KR20010042491A - 음향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 측면에서, 대향하는 면을 갖춘 공진형 다중방식 음향 라디에이터 패널, 음향 출력을 생성하기 위해 공진패널에 굴곡파진동을 제공하도록 배치된 진동여자기 및 하나의 패널면의 일부분을 둘러싸고 상기 부분으로부터 나온 음향방출을 수용하도록 배치된 공동을 한정하는 수단을 포함하고 상기 공동은 패널의 보드형 동작을 수정할 수 있게 된 음향장치 즉 확성기를 제공한다. 또다른 본 발명의 측면에서, 공진패널을 경계면에 근접하게 설치하여 이 사이에 공진형 공동을 한정하여 된 공진패널 음향장치의 모드형 동작의 변형방법을 제공한다.

Description

음향장치{ACOUSTIC DEVICE}

국제특허출원 WO97/09842 에서는 비교적 얇은 밀봉상자에 다중방식 공진형 음향 라디에이터를 장착하여 라디에이터 중 한 면으로부터 나오는 음향방출이 포함되도록 하는 것을 발표하였다. 이에 관련하여, "얇은" 이란 문맥상 전형적인 피스톤 원추형 확성기 구동유닛이 부피효율적 엔클로우저에서 차지하는 비율에 관련한다. 통상의 부피 대 피스톤형 다이어프램 면적비는 ml 대 cm²로서 80:1 정도가 된다. 공기덩어리 부피의 피스톤식 구동과 거의 관련없는 공진형 패널 확성기를 위한 얇은 엔클로우저는 20:1의 비율을 갖는다.

본 발명은 음향장치, 더 구체적으로 단 이에 국한되지 않게, 국제출원 WO97/09842 에 기술된 종류의 복수방식 패널 음향 라디에이터에 관계한다. WO97/09842에 기술된 확성기는 분포식(DM) 확성기로 알려져있다.

분포식 확성기(DML)는 일반적으로 양측면에서 균등하게 및 복합확산 방식으로 음향에너지를 방출하는 얇고 가벼우며 편평한 패널과 관련된다. 이것이 DML에유용한 애트리뷰트이나 응용분야 및 그의 한계조건에 의해 단극형 DML이 더 바람직한 실제상황이 다수 있다. 이와 같은 응용분야를 위해 제품은 가볍고 얇으며 과도하지 않은 장점을 갖게된다.

도 1은 밀폐상자형 공진패널 확성기의 제1 구현예의 단면도;

도 2는 도 1의 구현예의 확대 상세단면도;

도 3은 밀폐상자형 공진패널 확성기의 제2 구현예의 단면도;

도 4는 양측면 상에서 DML 자유-방출에 대한 극방향 응답을 도시하고;

도 5는 자유공간(실선)의 사운드 압력수준 및 벽으로부터 35mm 위치(점선)의 DML을 비교도시하고;

도 6은 자유공간(점선)의 DML의 음향력 및 전후방 사이 패널 주변의 배플을 비교도시하고;

도 7은 본 발명에 따른 확성기를 도시하고;

도 8은 DML 패널 시스템을 도시하고;

도 9는 요소의 연결상태를 도시하고;

도 10은 단일판 에이겐-기능을 도시하고;

도 11은 처음의 10가지 진공패널방식의 주파수응답의 크기를 도시하고;

도 12는 본 발명의 구현예에 따른 확성기의 동일한 방식의 주파수응답의 크기를 도시하고;

도 13은 패널속도 스펙트럼에 대한 엔클로우저의 작용효과를 도시하고;

도 14는 2가지 방식의 형태를 도시하고;

도 15는 리액턴스의 주파수응답을 도시하고;

도 16은 패널속도 측정방식을 도시하고;

도 17은 측정을 위한 마이크로폰 셋업을 도시하고;

도 18은 각종 패널의 기계적 임피던스를 도시하고;

도 19는 각종 패널의 전력응답을 도시하고;

도 20은 각종 패널의 극방향 응답을 도시하고;

도 21은 엔클로우저 내부압력을 측정하기 위한 마이크로폰 셋업을 도시하고;

도 22는 내부압력 등고선을 도시하고;

도 23은 도 21의 어레이를 이용하여 측정한 내부압력을 도시하고;

도 24는 각종패널의 속도 및 변위를 도시하고;

도 25는 자유공간 및 내부에 들어있는 A5 패널의 속도 스펙트럼을 도시하고;

도 26은 자유공간 및 내부에 들어있는 또다른 A5 패널의 속도 스팩트럼을 도시하고;

도 27은 2가지 깊이의 엔클로우저 내부에 들어있는 A2 패널의 전력응답을 도시하고; 및

도 28은 필터를 이용한 평형화를 도시한다.

본 발명에 따르면, 양면을 갖춘 공진형 다중방식 음향 공진기나 라디에이터, 한 패널면의 적어도 일부를 덮고 상기 부분으로부터 나온 음향방출을 함유하도록 배열된 공동을 한정하는 수단을 포함하고 상기 공동은 패널의 모드형 동작을 수정할 수 있도록 하기 위한 것이다. 공동은 밀봉되기도 한다. 진동여자기를 배치하여 공진형 패널에 굴곡파 진동을 공급하여 음향출력을 발생하고 그에 따라 장치가 확성기 기능을 수행할 수 있도록 한다.

공동의 크기는 패널의 모드형 동작을 수정할 수 있는 정도로 한다.

