KR101845822B1

KR101845822B1 - 마이크로폰

Info

Publication number: KR101845822B1
Application number: KR1020170046160A
Authority: KR
Inventors: 김기우
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-04-06

Abstract

본 발명은 인체의 중이(human middle ear)를 모방하여 반공진(anti-resonance) 진공구조에 의해 광대역에서 평편(flat)한 주파수 응답특성을 갖는 마이크로폰에 관한 것으로, 하우징(110)과; 상기 하우징(110) 내에 지지되어 진동 가능한 원뿔 형상의 다이어프램(120)과; 상기 다이어프램의 정단부에 연결되어 반공진 모드를 제공하게 되는 반공진 구조체와; 상기 반공진 구조체와 연결되어 발생된 응력 신호 또는 변위를 전기적 신호로 변환하는 신호 검출부(140)를 포함한다.

Description

마이크로폰{MICROPHONE}

본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 중이(human middle ear)를 모방하여 반공진(anti-resonance) 진공구조에 의해 광대역에서 평편(flat)한 주파수 응답특성을 갖는 마이크로폰에 관한 것이다.

일반적으로 음향 변환기(acoustic transducer)는 음파 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 전기적 소자이며, 마이크로폰은 음향 변환기의 일반적인 예 중의 하나로서, 스마트 폰, 보청기, 녹음기, 방송 및 음성 인식과 같은 많은 응용 분야에서 널리 사용되는 유비쿼터스 기기이다. 이러한 전기 기기는 가동부(예를 들어, 다이어프램)가 마련되며, 가동부는 음압(sound pressure)에 의한 진동에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 전기 신호는 자석 및 코일, 또는 두 플레이트 사이의 가변 캐패시터를 이용하여 패러데이 유도를 통해 생성되며, 발생된 전기 신호는 증폭기를 통해 증폭되어 스피커 또는 녹음 장치로 전달된다.

마이크로폰은 음압을 음파에서 전기 신호로 변환하는 방법에 따라서 다양한 타입으로 분류될 수 있다. 콘덴서와 다이내믹 타입과 같은 대부분의 마이크로폰은 입력된 음압에 따라서 반응하는 진동 다이어프램을 가동부로 사용하고 있다. 일반적으로 마이크로폰은 입력 음원에 대해 고유한 특성 주파수 응답성을 가지며, 또한 마이크로폰은 음압에 대한 감도가 일정하지 않다.

도 1은 일반적인 다이어프램 방식의 마이크로폰의 주파수 응답 특성을 보여주는 그래프이다.

주파수 응답함수(frequency response function; FRF)는 일반적으로 축상 사운드(다이어프램에 0°에 입사되는 사운드)를 위하여 일정 주파수 범위(일반적으로 20Hz ~ 20kHz)에서 감도를 데시벨 단위로 나타낸다.

도 1에서와 같이, 마이크로폰의 타입에 따라서 민감도가 일정하지 않으며, 특히 저주파수 영역과 고주파 영역에서 민감도가 상당히 불균일하다.

비록 이러한 불균일한 주파수 응답성은 의도적인 소리의 색체를 만들어 낼 수는 있으나, 일반적으로 마이크로폰은 균일한 주파수 응답성을 갖는 것이 과학적인 응용 측면에서 보다 바람직하다.

그러나 외측 가장자리가 고정된 원형의 멤브레인(membrane)(또는 플레이트)에서 면내(in-plane) 진동의 복잡한 모달 특성(modal characteristics)과 관련된 일정(flat)하고 넓은 민감도(즉, FRF)를 설계하는 것은 매우 어렵다. 최근에는 이러한 기술적인 한계를 극복하기 위한 시도로서 그래핀[참고문헌1]과 같은 새로운 기능성 물질을 사용하거나 생체 모방의 접근법[참고문헌2,3,4]이 제안되었다.

