KR20030036075A - 지지되는 여진기와 컴플라이언트 서라운드를 구비한 평판음향 방사기 - Google Patents

지지되는 여진기와 컴플라이언트 서라운드를 구비한 평판음향 방사기 Download PDF

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암스트롱 월드 인더스트리이즈, 인코포레이티드
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
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Abstract

현존 평판 음향 방사기 시스템보다 상당히 높은 음량레벨로 고품질의 음향을 재생하기 위한 개선된 평판 음향 방사기 조립체가 제공된다. 상기 조립체는 외피 사이에 끼어 있는 코어를 가지는 평판 방사기를 포함한다. 벌집모양 구조가 바람직한 코어, 그리고 외피는 음향 재생시 신호대잡음비와 저음부 응답이 상당히 향상되는 재료로 만들어진다. 평판 방사기는 프레임 내에 놓이고, 방사기의 가장자리는 컴플라이언트 서라운드에 의하여 프레임에 이동가능하게 결합된다. 전통적인 자석 구조물이어도 무방한 여진기는 방사기의 내면으로부터 거리가 떨어져 있는 브릿지 구조물에 장착 및 지지되고 보이스 코일 조립체를 통해서만 방사기에 결합된다. 사용시에 방사기는 특정 음향레벨 역치 아래로는 분포모드 재생을 통하여 음향을 생성한다. 그러나 고음량레벨 또는 깊이 있는 저음 음향에 대응하는 큰 진동이 방사기에 전해지면, 컴플라이언트 서라운드는 방사기 패널 전체의 피스톤식 거동을 수용하여 이러한 음향을 실질적으로 피스톤 모드로 재생하도록 한다.

Description

지지되는 여진기와 컴플라이언트 서라운드를 구비한 평판 음향 방사기{Flat panel sound radiator with supported exciter and compliant surround}
본 발명은, 일반적으로 음성 변환기(tranducer)에 관한 것으로, 특히 오디오 프로그램을 재생하기 위하여 종래의 콘(cone) 대신 평판(flat panel)을 변환기(transducer) 또는 여진기(exciter)에 의하여 진동시키는 평판 음향 방사기에 관한 것이다.
종래의 콘형(cone-type) 스피커에 있어서는, 종이, 플라스틱, 알루미늄 또는 다른 적당한 재료로 만들어진 콘이 콘의 가장자리를 빙 두르는 유연성이 있는 서라운드(surround)와 콘의 꼭지점 부근에서 콘을 빙 두르는 원주방향으로 골이 진 스파이더(spider)에 의하여 견고한 프레임에 장착 및 지지된다. 콘은 음향의 방사면으로서, "보이스 코일 틈새(voice coil gap)" 내의 강력한 자기장의 존재 하에서 보이스 코일(voice coil)을 통하여 흐르는 전류의 상호작용에 의하여 발생되는 기계적인 힘을 주변의 공기로 전달한다. 보이스 코일은 속이 빈 원통형 감기틀(bobbin)에 나선형으로 감긴 도선의 조립체이며, 콘의 꼭지점에서 콘에 부착되고 스피커 프레임의 뒤쪽에 장착된 자석모터조립체의 고리형 틈새 안으로 연장된다. 따라서 콘과 보이스 코일을 합친 조립체는 축방향으로는 자유롭게 움직일 수 있지만 다른 방향으로의 운동은 제약을 받는다.
보이스 코일은 오디오 증폭기에 연결되며, 오디오 증폭기는 재생될 음향과 유사한 크기 및 시간 특성을 가지는 교류전류를 보이스 코일에 보낸다. 이 전류는 다시 등식 F=Bli (F는 힘, B는 코일 주변의 자속(magnetic flux), l은 보이스 코일 도선의 길이, 그리고 i는 전류임)에 따라 상기 가동 몸체에 작용하는(가속시키는) 힘을 발생시킨다. 이 힘은 보이스 코일을 자기장 내에서 축방향으로 가속시킨다. 보이스 코일 감기틀은 이 힘을 콘의 꼭지점에 전달하여 콘을 진동시키고 이로써 원래의 오디오 프로그램을 재생하여 청취구역으로 내보낸다.
저음 스피커, 즉 우퍼(woofer)의 경우에는, 콘은 콘의 지름보다 더 큰 파장을 갖는 음향 에너지를 위한 피스톤으로 작용한다. 이는 보통 약 1 내지 2 ㎑ 이하의 오디오 주파수에 대응한다. 이보다 높은 오디오 주파수에 대해서는(즉, 스피커의 피스톤식 작동 범위를 넘어서면), 우퍼의 음향 재생은 거칠고 시끄러워진다. 이것은 상기 주파수는 우퍼에서 피스톤 운동에 의해서가 아니라 콘이 휘어지면서 콘의 꼭지점에서 가장자리까지 흐르는 잔물결을 일으켜 재생되기 때문이다. 이러한 사정 하에서는, 콘의 "자체 잡음"을 결정하는 콘의 재질 자체의 음향 특성이 음향 재생시의 음색 변화에 지대한 영향을 미친다. 자체 잡음의 실례(實例)로서, 알루미늄 박판을 공기중에서 빠르게 흔들면 박판이 휘어지면서 잔물결이 발생하여 흐르고, 이는 덜걱거리는 소리, 즉 "천둥" 소리를 방출시키는 결과가 된다. 이것이 박판의 자체 잡음이다. 종이 콘 조차도 휘어지면서 잔물결이 발생하여 흐르게 되면 "콘의 고함소리(cone cry)"를 방출한다. 대조적으로, 실크 스카프는 공기중에서 빠르게 흔들어도 거의 아무런 자체 잡음도 발생시키지 않는다.