공동은 얇아도 된다. 이 공동은 상기 패널에 근접한 내부공동면 및 패널면 사이의 거리가 패널에 대한 유체 커플링을 일으킬 수 있는 정도의 충분히 작은 값을 가질 때이다. 공동의 공진모드는 패널을 따라 변조하는 패널에 평행한 수평모드 및 패널에 직각인 수직모드를 모두 포함할 수 있다. 바람직하게는, 공동이 충분히 얇아 수평모드(X,Y)가 수직모드(Z)보다 패널의 모드작용 수정에 있어서 더 중요하다. 구현예에서, 수직모드의 주파수는 주파수범위 밖에 있을 수 있다.

공동부피 대 패널면적(ml:cm²)은 10:1보다 작은 즉, 10:1 내지 0.2:1 이다.

패널의 엣지는 대개 통상의 탄성둘레부에 의해 종결된다. 둘레부는 통상의 피스톤 구동유닛의 로울 둘레부와 유사하며 하나 이상의 주름부를 포함한다. 탄성둘레부는 발포고무 스트립을 포함한다.

이와 별도로, 패널의 엣지는 1999년 3월 30일자 PCT 특허출원 PCT/GB99/00848에서 언급된 엔클로우저에 고정되기도 한다.

이러한 엔클로우저는 표면이 파형 동작을 하는 것으로 간주되고 및 특성이 유체(공기) 및 치수 혹은 부피기하학적 측면과 관련되는 유체를 함유하는 얇은 접시로 생각하기도 한다. 이 패널은 동작파면과 커플접촉하고 패널의 표면파 여자는 유체를 여자시킨다. 환언하여, 유체의 자연파 성질은 패널과 상호작용하여 자체의 동작을 수정한다. 이것은 영역내 새로운 음향성을 갖는 복합결합 시스템이다.

패널의 모드형 동작에서 세밀한 변화는 배플작용 즉 간단한 배플을 엔클로우저 내에 제공하거나 및/또는 엔클로우저에 주파수선택 흡수력을 제공하여 달성하기도 한다.

본 발명의 또다른 측면은 공진형 패널을 경계면에 근접하게 설치하여 이 사이에 공진성 공동을 형성하는 것으로된 공진형 패널 확성기 혹은 공진기의 모드형 동작 변경방법에 관계한다.

도 1 및 2에 따르면, 밀폐상자 확성기(1)는 정면이 공동(13)을 한정하기 위해 WO97/09842에 기술된 종류의 패널형 음향 라디에이터(5)로 밀폐된 상자형 엔클로우저(2)를 포함한다. 라디에이터(5)는 진동여자기(4)로부터 에너지를 받고 주변부가 탄성서스펜션(6)에 의해 둘러싸인 엔클로우저에 대해 밀폐된다. 서스펜션(6)은 프레임(8)을 형성하도록 고정자(11)에 의해 함께 유지구속된 각 L-부분 프레임부재(9),(10)에 고정된 대향하는 발포고무 등의 탄성스트립(7)을 포함한다. 엔클로우저의 후벽(3)의 내면(14)은 고정리브(12)와 함께 후벽의 진동을 최소화하기 위해 형성된다. 엔클로우저는 플라스틱 성형재 혹은 고정리브를 삽입한 주물이 되기도 한다.

이 구현예의 패널은 A2크기이고 공동(13)의 깊이는 90mm 정도이다.

도 3의 확성기 구현예는 도 1 및 2의 것과 대체로 유사하나 여기서 라디에이터 패널(5)은 라디에이터(5)의 엣지와 엔클로우저 사이에 개재되어 공동을 밀폐시킬 수 있는 발포고무 등의 단일 탄성스트립 서스펜션(6) 상에 탑재된다. 라디에이터 패널 크기는 A5이고 공동깊이는 3 내지 4mm 정도이다.

도 1 내지 3의 구현예는 확성기에 관련하나, 진동여자기(4)는 갖추지 않았으나 도 1 내지 3의 통상적인 장치를 사용하여 장소, 특히 회의실 혹은 강당 등의 음향작용을 조정할 음향공진기를 마찬가지로 제조할 수 있다.

피스톤 스피커와 비교할 때, 이러한 개발 형식의 패널은 다이어프램 크기에 관련하여 아주 작은 크기의 엔클로우로 아주 유용한 대역폭을 제공할 수 있음을 알게되었다. 분포식 동작으로 이 경계부의 상호작용을 최소화할 수 잇는 메카니즘을 시험한 결과 대체로 간단한 수동적 평형화 네트워크만 있으면 편평한 전력응답이 가능함도 알 수 있다. 또한 이러한 발표에서 DML은 2파이 내의 동작주파수 범위에서 비정상적 반구형 지향성 패턴을 생성할 수 있음이 밝혀졌다,

좀더 근접한 해결방법은 패널 및 엔클로우저의 복합결합 시스템에 대한 굴곡파 수식을 풀어 얻은 결과로 표현된다. 이 시스템 음향 임피던스 함수를 유도 및 에이겐-주파수에 대한 커플링결합 엔클로우저의 작용효과를 계산하는데 이용하며, 평판방식에 관련된 위상 및 추가사항을 예상한다.

마지막으로, 일군의 파라미터 및 크기의 변화에 관련한 다수의 표본물의 실험측정 데이타를 연구조사하여 측정값을 분석모델의 결과와 비교한다.

