KR101422016B1 - 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 습윤 효과를 이용하여 박막을 진동하는 음향 스피커에 관한 것으로, 종래의 음향 스피커 방식에 비하여 적은 전력과 크기, 특히 매우 얇은 두께의 스피커가 가능하도록 하여 휴대용 기기, 대형 디스플레이, 벽걸이형 스피커 등에 적용할 수 있는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 전기 전도성의 제1판과; 상기 제1판에 대향하여 위치하며, 진동 필름으로 작용하는 전기 전도성의 제2판과; 상기 제1판과 제2판 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 액체 방울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
스피커, 전기 습윤 효과, 패널, 필름, 액체.

Description

전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커 {The surface sound speaker using electrowetting}
본 발명은 전기 습윤 효과를 이용하여 박막을 진동하는 음향 스피커에 관한 것으로, 종래의 음향 스피커 방식에 비하여 적은 전력과 크기, 특히 매우 얇은 두께의 스피커가 가능하도록 하여 휴대용 기기, 대형 디스플레이, 벽걸이형 스피커 등에 적용할 수 있는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커에 관한 것이다.
스피커만큼 음향 관련 책 페이지의 많은 부분을 차지하는 분야가 없을 만큼 스피커는 오랜 기간 동안 연구 대상이었으며 음향 시스템에서 차지하는 비중이 대단히 높은 기기이다.
실제로 음향 시스템에서 음질적으로나 음색적으로 스피커가 차지하는 비중은 70%가 넘을 만큼 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 또한 스피커 제조사들 사이에도 음색적으로 확연히 다른 색깔들을 지니고 있다.
그러나, 이와 같은 스피커들은 1911년 미국의 마그나복스(Magnabox) 사에서 처음으로 발명된 이래로 지금까지 그 기본원리나 구조에는 거의 변화가 없었다.
즉, 다른 기기들의 눈부신 기술적 발전에 비하여 스피커는 소재나 부속의 개 량과 변화 외에는 눈에 띄는 변화가 많지 않다. 오히려 그 개량이란 것이 다시 기본에 충실한 과거 지향적인 제품으로 돌아가는 계기를 주기도 했을 만큼 스피커야말로 보수적인 경향이 매우 강한 음향 기기이다.
이와 같이, 스피커의 원리는 변하지 않고 있지만 지금에 와서는 여러 소재들의 발전과 구조적인 보완에 힘입어 과거에 비하여 점점 고출력, 고능률의 스피커들이 발명되고 있다. 그렇지만 음향 시스템 중 가장 손실이 많기 때문에 효율이 떨어지는 스피커는 앞으로도 많은 연구 대상이 되는 기기임에는 틀림없다.
스피커의 기본 원리는 플레밍의 왼손 법칙에 기인한다. 즉, 검지 방향의 자계(스피커에 있는 자석)가 형성되어 있는 가운데, 중지 방향의 전류(앰프로부터 주어지는 신호를 스피커의 +,- 단자에 연결)가 흐르게 되면, 엄지손가락의 방향처럼 위로 힘을 받아 운동(스피커의 콘지가 움직임)을 하게 되어있다.
이것을 전자 회로적으로 도시하면 도 1과 같으며, 전류가 흐르게 되면 콘지(1)가 운동을 하면서 공기를 진동시켜 소리를 내게 된다.
즉, 앰프(2)로부터 전류가 오면 코일(3)을 통하여 스피커의 콘지(2)는 앞뒤로 운동을 하게 되며, 이러한 콘지(2)의 운동에 따라 공기의 밀도가 변하게 되며, 이것을 귀에서 감지하여 소리로 듣게 된다.
이러한 스피커는 자계의 힘을 강력하게 해야만 스피커의 운동이 큰 힘을 발휘할 수 있는데 이것은 스피커에 부착된 자석의 종류와 크기에 따라 좌우된다.
스피커에 사용되는 자석은 기본적으로 산화 철을 재료로 한 페라이트(Ferrite) 계를 주로 사용하고 있다. 그런데 60년대 고능률을 위해 알니코 자석 이 한동안 사용되었는데, 이 알니코 자석은 스피커용 자석 중에서는 가장 음질적으로 매우 우수하여 지금도 홈 오디오 쪽에서는 알니코 자석은 널리 사용되며, 현재, 네오시움(Neozium) 자석의 개발 등 자석 분야에도 꾸준한 연구가 진행 중이다.
스피커에도 동작원리에 의한 여러 종류가 있는데, 상술한 스피커의 원리는 다이나믹 스피커(무빙 코일형 스피커)라 불리는 스피커의 한 종류일 뿐이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 박형의 스피커 제작이 가능하고, 따라서 제품의 두께를 매우 얇게 하는 것이 가능한 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 전기 전도성의 제1판과; 상기 제1판에 대향하여 위치하며, 진동 필름으로 작용하는 전기 전도성의 제2판과; 상기 제1판과 제2판 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 액체 방울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 전기 전도성의 제1필름과; 상기 제1필름 상에 위치하고 진동 필름으로 작용하는 전기 전도성의 제2필름과; 상기 제1필름과 제2필름 사이에 위치하며, 다수의 병렬 구조로 이루어지는 모세관을 포함하며, 전기 전도성을 가지는 제3필름과; 상기 제2필름과 제3필름 사이에 위치하는 액체 방울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 박형의(때로는 투명한) 스피커 제작이 가능하고, 따라서 제품의 두께를 매우 얇게 하는 것이 가능한 벽걸이형 기기, 휴대용 기기 등에 적용이 가능하며, 이러한 휴대용 기기에 있어 사용자 정면향 소리의 발생이 가능하고, 전등 갓, 집 창문, 자동차 유리 등 새로운 형태의 스피커 구현이 가능한 효과가 있는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.
나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.
이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.
통상의 압전형 스피커는 전기를 가했을 때, 팽창 및 수축을 반복하면서 진동이 발생하는 압전 소자를 이용하여 만든다. 많은 종류의 스피커가 있지만 실제 우리가 만나게 되는 스피커는 전부라고 할 만큼 다이나믹 스피커가 주류를 이루고 있 다.
종래 스피커의 대부분을 이루는 다이나믹 스피커를 비롯한 전자기 방식의 스피커는 기본적으로 영구 자석과 보이스 코일로 이루어져 있어, 길이 방향으로 크기가 늘어나며 소리를 발생하는 콘지가 하나의 구동부에 의하여 진동하므로 진동 특성을 튜닝하기가 어렵다.
콘덴서 방식의 스피커는 기본적으로 평판 콘덴서간 전압을 인가함에 있어 고전압을 요하며 압전형 스피커의 경우, 압전 물질의 온도와 에이징 등에 따른 물성 변화로 인하여 일정한 음향 특성을 유지하기가 쉽지 않다.
압전 필름을 이용한 박형의 스피커가 상용화되었으나, 음압이 약하고 밀폐 구조를 취하지 않아 저음에 있어 취약한 문제가 있으며, 충분한 음질을 위하여 대면적화 하여야 하지만 비용 및 재료 가공의 문제로 인하여 대형화에 쉽지 않다.
도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 스피커는 평판 콘덴서와 같은 두 개의 평판 구조물 사이에 액체가 표면 장력에 의하여 고정되어 있는 형태로 셀(cell)을 이루고 있다.
이러한 스피커는 전기 전도성의 제1판(10)과 제2판(20) 사이에 다수의 액체 방울이 위치하여 구성된다. 제1판(10)과 제2판(20)은 적어도 일부의 영역에 제1전극(11)과 제2전극(21)을 포함한다. 이와 같은 전도성의 두 개의 판(10, 20) 사이에는 액체 방울(30)이 위치하게 된다.
이때, 제1전극(11)은 제1판(10)의 일부 영역에 위치할 수 있고, 제2전극(21)은 제2판(20)과 제1판(10)의 제1전극(11)의 주변 영역에 위치할 수 있다.
도 2에서 나타내는 실시예에서는, 이러한 제1전극(11)은 액체 방울(30)과 접촉하게 되나, 제2전극(21) 상에는 절연층(40)이 위치할 수 있고, 이러한 절연층(40) 상에 소수성의 코팅재(50)를 더 포함할 수 있다. 이러한 소수성의 코팅재(50)로는 테플론 코팅재를 이용할 수 있다.
이러한 스피커의 셀 구조는 큰 소리를 내기 위하여, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 여러 개의 셀 배열로 스피커를 구성한다.