이와 같이, 스피커 콘을 만드는 재료의 물리적 성질은 스피커의 자체 잡음에 큰 영향을 미칠 수 있다. 우퍼에서 자체 잡음을 유발하는 굴곡거동(flexing motion)을 피하기 위하여, 종래의 대부분의 2 및 3웨이(way) 라우드스피커(loudspeaker) 시스템은 더 긴 파장의 주파수만이 우퍼로 전달되도록 하는 로우패스필터(low pass filter)를 포함하는 전기적 또는 전자적인 "크로스오버"를 사용한다. 더 높은 주파수들은 크로스오버에 의해 시스템상에 있는 더 작은 크기의 미드레인지(midrange) 스피커 및/또는 트위터(tweeter)로 보내지며, 이들은 오디오 프로그램의 중간 가청 주파수 및 고주파수 부분을 재생한다.
현대의 라우드스피커 시스템에서 사용되는 트위터 및 다른 고주파수 변환기(transducer)들에 대해서도 유사하게 고찰해 볼 수 있다. 많은 이같은 변환기들은 실크, 폴리카보네이트 또는 마일라(Mylar)(플라스틱), 또는 금속(알루미늄 또는 티타늄) 재질로 된 작은(통상 직경 1인치 정도) 돔(dome)을 사용한다. 알루미늄 또는 폴리카보네이트 돔 트위터를 손가락으로 쿡 찔러서 굴곡시키면, 돔의 자체 잡음을 들을 수 있다. 돔은 딱딱 소리 잡음(crackling noise)을 방출할 것이다. 따라서 이같은 돔은 자체 잡음이 비교적 크다고 할 수 있다. 대조적으로, 실크 돔 트위터의 진동판(diaphragm)을 손가락으로 쿡 찌르면, 비교적 조용하게 굴곡될 것이다. 실크 돔 트위터는 자체 잡음이 작다고 할 수 있다.
트위터의 자체 잡음은 오디오 프로그램을 재생할 때 돔에 유발되는 진동에 의한 굴곡에 의해서도 발생한다. 그러나, 자체 잡음은 통상 트위터의 상부 주파수응답영역의 작은 일부분에서만 들을 수 있으므로, 이는 종래의 라우드스피커 시스템 설계시에는 일반적으로 부차적인 고려대상이다. 고품질의 라우드스피커 시스템은 대개, 시스템 내의 다양한 스피커들의 자체 잡음을 최소화하여, 원래의 오디오 프로그램 소재를 무관계한 조정, 의사(擬似) 공진 및 기타 자체 잡음의 음향 특성이 없이 가능한 한 맑고 정확하게 재생하도록 설계된다(즉, 큰 신호대잡음비를 나타내도록 설계된다).
스피커 콘과 돔을 제작하는 재료의 물리적 성질 및 재료특성이 스피커의 자체 잡음에 큰 영향을 미친다는 것은 위의 논의로부터 분명하게 알 수 있다. 일반적으로 이러한 성질에는 재료의 강성, 인장강도, 두께, 밀도, 영율(Young's modulus)(E) 및 내부적인 감쇠 특성 등이 있다. 진동판(diaphragm) 재료에 있어서 중요한 또 다른 요소는 재료 내에서 소리의 속력이다. 균질한 재료에서는, 소리의 속력은 밀도에 대한 영율의 비의 제곱근과 같다. 감쇠는 "손실 인자"(즉 μ) 또는 "탄젠트 델타"에 의해 판단되며, 둘 다 에너지를 소산(消散)시켜, 감쇠되지 않은 경우 원치않는 소리, 즉 잡음의 형태로 구조로부터 방사될 수 있는 진동을 감쇠시키는 재료 또는 구조의 능력을 나타낸다. 스피커의 콘과 돔을 제작하는 재료로서, 주어진 주파수대역, 감도 및 음향출력레벨에서 효율적인 재생과 최고의 신호대잡음비를 제공하는 최적의 재료를 결정하는 것은 오랫동안 라우드스피커 설계자들이 추구해온 바이다.
최근에는, "평진동판" 또는 "평판" 음향 방사기가 인기를 얻고 있다. 본 명세서에서 "평"이라는 용어는 상대적인 의미로 사용되었으며, 진동판이 더 이상 그 깊이가 대충 거의 그 직경만큼 되는 전형적인 콘 스피커가 아니라는 사실을 가리키는 것이다. 본 명세서에서 논의되는 평판 음향 방사기는 0.5 제곱미터 이하 정도의 방사영역에 대하여 수 밀리미터 정도의 두께를 유지한다. 다른 실시예에서는, 예컨대 0.5 제곱미터 이상의 방사영역에 대해서는, 두께를 더 두껍게 할 수도 있다. 또는, 또 다른 실시예에서는, 이 평판 음향 방사기에 다수의 보다 얇은 진동판을 사용할 수도 있으며, 아니면 크기를 축소시켜 더 작은 방사기(아마도 1/10 제곱미터 이하 정도)로 만들 수도 있다. 본 명세서에서 "평"은 폴리머 필름 진동판이나, 원동력의 전기역학적 또는 정전기적 발생을 이용하는 라우드스피커와 진동판 자체를 보이스 코일("리본")로 사용하는 라우드스피커나, 기계적 힘의 압전(piezo-electric) 발생을 이용하는 스피커 등은 포함하지 않는다.
평판 음향 방사기는 일반적으로 전기기계적인 변환기, 즉 여진기에 의하여 여진 또는 구동되어 패널을 진동시킴으로써 음향을 생성하는 평평한 공명판을 포함한다. 여진기는 종종 패널의 뒤쪽에 직접 장착되며, 오디오 증폭기로부터 가청주파수의 신호를 받으면 이로 인한 기계적인 진동을 패널로 전달한다. 평판 음향 방사기는 많은 유익한 용도를 가진다. 예를 들면, 건물 내의 음향 배분 시스템의 구성요소로서, 전통적인 천장패널을 대신하여 달천장(suspended ceiling) 시스템의 격자(grid)에 설치하는 것 등이다.