많은 연구자들이 청각 시스템에서 영감을 얻은 마이크로폰과 같은 새로운 종류의 음향 변환기를 연구하고 있으며, 예를 들어, Liu et al.은 기생파리(Ormia ochracea)에서 영감을 얻어서 구조적으로 결합된 다이어프램과 광섬유 탐지에 기반을 둔 생체 모방형의 방향성 마이크로폰을 제안하였다[참고문헌3].

대한민국 공개특허공보 특2003-0067498호(공개일자: 2003.08.14)

선행문헌1 - Qin Zhou, Jinglin Zheng, Seita Onishi, M. F. Crommie, and Alex K. Zettl 2015 Graphene electrostatic microphone and ultrasonic radio PNAS 112 No 29 선행문헌2 - Jin Yang, Jun Chen, Yuanjie Su, Qingshen Jing, Zhaoling Li, Fang Yi, Xiaonan Wen, Zhaona Wang, and Zong Lin Wang2015 Eardrum-Inspired Active Sensors for Self-Powered Cardiovascular System Characterization and Throat-Attached Anti-Interface Voice Recognition Adv. Mater. 27 1316~1326 선행문헌3 - H. J. Liu, M. Yu, and X. M. Zhang 2008 Biomimetic optical directional microphone with structurally coupled diaphragm Applied Physics Letters 93 243902 선행문헌4 - Michael L. Kuntzman and Neal A. Hall 2014 Sound source localization inspired by ears of the Ormia ochracea Applied Physics Letters 105 033701

본 발명은 이러한 종래기술의 음향 변환기의 단점을 개선하기 위한 것으로, 청각기관의 중이(middle ear)를 생체 모방하여 반공진(anti-resonance) 진공구조에 의해 광대역에서 균일한(uniform) 주파수 응답특성을 갖는 마이크로폰을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로폰은, 하우징과; 상기 하우징 내에 지지되어 진동 가능한 원뿔 형상의 다이어프램과; 상기 다이어프램의 정단부에 연결되어 반공진 모드를 제공하게 되는 반공진 구조체와; 상기 반공진 구조체와 연결되어 발생된 응력 신호 또는 변위를 전기적 신호로 변환하는 신호 검출부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 반공진 구조체는, 일측 선단이 상기 다이어프램의 정단부와 연결되는 제1레버와, 일측 선단이 상기 검출부와 연결되어 상기 제1레버와 사잇각을 갖고 일체로 구성되는 제2레버를 갖고 상기 하우징 내에 지지되며, 보다 바람직하게는, 상기 제2레버는 상기 제1레버 보다 더 길다.

보다 바람직하게는, 상기 제1레버 또는 상기 제2레버는 높이가 폭 보다 더 긴 사각의 단면을 갖는 바이다.

바람직하게는, 상기 하우징 내측에는 탄성 지지부가 마련되며, 상기 다이어프램과 상기 반공진 구조체는 상기 탄성 지지부를 매개로 하여 지지된다.

본 발명의 마이크로폰은, 하우징 내에 지지되어 진동 가능한 원뿔 형상의 다이어프램과, 이 다이어프램의 정단부에 연결되어 반공진 모드를 제공하게 되는 반공진 구조체와, 반공진 구조체와 연결되어 발생된 응력 신호 또는 변위를 전기적 신호로 변환하는 신호 검출부로 구성됨을 특징으로 하여 인체의 중이(human middle ear)를 모방하여 반공진(anti-resonance) 진공구조에 의해 광대역에서 평편(flat)한 주파수 응답특성을 갖는 음향 변환소자로 활용될 수 있다.

