될 수 있다.

빔이 가변 두께인 경우, 상술한 바와 같은 비율 개념은 경도 변화에 의해 결정되는 평균 노드 영역에 연관된 거리로 대체될 수 있다. 경도의 대칭 분산에 대해, 참조로서 중앙을 사용하는 것은 중앙으로부터의 반경과 동등한 의미와 관련된 것이지만, 빔이 경도의 비대칭 분산을 갖는 경우에는 구동 및 질량에 대한 위치가 빔의 일단(one end)으로 지정된다.

상술한 실시형태 각각에 있어서, 트랜스듀서 보이스 코일은 상기 비율 중 하나로 진동판에 탑재될 수 있다. 원형이나 환형 진동판의 경우, 보이스 코일은 진동판상에 동심원적으로 탑재될 수 있다.

직사각 패널의 경우, 한 쌍의 트랜스듀서가 서로 다른 비율을 갖는 2개의 대향 위치에 혹은 동일한 비율을 각각 갖는 대향 위치에 탑재될 수 있다. 선택적으로는, 단일 트랜스듀서가 그 구동부가 동일 비율을 갖는 2개의 대향 위치를 구동하도록 탑재될 수 있다. 선택적으로는, 트랜스듀서와 조정 질량은 동일 비율을 각각 갖는 반대편 위치에 탑재될 수 있으며, 질량은 피스톤 범위에 대해 진동판을 동적으로 보상한다. 그러나, 진동판의 피스톤 동작이 요구되지 않으면 그러한 진동판 흔들림을 피하기 위한 질량 보상이 제한 조건이 아니라는 점에 주의한다.

확성기는 경량의 리지드(Rigid)형 커플러의 형태인 사이즈 어댑터(Size adaptor)일 수 있으며, 이는 평균 노드 위치에서 구동되도록, 적합하면서 편리한 경제적인 프레임에 설치되도록 선택된 보이스 코일의 사이즈를 조절한다. 커플러는 제 1 직경에서 트랜스듀서에 결합될 수 있으며, 제 2 직경에서 진동판에 결합된다. 제 2 직경은 동작 주파수 범위에서 모드들의 제 1 평균 노드 위치인 환형 위치일 수 있다.

커플러는 프루스토 코니컬(Frusto-conical)일 수 있다. 제 1 직경은 제 2 직경보다 크며, 이로써 대형 코일 어셈블리(assembly)가 반전 커플러에 의해 소형 구동 로커스(Locus)에 적용될 수 있고, 소형 코일 어셈블리가 프루스토 코니컬 커플러의 작은 단(smaller end)을 보이스 코일 어셈블리에 고정하고 큰 단(larger end)을 진동판에 고정함으로써 대형 로커스에 적용될 수 있다.

추가적인 이점은 소형 코일 구동에서 기대되는 고주파에 대한 세기 응답을 보존하면서 고출력 용량과 효율을 위한 초과 사이즈의 보이스 코일 어셈블리를 사용할 수 있다는 것이다. 반대로, 적당한 비용의 소형 보이스 코일 어셈블리는 보다 큰 구동 서클(larger driving circle)에 적용될 수 있다. 이 경우, 제 1 직경은 제 2 직경보다 더 작을 수 있다. 예를 들어, 원형 진동판에 대한 최고 주파수에 대한 보다 넓은 방향성을 위해, 설계자는 직접적으로 구동되거나 감소하는 커플러를 경유하는 소형 보이스 구동 서클을 선택할 수 있다. 선택적으로는, 고효율과 최대 소리 레벨이 필요한 경우, 예컨대 진동판상에 보다 큰 반경 평균 노드 라인의 대형 구동 서클에 적용된 대형 보이스 코일을 사용한다.

서스펜션은 실질적으로 외측 비율 중 어느 것으로도 진동판에 결합될 수 있다. 서스펜션에 대한 적당한 재료는 몰드형(Moulded) 고무나 플라스틱으로 형성된 탄성 폴리머 셀룰러(Elastic Polymer Cellular Foamed Plastic)을 포함한다. 서스펜션의 유효 질량은 주파수에 따라 조금씩 이동할 수 있으며, 질량 자체는 주파수에 따라 변할 수 있다. 이는 서스펜션의 구조와 구성이 주파수에 따라 동작이 변하는 복합적인 기계적 임피던스를 야기할 수 있기 때문이다.

설계에 있어서, 패널상의 서스펜션의 물리적 위치는 동작 주파수 범위에서의 최적의 전반적인 조합을 찾도록 조정될 수 있다. 추가적으로 혹은 선택적으로, 서스펜션의 동작은 예컨대 유효 질량 중심, 감쇠 및 경도를 확실히 하기 위해 FEA 등으로 모델링될 수 있으며, 이에 따라 패널상에서의 위치를 용이하게 한다.

기계적 임피던스 수단의 위치상에서 +/- 5% 내지 +/- 10% 사이의 오차는 진동판 특성에 따라 용인된다. 기계적 임피던스 수단의 질량에서 +/- 5% 내지 +/- 10% 사이의 오차도 용인된다. 보통, 질량을 변경하기 위한 오차는 위치 변경을 위한 것보다 크다.

진동판은 바람직하게는 자기 지지의 의미에 있어서 리지드형인 것이 좋다. 진동판은 단일체형, 레이어형 혹은 복합형일 수 있다. 복합형 진동판은 2개 스킨 사이에 끼워진 코어를 가진 재료로 제작되며, 적당한 코어로는 페이퍼 코어, 허니콤(Honeycomb) 코어 혹은 주름형 플라스틱 코어가 포함되고, 코어는 길이 혹은 반경 방향으로 세로 홈이 파여 있을 수 있다. 적당한 스킨에는 페이퍼, 알루미늄 및 폴리머 플라스틱이 포함된다. 한가지 적당한 복합형 재료는 Correx^ⓡ이 있다. 사용된 재료는 이방성적으로 혹은 등방성적으로 우븐(Woven)이나 단방향성 경화 섬유에 의해 강화될 수 있다.

진동판은 평면형이거나 접시형일 수 있다. "접시형"이란 용어는 접시형이든 아치형이든 돔형이든, 원형이나 타원형에 관계없이 원뿔 부분과 합성 곡면을 포함하는 비평면 진동판 전부를 포함하는 의미이다. 접시형 형태는 중앙에 평탄부를 가질 수 있다. 진동판은 길이에 따라 변하는 폭이나 두께를 가질 수 있다.

확성기는 개구(Aperture)를 포함할 수 있다. 제2 진동판은 개구 내에 탑재될 수 있다. 제 2 진동판은 제 1 진동판과 동작 면에서 유사하며, 예컨대 제 1 평균 노드 위치에 결합된 트랜스듀서와 제 2 평균 노드 위치에 결합된 하나 이상의 질량을 가질 수 있다. 선택적으로는, 제 2 진동판은 굴곡 모드 장치로서 혹은 피스톤적으로 동작될 수 있다.

봉합 부재는 개구에 탑재되며, 이로써 그 개구는 음향 출력의 누출을 방지하도록 거의 음향적으로 봉합된다. 진동판의 봉합의 반경 비율 대 외측 반경의 비율은 필요한 음향 응답을 구현하도록 조정 가능한 추가적인 파라미터이다.

음향 장치는 외장체(enclosure) 내에 탑재될 수 있으며, 외장체의 음향 특성은 음향 장치의 성능을 개선하도록 선택 가능하다.

음향 장치는 확성기일 수 있으며, 여기서 트랜스듀서는 인가된 전기적 신호에 응답하여 굴곡파 에너지를 진동판에 가하도록 구성되고, 진동판은 방출 영역에 걸쳐서 음향 소리(acoustic sound)를 내도록 구성되어 있다. 선택적으로는, 음향 장치는 마이크로폰일 수 있으며, 여기서 진동판은 음향 소리가 투사할 때 진동하도록 구성되고 트랜스듀서는 그 진동을 전기적 신호로 변환하도록 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법과 음향 장치는 굴곡파 모드의 이용에 관련된 것이다. 반대로, 종래기술에 관한 피스톤과 원뿔(Cone)은 예컨대 감쇠 또는 특정 구조 및 구동 커플링 측면을 이용함으로써 모드 동작을 방해하는 것을 추구하였다. 그러나, 본 발명의 음향 장치는 최저 굴곡 주파수에 관련된 것이다. 이들 모드가 밀집하거나 균일하게 분산할 것을 요구할 필요는 없다. 관련되는 모드들은 방출이 장려되지만, 그들의 축상 기여분은 동작 주파수 범위에서의 평균 노드 위치에서 트스듀서, 서스펜션 및/또는 질량을 탑재함으로써 조정된 방출이다.

본 발명은 관련된 질량 없이 이론적인 순수 포인트 포스(pure point force)에 대해 굴곡 구동되는 진동판인 단순 자유 플레이트에 의해 방출된 소리의 법칙을 이용한다. 이는 예컨대 전자 동적인 트랜스듀서나 여자기의 보이스 코일 어셈블리로 인한 질량에 필연적으로 관련되는 메커니즘에 의해 힘이 가해지기 때문에, 실제로는 구현될 수 없다. 또한, 실제 포스는 보통 단일 포인트에서 플레이트에 가해지는 것이 아니라, 선을 따라서 원형 코일 형태와 같이 제공된다.

음향 장치의 설계자는 다양한 상황과 어플리케이션을 변경하기 위해, 본 발명의 원리 내에서 자유롭게 성능을 튜닝하여 네트 가로축 모드 속도를 전체적으로 혹은 선택적으로 주파수에 따라 조정할 수 있다. 예컨대, 서로 다른 주파수 특성이 서로 다른 주파수에서 요구되고 차량과 같이 청취자가 축외에 있는 특정 어플리케이션을 위해 상이한 방출 각(angle of radiation)이 요구될 수 있다.

본 발명의 다음의 측면들도 동일한 원리를 이용하고 동일한 부수적인 특징들을 가진다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 동작 주파수 범위를 갖는 음향 장치에 있어서, 원형 주변부와 질량 중심을 갖는 진동판; 상기 진동판에 결합되어 트랜스듀서에 인가되는 전기적 신호에 응답해서 굴곡파 에너지를 가하도록 구성된 트랜스듀서; 및 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 제 2 평균 노드 위치에서 상기 진동판에 결합되거나 상기 진동판과 통합되어 있는 하나 이상의 질량을 구비하며, 상기 진동판은 상기 동작 주파수 범위에서 공진 모드를 갖도록 되어 있고, 상기 트랜스듀서는 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 제 1 평균 노드 위치에서 상기 진동판과 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 동작 주파수 범위를 갖는 확성기에 있어서, 상기 동작 주파수 범위 내 공진 모드를 갖도록 형성되고 질량 중심을 갖는 진동판; 상기 진동판에 결합되고, 트랜스듀서에 인가된 전기적 신호에 응답하여 굴곡파 에너지를 가하도록 구성되어 있으며, 상기 진동판의 상기 질량 중심으로부터 이격된 반대측 위치 및 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 제 1 평균 노드 위치에서 상기 진동판에 결합된 트랜스듀서 수단; 및 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 제 2 평균 노드 위치에 배치되고, 상기 진동판의 상기 질량 중심으로부터 이격된 반대측 위치에서 상기 진동판에 결합되거나 상기 진동판과 통합되어 있는 하나 이상의 질량 쌍을 구비하는 것을 특징으로 하는 확성기가 제공된다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 동작 주파수 범위를 가지고 원형 주변부와 질량 중심을 갖는 평면 진동판을 가지는 확성기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 동작 주파수 범위 내에서 공진 모드를 갖도록 상기 진동판의 파라미터를 선택하는 단계; 트랜스듀서에 인가된 전기적 신호에 응답하여 굴곡파 에너지를 가하도록 상기 진동판의 상기 질량 중심과 동심원적으로 하여 상기 진동판에 트랜스듀서를 결합하는 단계; 및 탄성 서스펜스를 상기 진동판의 상기 질량 중심과 동심원적으로 상기 진동판에 결합하고, 주변부에서 이격되고 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 평균 노드 위치에서의 고리에 배치되도록 상기 진동판에 탄성 서스펜션을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

추가적인 측면에 의하면, 본 발명은, 원형 주변부와 질량 중심을 갖는 평면 진동판을 구비하고 동작 주파수 범위를 가지는 확성기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 동작 주파수 범위 내에서 공진 모드를 갖도록 상기 진동판의 파라미터를 선택하는 단계; 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 제 1 평균 노드 위치에서, 트랜스듀서에 인가된 전기적 신호에 응답하여 굴곡파 에너지를 가하도록 상기 진동판에 트랜스듀서를 결합하는 단계; 및 상기 동작 주파수 범위 내 모드의 제 2 평균 노드 위치에서 상기 진동판에 하나 이상의 질량을 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

본 발명은 예로서, 첨부된 도면으로 도식화된다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시형태의 평면도.

도 1b는 도 1a의 AA 라인을 따른 단면도.

도 2a는 질량이 있는 경우와 없는 경우 도 1a의 장치에 대한 주파수 대 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 2b는 질량이 있는 경우와 없는 경우 도 1a의 장치에 대한 주파수 대 반공간 세기(즉, 실시형태에 대하여 반구에 걸친 집적된 음향 세기)의 변화를 나타내는 도면.

도 3은 각 질량에 연관된 대역으로 분할된 도 1a의 장치에 대한 주파수 대 전압 민감도(voltage sensitivity)의 변화를 나타내는 그래프.

도 4a는 최외곽 위치에서 2개의 서로 다른 질량을 가진 도 1a의 장치에 대한 주파수 대 전압 민감도의 변화를 나타내는 그래프.

도 4b 및 4c는 도 3a에서 측정된 장치의 외측부의 단면도.

도 5a는 배플(Baffle)에 탑재된 도 1a의 장치에 대한 단면도.

도 5b는 스텝형 배플(Stepped Baffle)과 플러쉬 피트형 배플(Flush-fitted Baffle)에 탑재된 도 1a의 장치에 대한 주파수 대 전압 민감도의 변화를 나타내는 그래프.

도 6a 및 6b는 질량이 있는 경우와 없는 경우 본 발명의 제 2 실시형태 각각에 대한 주파수 대 반공간 세기(half space power) 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 7a, 7b 및 7c는 2개의 이론적인 확성기 및 실제 확성기 각각에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 8은 도 7b 및 7c의 확성기에 대한 속도 프로파일의 일부를 나타내는 도면.

도 9a 내지 9e는 제 1 모드에서 첫번째 5가지 모드까지의 각각에 대한 패널 직경 대 어드미턴스 Ym의 실수부분의 평균값 변화를 나타내는 도면.

도 9f는 첫번째 5가지 모드와 고리형 위치에 대한 모드 형태를 나타내는 도면.

도 9g 및 9h는 분리형 및 확장형 질량을 가진 첫번째 8가지 모드에 대한 패널 직경 대 어드미턴스 Ym의 실수부분의 평균값 변화를 나타내는 도면.

도 9i 및 9j는 불연속 및 연속 질량을 각각 이용한 4 모드 솔루션에 대한 주파수로 변하는 음압 레벨과 음력(Sound Power) 레벨을 나타내는 도면.

도 9k는 최적화 방법 이후의 패널에 대한 첫번째 3가지 모드를 나타내는 도면.

도 10a는 원형 진동판(Diaphragm)을 포함하는 확성기에 있어서 제 1 모드 내지 제 2 모드 및 제 2 모드와 그 이상 각각에 대한, 제 1 모드 이하의 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 10a의 (100a)는 도 10a의 범위에 있어서 확성기에 대한 피스톤 변위를 나타내는 도면이고, 도 10a의 (100b) 및 (100c)는 도 10a의 범위에 있어서 확성기에 대한 모드 변위를 나타내는 도면.

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도 10b는 조정된 2가지 모드 모두를 가진 도 10a의 확성기에 있어서 제 1 모드 내지 제 2 모드 및 제 2 모드와 그 이상 각각에 대하여 제 1 모드 이하의 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 10b의 (100e)는 도 10b의 범위에 있어서 확성기에 대한 피스톤 변위를 나타내는 도면이고, 도 10b의 (100f) 내지 (100g)는 도 10b의 범위에 있어서 확성기에 대한 모드 변위를 나타내는 도면.