이와 같은 스피커는, 바닥과 천정 부분에는 전압 인가가 가능토록 하기 위한 전극 구조물(도시되지 않음; 도 2 참고)과, 액체 방울(liquid drop)의 전기 분해를 방지하고 서로 이웃한 바닥 전극 간 전기적인 단락(short)을 방지하기 위하여 각 전극 표면에 위치하는 테플론 코팅(도시되지 않음; 도 2 참고)을 포함하며, 실제 소리를 발생하기 위한 제1판(10)과 제2판(20)으로 구성되고, 이러한 제1판(10)과 제2판(20) 사이에는 액체 방울(30)들이 위치한다.
이러한 제1판(10)에는 범프(12)가 형성될 수 있고, 제2판(20)을 제1판(10)과 결합시키기 위한 본딩부(60)가 위치할 수 있다.
도 5 및 도 6에서 도시하는 바와 같이, 제1판(10) 상에 전극(11)과 소수성 절연층(40)이 위치하고, 이 절연층(40) 위에 액체 방울(30)이 위치하는 경우, 액체 방울(30)과 전극(11) 간 전압 인가시, 액체 방울(30) 표면에서 표면 에너지가 증가하며, 안정적인 에너지 상태가 되기 위하여 접촉각이 증가한다. 이러한 현상을 전기 습윤 현상(electrowetting)이라고 하며 액체 방울의 전체 체적이 일정함을 고려할 때 높이가 변화함을 알 수 있다.
전기 습윤 기술이란 절연층(40)으로 코팅된 전극(11) 위에 전도성 액체와 비전도성 액체가 맞닿아 있을 때 외부에서 전극과 전도성 액체에 전압을 인가하여 전도성 액체의 표면장력을 제어함으로써 전도성 액체의 접촉각과 두 액체의 계면의 형상을 변화시키는 것을 의미한다.
도 7과 같이 상기 현상을 두 개의 평판(10, 20) 사이에서 구현하면 상부의 제2판(20) 또는 필름에 상하 진동을 유도할 수 있으며, 이는 공기 진동에 의한 음압 발생의 결과를 낳는다. 즉, 음향 스피커로서 동작이 가능하다.
소리를 내는 압력, 즉 음압은 공기에 가해지는 압력에 의하여 결정되며 이를 극대화하기 위해서는 상부 평판의 빠른 진동 가속도, 넓은 면적 등이 요구된다. 아울러 구조적으로 충분한 유연성 확보가 필요하다.
이하, 이와 같은 구조가 스피커로 작동하기에 충분한 음압을 발생시킬 수 있도록 하는 필요한 여러 인자들, 예를 들어, 스피커를 이루는 평판(이하, 사운드 패널이라 한다.)의 재질, 스피커를 이루는 구조들의 덤핑 및 강성 계수 등을 결정하기로 한다. 이러한 인자들의 결정에는 수치적 실험, 시뮬레이션을 포함한다.
먼저, 전기 습윤 구동을 이용한 사운드 패널의 특성 모델링의 최종 결과(Final conclusion for the modeling of properties of Sound Panel utilizing Electrowetting actuation)를 정리한다.
전기 습윤 구동을 이용한 사운드 패널의 특성 모델링을 이용한 수치적 실험, 시뮬레이션을 실시하였고, 먼저 그 최종 결과를 정리하면 다음과 같다.
1. 이러한 전기 습윤 현상을 이용한 스피커의 구동에 있어서, 사운드 패널 구동에 대한 전기 습윤 현상의 모델링을 통하여 스피커의 개략적인 구조와, 이러한 스피커의 사운드 패널에 이용되는 물질의 특성을 다음과 같은 과정을 통하여 구할 수 있다.
따라서 전기 습윤 현상을 이용한 필름형 스피커를 구현함에 있어서 충분한 소리의 크기를 제공할 수 있는 스피커를 제안할 수 있다.
2. 이러한 패널을 특성을 결정하는 주요 파라미터는 다음과 같다.
- 액체 방울의 점성과 초기 특성
- 패널의 관성 특성
- 패널과 액체 방울의 강성 계수(stiffness coefficient)
- 점성과 난류(turbulence)에 따른 관성 에너지 전파에 의한 액체 방울의 덤핑(dumping)
- 인가된 힘
- 다리(파티션)의 강성
- 액체 방울과 패널의 덤핑 계수(습윤 라인의 마찰과 공기층의 난류에 의한)
- 액체 방울의 강성
- 공기층의 강성과 덤핑
- 가능한 힘의 진폭
- 충분히 큰 소리를 내는 스피커를 디자인하기 위해 필요한 상부 필름의 진동시의 진폭
- 근사적인 액체 방울의 형태와 이러한 근사에 있어서의 오차에 의한 효과
3. 충분한 효율을 가지는 평판 필름형 스피커에 전기 습윤을 이용할 수 있도록 한다. 이는 매우 얇고, 필름형이며, 투명할 수 있고, 양산시 비용의 감소, 우수한 음질 등의 충분한 장점이 있다.
시뮬레이션을 위해 이용하는 소프트웨어(ANSYS)의 한계 때문에 패널 특성과 파라미터의 정확한 값을 얻는 데는 한계가 있으나, 충분히 이용 가능한 스피커 패널 특성을 보일 수 있는 파라미터의 범위와 물성을 얻을 수 있다.
이러한 접근을 위한 기본 개념은 다음과 같다.
구동을 위한 용량성 정전기력(electrostatic capacitive force)에 있어서, 큰 정전기력을 얻기 위하여 전하들 사이의 거리를 작게 하여야 하고, 이 전하들이 유연한 경계면을 따라 막 구동을 일으킬 수 있어야 한다. 이는 형태를 변화시킬 수 있고, 전기적 전도성을 유지할 수 있어야 하는데, 이는 액체가 가능하다.
진동시 진폭을 크게 하기 위하여 매질에서 덤핑 힘을 감소시킨다. 이는 매질이 연속적이지 않고 구조적으로 제작함으로써 가능하다.
스피커를 이루는 패널의 셀의 구조는 상기 도 2에서 도시한 바와 같다.
즉, 상술한 바와 같이, 베이스 또는 기판(제1판; 10), 커버 또는 상측 필름(제2판; 20), 기판과 상측 필름 사이에 위치하는 공간, 공간에 위치하는 제1전극(11) 및 제2전극(21), 전극(11, 21)을 감싸는 유전체(40), 유전체(40)를 감싸는 테플론 코팅재(50), 및 공간 내에 위치하는 액체 방울(30)로 이루어진다.
이러한 셀이 모여서 이루어지는 패널의 구조는 도 3과 같고, 사운드 패널의 구성은 도 4와 같다.
다음과 같은 패널 셀의 디자인을 제안할 수 있다. 먼저, 다음과 같은 일반 원칙을 유지하여야 한다. 먼저, 액체를 이용하고 접촉 면적이 커야 한다. 그리고 액체가 덤핑을 감소시키도록 구조화되어야 한다.
도 8a 내지 도 8c는 스피커 구조의 일례를 나타내고 있으며, 이러한 스피커의 구조는 기본적으로 이는 세 개의 필름(100, 200, 300)으로 이루어진다. 즉, 하측의 베이스 필름(100) 상에 위치하는 상측의 방사 필름(200) 및 직경이 30 내지 50 ㎛인 많은 모세관을 가지는 중간 필름(300)으로 이루어진다. 그리고 이들 필름(100, 200, 300)은 부드러운 전기 전도성 플라스틱 또는 전도성층이 덮여진 플라스틱으로 이루어진다. 하측의 베이스 필름(100)은 전체 패널을 지지하고 구조를 고정한다.
중간 필름(300)은 도 8a 내지 도 8c에서와 같은 특별한 구조를 가지는데, 전기 전도성 플라스틱을 이용하면 좋다. 이러한 중간 필름(300)은 플라스틱 형성 또는 롤링에 의하여 제작될 수 있다. 상술한 바와 같이, 중간 필름의 주요 요소는 직경이 30 내지 50 ㎛인 많은 모세관을 가져야 하고, 상측 필름(200)과 하측 필름(100)이 부착되는 수평 돌기를 가져야 한다.
이 필름(100, 200, 300)을 전기 전도성의 플라스틱 또는 전도성층으로 만들면, 이는 파릴렌(parylene)과 같은 유전체 소수성 층으로 덮여야 한다. 이들 필름(100, 200, 300) 중 특히, 상측 필름(200)과 중간 필름(300) 사이에는 액체 방울(400)이 위치하게 된다.