도 1은 일반적인 다이어프램 방식의 마이크로폰의 주파수 응답 특성을 보여주는 그래프,
도 2의 (a)는 인체의 청각기관을 보여주는 도면이며, (b)는 중이의 확대도,
도 3은 임피던스 변환기로 작용하는 고막을 갖는 중이의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 마이크로폰의 구성도,
도 5는 실험을 위하여 제작된 본 발명에 따른 마이크로폰의 사시 구성도,
도 6은 도 5를 질량-스프링 시스템으로 모델화하여 도식적으로 보여주는 도면,
도 7은 종래기술과 본 발명의 질량-스프링 시스템의 주파수 응답함수의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프,
도 8의 (a)는 본 발명의 마이크로폰의 실험을 위한 전체 구성도이며, (b)는 실험을 위하여 설치된 본 발명의 마이크로폰을 보여주는 사진,
도 9의 (a)(b)는 본 발명의 반공진 구조가 적용되지 않은 비교 실험예에서 측정된 결과를 보여주는 그래프,
도 10은 본 발명의 반공진 구조가 적용된 실험예에서 측정된 결과를 보여주는 그래프.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 인체의 청각기관을 생체 모방한 새로운 접근 방법에 근거한 것이다. 음압에 대한 음향 응답은 인간(포유류)의 청각기관, 특히 고막(tympanic membrance)과 3개의 경첩뼈(hinged bone)("이소골(ossicle)"이라고도 함)-추골(malleus), 모루뼈(incus), 등골(stapes)-로 구성된 중이(middle ear) 내에서 여러 가지 흥미로운 현상을 보여준다(도 2 참고).

이소골은 독립적으로 양서류, 파충류, 및 새로 진화하여 각각 다른 레버리지 작용을 사용한다는 것이 잘 알려져 있으며, 이 세 개의 이소골은 주로 인간과 같은 포유류에서 타원창(oval window)과 고막을 연결하는데 사용된다. 첫 번째 이소골(추골)은 고막의 돌기(umbo)에 부착된 긴 팔을 가지고 있으며, 또한 첫 번째 이소골은 두 번째 이소골(incus)과 일정 각을 갖고 연결되어 두 이소골은 Λ-모양의 폴딩 타입 레버를 구성한다.

고막이 안쪽으로 움직이면, Λ-모양의 폴딩 레버가 시계 방향으로 약간 회전하고, 두 번째 이소골(incus)은 내이(inner ear)의 달팽이관에 연결된 타원창을 누르기 위해 등골을 누르게 된다. 고막과 등골과 연결된 타원창과 고막의 운동은 Λ-모양의 레버에 의해 포유류의 중이(middle ear) 내에서 동조(in phase)하여 이루어진다. 반면에, 개구리와 같은 양서류의 귀에서 이 두 개의 기관(고막과 등골과 연결된 타원창)은 두 개의 이소골, 전정 복합체(예를 들어, 추골, 모루뼈), 및 등골로 구성되어 시소 동작이 발생됨에 따라서 다른 위상(out of phase)을 갖고 운동이 발생된다.

중이는 고막의 진동에 의해 발생된 음압 에너지를 효과적으로 전달하기 위하여 공기와 달팽이관(내이)의 액체 사이의 음향 임피던스를 매칭시키는 것이 잘 알려져 있다. 임피던스 변환비는 인간의 청각기관에서 약 32로 추정된다. 이것은 다음의 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 1]

위 식에서 고막의 유효 면적(A1)과 타원창의 크기(A2)의 비는 대략 19:1이며, 따라서 타원창에 작용하는 압력은 상당히 증가한다. 받침점을 갖는 3개의 뼈에 의해 상성되는 기계적인 이점(mechanical advantage)은 약 1.3이며, 높은 변환비로 인하여 공기와 유체 사이의 임피던스를 보다 잘 맞출 수가 있다.

도 3은 임피던스 변환기로 작용하는 고막을 갖는 중이의 구성도로서, 이때 고막(10)의 동적 거동은 다른 일반적인 멤브레인과는 다른 것이 알려져 있다. 고막(10)은 정단부(apex)가 인체의 내측을 향하는 원뿔 형상을 가지며, 고막(10)의 내측 중앙의 정단부 표면에 추골(31)이 고정된다. 추골(31)은 일정 각도(θ)를 갖고 모루뼈(32)와 연결되며, 모루뼈(32)의 다리는 등골(40)과 관절을 이룬다.