도 4는 자유 DML의 전형의 극방향 응답을 도시한다. 패널평면의 압력감소는 엣지나 그 근처의 음향방출의 소거영향에 따른 것이다. 자유 DML이 경계에 근접하면 특히 경계면에 평행할 경우, 약 500cm²표면적을 갖는 패널의 경우 표면에 대한 간격이 약 15cm 이하로 줄어들면 음향간섭이 일어나기 시작한다. 도 5의 실시예에서 도시한 바와 같은 저주파수 확장의 감소, 낮은 중간대역의 응답정점의 감소, 중간대역의 수차 및 고음 레지스터의 저하 등의 결과를 가져온다. 이 때문에 정점을 쉽게 보상할 수 있음에도 불구하고 경계부 근처의 '자유' DML의 응용은 제한을 받아왔다.

DML이 충분히 큰 부피의 소위 "무한 배플"의 밀폐상자에 위치하는 경우, 패널 후방에서의 방출 및 전방에서의 방출이 중간 및 저 주파수 응답에서 증대되어 2가지 측면에서 장점을 갖게된다. 하나는 공기중 음향파장이 자유패널 크기에 필적하는 주파수에서 전후방 방출에 따른 간섭영향의 결여에 기인한 것이다. 또다른 하나는 도 6에서 보는 바와 같이 2파이 내에서의 배플작용 및 방출에 기인한 중간 및 저 주파수 경계부 보강에 따른 것이다. 여기서 우리는 0.25m²표면적을 갖는 패널로부터 100Hz 에서 20dB 증가를 달성하게 됨을 확인할 수 있었다.

이것은 대역폭 최대화의 한가지 장점이나 응용대상이 이러한 해결책에 따르지 않는다면 실제로 실현하기는 불가능할 것이다. 적절한 응용분야는 천정타일 확성기 및 주문형 붙박이 설비 등을 포함한다.

다양한 분야에서 패널 아래에 밀폐공간에 갇힌 대량의 공기를 사용할 필요없이 "무한 배플" 구성의 장점을 활용하는 것이 중요한 장점이다. 이러한 응용분야는 또한 확성기의 전체 두께가 얇고 무게가 가볍다는 장점도 있다. 본 발명의 한가지 목적은 이러한 전개방식에 대한 이해를 돕고 분석적인 해결책을 제공하는 것이다.

대부분의 제품은 다양한 조작방식 특히 엔클로우저에 사용시 저주파수 작동을 예상하는 통상의 피스톤 확성기를 지원한다. 분포식 확성기는 최근에야 개발되었으며 따라서 실제로 유사한 분석을 위해 유도된 해결책으로 이를 지원하는 것에 관련된 공지의 기술은 없다. 따라서, 한 접근방법은 소형 엔클로우저에 의한 부하를 포함하여 다양한 기계음향적 인터페이스 조건에서 전개된 DML에 관련된 유용한 해결방한을 제공하는 것이다.

분석 대상 시스템은 도 7에서 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서 패널의 정면은 자유공간으로 방출하며 다른면은 엔클로우저에 의해 부하를 받는다. 이 결합 시스템은 속도 및 압력의 네트워크를 도 8의 블록다이어그램에서 도시한 바와 같이 처리한다. 요소는 좌측에서 우측으로 전자기계적 구동부, 모드형 패널 시스템 및 음향시스템으로 구성된다.

진동패널의 횡방향으로 굴곡파 영역의 정상속도는 음향방출을 위한 것이다.하고 있다. 이 방출은 패널진동을 변조시키는 작용력을 유도한다. 양측이 동등하게 방출되는 DML의 경우 작동요소인 방출 임피던스는 정상적으로 패널의 기계 임피던스와 비교할 때 불충분하다. 그러나, 패널이 소형 엔클로우저에 방출하면 후방방출에 의한 음향임피던스의 영향이 작지 않기 때문에 패널의 모드 스케일을 변경 및 추가해야한다.

도 9에서 보는 바와 같은 이것의 커플링결합은 작용하는 사운드압력이 패널의 속도 자체에 기인하는 기계음향적 밀폐루프 시스템과 동등하다. 이 압력은 굴곡파 영역의 모드분포를 변경시켜 사운드압력 응답 및 패널의 지향성에 영향을 미치게 된다.

지향성 계산 및 시스템내의 힘 및 흐름을 검사하기 위해서, 플레이트 속도에 대해 식의 해법을 구해야한다. 이 원거리 영역의 사운드압력 응답은 문헌 상에 나와있는 (PANZER,J; HARRIS,N, 제목 "Distributed Mode Loudspeaker Radiation Simulation" 106 AES Convention, San Francisco 1998 #4783) 푸리에 속도변환식에 따라 수득할 수 있다. 힘 및 흐름은 네트워크 분석의 도움을 받아 확인할 수 있다. 이 문제는 진공패널 에이겐-함수(3,4) 측면에서 전체 시스템의 속도와 압력을 전개시켜 접근한다 (CREMER, L; HECKL,M; UNGAR,E; "Structure-Borne Sound" SPRINGER 1973 및 BLEVINS, R.D. "Formulas for Natural frequency and Mode Shape", KRIEGER Publ., Malabar 1984 참조). 예를들어, 패널의 임의의 지점에서의 속도는 다음의 식(1)로부터 계산할 수 있다.

(1)

이 수열은 전자기계 요소 네트워크군 및 이것의 직접 음향경계부에 결합되는 경우 플레이트 굴곡파를 설명하는 미분방정식(2)에 대한 해답을 표시한다.

