KR102079521B1 - Vibration Speaker Unit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 진동자를 이용한 스피커 유닛에 관한 것이다.The present invention relates to a speaker unit using a vibrator.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute a prior art.
일반 스피커는 음향 신호를 입력 받아 음향판을 진동시키고, 음향판이 주변 공기에 음압(音壓)을 가함으로써 소리를 발생시킨다. 스피커로 재생할 수 있는 소리의 크기는 음향판의 크기에 좌우된다.A normal speaker receives an acoustic signal and vibrates the sound plate, and the sound plate generates sound by applying sound pressure to the surrounding air. The size of the sound that can be played by the speaker depends on the size of the sound board.
반면, 진동자 스피커는 일반 스피커의 음향판을 대신하는 외부 매체에 직접 진동을 전달하여 외부 매체가 주변 공기에 음압을 가하도록 구성된다. 외부 매체를 제외한 스피커 부분을 소형화 할 수 있으면서도 별도 제공되는 외부 매체의 큰 크기를 이용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 음향 주파수 대역에 따라 진동자와 외부 매체 사이의 진동 전달이 이루어지는 영역에서의 특성이 저하되는 경우가 많고, 소형 진동자 스피커로는 예컨대 헬멧과 같은 외부 매체를 대상으로 충분한 저역대의 음향 신호를 재생하기는 쉽지 않다. On the other hand, the vibrator speaker is configured to transmit vibration directly to an external medium that replaces the sound plate of the general speaker so that the external medium exerts a sound pressure on the surrounding air. While the speaker portion can be miniaturized except for an external medium, there is an advantage of using a large size of an external medium provided separately. However, the characteristics of the vibration transmission between the vibrator and the external medium are often degraded according to the acoustic frequency band, and the small vibrator speaker can reproduce a sufficient low frequency sound signal for an external medium such as a helmet, for example. Is not easy.
진동자 스피커는 이에 연결된 외부 매체를 직접 타격하거나 또는 내부의 질량체를 진동시켜 그 진동이 외부 매체에 전달되도록 구성된다. The vibrator speaker is configured to directly strike an external medium connected thereto or to vibrate an internal mass so that the vibration is transmitted to the external medium.
내부 질량체의 진동을 이용하는 방식은 질량체의 크기 및 구동 전력이 커져야 충분한 크기의 소리를 재생할 수 있어 포터블 기기로는 부적합하다. The method of using the vibration of the internal mass is not suitable as a portable device because the size of the mass and the driving power must be increased to reproduce the sound of sufficient size.
외부 매체를 직접 타격하는 방식은 재생 음향의 주파수 대역별 전달 특성을 균일하게 확보하기 힘들다. 진동자의 타격부의 진폭은 저주파에서는 크고 고주파에서는 작기 때문에 타격부와 외부 매체의 접촉 정도를 균일하게 유지하기 힘들기 때문이다. 접촉부에 적절한 탄성체를 구비하거나 접촉부를 적절한 예압으로 누르는 방식이 이용되고 있으나 충분한 해결책이 되지 못하고 있다. 이로 인해, 직접 타격 방식의 진동자 스피커의 경우, 수백 Hz 이하의 저역대 음향의 재생이 용이하지 않다.Direct hitting of an external medium is difficult to uniformly secure transmission characteristics for each frequency band of a reproduction sound. This is because the amplitude of the striking portion of the vibrator is large at low frequencies and small at high frequencies, making it difficult to maintain a uniform contact between the striking portion and the external medium. A suitable elastic body is provided in the contact portion or a method of pressing the contact portion with an appropriate preload has been used, but this is not a sufficient solution. For this reason, in the case of a direct hitting vibrator speaker, reproduction of low frequency sounds of several hundred Hz or less is not easy.
특히, 헬멧에 사용되는 스피커의 경우, 통상 헬멧 내부의 귀 주변에 설치되는 얇은 스피커는 크기 한계로 인해 저역대 음향 재생 성능이 매우 부족하다. 헬멧을 음향판으로 이용하는 헬멧 부착형 진동자 스피커는 상대적으로 우수한 저역대 음향 재생 성능을 보이기는 하지만 여전히 개선이 필요하다. In particular, in the case of speakers used in helmets, thin speakers, which are usually installed around the ear inside the helmet, have very low low-frequency sound reproduction performance due to size limitations. Helmet-attached oscillator speakers, which use the helmet as a sound plate, show relatively low frequency sound reproduction, but still need improvement.
한편, 음향학 분야에서 파라메트릭 어레이 라우드스피커(PAL: Parametric Array Loudspeaker)는 고주파 음파의 혼합 및 상호 작용을 통해 거의 사이드 로브가 없거나 좁은 저주파 음향의 빔을 생성하는 비선형 변환 메커니즘을 이용한 초지향성 스피커가 1999년 Joseph Pompei 이후 상당한 수준의 상용화를 이루어 오고 있다. Parametric Array Loudspeakers (PALs), on the other hand, use a nonlinear conversion mechanism that uses a nonlinear conversion mechanism that produces nearly side lobe-free or narrow low-frequency sound through the mixing and interaction of high frequency sound waves. Since Joseph Pompei, there has been a significant level of commercialization.