NXT로도 알려진 영국의 뉴 트랜스듀서즈 리미티드(New Transducers Limited)와 필리핀의 다이-이치(Dai-Ichi)와 같은 회사들에 의해 평판 음향 방사기의 개발에 관한 많은 연구개발이 이루어졌다. 평판 음향 방사기 기술의 여러 가지 측면에 대한 수많은 특허가 NXT, SLAB, BES, Sound Advance 등에 허여되었으며, 이 특허들의 개시사항은 본 명세서에 포함시켜 참조함으로써 본 명세서에서 충분히 개시되도록하였다.
주로 스피커 콘의 피스톤식 거동을 통해 음향을 생성하는 종래의 콘 및 돔 스피커와 달리, "분포모드(distributed mode)" 재생으로 알려진 작용에 의해 음향을 재생하는 평판 음향 방사기의 일 부류가 있다. 그래서 평판 음향 방사기는 종종 분포모드 음향 방사기로 알려져 있다. 이 같은 음향 방사기에서는 일반적으로, 전통적인 전기역학적(electro- dynamic) 보이스 코일 및 자석 형식이 보통이지만 압전세라믹(piezo-ceramic)으로 구성될 수도 있는 여진기가 평판 방사기의 소정 위치에 결합되어 작동한다. 증폭기로부터 가청주파수(audio frequency) 신호가 공급되면, 여진기는 진동에 의한 국소적인 굽힘을 음향의 주파수로 패널에 전한다. 이 굽힘 모드 진동은 패널을 통하여 여진기의 위치로부터 패널의 가장자리를 향하여(아마도 패널의 가장자리까지) 전파(傳播) 내지는 분포된다. 굽힘 파동은 패널을 통하여 전파되는데, 일반적으로 파동의 속력이 주파수에 따라 변한다. 여진기의위치로부터 멀어지며 넓어지는 파동 선단(先端)의 형상은 이상적인 종래의 콘 스피커에서처럼 매끄럽게 팽창하는 일련의 동심원 모양의 파동으로 유지되는 것은 아니다. 여러 가지 굽힘 모드가 패널의 구조물 내에서 여기(勵起)되는데, 이는 패널의 형상에 따라 달라질 뿐 아니라(정사각형 패널은 원형, 직사각형, 타원형 등의 패널과 다르게 진동한다) 부분적으로 패널의 가장자리의 경계조건에 따라서도 달라진다. 또한, 패널의 형상에 변형을 가하여 사이사이에 들어가 있는 적절한 굽힘 모드를 두드러지게 할 수도 있다. 다양한 공명 모드 진동이 패널 전체에 걸쳐서 확산되고 음향 측면에서 주위 공기와 연계되어 오디오 프로그램의 음향을 근본적으로 비피스톤식으로 재생한다.
지금까지의 평판 음향 방사기의 문제점들 중 하나는 본질적으로 신호대잡음비가 작아서 재생하는 음향의 질이 비교적 낮았다는 것이다. 컴퓨터 스피커와 같은 일부 저급한 적용예에 평판 음향 방사기를 사용할 때에는 이 문제가 별로 중요하지 않았지만, 큰 신호대잡음비를 요구하는 고급 또는 하이파이 애호가용 스피커 시스템에 있어서는 이 문제 때문에 평판 음향 방사기 기술이 별로 만족스럽지 못하였다. 게다가, 종래의 평판 음향 방사기의 평진동판은 일반적으로 큰 진폭을 표현하지 못하였으며, 이 때문에 저주파수 응답이 형편없었고 음량한계가 비교적 작았다. 이 한계들은 상당부분 평판 음향 방사기의 진동판을 만드는 재료를 잘못 선택한 때문이었다. 이 재료에는 패널의 벌집모양 코어의 재료, 외피의 재료, 그리고 앞의 두 요소들을 접착시키는 접착제까지 포함된다. 이 문제와 그 해결책은 동시에 출원계속중인 본 출원인의 미국특허출원 "향상된 오디오 성능을 가지는 평판 음향 방사기"에서 자세하게 논의되고 있으며, 그 개시된 내용은 본 명세서에 포함시켜 참조함으로써 본 명세서에서 충분히 개시되도록 하였고, 이후로는 그 개시된 내용을 "포함된 개시사항"이라고 지칭한다. 하지만 일반적으로 해결책은 최적화된 물리적 성질 및 오디오 특성, 즉 유연성, 인장강도, 영율(Young's modulus), 탄젠트 델타, 그리고 작은 자체 잡음 등을 가진 재료를 선택하는 것이고, 이로써 근본적으로 개선된 신호대잡음비와 저주파수 응답을 나타내는 평판 음향 방사기를 얻었다.
종래 평판 음향 방사기의 또 다른 문제점은 예를 들어 극장용이나 상업용 스피커 시스템에 사용하기 위해 필요한 더 큰 크기로 크기를 키울 수가 없었다는 점이다. 이는 상술한 종래 평판 음향 방사기의 일반적으로 낮은 음질 및 음량한계 외에도 여러 가지 문제에 기인한 것이었다. 예를 들어, 종래의 평판 음향 방사기의 크기를 키워서 큰 음량으로 및/또는 훌륭한 저음을 재생하도록 하려면, 필요한 큰 진폭을 패널에 전할 수 있는 무거운 자석 구조물이 부착된 보다 큰 여진기가 필요하다. 과거에는 평판 음향 방사기 시스템의 여진기를 일반적으로 패널 자체에 직접 장착하였는데, 이와 같은 방법은 여진기를 확대하여 보다 크고 무겁게 할 경우에는 여러 가지 이유로 실현가능성이 없다. 예를 들어, 패널에 장착된 무거운 여진기는 패널에 의한 음향의 재생을 방해하는 음향 감쇠기로 작용한다. 게다가 늘어난 무게는 수평장착시에는 패널을 늘어지게 하고, 수직장착시에는 패널을 비틀리게 한다. 패널에 직접 장착된 무거운 여진기는 운송도중 패널을 손상시키거나 패널을 찢고서 패널에서 완전히 떨어져 나갈 수 있다.