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도 10c는 도 10b의 확성기에 있어서 제 1 모드 내지 제 2 모드 및 제 2 모드와 그 이상 각각에 대한 제 1 모드 이하의 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 10c의 (100h)는 도 10c의 확성기에 대한 피스톤 방향성을 나타내는 도면이고, 도 10c의 (100i) 내지 (100j)는 도 10c의 범위에 있어서 확성기에 대한 모드 방향성을 나타내는 도면.

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도 11a 내지 11d는 4개의 상이한 환형 위치에서 구성된 원형 패널을 갖는 확성기에 대한 주파수 대 음압 및 세기의 변화 시뮬레이션을 나타내는 도면.

도 11e는 보다 가벼운 외곽 질량을 가진 도 11d에 사용된 환형 위치에서 구동된 원형 패널을 가진 확성기에 대한 주파수 대 음압 및 세기의 변화 시뮬레이션을 나타내는 도면.

도 12a 및 12b는 본 발명의 다른 실시형태에 대한 단면도.

도 12c는 도 12a 및 12b의 실시형태의 주파수에 대한 세기 응답의 그래프.

도 13은 반경에 대한 도 12a 및 12b의 패널의 첫번째 3가지 모드의 응답의 대수적 평균을 나타내는 그래프.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타내는 도면.

도 15 및 16은 최내측 환형 위치에 대해 각각 질량 및 환형 위치에 있어서의 10% 변화 효과를 나타내는 주파수에 대한 음압의 그래프.

도 17a 및 17b는 중간측 환형 위치에 대해 각각 질량 및 환형 위치에 있어서의 10% 변화 효과를 나타내는 주파수에 대한 음압의 그래프.

도 18a 및 18b는 최내측 환형 위치에 대해 각각 질량 및 환형 위치에 있어서 의 10% 변화 효과를 나타내는 주파수에 대한 음압의 그래프.

도 19는 20% 만큼 환형 위치와 질량을 동시에 변경하는 효과를 나타내는 주파수(Hz)에 대한 음압(db)의 그래프.

도 20은 원하는 원형 패널을 구현하기 위해 환형 진동판을 근사적으로 이용하는 효과를 나타내는 주파수(Hz)에 대한 음압(db)의 그래프.

도 21은 첫번째 2가지 모드가 조정되고 단일 댐핑(Damping) 패드가 탑재되어 있는 확성기에 대한 축상 음압 레벨(SPL)과 음력 레벨(SWL) 곡선(하부 곡선과 상부 곡선 각각)을 나타내는 도면.

도 22a는 본 발명의 다른 측면에 따른 확성기의 평면도.

도 22b는 도 22a의 확성기에 대한 축상 음압 레벨(SPL)과 음력 레벨(SWL) 곡선(하부 곡선과 상부 곡선 각각)을 나타내는 도면.

도 23은 프루스토 코니컬(Frusto-conical) 커플러의 사시도.

도 24는 도 23의 커플러를 결합한 확성기 구동 장치의 측면도.

도 25는 도 24의 구동 장치에 대한 후면도.

도 26a 내지 26d는 도 23의 구동 장치의 변화에 대한 주파수(Hz) 대한 음압(db)을 나타낸 도면.

도 27a는 본 발명의 제 2 실시형태의 평면도.

도 27b는 도 27a의 AA 라인을 따른 단면도.

도 28a는 도 12b의 장치에 대한 주파수 대 반공간 세기(half-space power)와 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 28b, 28c 및 28d는 각 158°, 174° 및 166°을 각각 포함하는 도 27 a의 장치에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 29a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 대한 평면도.

도 29b는 도 29a의 AA 라인을 따른 단면도.

도 30a는 본 발명의 또 다른 실시형태의 평면도.

도 30b는 도 30a의 AA 라인을 따른 단면도.

도 31은 도 29a의 패널의 첫번째 4가지 모드에 대한 패널 직경 대 어드미턴스 Ym의 실수부분의 평균값 변화를 나타내는 도면.

도 32a는 도 29a의 장치에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 32b, 32c 및 32d는 변화하는 환형 질량을 가진 도 29a의 장치에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 33a 및 33b는 본 발명에 따른 장치에 포함될 수 있는 대체 패널의 단면도.

도 34는 본 발명의 또 다른 실시형태의 평면도와 그 평면도의 AA라인을 따른 단면도.

도 35a 및 35b는 1개 질량을 가진 경우, 2개 질량을 가진 경우 및 질량을 가지지 않은 경우에 있어서 도 34a의 장치에 대해 각각 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 36a, 36b 및 36c는 2개의 이론적인 확성기와 하나의 실제 확성기 각각에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 36d 내지 36g는 각각 절반의 길이에 대한 도 34a의 패널의 첫번째 2개 내지 5개 모드의 대수 평균 어드미턴스의 그래프.

도 36h 및 36i는 2가지 모드와 5가지 모드의 솔루션 각각에 대한 주파수 대 음압 레벨의 그래프.

도 37 및 38은 본 발명의 2가지 추가적인 실시형태에 대한 평면도.

도 39a 및 39b는 질량이 있는 경우와 없는 경우 각각에 있어서 도 38의 장치에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 40a는 본 발명의 또 다른 실시형태의 평면도.

도 40b는 도 40a의 AA 라인을 따른 단면도.

도 41a는 도 40a의 실시형태의 진동판에 대한 첫번째 4가지 모드 형태의 그래프.

도 41b는 도 41a의 모드 형태의 푸리에 변환 그래프.

도 41c는 도 40a의 진동판의 첫번째 2가지 모드와 제 1 모드 양자에 대한 응답의 대수 평균을 나타내는 그래프.

도 41d는 도 40a의 진동판의 첫번째 3가지 모드와 첫번째 4가지 모드 양자에 대한 대수 평균 어드미턴스를 나타내는 그래프.

도 42a, 42b 및 42c는 2개의 이론적인 확성기와 하나의 실제 확성기 각각에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 43a는 본 발명의 선택적인 실시형태의 평면도.

도 43b는 도 43a의 실시형태의 진동판에 대한 첫번째 4가지 모드 형태의 그래프.

도 43c는 도 43a의 진동판의 첫번째 모드와 첫번째 2가지 모드 양자에 대한 대수 평균 어드미턴스를 나타내는 그래프.

도 43d는 도 43a의 진동판의 첫번째 3가지 모드와 첫번째 4가지 모드 양자에 대한 대수 어드미턴스를 나타내는 그래프.

도 44a는 본 발명의 선택적인 실시형태의 평면도.

도 44b는 도 44a의 실시형태의 진동판에 대한 첫번째 4가지 모드 형태의 그래프.

도 45, 46 및 47은 사각형 피스톤형 스피커, 실제 공진 패널형 스피커 및 이론적인 공진 패널형 스피커 각각에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 48a 및 48b는 본 발명의 또 다른 실시형태의 평면도와 측면도.

도 49 및 50은 각각 도 48a의 실시형태에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압 각각의 변화를 나타내는 그래프.

도 51a 및 51b는 도 48a의 실시형태에서 관한 변화에 대한 주파수 대 반공간 세기 및 축상 음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 52a 및 52b는 커플러를 구비한 확성기의 단면도와 후면도.

도 53a 및 53b는 커플러의 제 2 실시형태를 구비한 확성기의 단면도와 후면도.

도 54는 보이스 코일(Voice Coil)의 반경 ρ에 대한 트랜스듀서 보이스 코일 의 유효 네트 포스(Net Force) F의 그래프.

도 55a 및 55b는 원형 및 빔형 진동판 각각의 1/4에 대한 평면도.

도 55c는 도 55a 및 55b의 1/4 진동판의 측면도.

도 56a 및 56b는 서스펜션 조정 질량을 갖지 않은 경우와 갖는 경우 각각의 확성기에 대한 주파수 대 축상 음압 및 45°음압의 변화를 나타내는 그래프.

도 56c는 서스펜션 조정 질량을 갖지 않은 경우와 갖는 경우의 확성기에 대한 주파수 대 반공간 세기의 변화를 나타내는 도면.

도 57a는 본 발명의 또 다른 실시형태의 평면도.

도 57b는 도 57a의 AA 라인을 따른 단면도.

도 58은 본 발명의 또 다른 실시형태의 평면도.

도 59는 본 발명의 또 다른 실시형태의 부분 단면도.

도 1a 및 1b는 원형 패널(10) 형태의 진동판과 패널(10)에 동심원으로 탑재된 보이스 코일(26)을 가진 트랜스듀서(12)를 구비한 확성기를 나타낸다. 3개의 링 모양의(즉, 환형) 질량(20, 22, 24)은 접착 테이프를 이용하여 패널(10)에 동심원으로 탑재되어 있다. 보이스 코일과 질량은 위치(1)가 최내측 위치가 되고 위치(4)가 최외측인 상태로 명칭된 위치(1 내지 4)인 환형 위치에 각각 배치되어 있다.

패널과 트랜스듀서는 원형 서스펜션(18)에 의해 패널이 부착되는 플랜지(16, Flange)를 구비하는 원형 섀시(14)에서 지지되어 있다. 플랜지(16)는 패널(10)의 주변부와 이격되어 포위되며, 서스펜션(18)은 패널(10)의 주변부로부터 이격된 고리에서 부착되어 있다. 이러한 방식으로, 패널 모서리가 자유롭게 이동하는데, 이것은 이 위치에서 안티노드(Anti-node)가 존재하기 때문에 중요하다. 마찬가지로, 이 위치에서 안티노드 또한 존재하기 때문에, 패널의 중앙에 배치된 질량은 존재하지 않는다. 트랜스듀서(12)는 섀시(14)에 접지되어 있다.

패널(10)은 이방성 재료, 소위 5mm 두께의 Rohacell^TM(확장형 폴리 메틸이미드)로 제작되고, 125mm의 직경을 가진다. 질량은 브래스 스트립(Brass Strip)이며, 1mm 두께이다. 보이스 코일(26), 각 질량 및 서스펜션의 위치는 동작 주파수 범위에서 나타나는 패널 모드의 평균 노드 위치이며, 도 7a 내지 10에서 설명한 바에 따라 계산된다.

질량의 값은 도 11a 내지 11e에서 설명한 보이스 코일의 질량과 위치에 관련하여 비교 측량된다. 값은 아래의 테이블에 제시되어 있다.

도 2a 및 2b는 3개 링 질량을 가진 확성기(실선)와 질량이 없는(점선) 확성기에 대한 반공간 세기(Half Space Power)와 축상 압력을 나타낸다. 질량을 가진 확성기는 확장된 축 외 주파수 응답을 가지며, 가청 영역에 걸쳐서 음질과 명료도(intelligibility)를 개선한다. 다른 이점은 질량을 가진 장치가 주파수에 대한 큰 지연과는 연관되지 않는 것이다. 따라서, 정확한 스테레오 이미지를 형성할 수 있다.

질량이 없는 확성기 진동판 어셈블리의 무게는 11.8g이며, 질량은 추가로 10.8g을 더한다. 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 이러한 특정 디자인은 피스톤 영역(즉, 600Hz 미만)에서 약 6dB의 손실을 가져온다. 도 3에 도시된 바와 같이, 장치의 주파수 범위는 한정 요소 분석(FEA: Finite Element Analysis)으로 결정된 패널의 모드에 의해 여러 밴드로 분할된다(점선으로 도시됨). 각 밴드는 관련된 특정 질량을 가지며, 질량을 증가시키는 것은 해당 밴드의 민감도를 감소시키고, 질량을 감소시키는 것은 해당 밴드의 민감도를 증가시킨다. 피스톤 영역의 민감도는 최외측 위치에서 질량에 의해 제어된다. 주변부를 향해 패널의 기계적 임피던스의 감소가 있으며, 이에 따라 최외측 위치에서는 적은 질량이 요구될 수 있다.

도 4a는 위치(4)에서 전체적인 질량을 1.25g 만큼 감소한 효과를 나타낸다. 점선은 감소된 질량에 대한 응답을 나타내며, 실선은 더 높은 질량에 관한 것이다. 예상한 바와 같이 150에서 600Hz의 민감도가 상승했다. 그러나, 중역에서는 민감도의 감소했으며, 이는 최외측 위치에서의 질량이 4kHz까지 주파수 응답에 영향을 미친다는 점을 나타낸다. 150Hz 미만의 민감도는 변하지 않는다. 서스펜션의 질량 기여분은 주파수에 따라 변하며, 질량 기여분은 85Hz로 결정되는데, 이는 고주파에서 정밀하게 모드를 조정하는 것과 관련하여 오차의 원인일 수 있다.

도 4b 및 4c는 최외측 위치에서의 질량 감소가 어떻게 이루어지는지를 나타낸다. 도 4b(및 도 1a)의 장치에서 사용된 서스펜션(18)은 반원 섹션(34)의 측면 중 하나를 연장한 2개의 동일 사이즈의 플랜지(30, 32)를 구비한 대칭 단면을 가진다. 플랜지(30, 32)는 패널(10)과 섀시의 플랜지(16)에 각각 붙어있다. 도 4c에서, 패널(10)에 부착된 플랜지(36)의 대부분은 0.25g 만큼 서스펜션 질량을 감소하도록 제거되었다. 질량(40)도 1.25g의 전반적인 감소를 제공하도록 1g으로 감소되었다.

도 2a 및 2b는 패널 모서리로부터의 회절이 있음을 보여준다. 도 5a는 배플(28)에 탑재된 도 1a의 장치를 나타낸다. 도 5b는 배플이 있는 경우(실선)와 배플이 없는 경우(파선)의 장치의 민감도 시뮬레이션을 나타낸다. 배플에 장치를 탑재하는 플러쉬(Flush)는 고주파에서 나타나는 간섭 패턴을 부드럽게 한다.

제 2 실시형태에서, 패널 재료는 1mm 두께의 알루미늄으로 변경되었고, 아래의 테이블은 재료 특성과 모드값을 비교하는 것이다.

재료	RohacellTM	알루미늄
모드 1(Hz)	735	615
모드 2(Hz)	3122	2628
모드 3(Hz)	7120	6000
모드 4(Hz)	12,720	10,723
모드 5(Hz)	19,921	16,797
코인시던스(Hz)	10,200	11,180
플레이트 두께(mm)	5	1
플레이트 질량(g)	6.0	28.7
애리얼 밀도(Arial Density)(kg/m2)	0.55	2.71
굴곡 경도(Nm)	1.85	7.62

알루미늄 패널은 현격하게 높은 굴곡 경도를 가진다. 이는 축상 압력이나 음력을 크게 바꾸지 않지만, 모드들의 주파수를 변경한다. 따라서, 보통 경도는 고주파 확장과 평탄함의 이점을 가진 양호한 음력을 제공하기 위해 패널이 패널 직경에 비례하여 충분한 모드가 되도록 보정하기 위하여 선택되거나 조정될 수 있다. 또한, 모드 주파수가 각 패널 경도에 대해 상이하지만, 각 모드의 주파수 대 제 1 모드의 비율은 동일하며, 아래에 제시되어 있다. 따라서, 보이스 코일, 질량 및 서스펜션에 대한 환형 위치는 동일하게 남는다. 나아가, 제 5 모드의 주파수가 제 1 모드의 경우보다 27배이므로, 첫번째 5가지 모드에 초점을 맞춤으로써, 피스톤 범위에 부가되도록 모드 조정의 약 6옥타브의 적용 범위가 구현될 수 있다.

모드수	상대적인 주파수
1	1.000
2	4.246
3	9.683
4	17.299
5	27.092

도 6a 및 6b는 알루미늄 패널을 이용한 장치에 대한 축상 음압과 180 세기를 나타낸다. 실선은 질량을 가진 장치를 나타내고, 점선은 질량이 없는 장치를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 질량이 없는 장치는 사용할 수 없는 반면, 3개 질량이 부가된 경우에는 상당한 성능 개선이 있다. 가장 큰 개선은 중역에서 나타나며, 특히 제 2 모드, 즉 2.6kHz의 주파수 부근에서 나타난다. 이 개선은 Rohacell^TM 패널을 사용한 실시형태에 대한 것으로서 표시되지는 않는데, 그 이유는 알루미늄 패널이 훨씬 더 무겁고 낮은 감쇠를 갖기 때문이다. 따라서, 추가된 질량 대 패널 질량의 비율은 감소하고, 전반적인 민감도 손실이 줄어든다. 16kHz에서의 큰 피크는 도시된 질량의 추가에 의해 영향을 받지 않는 것으로 나타나는데, 그 이유는 아마도 제 6 모드에 기인한 것이다.