1856년 Helmholtz에 의해 공기의 비선형성에 의한 고주파 음파의 저주파로의 변환이 확인된 이후, 1965년 Berktay (비특허문헌 0001)에 의해 수중 소나에서 실증되었으며, 최근 Pompei (비특허문헌 0002)에 의해 상용화 수준의 PAL 제품이 개발된 바 있다. After the conversion of high frequency sound waves to low frequencies by nonlinearity of air by Helmholtz in 1856, it was demonstrated in water sonar by Berktay (Non-Patent Document 0001) in 1965, and recently commercialized by Pompei (Non-Patent Document 0002). Level PAL products have been developed.
이러한 스피커는 비선형 매질에서 초음파 음파들의 비선형 거동에 의해 가청 음파를 생성하는 방식으로써 진동 신호가 비선형 매질을 통과하며 다양한 중간주파수의 신호가 생성되는 것을 이용한다. Such a speaker generates an audible sound wave by nonlinear behavior of ultrasonic sound waves in a nonlinear medium, and uses a vibration signal passing through the nonlinear medium and generating signals of various intermediate frequencies.
수중 소나(sonar)에 사용되는 경우 음파의 진폭이 낮은 고주파 음파가 수중을 진행하며 저주파를 생성하기 때문에 진폭이 큰 저주파 음파를 직접 수중으로 방사하는 경우에 음압(陰壓)에 의해 발생할 수 있는 공동(cavity)이 방지되는 장점이 있다. When used in sonar, high-frequency sound waves with low amplitude are generated underwater and generate low frequencies, which can be caused by sound pressure when directly emitting high-frequency low-frequency sound waves. There is an advantage that (cavity) is prevented.
본 발명은 이에 착안하여 안출된 것으로서, 초음파 진동자를 이용하여 진폭이 낮은 고주파 음파를 생성하고, 외부 매체(예컨대, 헬멧 표면)과 초음파 진동자 사이에 비선형 특성을 가진 매질을 배치하여, 충분히 큰 음압을 가지는 저주파 음향을 외부 매체에 인접하여 생성되도록 함으로써, 외부 매체와의 접촉부에서 과도한 진동 진폭이 발생하지 않는 상태에서 저주파 음향이 외부 매체에서 생성되도록 하는 진동자 스피커를 제공하는 것이 목적이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in light of this, and generates a high-frequency sound wave with a low amplitude using an ultrasonic vibrator, and arranges a medium having a non-linear characteristic between an external medium (for example, the helmet surface) and the ultrasonic vibrator to generate a sufficiently large sound pressure. It is an object of the present invention to provide a vibrator speaker that allows low frequency sound to be generated adjacent to an external medium, so that low frequency sound is generated in the external medium without excessive vibration amplitude occurring at the contact with the external medium.
제안하는 진동자 스피커는 가청 주파수 음향 진동이 초음파 진동자에서 직접 생성되는 것이 아니라 외부 매체에 인접하여 생성되므로 가청 주파수 음향 진동이 초음파 진동자의 진동을 억제하거나 왜곡하는 단점도 경감될 수 있다. 일반 타격형 진동자 스피커의 경우, 외부 매체(예컨대, 헬멧 표면)을 타격하는 진동이 진동자에 직접 반작용을 주게 되어 음향의 왜곡을 유발하기 쉬운 구조를 가진다. 음압이 특정 수준을 넘어가는 경우, 즉, 타격부의 진폭이 특정 수준 이상으로 큰 경우, 타격에 의한 반동에 의해 진동자의 진동 파형이 왜곡되고, 이로 인해 음향이 심하게 왜곡되어 청자(聽者)의 불편을 초래할 수 있다. 이를 완화하기 위해서는 진동자 측의 구동력이 충분히 크도록 확보하여 반동을 이길 수 있는 수준이 되어야 하나, 이는 더 큰 진동자 유닛 및 전력 소모를 필요로 하므로 스피커의 소형화에 불리하다. In the proposed vibrator speaker, the audible frequency acoustic vibration is not generated directly by the ultrasonic vibrator, but is generated adjacent to an external medium, so that the audible frequency acoustic vibration suppresses or distorts the vibration of the ultrasonic vibrator. In the case of a general hitting vibrator speaker, a vibration hitting an external medium (eg, a helmet surface) directly reacts to the vibrator, and thus has a structure that is susceptible to sound distortion. When the sound pressure exceeds a certain level, that is, when the amplitude of the hitting part is greater than a certain level, the vibration waveform of the vibrator is distorted by the reaction caused by the hitting, and this causes the sound to be severely distorted, resulting in inconvenience of the listener. May result. In order to alleviate this, the driving force on the vibrator side must be secured sufficiently to be able to overcome the recoil, but this requires a larger vibrator unit and power consumption, which is disadvantageous for miniaturization of the speaker.