전통적인 평판 음향 방사기의 크기를 키우는데 있어서 또 다른 장애물은 높은 음량레벨을 및/또는 훌륭한 저음부 응답을 생성하기 위해서는 반드시 패널을 (더 무거운 여진기에 의해) 보다 강렬하게 구동하여 패널에 더 큰 횡방향 진폭을 만들어내야 한다는 사실과 관계된다. 일정 시점에서 분포모드 재생의 특징인 패널에서의 굽힘, 굴곡, 그리고 파동 역학적 거동의 정도가 패널 재료와 패널 재료들을 한데 묶는 접착제의 탄성 한계 및 인장강도에 도달하게 된다. 패널이 이 한계를 넘어 구동되면, 패널의 재료가 파괴 및 변형되기 시작하고, 패널의 구성요소들을 하나로 합치는 접착제가 제 기능을 못하게 된다. 그 결과로, 패널 자체가 손상되거나 파괴되며 음향 재생기로 사용할 수 없게 된다. 패널이 역학적 및 물리적인 원형을 보존한다고 하더라도 패널이 그 탄성한계를 넘어서 구동되면 패널은 여진기로부터의 점차 강렬해지는 입력에 더 이상 응답하지 않는다. 이는 기계적인 클리핑(clipping) 효과를 낳아 재생되는 오디오를 왜곡하고 방사기의 음량 및 저주파수 응답 능력을 제한한다.
종래의 평판 음향 방사기의 크기를 키우면 부딪치게 되는 또 다른 문제는 더 커진 여진기 내의 보이스 코일의 증가된 크기 및 무게로부터 비롯된다. 보이스 코일을 크게 하려면 감은 도선 뭉치(windings)의 수를 늘리고 및/또는 그 뭉치 내의 도선의 감은 횟수(gauge of the wire)를 늘려야 하므로, 코일의 임피던스가 특히 고주파수에서 증가하게 된다. 게다가, 자기장 내에서 코일이 운동을 하므로, 코일 와인딩(winding) 및 주위의 도전(導電) 구조물에 유도되는 와전류(eddy current)가 증가함에 따라 코일의 무게와 관성이 자연스레 증가한다. 이 모든 효과들은 고주파수에서 여진기의 효율을 낮추는데 일조하므로 결과적으로 고주파수응답의 롤오프(roll-off)를 유발한다. 이와 같이, 큰 음량과 더 나은 저음부 응답을 위해 필요한 큰 진폭을 패널에서 생성하기 위해 여진기 구조물의 크기를 키우면, 방사기의 고주파수 응답은 이에 비례하여 저하되기 십상이다. 다수의 여진기(즉 저주파수 및 고주파수 여진기)를 패널에 장착하는 방법이 제안되었으나, 이 방법은 간섭과 기타 패널에서 재생되는 오디오의 질을 저하시킬 수 있는 다른 효과를 포함하여 그 자체로서 문제가 있다.
상술한 이유만으로도 평판 음향 방사기의 크기를 성공적으로 키우는 것은 이제껏 스피커 시스템 설계자들에게 쉽지 않은 목표였다. 그럼에도 불구하고 고음량레벨로 고품질의 오디오를 재생할 수 있고(즉, 높은 전력처리 능력을 보유하고), 우수한 주파수응답, 감도, 수명 및 내구성을 나타내는 크기의 확대가 가능한 개선된 평판 음향 방사기에 대한 수요는 존재한다. 본 발명의 주목적은 이와 같은 평판 음향 방사기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 원리를 바람직한 일 형태로 구체화한 평판 음향 방사기 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 방사기 시스템을 도 1의 A-A에서 본 단면도이며, 상기 시스템의 다양한 구성요소들의 바람직한 일 배치예를 도시한다.
간단히 설명하면, 본 발명은 크기가 확대되어 높은 전력처리 능력을 보유함으로써 고음량레벨로 오디오 프로그램을 재생할 수 있고, 가청 스펙트럼 전체에 걸쳐 뛰어난 주파수응답을 나타내며, 감도가 좋고 따라서 효율이 좋으며, 신호대잡음비가 큰, 개선된 평판 음향 방사기 시스템을 포함하여 구성된다. 따라서 상기 방사기 시스템은 지금까지 평판 음향 방사기가 환영받지 못했던 극장용이나 하이파이애호가용 음향 시스템과 같은 최고급 또는 프로 오디오 적용품에 사용하여 평판 분포모드 음향 재생의 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 방사기 시스템은 상기한 바 있는 포함된 개시사항에 상세히 설명되어 있는 것처럼 신중하게 선택된 재료와 접착제로 구성되는 평판 음향 방사기를 포함한다. 따라서, 패널은 당연히 훌륭한 음질과 큰 신호대잡음비를 나타낸다. 전통적인 고품질 라우드스피커와 유사한 히버모터구조(heaver motor structure)인 상기 시스템의 여진기는 패널의 뒤편에 놓인 지지구조물 즉 "브릿지(bridge)"에 장착 및 지지되어 있다. 여진기의 무게는 패널 자체가 아니라 브릿지에 의해서 지탱되며, 패널은 보이스 코일 조립체를 통해서만 여진기와 상호작용한다. 이러한 구조는 여진기를 지탱해야 하는 부담을 패널로부터 덜어주고, 패널의 움직임을 감쇠시키는 작용을 하는 여진기의 몸체를 제거하며, 또한 사실상 자석구조물의 크기에 대한 제한없이 여진기를 설계하여 패널을 필요한 만큼 강렬하게 구동할 수 있도록 해 준다.