도 7a 내지 10은 도 1a 및 6a의 장치에 대한 구동 위치와 질량 및 서스펜션의 환형 위치를 선택하는 방법을 나타낸다. 도 7a는 패널 중앙에 인가된 무질량 포인트 포스에 의해 구동되는 자유로운 원형, 평탄형, 리지드형 패널을 구비한 이론적인 피스톤형 확성기에 대한 음압과 음력 레벨을 나타낸다. 음압은 주파수에 대해 지속되는 반면, 음력은 약 1kHz까지 지속되고, 그 이후에는 주파수 증가에 따라 점차 감소하게 된다(ka>2).

도 7b는 패널 중앙에 인가된 무질량 포인트 포스에 의해 구동되는 자유로운 공진 원형 패널을 구비한 이론적인 확성기에 대한 음압 및 음력 레벨을 나타낸다. 음압은 여전히 주파수에 대해 거의 지속되지만, 도 7a에 나타낸 경우에 비해 음력의 강하가 많이 개선되었다. 모드가 전자기계적인 감쇠를 이용하지 않기 때문에 패널 모드는 분석상에서 가시화할 수 있다. 모드가 가시화되지 않으면, 자유로운 공진 원형 패널은 실질적으로 지속적인 음력은 전달할 뿐 아니라 지속적인 축상 음압을 전달한다.

도 7c는 도 7b의 경우와 비슷하지만 25mm 직경의 보이스 코일을 가진 트랜스듀서와 보이스 코일의 디자인(재료, 권선 등)에 의존하는 유한 질량에 의해 구동되는 실제 확성기에 대한 음압과 음력 레벨을 나타낸다. 주파수에 대한 음력 강하는 여전히 도 7a의 경우보다 개선되어 있다. 그러나, 이제 축상 음압과 음력이 더 이상 주파수에 대해 지속되지 않는다.

확성기가 선대칭이기 때문에, 단순 모델링이 모드에 대해 사용할 수 없다. 도 8은 도 7b 및 7c의 확성기의 제너레이터 평면 내 첫번째 5가지 모드에 대한 속도 프로파일을 나타낸다. 직선인 파선(dashed line)은 대칭축이고, 점선(dotted lone)이 제너레이터 평면이다. 2개 세트의 모드는 서로 잘 맞지 않는다. 도 7b의 이론적인 이상 모드는 "전체 몸체 변위"나 "피스톤" 모드를 제외하고, 전부가 0의 평균 변위를 가지는 정도(즉, 제너레이터 평면 이상의 모드 형태에 의해 감싸진 영역이 평면 이하의 것과 동일하다)까지 관성적으로 조정되어 있다.

반면에, 도 7c의 실제 확성기 모델은 조정되어 있지 않다. 그러나, 이러한 동작은 노드 윤곽과 실제 확성기의 모드와 속도 프로파일을 이상적이고 이론적인 확성기 모드의 속도 프로파일에 수학적으로 매핑함으로써 해결될 수 있다. 이는 이론적인 확성기 모드에 대해 어드미턴스 Ym이 최소인 위치를 계산하고 이 위치에 보이스 코일, 서스펜션 및/또는 질량을 탑재함으로써 달성할 수 있다.

도 8의 구부러진 파선은 평균 어드미턴스 최소치 혹은 노드를 이용하여 보정된 상황에 대응한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 파선 세트의 모드는 점선 세트보다도 실선 세트의 모드(즉, 이론적인 이상형)가 더 잘 맞는다. 도 8에서, 수직의 파선은 대칭축을 나타내고 수평의 점선은 제너레이터 평면이다.

임피던스 Zm과 어드미턴스 Ym의 실수부는 모드 합계로부터 계산되므로, 이들 값은 고려된 모드수에 따라 달라진다. 어드미턴스 Ym과 반경 ρ에 따라 변하는 그 대수 평균 μ(ρ)은 다음 식으로 구해진다.

여기서, N은 모드 수이고, S는 동작 주파수 범위에 걸친 비례 계수, λ_i=아이겐값≒(n-1/2)?π/(1-ρ₀)이고, ρ₀는 0.2이며, ω는 주파수이고, γ(i,ρ)는 i 번째 모드의 모드 형태이다.

도 9a 내지 9e는 1개 내지 5개 모드 각각에 대한 패널 직경에 대한 Ym의 변화를 나타낸다. 최소값이 아래에 표로 나타나 있다.

도면	고려한 모드 수	최소값
9a	1	0.68
9b	2	0.39, 0.84
9c	3	0.26, 0.59, 0.89
9d	4	0.2, 0.44, 0.69, 0.91
9e	5	0.17, 0.35, 0.54, 0.735, 0.915

작은 댐핑을 갖는 패널의 경우, 각 최소값의 폭은 아주 좁다. 이는 환형 위치에서의 탑재가 매우 중요하며 오차율이 2% 정도로 낮다는 것을 의미한다. 이는 특히 제 1 모드 하나만 취할 경우에 두드러진다. 폴리머 필름을 입힌 폼(Foam) 코어 패널과 같은 보통의 감쇠를 갖는 패널의 경우, 오차율은 10% 정도로 증가하며, 이는 도 9d 및 9e에서 볼 수 있고, 이후에 예컨대 유사한 도 36e 및 36f에서도 볼 수 있다.

동작 주파수 범위에 걸쳐서 평균이 취해지면, 이 범위 밖의 주파수에서의 모드는 결과에 영향을 미치지 않는다는 점에 주의한다. 이는, 부분적으로는, 모드 5와 이상이 일반적으로 그 전단계보다 적은 영향을 미치는지를 설명한다. 따라서, 고차 모드는 첫번째 4가지 모드가 고차 모드가 원하는 주파수 대역 밖에 있을 때 매핑된다면 만족스럽게 매핑되어 패널은 전단(shear)에서 적당히 단단해진다. 고차 모드가 원하는 주파수 대역 밖에 있지 않으면, 모드의 고차 조정이 가능하다.

상기 방법은 설계자가 특정 모드만을 매핑하도록 하는데 있어 충분히 유연하다. 첫번째 4개 또는 5개 모드에 대해 계산된 환형 위치는 도 1a 및 6a의 장치에 있어서 보이스 코일과 질량의 위치에 대응한다.

도 9f는 이론적인 확성기의 모드 형태와 환형 위치를 비교한다. 제 1 모드에서, 노드 라인(54)의 내측의 2개의 환형 위치(50, 52)와 2개의 외측(56, 58)이 존재한다. 모드 순서가 증가함에 따라, 노드 라인(54)의 대향측(opposite site)상에 배치된 환형 위치가 존재한다.

도 9g는 고정된 모드 수가 증가하는 것을 나타내는데(이 경우에는 8까지) 관찰 결과 점근선으로 보이는 어드미턴스 곡선의 패턴이 존재하는 것을 나타낸다. 내측 및 외측 최소값의 비율은 0.13과 0.95 정도의 값에서 각각 안정되기 시작한다. 또한, 모드 차수가 증가하면서, 임피던스의 최소값은 서로 훨씬 더 가까워져서 연속체로 되어 간다.

최소값에 탑재된 질량은 여전히 작고 불연속적이며, 불연속 서클로 보여진다. 보이스 코일과 서스펜션의 위치는 C와 S로 각각 표시되어 있다. 실제로, 질량은 확장된 사이즈일 수 있고, 도 9h에 도시된 바와 같이 표시될 수 있다. 여기서, 불연속 질량은 확장된 사각형으로서 도시되어 있고, 거의 닿으려고 한다. 불연속 질량은 이 질량이 패널을 경화시키지 않는다면 단일 연속 질량으로 대체할 수 있다.

도 9i 및 9j는 불연속 질량 M1과 M2(실선)를 이용한 확성기 및 연속 질량(점선)을 이용한 확성기에 대한 음향 음력과 음향 음압을 나타낸다. 솔루션은 작은 양의 구조적인 감쇠를 적용한다(5%).

불연속 솔루션에 있어서의 질량에 대한 위치는 다음과 같다.

성분	비율
코일	0.2
M1	0.44
M2	0.69
서스펜션	0.91

연속 질량 솔루션에 대한 위치는 다음과 같다.

성분	비율
코일	0.11
질량 시작	0.17
질량 종료	0.88
서스펜션	0.95

연속 질량은 적당한 밀도를 갖지만 매우 낮은 영 계수를 갖는 매우 유연한 얇은 외형을 구현되기 때문에 진동판의 경화를 막을 수 있다. 비록 도 9i 및 9j가 확성기의 응답이 일치하지 않는 것을 보여주지만, 연속 질량 솔루션은 만족스러운 결과를 제공한다. 전체적인 민감도에 있어서 약간의 패널티가 있고, 연속 질량 대안이 구현하기에 더 간단하다. 그럼에도 불구하고, 불연속 질량 솔루션이 여전히 바람직하게 선호되는데, 그 이유는 연속 질량 솔루션의 설계가 보다 제한되어 있고, 코일과 서스펜션 위치에 대한 점근선 값이 사용되어야 하기 때문이다.

소량의 내재적 감쇠를 연속 질량이 가진다면, 연속 질량 솔루션에서 원치 않는 일부 피크를 진폭의 측면에서 줄이는 것이 가능하다. 이는 유연한 고무 시트 등과 같은 재료를 이용하여 달성할 수 있으며, 이는 정확한 질량과 소량의 추가적인 감쇠를 제공한다.

어드미턴스를 이용하는 것 대신에, 다음과 같이 최적화하는 것에 의해 0으로 향하는 네트 가로축 모드 속도가 구현될 수 있다. 우선, 예컨대 링의 접합부에서 원형 선 질량을 가진 동일 재료의 동심원을 구비한 디스크를 원형 진동판으로 고려한 모드를 정의하는데, 모드 주파수와 모드 형태는 다음과 같이 구해진다.

N 모드 고정; μI는 링 질량의 단위 길이당 질량인 경우,

섹션 0

섹션 n = 1...N

경계선

연속성(continuity)

포스 조정(force balances)

여기서, Ψ₀은 원형 중앙 섹션의 모드 형태이고, Ψ_n은 n번째 링의 모드 형태이고, k는 파수이고, r은 반경이며, μl은 링 질량의 단위 길이당 질량이고, N은 해결할 최고 모드의 수이며, J(0)는 제 1 유형이고 차수 0인 베셀 함수이며, Y(0)은 차수 0이고 제 2 유형인 베셀 함수이며, I(0)는 제 1 유형의 변형된 베셀 함수이고, K(0)는 제 2 유형의 변형된 베셀 함수이며, A_n, B_n, C_n 및 D_n은 상수이며, MR은 굴곡 모멘트의 반경 성분이고, QR은 쉬어 포스(Shear Force)의 반경 성분이고, α는 링 질량의 길이당 질량 대 길이당 참조 질량의 비율로서, 보통 보이스 코일의 경우이고, 최외측 링을 제외한 보통 모든 링에 대해 α=1이다.

네트 볼륨 변위는 다음으로 계산된다.

네트 볼륨 변위가 0으로 되도록 r의 고정값에 대해 최외측 α_N을 최적화하는 것은 r_n의 정확한 값에 따라 약 0.75 및 0.80 사이의 α_n값을 제공한다. 상술한 어드미턴스 방법을 사용하여 계산된 평균 노드 위치는 약 0.79 내지 0.80의 최적화 값 α_n을 제공한다. 만약 최종 모드에 대한 실제 노드 위치가 사용되면, 약 0.74 내지 0.76의 α_n값이 최적으로 된다.

예시한 바와 같이, 최적화 방법은 32mm 보이스 코일을 갖는 트랜스듀서에 의해 구동되는 92mm 직경의 패널을 제작하는데 사용된다. 어드미턴스 방법을 이용해서 계산된 2개의 모드 솔루션은 보이스 코일에 대해 0.4 및 0.84의 반경 위치를 제공한다. 그러나, 코일 직경 대 패널의 비율은 0.348이다.

B = 7Nm, μ=0.45kg/m², υ=1/3, R = 0.046m, 코일 질량 = 1.5gm으로 정의하고, 2개 모드에 대한 최적화 방법에 있어서, 즉 N = 2에 대한 외측 링의 질량과 위치를 변경함으로써 다음이 얻어진다.

따라서, 직경 75.14mm(0.816764×2R = 0.816764×92mm) 및 질량 3.224gm(0.915268×75.14/32×1.5gm)의 링을 선택된 트랜스듀서로 구동되는 패널에 탑재함으로써, 첫번째 2개 모드에 대한 모드 여분 볼륨 변위(Modal Residual Volume Displacement)는 도 9k에 도시된 바와 같이 소멸된다. 제 3 모드는 여전히 조정되지 않은 상태이다.

제 2 예로서, 질량이 제 3 모드의 각 노드 라인에 배치되고, 첫번째 2개 모드를 조정하기 위한 질량 값이 그 후 최적화를 이용해서 결정된다. 결과는 다음과 같다.

위치(반경 비율): 0.257, 0.591 및 0.893

최적화된 단위 길이당 질량은 또한 다음의 비율 1, 0.982 및 0.744에 제시된 것으로 조율된다.

본 발명의 첫번째 2가지 실시형태에 있어서, 패널은 최내측 환형 위치(0.2)에서 구동된다. 그러나, 다른 환형 위치가 평균 노드 라인이므로, 패널은 하나 이상의 이들 위치에서 트랜스듀서의 질량을 조정하도록 나머지 위치에서의 환형 질량으로 구동될 수 있다. 질량의 조정 작용은 패널의 중심 및/또는 구동 포인트로부터의 상대적인 거리에 관계한다. 예컨대, 단일 8g 트랜스듀서가 0.91 구동 포인트에서 탑재된 경우, 다른 위치에서 좋은 근사치에 대한 질량값은 다음과 구할 수 있다.

도 10a는 원형 진동판을 구비한 확성기에 대한 3가지 서로 다른 범위에 대한 주파수 응답을 나타낸다. 도 10a는 제 1 모드 미만의 피스톤 범위, 제 1 모드에서 제 2 모드까지의 범위 및 제 2 모드와 그 이상의 범위를 나타낸다. 임의 주파수에서의 응답은 모드의 선형 합산과 피스톤 기여분으로 고려될 수 있다. 동작 주파수 내의 모든 모드는 음향 응답에 기여한다.

도 10a의 (100a)는 각 범위에서 도 10a의 확성기에 대한 피스톤 변위를 나타낸다. 피스톤 변위는 이들 범위 각각에 공통되고 동일하다. 도 10a의 (100b)는 각 범위에 대한 제 1 모드의 모드 변위를 나타낸다. 피스톤 범위에서 제 1 모드 미만에서, 모드 변위는 없다. 모드는 조정되지 않고, 피크(356)와 응답에 있어서 레벨(358)의 강하를 낳는 초과 마이너스 기여분을 가지며, 이 둘은 모두 들을 수 있다. 마찬가지로, 도 10a의 (100c)는 제 2 모드에 대한 변위 형태가 조정되지 않은 것을 나타낸다. 다시, 피크(356)와 응답에 있어서 레벨(358)의 강하를 낳는 초과 마이너스 기여분이 존재하는데, 이 둘은 모두 들을 수 있다.

도 10b는 제 1 및 제 2 모드가 조정되는 확성기에 대한 3개의 서로 다른 범위에 대한 주파수 응답을 나타낸다. 도 10b의 (100e)는 각 범위에서의 확성기에 대한 피스톤 변위를 나타낸다. 도 10a의 (100a)에 나타낸 바와 같이, 피스톤 변위는 이들 범위 각각에 대해 동일하고 공통된다.

도 10b의 (100e) 및 (100f)는 각 범위에 대한 제 1 및 제 2 모드의 모드 변위를 나타낸다. 피스톤 범위에서, 모드 변위는 존재하지 않는다. 각 모드는 조정, 즉 평균 가로축 변위의 합이 0으로 되며, 이에 따라 그 네트 기여분이 조정된다. 따라서, 응답에 있어서 레벨 변화는 없다. 단순하고 급격한 노치(360, Notch)가 존재하지만, 이는 음향 심리학적으로 양호한 것이다.