또한, 이러한 패널을 구획하는 파티션(다리; 500)을 더 포함할 수 있다. 도 8c는 중간 필름(300)을 이루는 각 모세관을 나타내며, 전압이 인가되지 않은 경우와 전압이 인가된 경우를 나타내고 있다. 즉, 중간 필름(300)은 많은 모세관으로 이루어지므로 액체(400)가 채워지지 않은 제1부분(310)과 액체가 채워진 제2부분(320)으로 이루어지는데, 전압이 인가됨에 따라 도 8c와 같은 변형이 발생하며, 이러한 변형은 스피커가 구동되는 구동력으로 작용할 수 있다.
전기 습윤 필름형 스피커에 대한 주요 파라미터들을 결정하여, 다음과 같은 파라미터들의 범위를 구할 수 있었다.
- 셀의 높이: 20 내지 30 ㎛
- 셀의 너비: 200 내지 300 ㎛
- 액체 방울의 직경: 200 내지 250 ㎛
- 다리 물질: 폴리우레탄 등
- 다리 직경: 대략 100 ㎛
- 다리 높이: 대략 100 ㎛
- 상측 필름 물질: 폴리에틸렌과 같은 부드러운 플라스틱
- 액체 방울의 질량과 밀도: 물보다 작다
- 액체 방울의 점성: 물보다 크다
- 유전체의 두께: 3 내지 5 ㎛
- 유전체 물질: 파릴렌 등
- 전압 범위: 20 내지 30 V
- 상측 필름(200)과 하측 필름(100)은 전기 전도성 플라스틱 또는 메탈 필름 이 덮인 플라스틱을 이용 가능, 투명 스피커의 경우 ITO를 이용할 수 있다.
- 전체 패널 스피커의 두께: 400 내지 1000 ㎛
- 패널은 평면에 부착할 수 있도록 바닥에 접착층을 가질 수 있다. 이러한 접착층은 평평할 수 있고, 또한 굴곡질 수도 있다.
본 발명의 적용 범위는 매우 넓다. 평면이나 곡면에 적용 가능하고 투명하거나 창문에 부착될 수 있다. 매우 얇게 제작할 수 있어서, 잡지나 책에 심어서 제작할 수 있다.
또한, 다양한 모바일 어플리케이션과 홈 어플라이언스에 이용될 수 있는 등 매우 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 사운드 패널에서 내부 기체층의 동적 영향의 평가(Evaluation of dynamic influence of inner gas layer of acoustic panel)에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 전기 습윤 효과를 이용하는 사운드 패널은 일정 간격이 있고, 이 간격에는 액체 방울들이 위치하는 두 개의 필름으로 이루어진다.
이 간격에는 액체 방울 외에 혼합 기체를 포함할 수 있는데, 이 기체는 액체가 포화된 증기를 포함하고, 기체-액체 평형을 유지시켜준다. 필름 사이의 기체는 대기로부터 격리되어야 하므로 덤핑을 감소시키는데 이용되는 홀들이 있어서는 안 된다.
음향 진동이 발생되는 동안 사운드 패널의 기체층은 압축 또는 배출되며 전체 시스템의 동적 특성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 영향을 산출하기 위하여 ANSYS를 이용하여 동력학 계산을 수행하였다.
고정된 표면과 이 표면 상에의 구조에 의한 작은 간격에서의 기체 또는 액체에서 발생하는 얇은 필름의 동적 계산이 수행되었고, 이는 표면을 따라 수직으로 움직인다.
이러한 시스템에서 작동 주파수에 의존하여, 기체는 강성과 덤핑 계수를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 저주파에서는 기체가 충분히 비틀리기 전에 퍼질 수 있으며, 시스템에서 오직 덤핑에 기여할 수 있다. 반면 고주파에서는 퍼지기 전에 비틀릴 수 있으며, 시스템의 덤핑뿐 아니라 강성에도 기여하게 된다.
압력과 속도 사이의 위상 전이는 기체 압력에 의하여 정하여질 수 있다. 이 모델에서 강성과 덤핑은, 강성 계수의 경우 K로, 덤핑 계수의 경우 C로 표현될 수 있다.
ANSYS에서 이들 계수의 결정은 구조의 속도가 조화적으로 변화할 때 보통 조화 분석(harmonic analysis)의 도움으로 수행되고, 복소수 압력 분포가 계산된다. 이러한 계산의 기초는 레이놀드 스퀴즈 필름 방정식(Reynolds squeeze film equation)이다.
시스템의 덤핑에 영향을 주는 압력의 실수 성분은 수학식 1과 같다.
Figure 112007077812297-pat00001
시스템의 강성에 영향을 주는 압력의 허수 성분은 수학식 2와 같다.
Figure 112007077812297-pat00002
여기서, FRe는 압력에 의하여 야기되는 실수 힘 성분, FIm은 압력에 의하여 야기되는 허수 힘 성분, ω는 회전진동수(rad/s), vz는 고정된 필름에 대하여 수직으로 이동하는 상측 필름의 속도이다.
덤핑 및 강성 계수의 계산에 있어서, 조화 분석이 선형이므로, 속도 진폭값은 임의로 선택될 수 있다. 강성 및 덤핑 계수는 주파수에 의존하고 모든 구조의 특징을 좌우할 수 있다.
레이놀드 방정식을 적용하는데 필요한 조건은 필름 사이의 간격 값이 기체 분자의 자유 경로보다 적어도 100배 이상 커야한다. 이 조건은 Knudsen 수의 도움으로 산출될 수 있는데, 이 조건이 만족하기 위해서는 0.01보다 작아야 한다. 이러한 간격에서 패널의 압력 분포는 도 9에서 도시되어 있다.
이하, 시뮬레이션을 통하여 덤핑 및 강성 계수의 결정(Determination of dumping and stiffness coefficients) 과정을 설명한다.
사운드 패널의 크기는 0.1 × 0.1 미터이다. 대기압은 0.1 MPa(보통 공기압)으로 취하고, 기체층의 동적 점성은 0.0182 mPa*s(공기)로 취한다. 기체층의 두께는 다음과 같이 변화한다.
Gap 10 mm
Knudsen number = 0.006
주파수 Hz 강성 계수 N/m 덤핑 계수 Ns/m
15000 9.50E+07 7.84E+00
10000 9.49E+07 1.74E+01
5000 9.46E+07 6.52E+01
3000 9.41E+07 1.65E+02
1500 9.28E+07 5.36E+02
500 8.87E+07 3.01E+03
150 8.01E+07 1.79E+04
50 6.60E+07 8.44E+04
20 4.46E+07 2.84E+05
이러한 강성 계수 및 덤핑 계수의 그래프는 각각 도 10a 및 도 10b와 같다.
Gap 15 mm:
Knudsen number= 0.004
주파수 Hz 강성 계수 N/m 덤핑 계수 Ns/m
15000 6.32E+07 1.13E+01
10000 6.30E+07 2.41E+01
5000 6.24E+07 8.25E+01
3000 6.16E+07 1.92E+02
1500 6.00E+07 5.75E+02
500 5.57E+07 2.99E+03
150 4.69E+07 1.67E+04
50 3.19E+07 7.44E+04
20 1.24E+07 1.68E+05
이러한 강성 계수 및 덤핑 계수의 그래프는 각각 도 11a 및 도 11b와 같다.
Gap 20 mm:
Knudsen number= 0.0032
주파수 Hz 강성 계수 N/m 덤핑 계수 Ns/m
15000 4.71E+07 1.39E+01
10000 4.69E+07 2.84E+01
5000 4.61E+07 9.02E+01
3000 4.52E+07 2.02E+02
1500 4.36E+07 5.81E+02
500 3.91E+07 2.91E+03
150 3.04E+07 1.57E+04
50 1.46E+07 5.67E+04
20 3.62E+06 8.64E+04
이러한 강성 계수 및 덤핑 계수의 그래프는 각각 도 12a 및 도 12b와 같다.
이와 같은 과정을 통한 시뮬레이션 결과는 아래와 같다.
시뮬레이션 된 패널의 면적은 10-2 m2이다. 액체 방울들의 면적이 대략 패널 면적의 70%라면, 전체 방울의 면적은 0.7 × 10-2 m2이다. 방울의 직경의 평균이 200 × 10-6 m라면, 방울의 투사 면적은 3.14 × 10-8 m2이고 패널을 차지하는 전체 방울의 수는 233,000 방울에 해당한다.
위의 과정에서 계산된 강성 및 덤핑 계수는 모든 패널에 연관된다. 이러한 계수들을 단일 방울에 적용하여 계산할 수 있다. 예를 들면, 15 ㎛ 간격과 3000 Hz의 진동수에 대하여 모든 플레이트에 대하여 강성 계수는 6.16E+02 Ns/m이고 하나의 방울에 대해서는 8.61E-04 Ns/m이다.