(2)

L 은 x 및 y의 4차식 굴곡강도 미분연산자이며 v는 굴곡파속도의 수직성분이다. μ 는 단위면적당의 질량이고 ω 는 구동주파수이다. 패널은 도 7에서 나타낸 기계구동압력 p_m및 음향작용 사운드압력 영역 p_a에 의해 교란된다.

식(1)의 수열의 각 항목은 모드속도 혹은 짧게 "모드" 라고 한다. 모델분해는 에이겐 함수 Φ_pi가 푸리에 변환에 관련된 사인 및 코사인 함수와 직교성을 공유하는 일반화된 푸리에변환이다. Φ_pi의 직교성은 미분방정식(2)에 대한 적절한 해답을 제공할 수 있는 필수조건이다. 에이겐-함수군 및 이들의 파라미터는 구동력을 중단한 후 식(2)의 동차식 형태에서 발견된다. 이 경우 패널은 경계조건을 만족하기 위해 자연주파수 혹은 소위 에이겐-주파수 ω_i에서만 진동할 수 있다.

식(2)에서, Φ_pi(x,y)는 속도가 관측되는 위치의 i번째 플레이트 에이겐-함수의 값이다. Φ_pi(xo,yo)는 구동력 F_pi(jω)이 패널에 가해지는 위치에서의 에이겐-함수이다. 구동력은 예컨대 (x_o, y_o)에서, 여자기 혹은 서스펜션 같이 구동 액추에이터에 연결된 전기기계요소의 전달함수을 포함한다. 구동력은 구동점에서의 패널 속도에 의존하므로, 기계음향 커플링이 있을 때와 유사한 피드백상태가 구동점에서 존재하나 실제로는 이 효과가 매우 미미하다.

도 10은 DML 패널 횡방향의 단일 에이겐-함수의 속도크기 분포의 한 예를 도시한다. 실선은 속도가 0 일 때의 마디선이다. 모드 인덱스 증가시 속도패턴은 점점 더 복잡해진다. 중간크기의 패널의 경우 가청범위를 커버하기 위해서는 200개 모드가 합산되어야 한다.

모드 어드미턴스 Y_pi(jω)는 모드의 가중함수로서 이것의 진폭 및 모드가 식(1)의 합산치에서 실행되는 상계에서 결정한다. Y_pi는 식(3)으로 표시한 바와 같이 구동주파수, 플레이트 에이겐값 특히, 여기서는 자유영역 방출에 따른 임피던스와 함께 엔클로우저의 음향 임피던스에 의존한다.

(3)

s_p= s/ω_p은 기본 패널 주파수 ω_p로 평균화된 라플라스 주파수변수이며, 계속해서 패널의 굽힘강도 K_p및 질량 M_p즉, K_p/M_p에 따라 변한다. R_pi는 물질손실로 인한 모드저항이며 s_p=λ_pi일 때의 공진시 Y_pi(jω)의 값을 설명한다. λ_pi는눈금표시 변수이며 i번째 플레이트 에이겐값 λ_pi및 식(4)에서 설명한 전체 방출 임피던스 Z_mai의 함수이다.

(4)

진공의 경우(Z_mai=0), 식(3)의 제2항목은 댐핑팩터 d_pi를 가진 2차 밴드패스 전달함수가 된다. 도 11은 엣지에서 클램핑 고정될 때 처음 10개의 패널모드에 대해 진공 Y_pi(jω)의 주파수응답 크기를 도시한다. 패널 에이겐-주파수는 이들 곡선의 정점과 동시성을 갖는다.

동일한 패널이 엔클로우저 상에 설치되면, 모드는 주파수 위상변이 뿐만아니라 도 12에서 보는 바와 같이 변조된다. 이것은 전체 시스템의 모드형 어드미턴스가 더이상 진공상태와 같은 2차함수가 아닌, 패널과 엔클로우저의 2가지 모드형 시스템 간 상호작용의 결과로서 나타난다. 실제로, 식(3)의 분모는 고차원 다항식으로 확장할 수 있으며 이것이 결과적으로 확대된 특징적 함수를 반영하게 된다.

도 13의 주파수응답 그래프는 패널속도 스펙트럼에 대한 엔클로우저의 효과를 도시한다. 2개의 주파수응답 곡선은 동일한 구동조건에서 계산되나 좌측 그래프는 진공케이스를 우측 그래프는 패널 양측이 엔클로우저에 의해 부하를 받을 때의 속도를 도시한다. 이 실시예에서는 공기의 방출 임피던스를 제외시키기 위해 2중 엔클로우저를 이용하였다. 관찰점은 여자기의 구동점 상이다. 우측 다이어그램의 고주파수에 대한 패널 에이겐-주파수 위상의 영향을 명확히 볼 수 있으며 도 12와 같다. 엔클로우저 영향의 결과 및 모드수와 밀도의 증가 결과로서, 속도 스펙트럼을 설명하는 더욱 균일한 분포의 곡선이 수득되는 것이 매우 중요하다.

기계적 방출 임피던스는 방출로 인한 반응력 대 패널속도의 비이다. 단일모드에서, 방출 임피던스는 패널영역 전체에서 일정하며 단일모드의 음향적 방출전력 P_pi에 관하여 표현할 수 있다. 따라서 i번째 모드의 모드형 방출 임피던스는 식(5)와 같이 표시할 수 있다.