도 10c는 도 10b에 대응한다. 도 10c의 (100h) 내지 (100j)는 3가지 범위에서의 극 응답을 나타낸다. 도 10c의 (100h)에 나타낸 바와 같이, 저주파에서는 단순 피스톤의 예견된 반구 출력이 있다. 중간 범위의 주파수에서는, 피스톤 성분의 방향성이 소스 사이즈로 인해 좁아지기 시작한다. 도 10c의 (100i)에 나타낸 바와 같이, 제 1 모드 방출도 나타나고, 피스톤 범위로부터의 출력에 부가되며, 이에 따라 유용하게 방향성을 확장한다. 더 높은 주파수에서는, 피스톤 성분은 좁은 로브(Lobe)로서, 제 1 굴곡 모드로부터의 성분에 의해 지원되고 이제는 제 2 모드의 추가 기여분에 의해 도 10l에 도시된 더 넓은 방출 각도로 증대된다. 따라서, 모드 기여분은 주파수 범위에 걸쳐서 넓은 방향성을 유지하는데 유리한 효과를 가진다.

도 11a는 상술한 바와 같은 조정 질량으로 비율 0.91에서의 질량 8g을 갖는 트랜스듀서에 의해 구동된 원형 패널에 대하여 주파수 대 음압과 세기 변화를 나타내고 있다. 도 11b, 11c 및 11d는 질량이 6.06g, 3.864g 및 1.76g 각각인 트랜스듀서로 비율 0.69, 0.44 및 0.2에서 구동되는 동일한 패널에 대한 주파수 대 음압 및 세기 변화를 나타낸다. 상술한 바와 같은 값의 질량은 구동되지 않는 각각의 환형 위치에서 탑재된다. 각각의 시뮬레이션은 구조적 감쇠 없이 계산된다. 작은 보이스 코일은 고주파에서 파워를 저장하지만, 낮은 모드는 잘 조정되지 않는다. 외측 질량을 7g까지 낮춤으로써, 성능이 도 11e에 도시된 바와 같이 개선된다.

도 12a는 원형 패널 진동판이 원형 패널(60)로 대체된 점을 제외하고는 도 1a의 것과 유사한 본 발명의 선택적인 실시형태를 나타낸다. 환형 패널(60)은 외측 반경의 0.2인 내측 반경을 가진다. 순응(Compliant) 음향 봉합(61)은 패널의 중앙 개구 내에 탑재된다. 트랜스듀서의 보이스 코일(62)은 반경의 0.33인 환형 위치에서 탑재되며, 링 질량(64, 66)은 반경의 0.62 및 0.91인 환형 위치에 배치된다. 0.62 위치의 링 질량(64)과 보이스 코일(62)은 같은 질량을 가지며, 0.91 위치의 링 질량(66)은 보이스 코일(62)의 질량의 3/4이다.

도 12b는 보이스 코일(62)이 반경의 0.62인 환형 위치에 탑재되고 링 질량(64, 66)이 0.33 및 0.91 위치에 탑재된 경우에 있어서 도 12a의 변화를 나타낸다. 보이스 코일과 링 질량의 상대적인 질량은 변하지 않는다.

도 12c는 도 12a 및 12b(파선과 실선 각각)의 장치에 대한 세기 응답의 변화를 동일 사이즈의 피스톤형 환형 라디에이터의 경우(점선)와 비교한다. 제 2 케이스는 부분적으로 억제된 제 1 모드를 가지며, 그래서 그 세기 응답이 제 2 모드 미만에서 피스톤을 따른다. 중앙 구동이 불가능하므로, 편평한 세기는 얻을 수 없다. 그러나, 제 2 모드 이후에는, 양자 모두 피스톤보다 많은 음향 세기(acoustic power)을 방출한다.

질량과 보이스 코일의 환형 위치가 상술한 임피던스에 대한 식을 이용하여 비슷한 방식으로 계산된다.

도 13은 패널 반경이 변함에 따라서 도 12a 및 12b의 패널의 첫번째 3가지 모드(N=3)의 응답에 관한 대수 평균을 나타내는 도면이다. 계산을 위해, 임의의 재료가 패널용으로 선택되어서 제 1 모드가 400Hz에서 발생하고, 제 4 모드가 약 9.6kHz에서 발생하도록 한다. 환형 패널의 첫번째 4가지 모드가 비율 1:5:12:23인 주파수를 가지기 때문에, 장치가 꽤 넓은 대역폭을 처리할 수 있는 첫번째 3가지 모드를 처리한다. 최소값은 반경의 0.33, 0.62, 0.91에서 발생하며, 이에 따라 보이스 코일 및/또는 질량이 이들 위치에서 배치된다. 최외측 환형 위치는 도 1a의 원형 패널에 대한 것에 대응한다.

도 14는 외 측 반지름의 0.2인 내측 반지름을 갖는 환형 패널(72)과 환형 패널(72)의 개구 내에 동심원 형태로 탑재된 원형 패널(70)을 포함한 장치를 도시한다. 원형 패널(70)은 음향 봉합(acoustic seal)으로 작용하는 순응 서스펜션(compliant suspension, 74)에 의해 환형 패널(72)에 탑재된다.

환형 패널(72)은 패널 반지름의 0.62에서 탑재된 보이스 코일(voice coil, 82)을 갖는 동심원 형태로 탑재된 트랜스듀서(transducer)에 의해 구동된다. 링 질량(78)은 반경의 0.91인 환형 위치에서 환형 패널에 탑재된다. 환형 패널(72)은 0.91 환형 위치에서 탑재된 환형 서스펜션(annual suspension, 80)에 의해 도 1a와 같이 섀시(chassis)에 탑재된다.

원형 패널(70)은 패널 반지름의 0.62에서 탑재된 보이스 코일(voice coil, 84)을 갖는 동심원 형태로 탑재된 트랜스듀서(transducer)에 의해 구동된다. 링 질량(86)은 반지름의 0.91인 환형 위치에서 원형 패널에 동심원 형태로 탑재된다.

도 15 내지 19는 환형 위치와 질량에서 내성 효과(tolerance effect)를 도시한다. 도 15는 0.26 환형 위치에서 탑재된 32㎜ 보이스 코일 트랜스듀서(voice coil transducer)와 0.59와 0.89 직경 비율에서 결착된 질량을 갖는 121㎜ 직경의 원형 패널에 대한 주파수 반응(frequency response)을 도시한다. 이 주파수 반응(frequency response)은 "nominal"라고 레이블되어지고, 물질의 전단 효과(shear effect)로 인해 예상 주파수대역폭(bandwidth)은 약 11-12㎑이 된다. 또한, 도 15는 최내측 환형 위치에서 각각 질량의 10% 증감에서도 동일한 장치에 대한 주파수 반응(frequency response)을 나타낸다. 도 16은 도 15의 nominal 주파수 반응(frequency response)과 함께 환형 위치가 10% 만큼 증감된 장치에 대한 주파수 반응(frequency response)을 도시한다. 도 17a와 18a는 0.59와 0.89 반경 비율에서 질량에 대한 10%와 20% 변화의 효과를 도시하며, 도 17b와 18b는 이러한 반경 비율에서 위치에 대한 10%와 5% 변화의 효과를 도시한다. 도 19는 최내측 환형 위치에서 동시에 20% 만큼 변화된 질량과 환형 위치의 효과를 도시한다.

일반적으로, 질량 변화에 대한 내성(tolerance)은 위치 변화에 대한 그것보다 크다. 또한, 위치 변화의 주파수 반응(frequency response)에 대한 효과는 주파수에서 최후 조정된 모드(balanced mode) 이상의 주파수에서 가장 심하다. 전체적으로, 변화에 대한 내성(tolerance)은 질량 중심에 가까운 위치에서 가장 크다. 이 위치에서 직경 비율이나 질량에 대한 매우 넓은 변화에 대해서도 내성이 있을 뿐만 아니라, 패스-밴드(pass-band)에서 변화가 보완되는 것이 관찰된다. 단위 길이당 질량이 변하지 않는다면, 질량 또는 반경 비율에서 30% 증감까지의 변화를 수용할 수 있을 것이다. 외부 위치는 비율 변화에 더 민감하나, 질량 변화에 덜 민감할 수 있다.

최적의 솔류션에 대해, 상대적 평균 변위는

= 0이다. 두 개 모드 최적 고정에 대해, 외부 질량의 반경을 변화하는 것은 다음 식에 따라 최적에서부터 이동된다.

여기서, r₂는 평면 반지름에 의해 분할된 질량의 반지름이다.

한편, r₂에서 1% 변화는

에서 1.75% 변화를 야기한다. 상술한 것은 r₂에서 ±5% 내지 ±10% 까지의 허용치(tolerance)을 수용할 수 있다. 이것은

에서 8% 와 18% 사이의 허용치에 각각 대응한다.

도 9a 내지 9e 및 이후 유사한 도면에서는 평균 임피던스(impedance)의 그래프에서 최저치들이 광범위하므로 질량의 위치에서 약간의 허용치를 기대해야한다. 이것은 도 15 내지 19에 의해 지지된다.

전단 유연성(shear flexibility)을 고려한다면, 모드의 주파수는 얇은-접시 이론(thin-plate theory)에 의해 기대되는 것으로부터 실질적으로 변경할 수 있다. 그러나, 모드의 형태는 주로 변경되지 않는다. 예를 들면, 통상적으로 사용되는 물질을 가지고, 약 0.01부터 0.02까지 반경 비율을 감소시키면, 모드에 대한 약간 더 좋게 조정할 수 있다. 이러한 개선은 이전 단락에서 기술된 주어진 내성처럼 주로 학문적이다. 간단한 동등 보상은 통상적으로 1 또는 2㎜ 만큼 패널을 약간 크게 만드는 것이다.

패널의 크기는 트랜스듀서 보이스 코일(transducer voice coil)의 크기에 의해 제한된다. 주어진 산업 표준 코일 크기에서, 패널의 크기는 제한된다. 그러나, 위에서 기술된 것처럼, 장치의 주파수 응답(frequency response)은 최내치 비율에서 변경을 위해 상당한 허용치가 있으며, 이러한 관찰은 패널 반경에서 도표화된 값들로부터 최소 ±10% 변화를 허용하는 이점으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 그 방법은 우선 트랜스듀서(transducer)의 보이스 코일(voice coil)이 최내치 반경 비율에 설정되는 것에 요구되는 가장 가까운 패널/트랜스듀서(panel/transducer) 조합을 찾고, 올바른 패널 크기를 얻기 위하여 보이스 코일(voice coil)에 대한 것을 제외한 모든 반경 비율과 질량을 조절하여 적용할 수 있다.

대안적으로, 환형의 패널에 대한 것은 설계자가 패널 크기에 대한 제한을 면제시켜 사용될 수 있다. 그 주장은 홀이 작으면, 그 효과도 작아질 것이기 때문에 제한이 필요치 않을 수 있다. 환형 패널에 대한 관계가 설정된 테이블은 환형 위치에서 최소 효과를 갖는 0.1 보다 작은 반경 비율을 갖는 홀 크기를 제안한다. 따라서, 그 방법은 환형 패널을 설계하거나 원형 패널을 만들어서 적용될 수 있다. 예를 들면, 32㎜ 코일(coil)을 갖는 108㎜의 패널 직경은 0.14의 홀 비율을 갖는 환형 패널을 설계함으로써 얻을 수 있다. 가장 근접한 원형 설계는 28㎜의 코일(coil)을 요구할 것이다. 도 20은 28㎜ 또는 32㎜ 보이스 코일 트랜스듀서(voice coil transducer)에 의해 구동되는 원형 패널과 32㎜ 보이스 코일 트랜스듀서(voice coil transducer)에 의해 구동되는 환형 패널에 대한 주파수 응답(frequency response)을 도시한다. 환형 패널에 대한 패스-밴드 응답(pass-band response)은 약간 평탄치 않으나, 아웃-오브 밴드 응답(out-of band response)은 분명치 더 평탄하다.

또한, 상술되어진 패널 사이즈의 제한을 완화하기 위해 허용치 또는 환형을 사용하는 방법들은 더 높은 주파수에서 평탄한 응답으로부터 점진적으로 벗어날 수 있도록 하는 패스-밴드(pass-band) 모드 조정을 하는 "디듄(detune)"이 사용될 수 있다. 이것은 제기된 모드(mode)의 수가 의도된 주파수 대역폭을 완전히 수용하지 못하거나, 패널 물질의 전단(shear)이 주파수에서 인-밴드(in-band)로 나타나는 지점까지 주파수를 감소시키는 높은 차수의 모드가 된다는 것이 중요하다. 주파수 응답(requency response)은 종종 이들보다 더 높은 모드 근처에서 불규칙적이고, 특히 보이스-코일(voice-coil)이 이들 모드 중의 하나의 안티노드(anti-node)가 되거나 가까울 때 불규칙적이다. 이러한 더 높은 차수 모드에 대한 개선은 허용치(tolerance)을 이용하거나 환형 형태를 선택함으로써 해결될 수 있다.

도 21은 첫번째 두 개 모드가 조정되고, 단일 댑핑 패드(single damping pad)가 탑재된 확성기에 대해 축상(on-axis) 음압 레벨(sound pressure level: SPL)과 각각 하부와 상부가 곡선인 사운드 파워 레벨(sound power level: SWL)을 도시한다. 확성기는 32㎜ 보이스 코일 트랜스듀서(voice coil transducer)에 의해 구동되는 85㎜의 직경을 갖는 원형 패널을 포함한다. 71㎜ 직경의 환형 링은 패널에 결착되며, 댐핑 패드(damping pad)는 패널의 중심에 탑재된다. 이러한 탑재 패드(damping pad)는 9㎜×9㎜이며, 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(ethylene propylene diene rubber: EPDR)로 만들어진다.

중심 댐핑 디스크(central damping disc)는 원형 패널에 대해 패널 모서리와 비슷하게 항상 안티노드(antinode)에 있기 때문에, 이들의 사용은 보통의 방법을 따른다. 그러나, 이것은 모든 모드에 대해 약간의 감쇠가 적용될 것이며, 불행히도 모든 속도 프로파일(velocity profile)이 동일하게 감쇠되지 않는 것을 의미한다. 결국, 도 21에서 도시된 것처럼, 댐핑 패드(damping pad)의 효과는 SPL 곡선의 제 3 모드를 감쇠시킨다. 그러나, 여전히 제 3 모드는 음력 응답(sound power response)인 SWL 곡선에서 11kHz로 분명하게 가시화된다. 따라서, 축상 응답(on-axis response)은 개선된 것처럼 보이지만, 세기 응답은 그렇지 않다.

제 3 모드에서 이러한 피크가 어떻게 효과적으로 감쇠될 수 있는지를 이해하기 위해서, 3개의 모드를 갖는 패널에 대한 패널 어드미턴스 곡선(panel admittance curve)인 도 9c를 다시 한번 검토해 볼 필요가 있다. 이전에 설명한 것처럼, 조정된 질량은 그래프에서 좁은 골(trough)인 낮은 속도 영역에서 추가된다. 감쇠를 위해, 높은 속도 영역은 최대 패널 굽음으로 나타내기 때문에, 감쇠(damping)를 위해서 이러한 높은 속도 영역에 관심이 있다. 도 9c에서 도시된 것처럼, 최대 속도의 전형적인 위치는 모든 모드에서 최대이기 때문에, 최대 속도의 전형적인 위치는 패널의 중심과 모서리이다.

또한, 패널의 중심과 에지는 0.42와 0.74의 패널 직경에서 피크인 높은 속도의 서로 다른 두 개 넓은 영역이 존재한다. 선택적 감쇠(damping)는 이들 영역의 적용은 유용할 수 있다. 이들 영역은 일반적인(broad) 어드미턴스(admittance)이기 때문에, 감쇠 위치(damping location)는 질량 위치를 조정하는 것만큼 중요하지 않다. 도 21a에 도시된 확성기에 대해, 이들 비율은 35.7㎜과 63㎜에 있다. 그러나, 트랜스듀서 보이스 코일(transduce voice coil)은 출력에서 큰 피크인 32㎜이므로, 35.7㎜에서 감쇠(damping)를 부가하는 것은 이상적이지 않다. 전체 모드 형태의 충분한 선택적 감쇠(selective damping)에 영향을 주기 위해서 직경 63㎜가 적합하며, 최소 제 2 영역이 요구된다. 또한, 0.2와 0.27 비율 사이의 영역은 높은 속도를 갖는다. 이러한 영역이 중심 영역으로 겹치기 시작한다 하더라도, 이곳은 속도가 매우 빠르게 증가되는 곳이기에 표면 감쇠 재료(surface damping material)는 긴장(tense)될 것이다.