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 헬멧용 진동자 스피커 유닛은, 외부 매체에 조립되는 진동자 스피커 유닛으로서, 제1초음파 진동자; 제2초음파 진동자; 및 일측이 제1초음파 진동자의 출력 측 및 제2초음파 진동자의 출력 측에 연결되고, 타측이 외부 매체의 일측면에 연결되는 비선형 도파부를 포함하되, 제1초음파 진동자 및 제2초음파 진동자는 동일한 음향 입력 신호를 입력 받아, 서로 위상 또는 진폭 중 어느 하나가 다르게 변조된 초음파 대역의 진동신호를 각각 출력함으로써, 비선형 도파부에서 주파수 변조되어 비선형 도파부의 타측에서 가청주파수 대역인 음향 신호를 출력하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, a helmet vibrator speaker unit according to an embodiment of the present invention, the vibrator speaker unit is assembled to an external medium, the first ultrasonic vibrator; A second ultrasonic vibrator; And a non-linear waveguide having one side connected to an output side of the first ultrasonic vibrator and an output side of the second ultrasonic vibrator, and the other side connected to one side of the external medium, wherein the first ultrasonic vibrator and the second ultrasonic vibrator have the same sound. Receiving an input signal, and outputs each of the vibration signals of the ultrasonic band in which any one of phase or amplitude is differently modulated, thereby being frequency-modulated in the non-linear waveguide portion to output an acoustic signal in the audio frequency band on the other side of the non-linear waveguide portion It is characterized by.
또한, 제1초음파 진동자의 출력 측 및 제2초음파 진동자의 출력 측과 비선형 도파부의 일측 사이에 제1임피던스 매칭 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a first impedance matching layer between an output side of the first ultrasonic vibrator and an output side of the second ultrasonic vibrator and one side of the nonlinear waveguide part.
또한, 비선형 도파부의 타측과 외부 매체의 일측면 사이에 제2임피던스 매칭 레이어를 더 포함하는 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a second impedance matching layer between the other side of the nonlinear waveguide and one side of the external medium.
도한, 비선형 도파부는 제1초음파 진동자의 출력 주파수와 제2초음파 진동자의 출력 주파수의 평균 주파수, 출력 측 유효 직경 및 비선형 도파부의 음속(acoustic velocity)에 의해 계산되는 레일리 거리(Rayleigh distance)보다 긴 것을 특징으로 한다.Also, the nonlinear waveguide is longer than the Rayleigh distance calculated by the average frequency of the output frequency of the first ultrasonic vibrator and the output frequency of the second ultrasonic vibrator, the output side effective diameter, and the acoustic velocity of the nonlinear waveguide. It features.
또한, 비선형 도파부는 중합체(重合體) 수지에 금속 분말이 함침되어 성형된 것을 특징으로 한다.In addition, the nonlinear waveguide portion is characterized by being formed by impregnating a metal powder into a polymer resin.
또한, 중합체 수지는 폴리우레탄 수지인 것을 특징으로 한다.In addition, the polymer resin is characterized in that the polyurethane resin.
또한, 금속 분말은 망간 분말인 것을 특징으로 한다.In addition, the metal powder is characterized in that the manganese powder.
또한, 비선형 도파부는 액상 폴리우레탄 수지 조성물 20 내지 50 wt%와 망간 분말 80 내지 50 wt%를 혼합하여 경화된 것을 특징으로 한다.In addition, the nonlinear waveguide portion is cured by mixing 20 to 50 wt% of the liquid polyurethane resin composition and 80 to 50 wt% of manganese powder.
또한, 망간 분말은 80 내지 100메쉬(mesh)의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the manganese powder is characterized by having a particle size of 80 to 100 mesh (mesh).
또한, 제2임피던스 매칭 레이어와 외부 매체의 일측면 사이에 가청 주파수 대역의 음파만 통과시키도록 형성된 감쇠 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The apparatus may further include an attenuation layer formed to pass only sound waves in an audible frequency band between the second impedance matching layer and one side of the external medium.
또한, 금속 분말은 텅스텐 분말인 것을 특징으로 한다.In addition, the metal powder is characterized in that the tungsten powder.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 헬멧용 진동자 스피커 시스템은, 헬멧용 진동자 스피커 유닛; 및 헬멧 내부에 배치되는 일반 스피커 유닛;을 포함하되, 외부 매체는 헬멧이며, 진동자 스피커 유닛은 헬멧의 외측면에 배치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the helmet vibrator speaker system according to an embodiment of the present invention, a helmet vibrator speaker unit; And a general speaker unit disposed inside the helmet, wherein the external medium is a helmet, and the vibrator speaker unit is disposed on an outer surface of the helmet.
