KR20000067426A - 스피커 인클로저 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 실린더 형상의 인클로저의 한쪽 단에 구동기를 설치하고, 그 반대편을 외측으로 오목하고 내측으로 볼록하며 그 내부에 일련의 구멍을 가진 반구형 배플로 밀봉하며, 상기 일련의 구멍을 배플의 중심으로부터 등간격으로 방사형으로 배치함으로써, 관련 파장(주파수)에 대한 선형 부하 계수 및 단위 결합 팩터를 가진 스피커 인클로저를 구성한 것이다. 따라서, 소형 스피커 인클로저에 있어서 저음 응답을 확장 및 향상시킬 수 있다.

Description

스피커 인클로저 {LOUDSPEAKER ENCLOSURE}

본 발명은 스피커 인클로저에 관한 것으로, 특히 소형 스피커 인클로저에 있어서 저음 응답을 확장 및 향상시킬 수 있는 스피커 인클로저에 관한 것이다.

스피커는 다양한 공간에서 다양한 목적으로 음성 및 음향 전달용으로 넓게 활용되고 있다. 스피커 기능이 특히나 중요하고 또 그 기능 발휘가 어려운 공간은 대형집회공간이다. 그러한 대형 공간에서는 기존의 지향성 스피커 활용이 일반적이지만, 음투사의 지향특성 때문에 사용에 어려움이 따른다. 따라서 지향성 스피커의 경우 가능한 최대의 음확산 범위를 확보하기 위하여 다수의 스피커를 설치하되 각 스피커의 음투사 범위가 상호 겹치도록 해야 하는데, 소기의 확산 음장을 확보하기 위해서는 정교한 기술적 접근이 필요한데다 비용도 많이 발생할 수 있다.

이러한 지향성 스피커의 다수 설치 필요성을 축소하기 위하여 반구형 확산형태의 스피커가 개발되어왔다. 이러한 반구형 스피커가 지향성 스피커보다는 음향이나 음성 전달에 있어서 보다 넓은 가청범위 특성을 갖고 있으나, 오버헤드 단일 음원으로부터 전 주파수 대역을 전방향에서 확보할 수 있는 실질적인 제품을 생산하는데 있어서는 많은 어려움이 따랐다.

구형 스피커 뿐 아니라 기존의 지향성 스피커가 고질적으로 안고 있는 주요 문제중 하나는 음향 파동 패턴의 물리적 특성에 기인한다. 이와 관련하여, 가청주파수 대역은 기본적으로 전자기 스펙트럼의 11개 옥타브로 구성되는데 음향 파장은 2000 대 1의 비율(약 113 인치 대 1/2 인치 비율)로 변화한다. 어떤 비율이 적용되든 바로 이 특성 때문에 양극단의 음향 파동 에너지들은 물리적 현상(법칙)의 매우 상이한 대역과 측면의 응용과 활용을 필요로 한다.

음성과 음향을 적절하게 확산하는데 따른 또 하나의 문제는 오디오 스펙트럼에서 저음역은 본질적으로 구형 파동인데, 유체적이고 유동적이어서 음의 방향과 형태를 조작하기가 어렵다. 또한, 고음역은 평면파로 이루어지는데 이 평면파는 직진성이다. 이러한 특성 때문에 고음역에서는 음이 넓게 확산되지 않는다. 그러나 중음역에서는 저음역과 고음역의 양 특성이 다양하게 복합적 변화를 이룬다.

기존에는 소형 스피커 인클로저에서 저음 응답을 확장 및 향상시키기 위하여 여러 가지의 방법을 사용하고 있다. 그중에서, 동조방법은 소망의 저음 주파수 또는 주파수 대역에서 스피커 시스템의 효율을 향상시키기 위하여 동조, 불감쇠 공명 음향 경로[a tuned, undamped resonant acoustical path](음향 회로) 또는 고유 인클로저 공명에 의존한다.