도 22a는 32㎜ 보이스 코일 트랜스듀서(voice coil transducer, 92)에 의해 구동되는 직경 85㎜인 원형 패널(90)을 포함한 확성기를 도시한다. 직경 71㎜인 환형 조정 링(annular balancing ring, 94)은 직경 63㎜인 댐핑 링(damping ring, 96)과 직경 9㎜인 중앙 댐핑 패드(central damping pad)와 함께 패널에 탑재된다. 이러한 댐핑 링들(damping ring, 96, 98)은 에틸렌 플로필렌 디엔 고무(ethylene propylene diene rubber)로 만들어진다.

도 22b는 도 22a의 확성기에 대한 축상 음압(sound pressure level: SPL)과 음력 레벨(sound power level: SWP) 곡선들을 나타낸다. 이들 곡선에서 11㎑에는 피크가 없으므로, 제 3 모드는 환형 링(annular ring)의 사용에 의해 효과적으로 감쇠된다.

댐핑 링(damping ring)의 위치는 조정된 모드 수에 의해 결정된다. 도 9a 내지 9e를 이용할 때, 제 2 모드부터 제 5 모드까지 감쇠하기 위한 댐핑 링(damping rings)의 환형 위치(annular locations)는 아래와 같다.

	위치 (비율)
모드 수	1	2	3	4
2	0.58
3	0.43	0.74
4	0.32	0.52	0.77
5	0.27	0.48	0.63	0.81

예를 들면, 만약 제 4 모드가 감쇠된다면, 댐핑 패드(damping pad)는 0.32, 0.52 및 0.77의 직경 비율에 탑재되어야 한다.

도 23은 플루스토-코니컬 커플러(frusto-conical coupler, 100)를 도시한다. 도 24에서 도시된 것처럼, 커플러(100)는 원형 패널 진동판(circular panel diaphragm, 102)과 트랜스듀서 보이스 코일(transducer voice coil, 104) 사이에 위치된다. 트랜스듀서의 자석 어셈블릭(magnet assembly)는 명료화를 위해 생략한다. 진동판(diaphragm, 102)은 환형 서스펜션(annular suspension, 106)에 의해 섀시(chassis, 108)에 지지된다. 점선은 커플러의 끼인각 θ을 나타내다.

도 25에 도시된 것처럼, 커플러는 보이스 코일(voice coil)의 직경인 제 1 직경(110)에서 트랜스듀서 보이스 코일(transducer voice coil)과 결합된다. 이 커플러는 제 1 직경보다 큰 제 2 직경(112)에서 진동판(diaphragm)과 결합된다. 이러한 방식으로, 적당한 비용인 작은 보이스 코일 어셈블리(voice coil assembly)는 더 큰 구동 써클로 구성될 수 있다. 더욱이, 이러한 커플러는 상대적으로 낮은 비용에서 부적절한 보이스 코일(voice coil) 직경을 정확한 구동 직경에 매칭한다.

도 26a 내지 26d는 유한 요소법(finite element analysis)에 의해 얻어진 음압(sound pressure)과 음력 레벨(sound power level)을 도시한다. 도 26a는 환형 질량을 갖는 패널 진동판에 대한 본 발명에 따른 확성기의 모드의 출력을 나타낸다. 관형 커플러(tubular coupler)는 진동판(diaphragm)과 트랜스듀서 보이스 코일(transducer voice coil) 사이에 탑재된다. 이 커플러는 0.5㎜ 두께 콘 종이(cone paper)이며, 25.8㎜ 직경을 갖고, 진동판(diaphragm)으로부터 보이스 코일(voice coil)까지의 거리는 5㎜로 설정하여, 끼인각은 결국 0°이 된다.

도 26b 내지 26d에서, 보이스 코일(voice coil)의 직경은 변경되지 않고 남아있는 진동판(diaphragm)에서 이 커플러(coupler)의 직경을 갖는 2㎜ 내로 감소되어, 이 커플러(coupler)는 급격하게 가파른 측면을 갖으면서 관(tubular)으로부터 플루스토-코니컬(frusto-conical)까지 변경된다. 도 26b가 23°의 끼인각에 관련되고, 도 26c가 44°의 끼인각에 관련되고, 도 26d가 62°의 끼인각에 관련되도록, 보이스 코일(voice coil)은 0°끼인각으로 감소시키는 과정을 시작한다.

도 26a에서, 모드에서 감쇠가 거의 없거나 아예 없으나, 실제에선 적당하게 평탄한 축 주파수 응답(axial frequency response)이 발생한다. 도 26b 내지 26d에서 커플러 공명(coupler resonance)은 고 주파수 제한(high frequency limit)에서 명백히 가시화되고, 이러한 커플러 공명(coupler resonance)은 코일 직경이 감소함에 따라, 즉 커플러 각이 증가함에 따라 주파수에 대해 감소하는 것을 확인할 수 있다. 만약 커플러 공명(coupler resonance)이 스피커의 동작 범위를 벗어나면, 성능면에서 부작용(adverse effect)은 없다. 따라서, 이러한 공명(resonance)이 주파수 대역폭의 제한에 있기 때문에, 직경에서 작은 변화는 수용될 수 있다.

모드에서 이러한 커플러(coupler)는 얇은 종이로 만들어졌으나, 직경 매칭의 비율, 수용가능한 커플러 질량 및 비용에 의존적이고, 커플러(coupler)에 대한 더 단단한 셀 구조는 송진으로 강화된 탄소 섬유와, 벡트라(Vectra)와 같은 주조된 열 가소성 수지에 지향된 크리스탈(crystal orientated moulded thermoplastic)로도 가능하다. 모드에서 커플러(coupler)는 단일 프루스토-코니컬(frusto-conical) 단면이였으나, 커플러(coupler)를 화염 장치에 배치할 수도 있어 전형적인 곡선으로 된 확성기 원뿔(corn)과 유사하게 하다.

도 27a와 27b는 158°의 원뿔 각을 갖는 원뿔과 유사한 진동판(diaphragm, 120)이 도 12b의 실시형태에서 변화를 나타낸다. 이전 실시형태에서처럼, 보이스 코일(voice coil, 122)은 반경이 0.62인 환형 위치에서 탑재되며, 링 질량(ring masses, 124, 126)은 0.33 및 0.91 위치에서 탑재된다.

이들 실시 예들에서, 패널(110)은 등방성 물질, 주로 5㎜ 두께의 Rohacell™(확장된 폴리 메티리미데(expanded poly methylimide))으로 만들어지며, 100㎜ 직경의 외부 주변부(outer periphery)와 20㎜ 직경의 내부 주변부(inner periphery)를 갖는다. 질량의 조정 작용은 구동 점 및/또는 패널의 중심으로부터의 상대적인 거리와 관계된다. 질량 값은 다음과 같이 조정된다.

요소	직경 비율	상대적 비율	상대적 질량	실제 질량(gm)
질량 16	0.90	1.45	1.45	5.60
코일 12	0.62	1.00	1.00	4.15
질량 14	0.33	0.53	0.53	2.15

도 28a 및 28b는 도 12b와 27a의 확성기에 대한 각각의 축상 압력(on-axis pressure)와 반공간 세기(half-space power)를 도시한다. 도 28b는 158°의 끼인각을 갖고, 원뿔에 대한 3개 질량 조정 솔루션에 대해 근사적으로 제한하는 경우를 설명하기 위해 선택되었다. 이 두 확성기들은 여전히 확장된 축외(off-axis) 주파수 반응과 청취 영역(listening region)에 걸쳐 양호한 음질과 명료함을 얻는다. 도 28c와 28d는 원뿔 각이 174°과 166°으로 축소된 경우, 도 27a의 3개 질량 장치의 변화에 대해 성능이 어떻게 향상되는 지를 도시한다. 도 28a 내지 28d의 각각에서, 음력(sound power)은 제 2 모드에서 낮아지고, 고주파 제한(high frequency limit)에 대해 이 레벨을 유지한다.

도 29a 및 29b는 상기 질량 및 보이스 코일의 위치가 4개 모드에 대해 보상하도록 선택된 도 12b의 장치에서의 변화를 나타낸다. 상기 진동판(diaphragm)은 0.92의 직경비에서 상기 패널(10)에 동심원이 되도록 탑재된 보이스 코일(132)을 구비한 트랜스듀서를 갖춘 환형의 평평한 패널(130)이다. 3개의 링 형상(또는 환형) 질량(134, 136, 138)은 직경비 0.23, 0.46, 및 0.7에서 접착 테이프를 이용하여 상기 패널(130)에 동심원 형태로 탑재된다. 상술한 바와 같이, 상기 질량 값은 상기 보이스 코일의 값에 따라 조정되고, 보이스 코일이 8gm의 질량을 갖기 때문에 상기 질량은 각각 1.76g, 3.864gm, 6.06gm의 값을 갖는다. 상기 질량의 값은 패널의 중앙부를 향하여 감소한다.

도 30a 및 30b는 진동판(140)이 158°의 원뿔각을 갖는 원뿔형인 도 29a의 실시 형태상에서의 변화를 나타낸다. 이전의 실시 형태에서와 같이, 상기 보이스 코일(142)은 반경이 0.92인 환형 위치에 탑재되고, 상기 링 질량(144, 146, 148)은 0.23, 0.46, 0.70으로 탑재된다. 상기 보이스 코일의 상대적인 질량과 링 질량은 변동되지 않는다.

도 31은 상기 패널의 반경이 변화함에 따라 도 29a의 패널의 첫번재 4개 모드(N=4)의 응답인 대수 평균을 나타낸다. 최소치들은 도 29a 및 29b에 사용되는 보이스 코일과 질량부의 위치인 0.23, 0.46, 0.70, 0.92의 반경에서 생긴다. 첫번째 4개 모드로부터의 솔루션은 첫번째 3개 모드로부터의 솔루션 확장은 아니다.

도 32a 및 32b는 도 29a 및 30a 각각에서 의 확성기에 대한 축상(on-axis)에서의 압력 및 하프-스페이스 파워를 각각 나타낸다. 상기 확성기는 확장된 축외(off-axis)의 주파수 응답을 갖고, 청취 영역에서 양호한 명료도(intelligibility)와 고음질을 갖는다. 상기 장치의 주파수 범위는 한정된 구성 요소의 분석(FEA)에 의해 결정되는 바와 같이 상기 패널의 모드에 의해 밴드(band)로 분할된다. 각각의 밴드는 그와 관련된 특정 질량을 가지며, 질량 증가는 밴드의 민감도(sensitivity)를 감소 및 증가시킨다. 상기 피스톤 영역의 민감도는 최외측 피스톤에서 상기 질량에 의해 제어된다. 상기 패널의 기계적 임피던스는 주변부로 갈수록 감소하고, 이에 따라 최외측에서는 보다 작은 질량이 요구된다. 다음의 위치에서 질량 감소도 유용할 수 있다.

도 32c 및 32d는 도 29a 및 29b에 나타난 장치의 변위를 각각 나타내며, 상기 질량의 값은 성능을 향상시키기 위해 변화한다.

도 32c는 상기 트랜스듀서의 질량을 6g으로 감소시키고, 상기 평평한 패널상에서 0.7 위치에서 질량값을 6.06gm에서 5.8gm으로 감소시킨 것에 대한 효과를 나타낸다. 도 32d는 상기 트랜스듀서의 질량을 5.4g으로 감소시키고, 158°원뿔상에서 0.7 위치에서 상기 질량값을 6.06gm에서 5.6gm으로 감소시킨 것에 대한 효과를 나타낸다. 민감도의 증가가 원하는 바대로 되고, 응답이 두 실시 형태 모두에 대하여 일반적으로 향상된다. 도 32d에서, 원뿔 공동(cavity)의 효과인 3kHz에서 시작하는 넓은 골(trough)이 있다. 일반적으로, 두 실시 형태의 실행은 3개의 모드만 고려된 장치에 비해 향상된다.

도 33a 및 33b는 이전 실시 형태에서 조합된 별도의 진동판을 나타낸다. 도 33a 및 33b에서, 상기 진동판은 내부 및 외부 주변부(170, 172)를 갖는 환형이다. 도 33a에서, 상기 진동판(174)은 주변부 사이에서 위에서 봤을 때 볼록한 굴곡을 갖고, 도 33b에서 진동판(176)은 주변부 사이에서 위에서 봤을 때 오목한 굴곡을 갖는다.

상기 실시 형태 각각에서, 환형 질량은 패널에 탑재된 별개의 질량이다. 질량의 중앙이 정확한 환형 위치에 관련된다면, 상기 질량의 폭 또는 면적의 넓이는 중요한 것으로 보이지 않는다. 또한, 상기 질량은 상기 보이스 코일에 대향하는 상기 패널의 표면상에 탑재될 필요는 없다. 여분의 질량은 상기 위치에서 패널 밀도를 증가시킴으로써 환형 위치에 제공될 수 있다. 상기 패널은 환형 위치에 주조된 추가 질량을 인젝션(injection)일 수 있다.

도 34는 빔 형상의 패널(220)의 형태인 진동판과, 이에 탑재된 2개의 트랜스듀서를 구성하는 확성기를 나타낸다. 두 쌍의 질량(228, 226)은 패널의 대칭 라인(또는 중앙)에서부터 모서리까지의 거리(즉, 패널 길이의 반 정도)의 0.19 및 0.88의 지점에 탑재된다. 각 트랜스듀서의 상기 보이스 코일(222, 224)은 상기 패널의 중앙에서부터 0.55인 지점에 탑재된다. 상기 패널(220)은 0.88 지점에 탑재된 서스펜션(223)을 통과하여 섀시(chassis)(221)에 탑재된다.

0.19 지점에서 상기 보이스 코일(222, 224)과 질량(228)은 동일한 질량을 갖는다. 상기 빔이 일정한 폭의 것이기 때문에, 단위 길이당 질량은 질량에 비례하지만 위치에는 독립적이다. 그러나, 모서리 효과(edge effect)로 인해, 상기 패널의 모서리에 가장 가까운 질량은 그 값이 작을수록, 통상 약 30% 만큼 작게 할 경우 더 효율적이다.

도 35a 및 35b는 두 쌍의 질량(실선), 한 쌍의 질량(점선) 및 질량을 갖지 않는 것(파선)을 갖는 도 34의 확성기에 대하여 축상 압력 및 반공간 세기를 나타낸다. 질량을 갖지 않는 장치에서, 상기 트랜스듀서는 패널의 노드에 탑재된다.모델링을 위하여, 길이가 200mm이고 약 280Hz의 제1 모드를 갖는 패널이 선택된다. 상기 보이스 코일은 중앙에서부터 55mm인 지점에 탑재되고, 한 쌍의 질량은 각각 중앙으로부터 19mm 및 88mm인 지점에 탑재된다. 55mm 지점에서의 상기 보이스 코일과 내부 질량은 각각 550mg이고, 외부 질량은 400mg이다.

도 35a 및 35b에 도시된 바와 같이, 질량을 갖지 않는 패널은 거의 1500Hz인, 즉 제2 모드에 이르는 대역폭만을 갖는다. 반대로, 두 쌍의 질량을 갖는 패널은 확장된 축외 주파수 응답을 갖고, 약 7kHz에 이르는, 즉 제4 모드에 이르는 향상된 음질과 민감도를 갖는다.

도 36a 내지 36g는 도 34a의 장치에 대하여 질량의 위치와 구동부 위치를 선택하는 방법을 나타낸다. 도 36a는 패널 중앙에 공급된 무질량 포인트에 의해 구동된 자유로운 빔 형상의 평평하고 견고한 패널을 구비하는 이론상의 피스톤식 확성기에 대한 음압 및 음력 레벨을 나타낸다. 상기 음압은 주파수에 대해 일정하지만, 또한 음력은 거의 1kHz가 될때까지는 일정하고, 그 후에는 주파수의 증가에 따라 서서히 떨어진다.