또한, 헬멧용 진동자 스피커 시스템은, 진동자 스피커 유닛은 중저역대 음향 신호를 재생하고, 일반 스피커 유닛은 중고역대 음향 신호를 재생하도록 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the oscillator speaker system for a helmet is characterized in that the oscillator speaker unit is configured to reproduce the mid-low frequency sound signal, and the general speaker unit is to reproduce the mid-high frequency sound signal.
본 발명에 따른 진동자 스피커 유닛은 비가청 주파수의 진동 신호와 비선형 매질을 이용하며, 진동 신호가 비선형 매질을 통과하면서 비선형성으로 인해 가청 주파수 대역의 중간 주파수 신호가 발생하는 것을 이용함으로써, 진동 신호를 발생시키는 진동자 유닛의 크기에 비해 상당히 낮은 저역대 음향 신호를 포함하는 음향 재생 성능을 제공하는 효과가 있다. The vibrator speaker unit according to the present invention uses a vibration signal of a non-audible frequency and a nonlinear medium, and by using the generation of an intermediate frequency signal of an audible frequency band due to nonlinearity as the vibration signal passes through the nonlinear medium, thereby generating a vibration signal. There is an effect of providing sound reproduction performance including a low frequency sound signal which is considerably lower than the size of the generating oscillator unit.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동자 스피커 유닛의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 일반적인 PAL의 동작 개념을 나타낸다.
도 3은 일반적인 우레탄 소재의 변형속도에 따른 응력-변형률 관계를 나타내는 예시이다. 1 is a conceptual diagram illustrating a configuration of an oscillator speaker unit according to an embodiment of the present invention.
2 shows an operation concept of a general PAL.
3 is an illustration showing a stress-strain relationship according to the strain rate of a general urethane material.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used to refer to the same components as much as possible, even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. Throughout the specification, when a part is said to include, 'include' a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. . In addition, as described in the specification. The terms 'unit' and 'module' refer to a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동자 스피커 유닛의 구성을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a configuration of an oscillator speaker unit according to an embodiment of the present invention.
일 실시예에 따른 진동자 스피커 유닛은 제1초음파 진동자(210), 제2초음파 진동자(220), 비선형 도파부(100), 제1임피던스 매칭 레이어(110) 및 제2임피던스 매칭 레이어(120)를 포함한다. 일 실시예에서 진동자 스피커 유닛은 헬멧(90) 상의 외측면에 부착되는 경우를 가정하여 기술하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 개시에서 상세한 도시는 생략하지만, 진동자 스피커 유닛이 내부에 배치되는 하우징 또는 헬멧(90) 등에 부착되기 위한 브라켓 등을 포함할 수 있다. The vibrator speaker unit according to an exemplary embodiment may include a first
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 진동자 스피커 유닛은 초음파 진동자(210, 220)에 의해 진동자 스피커 유닛에 입력되는 음향 신호를 기준으로 비선형 도파부(100)에서 가청 주파수 음향으로 변조되기 위한 초음파 신호를 생성한다. Referring to FIG. 1, the vibrator speaker unit according to an exemplary embodiment is an ultrasonic wave for being modulated into an audible frequency sound by the
초음파 진동자(210, 220)는 상용으로 입수 가능한 범위 내에서 예컨대 헬멧(90)에 가청 대역의 음향을 생성하기 위해 충분한 정도의 출력을 제공할 수 있도록 직경 10 내지 20 mm 수준의 것을 사용할 수 있다. The
초음파 진동자(210, 220)의 출력단은 비선형 도파부(100)에 연결되어 초음파 진동 신호를 비선형 도파부(100)에 전달하도록 배치된다. 이때 초음파 진동자(210, 220)의 출력 측과 비선형 도파부(100) 사이에는 제1임피던스 매칭 레이어(110)가 배치될 수 있다. 제1임피던스 매칭 레이어(110)는 비선형 도파부(100)와 초음파 진동자(210, 220) 사이의 음향 정합 차이를 감소시키기 위해 배치된다. 제1임피던스 매칭 레이어(110)의 음향 임피던스는 예컨대 초음파 진동자(210, 220)의 음향 임피던스와 비선형 도파부(100)의 음향 임피던스의 평균 값을 가지도록 구성될 수 있다. The output terminals of the