반드시 금속제일 필요는 없지만 금속제로 하는 것이 바람직한 견고한 프레임이 패널의 가장자리 주위를 빙 둘러서 뻗어 있다. 브릿지는 양단이 프레임에 단단히 고정된다. 이렇게 해서 브릿지는 패널로부터 격리된다. 하지만 패널은 종래의 평판 음향 방사기에서처럼 프레임에 고정된 것이 아니며 따라서 가장자리 주위가 기계적으로 클램프(clamp)되어 있는 것이 아니다. 대신 패널의 가장자리는 어떤 점에 있어서는 전통적인 콘형 라우드스피커에 있어서의 컴플라이언트 서라운드(compliant surround)와 유사한 직사각형 컴플라이언트 서라운드를 통하여프레임에 결합된다. 서라운드는 유연하고 컴플라이언트한 적합한 재료이면 어떤 재료로 만들어도 무방하며, 반드시는 아니더라도 폴리프로필렌과 황화고무입자의 혼합물인 산토프렌(Santoprene)이나 부틸고무와 같은 고무로 형성되는 것이 바람직하다. 컴플라이언트 서라운드는 U자형, W자형 또는 아코디온형을 포함하여(그러나 이것으로 한정되는 것은 아님) 다양한 단면 형상 중 어떤 것으로도 형성할 수 있다. 달천장(suspended ceiling) 격자에 설치하기 위한 평판 음향 방사기와 같은 정사각형 또는 직사각형 평판 음향 방사기에서는 패널 가장자리의 각 면이 돌출된 직선 서라운드에 의해 프레임에 결합되는 반면, 다른 형상의 서라운드는 명백히 다른 형상의 패널에 적합하다.
컴플라이언트 서라운드는 저음량레벨(즉, 작은 진폭)에서의 순 분포모드 음향재생과 큰 음량레벨(즉, 큰 진폭)에서의 분포모드와 피스톤 모드의 복합재생 간의 기계적인 전이를 제공한다. 보다 구체적으로, 음량이 증가됨에 따라 여진기는 더욱 더 큰 진동거동을 패널에 전한다. 어떤 시점에서 패널은 손상없이는 더 굴곡될 수 없는 탄성한계에 가까워지기 시작한다. 하지만, 이 시점 또는 이 시점 바로 직전에서부터 본 발명에 따른 컴플라이언트 서라운드는 여진기로부터의 증가하는 입력에 대하여 패널 전체가 프레임 내에서 기본적으로 피스톤식으로 거동할 수 있도록 한다. 따라서 고음량레벨에서 여진기로부터의 입력에 대하여 패널은 음향의 일부는 분포모드 재생을 통하여 재생하고, 일부는 패널의 피스톤식 거동을 통하여 재생하는 "퍼덕이는 피스톤(floppy piston)"으로서 반응한다. 그 결과 순 분포모드 재생에 따른 한계보다 훨씬 더 큰 패널 진폭을 요하는 음향을 재생(즉, 고음량레벨 또는 깊이 있는 저음부를 재생)할 수 있는 평판 음향 방사기가 된다.
더 커진 보이스 코일 구조물의 증가된 몸체 및 임피던스 때문에, 또는 더 강력한 자기장에서 보이스 코일이 움직임으로써 생성되는 증가된 와전류 때문에 방사기의 고주파수 응답이 용인할 수 없을 만큼 열화되지 않도록 하기 위하여, 본 발명은 보이스 코일이 위쪽보다 아래쪽이 더 돌출되도록(underhung) 배열되는 여진기 구조를 포함한다. 고주파수 열화를 더욱 감소시키고 또한 고주파수 롤오프 시작점을 1 옥타브 가량 상향시키기 위하여, 여진기는 또한 예컨대 폴 피스(pole piece) 위에 씌우는 구리 캡(cap) 및/ 또는 와전류를 감소시키기 위한 알루미늄 쇼팅 링(shorting ring)과 같은 다른 특징들을 포함하는 것이 바람직하다. 보이스 코일의 인덕턴스(inductance)를 감소시키기 위한 다른 수단으로는 보이스 코일의 덩치를 줄이기 위하여 구리 도선 대신 알루미늄 도선 또는 구리피복 알루미늄 도선을 사용하는 것 및/또는 도선을 상기 보이스 코일의 가장자리에 감는 것("편평" 또는 "리본" 도선)이 포함될 것이다.
바람직한 실시예는 구리 폴 피스 캡 및 쇼팅 링이 구비된 구리피복 알루미늄 편평 도선 코일과 위쪽보다 아래쪽이 더 돌출된 보이스 코일 배열을 함께 포함하는 여진기를 포함하여 구성된다. 궁극적인 결과는 더 커진 자석 및 보이스 코일 구조물의 고주파수 롤오프 특징은 최소화하면서 고음량 및 확장된 저주파수 재생에 따른 큰 진폭을 생성하기 위한 큰 여진기가 장착된 평판 음향 방사기가 된다.