고막(10)은 주변의 환형 인대(근육)(11)에 연결되고 가장 깊은 부분에서 오목하다. 고막(10)이 음압에 반응하여 움직일 때, 가압력은 고막(10)의 중심에서만 전달되며, 따라서 고막(10)은 일반적인 멤브레인(또는 원형의 박형 플레이트)과는 다르게 거동한다. 또한 중이는 압력 레벨(또는 SPL)에 따라서 선형 하모닉 또는 비선형 진동자(oscillator)로서 작동할 수 있다. 더 높은 SPL(80~120 dB 사이)에서 등골(40)에 부착된 근육이 수축하는 경우에 근육 수축은 고막(10)에서 측정한대로 중이의 강성을 변화시키는 것으로 보인다. 결과적으로 고막(10) 중심의 외향 변위(outward displacement)가 내향 변위(inward displacement)와 다르기 때문에 고막(10)의 복원력은 구분적 선형(piecewise linear)(즉, 쌍 선형)이 된다. 이러한 유형의 비선형 스프링 특성은 일반적으로 중이를 통과하는 파(wave)의 전파를 변조하게 된다. 예를 들어, 서로 다른 주파수(톤)를 갖는 두 개의 사운드가 동시에 전송되면, 훨씬 낮은 주파수의 예상치 않은 톤이 때때로 발생되며, 이 톤은 일반적으로 조합 톤(combination tone)(또는 "변조 왜곡"이라고도 함)으로 불린다.

이러한 사항을 고려하면, 고막은 진동할 때 강성을 갖는 스프링 요소로서 작용할 수 있는 탄성 재료로 특징될 수 있으며, 따라서 중이는 진동하는 기계적 구조(예를 들어, 질량-스프링 댐퍼 시스템)로 작용하는 것으로 이해될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적인 실시예를 설명한다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 마이크로폰은 하우징(110), 하우징(110) 내에 지지되어 진동 가능한 원뿔 형상의 다이어프램(120), 다이어프램(120)의 정단부에 연결되어 반공진 모드를 제공하게 되는 반공진 구조체와, 반공진 구조체와 연결되어 응력 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 검출부(140)를 포함한다.

하우징(110)은 구성요소가 수납될 수 있는 구조이면 족하며, 바람직하게는 일측이 개방되어 개구부 측에 다이어프램(120)이 배치될 수 있다.

바람직하게는, 하우징(110) 내측은 연질고무와 같은 탄성 지지부(111)가 마련되며, 탄성 지지부(111) 상부에 고정용 플레이트(112)가 구비될 수 있다. 따라서 다이어프램(120)과 반공진 구조체는 탄성 지지부(111)를 매개로 하여 하우징(110) 내에 수납되어 유동(floating) 가능하며, 상대 운동이 가능하고 인버스 반공진 시스템(inverse anti-resonance system)에 대한 제동이 이루어질 수 있다.

다이어프램(120)은 정단부(apex)가 하우징(110)의 내측을 향하는 박막의 원뿔 형상이며, 다이어프램(120)의 내측 중앙의 정단부 표면에 반공진 구조체가 고정된다. 바람직하게는, 다중 모드를 특징으로 하는 일반적인 탄성 다이어프램과는 달리, 본 발명에서 박막의 다이어프램은 관심 주파수 범위에서 단 하나의 기본 모드만을 보여주며, 또한 다이어프램의 임계 주파수는 인체의 청각 스펙트럼의 시작 주파수인 20Hz 정도로 낮게 조정됨이 바람직하다.

반공진 구조체는 다이어프램의 정단부에 연결되어 반공진 모드를 제공하기 위한 것으로, 구체적으로, 반공진 구조체는 일측 선단이 다이어프램(120)의 정단부와 연결되는 제1레버(131)와, 일측 선단이 신호 검출부(140)와 연결되어 제1레버(131)와 사잇각을 갖고 일체로 구성되는 제2레버(132)로 구성된 폴딩 레버(130)에 의해 제공될 수 있으며, 바람직하게는, 제2레버(132)는 제1레버(131) 보다 더 길다.