(5)

〈v_i〉 는 i번째 모드에 관련된 패널의 평균속도이다. 이 값은 제곱값이고 따라서 항상 양의 값이며 실수이기 때문에, 방출 임피던스 Z_mai의 특성은 통상 복소수값인 음향력의 성질과 직접적으로 관계한다. P_pi의 실수부는 패널의 속도영역의 댐핑현상을 일으키는 방출된 원거리 전력과 균등하며 Z_mai의 저항부에 기여한다. P_pi의 허수부는 커플링 결합 시스템의 에너지 저장 메카니즘에 의해 유래되며 Z_mai의 리액턴스를 위한 양의 값 혹은 음의 값으로 수득된다.

양의 리액턴스는 음향 질량의 존재에 의해 유래된다. 이것은 전형적으로 예컨대, 자유공간으로의 방출이다. 한편, Z_mai의 음의 리액턴스는 등량의 강도를 갖는 밀폐된 엔클로우저의 존재를 표시한다. 물리적 용어로서 '질량'형 방출 임피던스는 압축없는 공기의 이동에 의해 유래되며 반면 '스프링'형 방출은 공기가 위상변동 없이 압축되는 경우에 존재한다.

방출 임피던스의 허수부의 주요 영향은 패널의 진공 에이겐-주파수의 변이이다. Z_mai의(질량) 양의 리액턴스는 플레이트 에이겐-주파수의 다운시프트를 일으키며 음의 리액턴스(강도)는 상기 주파수를 상승변동시킨다. 해당 주파수에서, 페인모드 자체는 어떤 효과를 억제할 것인지 유추한다. 이 현상은 도 14의 다이어그램에 의해 명확히 나타나며 여기서 대칭형 모드형태는 공기압축 즉 '스프링'작용을 유도하며 반면 비대칭형 모드형태는 공기를 병렬로 위상변동시켜 음향 '질량'작용을 얻는다. 서로 격리되는 각 시스템에서 볼 수 없는 새로운 모드를 패널 및 엔클로우저 리액턴스의 상호작용에 의해 생성하게 된다.

도 15는 엔클로우저 방출 임피던스의 허수부의 주파수 응답을 도시한다. 좌측 그래프는 '스프링형' 리액턴스 통상, 대칭형 패널모드에 의해 생성된 리액턴스를 디스플레이한다. 첫 엔클로우저 에이겐-주파수까지는 리액턴스가 대체로 음의 수이다. 패널의 진공 에이겐-주파수로서 상기 주파수범위에 속하는 값이 상승변동한다. 대조적으로, 오른쪽 다이어그램은 '질량형' 리액턴스작용을 표시하며 이는 비대칭 패널모드에 의해 생성되는 것이 일반적이다.

이 경우와 같이 엔클로우저가 밀폐되고 패널면과 평행한 강성벽을 구비하는 경우, i번째 플레이트 모드를 위한 기계적 방출 임피던스는 다음 식(6)와 같다:

(6)

여기서, Ψ(i,k,l) 는 횡단방향의 경계면 조건을 고려하고 플레이트 및 엔클로우저의 에이겐-함수를 수반하는 커플링 적분이다. 식(6)의 지수i 는 플레이트 모드수이며; L_dz은 엔클로우저의 깊이이고; 및 k_z은 z-방향(패널에 수직인)의 모드형 파수 성분이다. 강성의 직사각형 엔클로우저의 경우는 k_z가 다음 식(7)과 같이 표시된다:

(7)

지수 k 및 l 은 x 및 y 방향의 엔클로우저 크로스모드의 숫자이며 L_dx및 L_dy은 이 평면 상의 엔클로우저 치수이다. A₀는 패널의 면적이고 A_d는 x 및 y평면의 엔클로우저의 단면적이다.

식(6)은 복잡한 함수로서 패널 모드 및 엔클로우저 모드의 상호작용을 상세히 설명해준다. 이 식의 특성을 이해하기 위해서, 패널의 제1모드 및 엔클로우저만의 z-모드 (k=l=0)로 시스템을 한정하여 단순화한다. 이 결과 다음과 같이 단순화한 관계를 얻을 수 있다.

(8)

식(8)은 밀폐관(6)의 공지된 구동점 임피던스이다. 제품의 k_z. L_dz〈〈 1 이면 다음과 같이 더욱 단순화한 식을 얻을 수 있다.

(9)

여기서 C_ma0= V_b/(ρ_a.C_a ²) 는 엔클로우저의 부피 V_b의 음향 컴플라이언스이다. 식(9)는 엔클로우저의 저주파수군의 성분모델이다. 소스가 컴플라이언스 C_ms를 갖는 서스펜션이 구비된 질량 M_ms의 강성피스톤이면 기본 '모드'는 에이겐값 λ_po=1 을 갖고 식(4)의 커플링 결합시스템의 눈금표시 변수는 다음 식(10)의 [1]과 같은 공지의 관계로 정리된다.

(10)

이것은 엔클로우저 공기부피의 기계 컴플라이언스 C_mb= C_ab/A₀ ²와 같다.

DM 확성기에 대한 쉘로우백 엔클로우저의 영향을 다양한 실험을 통해 조사했다. 엔클로우저 내 DML 패널의 작용을 관찰하는 것 이외에도, 이돌적인 모델을 ㅎ입증하고 상기한 모델이 DML 패널 및 이것의 엔클로우저의 결합모드형 시스템의 작용을 예측함에 있어서 적절한 정밀도를 달성하기 위해 여러가지 실험을 계획하였다.