표면 장력 계수에 의하여 발생하는 강성 계수는 15 N/m이고, 습윤 라인 마찰에 의한 덤핑 계수는 10E-04 Ns/m이다.
상술한 계산된 값은 플레이트 사이의 전체 공기 간격에 관계된다는 것을 주목해야 한다. 액체 방울에 의하여 나누어지는 구조화된 공기 간격을 가지는 경우, 강성 및 덤핑 계수는 달라야 한다.
추가적인 연구를 필요로 하나, 아마도 강성 계수는 공기 체적에 비례하여 대략 세배 정도로 감소할 것이며, 덤핑 계수는 특히 저주파에서 적어도 백배 정도로 보다 크게 감소할 것이다.
하기에서는 사운드 패널의 조화 분석 및 수치 해석 분석을 구체적으로 설명 한다.
1. 사운드 패널 구조의 조화 분석(Harmonic analysis of the sound panel structure)
1.1 수치적 실험의 목적
본 실험의 목적은 수치 모델링 방법을 이용하여 사운드 패널의 재료와 기하학적 파라미터들을 결정하는 것이며, 이는 진동 주파수 범위에 대한 충분한 특성을 제공할 수 있다.
모델링에 있어서 다음과 같은 파라미터들을 변경하며 시도하였다.
(1) 인가된 힘
(2) 본딩 다리들의 강성
(3) 덤핑 계수
(4) 방울의 강성
1.2 수치적 실험의 내용
사운드 패널 모델의 구성은 상술한 도 4와 같다.
(1) 상측 필름 - 상측 방사 필름을 구성하고, 금속화 된 재료를 이용하며, 소수성 필름
(2) 본딩 다리 - 필름들 사이에 위치. 파티션을 이룰 수 있음
(3) 액체 방울
(4) 베이스 필름 - 두꺼운 필름, 금속화, 소수성 필름, 방울을 고정시키기 위한 소수성 점들이 있음
이러한 패널의 수평 크기는 임의적이다. 모델링을 위하여 0.01 m × 0.01 m 크기의 패널을 채용하였다. 이와 같은 크기는 구성 요소의 수를 한정된 수로 한정할 수 있고 시뮬레이션 시간을 최적화할 수 있으며 동시에 구조의 동적 특성을 알 수 있도록 한다. 하나의 셀 경계를 가지는 사운드 패널의 모델은 도 13과 같다.
이러한 구조를 고려하면, 한정된 구성 요소를 갖는 사운드 패널은 매우 많은 셀로 구성될 수 있다. 각 셀은 1000*10e-6 m × 1000*10e-6 m × 200*10e-6 m의 크기를 가지며, 다음과 같은 요소로 구성될 수 있다.
1) 높이가 100*10e-6 m인 상측 필름 - 솔리드 45 형, 재료 #2(도 14 참고)로 이루어지는 한정된 구성 요소를 갖는다.
2) 본딩 다리 - 이 다리는 50*10e-6 m의 폭을 가지나, 각 셀은 세 개의 이웃하는 셀을 가지므로 다리의 총 폭은 100*10e-6 m가 된다. 다리의 높이는 100*10t-6 m이다. 이들은 솔리드 45 형, 재료 #1로 이루어지는 구성 요소를 갖는다(도 14 참고).
3) 실수 상수 세트 #1(강성, 덤핑, 질량)을 갖는 링크 11 형 구성 요소 - 모델의 방울의 동적 특성
4) 다리의 바닥 노드의 공간적 자유도의 결정과 링크 11 요소 - 하측 고정 필름의 모델
각 셀은 208개의 솔리드 45 요소와 21개의 링크 11 요소로 나누어진다.
사운드 패널의 한정 요소 모델은 10개의 셀을 10e-3 m만큼 x-축으로 복사하고, 10개의 셀을 10배로 10e-3 m만큼 y-축으로 복사하였다. 이후, 모든 요소의 일 치하는 노드는 병합되었고 전체 한정 요소 모델을 구성할 수 있다.
1.2.2 로드와 체결
모델링에서 다리의 하부와 링크 11 요소의 하부의 노드를 고정하였고, 이는 방울의 모델이다(도 15).
서로 다른 주파수의 조화 요소는 링크 11 요소의 상측 노드에 대한 로드로 인가되었고, 이는 방울의 모델이다.
가능한 습윤된 각을 가지는 매체의 사운드 패널 구조에 작용하는 정적 로드는 모델링되지 않았다. 이는 작은 값을 가지는 가능한 전이(0.01 내지 0.5 ㎛)로 부가될 수 있다.
동시에 예비 로드를 고려하지 않은 수치적 실험은 시뮬레이션을 단순화시킬 수 있다. 예비 로드가 없는 시뮬레이션으로부터 얻은 결과는 예지 로드를 갖는 결과로 간단하게 전환될 수 있다.
1.2.3 수치적 해석의 형태
시뮬레이션을 위하여 조화 분석을 이용하였다. 이러한 분석의 결과로 사운드 패널에서 상측 필름에 있는 점들의 이동에 대한 진폭-주파수 특성 및 위상-주파수 특성을 얻을 수 있다.
방사체의 음향 특성의 모델링으로부터 상술한 이동의 진폭은 충분한 볼륨의 소리를 만들기 위해 충분하려면 0.1 × 0.1 m 크기의 패널에 대하여 0.01 내지 0.1 ㎛가 되어야 한다.
게다가 조화 분석의 결과는 사운드 패널의 평면의 점들의 z축 방향의 순간적 인 변위는 다음의 두 가지로 요약된다.
(1) 최대 볼륨에 도달하기 위하여 상측 필름에 작용하는 힘(실수 성분(도 16))
(2) 90°의 위상 전이에 관련된 최대 진폭을 가지는 힘(허수 성분(도 17))
도 16 및 도 17로부터 사운드 패널의 가장자리에서 전이는 패널의 중앙부에서의 전이와는 근소하게 다르다는 것을 알 수 있다. 이는 이 모델에서 가장자리에서의 다리 단면적은 중앙부에서의 단면적보다 작기 때문이다(1.2.1).
필름 점들의 전이 및 인가되는 힘의 위상 변화에 의하여, 전이를 보이는 사진(도 16 및 도 17)은 진폭-진동수 및 위상-진동수 특성에 따라 형성될 것이다.
도 16 및 도 17은 각각 주파수 1000 Hz에서 전이(shift)의 실수 성분과 허수 성분을 나타내고, 도 18 및 도 19는 각각 주파수 20000 Hz에서 전이(shift)의 실수 성분과 허수 성분을 나타낸다.
전이 Δzm의 진폭은 전이의 실수성분 ΔzRe 및 허수성분 ΔzIm의 순간적인 값을 이용하여 다음의 수학식 3으로부터 계산될 수 있다.
Figure 112007077812297-pat00003
이로부터 진폭과 위상의 주파수에 대한 특성은 힘이 인가된 경우에 한정 요소 모델의 노드 중 하나를 이용하여 시뮬레이션될 수 있다.
2. 수치적 실험의 결과(Results of numerical experiments)
2.1 인가된 힘의 영향
패널을 구동하는 힘은 사운드 패널의 링크 11 요소의 상측 노드에 인가된다. 이러한 힘의 진폭은 변화할 수 있는 파라미터인데, 이는 소리의 볼륨에 영향을 미친다.
힘의 진폭은 다음에 의존한다
(1) 방울의 상측 및 하측 필름에서 경계를 변화시키는 습윤 각도에 대한 패널에 인가되는 전압
(2) 방울의 체적
(3) 판 사이의 거리
(4) 방울의 표면 장력 계수, 등
2.1.1 실험에서 상수값
방울의 동적 특성
수치적 실험을 위한 방울은 링크 11의 한정 요소로 모델링되었다. 방울의 동적 특성은 링크 11의 실수 성분으로 할당된다. 초기 계수 값은 "90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산"으로부터 채택되었다.
강성 K (N/m) 동적 점성 계수 C (Nm/s) 질량 M (kg)
30.000 0.10000E-02 0.0000
커버 필름 물질의 특성 (물질2)
커버 필름의 물질은 다음과 같은 특성을 가지는 폴리에틸렌과 유사한 특성을 갖는 물질을 이용한다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
다리 물질의 상수값 (물질1)
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
2.1.2 힘 진폭값 F = 0.5*10e-4N의 모델링 결과
초기 힘의 진폭은 "90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산"의 결과로부터 채택되었다.