삭제

도 36b는 패널 중앙의 지점에 인가된 무질량의 포인트에 의해 구동된 자유로운 공명의 빔 형상 패널을 구비하는 이론상의 확성기에 대한 음압 및 음력 레벨을 나타낸다. 상기 음압은 실질적으로 주파수에 대해 일정하지만, 음력의 하락은 도 36a에 도시된 것과 비교하여 현저히 향상된다. 패널 모드는 상기 모드이 전기기계적인 감쇠(damping)를 사용하지 않기 때문에 분석시 가시화할 수 있다. 상기 모드를 가시화할 수 없다면 상기 자유로운 공명의 패널은 실질적으로 일정한 축상의 음압뿐만 아니라, 일정한 음력이 전달한다.

도 36c는 특정 확성기에 대한 음압 및 음력 레벨이 도 36b의 것과 유사하지만 25mm의 직경을 갖는 보이스 코일과 보이스 코일(재료, 권수 등)의 설계에 의존적인 유한 질량부를 구비한 트랜스듀서에 의해 구동된다는 것을 보여준다. 주파수에 대해 하락하는 음력은 도 36a에 도시된 것과 비교하여 향상된다. 그러나, 축상의 압력과 음력 모두는 주파수에 대해 더 이상 일정하지 않다.

상기 확성기가 준(quasi) 1차원이기 때문에, 심플한 모델링이 모드에 사용된다. 그 결과는 도 36b의 의론상으로 이상적인 모드가 확장되도록 자동력없이 조정되는 도 8에 도시된 바와 유사하며, "전체 본체의 변위" 모드를 제외하고 다른 모드들은 제로를 갖는 평균 변위를 갖는다. 반대로, 도 36c의 특정 확성기의 모드는 조정되지 않는다. 그러나, 이러한 실행은 노드의 윤곽을 수학적으로 맵핑함으로써 상술한 바와 같이 처리될 수 있고, 이에 따라 그 특정 확성기의 모드와 속도는 이상적인 이론상의 확성기의 모드와 속도가 된다.

상술된 바와 같이, 상기 위치는 평균적으로 낮은 속도의 위치, 즉 어드미턴스의 최소치의 지점이다. 빔 형상의 패널에 있어서, 어드미턴스 Ym 및 가변 반길이(half-length)ξ에 대한 대수 평균 μ(ξ)은 다음 식을 이용하여 계산된다.

N=모드 수

S=동작 주파수 범위에 걸친 비례 요소

λ_i=고유치

(n-1/4)ㆍπ

ω=주파수

γ(i,ξ)=i^th모드의 모드 형태

도 36d는 패널의 대칭 라인(또는 중앙)에서부터 모서리까지(즉, 패널의 반길이에 걸쳐서)의 거리에 따라 변동하는 것으로 도 34a의 패널의 첫번째 2개 모드(N=2)의 대수 평균 어드미턴스를 나타낸다. 최소치들은 반길이의 0.29 및 0.81인 지점에서 생기고, 이에 따라 보이스 코일 및/또는 질량은 상기 위치에 배치된다.

도 36e는 패널의 대칭 라인(또는 중앙)에서부터 모서리까지(즉, 패널의 반길이에 걸쳐서)의 거리에 따라 변동하는 것으로 도 34a의 패널의 첫번째 3개 모드(N=3)의 대수 평균 어드미턴스를 나타낸다. 상기 빔 형상의 패널의 첫번째 5개 모드는 1:5.4:13:25:40의 비율인 주파수를 갖기 때문에, 상기 첫번째 3개 모드를 처리하는 것은 상기 장치가 아주 넓은 대역폭을 수용할 수 있다는 것을 의미한다. 최소치들은 반길이의 0.19, 0.55, 0.88인 지점에서 생기고, 이에 따라 보이스 코일 및/또는 질량은 상기 위치에 배치된다(도 34a 및 34b에 예로 나타낸 바와 같음).

도 36f는 패널의 대칭 라인(또는 중앙)에서부터 모서리까지(즉, 패널의 반길이에 걸쳐서)의 거리에 따라 변동하는 것으로 도 34a의 패널의 첫번째 4개 모드(N=4)의 대수 평균 어드미턴스를 나타낸다. 최소치들은 반길이의 0.15, 0.40, 0.68, 0.91인 지점에서 일어난다. 이에 따라 첫번째 4개 모드의 솔루션은 첫번째 3개 모드로부터의 솔루션의 확장이 아니다.

보다 높은 차수의 모드는 보다 높은 모드가 관심있는 주파수 밴드를 벗어날 때 첫번째 4개 모드가 맵핑되면 만족스럽게 맵핑되고, 상기 패널은 전단에서 적당히 단단해진다. 반면, 더 높은 모드가 관심있는 주파수 밴드를 벗어날 때 첫번째 4개 모드가 맵핑되지 않으면, 보다 높은 차수 모드(예컨대, 5개 이상 모드)의 조정이 가능하다.

도 36g는 패널의 대칭 라인(또는 중앙)에서부터 모서리까지(즉, 패널의 반길이에 걸쳐서)의 거리에 따라 변동하는 것으로 도 34a의 패널의 첫번째 5개 모드(N=5)의 대수 평균 어드미턴스를 나타낸다. 5개 모드를 고려할 때, 어드미턴스 Ym에서의 최소치들 각각은 0.11, 0.315, 0.53, 0.74, 0.93인 지점에 존재한다.

상기 변동형 최소치들은 패널상에서의 트랜스듀서의 위치를 제한하고, 이에 따라 전체 패널 사이즈는 산업 표준 보이스 코일 사이즈에 의해 규정된다. 그러나, 패널상의 하나 이상의 트랜스듀서를 갖는 것이 가능하고, 이에 따라 패널 사이즈상의 제한이 완화된다. 크로스 모드의 표시상에서 패널 폭에 대한 트랜스듀서의 직경 비율의 효과는 크며, 이 비율에서 약 0.8의 값은 가장 낮은 크로스 모드를 효과적으로 억제한다.

도 36h는 트랜스듀서가 탑재된 진동판으로부터의 출력(점선)과 주파수 범위에서 2개 모드의 평균 모드의 위치에 탑재된 트랜스듀서와 한 쌍의 질량부(실선)를 구비한 동일한 진동판을 비교한다. 상기 제 1 모드는 상기 트랜스듀서의 위치로 인해 그외의 경우에는 보이지 않는다. 상기 제 2 모드는 질량을 부가하는 것으로서 조정된다. 상기 평균 모드 위치는 0.29, 0.81이고, 상기와 동일한 방법을 이용하여 계산된다. 상기 모드 위치는 상기 진동판 길이의 일부로서 표현될 때 0.095, 0.355, 0.645, 0.905의 위치로 변한다.

도 36i는 트랜스듀서가 탑재된 진동판으로부터의 출력(점선)과 주파수 범위에서 5개의 모드의 평균 모드의 위치에 탑재된 트랜스듀서와 한 쌍의 질량을 구비한 동일한 진동판의 출력(실선)을 비교한다. 상기 평균 모드의 반경은 진동판의 길이의 일부로서 표현될 때 035, 0.13, 0.235, 0.3425, 0.445, 0.555, 0.6575, 0.765, 0.87, 0.965의 위치로 변하는 0.11, 0.315, 0.53, 0.74, 0.93이다.

도 37은 단일 트랜스듀서가 도 34a의 장치에 사용되는 빔 형상 패널에 탑재되는 본 발명의 추가 실시 형태를 나타낸다. 상기 트랜스듀서는 패널상의 중앙에 탑재된 대형 보이스 코일(242)을 구비하며, 구동부가 근본적으로 0.19 위치에 존재한다.

두 쌍의 질량(244, 246)은 0.55 및 0.88 위치에 탑재된다. 상기 보이스 코일 질량은 두 위치에 의해 이등분되고, 그에 따라 상기 질량은 전체 코일 질량의 절반으로 설정된다. 도 34a의 장치와 같이, 상기 질량과 보이스 코일의 위치는 3개 모드를 보상하도록 선택된다.

도 38은 질량과 보이스 코일의 위치가 4개 모드에 대해 보상하도록 선택된 도 34a의 디바이스상에서의 다른 변위를 나타낸다. 상기 빔 형상 패널(230)은 상기 패널의 중앙에서부터 0.40 이격된 대칭 위치에서 쌍으로 탑재된 각각의 트랜스듀서의 보이스 코일(231, 232, 233, 234)이 탑재된 4개의 트랜스듀서를 구비한다. 대칭으로 설치된 질량 쌍(235, 238, 240)은 상기 패널의 중앙에서부터 0.15, 0.68 및 0.91 만큼 이격된 위치에 설치된다. 상기 질량은 더 낮은 값(최대 약 30% 낮을 때)이 유용할 수 있다는 모서리 효과가 나타내는 지점인 0.91을 제외한 개별적인 보이스 코일 질량의 2배와 같다. 그러므로, 예를 들어 상기 보이스 코일 질량이 225mg이면, 상기 질량은 400mg로 감소된 위치인 0.91에서의 질량을 제외한 550mg이다.

도 39a 및 39b는 3 쌍의 질량(실선)과 질량이 없는 것(파선)이 나타난 도 38의 확성기에 대한 축상 압력 및 반공간 세기를 나타낸다. 상기 질량이 없는 장치에서, 상기 트랜스듀서는 상기 패널의 노드에 탑재된다. 도 38의 확성기의 대역폭은 도 34a의 것과 비교할 때 4kHz 만큼 증가된다. 그러나, 고주파수에서 상기 패널은 상기 보이스 코일 사이즈가 중요하기 때문에 2차원 대상으로서 동작하기 시작한다. 3개에서 4개의 모드로 확장하기 위한 솔루션은 분리된 트랜스듀서보다 바(bar) 커플러를 이용할 수 있고, 이에 따라 제 4 모드도 조정된다. 추가 향상도 최외측 질량을 분리함으로써 가능해져, 질량은 가장 낮은 크로스 모드의 모드 라인상에 놓여진다. 도 39a 및 39b에 도시된 바와 같이, 제 4 모드를 고정시키는 것은 압력 응답에 대하여 자유롭게 제 5 모드를 제공함을 분명하게 나타낸다.

도 40a 및 40b는 빔 형상 패널(250)이 길이가 변하는 두께를 갖는 본 발명의 다른 실시 형태를 나타낸다. 상기 패널(250)의 전체 길이는 306mm이고, 그 두께는 각 모서리에서 t1=2mm 부터 중앙의 t2=5mm 로 선형적으로 증가한다. 각 트랜스듀서의 상기 보이스 코일(252, 254)은 상기 빔의 중앙으로부터 0.08 이격된 위치에 탑재된다. 질량 쌍(256, 258, 260)은 대칭 라인에서부터 상기 패널의 모서리까지의 거리의 0.28, 0.53 및 0.80인 지점에 탑재된다. 0.28 및 0.53에 탑재된 질량은 보이스 코일(252, 254)에 대한 질량과 동일한 반면, 0.80에서의 질량 쌍들(260)은 감소된 질량을 갖는다. 이에 따라, 목적을 이루기 위하여, 탑재 위치는 12mm, 45mm, 85mm, 및 128mm 이다. 상기 보이스 코일과 내부 두 쌍의 질량은 각각 550mg이고, 외부 질량부는 400mg이다.

패널은 대칭적이기 때문에, 도 41a는 도 40a에 사용된 실시 형태의 패널의 각 절반에 대한 첫번째 4개 모드들의 형태를 보여준다. 도 41b는 이러한 4개의 모드들에 대한 퓨리에 변환들을 보여준다. λa = k.a.sin(θ)이고, 여기에서 k는 음향 파수, a는 패널의 절반 길이, 그리고 θ는 패널의 축(axis)으로부터 측정된 방사각을 나타낸다. 강체(rigid body) 모드 FTC(0, λa)를 제외하고, 변환들은 λa = 0에 대해 모두 소실된다. 이는 주파수 0 또는 각도 0 - 즉 중심축(on-axis)에 대응된다.

도 41c 및 도 41d는 패널의 대칭선(또는 중심)에서부터 모서리까지(즉, 절반 길이에 걸쳐)의 거리에 따라 변화되는 것처럼, 도 40a의 패널의 첫번째 4개 모드들(N=1…4)의 응답에 대한 대수 평균을 나타낸다. 그 최소치들은 아래와 같이 도표화되었다.

고려된 모드 수	최소 위치	상대적 최소 위치
1	65.5㎜	0.41
2	25.5㎜, 65.5㎜	0.16, 0.65
3	17.5㎜, 62,5㎜, 119㎜	0.11, 0.39, 0.75
4	12㎜, 45㎜, 85㎜, 128㎜	0.08, 0.28, 0.53, 0.80

도 9a 내지 도 9e와 연관되어 상술된 바와 같이, 그 방법은 설계자가 단지 특정 모드들을 맵핑하는 것을 허용할 만큼 유연성이 있다. 첫번째 4개 모드들에 대해 계산된 위치들은, 도 40a의 장치에 있는 질량(masses) 및 보이스 코일의 위치들에 대응된다.

아래에 도시된 테이블은 1과 4.5㎜ 사이에서 가변되는 최소폭 t1에 대한 도 40a의 쐐기 모양(wedge)의 첫번째 5개 자유대칭적인 모드들에 대한 주파수들을 보여준다. 중앙에서의 두께는 5㎜로 있게 된다.

t1/mm	모드 1/Hz	모드 2/Hz	모드 3/Hz	모드 4/Hz	모드 5/Hz
4.5	505	2670	6573	12210	19580
4	492	2540	6228	11560	18560
3.5	478	2405	5873	10880	17430
3	463	2265	5504	10180	16290
2.5	448	2120	5118	9446	15100
2	431	1967	4711	8670	13840
1.5	413	1840	4274	7834	12490
1	393	1625	3792	6909	10980

그 첫번째 4개 모드들에 대한 노드 라인(nodal line)의 근사적 위치들은 아래와 같이 제시된다. 패널은 대칭적이기 때문에, 단지 패널의 어느 한 절반에 있는 노드 라인들만 도시되었으며; "x"에 있는 선은 "200-x"에 있는 어느 한 선을 의미한다.

삭제

도 41c 및 41d의 것들과 결과를 비교하면, t1=2에 대해서, 두번째 모드에 대한 노드 라인들의 위치들은 0.16 및 0.68에 있으며, 두 모드들에 대한 평균 노드 위치들은 0.16 및 0.65에 있다. 세번째 모드에 대한 노드 라인들의 위치들은 0.10, 0.41 및 0.79에 있으며, 세 모드들에 대한 평균 노드 위치들은 0.11, 0.39 및 0.75에 있다. 따라서, 위에서 지적된 바와 같이 평균 노드 위치는 고려되어지고 있는 가장 높은 모드의 노드 라인에 근접하게 된다.

도 42a는 자유 대칭적 쐐기 모양을 구비하며, 패널 중심에 가해지는 무질량(massless) 포인트 포스(point force)에 의해 구동되는 리지형(rigid) 패널인 이론적인 확성기에 대한 음압(sound pressure)과 음력(sound power) 레벨을 나타낸다. 패널은 200㎜의 길이 및 20㎜의 폭을 가지며, 중앙에서 5㎜ 두께에서부터 어느 한쪽 끝에서 2㎜ 두께까지 테이핑된다. 비록 4.8 kHz 및 9.5 kHz에서 모드들의 일부 돌파(break-through)가 있으나, 음압 및 음력은 일반적으로 대략 10 kHz 까지는 주파수에 대해 일정하다. 원방(far-field)에서 중심축(on-axis) 압력은 균일해야 하나, 200㎜에서 모의 실험된 압력은 변동적이었다.

도 42b는 25 ㎜의 직경과 보이스 코일의 설계(재료, 권수 등)에 의존하는 한정된 질량을 갖는 보이스 코일을 가지는 트랜스듀서에 의해 구동되는 자유 대칭적 쐐기 모양의 패널을 구비하는 실제 확성기에 대한 음압과 음력 레벨을 나타낸다. 음압 및 음력은 도 42a에 보여진 것과 비교하여 상당히 손상되었다.

도 42c는 도 42b의 확성기와 유사하나 도 42a에 보여진 이상적으로 매핑되어진 실제 확성기에 대한 음압 및 음력 레벨들을 보여준다. 따라서 도 40에서 살펴본 것과 같이 조정된 질량들(balancing masses)이 적용되어진다. 도 42b에서와 비교하여 성능이 향상되었다. 더욱이, 이 음압은 원방(far-fiedl) 이라기보다는 200 ㎜에서 모의 실험된 것이기 때문에, 장치는 도 42c에 도시된 것보다 더 좋을 수 있다.