상술한 바와 같이, 종래기술의 문제점과 단점들에 성공적으로 대처하는 개선된 평판 음향 방사기가 이제 제공된다. 상기 시스템은 신중한 재료의 선택 및 패널의 구성 덕분에 자체 잡음이 작고, 신호대잡음비가 크며, 저음부 응답이 좋다. 더욱이, 상기 시스템은 높은 전력처리 능력, 우수한 저음부 응답과 높은 음량레벨을 위한 큰 진폭, 및 확장된 고주파수 응답을 제공하도록 크기를 확대할 수 있다. 따라서, 상기 시스템은 지금까지 평판 음향 방사기가 환영받지 못했던 상업용 프로 오디오와 최고급 오디오 응용품에 사용하기에 적합하다. 본 발명의 상기 및 기타 특징, 목적 및 장점은 아래에 개시된 상세한 설명을 첨부도면을 함께 참조하여 검토하면 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1 및 2는 본 발명의 원리를 바람직한 일 형태로 구체화한 평판 음향 방사기 시스템을 도시한다. 방사기 시스템은 시스템을 사용하고자 하는 최종 용도에 따라 다수의 크기 및 형상 중 어떤 것이라도 채택할 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 달천장 격자의 개구부 내에 장착하기 위한 평판 음향 방사기에 있어서는 패널은 직사각형 금속제 프레임 내에 장착될 수 있는데, 금속제 프레임은 방사기 패널의 서라운드를 지지하고 또한 패널을 덮으며 주변의 천장패널의 표면이 격자 내에서 노출된 것인 것처럼 보이도록 만들어질 수 있는 (음향학상 투명한)음향 전송 그릴을 위한 지지대를 제공한다. 본 명세서에서는 주로 이와 같이 달천장에 장착된 평판 음향 방사기의 관점에서 본 발명을 설명할 것이다. 그렇지만 본 발명이 그와 같은 배치에만 한정되는 것은 아님을 알 것이다.
도 1 및 2를 참조하면, 방사기 시스템(11)은 달천장 격자의 개구부 내에 꼭 맞는 크기로 되고 상기 개구부 내에서 지지되는 직사각형 금속제 프레임(12)을 포함한다. 평판 방사기(13)는 프레임(12) 내에 놓여져 프레임(12)에 둘러싸이며, 상기 포함된 개시사항에 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 오디오 프로그램을 재생할 때 작은 자체 잡음과 높은 신호대잡음비를 제공하도록 신중하게 선택된 재료 및 접착제로 구성된다. 평판 방사기(13)의 가장자리는 프레임(12)에 결합되고, 또한 전통적인 콘형 라우드스피커의 컴플라이언트 서라운드와 대체로 유사한 컴플라이언트 서라운드(17)에 의해 지지된다. 컴플라이언트 서라운드는 평판 방사기의 가장자리를 지지할 뿐 아니라 저주파수 및/또는 고음량레벨의 큰 진폭을 생성할 필요가 있을 때 패널 전체가 프레임에 대하여 횡방향으로 움직일 수 있도록 하기도 한다.
금속 또는 기타 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있는 견고한 브릿지(16)는 양단이 프레임(12)의 마주보는 버팀대(leg)에 장착되고, 평판 방사기(13)의 뒷면으로부터 거리를 둔 채 그 뒷면을 가로질러 뻗는다. 전기기계적인 모터 또는 여진기(14)는 브릿지(16)에 장착 및 지지되며, 감기틀(bobbin) 및 보이스 코일 조립체(27)를 통하여 평판 방사기에 결합되어 작동한다. 여진기(14)의 총 무게는 브릿지에 의해 지탱되고, 브릿지는 다시 그 무게를 금속제 프레임(12)을 거쳐 궁극적으로 달천장의 격자에 전달하므로, 평판 방사기(13)는 여진기의 무게로 인하여 감쇠되거나 비틀리거나 또는 기타 달리 형상이 왜곡되지 않는다. 게다가, 이제는 훨씬 더 덩치가 큰 자석 구조물이 구비된 여진기를 만들어 오디오 프로그램을 고음량으로 및/또는 깊이 있는 저음부를 재생하는데 필요한 보다 큰 횡방향 진폭으로 평판 방사기를 구동할 수 있다.
본 발명에 따른 방사기 시스템을 더 자세히 도시하고 있는 도 2를 좀더 자세히 참조하면, 프레임(12)이 평판 방사기(13)의 둘레에 전체적으로 뻗어 있는 것이보인다. 방사기(13) 자체는 높은 신호대잡음비와 향상된 주파수응답을 나타내도록 상기 포함된 개시사항의 상세한 논의에 따라 구성된다. 일반적으로 방사기(13)에는 한 쌍의 외피(21, 22) 사이에 끼어 있고, 벌집모양 구조로 되는 것이 바람직한 코어(23)가 있다. 외피는 접착제로 코어에 부착되어 완성된 방사기 패널을 형성한다. 코어와 외피 및 이들을 하나로 붙이는데 사용되는 접착제의 재료는, 상기 포함된 개시사항에 설명되어 있는 바와 같이, 작은 자체 잡음, 향상된 저음부 응답, 큰 감쇠 및 내구성을 나타내도록 신중하게 선택된다.
폼(foam) 또는 기타 다른 컴플라이언트한 적합한 재료로 만들어질 수 있는 격리 가스켓(28)이 프레임(12)의 내부 가장자리 부분의 둘레에 뻗어서 단단히 고정된다. 금속, 플라스틱, 또는 기타 다른 비교적 견고한 재료로 제작될 수 있는 부착 테(29)가 상기 격리 가스켓의 위쪽에 접착제로 단단히 고정된다.
컴플라이언트 서라운드(17)는 평판 방사기(13)의 가장자리 둘레에 뻗어서 이를 지지한다. 서라운드는 예를 들면, 폴리프로필렌과 황화고무입자의 혼합물인 산토프렌(Santoprene)이나 부틸고무 등의 고무와 같은 컴플라이언트하고 유연성이 있는 재료로 만들어진다. 서라운드(17)에는 내부 버팀대(19)와 외부 버팀대(20), 그리고 중앙부(18)가 있다. 서라운드의 내부 버팀대(19)는 평판 방사기(13)의 가장자리 부분을 따라 뻗으며, 적절한 접착제로 그 부분에 단단히 고정된다. 서라운드의 외부 버팀대(20)는 적절한 접착제로 부착 테(29)에 단단히 고정된다. 도시된 실시예에서 컴플라이언트 서라운드의 중앙부(18)는 대체로 U자형이다. 그러나 U자형, W자형, 또는 아코디온 형상 등 다른 형상을 택할 수도 있다. 어쨌든, 평판 방사기(23)의 가장자리는 패널의 횡방향 진폭을 수용하는 서라운드에 의해 컴플라이언트하게 지지된다는 것을 알 것이다. 이렇게 볼 때, 서라운드(17)는 전통적인 콘형 라우드스피커 시스템의 고리모양 컴플라이언트 서라운드와 유사한 방식으로 작용한다.