힘 진폭(Force amplitude) F (N) FZ = 0.500000000E-04
결과:
도 20과 도 21로부터 진동 진폭은 주파수가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 1000 Hz에 대하여 진폭은 0.23*10e-6 m이고, 20 kHz에 대하여는 0.25*10e-6 m이다. 이러한 진폭은 효율적인 음향 진폭을 발생시키기에 충분하다.
사운드 패널에서 점들의 진동의 위상은 진동수가 증가함에 따라 지연되는데, 20 kHz에서는 28.4°에 해당한다. 이러한 지연은 패널의 소리 특성에 실질적인 영향을 주지 않을 것이다.
진폭 분포와 위상과의 관계는 1 kHz 진동수에서의 도 22와 도 23으로부터, 그리고 20 kHz 진동수에서의 도 24 및 도 25로부터 알 수 있다. 1 kHz에서 힘의 위상과 진폭은 일치하며, 20 kHz에서 지연이 발생하는 것을 알 수 있다.
2.1.3 힘 진폭값이 F = 0.1*10e-3 N일 경우 모델링 결과
본 수치적 실험에 대하여 힘 진폭값은 2.1.2의 두 배로 증가되었다.
힘 진폭(Force amplitude) F (N) 0.100000000E-03
도 26 및 도 27에서와 같이, 시뮬레이션 결과는 힘 진폭값이 두 배 증가하면(2.1.2에 비교하여) 진동 진폭도 두 배로 증가함을 보여주고 있다.
진동 진폭의 증가에 대하여 위상 특성은 이전의 경우와 마찬가지로 유지됨을 알 수 있다.
도 28 및 도 29는 각각 주파수가 1000 Hz일 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
또한, 도 30과 도 31은 각각 주파수가 20000 Hz인 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
2.1.4 힘 진폭값이 F = 0.1*10e-4 N인 경우 모델링 결과
본 수치적 실험에 대하여 힘 진폭값은 2.1.1의 10 배로 감소되었다. 이러한 감소는 인가 전압이 감소된 경우로 적용될 수 있다.
힘 진폭(Force amplitude) F (N) 0.100000000E-04
도 32는 진동 진폭은 인가된 힘에 비례하여 감소함을 보여주고 있다. 힘이 인가되지 않은 경우 1 kHz에 대해서는 0.455*10-7 m(힘이 0.1*10-3 N 인가된 경우는 455*10-6 m)이고, 20 kHz에 대해서는 0.498*10-6 m이다(힘이 0.1*10-3 N 인가된 경우는 0.498*10-6 m).
도 33은 위상에 대한 의존성은 유지됨을 보여준다.
도 34 및 도 35는 각각 주파수가 1000 Hz일 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
또한, 도 36과 도 37은 각각 주파수가 20000 Hz인 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
2.1.5 결론
(1) 상측 필름 진동 진폭은 효율적인 소리의 크기를 발생시키는데 충분하다.
(2) 인가된 힘의 진폭과 진동의 진폭은 서로 선형으로 의존한다.
(3) 힘과 진동 진폭의 선형 의존성은 가능한 습윤 각도의 중간에 위치하는 방울에 의한 필름의 정적 로드를 무시한 시뮬레이션의 가능성에 대하여 1.2.2의 가정이 타당함을 증명해준다.
2.2 다리 강성 변화의 영향
다리는 시스템의 동적 특성에 영향을 미친다. 왜냐하면 시스템의 강성에 영향을 미치기 때문이다. 동시에 다리 강성은 구조를 조절하면 쉽게 변화될 수 있다. 예를 들어, 영 모듈러스 E가 다른 물질을 적용하거나 다리의 폭이나 높이를 변화시킬 수 있다. 다리의 강성은 다음의 알려진 관계에 의하여 다음 값들에 관계된다.
σ = Eε (여기서, σ는 물질의 스트레스이고, ε는 상대적 변형(스트레인)이다.)
다리에 대하여, F/S = EΔl/l 인 것으로 보인다(여기서, F는 다리의 스트레스-스트레인에 영향을 미치는 힘, S는 다리의 횡단면적, Δl은 힘이 인가된 경우 다리의 늘어난 길이, l은 다리의 초기 길이이다).
힘에 대하여 나타내면, F = E S·Δl/l 이다.
다리 강성에 대하여 나타내면, K = E S/l 이다.
마지막 표현으로부터 다리 강성을 변화하는 가장 간편한 방법은 물질의 물성(E)을 변화시키는 것임을 알 수 있는데, 이는 모델의 기하적 구조를 변경시킬 필요가 없기 때문이다.
예를 들면, 다리의 초기 길이가 l = 100*10-6 m이고 단면적 S = 100*10-6·100*10-6 = 10*10-9 m2이며, 다리 물질이 폴리에틸렌(E = 0.2 GPa)라면, 다리 강성 K는 20*10e3 N/m이다. 영 모듈러스를 E = 0.2 GPa에서 0.05 GPa로 변경하면 다리 강성 K는 5*10e3 N/m가 된다. 물리적으로 동일한 변화가 실현될 수 있다.
1) 다리 단면적을 4배 감소
2) 다리 길이를 4배 증가
3) 영 모듈려스의 변경과 함께 상술한 파라미터를 변경
본 수치적 실험에서는 탄성 모듈러스 값의 변화에 의한 다리 강성의 변화를 선호한다.
2.2.1 수치적 실험을 위한 상수값
로드 값(Load values)
로드 값은 조화적으로 변화하는 힘에 따라 결정되는데, 이 힘은 사운드 패널의 링크 11 요소의 상측 노드에 인가된다. 힘의 진폭값은 "90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산"으로부터 결정된다.
힘 진폭(Force amplitude) F (N) 0.1*10-3
방울의 동적 특성
본 수치적 실험에서 방울은 링크 11의 유한 요소로 모델되었다. 방울의 동적 특성은 링크 11 요소의 실수측 상수를 정의함으로써 시뮬레이션되었다. 계수의 초기값은 "90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산"으로부터 채택되었다.
강성 K (N/m) 동적 점성 계수 C (Nm/s) 질량 M (kg)
30.000 0.10000E-02 0.0000
방사 필름(물질 2)의 물질 특성
다음의 특성을 갖는 폴리에틸렌과 유사한 물질로 방사 필름의 물질이 채택된다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
다리 물질(물질 1)의 상수 특성
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
2.2.2 힘 진폭값이 F = 0.1*10e-3 N일 경우 모델링 결과
다리의 강성 계수는 영 모듈러스를 다리 물질에 대하여 피팅 함으로써 산출되었다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
도 38로부터 음향 주파수 범위에 대하여 패널은 0.455*10-6 m로부터 0.498*10-6 m 정도로 진폭값이 단조로운 특성을 가지는데, 이는 효율적인 큰 소리를 내는 스피커에 적용되기에 충분하다.
도 39는 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있 다. 인가된 힘과 점들의 전이는 위상 전이하고 있음을 보여주며, 이는 주파수가 20 kHz에서 0°에서 -28.5°로 주파수에 따라 증가한다.
도 40 및 도 41은 각각 주파수가 1000 Hz일 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
또한, 도 42와 도 43은 각각 주파수가 20000 Hz인 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
2.2.3 다리의 강성 계수 K = 10*10e3 N/m인 경우의 모델링 결과
다리의 강성 계수는 다음의 영 모듈러스를 다리 물질에 대하여 피팅 함으로써 산출되었다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.10000E+09
도 44로부터 다리의 강성이 두 배 감소함에 따라 진동 진폭은 0.484*10-6 m로부터 0.526*10-6 m 정도로 근소하게 증가한다(20*103 N/m의 강성에서는 0.455*10-6 m로부터 0.498*10-6 m임을 비교하라.).
도 45는 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있고, 도 46은 주파수가 1000 Hz일 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포를 나타내고 있다.
2.2.4 다리의 강성 계수 K = 5*10e3 N/m인 경우의 모델링 결과
다리의 강성 계수는 다음의 영 모듈러스를 다리 물질에 대하여 피팅 함으로써 산출되었다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.050000E+09
도 47로부터 다리의 강성이 네 배 감소함에 따라 진동 진폭은 실질적으로 증가하지 않고 0.525*10-6 m로부터 0.567*10-6 m 사이에 머무른다(20*103 N/m의 강성에서는 0.455*10-6 m로부터 0.498*10-6 m임을 비교하라.).
도 48은 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있고, 도 49는 주파수가 1000 Hz일 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포를 나타내고 있다.