A. 공지된 모든 공명 동조 방법은 관련된 물리학적 자연현상(법칙)에 의하여, 저항(음향 임피던스)을 거의 또는 전혀 가지지 않는 음향 경로를 생성하고, 이로 인하여 관련 주파수 또는 주파수 대역에 대하여 매우 높은 음향 효율을 얻을 수 있다. 그러나, 이것은 재생 신호의 임계 음향 감쇠의 결여를 야기시킨다(여기서, 임계 감쇠는 통상적으로 "단위 감쇠(unity damping)"라고도 하며, 스피커 구동기의 이동 매스(moving mass)가 입력 전기신호의 온/오프 발진을 정밀하게 추종하는 상태이다). 스피커 시스템에 있어서, 그 단위 감쇄보다 매우 크거나 작은 값은 음의 정확한 재생에 적합하지 않다. 이러한 동조 타입의 시스템은 음향 출력의 품질이 원래의 입력신호와 거의 관계가 없거나 전혀 관계가 없더라도 요구된 양의 저음 주파수 출력을 일반적으로 생성한다.

B. 충분한 감쇠의 결여로 인하여 링잉(ringing)이라고 하는 상태를 초래한다(여기서, 링잉은 스피커 또는 구동기의 진동판이 인가 신호의 제어 하에 있지 않은 상태를 말한다). 이로 인하여, 원래의 전기 입력신호와 비교하여 볼 때 비정상적으로 높은 레벨의 왜곡(distortion)과 잘못된 음향신호가 생성된다.

C. 링잉은 원래의 입력신호와 반드시 관련되어 있지 않은 기본 주기에서 구동기의 이동 매스(스피커 콘, 보이스 코일 및 서스펜션)를 발진하게 하는 전기신호에 의한 이동 매스의 여기(excitation)에 기인하는 것이다. 상기 기본 주기(주파수, 음조)는 전체 이동 매스, 인클로저 내의 공기의 팽창(stiffness), 구동기 서스펜션의 컴플라이언스(compliance; 전기신호에 응답하는 일정량의 구동기 총 이동 매스로서, 팽창의 역), 공진 경로의 길이 및 다른 관련 변수들에 의한 음향 기구적 산물이다. 링잉 상태는 주파수 선택성을 가지며, 이에 따라 원래의 입력신호에 충실하기 않다. 통상, 링잉 시스템은 전적으로 관련이 있는 것은 아니지만 링잉 또는 공명 주파수에 근접한 주파수에 의하여 링잉 모드로 여기할 수 있다.

다음으로, 음향의 왜곡현상에 대하여 설명한다.

동조, 공명 불감쇠 및 링잉 경향 시스템(tuned, resonant, undamped and prone system)에서는 매우 높은 레벨의 음향 왜곡을 나타낸다.

고조파 왜곡(harmonic distortion) 또는 전체 고조파 왜곡의 형태는 여러 가능한 방식으로 생성되지만, 이하에서는 본 발명과 관련된 것에 대하여서만 설명한다. 고조파 왜곡은 그 우연한 합성, 즉 2차(제 1 고조파), 3차(제 2 고조파), 4차(제 3 고조파) 등(예를 들면, 100Hz의 기본 주파수는 200, 300 및 400Hz 주파수를 생성한다)으로 구분된다. 또한, 부-고조파는 기본 음조의 1/2, 1/3, 1/4 등에서 발생한다. 불감쇠 공명 시스템에서의 링잉 상태 하에서는 스피커가 이들 동시적 음조(주파수)를 생성하는 것이 당연하다.

상호변조 왜곡은 어느 정도 더 기술적으로 연관되는 것으로, 상기한 전체 고조파 왜곡과는 달리 원래 주파수와 전혀 관련 없는 성분들로 구성된다. 즉, 상호변조 왜곡은 한 신호를 복조하고 나서 그 다른 신호를 복조하여 차례로 가산 및 차 주파수를 산출함에 따라 생성된다. 예를 들면, 스피커 인클로저의 내부 공기압이 다른 주파수의 공기압에 비하여 특정 한 주파수에 대해 매우 높은 레벨인 경우에는, 더 높은 고압력 상태가 더 낮은 저압력 상태를 변조시키는 경향이 있고, 이에 따라 가산 주파수와 차 주파수가 생성된다. 이들 가산 음조 및 차 음조는 원래의 입력신호에는 존재하지 않는 것이므로, 이들은 바람직하지 못한 왜곡이다.