폴딩 레버(130)는 제1레버(131)와 제2레버(132)가 일정 사잇각을 갖고 일체로 구성되어 Λ-자 형상을 가지며, 경량이면서 비탄성의 강체(rigid body)인 것이 바람직하다. 예를 들어, 폴딩 레버를 구성하는 레버(131)(132)는 사각의 단면을 갖는 바(bar)이며, 이때 레버의 단면의 높이(h)가 폭(w) 보다 커져 휨강성(bending stiffness)을 크게 할 수 있다.

이러한 폴딩 레버(130)는 앞서 설명한 것과 같이, 탄성 지지부(111)를 매개로 하여 하우징(110)에 힌지 조립된다.

신호 검출부(140)는 제2레버(132)의 일단에 마련되어 발생된 응력 신호 또는 변위를 전기적인 신호로 변환하게 되며, 예를 들어, 응력 신호를 전기 신호로 변환하게 되는 압전센서(piezoelectric sensor) 또는 제2레버(132)의 변위에 의해 자기장 변화가 유도되어 그 유도 전압을 검출할 수 있는 자석/코일 유니트가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

도 5는 본 발명에 따라서 제작된 마이크로폰의 사시 구성도이며, 도 6은 도 5를 질량-스프링 시스템으로 모델화하여 도식적으로 보여주는 도면이다.

본 발명은 인체의 중이를 생체 모방한 마이크로폰으로서, 도 5에 예시된 것과 같이, Λ-자 형상의 폴딩레버(210)는 고정된 힌지점(221)에 힌지 조립되며, 폴딩레버(210)의 일측 레버는 프루프 질량체(proof mass)(222)가 구비되며, 타측 레버는 보조 질량체(223)가 구비된다. 힌지점(221)은 베이스(224)와 연결바에 의해 고정되며, 프루프 질량체(222)가 고정되는 레버와 베이스(224) 사이에 캔틸레버 빔(230)이 연결된다. 본 실시예에서 캔틸레버 빔(230)은 고막으로 기능하며, 폴딩레버(210)는 얇은 스틸(SUS304)로 제작되어 경량의 강체로 가정하며, 폴딩레버는 입력된 진동을 증폭시키는 역할을 한다.

본 실시예에서 폴딩레버(210)의 단부는 회전 운동이 이루어지나, 수직 방향의 작은 변위에 대해서는 병진 운동(translation motion)으로 근사될 수 있으며, 또한 Λ-자 형상의 폴딩레버(210)에 고정된 두 개의 질량체(222)(223)는 동위상(in-phase)으로 운동이 이루어진다.

도 6을 참고하면, 이러한 진동 구조는 동위상(in-phase)을 갖는 레버 메커니즘을 통해 캔틸레버 빔과 프루프 질량체를 연결한 단일 자유도를 갖는 질량-스프링 시스템으로 모델링할 수 있으며, 이때 진동 구조는 기본 진동 모드에서만 지배적인 진동이 이루어지는 것으로 가정한다.

보조 질량체(ma)의 운동 변위(z)는 다음의 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.

[수학식 2]

다음으로, 본 질량-스프링 시스템의 라그랑주 함수(L)는 다음 [수학식 3]과 표현된다.

[수학식 3]

위 식에서 m은 프루프 질량체이며, ma는 보조 질량체이며, k는 스프링 상수이다.

[수학식 3]의 라그랑주 함수(L)로부터 오일러-라그랑주 방정식은 다음의 [수학식 4]를 얻을 수 있다.

[수학식 4]

다음으로, [수학식 4]를 정리하면 다음의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

출력(x)의 라플라스 함수에 대한 입력(y)의 라플라스 변환비는 다음의 [수학식 6]의 전달 함수(G)와 같다.