2가지 다른 크기와 벌크성의 DML 패널을 시험대상으로 선택했다. 이들은 한편으로는 충분히 다른 크기를 다른 한편으로는 스케일에 있어서 적절한 범위를 커버할 수 있는 정도의 벌크성 차이를 갖는 것이다. 처음의 'A'군은 3가지 다른 벌크 기계적 성질을 갖는 149mm x 210mm 의 A5 크기 정도의 작은 패널을 선택했다. 이들은 폴리카보네이트 벌집구조 상의 폴리카보네이트 스킨으로 된 A5-1, 로하셀 상의 카본파이버로 된 A5-2; 및 로하셀에 스킨이 없는 A5-3 이다. 'B'군은 약 420mm x 592mm 의 A2 크기 정도의 패널로 상기 패널의 8배 정도가 되는 것을 선택했다. A2-1 은 폴리카보네이트 벌집코어 상에 유리섬유 스킨을 갖고, A2-2는 알루미늄 벌집구조 상에 카본파이버 스킨을 가진 것이었다. 표1은 상기 대상물의 벌크성을 열거한 것이다. 최적 위치에서 단일의 전기역학적 이동 코일 여자기로 작동실행하였다. 2가지 종류의 여자기를 사용했으며 시험대상인 패널의 크기에 가장 적합한 것이었다. A2 패널의 경우 25mm 여자기를 B1=2.3 Tm, Re = 3.7Ω 및 Le = 60μH 의 조건으로 사용되었으며, 13mm 모델은 B1 =1.0 Tm, Re = 7.3Ω 및 Le = 36μH 조건의 더 작은 A5 패널에 대해 사용되었다.

패널	종류	B(Nm)	μ(Kg/m2)	Zn (Ns/m)	크기(mm)
A2-1	PC 코어 상의 유리	10.4	0.89	24.3	5 x 592 x 420
A2-2	AI 코어 상의 탄소	57.6	1.00	60.0	7.2 x 592 x 420
A5-1	PC 코어 상의 PC	1.39	0.64	7.5	2 x 210 x 149
A5-2	로하셀 상의 탄소	3.33	0.65	11.8	2 x 210 x 149
A5-3	로하셀 코어	0.33	0.32	2.7	3 x 210 x 149

패널은 서스펜션 및 음향밀폐를 위해 연성 폴리우레탄 발포물을 사용하여 깊이 조정된 백 엔클로우저 상에 고정된다. 엔클로우저의 깊이는 'A'군의 경우 각각 16, 28, 40 및 53mm 이었으며 'B'군의 경우 20, 50, 95 및 130mm 이었다. 매 시험 케이스에 대해 엔클로우저 깊이별로 여러가지 측정을 실시하였으며 그 결과를 기록하였다.

패널 속도 및 변위는 레이저 진동측정계로 측정하였다. 문제의 주파수범위는 1600 포인트의 선형 주파수 눈금크기 내에서 측정하였다. 도 16에서의 셋업으로 가해진 힘 대 구동점에서의 패널 속도의 비를 계산하여 패널의 기계 임피던스를 측정하였다.

Z_m= F/V

이 방법에서, 가해진 힘은 여자기의 파라미터군 정보로부터 구하였다. 패널 속도 자체는 전자기계 회로 속으로 피드백되었으나 그 커플링결합은 매우 약하다. 작은 값의 여자기 (B1),(1-3 Tm)에 대하여, 구동증폭기 출력 임피던스가 낮을 때(일정전압), 전자기계 시스템에 대한 모드형 커플링은 매우 작아서 이 가정을 쓸 수 있는 것으로 확인하였다. 이 근사치에 따른 작은 에러값은 무시하였다. 도 18a 내지 f 는 A5-1 및 A5-2 패널의 기계 임피던스를 도시하며 이것은 패널속도 측정값 및 레이저 진도측정계에 의해 측정된 힘으로부터 유도된 것이다. 각 엔클로우저 깊이에 대한 임피던스 최소치가 시스템 공진모드에서 발생하는 것에 주의한다.

각종 패널의 사운드압력 수준 및 극방향 응답은 350m²의 큰 공간내에서 측정하였으며 측정값에 따라 MLSSA 를 이용하여 무울림 응답에 대해 12 내지 14ms 에서 수득하였다. 도 17b 및 도 17a의 셋업에서 도시한 바와 같이, 9-마이크로폰 어레이 시스템을 이용하여 전력을 측정하였다. 이들은 엔클로우저 깊이 변화에 대해 도 19a 내지 f 에서 그래프로 도시하였다. 시스템 공진은 그래프 상에서 표시자로 집중표시하였다.

A5-1 및 A5-2 패널의 극방향 응답은 28mm 깊이 엔클로우저에 대해 측정하였으며 그 결과는 도 20a 및 b에서 보는 바와 같다. 도 1의 자유 DML의 극방향 그래프와 비교하여, 향상된 지향성에서 클로우즈드 백 DML의 중요성을 보여준다.

패널 작용에 대한 엔클로우저의 성질 및 작용효과를 연구하기 위해서, 특히 조합된 시스템 공진시 특수지그를 제작하여 도 21에서 보는 바와 같은 9개의 예정 지점에서 엔클로우저의 내부압력를 측정할 수 있게 했다. 마이크로폰을 A5 엔클로우저 지그의 백플레이트 속에 제공된 1개의 예정깊이의 호올속에 삽입하였고 다른 8개 위치의 구멍은 경화고무 그로밋으로 치밀하게 막았다. 마이크로폰은 적절한 고무그로밋을 써서 측정기간 중 엔클로우저로부터 기계적으로 고립시켰다.