다음으로, 위상왜곡에 대하여 설명한다. 고 공명, 불감쇠 링잉은 시간 영역에서 발생한다. 즉, 초기 여기상태부터 링잉이 가라앉을 때까지 유한 시간주기가 경과한다. 링잉 스피커는 원래 입력 전기신호가 지나간 후에도 길게 음을 생성하고 있기 때문에, 스피커 드라이버의 이동 매스는 자체 물리적 특징에 근거한 속도 또는 주기로 발진을 지속한다. 이는 그 기본 주기에서 증가 또는 감소하는 링잉 주파수를 일반적으로 야기시킨다. 원래의 입력 주파수가 자신의 특정 위상관계를 가진 일정 주기를 갖고 있기 때문에, 원래 입력주파수로부터의 어떠한 변동은 결과적으로 상이하고 관련 없는 위상 성분을 생성하게 된다.

또한, 전체 고조파 왜곡 및 상호변조 왜곡이 개별적으로 또는 함께 생성되는 경우에는 음향적으로 또는/및 전기적으로 다양하게 혼합되어 바람직하지 않지만 매우 복잡한 부착적 결과가 생성된다. 이러한 상태가 부가적 전체 고조파 왜곡 및 상호변조 왜곡으로 대부분 용이하게 식별되고 분석되더라도, 항상 후속하는 부가적 위상 왜곡이 초래된다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 관련 파장(주파수)에 대한 선형 부하(loading) 계수 및 단위 결합 팩터(unity coupling factor)를 가진 스피커 인클로저를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

즉, 본 발명의 스피커 인클로저는 최적 성능을 위해 요구된 것(실질 공기량) 보다는 물리적으로 더 작지만, 음향적으로 최적 사이즈(효과적 또는 가상적 공기량)가 되도록 설계된다. 또한, 본 발명의 인클로저는 상기한 어떠한 왜곡 성분도 산입하지 않다. 여기서, 상기한 선형 부하 계수란 시스템의 정격 전력 대역폭 내에서 스피커 구동기 진폭(excursion) 및 인클로저 내부압력사이의 일정 관계를 나타내는 것이며, 상기 단위 결합 팩터란 에너지 원과 에너지 소모 부하사이에서 일대일의 관계가 존재하여 고효율 에너지 전달이 이루어지는 상태를 나타내는 것이다.

도 1(a)는 본 발명에 따른 스피커 인클로저의 단면을 개략적으로 도시한 도면,

도 1(b)는 도 1(a)에 도시한 반구형 배플의 평면도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 구동기 12 : 인클로저 튜브

14 : 음향 절연부재 16 : 반구형 배플

16a : 구멍(vent)

본질적으로 왜곡이 없는 구동기 인클로저에 대한 이상적인 상태는 "반 공간(half space)" 배플(baffle)로서 알려져 있다. 이 반 공간 배플은 가장 짧은 치수가 가장 낮은 주파수의 1/2 파장보다 큰 것이며, 이것에서는 구동기가 재생하고 그 결과로서 전방 파동(front wave)이 후방 파동과 상호 작용하는 것을 허용하지 않을 수 있다. 가상적인 반 공간 배플은 무한 길이 및 폭을 갖는다. 이러한 가상적 반 공간 배플이 불가능하기 때문에, 합리적이고 실질적인 절충물이 요구된다. 구동기의 후방 파동을 전방 파동으로부터 격리한 다음에 감쇄시키고 최종적으로 흡수하며(또는 산란시키며), 반응성 공기압 레벨을 방지하기에 적합한 사이즈를 갖거나, 그렇지 않으면 구동기 자체의 동작(이동 매스의 진폭)을 방해하는 스피커 인클로저는 "무한 배플"이라고 한다. 이러한 이상적인 조건 하에 구동기가 관련되어 있는 한, 인클로저는 당연히 무한 체적을 갖는다. 일정 사이즈 및 일정 전기적, 음향적, 기구적 특징을 가진 저음 구동기는 최적 성능을 위하여 특정한 체적을 가진 인클로저를 요구하므로 내부 인클로저 체적이 작을수록 그 최적 결과가 점점 낮아지게 된다.