전기기계적인 여진기(14)의 자석 구조물은 브릿지(16)에 단단히 고정되어 지지되며 평판 방사기(13) 쪽으로 뻗는다. 원통형 감기틀 및 보이스 코일 조립체(27)는 패널(13)의 뒤쪽에 단단히 장착되고 전통적인 방식대로 자석 구조물의 틈새 내로 연장된다. 통상적으로 오디오 증폭기로부터 보이스 코일로 보내진 전기 신호는 보이스 코일을 자석 구조물의 자기장 내에서 움직이게 한다. 이는 다시 국소적인 굽힘과 횡방향 진폭을 패널에 전하여 오디오 프로그램을 재생한다.
여진기(14)의 내부 구조와 기능은 기본적으로 종래의 것이므로 여기서 아주 상세하게 설명할 필요는 없다. 하지만 상술한 바와 같이, 여진기와 자석의 크기 및 무게를 키워서 패널에 더 큰 오디오 에너지를 보내게 되면 일반적으로 일정한 문제들, 특히 증가된 임피던스에 의한 고주파수 응답의 열화, 와전류 등이 야기된다. 이 문제들에 대처하기 위하여, 본 발명의 여진기는 구리 폴 피스 캡 및 쇼팅 링이 구비된 구리피복 알루미늄 편평 도선 코일과 위쪽보다 아래쪽이 더 돌출된 보이스 코일 배열을 함께 포함하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 고주파수 롤오프의 시작을 1 옥타브 가량 높혀서 보다 큰 덩치의 여진기에 내재하는 고주파수 손실을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 평판 음향 방사기 시스템은 본질적으로 다음과 같이 작동하여 고음량 및 저주파수와 같이 큰 진폭을 요하는 음향을 재생한다. 오디오 프로그램이 저음량레벨로 방사기 시스템에 입력되면, 여진기에 의해 평판 방사기에 국소적인 굴곡이 유도된다. 이 굽힘 모드 진동은 패널을 통하여 여진기의 위치로부터 패널의 가장자리를 향하여(아마도 패널의 가장자리까지) 전파(傳播) 또는 분포된다. 굽힘 파동은 일반적으로 주파수에 따라 파동의 속력이 변하면서 패널을 통하여 전파된다. 여진기의 위치로부터 멀어지며 넓어지는 파동 선단(先端)의 형상은 이상적인 종래의 콘 스피커에서처럼 매끄럽게 팽창하는 일련의 동심원 모양의 파동으로 유지되는 것은 아니다. 여러 가지 굽힘 모드가 패널의 구조물 내에서 여기(勵起)된다.
오디오 프로그램의 음량이 증가하고 이에 따라 패널의 진폭이 증가하면, 패널의 코어, 점착성 접합부 및 외피의 탄성한계에 도달하게 된다. 탄성한계에서 패널 자체는 여진기로부터의 증가된 입력에 반응하여 그 이상의 굴곡에도 견디려 한다. 하지만 본 발명에 의할 경우, 패널 내부가 탄성한계에 도달하면, 컴플라이언트 서라운드가 순 분포모드 재생에서 피스톤식 및 분포모드 재생의 결합으로의 기계적 전이 또는 크로스오버를 제공한다. 패널은 본질적으로, 패널의 탄성한계 이하의 진폭에 대응하는 음향(즉 저음량 및 저레벨 베이스)은 분포모드재생에 의해 재생하고, 큰 진폭에 대응하는 음향은 패널 전체가 컴플라이언트 서라운드에 의해 지지되는 피스톤으로서 진동하는 피스톤식 재생에 의해 재생하는 "퍼덕이는 피스톤"으로 된다. 이와 같이, 패널 자체의 탄성한계에 의해 허용되는 것을 훨씬 넘는 음량레벨 및 저음부 컨텐트(content)를 패널로 구동할 수 있다.
본 명세서에서는 발명자가 알고 있는 발명을 실시하기 위한 최선의 실시예를 나타내는 바람직한 실시예와 방법론에 의하여 본 발명을 설명하였다. 하지만 청구범위에 개시된 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고서도 설명한 실시예에 많은 다른 부가, 삭제 및 변경을 가할 수 있을 것임은 당업자에게 명백할 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 고음량으로 고품질의 오디오를 재생할 수 있고, 우수한 주파수응답, 감도, 수명 및 내구성을 나타내며, 대형화가 가능한 개선된 평판 음향 방사기를 얻을 수 있다.

Claims (25)

  1. 프레임;
    앞면과 뒷면이 있고 상기 프레임 내에 놓여진 평판 방사기;
    상기 평판 방사기의 상기 뒷면에 설치된 보이스 코일;
    상기 프레임에 단단히 고정되고 상기 평판 방사기의 상기 뒷면과는 거리를 두고 놓여진 지지 구조물; 및
    상기 지지 구조물에 장착 및 지지되며 보이스 코일 틈새를 갖는 자석 구조물을 포함하고,
    상기 보이스 코일은 상기 보이스 코일 틈새 내로 연장되어 상기 평판 방사기로 진동거동을 전하는 평판 음향 방사기 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평판 방사기는 그 가장자리가 상기 프레임에 인접하고, 상기 평판 방사기의 상기 가장자리를 상기 프레임에 결합시켜 상기 평판 방사기의 피스톤식 거동을 수용하는 컴플라이언트 서라운드를 더 포함하는 평판 음향 방사기 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 고무 재료로 만들어진 평판 음향 방사기 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 부틸 고무로 만들어진 평판 음향 방사기 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 산토프렌?(Santoprene?)으로 만들어진 평판 음향 방사기 조립체.