2.2.5 결론
(1) 다리의 강성의 변화는 패널의 동적 특성에 기여하는 정도가 작다.
(2) 실질적인 다리 강성의 감소에 따라 진동 진폭이 소량 증가하는 것은 본 구조의 패널의 변형은 상측 필름의 변형에 의한 것으로 규정될 수 있다.
(3) 다리 강성의 변화와 관련한 패널의 동적 특성의 안정성은 바람직한 요소인데, 상측/하측 필름의 결합 특성의 안정성에 요구되는 기술 및 전체 제품의 기술적 요구를 감소시킬 수 있다. 즉, 보다 용이하게 실현이 가능하다.
2.3 덤핑 계수의 감소에 의한 영향
덤핑 계수는 사운드 패널의 특성에 실질적인 영향을 미칠 것이다. 덤핑 계수는 다음에 의존한다.
(1) 습윤 라인의 전이에 의하여 발생하는 마찰력("90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산")
(2) 점성 에너지 전파에 따른 내부 방울 마찰력
(3) 주파수에 의존하는 공기층의 마찰력("소리 패널 내부의 기체의 동적 영향의 평가")
공기층의 덤핑과 방울 덤핑의 효과는 유사하므로 이들 값을 전체 덤핑 계수를 도입하여 이들을 결합하였다. 덤핑 계수는 다음의 요소들을 고려함으로써 일정 수준으로 변화할 수 있다.
1) 액체 방울의 특성
2) 방울의 체적
3) 방울에 접촉하는 필름의 거칠기
4) 공동의 높이(상측 및 하측 필름 사이의 거리), 등
2.3.1 실험에서의 상수값들
로드 값(load values):
로드 값은 조화적으로 변화하며, 사운드 패널의 링크 11 요소의 상측 노드에 인가되는 힘에 의하여 결정된다. 힘의 진폭값은 "90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산" 항목에서 결정되었다.
힘 진폭(Force amplitude) F (N) 0.1*10-3
방사 필름(물질 2)의 물질 특성
방사 필름의 물질은 다음과 같은 폴리에틸렌과 유사한 물질을 채택한다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
다리 물질(물질 1)의 정적 특성
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
방울의 동적 특성
수치적 실험을 위하여 방울을 링크 11의 유한 요소로 모델링되었다. 방울의 동적 특성은 링크 11 요소의 실수부 상수를 정의함으로써 시뮬레이션되었다.
강성 K (N/m) 질량 M (kg)
30.000 0.0000
2.3.2 방울의 덤핑 계수 C = 0.2*10e-2 Ns/m인 경우의 모델링 결과
방울의 덤핑 계수가 0.2*10e-2인 경우는 근사적으로 방울의 습윤 라인의 전이에 의하여 발생하는 덤핑 계수에("90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산") 필름들 사이의 공기층 덤핑에 의하여 발생하는 방울의 덤핑에 의한 효과를 더한 값에 해당한다("소리 패널 내부의 기체의 동적 영향의 평가").
방울의 덤핑 계수 Ns/m 0.20000E-02
도 50은 상측 필름 점의 주파수에 대한 전이 진폭의 의존성을 나타내고 있다. 진동 진폭은 주파수에 따라 실질적으로 감소하지 않는다.
도 51은 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있다. 높은 주파수에 대하여 힘의 진동 진폭에 대한 위상 지연을 볼 수 있는데, 이는 20 kHz에서 48°정도이다.
도 52 및 도 53은 각각 주파수가 1000 Hz일 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
또한, 도 54와 도 55는 각각 주파수가 20000 Hz인 경우, 힘이 최대인 경우의 순간 전이의 분포와 힘이 없는 경우의 순간 전이 분포를 나타내고 있다.
2.3.3 방울의 덤핑 계수 C = 0.1*10e-2 Ns/m인 경우의 모델링 결과
방울의 덤핑 계수 Ns/m 0.10000E-02
도 56은 상측 필름 점의 주파수에 대한 전이 진폭의 의존성을 나타내고 있다. 진동 진폭은 주파수에 따라 증가한다.
도 57은 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있다. 위상 지연은 이전의 경우와 비교하여 높은 주파수에서 감소한다.
2.3.4 방울의 덤핑 계수 C = 0.01 Ns/m인 경우의 모델링 결과
방울의 덤핑 계수는 2.3.3 항목에 비교하여 10배 증가하였다.
방울의 덤핑 계수 Ns/m 0.10000E-01
도 58은 덤핑 계수가 10배 증가함에 따라 높은 주파수에서는 진동 진폭이 실질적으로 감소함을 보여준다. 그러나 이러한 거동에 의해서조차 높은 주파수 범위에서 충분한 소리 볼륨을 제공할 수 있다.
도 59는 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있다. 위상 지연은 이전의 경우와 비교하여 높은 주파수에서 실질적으로 증가한다.
2.3.5 결론
(1) 덤핑 계수는 패널의 동적 특성에 실질적인 영향을 미친다. 패널 디자인에 있어서 이들 요소에 주의를 기울여야 한다.
(2) 소리 주파수 범위에 대하여 진동 진폭은 상기 모든 시뮬레이션된 덤핑 계수에 대하여 충분히 효율적인 소리를 발생시킬 수 있다. 가능한 위상 왜곡을 제외시키기 위하여 덤핑 계수의 하한을 실현하는 것이 좋다.
(3) 과도한 덤핑에 의하여 발생하는 비정상적인 진폭 특성은 증폭기의 특성의 보정에 의하여 상쇄될 수 있다.
2.4 방울 강성의 변화에 의한 영향
방울 강성 계수는 상측 필름에 대하여 수직 방향의 길이에 비례하는 상측 필름 전이에 대한 방울의 대항력을 특징짓는다. 방울의 강성 계수는 사운드 패널의 다음 파라미터들에 영향을 준다.
(1) 방울 체적의 변화("90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산")
(2) 상측 및 하측 필름 사이의 거리
(3) 방울의 표면 장력 계수
(4) 공동 높이가 변화된 경우, 필름들 간의 기체층의 비틀림 정도("소리 패널 내부의 기체의 동적 영향의 평가").
2.4.1 실험 세트의 상수 값
로드 값(load values):
로드 값은 조화적으로 변화하며, 사운드 패널의 링크 11 요소의 상측 노드에 인가되는 힘에 의하여 결정된다. 힘의 진폭값은 "90° 이상의 습윤 각도를 가지는 경우의 방울의 계산" 항목에서 결정되었다.
힘 진폭(Force amplitude) F (N) 0.1*10-3
방사 필름(물질 2)의 물질 특성
방사 필름의 물질은 다음과 같은 폴리에틸렌과 유사한 물질을 채택한다.
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
다리 물질(물질 1)의 정적 특성
영 모듈러스(Young modulus) N/m EX = 0.20000E+09
쁘와송 계수(Poison coefficient) NUXY = 0.40000
밀도 kg/m3 DENS = 900.00
방울의 동적 특성
수치적 실험을 위하여 방울을 링크 11의 유한 요소로 모델링되었다. 방울의 동적 특성은 링크 11 요소의 실수부 상수를 정의함으로써 시뮬레이션되었다.
강성 K (N/m) 질량 M (kg)
30.000 0.0000
2.4.2 방울의 강성 계수 K = 30 N/m인 경우의 모델링 결과
방울의 강성 계수 N/m 30
도 60은 상측 필름 점의 주파수에 대한 전이 진폭의 의존성을 나타내고 있다. 진동 진폭은 수치적 실험의 파라미터를 고려할 때 주파수에 따라 증가한다.
도 61은 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있다. 최대 위상 전이값은 28.4°이다.
2.4.3 방울의 강성 계수 K = 50 N/m인 경우의 모델링 결과
방울의 강성 계수 N/m 50
이러한 강성 계수로부터 다음과 같은 패널의 특성을 얻었다.
도 62에서와 같이, 강성이 증가될 때 진동 진폭은 이전의 경우와 비교하여 크게 감소하지 않음을 보여주고 있다. 1000 Hz에 대해서는 0.43*10-6 m(K = 30 N/m일 때는 0.45*10-6 m)이고, 20000 Hz에 대해서는 0.47*10-6 m이다(0.5*10-6 m).
도 63은 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있 다. 위상 전이는 이전의 경우와 비교할 때 -26.5°에서 -28.4°로 감소한다.