본 발명의 기본 개념은 이른바 표준 스피커 인클로저 내의 대향 면이 일반적으로 평행하고 평탄하며 어떤 수직 위치에서도 치수적으로 일정하다는 사실에 근거한 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 스피커 인클로저에 대하여 설명한다.

도 1(a)는 본 발명에 따른 스피커 인클로저의 단면을 개략적으로 도시한 도면다. 동 도면에서, 도면부호 10은 (스피커)구동기, 12는 인클로저 튜브, 14는 음향 절연부재, 16은 반구형 배플이다.

본 발명의 스피커 인클로저는 단면이 실린더 형상이다. 구동기(10)는 실린더의 한쪽 단에 설치되고, 그 반대편은 외측에서 볼 때 오목하게 되도록 위치된 반구형 배플(16)로 밀봉되어 있다. 상기 배플(16)은 스피커의 이동 진동판(콘)에 의하여 발생되는 음압에 대하여는 볼록 표면을 나타낸다. 이 반구형 배플(16)내에는 일련의 구멍(vent)(16a)이 형성되어 있다. 상기 구멍(16a)은 도 1b에 도시한 바와 같이 배플의 중심으로부터 방사형으로 위치되어 있는데, 그 각각의 직경(영역) 및 위치는 어떤 한 구멍(또는 구멍 세트)과 어떤 다른 구멍(또는 구멍 세트)사이에서 어떤 음향 경로라도 인클로저의 축 치수에 따라 파장 치수의 불일치가 발생하도록 설정된다. 즉, 도 1a에서 L1, L2, L3, L4, L5 등은 구동기(10)로부터 배플 구멍(16a)까지의 각 음향파의 불일치한 거리(즉, 서로에 의하여 공평하게 나누어 떨어지지 않는 거리)를 나타낸 것이다.

물리법칙으로부터 알고 있는 바와 같이, 어떤 일정 공기량은 소정 기준 주파수에서 자연적으로 공진한다. 이러한 "선형 부하/단위 결합"설계에서는 인클로저의 내부 공기량이 어떤 한 특정 주파수로 공명하지 않는다는 최종의 음향학적 결과를 얻을 수 있다. 반구형 배플(16)과 스피커 구동기(10)의 진동판 사이에서 다중 및 가변 경로 길이(L1∼L5)로 인하여 일련의 다중 및 단조의 캐비테이션 공명(multiple and minor cavitational resonance)이 발생한다. 따라서, 인클로저는 체적이 효과적으로 또는 가상적으로 무한한 것으로 된다. 이러한 본 발명의 효과는 집합적 시스템으로서의 구멍 패턴이 종래 다른 기술, 예를 들면 동조형 포트(tuned port)시스템, 관형 포트(ducted port)시스템, 저음 반사 시스템과는 반대로 본질적으로 공명하지 않는다는 것이다.

선형 부하 및 단위 결합으로 설계된 본 발명 시스템에 대한 음향 측정에서는 인클로저 내의 공기량에 기인하는 최소 시스템 기본 공명(또는 자연 공명)을 나타내었다. 감쇠, 부하, 결합에 의하여 스피커는 본 발명의 인클로저가 종래의 것보다 작더라도 본질적으로 진정한 무한 배플 인클로저인 것처럼 동작한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 실린더 형상의 인클로저의 한쪽 단에 구동기를 설치하고, 그 반대편을 외측에서 볼 때 오목하고 내측에서 볼 때 볼록하며 그 내부에 일련의 구멍을 가진 반구형 배플로 밀봉함으로써, 관련 파장(주파수)에 대한 선형 부하 계수 및 단위 결합 팩터를 가진 스피커 인클로저를 구성할 수 있다. 따라서, 소형 스피커 인클로저에 있어서 저음 응답을 확장 및 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 실린더 형상의 인클로저의 한쪽 단에 구동기를 설치하고, 그 반대편을 외측으로 오목하고 내측으로 볼록하며 그 내부에 일련의 구멍을 가진 반구형 배플로 밀봉하여 구성한 것을 특징으로 하는 스피커 인클로저.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 일련의 구멍은 배플의 중심으로부터 등간격으로 방사형으로 배치되;어 있는 것을 특징으로 하는 스피커 인클러저.