  6. 제2항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 상기 평판 방사기에 부착된 내부 버팀대, 상기 프레임에 부착된 외부 버팀대 및 상기 내부 및 외부 버팀대 사이의 중앙부를 포함하는 평판 음향 방사기 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중앙부는 대체로 U자형인 평판 음향 방사기 조립체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 중앙부는 대체로 W자형인 평판 음향 방사기 조립체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 중앙부는 대체로 아코디온 형상인 평판 음향 방사기 조립체.
  10. 제2항에 있어서, 상기 평판 방사기는 외피 사이에 끼어 있는 코어를 포함하는 평판 음향 방사기 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 코어는 벌집모양 코어인 평판 음향 방사기 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 외피는 자체 잡음은 비교적 작고, 영율(Young's modulus) 및 탄젠트 델타는 비교적 큰 재료로 만들어진 평판 음향 방사기 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 외피는 아라미드 폴리아미드 재료로 만들어진 평판 음향 방사기 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 외피는 노멕스?(Nomex?), 케블라?(Kevlar?), 코넥스?(Conex?), 및 테크노라?(Technora?)로 이루어지는 그룹에서 선택된 재료로 만들어지는 평판 음향 방사기 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 벌집모양 코어는 크라프트지로 만들어지는 평판 음향 방사기 조립체.
  16. 프레임;
    가장자리, 내면 및 외면을 가지고, 상기 프레임 내에 놓여지는 평판 방사기;
    상기 평판 방사기의 상기 가장자리를 상기 프레임에 결합시키는 컴플라이언트 서라운드;
    상기 프레임에 장착되고, 상기 평판 방사기의 상기 내면에 인접하되 거리를 두고 놓여지는 지지 구조물;
    상기 평판 방사기의 상기 내면에 인접하게 상기 지지 구조물에 장착되는 여진기; 및
    상기 여진기를 상기 평판 방사기에 결합시켜 상기 평판 방사기에 진동거동을 유발함으로써 음향을 재생하는 결합기(coupler)를 포함하고,
    상기 평판 방사기는 대체로 소정 음향 레벨 아래에서 분포모드 재생을 통하여 음향을 생성하고, 상기 컴플라이언트 서라운드는 상기 소정 음향 레벨 역치(threshold) 위에서 피스톤 모드 재생을 통한 음향 생성을 수용하는 평판 음향 방사기 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 여진기는 자석 구조물이며, 상기 결합기는 상기 평판 방사기에 장착되고 상기 자석 구조물의 보이스 코일 틈새 내로 연장되는 평판 음향 방사기 조립체.
  18. 제16항에 있어서, 상기 평판 방사기는 외피 사이에 끼어 있는 코어를 가지고, 상기 코어와 상기 외피의 재료는 상기 평판 방사기가 1㎑에서 10㎑ 사이의 주파수 범위 내에서 85㏈의 입력신호에 대하여 40㏈ 이상의 신호대잡음비를 나타내도록 선택되는 평판 음향 방사기 조립체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 고무재료로 만들어진 평판 음향 방사기 조립체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 대체로 U자형인 평판 음향 방사기 조립체.
  21. 제19항에 있어서, 상기 컴플라이언트 서라운드는 대체로 W자형인 평판 음향 방사기 조립체.
  22. 평판 방사기로부터 거리가 두어진 지지 구조물 상에서 여진기를 지지하는 단계; 및
    상기 평판 방사기의 가장자리를 컴플라이언트 서라운드를 이용하여 프레임에 결합시켜 저음량 음향은 대체로 평판 방사기 내에서 분포모드 재생에 의해 재생되고, 고음량 음향은 대체로 컴플라이언트 서라운드에 의해 수용되는 평판 방사기의 피스톤 모드 재생에 의해 재생되는 단계를 포함하는, 프레임 내에 놓이는 가장자리를 가지며 여진기에 의해 구동되어 음향을 재생하는 평판 방사기를 갖는 평판 음향 방사기의 전력처리 용량 향상 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 여진기는 보이스 코일 틈새를 가지는 자석 구조물이고, 보이스 코일을 상기 평판 방사기에 단단히 부착하여 보이스 코일이 상기 자석 구조물의 보이스 코일 틈새 내로 연장되는 단계를 더 포함하는 평판 음향 방사기의 전력처리 용량 향상 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 평판 방사기와 상기 프레임은 대체로 직사각형이며, 컴플라이언트 서라운드는 평판 방사기의 가장자리와 프레임의 사이로 뻗는 대체로 직선의 돌출부인 평판 음향 방사기의 전력처리 용량 향상 방법.
  25. 프레임;
    상기 프레임 내에 놓이고 상기 프레임에서 거리가 두어진 가장자리를 가지는 평판 방사기;
    상기 평판 방사기로부터 거리가 두어진 지지 구조물 상에서 지지되고, 가청주파수의 진동거동을 상기 평판 방사기로 전하는 여진기; 및
    상기 평판 방사기의 상기 가장자리의 적어도 일부분을 상기 프레임에 결합시켜 소정 음향 레벨 역치 위로는 상기 평판 방사기의 피스톤식 거동을 수용함으로써 더 높은 음량레벨에서의 음향재생이 가능하도록 하는 컴플라이언트 서라운드를 포함하는 평판 음향 방사기 조립체.
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