도 42a 내지 도 42c 각각에 있어서, 음압 레벨(re 20.4 uPa)은 200 ㎜에서 모의 실험되었으며 음력 레벨(re 1W)은 입력 1N으로 모의 실험되었다. 측정은 중심축, 빔의 장축을 따라 90° 축외(off-axis) 및 빔의 단축을 따라 90° 축외에서 이루어졌다.

도 43a는 길이에 따라 변화되는 두께를 갖고, 대칭적이지 않은 빔 형태의 패널(270)에 있어서 본 발명의 선택적 실시 형태를 보여준다. 패널(270)의 전체 길이는 153 ㎜ 이며 두께는 어느 한 종단에서 2 ㎜ 에서부터 대향 종단에서 5 ㎜ 까지 제곱근에 의존하여 증가한다. 각 트랜스듀서의 보이스 코일(274, 272)은 패널의 얇은 종단으로부터 0.23 및 0.43 이격된 위치에 탑재된다. 질량 쌍(276, 278, 279)은 패널의 얇은 종단으로부터 0.06, 0.66 및 0.88 거리의 위치에 탑재된다. 0.66 및 0.68에 탑재된 질량은 질량적으로 보이스 코일(272, 274)과 동일하지만 0.06에서의 질량 쌍(280)은 질량이 감소된다. 따라서 모델링을 목적으로, 탑재 위치는 9 ㎜, 35 ㎜, 66 ㎜, 101 ㎜ 및 134 ㎜ 가 된다. 보이스 코일 및 내부의 두 쌍의 질량은 각각 550mg이며, 외부 질량은 400 mg이다.

도 43b는 도 43a에 사용된 실시 형태의 패널의 첫번째 4개 모드들의 형태를 나타낸다. 도 43c 및 도 43d는 패널의 길이(얇은 종단에서부터 두꺼운 종단까지)에 따라 변화되는 동안 첫번째 4개 모드들(N=1…4)의 대수 평균 어드미턴스를 나타낸다. 그 최소치들은 아래와 같이 도표화되었다.

고려된 모드들의 수	최소치의 위치(mm)	최소치의 상대적 위치
1	31, 111	0.21, 0.73
2	17.6, 67.3, 123	0.12, 0.44, 0.80
3	12.3, 46, 86, 128	0.08, 0.30, 0.56, 0.84
4	9.4, 35, 66, 101, 134	0.06, 0.23, 0.43, 0.66, 0.88

도 9a 내지 도 9e의 도면과 연관되어 상술된 바와 같이, 그 방법은 설계자가 단지 특정 모드들을 맵핑하는 것을 허용할 만큼 유연성이 있다. 첫번째 4개 모드들에 대해 계산된 위치들은 도 43a의 장치에 있는 질량 및 보이스 코일의 위치에 대응된다.

아래의 테이블은 1과 4.5 ㎜ 사이에서 변화되는 최소폭 t1에 대해 도 43a의 쐐기 모양의 첫번째 5개 자유대칭 모드들에 대한 주파수들을 보여준다. 최대폭은 5 ㎜로 고정된다. 패널 물질은 실용적인 물질로서, 즉 플라스틱으로 형성된 Rohacell ^TM이다.

t1/mm	모드 1/Hz	모드 2/Hz	모드 3/Hz	모드 4/Hz	모드 5/Hz
4.5	1966	5420	10620	17560	26240
4	1860	5125	10040	16600	24800
3.5	1752	4821	9445	15610	23310
3	1640	4508	8825	14580	21770
2.5	1525	4182	8178	13500	20160
2	1406	3839	7495	12370	18450
1.5	1281	3474	6763	11140	16620
1	1146	3075	5955	9788	14580

첫번째 4개 모드들에 대한 노드 라인들의 근사적 위치는 아래에 제시되어 있다.

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도 43c 및 43d의 것들과 결과를 비교하면, t1=2에 대해, 두번째 모드에 대한 노드 라인들의 위치는 0.115, 0.46 및 0.85에 있으며, 두 모드들에 대한 평균 노드 위치들은 0.12, 0.44 및 0.80에 있다. 세번째 모드에 대한 노드 라인들의 위치는 0.08, 0.31, 0.60 및 0.89에 있으며 세 모드들에 대한 평균 마디 위치들은 0.08, 0.30, 0.56 및 0.84에 있다. 따라서, 위에서 지적된 바와 같이 평균 노드 위치는 고려되고 있는 가장 높은 모드의 노드 라인에 근접한다. 두 세트의 비율들은 0으로 향하는 네트 평균 변위의 원하는 효과를 발생시킬 것이다.

도 44a는 길이 x를 따라 두께가 선형적으로 변화하는 빔을 나타낸다. 만약 x에서 폭을 가로질러 취해지는 빔의 폭이 좁은 부분을 고려한다면, 균일한 특성의 개념상의 다른 빔을 가지게 된다. 도 44a에 도시된 바와 같이, 빔의 폭은 x를 따라 선형적으로 변화한다. 모드 주파수들은 아래와 같이 비교된다.

Case	F0	F1	F2	F3	F4	F5	F6
두께 가변	0.0	149.062	407.023	794.660	1311.093	1956.505	2730.926
폭 가변	0.0	150.789	409.324	797.187	1313.754	1959.251	2733.731

폭이 가변되는 빔의 모드 형태들은 도 44b에 도시되었다. 두 실시 형태들에 대한 모드 형태들 및 모드 주파수들은 실제 매우 유사하게 보여질 수 있다. 이것은, 실제적으로 이행하는데 대해서, 설계 규칙들에 대한 해석에 있어서의 일부 "예술적인 자유"로서 허용되는 솔루션 세트에 있어서 일부 허용될 수 있는 허용치가 나타나도록 취해질 수 있다. 이는 또한 설계자가 "개념상의" 크로스 모드(cross-mode)를 일정한 주파수로 설정하는 것도 허용한다. 이것이 1/폭² x √(B/μ)에 비례(여기에서 B는 x^p+2로서 가변됨)함에 따라, 폭이 길이의 제곱근에 따라 변화되는 패널은 이러한 기준을 만족한다.

각 모드에 대한 평균 체적 속도 Vn는 아래와 같이 설정되며, 여기에서 V0는 "피스톤" 모드에 대한 평균 체적 속도를 의미한다.

Case	V0	V1	V2	V3	V4	V5
두께 가변	1.0	5.587e-11	1.432e-14	1.556e-13	-1.178e-14	-2.159e-13
폭 가변	1.0	2.513e-9	-1.106e-9	-1.215e-8	7.438e-11	5.777e-13

두 경우에 있어서, 모든 벤딩 모드(bending mode)들의 평균 체적 속도는 0 이며(계산의 허용치 범위내에서), 따라서 두 실시 형태들은 실제 음향 장치의 불균형한 모드들이 매핑되어질 수 있는 이론적으로 이상적으로 사용될 수 있다.

도 45는 그 중앙에 가해지는 무질량 포인트 포스에 의해 구동되는 자유 (대칭적) 직사각 피스톤을 구비하는 이론적인 확성기에 대한 음압 및 음력 레벨을 보여준다. 음력은 근사적으로 k × L 까지 일정하다가 그 후 주파수가 증가함에 따라 점차적으로 감소되는 반면에, 음압은 주파수에 대해 일정하다. 도 46은 패널 중앙(점선)에 가해지는 무질량 포인트 포스에 의해 구동되는 자유 (대칭적) 직사각 패널을 구비하는 확성기에 대한 음압 레벨을 나타낸다. 실선은 보이스 코일의 설계(재료, 권수 등)에 의존하는 한정된 질량을 갖는 25 ㎜ 직경의 실제 모터에 의해 구동되는 동일한 패널을 나타낸다.

도 47은 도 46의 음압 레벨에 대응되는 음력 레벨들을 나타낸다. 음력에 있어서 주파수에 대한 하락(fall-off)은 도 45에서의 그것과 비교하여 상당히 향상되었다. 그러나, 실제 경우에 있어서, 중심축 압력 및 음력 모두가 주파수에 따라 더 이상 일정하지 않다.(높은 주파수들에서 모드 밀도는 증가하며 이에 따라 성능은 모드 인터리빙(interleaving) 및 최적의 구동점 커플링에 대한 분산된 모드 학습으로부터 이익을 얻을 수 있다는 것을 주목해야 한다.)

도 48a 및 48b는 직사각 패널(280) 및 그에 탑재된 두 트랜스듀서(282)가 형성된 진동판을 구비하는 확성기를 나타낸다. 패널은 얇고 경량 합성 물질로 감겨서 만들어진다. 두 질량 쌍(288, 286)은 패널의 중앙에서부터 어느 한 코너까지의 거리(즉, 패널의 대각선 절반(half-diagonal)에 걸쳐)의 19% 및 88%의 위치에 탑재된다. 각 트랜스듀서(282)의 보이스 코일은 대각선 절반을 따라 패널의 중앙으로부터 55% 이격된 위치에 탑재된다. 패널은 서스펜션(283)에 의해 섀시(281)에 탑재되며 배플(baffle)(미도시)에 밀봉된다.

트랜스듀서 및 질량들의 위치들은 이전의 실시예들에서와 유사한 방법으로 계산된다. X축 및 Y축에 대한 모드 형태들은 분리된 것으로 고려되며 패널의 구부림 강성도(bending stiffness) 및 표면적 질량으로부터 계산될 수 있다. 평균 노드 위치들은 최소치들로부터 임피던스로 계산되어 진다. 도시된 실시 형태에 있어서, 각각의 첫번째 3개 모드들이 고려되어 질 때, 질량들 및 트랜스듀서들의 위치들은 양 축들에 대한 평균 노드 위치들이 된다. 만약 4개 모드들이 처리되어 진다면 대각선을 따라 추가적인 유효 위치들이 존재하게 된다. 390 ㎜ 에서 460 ㎜ 의 패널에 대해, 각 질량들 및 트랜스듀서들의 (x, y) 위치들은 다음과 같이 주어진다.

성분	첫번째 (x, y) 위치	두번째 (x, y) 위치
1.38g 질량	(186mm, 158mm)	(274mm, 232mm)
6.4g 질량	(28mm, 23mm)	(432mm, 367mm)
트랜스듀서	(104mm, 88mm)	(356mm, 302mm)

각 보이스 코일은 질량 4g를 갖고, 질량 값은 다음과 같이 보이스 코일 값에 스케일(scale)된다.

반 대각선 비(half-diagonal ratio)	상대적 비율	상대질량	실제 질량(gm)
0.88	1.35	1.35	6.40
0.55	1.00	1.00	4.00
0.19	0.35	0.35	1.38

코일 질량은 각 트랜스듀서가 그것이 구동하는 축에만 관련되기 때문에 조정 질량에 대한 값을 구할 때 합산되지 않는다.

도 49 및 50은 도 48a의 확성기에 대한 음압과 음력 레벨을 보여준다. 조정 질량이 없는 도 47의 확성기와 비교할 때 저주파에서 균일하게 40Hz까지 낮아지는 실질적인 개선이 있다. 응답은 저주파 모드에 대해 감쇠(damping)를 적용함으로써 예를 들면 서스펜션(suspension) 특성을 통해 더 평탄하게 될 수 있다. 질량은 또한 위치 좌표를 최대 ±5%(또는 8% 조차도) 만큼 변화시킴으로써 미세하게 조정될 수 있다. 미세 조정은 저주파 영역에서 음향 출력의 특정 측면을 최적화할 수 있다.

외부 서스펜션이 상당한 질량을 가지고 있는 경우에 이러한 질량이 패널 외주 근처에 분산된다는 것을 주목하여 주변 재료를 선택함으로써 설계자가 이러한 질량을 분산시킬 수 있는 가능성이 있다. 장점은 감쇠 및 고차 로딩(loading)을 통해, 예를 들면 일축(single axis) 모드 조정 기술이 허용되지 않는 2D 결합 모드를 통해 추가적인 제어가 가능하다는 것이다.

도 51a 및 51b는 도 48a의 확성기의 변형예에 대한 음압과 음력 레벨을 보여준다. 외부 질량은 더 이상 이산적이지 않고 서스펜션에서 그 전체 질량을 균일하게 분산됨으로써 대체된다. 내부 질량 값은 거의 효과가 없이 완전히 생략될 정도로 작다.

하기 표는 도 48a의 사각형 패널에 대한 모드를 보여준다. 첫번째 모드는 72.3Hz이다.

적당한 모드 밀도는 250Hz 이상인 것으로 나타내며, 여기서 종횡비와 같이 선택된 패널 파라미터는 이러한 고 주파수에서 분산 모드 동작을 부가적으로 참조한다. 이러한 형태의 실시 형태가 전체 영역에서 요구되지 않는다면, 모드 조정만으로도 공진 패널 진동판(diaphragm)으로부터 저주파 범위에서 확장되고 피스톤(piston)과 균등한 성능을 제공한다.

또한 진동판이 보다 높은 주파수, 예를 들면 분산 모드(Distributed Mode)에서 유용한 모드 동작을 하도록 요구된다면, 조정 구동 위치에 대한 이용가능한 옵션이 보다 높은 주파수에서 양호한 모드 결합에 대해 바람직한 구동점과 관련하여 반복될 수 있다. 이는 중점을 벗어나고 또한 십자축을 벗어나는 위치에 대한 선호도를 가리킨다. 그러한 조합 위치는 패널 영역에 걸쳐 주파수에 대해 모드 분산을 분석함으로써 찾을 수 있다.

확성기로부터 더 많은 출력이 요구된다면, 두번째 대각선(diagonal)를 이용하고 8개의 질량을 작동시키는 4개의 여자기가 사용될 수 있다. 전형적으로 모든 여자기는 신호원에 동상(in-phase) 연결방법으로 배선된다.

도 52a 및 52b는 빔 형태의 패널 진동판(302)과 트랜스듀서 보이스 코일(304)사이에 배치된 커플러(300)를 보여준다. 트랜스듀서의 자석 어셈플리는 명료함을 위해 생략되었다. 도 52b에 도시된 바와 같이, 커플러는 트랜스듀서 보이스 코일에 결합되는 원형의 하나의 사이즈(306)와, 진동판에 결합하는 사각형의 두번째 사이즈(308)로 간략히 표시된다. 사각형 형태는 원 형태보다 상당히 큰 사이즈이므로 소형 보이스 코일 어셈블리는 보다 큰 구동에 적용된다. 뿐만 아니라, 커플러는 구동점을 수정하기 위해 부적절한 보이스 코일 직경과도 매칭한다. 이러한 방식으로, 적당한 비용을 갖는 표준 크기의 트랜스듀서가 본 발명에 적용된다.

도 53a 및 53b는 빔 형태의 패널 진동판(302)과 트랜스듀서 보이스 코일(304)사이에 배치된 커플러(310)를 보여준다. 트랜스듀서의 자석 어셈블리는 명료함을 위해 생략되었다. 도 53b에 도시된 바와 같이, 커플러는 트랜스듀서 보이스 코일에 결합되는 원형의 하나의 사이즈(312)와, 진동판에 결합하는 나비 매듭(bow-tie) 형태의 두번째 사이즈(314)로 간략히 표시된다. 나비 매듭 형태는 원 형태보다 상당히 큰 사이즈이므로 소형 보이스 코일 어셈블리는 보다 큰 구동에 적용된다. 뿐마나 아니라, 커플러는 구동점을 수정하기 위해, 부적절한 보이스 코일 직경과도 매칭한다.

도 52a 및 53a 모두에서, 커플러는 0.5mm 두께 원뿔 페이퍼(cone paper)로 된 속빈 쉘(shell) 형태이다. 첫번째 사이즈 대 두번째 사이즈의 비율, 허용가능한 커플러 중량 및 비용에 따라, 탄소 섬유 강화 수지 및 벡트라(Vectra)와 같은 주조된 열 가소성 수지에 지향된 크리스탈(crystal orientated moulded thermoplastic)과 같이 커플러에 대해 보다 강한 쉘 구성이 가능하다.

도 54는 보이스 코일의 반경 ρ에 대한 트랜스듀서 보이스 코일의 유효 네트 포스(effective net force) F의 그래프이다. F는 코일 주변에 모드 형태의 변위 또는 정확히는 코일 반경 ρ에 의해 가해지는 힘을 통합함으로써 계산된다.