[수학식 6]

위 식에서 s는 변소 변수이며, 전달 함수의 분자와 분모의 근으로부터 다음의 [수학식 7]과 같이 두 가지의 공명 주파수를 얻을 수 있다.

[수학식 7]

위 식에서 ω_Z는 본 시스템에서 "0"인 반공진 주파수와 관련되며, ω_P는 폴(pole)과 관련된 공진 주파수이며, 특히 반공진 주파수는 레버의 작용에 의해 도입된 것임을 이해할 필요가 있다.

[수학식 6]에 대한 주파수 응답함수(FRF, 즉 전달 함수)를 아래의 [표 1]의 파라미터들을 사용하여 시뮬레이션하였으며, 점도 감쇠 계수가 사용되었다.

[표 1]

보조 질량체(ma)는 프루프 질량체(m) 보다 상당히 작게 설정하였으며(μ=0.05), 스프링 상수(k)는 캔틸레버 빔(0.095(L)×0.0173(W)×0.0005(t)m)의 휨강성을 근거하여 대략 100 N/m로 설정하였다.

도 7을 참고하면, 보조 질량체가 제거된 상태의 시스템은 종래의 1개 자유도의 질량-스프링 시스템과 동일하며, 단일 피크(14Hz의 공진 주파수)만을 보여준다(빨간색 실선). 한편 보조 질량체가 Λ-자 형상의 폴딩레버(210)에 부착된 상태의 시스템에서는 추가 피크(73Hz의 반공진 주파수)가 관찰된다(파란색 점선). 일반적으로 이러한 반공진 시스템(anti-resonance)은 반공진 주파수 범위(즉, 대역 통과필터 역할을 하는 진동 차단기) 내에서 전송된 진동의 진폭을 크게 감소시킬 수 있다. 반면에, 입력 여기(excitation)가 y대신에 x(청각기관 내의 중이와 동일한 구성)로 설정되면, 시스템은 인버스 반공진 시스템(inverse anti-resonance)(G^-1(S))이 되며(검은 점선), 주파수 응답함수(FRF)는 DC 이득(30dB)을 통과하는 수평선과 대칭이 되고 넓은 범위의 여기 주파수에 대해 평편(flat)하다. 종래의 1개 자유도 시스템과는 달리 본 실시예의 주파수 응답함수(FRF)는 임계 주파수(본 실시예에서는 100Hz) 이상에서 감소를 보이지 않고 모든 여기 주파수에서 균일함을 보여주고 있으며, 따라서 광대역 음향 변환기를 설계하는데 매우 효과적임을 알 수 있다.

실험예

도 8의 (a)는 본 발명의 마이크로폰의 실험을 위한 전체 구성도이며, (b)는 실험을 위하여 설치된 본 발명의 마이크로폰을 보여주는 사진이다.

도 8에 도시된 것과 같이, 주파수 응답함수(FRF)를 조사하기 위한 실험을 수행하였으며, y-축 방향(도 6 참고)의 여기의 어려움(즉, 반공진 진동 시스템)으로 인하여 베이스 여기를 y로 설정하였으며, 따라서 주파수 응답함수(FRF)의 모양은 반공진 시스템(도 7의 파란색 점선)의 모양이 될 것이다. 또한, 인체의 중이의 실제 구성을 모사하기 위하여 베이스는 수평 방향으로 여기되며, 전력 증폭기와 통합된 소형 전자기 쉐이커(모델: K2004E01 SmartShaker, The Modal Shop)를 사용하여 구조의 베이스를 여기시켰다. 주파수 응답함수(FRF)를 측정하기 위하여 쉐이커 상단에 설치된 ICP-타입 가속도계 센서(모델: 352C22, PCB Piezotronics Inc.)를 사용하여 기준 가속도를 측정하였다. 랜덤 잡음의 입력 신호는 FFT 동적 신호 분석기(모델: HP35670A)의 소스 함수에서 생성되어 쉐이커에 입력된다. 캔틸레버 빔 센서는 GFRP 판(t=0.5mm, Composite Structure Technology)에 균일하게 접합된 유연한 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene fluoride; PVDF) 필름(t=80㎛)이 사용되었다.