제1임피던스 매칭 레이어(110)에 의해 음향 임피던스 정합에 의해 초음파 진동자(210, 220)의 출력 신호가 비선형 도파부(100)로부터 반사되어 초음파 진동 신호가 왜곡되는 정도를 감소시킬 수 있다. The output impedance of the
비선형 도파부(100)는 초음파 신호의 주파수 및 초음파 진동자(210, 220)의 출력 측 유효 직경을 감안하여 그 크기가 선정될 수 있다. 비선형 도파부(100)를 관통하는 초음파 진동은 초음파 진동자(210, 220)의 출력 측으로부터 소정 거리까지는 초음파로서 근거리장(near-field) 영역에 해당하며, 소정 거리 이후는 가청 주파수 대역의 음파로서 원거리장(far-field) 영역에 해당한다. 여기서 소정 거리는 레일리 거리(Rayleigh distance)로 알려져 있음은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. The
비선형 도파부(100)의 원거리장 영역에 해당하는 구간을 거친 가청 주파수 대역의 음파는 비선형 도파부(100)의 출력 측으로 전달되며, 이 후 예컨대 일 실시예에 따른 초음파 진동자 유닛이 장착된 헬멧(90)의 외측 표면으로 전달될 수 있다. 또한, 비선형 도파부(100)의 음향 임피던스와 헬멧 표면(910)의 음향 임피던스의 차이에 의한 음향 반사를 최소화하기 위해 비선형 도파부(100)의 출력 측과 헬멧 표면(910) 사이에는 제2임피던스 매칭 레이어(120)가 배치될 수 있다. 또한, 제2임피던스 매칭 레이어(120)와 헬멧 표면(910) 사이에는 감쇠 레이어를 추가로 포함할 수 있다. 감쇠 레이어가 포함되는 경우 제2임피던스 매칭 레이어(120)는 비선형 도파부(100)와 감쇠 레이어 사이의 음향 정합을 하도록 구성된다. 감쇠 레이어는 비선형 도파부(100)에 의해 생성되는 가청 주파수 대역의 음파를 제외한 고조파(Harmonic) 성분의 음파를 상쇄하도록 구성될 수 있으며, 이 경우 또한 제2임피던스 매칭 레이어(120)와 헬멧(90) 등 초음파 진동자 유닛이 장착되는 외부 매체의 음향 임피던스와의 정합을 고려하여 구성되는 것이 바람직하다. Sound waves of the audible frequency band passing through the section corresponding to the far field region of the
도 2는 일반적인 PAL의 동작 개념을 나타낸다. 2 shows an operation concept of a general PAL.
도 2를 참조하면, 음파는 레일리 거리까지의 근거리장 영역에서 매질의 비선형에 의한 효과가 작용하는 것으로 알려져 있으며, 통상 PAL의 경우에는 다수의 초음파 음원에 의한 음파가 중첩되어 음파의 진행방향으로 진행하며 직진성을 갖게 된다. 음파는 레일리 거리를 넘어가며 음압도 감소하고 직진성도 감소하여 일반 스피커와 유사하게 음파가 퍼져 나가기 시작한다. 근거리장 영역을 통과하며 가청 주파수 대역으로 변조된 음파는 원거리장 영역에서는 빠르게 에너지를 잃으며 감쇠 된다. Referring to FIG. 2, sound waves are known to have an effect due to nonlinearity of a medium in a near field region up to Rayleigh distance, and in the case of PAL, sound waves generated by a plurality of ultrasonic sound sources overlap each other and travel in the direction of travel of the sound waves. And straightness. The sound wave extends beyond Rayleigh distances, reducing the sound pressure and reducing its linearity, and the sound waves begin to spread like ordinary speakers. Sound waves that have been modulated into the audible frequency band through the near field region quickly lose energy and attenuate in the far field region.
다음의 수학식 1은 레일리 거리(Rayleigh distance) z0를 나타낸다. 레일리 거리는 진행되는 음파가 근거리장(near-field) 영역에서 원거리장(far-field) 영역으로 전환되는 거리를 나타낸다. 여기서, s는 음파 소스의 (음파원의) 면적, r은 음파 소스의 유효 반경, fc는 두 주 음파의 평균 주파수, λ는 두 주 음파의 평균 파장, c0는 음파의 속도를 나타낸다.
비선형 도파관의 크기나 형상은 레일리 거리를 감안하여 설계될 수 있다. 만약, 비선형 도파관에 해당하는 영역이 통상의 PAL과 같이 공기인 경우를 가정하면, 초음파 진동자(210, 220)의 유효 직경이 20 mm이고, 평균 주파수가 100 kHz인 경우에 레일리 거리는 92 cm 가량이 된다. 그러나, 헬멧(90)에 장착될 진동자 스피커 유닛으로서 이러한 크기를 수용하기는 곤란하므로, 이와 같은 조건으로 진동자 스피커 유닛을 구성할 수는 없다. The size or shape of the nonlinear waveguide can be designed in consideration of Rayleigh distance. If the area corresponding to the nonlinear waveguide is air as in the case of a conventional PAL, the Rayleigh distance is about 92 cm when the effective diameter of the
이에 일 실시예에 따른 비선형 도파관은 금속 분말이 함침(含浸)된 우레탄 소재를 이용하여 제조한다. 우레탄 소재는 또한 폴리우레탄 소재일 수 있다. Accordingly, the nonlinear waveguide is manufactured by using a urethane material impregnated with metal powder. The urethane material may also be a polyurethane material.