2.4.4 방울의 강성 계수 K = 10 N/m인 경우의 모델링 결과
방울의 강성 계수 N/m 10
도 64에서와 같이, 강성이 감소할 때 진동 진폭은 증가함을 보여주고 있다. 1000 Hz에 대해서는 0.49*10-6 m(K = 50 N/m일 때는 0.43*10-6 m)이고, 20000 Hz에 대해서는 0.53*10-6 m이다(0.47*10-6 m).
도 65는 주파수에 대한 패널 상 점들의 전이의 위상의 의존성을 보여주고 있다. 위상 전이는 이전의 경우와 비교할 때 -30.5°에서 -26.5°로 증가한다.
2.4.5 결론
1. 진동 진폭의 변화에 대한 방울 강성의 영향은 크지 않다.
2. 방울 강성에 대한 패널의 동적 특성의 안정성은 긍정적인 요소이다. 이는 제품에 대한 기술적 요구를 감소시킬 수 있다.
이하, 음파 방사판과 파티션과 함께 있는 방울에 대한 외력이 가해진 진동(Forced oscillations of the drop together with sound waves irradiating plate and together with partitions)에 대하여 자세히 분석한다.
초기 데이터는 다음과 같다:
방사 플레이트(PMMA)의 탄성 모듈러스 = 3.0 GPa = 3000 mg/(ms2 ㎛)
플레이트의 쁘와송 계수 = 0.37
플레이트의 밀도 = 1200 kg/m3 = 1.2e-9 mg/μm3
파티션(폴리에틸렌)의 탄성 모듈러스 = 0.2 GPa = 200 mg/(ms2 ㎛)
파티션의 쁘와송 계수 = 0.4
파티션의 밀도 = 930 kg/m3 = 0.93e-9 mg/μm3
파티션의 두께 = 1.0e-5 m = 10 ㎛
액체 방울의 밀도 = 997 kg/m3 = 0.997e-9 mg/μm3
액체 방울의 점성 계수 = 0.82e-3 Pa·s = 0.82e-6 mg/(㎛ ms)
액체 방울의 표면 장력 계수 = 72.8 mN/m = 0.0728 mg/ms2
정적 습윤각도 = 98.6°
방울의 반경 (수평 단면) = 1.0e-4 m = 100 ㎛
외부 압력 변화를 일으키는 법칙 (도 66, 도 87)
P = 0.0182(cos(ωt) - 1) [mg/(ms2 ㎛)]
초기 데이터는 SI 유닛 시스템을 이용하여 표현되었고, 기본 단위가 마이크론, 밀리그램, 밀리초인 경우 SI 유닛으로 변경하여 표현하였다. 시뮬레이션 결과도 이들 유닛을 이용하여 표현된다.
계산 결과(Result of the calculations)
최적 셀 디자인에 대한 연구(Search for the optimal cell design)
1)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28); 전기적 포텐셜의 변화에 의하여 발생하는 외부 압력은 수학식 4에 의하여 결정되고 방울/방사판의 습윤 라인의 경계점에 적용된다.
방사판의 두께 = 75 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 18 ㎛
구동시 각도변화 = 90°에서 70°로
공동의 길이 = 200 ㎛
시간 간격 [0; 0.5 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -4e-3 ㎛ (도 67)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하지 않다. 도 68은 0.5 ms 순간에 변형된 상태의 셀과 방울을 나타낸다.
2)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 50 ㎛ (감소되었음)
방울을 포함하는 공동의 높이 = 18 ㎛
구동시 각도변화 = 90°에서 70°로
공동의 길이 = 400 ㎛ (증가되었음)
시간 간격 [0; 0.5 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -3.5e-2 ㎛ (도 69)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하지 않다.
3)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 50 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 40 ㎛ (증가되었음)
구동시 각도변화 = 98.6°에서 84°로
공동의 길이 = 400 ㎛ (증가되었음)
시간 간격 [0; 0.5 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -6.5e-2 ㎛ (도 72)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하지 않다. 도 71은 t = 0.5 ms 순간에 셀과 방울의 모든 점의 이동을 특징짓는다. 도 73과 도 74는 초기 상태와 시간 간격 [0; 0.5 ms] 종지시의 변형된 셀과 방울을 나타낸다. 도 70은 방울 내의 압력 분포를 나타내는데, t = 0.0105 ms 순간의 방울의 형태와 셀의 형태를 나타낸다.
4) 진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 50 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 10 ㎛ (감소되었음)
구동시 각도변화 = 90°에서 75°로
공동의 길이 = 200 ㎛ (감소되었음)
시간 간격 [0; 0.5 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.8e-2 ㎛ (도 75)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하지 않다. 외력을 가한 조화 진동 Uy의 기 저는 자유 방울과 판의 진동에 혼합되었는데, 이는 상대적으로 큰 에너지를 갖는다(도 75).
5)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 50 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛ (증가되었음)
구동시 각도변화 = 96°에서 82°로
공동의 길이 = 300 ㎛ (증가되었음)
시간 간격 [0; 0.5 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -5e-2 ㎛ (도 78)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하지 않다. 외력을 가한 조화 진동 Uy의 기저는 자유 방울과 판의 진동에 혼합되었는데, 이는 상대적으로 큰 에너지를 갖는다(도 78).
도 76과 도 77은 방울과 셀의 형태(도 76)와 t = 0.0183 ms 순간에서 방울의 압력 분포(도 77)를 나타내고 있다.
6)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 30 ㎛ (감소되었음)
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
구동시 각도변화 = 96°에서 82°로
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.5 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.23 ㎛ (도 83)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하다. 외력을 가한 조화 진동 Uy의 기저는 자유 방울과 판의 진동에 혼합되었는데, 이는 이전의 결과보다 매우 작은 진폭을 갖는다. 따라서 공동의 높이를 10 ㎛에서 30 ㎛로 증가시킴에 따라, 방울의 자유 진동의 영향은 감소된다.
도 79와 도 80은 t = 0.0082 ms 순간과 시간 간격 [0; 0.5 ms]이 시작점인 t = 0.1082 ms에서 방울의 압력 분포를 나타내고 있다. 도 81과 도 82는 이들 순간에서의 방울과 셀의 형태를 나타내고 있다.
7)
진동 주파수 = 500 Hz(ω = 3.14)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
구동시 각도변화 = 96°에서 82°로
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 1 ms] - 진동 주기의 1/2
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.22 ㎛ (도 96)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하다. 도 84 내지 도 89는 연속되는 각 순간에서 방울 압력 분포를 특징짓고, 도 90 내지 도 95는 이들 순간에서의 방울과 셀의 형태를 나타낸다. 도 97은 방사 판의 표면을 따르는 습윤 라인 점들의 전이를 나타내고 있다.
8)
진동 주파수 = 5000 Hz(ω = 31.4)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
구동시 각도변화 = 96°에서 82°로
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.2 ms] - 1 진동 주기
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.21 ㎛ (도 104)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하다. 조화 진동의 기저는 방울과 판의 작은 자유 진동과 혼합된다.
도 98 내지 도 100은 수 개의 연속적인 시간 간격에서의 방울 내의 압력 분포를 나타내고 있다. 도 101 내지 도 103은 이들 연속적인 시간에서의 방울과 셀의 형태를 나타내고 있다. 도 105와 도 106은 판의 표면을 따른 습윤 라인 점들의 이동과 속도를 특징짓는다.
9)
진동 주파수 = 10000 Hz(ω = 62.8)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.1 ms] - 1 진동 주기
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.20 ㎛ (도 111)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하다. 조화 진동의 기저는 방울과 판의 진동으로부터 거의 자유롭다.
도 107 및 도 108은 수 개의 연속적인 시간 간격에서의 방울 내의 압력 분포를 나타내고 있다. 도 109 및 도 110은 이들 연속적인 시간에서의 방울과 셀의 형태를 나타내고 있다. 도 112와 도 113은 판의 표면을 따른 습윤 라인 점들의 이동과 속도를 특징짓는다.
10)
진동 주파수 = 20000 Hz(ω = 125.6)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.1 ms] - 2 진동 주기
도 117은 습윤 라인 근처의 방울 표면에 가해진 외부 압력을 나타낸다.
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.19 ㎛ (도 118)는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하다. 조화 진동의 기저는 방울의 진동으로부터 자유로움이 명백하다.
도 114 내지 도 116은 다른 시간에서의 방울과 셀의 형태를 나타낸다.
도 119와 도 120은 판의 표면을 따른 습윤 라인 점들의 이동과 속도를 특징짓는다.
11)
진동 주파수 = 10000 Hz(ω = 62.8)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.1 ms] - 1 진동 주기
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.19 ㎛는 큰 소리를 내는 효율적인 스피커에 충분하다. 조화 진동의 기저는 방울의 진동으로부터 자유로움이 명백하다.