이 데이타로부터, 도 22a 내지 c에서 보는 바와 같이 주파수의 양측면에 시스템 공진시의 압력분포를 보여주는 등고선 그래프를 얻었다. 압력 주파수응답 역시 도 23에서 보는 바와 같은 9개의 위치에 플롯하였다. 이 그래프는 엔클로우저 내의 측정점과 연계된 모든 곡선에 대해 공진영역 내에 분명한 한계선을 표시한다. 그러나, 압력은 주파수가 증가하면 엔클로우저 단면적에 걸쳐 변화하는 경향이 있다.

패널의 속도 및 변위의 수직성분을 스캐닝 레이저 진동측정계로 측정하였다. 패널에 대한 속도 및 변위분포를 플롯화하여 커플링 결합시스템의 공진 주변의 패널작용을 조사하였다. 그 결과를 기록하여 다수의 케이스에 대해 도 24a 내지 dㅇ에 도시하였다. 이 결과는 공진시 패널의 팀파니 모드형 작용을 패널 전체의 이동으로써 제시하나 이보다 더 낮은 속도 및 변위에서도 패널엣지 방향으로 이동한다.

실제에 있어서, 이 작용은 패널의 모든 경계조건에서 구현되며 그럼에도 모드유형은 케이스별로 패널강도, 질량, 크기 및 경계조건 등을 포함한 복합적인 파라미터군에 따라 변화할 것이다. 한계에서 및 무한 강성패널에 있어서, 이 시스템 공진성은 엔클로우저 공기부피의 강도에 작용하는 피스톤의 기본 강성본체 방식과 같다. DML 시스템 공진, '본체방식' 혹은 WBM를 요청하기 편리한 것으로 밝혀졌다.

커플링 결합 시스템의 이론적 유도는 뉴트랜스듀서사의 소프트웨어에서 실행하엿다. 이 패키지 버전으로 본 내용의 시험 대상의 기계음향작용을 시뮬레이션하는데 사용했다. 이 패키지는 패널, 여자기 및 프레임이나 엔클로우저와의 기계음향적 인터페이스와 관련된 전기, 기계 및 음향변수 모두를 고려할 수 있으며 다른 파라미터 중에서도 전체 시스템의 원거리영역 음향압력, 전력 및 지향성 등을 예측한다.

도 25a는 양측면으로부터 균등한 자유공간내로 방출하는, 프레임 내에 클램프 고정된 방출형 A5-1패널의 로그-속도 스펙트럼을 도시한다. 실선은 시뮬레이션 곡선을 도시하며 점선은 측정속도 스펙트럼이다. 저주파수에서 패널은 여자기와 공진한다. 1000Hz 이상의 주파수 범위에서의 불일치는 시뮬레이션 모델의 자유영역 방출 임피던스의 결여에 기인한다.

도 25b는 도 25a와 동일한 패널을 도시하나 패널의 각 면에 하나씩 2개의 동일한 엔클로우저를 적재한 점이 상이하며 패널과 동일한 단면적 및 24mm의 깊이를 갖는다. 패널 한면의 자유영역의 방출 임피던스를 배제하고 자유영역 방출 임피던스와 무관한 실험을 실행하기 위하여 2중 엔클로우저를 설계 및 사용하였다. 이 연구소에서의 셋업은 이론의 입증을 위해서만 사용하였음을 주지해야한다.

패널의 속도측정을 위해, 2개의 엔클로우저의 후벽을 투명재질로 만들어 패널면에 대한 레이저빔의 접근을 가능하게 한다. 이 시험은 스킨이 없고 다른 벌크성을 가진 로하셀 패널 A5-3을 사용해서 반복하였으며 그 결과는 도 26a 및 b에서 보는 바와 같다. 양측 경우에서 200포인트 로그범위를 써서 시뮬레이션을 실행하였고, 레이저 측정은 1600포인트 선형범위에서 실행하였다.

상술한 이론 및 실험으로부터, DML에 정착된 소형 엔클로우저는 다수의 장점에도 불구하고 1개의 결점을 가지고 있음이 밝혀졌다. 이것은 도 27a 및 b에서 도시한 바와 같은 시스템 공진시 WBM으로 인한 전력과잉을 조정한다. 이 정점을 벗어난 다른 모든 측면에서 DML은 전력 대역폭 증가를 포함한 사실상 우수한 기능향상을 제공할 수 있다.

대부분의 경우 전력응답 정점과 매치되는 적절한 Q의 간단한 2차 밴드스탑 평형 네트워크를 설계하여 응답정점과 평형화시킬 수 있음이 밝혀졌다. 더우기, 어떤 경우는 단일극 하이패스 필터는 LF영역을 경사지게 하여 자주 이것을 조정하고 광범위한 수평 전력응답을 제공한다. DML 패널 및 저항적 전기 임피던스 응답의 고유성 때문에, 필터가 능동 혹은 수동이거나 이것의 디자인을 극히 단순화 해야한다. 도 28a 는 밴드스탑 수동필터를 평형화를 위해 설치하는 경우를 도시한다. 또다른 실시예는 간단한 극 EQ를 확성기와 직렬 연결된 커패시터와 함께 도시한 도 28a 및 c에서 나타낸다.

