KR102546593B1 - 스피커의 전기적 임피던스를 이용하는 흡음률 측정방법 및 이를 이용한 흡음률 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로폰을 사용하지 않고 스피커를 시료에 밀착하여 스피커의 전기적인 임피던스를 측정함으로써 스피커 진동판이 시료의 흡음특성에 따라 거동이 변화하는 것을 간접적으로 검출해 내고, 스피커 등가회로와 관련된 수식을 이용하여 흡음률을 도출하는 흡음률 측정방법과 이를 이용한 흡음률 측정장치에 관한 것이다.

Description

스피커의 전기적 임피던스를 이용하는 흡음률 측정방법 및 이를 이용한 흡음률 측정장치{Sound Absorption Measuring Method and Apparatus Utilizing Electrical Impedance of the Speaker}

건축재료의 흡음률을 측정하기 위한 흡음률 측정기술

건축재료의 흡음 기능은 실내에 발생하는 음을 흡수하여 감쇠되도록 함으로써 실내를 조용하게 하는 역할을 한다. 실내의 마감재료로 사용하는 자재가 어느 정도 음을 흡수하는지 측정을 통해 데이터를 얻게 되면 이것을 이용하여 공사 이전에 실내음향의 울림정도를 예측할 수 있기 때문에 적정한 실내 음환경의 조성을 위하여 흡음률 측정은 매우 중요하다.

국제적으로 규정된 흡음률 측정방법은 두가지인데 그 첫째가 실내를 모두 매끈한 표면으로 마감한 약 200 세제곱미터의 체적을 가지는 잔향실을 이용하는 잔향실법이며 이것은 ISO-354에 규정되어 있다. 잔향실법에서는 실내에 아무것도 넣지 않은 상태에서 측정한 잔향시간과 약 10제곱미터의 면적을 가지는 시료를 설치하고 측정한 잔향시간의 차이를 이용하여 흡음률을 측정하게 된다.

흡음률을 측정하는 두번째 방법은 긴 파이프의 한쪽에 스피커를 설치하고 파이프의 반대편에 시료를 설치한 후 스피커에서 발생시킨 음파가 시료에 부딪쳐 되돌아오는 과정에서 직접음과 반사음간에 상호관계를 이론적으로 정리한 전달함수 관계식을 적용하여 흡음률을 측정하는 방법(일명 관내법)이며 이것은 ISO-10534에 규정되어 있다.

잔향실법은 큰 공사비를 들여 200 세제곱미터에 달하는 잔향실을 건축해야 하고 5개의 마이크로폰을 설치해야 하므로 그 비용이 많이 소요되는 문제가 있을 뿐더러 실내에서의 정재파(Standing Wave) 현상으로 인해 100Hz 이하의 낮은 주파수에 대한 흡음률을 측정할 수 없다는 문제가 있다.

관내법에서는 파이프의 두 곳, 혹은 세 곳에 구멍을 뚫고 각각 마이크로폰을 설치하여 파이프 내의 음파를 측정하게 되는데 이 방법의 첫번째 문제점은 낮은 주파수를 측정하기 위해서는 저주파수 음파가 관내에 형성될 수 있도록 파장에 비례하는 매우 긴 파이프를 사용해야 하기 때문에 통상적인 관내법으로는 잔향실법과 마찬가지로 100Hz 이하에 대한 흡음률 측정이 불가능하다는 점이다. 관내법의 두번째 문제점은 정확한 측정을 위해서는 두개, 혹은 세개의 마이크로폰의 특성이 완전히 동일해야 하지만 완전히 동일한 특성을 가지는 마이크로폰은 현실적으로 존재하지 않는다는 것이다. 관내법의 세번째 문제점은 파이프 내에서 평면파로 진행하는 파동에 대해서만 측정을 하기 때문에 임의의 각도에서 입사되는 음파에 대한 측정값을 알 수 없다는 것이다.

서브우퍼를 사용하는 홈시어터 등 많은 공간에서 저음을 적절히 흡음해야 함에도 불구하고 기존의 흡음률 측정방법으로는 100Hz 이하의 저음대역에서 신뢰할 수 있는 흡음률 측정이 불가능했기 때문에 이러한 저음대역에서는 음향계획을 수립할 수도 없다는 문제가 있었다.

본 발명의 스피커의 전기적 임피던스를 이용하는 흡음률 측정방법은,

시료의 면에 밀착하여 설치한 스피커와;

상기 스피커와 연결된 스피커 임피던스 측정기;

를 이용하여 스피커 임피던스를 측정하고,

의 수학식;

의 수학식;

을 이용하여 시료의 흡음률을 구하는 흡음률 측정방법.