파티션(폴리프로필렌)의 탄성 모듈러스 = 10 mg/(ms2 ㎛) - 감소되었음
파티션의 쁘와송 계수 = 0.45
파티션의 밀도 = 1.2e-9 mg/μm3 - 증가되었음
액체 방울의 밀도 = 0.997e-9 mg/μm3
파티션의 두께 = 5 ㎛ - 감소되었음
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.48 ㎛(도 121)는 도 111에 비하여 2.4배 증가하였다.
조화 진동의 기저 Uy는 현실적으로 방울과 판의 진동으로부터 자유로움이 명 백하다. 도 122와 도 123은 판의 표면을 따른 습윤 라인 점들의 이동과 속도를 보여준다.
12)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.5 ms]
액체 방울의 점성 계수는 0.82e-6에서 0.82e-5 mg/(㎛ ms)로 증가하였다. 방사판의 외력이 가해진 진동에 대하여 방울-판에 자유로운 진동에 대해 실질적인 영향이 없음을 보여주는 시간 간격 [0; 0.13 ms](도 83)은 [0; 0.2 ms](도 124)로 증가하였고, 진동 주기의 남은 시간 간격에 대하여 자유 진동의 영향도 또한 감소하였다.
13)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.5 ms]
액체 방울의 점성 계수는 0.82e-6에서 0.82e-7 mg/(㎛ ms)로 감소하였다. 이 는 판의 외력이 가해진 진동에 대하여 셀의 자유 진동에 실질적인 증가가 없다는 것이다(도 125와 도 83을 비교).
14)
진동 주파수 = 10000 Hz(ω = 62.8)
방사판과 고정 베이스에 접하는 습윤 라인의 점들에 외부 압력이 인가되었다. 압력은 (1) 법칙에 따라 변화한다.
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.1 ms]
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.21 ㎛(도 126).
도 127과 도 128은 방울의 압력 분포를 나타내고, 도 129와 도 130은 방울과 셀의 형태를 보여준다.
15)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판과 고정 베이스에 접하는 습윤 라인의 점들에 외부 압력이 인가되었다. 압력은 (1) 법칙에 따라 변화한다.
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.5 ms]
변형되지 않은 위치로부터 판이 이동하는 진폭 Uy = -0.22 ㎛(도 131).
도 132와 도 133은 방울의 압력 분포를 나타내고, 도 134와 도 135는 방울과 셀의 형태를 보여준다.
16)
진동 주파수 = 1000 Hz(ω = 6.28)
방사판과 고정 베이스에 접하는 습윤 라인의 점들에 외부 압력이 인가되었다. 압력은 (1) 법칙에 따라 변화한다.
방사판의 두께 = 30 ㎛
방울을 포함하는 공동의 높이 = 30 ㎛
공동의 길이 = 300 ㎛
시간 간격 [0; 0.5 ms]
방울의 점성 계수 = 0.82e-6 mg/(㎛ ms)
액체 방울 밀도가 0.997e-9에서 0.8e-9 mg/μm3로 감소하면 외력이 가해진 진동에 대하여 자유 셀 진동의 영향이 감소함을 야기한다(도 136을 도 131과 비교).
결론:
이와 같이, 방울의 크기, 셀 공동의 높이와 길이, 판의 두께, 파티션(다리)의 두께, 물질의 특성을 결정하였다. 시뮬레이션은 이와 같이 결정된 범위의 크기 와 물질에 대하여 진동 진폭이 대부분의 응용제품에서 주파수 범위가 500에서 20 kHz로 충분한 음압을 발휘할 수 있음을 보여준다.
1) 시뮬레이션 초기단계에서는 셀 진동의 진폭이 작고 마이크로미터의 십 내지 천의 오더이다. 이러한 결과는 이후의 연구 방향을 변경해야 함을 보여준다.
2) 계산 결과를 보면, 방울을 포함하는 셀의 관성은 작고, 그 강성은 높다. 계산 결과에 의하여 뒷받침되는 이러한 결과는 셀의 고유 진동수가 높으며(수천 Hz), 인가된 외력에 대하여 셀이 빠르고 전이와 속도에 적당하게 반응할 수 있음을 나타낸다. 이는 셀 진동의 진폭이 다른 주파수(500 내지 20 kHz)에 대하여 실질적으로 다르지 않는 사실을 설명해준다.
3) 시뮬레이션은 방울 표면에 인가되는 축 대칭인 외력의 인가에 대하여, 방울 진동은 대칭적이지 않음을 보여준다.
4) 시뮬레이션 결과는 셀 공동 높이의 실질적인 감소는 진동 진폭의 감소를 가져옴을 보여준다. 진동 진폭이 충분한 값을 갖는 셀 공동의 높이와 물질의 성질을 포함한 셀 크기가 추천되었다.
5) 낮은 주파수에 대하여 외력이 가해진 진동의 형성에 대한 실질적인 영향이 자유 방울과 셀의 진동에 미친다. 셀 공동의 높이를 감소시키면 이러한 영향은 증가한다. 자유 진동에 대한 밀도와 점성의 영향의 정도와 이러한 영향을 감소시킬 수 있는 가능한 방법을 보여주는 시뮬레이션이 있었다.
6) 판의 외력이 가해진 진동 진폭을 증가시키면 파티션(다리) 강성이 감소한다는 주요 메카니즘이 결정되었다. 실질적인 그러나 제한된 파티션 강성의 감소는 다른 물질을 사용하거나 기하학적 구조를 변경하거나 파티션의 크기를 변경하면, 방울과 공기 덤핑을 상쇄할 수 있고 외력이 가해진 판의 진폭의 실질적인 증가를 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
도 1은 일반적인 스피커의 작동 원리를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 외관 사시도이다.
도 5 및 도 6은 전기 습윤 효과를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 원리에 의한 스피커의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 구체적인 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 9는 압력 분포를 나타내는 사시도이다.
도 10a 내지 도 12b는 본 발명의 시뮬레이션 최종 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11 내지 도 65는 본 발명의 시뮬레이션 분석 과정을 나타내는 시뮬레이션도 및 그래프이다.
도 66 내지 도 136은 본 발명의 수치적 시뮬레이션 과정을 나타내는 시뮬레이션도 및 그래프이다.

Claims (20)

  1. 제1판과;
    상기 제1판에 대향하여 위치하며, 진동 필름으로 작용하는 제2판과;
    상기 제1판 상에 위치하는 제1전극과;
    상기 제1전극의 주변 영역 및 상기 제2판 상의 상기 제1전극과 대향 측에 위치하는 제2전극과;
    상기 제2전극 상에 위치하는 절연층과;
    상기 절연층 상에 위치하는 소수성 코팅재와;
    상기 제1판과 제2판 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 액체 방울을 포함하여 구성되어,
    상기 제2판의 상하 진동에 의하여 음향 스피커로 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1전극은 상기 액체 방울에 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1판 또는 제2판은, 전기 전도성 플라스틱으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 소수성 코팅재는, 테플론 코팅재인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제1판과 제2판 사이의 공간을 구획하는 파티션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 각 파티션에 의하여 구성되는 셀에는 액체 방울이 포함되는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제1판과 제2판 사이 공간에는 혼합 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  10. 전기 전도성의 제1필름과;
    상기 제1필름 상에 위치하고 진동 필름으로 작용하는 전기 전도성의 제2필름과;
    상기 제1필름과 제2필름 사이에 위치하며, 다수의 병렬 구조로 이루어지는 모세관을 포함하며, 전기 전도성을 가지는 제3필름과;
    상기 제2필름과 제3필름 사이에 위치하는 액체 방울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 모세관은, 직경이 30 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 액체 방울의 질량과 밀도는 물보다 작고, 점성은 물보다 큰 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 제1필름, 제2필름, 및 제3필름을 수직으로 나누는 적어도 하나 이상의 파티션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 제1필름, 제2필름, 및 제3필름은, 소수성 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 절연층은, 파릴렌으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 3 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  17. 제 10항에 있어서, 상기 액체 방울의 직경은, 200 내지 250 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  18. 제 10항에 있어서, 상기 제1필름, 제2필름, 및 제3필름은, 전기 전도성 플라스틱, 전극이 덮인 플라스틱, 및 투명 전도성 산화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  19. 제 10항에 있어서, 상기 제2필름과 제3필름 사이 공간에는 혼합 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
  20. 제 10항에 있어서, 전체 스피커의 두께는 400 내지 1000 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 습윤 효과를 이용한 평판형 스피커.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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