도 3은 일반적인 우레탄 소재의 변형속도에 따른 응력-변형률 관계를 나타내는 예시이다. 3 is an illustration showing a stress-strain relationship according to the strain rate of a general urethane material.
도 3을 참조하면, 우레탄 소재는 알려진 바와 같이 응력-변형률 관계에서 비선형성이 높은 소재이다. 또한, 압축과 인장이 반복되는 동적인 변형에 대해 심한 히스테리시스 특성을 가진다. 우레탄 소재 내에서의 음속(acoustic velocity)는 약 1050 m/s로 공기 중의 음속인 340 m/s 보다 빠르다. 수학식 1을 참조하면, 매질 내 음속이 빠른 경우에 레일리 거리를 더 단축할 수 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, a urethane material is a material having a high nonlinearity in a stress-strain relationship, as is known. In addition, it has severe hysteresis characteristics against dynamic deformation, which is repeated compression and tension. The acoustic velocity in the urethane material is about 1050 m / s, which is faster than the air velocity in air of 340 m / s. Referring to
매질 내 음속을 빠르게 하기 위해 우레탄 소재는 몰딩 과정에서 금속 분말(310)을 포함하도록 제조될 수 있다. 예컨대 20 내지 50 wt%의 액상 폴리우레탄 수지 조성물과 80 내지 50 wt%의 망간 분말을 혼합하여 충분한 탈가스화 이후 경화된 상태의 금속 분말(310)이 함침된 폴리우레탄의 경우 음속은 1500 m/s로 빨라진다. 이 경우 망간 분말은 예컨대 100 mesh(입자경 149 ㎛) 이상 또는 바람직하게는 80 mesh(입자경 180 ㎛) 이상의 것을 사용하는 경우를 예로 들었다. In order to increase the speed of sound in the medium, the urethane material may be manufactured to include the
망간 분말 대신 텅스텐 분말을 30 내지 40 wt% 포함하는 경우에는 음속은 1800 m/s 수준이 확보될 수 있다. 여기에 기술한 수지 조성물의 중량비는 단지 예시일 뿐이며 상황에 따라 다르게 선정될 수 있고, 다른 금속 분말 소재 및 수지 소재가 사용될 수도 있다. 또한, 금속 분말(310) 대 수지의 중량비가 달라지면 음속 뿐만 아니라 소재의 비선형 정도도 달라지므로 이는 면밀히 검증하여 설계되는 것이 바람직하다. In the case of containing 30 to 40 wt% of tungsten powder instead of manganese powder, the speed of sound may be secured at a level of 1800 m / s. The weight ratio of the resin composition described herein is merely an example and may be selected differently depending on the situation, and other metal powder materials and resin materials may be used. In addition, when the weight ratio of the
한편, 이와 같은 복합 소재의 음향 임피던스는 다음 수학식 2의 관계로 설명될 수 있다. 여기서, z(s)는 음향 임피던스, ρ는 복합 소재의 평균 밀도, c는 복합 소재 내의 음속을 나타낸다. On the other hand, the acoustic impedance of such a composite material can be described by the relationship of the following equation (2). Where z (s) is the acoustic impedance, ρ is the average density of the composite material, and c is the sound velocity in the composite material.
복합 소재에서 음향 임피던스의 정확한 예측은 어려우며, 이는 샘플 시료를 이용하여 측정한 후 이용될 수 있다. 대략적으로는 밀도가 높이지면 음향 임피던스는 높아지는 경향이 있으며, 동일 수지가 사용되는 경우 복합 소재에 사용된 금속 분말(310)의 중량비가 높아지거나 분말 자체의 강성이 높은 경우에 음속은 증가하는 경향이 있다. Accurate prediction of acoustic impedance in composite materials is difficult, which can be used after measurement using a sample sample. In general, as the density increases, the acoustic impedance tends to increase, and when the same resin is used, the sound velocity tends to increase when the weight ratio of the
비선형 도파관 및 제1, 제2임피던스 매칭 레이어(110, 120), 감쇠 레이어의 음향 임피던스를 조정하고 선정함에 있어, 상기와 같은 금속 분말(310)이 서로 다른 비율로 함침된 수지 조성물을 이용할 수 있다. In adjusting and selecting the acoustic impedances of the nonlinear waveguide, the first and second
일 실시예에 따른 망간 분말이 함침된 폴리우레탄으로 비선형 도파관을 형성하는 경우를 가정하면, 음속 1500 m/s, 평균 주파수 100 kHz에서 레일리 거리는 약 20 cm이다. 초음파 진동자(210, 220)의 유효 직경이 15 mm인 경우로 변경하여 살펴보면, 동일 조건에서 레일리 거리는 약 11 cm가 될 수 있으며, 추가로 함침 될 분말을 텅스텐 분말로 변경하는 경우 레일리 거리는 10 cm 이내로 들어올 수 있다. 경우에 따라서는 전체 외형의 크기를 더 작게 제작하기 위해 평균 주파수를 낮추는 방법도 가능하다. Assuming that a nonlinear waveguide is formed of polyurethane impregnated with manganese powder according to one embodiment, the Rayleigh distance is about 20 cm at a sound speed of 1500 m / s and an average frequency of 100 kHz. In the case of changing the effective diameter of the
일 실시예에서 참고적인 수치를 개시하였으나, 이는 소재 물성의 개선이나 변경을 통해 더욱 개선될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.Although reference values are disclosed in one embodiment, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be further improved by improving or changing material properties.