여기서 Z_af 는 시료의 음향 임피던스,

Bl은 스피커의 힘 계수(force factor),

Z_e는 스피커의 전기적 임피던스,

Z_mot는 스피커 진동판의 기계적 임피던스,

S_d는 스피커 진동판의 유효 진동 면적,

Z_ar은 스피커 뒷면의 음향 임피던스,

j는

는 각주파수,

C_af는 시료와 스피커 진동판 사이에 형성된 공간의 음향 탄성,

는 시료의 흡음률,

Z₀는 공기중에서의 평면파 음향 임피던스이다.

본 발명은 종래의 방법으로 불가능했던 100Hz 이하의 낮은 주파수 대역에 대해서도 흡음률을 측정할 수 있으며, 마이크로폰이 필요하지 않으므로 마이크로폰의 교정 등의 과정이 필요없게 되며, 시료의 표면에서 측정하므로 음파의 입사각도에 대한 논란에서 자유롭게 되며, 소형으로 제작할 수 있기 때문에 휴대하기 편리하여 이미 시공이 되어 있는 현장에서도 흡음률의 측정이 가능하게 된다는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 측정방법을 설명하기 위한 개념도
도2는 스피커의 등가회로
도3은 기존의 방법을 사용해서 측정한 흡음률 그래프
도4는 본 발명의 방법을 사용해서 측정한 흡음률 그래프
도5는 본 발명의 구성을 보여주는 일 실시예의 단면도
도6은 본 발명의 다른 실시예의 단면도

스피커는 전기적인 신호를 받아 진동판이 기계적으로 움직이고 진동판의 움직임은 음향으로 변환되어 소리를 발생시키는, 전기-기계-음향의 3단계로 변환되는 변환기이다. 본 발명의 측정방법은 도 1에 도시한 바와 같이 시료(2)의 전면에 스피커(1)을 설치하고 상기 스피커에 연결선(3)을 이용하여 연결된 스피커 임피던스 측정기(4)를 구비한 후 상기 스피커(1)의 임피던스 측정결과와 본 발명의 수학식을 이용하여 시료의 흡음률을 측정한다.

본 발명의 측정방법을 설명하기 위해 상기 시료(2)의 전면에 스피커(1)를 설치하고 이것을 등가회로로 나타내면 도 2와 같으며 스피커로 입력된 전기적 신호가 자이레이터와 변압기로 단계별로 변환되어 음향으로 변환되는 구조이다. 도 2에서 각 기호가 나타내는 의미는 다음과 같다.

R_e : 스피커 코일의 직렬 저항

L_e : 스피커 코일의 직렬 인덕턴스

R_ep : 스피커 코일의 병렬 저항

L_ep : R_ep와 함께 나타나는 병렬 인덕턴스

M_ms : 스피커 진동판의 질량

C_ms : 스피커 진동판의 기계적 탄성

R_ms : 스피커 진동판의 기계적 손실

Z_ar : 스피커 진동판 뒷면에서의 음향 임피던스

Z_af : 스피커 진동판 앞면 시료에서의 음향 임피던스

C_af : 시료와 스피커 진동판 사이에 형성된 공간의 음향 탄성

Bl : 스피커의 힘 계수(force factor). 자력선과 코일길이의 곱.

S_d : 스피커 진동판의 유효 진동면적

Z_e : 스피커 단자에서 측정한 전기적 임피던스

Z_m : 스피커 진동판으로부터 바라본 기계적 임피던스

Z_g : Z_m 을 전기로 변환한 임피던스

Z_a : 스피커 진동판의 음향 임피던스

i : 스피커로 입력되는 전류

u : 스피커 진동판의 속도

p : 스피커에서 발생되는 음압

U : 스피커 진동판의 체적 속도(volume velocity)

U_f : 시료의 표면에서의 체적 속도.

도 2의 등가회로에서 회로를 구성하는 소자의 크기 중 C_af, Z_ar, Z_af를 제외하고는 틸/스몰(Thiele/Small) 변수로서 종래의 측정 방법에 따라 추출이 가능하다. Z_af는 시료에서의 음향 임피던스이므로 이것을 수학식을 이용하여 계산하여 시료의 흡음률을 측정할 수 있게 된다.

스피커의 전기적 임피던스 Z_e는 다음 수학식 1로 표현할 수 있다.

여기서 Z_m은 수학식 2로 표기될 수 있다.