본 실험에서 캔틸레버 빔 센서는 반공진 시스템에서 출력 변위(x)를 측정하고 강성(k)을 결정하는 수단으로 사용된다.

기본 및 제2고유 진동수의 포착에 충분한 샘플링 주파수를 갖고 본 발명의 반공진 구조가 적용되지 않은 다중 모드 전압 FRF를 측정하였으며, 도 9에서와 같이 기본(1st) 모드만이 측정되었다. 관심있는 기본 진동 모드(즉, 단일 자유도)는 대략 0 내지 100 Hz에서 식별되며, 100 Hz 부근의 FRF 형태에서의 약간의 불규칙한 형태는 PVDF 필름의 거대 전왜효과(giant flexoelectricity)와 관련된 것으로 보인다. 실험적으로 얻은 13 Hz의 기본 주파수는 시뮬레이션 결과와 일치한다.

도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 반공진 시스템(도 8 참고)에서는 도 9와 비교하여 83 Hz의 반공진 주파수에서 전압 FRF가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.

인버스 반공진의 경우에는 FRF는 시뮬레이션된 FRF와 동일한 DC 이득(30 dB)을 통과하는 수평선과 대칭될 것으로 예상되며(도 7의 검은 점선 참조), 이 FRF는 차례로 입력 신호(Ch1) 및 출력 신호(Ch2)를 사용하여 간접적으로 측정할 수도 있다. 동일한 중이-타입의 구조의 경우에 보조 질량체(z)의 움직임은 입력 여기(x)의 대한 출력으로서 작용한다.

[수학식 8]

[수학식 8]은 [수학식 2]로부터 유도될 수 있으며, [수학식 8]로부터 실제의 중이(middle ear)의 해당 FRF(H(s))는 인버스 반공진 시스템의 FRF(G^-1(s))와 비례하는 것으로 가정할 수 있다. 이는 FRF의 형태 또한 유사함을 의미하며, 따라서 제안된 구조가 단일 자유도에 의해 특징될 수 있다면 임계 주파수 이상의 광대역 주파수 범위에 대해 FRF는 평편(flat)한 형태를 보여준다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

110 : 하우징 120 : 다이어프램
130 : 폴딩레버 140 : 신호 검출부

Claims

하우징과;
상기 하우징 내에 지지되어 진동 가능한 원뿔 형상의 다이어프램과;
상기 다이어프램의 정단부에 연결되어 반공진 모드를 제공하게 되는 반공진 구조체와;
상기 반공진 구조체와 연결되어 발생된 응력 신호 또는 변위를 전기적 신호로 변환하는 신호 검출부;를 포함하는 마이크로폰.
제1항에 있어서, 상기 반공진 구조체는,
일측 선단이 상기 다이어프램의 정단부와 연결되는 제1레버와, 일측 선단이 상기 검출부와 연결되어 상기 제1레버와 사잇각을 갖고 일체로 구성되는 제2레버를 갖고 상기 하우징 내에 지지되는 폴딩 레버를 포함하는 마이크로폰.
제2항에 있어서, 상기 제2레버는 상기 제1레버 보다 더 긴 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1레버와 상기 제1레버에 의해 정의되는 평면 상에의 길이를 높이(h)로 정의하고 그 평면과 직각 방향의 길이를 폭(w)으로 정의할 때, 상기 제1레버 또는 상기 제2레버는 높이(h)가 폭(w) 보다 더 긴 사각의 단면을 갖는 바인 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
제1항에 있어서, 상기 하우징 내측에는 탄성 지지부가 마련되며, 상기 다이어프램과 상기 반공진 구조체는 상기 탄성 지지부를 매개로 하여 지지되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.