한편, 입력 음향 신호를 입력 받아 초음파 진동자(210, 220)에 의해 출력될 초음파 음파 신호를 구성하는 방식은 여러 형태가 알려져 있으며 본 발명은 어느 한 방식에 한정하여 기술된 것은 아니며 이들 방식 중 취사 선택될 수 있다. 이러한 신호 변조 방식에는 가장 대표적으로 AM(Amplitude Modulation) 방식을 비롯하여 여러 형태가 있다. 예컨대, DSB-AM(Double Side Band Amplitude Modulation), SRT-AM(Square Root Amplitude Modulation), SBS-AM(Single Side Band Amplitude Modulation), RSS-BAM(Recursive Single Side Band Amplitude Modulation), MAM(Modified Amplitude Modulation) 등 공개된 다양한 공지의 기술이나, 진폭과 위상을 모두 변조하는 방식, 저음 강화를 위해 저역통과필터를 거친 저역 신호만 비선형성을 추가로 부여하는 것을 포함하는 방식 등 다양한 형태가 일 실시예와 함께 적용될 수 있을 것이다. On the other hand, the method of configuring the ultrasonic sound wave signal to be output by the ultrasonic vibrator (210, 220) to receive the input sound signal is known in various forms and the present invention is not limited to any one of the methods selected among the methods Can be. Most of these signal modulation methods include various types including an AM (Amplitude Modulation) method. For example, Double Side Band Amplitude Modulation (DSB-AM), Square Root Amplitude Modulation (SRT-AM), Single Side Band Amplitude Modulation (SBS-AM), Recursive Single Side Band Amplitude Modulation (RSS-BAM), Modified Amplitude MAM Various known techniques such as Modulation), a method of modulating both amplitude and phase, and a method including additionally adding nonlinearity only to a low pass signal passed through a low pass filter to enhance bass Can be applied with
한편, 일 실시예로 도시하지는 않았으나, 헬멧(90)에 적용되는 초음파 스피커 유닛의 경우 저주파 음역대의 재생 만을 담당하도록 시스템을 구성하고, 중고역대 음역은 통상의 작고 얇은 스피커 유닛을 헬멧(90)의 귀 근처 부위에 내장하도록 하여 복합적인 스피커 시스템을 구축할 수도 있을 것이다. 이러한 구성은 초음파 스피커 유닛의 크기를 축소하거나 신호 처리에 관련된 복잡성을 감소시켜 전력 소모를 줄이는 효과를 기대할 수 있을 것이다. On the other hand, although not shown as an embodiment, in the case of the ultrasonic speaker unit applied to the
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art to which the present embodiment belongs may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.
Claims (13)
제1초음파 진동자;
제2초음파 진동자; 및
일측이 상기 제1초음파 진동자의 출력 측 및 상기 제2초음파 진동자의 출력 측에 연결되고, 타측이 상기 외부 매체의 일측면에 연결되는 비선형 도파부
를 포함하되,
상기 제1초음파 진동자 및 제2초음파 진동자는
서로 위상이 다르게 변조되는 방식 또는 서로 진폭이 다르게 변조되는 방식 중 어느 하나의 동일한 방식으로 변조되고, 동일하게 입력된 음향 입력 신호를 각각 서로 다르게 변조된 초음파 대역의 진동신호로 각각 출력함으로써, 상기 비선형 도파부에서 주파수 변조되어 상기 비선형 도파부의 타측에서 가청주파수 대역인 음향 신호를 출력하도록 형성되는
헬멧용 진동자 스피커 유닛.An oscillator speaker unit assembled to an external medium,
A first ultrasonic vibrator;
A second ultrasonic vibrator; And
A non-linear waveguide part having one side connected to an output side of the first ultrasonic oscillator and an output side of the second ultrasonic oscillator, and the other side connected to one side of the external medium.