자유 DML을 벽 근처 혹은 이와 평행하게 사용할 때는 이것의 고유 복합2극성 때문에 벽과 최소한의 상호작용을 하도록 특별한 주의가 요망된다. 이 상호작용은 경계면에 대한 거리의 함수이며 따라서 동일하게 고정시킬 수 없다. 패널의 오나전 배플처리는 시스템의 저주파수 응답을 연장함에 있어서 큰 장점을 갖지만 다수의 응용분야에서 실현가능한 정도가 되지 않을 때도 있다.

DML과 함께 사용되는 극소 엔클로우저는 직접환경과 무관하게 만들고 음향기능 상에서 예측가능한 시스템으로 만든다. 전개된 수학적 모델에서 커플링 결합 시스템 내의 DML에 대한 복잡도 수준을 나타낸다. 이것은 DML의 예측 및 설계간의 극명한 대비를 보여주며 및 통상의 피스톤 라디에이터의 그것과 현저히 다른 것이다. 원추-상자의 기계음향적 특성을 비교적 간단한 계산으로 (수계산으로도 가능한) 찾아낼 수 있는 반면에 DML 및 이것의 엔클로우저와 연관된 것은 복잡한 상호작용관계 때문에 적절한 도구없이는 에측하기 불가능한 시스템이 된다.

엔클로우저 부피의 변경에 따른 시스템기능의 변화는 깊이가 패널치수와 비교하여 더 작을 경우 특히 현저하다. 그러나, 특정한 깊이 이하일 때는 LF 응답의 증가가 한계에 부딪치는 것을 발견할 수 있다. 이것은 물론 엔클로우저 내 강성피스톤의 작용에 연루된 것이다. 한 예로서, 50mm 엔클로우저 깊이의 A2 크기 패널은 도 24에서처럼 약 120Hz 까지 하향연장하는 대역폭을 갖도록 설계할 수 있다.

소형 엔클로우저를 갖춘 DML의 또다른 특징은 시스템의 중간 및 고주파수 응답에서 현저한 개선이 이루어짐을 보여준다. 이것은 본 내용에서 측정 및 시뮬레이트된 그래프의 대부분 및 이론상으로도 그러하다. 패널 시스템 모드성의 증가는 대부분 이러한 개선에 역할하나, 엔클로우저 손실 역시 시스템 전체 댐핑을 증가시키면 이것에 영향을 미칠 수 있다.

패널 후방의 방출을 포함하는 결과로서, 시스템의 지향성은 도 17에서 보는 바와 같이 양극형에서 카다이오드 작동까지 변화한다. 클로우즈드-백 DML에 관련된 지향성은 더 강항 수평수용력이 요구되는 응용분야에서 이용할 수 있을 것으로 생각된다.

전력응답 측정치는 대부분 보상이 필요한 과량의 에너지영역을 관측하기 위해, DM시스템과 함께 동작할 때 가장 유용한 것으로 밝혀졌다. 이것은 DM 확성기 상에서 실행되는 다른 작업과 동시에 수행되며 전력응답이 DML의 기능과 상호관련하는 가장 대표적인 음향측정치로 확인되었기 때문이다. 전력응답을 이용함에 있어서, 전력응답을 평형화하기 위해서 실제로 간단한 밴드패스 혹은 단극 하이패스 필터만 있으면 되는 것으로 밝혀졌다.

Claims (11)

1. 대향하는 면을 갖춘 공진형 다중방식 음향패널 및 패널의 한면의 일부를 둘러싸고 상기 부분으로부터 나온 음향방출을 수용하도록 배치된 공동을 한정하는 수단으로 구성된 음향장치에 있어서,

   상기 공동이 패널의 모드형 동작을 변형시키도록 된 것을 특징으로 하는 음향장치.
2. 제1항에 있어서,

   공동 크기는 패널의 모드형 동작을 변형시킬 수 있는 정도인 것을 특징으로 하는 음향장치.
3. 제2항에 있어서,

   공동이 얇은 것을 특징으로 하는 음향장치.
4. 제3항에 있어서,

   공동은 상기 하나의 패널면에 대향하는 공동의 후면이 패널에 대한 유체의 결합을 유도할 수 있을 정도로 충분히 얇은 것을 특징으로 하는 음향장치.
5. 제4항에 있어서,

   X 및 Y 교차방식이 일반적으로 우세한 것을 특징으로 하는 음향장치.
6. 전술한 어느 항에 있어서,

   공동이 밀폐된 것을 특징으로 하는 음향장치.
7. 전술한 어느 항에 있어서,

   공동부피 대 패널면적(ml/cm²)의 비가 10:1 내지 0.2:1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 음향장치.
8. 전술한 어느 항에 있어서,

   패널은 공동 한정수단의 내부에 설치 및 주변부에 의해 상기 수단에 밀폐되는 것을 특징으로 하는 음향장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 주변부는 탄성인 것을 특징으로 하는 음향장치.
10. 전술한 어느 항에 의한 음향장치를 포함하고 및 음향 출력을 생성하기 위해 공진패널에 굴곡파 진동을 공급하도록 배치된 진동여자기를 구비한 것을 특징으로 하는 확성기.
11. 공진패널을 경계면에 근접하게 설치하여 이들 사이에 공진성 공동을 형성시키는 것을 특징으로 하는 공진패널 음향장치의 모드형 동작을 증대시키는 방법.