한편, 여기서 Z_mot 은 스피커 진동판의 움직임에 따른 기계적 임피던스로서 다음 수학식 3으로 표현된다.

또한 수학식 2의 음향 임피던스 Z_a 는 다음 수학식 4와 같은 관계식으로 표현된다.

3가지 미지수 C_af, Z_ar, Z_af 중 먼저 C_af를 구하기 위하여 시료의 위치에 움직이지 않는 매우 단단한 시료를 설치하면 Z_af는 무한대가 되고 수학식 4는 수학식 5와 같이 단순하게 표현된다.

C_af는 스피커의 기계적 진동에 영향을 미치게 되고 이것에 의해 스피커의 공진주파수가 변화하게 되며 이것을 이용하여 C_af를 다음 수학식 6과 같이 구할 수 있다.

여기서

는 스피커의 전후면이 막힘이 없는 상태에서 측정한 스피커 공진 각주파수이고,

는 스피커 전면의 시료 위치에 움직이지 않는 매우 단단한 시료를 설치했을 때의 스피커 공진 각주파수이다.

수학식 2와 수학식 5로부터 다음과 같이 수학식 7이 도출된다.

여기서

는 다음 수학식 8의 관계식으로 표현된다.

수학식 7로부터 Z_ar을 다음 수학식 9와 같이 도출할 수 있으며 측정을 통해 Z_ar을 구할 수 있게 된다.

이제 윗 식들을 정리하면 스피커 전면 시료의 음향임피던스 Z_af는 다음 수학식 10으로 도출된다.

Z_af가 도출되면 시료의 흡음률

는 다음 수학식 11을 이용하여 구할 수 있게 되어 본 발명의 측정방법을 완성하게 된다.

여기서 Z₀는 공기중에서의 평면파 음향 임피던스이다.

도 3은 종래의 방법으로 흡음률을 측정한 그래프이며 도 3의 (a)는 측정 윈도우를 50/1000 초로 설정한 흡음률 그래프, 도 3의 (b)는 측정 윈도우를 9/1000 초로 설정한 상태에서의 흡음률 그래프로서 동일한 시료임에도 400Hz 이하에서 매우 상이한 값을 보여주고 있다. 또한, 측정 윈도우를 9/1000 초로 설정한 경우 100Hz 이하에 대한 측정결과를 얻을 수 없으며 50/1000 초로 설정한 경우에도 측정 그래프의 등락이 심해서 신뢰할 수 없는 그래프임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 방법으로 측정한 흡음률 그래프이며 종래의 방법에 비교하여 100Hz 이하에서도 등락이 불규칙하게 심한 현상이 나타나지 않고 부드러운 곡선을 나타내고 있어서 100Hz 이하의 매우 낮은 주파수 대역에 대해서도 흡음률 측정이 가능한 것을 보여주고 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서 스피커(1)의 앞면에 상기 스피커(1)를 고정할 수 있는 파이프(5)와, 상기 스피커(1)를 고정할 수 있게 하는 플랜지(6)을 구비하고, 시료(2)의 후면 공기층을 조절할 수 있도록 하는 공기층 조절부(7)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 파이프(5)의 단면 형태는 원형 뿐만 아니라 사각형 등 다른 다각형 형태로 응용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 상기 스피커(1)의 앞면에 위치한 시료(8)에 상기 스피커(1)가 밀착될 수 있도록 가스켓(9)을 설치하고 상기 스피커(1)를 상기 시료(8)에 밀착하기에 편리하도록 상기 스피커(1)에 손잡이(10)을 부착하는 것을 특징으로 한다. 이것은 시료가 이미 건축재료로 설치되었을 경우 설치된 현장에서 흡음률의 측정을 할 수 있다는 장점이 있다.

1: 스피커
2: 시료
3: 파이프
4: 플랜지
5: 공기층 조절부
6: 스피커 임피던스 측정기
7: 연결선
8: 현장 시료
9: 가스켓
10: 손잡이

Claims (3)

1. 시료에 전면에 설치한 스피커와;
   상기 스피커와 연결된 스피커 임피던스 측정기;
   를 구비하고 스피커 임피던스를 측정하여 시료의 흡음률을 구하는 것을 특징으로 하는 흡음률 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   파이프를 구비하고, 상기 파이프의 말단에 플랜지를 설치하고 상기 플랜지에 상기 스피커를 고정하며 상기 파이프의 내부에 이동 가능한 공기층 조절부를 두는 것을 특징으로 하는 흡음률 측정장치.
   
   
   
   
3. 삭제

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