Including but not limited to:
The first ultrasonic vibrator and the second ultrasonic vibrator
The non-linear signal is modulated in the same manner, either in a different phase modulated manner or a different amplitude modulated modulus, and outputs the same input sound input signals as vibration signals of differently modulated ultrasonic bands. Frequency modulated in the waveguide to output an acoustic signal in an audible frequency band on the other side of the nonlinear waveguide
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 제1초음파 진동자의 출력 측 및 상기 제2초음파 진동자의 출력 측과 상기 비선형 도파부의 일측 사이에 제1임피던스 매칭 레이어를 더 포함하는
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 1,
And a first impedance matching layer between the output side of the first ultrasonic vibrator and the output side of the second ultrasonic vibrator and one side of the nonlinear waveguide.
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 비선형 도파부의 타측과 상기 외부 매체의 일측면 사이에 제2임피던스 매칭 레이어를 더 포함하는
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 1,
And a second impedance matching layer between the other side of the nonlinear waveguide and one side of the external medium.
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 비선형 도파부는
상기 제1초음파 진동자의 출력 주파수와 상기 제2초음파 진동자의 출력 주파수의 평균 주파수, 출력 측 유효 직경 및 상기 비선형 도파부의 음속(acoustic velocity)에 의해 계산되는 레일리 거리(Rayleigh distance)보다 긴
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 1,
The nonlinear waveguide is
Longer than a Rayleigh distance calculated by an average frequency of an output frequency of the first ultrasonic vibrator and an output frequency of the second ultrasonic vibrator, an output side effective diameter, and an acoustic velocity of the nonlinear waveguide part.
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 비선형 도파부는
중합체(重合體) 수지에 금속 분말이 함침되어 성형된
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 4, wherein
The nonlinear waveguide is
Formed by impregnating metal powder into a polymer resin
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 중합체 수지는 폴리우레탄 수지인
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 5,
The polymer resin is a polyurethane resin
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 금속 분말은 망간 분말인
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 6,
The metal powder is manganese powder
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 비선형 도파부는
액상 폴리우레탄 수지 조성물 20 내지 50 wt%와 망간 분말 80 내지 50 wt%를 혼합하여 경화된
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 5,
The nonlinear waveguide is
Cured by mixing 20 to 50 wt% of liquid polyurethane resin composition and 80 to 50 wt% of manganese powder
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 망간 분말은
80 내지 100메쉬(mesh)의 입자 크기를 갖는
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 8,
The manganese powder is
Having a particle size of 80 to 100 mesh
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 제2임피던스 매칭 레이어와 상기 외부 매체의 일측면 사이에 가청 주파수 대역의 음파만 통과시키도록 형성된 감쇠 레이어를 더 포함하는
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 3,
And an attenuation layer formed to pass only sound waves in an audible frequency band between the second impedance matching layer and one side of the external medium.
Oscillator speaker unit for helmets.
상기 금속 분말은 텅스텐 분말인
헬멧용 진동자 스피커 유닛.The method of claim 7, wherein
The metal powder is tungsten powder
Oscillator speaker unit for helmets.
헬멧 내부에 배치되고, 영구자석, 코일 및 음향판을 포함하는 일반 스피커 유닛;
을 포함하되,
상기 외부 매체는 헬멧이며, 상기 진동자 스피커 유닛은 상기 헬멧의 외측면에 배치되는
헬멧용 진동자 스피커 시스템.A vibrator speaker unit for a helmet according to any one of claims 1 to 11; And
A general speaker unit disposed inside the helmet and including a permanent magnet, a coil, and a sound plate;
Including,
The external medium is a helmet, the vibrator speaker unit is disposed on the outer surface of the helmet
Oscillator speaker system for helmets.
상기 진동자 스피커 유닛은 중저역대 음향 신호를 재생하고,
상기 일반 스피커 유닛은 중고역대 음향 신호를 재생하도록 구성된
헬멧용 진동자 스피커 시스템.The method of claim 12,
The vibrator speaker unit reproduces the mid-low frequency sound signal,
The general speaker unit is configured to reproduce the mid-high frequency sound signal
Oscillator speaker system for helmets.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180142364A KR102079521B1 (en) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | Vibration Speaker Unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180142364A KR102079521B1 (en) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | Vibration Speaker Unit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102079521B1 true KR102079521B1 (en) | 2020-02-20 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180142364A KR102079521B1 (en) | 2018-11-19 | 2018-11-19 | Vibration Speaker Unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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| KR20110063771A (en) * | 2008-10-06 | 2011-06-14 | 파나소닉 주식회사 | Acoustic reproduction device |
| KR20140011784A (en) * | 2012-07-19 | 2014-01-29 | 김지웅 | System and method for personal position directed speaker and computer-readable recording medium with program therefor |
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2018
- 2018-11-19 KR KR1020180142364A patent/KR102079521B1/en active IP Right Grant
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