여기서

는 n번째 모드에 대한 모드 형태이다.

특정 모드를 여자하는 것을 피하기 위하여, 해당 평균 네트 포스는 없어져야 한다. 다시 말해서, 노드 라인에서 효과적으로 구동하는 함수 F(n,ρ)의 영 교차점(zero-crossings)이 필요하다. 결과는 원점에 가장 가까운 노드 라인과 함께 4개의 모드까지 도표화된다. 이 결과로부터, 보이스 코일의 실제 직경은 보이스 코일의 유효 구동 직경의 약

배임을 알 수 있다.

모드 수	노드 라인	F(n)의 제로점	비율
1	0.552	0.803	1.455
2	0.288	0.444	1.539
3	0.182	0.278	1.531
4	0.133	0.204	1.531

또한, F(1)은 약 0.8에서 영 교차점을 갖는다는 것을 알 수 있다. 0.8의 비율에서 직경을 갖는 보이스 코일을 패널의 폭에 탑재함으로써 최저 교차모드는 억압될 것이다.

상기의 사항은 서스펜션을 진동판 주변으로부터 이격되어 탑재되는 것을 제시한다. 도 55a 및 55b는 보다 실제적인 예를 나타낸 것으로서, 롤 서라운드(roll surround) 형태의 서스펜션(316,320)이 진동판 모서리에 탑재되어 있다. 부가적인 서스펜션 조정 질량(318,322)은 노드 라인 근처에 탑재되어 모서리 서스펜션 및 서스펜션 조정 질량의 결합 효과가 패널 주변부의 내부에 탑재된 서스펜션과 동일해진다.

도 55c는 진동판의 1/4에 대한 단면을 보여주며, M1은 노드 라인 근처에 탑재된 질량, Ms는 서스펜션의 접착 영역의 질량, Md는 서스펜션의 활동 파트의 질량, ξ0 및 ξ1은 각각 진동판 중심에서 노드 라인 및 노드 라인 근처의 질량까지의 거리이고, 1-ξ2는 접착영역의 폭이다. 서스펜션 조정 질량 및 모서리 서스펜션이 내부(inboard) 서스펜션과 동일한 것을 보장하는 3가지 기본적인 방법이 있다.

가장 간단한 방법은 접착 영역의 질량을 서스펜션의 활동 파트의 질량과 묶어서 고려하는 경우이다. 빔에 대하여, 이것은 수식을 푸는 것을 의미한다

여기서 y(n,ξ1)은 모드 형태이다.

예를 들면, 직경 32mm와 질량 1.5g의 보이스 코일을 갖는 트랜스듀서로부터 시작하여 진동판은 폭 40mm 및 156.8mm를 갖는다. 폭은 보이스 코일 직경이 그것의 약 80%가 되도록 선택되고, 길이는 네번째 모드의 유효 네트 포스가 0 즉, F(4)=0이 되도록 선택된다.

모드 4의 노드 라인은 해당 위치 및 질량을 해당하는 것에 따라서 하기와 같이 도표화된다.

서스펜션은 다음과 같은 특성을 갖는다.

따라서, M1=M-Md-Ms=528mg이다. 상기의 일체화된 근사법로부터 ξ1=0.897, 즉 서스펜션 균형 질량의 위치가 진동판의 일단으로부터 측정된 8.1mm 및 148.7mm에 있다는 것을 알 수 있다. 일체화된 단순화법을 사용하지 않고, 위치는 7.9mm 및

148.9mm로(즉, 매우 유사하게) 계산될 수 있다. 두 가지 경우에서, 부착점은 노드 라인보다 진동판 모서리로부터 적어도 1mm 더 먼 곳에 있다.

도 56a 및 56b는 각각 서스펜션 조정 질량이 없는 경우와 있는 경우에 대해 확성기의 응답을 보여준다. 도 56c는 서스펜션 균형 질량이 없는 경우와 있는 경우에 세기 응답(power response)을 비교한 것이다. 두가지 측정에서, 서스펜션 조정 질량을 사용함으로써 확성기의 개선은 상당히 향상된다.

원형 진동판에 대한 방정식은

이다.

이는 전체 질량 또는 단위 길이당 전체 질량을 보존함으로써 해결될 수 있다. ξ0(즉, 노드 라인의 위치)가 4번째 모드에 대해 0.919 이면, 전체 질량의 보존시 ξ1=0.8947 및 M1=3.4이 되고, 단위 길이당 전체 질량을 보존시 유사한 결과 즉, ξ1=0.8946 및 M1=3.387이 된다

또한 서스펜션 조정 질량이 접착 영역까지 돌출하도록 보장함으로써 서스펜션 조정 질량이 서스펜션의 일부로 편입시키는 것도 가능하다. , 빔 진동판에 대한 식은 더 복잡하다.

이다.

여기서μ1은 접착 영역의 단위 길이당 질량(mess-per-unit-length)이고, M은 필요한 전체 질량이다.

도 57a 및 57b는 도 1a 및 1b의 확성기와 대체로 유사한 마이크로폰을 도시한다. 마이크로폰은 원형 패널(324)의 형태인 진동판과, 0.2비율로 패널(324)에 동심으로 탑재되는 보이스 코일을 갖는 트랜스듀서를 포함한다. 세개의 링 형태(또는 환형)를 갖는 질량(326,330,332)은 0.44, 0.69 및 0.91 비율로 패널(324)에 동심으로 탑재된다. 패널과 트랜스듀서는 원형 서스펜션(334)에 의해 패널(324)에 부착되는 원형 섀시(chassis)(336)로 지지된다. 서스펜션(334)은 0.91 비율로 부착된다. 트랜스듀서는 섀시(336)에 접지된다.

입력되는 음향 에너지(338)는 패널이 진동하도록 하며, 진동은 트랜스듀서에 의해 감지되어 전기신호로 전환된다. 신호는 전선 및 마이크로폰 출력 연결(340)을 통해 출력된다.

도 58은 패널이 일정치 않은 폭을 갖도록 모서리가 원형인 사각형 패널(342)을 도시한다. 패널은 길이 100mm, 폭 36mm, 두께 3.2mm이고, 경제적인 수지 결합 페이퍼 복합체, 예를 들어 "Honipan HHM-PGP"로 만들어진다. 직경 25mmm의 보이스 코일을 갖는 트랜스듀서는 28mm의 경량의 결합 링(344)으로 패널에 탑재된다. 따라서, 트랜스듀서는 효과적으로 두개의 대향 위치(또는 패널 폭을 횡단하는 구동 라인)를 구동하게 되며, 그 위치는 중앙으로부터 13mm 즉 0.26의 비율이다. 스트립 질량(346) 형태의 기계적인 임피던스 수단은 중앙으로부터 41.5mm가 되는 대향 위치에 놓이며, 0.83의 비율이다. 트랜스듀서와 기계적인 임피던스 수단의 위치에 의해 어드레스(address)되는 동작 주파수 범위에는 두개의 모드가 있다.

보이스 코일은 질량 1g를 갖지만 분리된 위치에서 구동하는 것은 각 위치에서 유효 질량이 반으로 분할되는 것을 의미한다. 질량(346)은 각 위치에서 보이스 코일의 유효 질량을 조정하는 질량 즉, 0.5g를 갖는 보통의 고무로 된 스트립이다.

패널은 성형된 플라스틱 프레임(350)에서 낮은 기계 임피던스를 갖는 서스펜션(348)에 의해 지지되며, 이로 인해 패널은 본질적으로 자유롭게 공진한다. 이러한 확성기는 고 품질의 평면 패널 TV 및 모니터 응용제품에 적합하며 균일한 주파수를 갖는 대역폭으로 명명된 100Hz에서 20kHz과 양호한 세기 응답을 갖는다.

도 59는 중앙 개구가 평면 영역(354)에 의해 채워진 빈 환형 원뿔(cone)(352) 형태의 진동판을 도시한다. 평면 영역은 중앙에서 과도하게 경직된 돌기를 도입하지 않고 실질적으로 음향학적으로 중앙 개구를 봉합하며, 이는 원뿔이 어떤 지점까지 계속되는 경우일 것이다.

반경(r) 대 원뿔(352)의 외경(R)에 대한 평면 영역(354)의 비율은 추가적인 진동판 파라미터이며, 이는 바람직한 음향 응답을 얻도록 조절될 수 있다. 이러한 조절은 많은 중간적인 목적으로 행해진다.

예를 들면, 1) 원뿔이 실제 음향 장치의 비조정 모드가 매핑(mapping)되는 다른 이론적인 이상이 되도록 상기 비율은 조절될 수 있다. 이러한 이론적 이상에 대한 평균 노드 위치는 계산되어 코일 및 질량의 배치를 제시하도록 이용된다.

2)영을 향하는 네트 가로축 모드 속도를 획득하도록 질량 형태의 기계적 임피던스가 추가될 수 있다.

변화될 수 있는 추가 파라미터는 높이(h), 형태 및 오목한 부분의 각도이며, 이들 모두는 평면 영역에 관하여 협조적으로 확인된다. 예를 들면, 후자는 구동 수단이 노드 라인 상에 있는 모드를 조정하는 것으로 파악된다. 그렇다면 솔루션은 단지 하나의 추가적인 조정기로써 확인될 수 있다. 구동 수단의 위치와 조정하는 기계적 임피던스 또는 임피던스는 제시되지 않는다. 기계적 임피던스는 다른 파라미터 및 의도된 동작 범위에 따라 추가될 수 있다.

Claims (88)

1. 영역을 가지고 동작 주파수 범위를 가지며, 상기 동작 주파수에서 공진 모드를 갖도록 이루어진 진동판(Diaphragm);

   상기 진동판에 결합되어 상기 진동판과 에너지를 교환하도록 구성된 구동부를 갖는 전자기계적인(Electro-mechanical) 트랜스듀서; 및

   상기 진동판에 결합되거나 상기 진동판과 통합된 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단을 구비하며,

   상기 트랜스듀서의 구동부와 상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단의 질량과 위치는, 상기 진동판의 상기 영역에 걸친 네트 가로축 모드 속도(Net Transverse Modal Velocity)가 0으로 향하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 동작 주파수 범위는 피스톤-모드 천이(piston-to-madal Transition)를 포함하고, 상기 트랜스듀서는 상기 진동판을 평행으로 이동시키도록 움직이도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 트랜스듀서의 상기 구동부는, 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 평균 노드(Average Nodal) 위치에서 상기 진동판과 결합되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단은, 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 평균 노드 위치에서 상기 진동판과 결합되거나 통합되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 트랜스듀서는 상기 구동부를 형성하는 보이스 코일(Voice Coil) 및 자석 시스템을 구비하는 이동 코일 장치이며, 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 평균 노드 위치에서 상기 보이스 코일을 상기 진동판에 결합시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   섀시, 및 상기 진동판을 상기 섀시에 결합하는 탄성 서스펜션을 구비하며,

   상기 탄성 서스펜션은 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 평균 노드 위치에서 상기 진동판에 결합되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 진동판은 전체적으로 원형인 주변부와 질량 중심(Centre of Mass)을 가지는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단은 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 평균 노드 위치에서 상기 진동판과 결합되거나 통합되고,

   상기 평균 노드 위치는 고리에 존재하며, 상기 고리의 직경 대 상기 진동판 직경의 비율은 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 수에 의존적인 것을 특징으로 하는 음향 장치.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단은 환형 질량(Annular Mass)의 형태인 것을 특징으로 하는 음향 장치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 진동판은 전체적으로 사각형이고 질량 중심을 가지는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단은 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 평균 노드 위치에서 상기 진동판과 결합되거나 통합되고,

    상기 평균 노드 위치는 한 쌍의 대향 위치에 존재하며, 질량 중심으로부터의 각 대향하는 위치의 거리 대 상기 진동판의 절반 길이의 비율은 상기 동작 주파수 범위 내 모드들의 수에 의존적인 것을 특징으로 하는 음향 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    한 쌍의 트랜스듀서를 포함하고, 상기 한 쌍의 트랜스듀서 각각은 상기 대향하는 위치 중 한 위치에 탑재되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 트랜스듀서는 그 구동부가 상기 한 쌍의 대향 위치를 구동하도록 상기 진동판상의 중앙에 탑재되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 기계적인 임피던스 수단은 한 쌍의 질량의 형태이고, 그 각각은 상기 한 쌍의 대향 위치 중 한 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
15. 제 10 항에 있어서,

    상기 진동판은 빔 형태이고, 상기 모드들은 상기 빔의 긴 축을 따라 존재하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 트랜스듀서 구동부 직경 대 상기 진동판의 폭의 비율은 0.8인 것을 특징으로 하는 음향 장치.
17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    모드를 감쇠하기 위해, 진동판 어드미턴스(diaphragm admittance)가 국부적인 피크(localized peak),즉 최대인 위치에서 상기 진동판에 탑재되거나 상기 진동판에 통합된 댐핑 수단(Damping Means)을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 트랜스듀서를 상기 진동판에 결합시키는 경량 리지드형(Rigid) 커플러 형태의 사이즈 어댑터(Size Adaptor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 커플러는 제 1 직경에서 상기 트랜스듀서와 결합되고, 제 2 직경에서 상기 진동판과 결합되는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 진동판내에 있는 개구와 상기 개구 내에 탑재된 제 2 진동판;

    상기 진동판에 결합되어 상기 진동판과 에너지를 교환하도록 구성된 구동부를 갖는 전자기계적인 트랜스듀서; 및

    상기 진동판과 결합되거나 통합된 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단을 구비하며,

    상기 제 2 진동판은 영역과 동작 주파수 범위를 구비하고, 상기 동작 주파수 범위에서 공진 모드를 갖도록 되어 있고,

    상기 트랜스듀서의 상기 구동부 및 상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단의 위치와 질량은 상기 제 2 진동판의 상기 영역에 걸친 상기 네트 가로축 모드 속도가 0 으로 향하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
21. 영역을 가지고 동작 주파수 범위를 갖는 진동판을 구비한 음향 장치를 제조하는 방법에 있어서,

    상기 동작 주파수 범위에서 공진 모드를 갖도록 상기 진동판의 파라미터를 선택하는 단계;

    상기 진동판과 에너지를 교환하도록 상기 진동판에 전자기계적인 트랜스듀서의 구동부를 결합하는 단계;

    상기 진동판에 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단을 부가하는 단계; 및

    상기 영역에 걸쳐 네트 가로축 모드 속도가 0으로 향하도록 상기 트랜스듀서의 상기 구동부의 위치와 질량을 선택하고, 상기 하나 이상의 기계적인 임피던스 수단의 위치와 파라미터를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제 21 항에 있어서,

    자유롭게 진동하는 진동판의 속도 프로파일을 상기 진동판의 속도 프로파일에 매핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

    상기 동작 주파수 범위 내에서 2 개의 진동판 모드가 존재하도록 상기 진동판 파라미터를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

    실질적으로 원형인 주변부와 질량 중심을 갖도록 상기 진동판을 배열하는 단계; 및

    제 1 진동판 모드가 ka = 2 미만이 되도록 상기 진동판의 파라미터를 배열하는 단계를 포함하며, 여기서 k는 파수(wave number)이고 a는 진동판 반경인 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 24 항에 있어서,

    상기 진동판의 구동 직경을 그 중앙과 주변부 사이에서 변경함으로써 상기 진동판 모드들을 조정(balance)하는 단계;

    상기 구동 직경이 변경됨에 따라 평균 구동 포인트 어드미턴스를 계산하는 단계; 및

    상기 어드미턴스의 최소값으로 주어진 위치에서 기계적인 임피던스를 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 25 항에 있어서,

    축 모드를 고려하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

    상기 트랜스듀서 구동부를 상기 진동판의 질량 중심과 동심원이 되도록 상기 진동판에 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

    상기 진동판의 상기 질량 중심과 동심원이 되도록 서스펜션을 결합하되, 그 주변부로부터는 이격시켜 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

    상기 진동판이 전체적으로 사각형이 되고 질량 중심을 가지도록 배치하는 단계; 및

    제 1 진동판 모드가 kl = 4 미만이 되도록 상기 진동판의 파라미터를 선택하는 단계를 포함하고, 여기서 k는 파수이고, l은 상기 진동판의 길이인 것을 특징으로 하는 방법.
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