KR20040045745A - 서브 우퍼 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차체의 제약 조건을 만족하면서 서브 우퍼의 사이즈를 작게 해야하는 조건을 만족시키기 위해 피드백 회로와 펄스 폭 변조(PWM) 증폭방식을 적용하여 슬림(Slim)형 박스 서브 우퍼(BOX Sub-Woofer)를 구성할 수 있는 서브 우퍼 시스템에 관한 것으로, 오디오의 스테레오 신호인 좌측(LH) 입력과 우측(RH) 입력을 모두 입력신호로 받는 서브 우퍼 입력단(Pre. Amplifier)과; 상기 서브 우퍼 입력단에서 모노신호로 변환된 뒤 파워(Power)를 증폭시키는 서브 우퍼 증폭단(Main amplifier)과; 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭된 신호를 재생하는 스피커 출력부와; 상기 스피커 출력부를 통해 재생된 음을 실시간으로 상기 서브 우퍼 증폭단에 귀환시켜서 음향 제어를 하는 피드백 회로(Feed Back Circuit)를 포함하여 구성한다.

Description

서브 우퍼 시스템{SUB WOOFER SYSTEM}
본 발명은 서브 우퍼 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 서브 우퍼는 저역을 전문으로 재생하는 스피커 시스템을 말한다.
서브 우퍼의 성능을 충분히 재생하기 위해서는 스피커가 클수록 또는 앰프의 파워가 클수록 좋은 성능을 발휘한다.
그러나, 순정용 차량에서는 장착 공간이 협소하기 때문에 서브 우퍼의 사이즈가 큰 것은 장착하기 어렵기 때문에 스피커 박스를 되도록 작게 설계하여야 한다.
이때, 스피커 박스를 제대로 설계하지 못하면 서브 우퍼의 성능을 충분히 활용하지 못하는 결과를 갖는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 차체의 제약 조건을 만족하면서 서브 우퍼의 사이즈를 작게 해야하는 조건을 만족시키기 위해 피드백 회로와 펄스 폭 변조(PWM) 증폭방식을 적용하여 슬림(Slim)형 박스 서브 우퍼(BOX Sub-Woofer)를 구성할 수 있는 서브 우퍼 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서브 우퍼 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서브 우퍼 시스템의 특성을 도시한 도면.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서브 우퍼 시스템에 있어서, 오디오의 스테레오 신호인 좌측(LH) 입력과 우측(RH) 입력을 모두 입력신호로 받는 서브 우퍼 입력단(Pre. Amplifier)과; 상기 서브 우퍼 입력단에서 모노신호로 변환된 뒤 파워(Power)를 증폭시키는 서브 우퍼 증폭단(Main amplifier)과; 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭된 신호를 재생하는 스피커 출력부와; 상기 스피커 출력부를 통해 재생된 음을 실시간으로 상기 서브 우퍼 증폭단에 귀환시켜서 음향 제어를 하는 피드백 회로(Feed Back Circuit)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 서브 우퍼 시스템의 구성 및 특성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 서브 우퍼 시스템에 있어서, 서브 우퍼 입력단(110)(Pre. Amplifier), 서브 우퍼 증폭단(120)(Main amplifier), 스피커 출력부(130), 피드백 회로(140~146)(Feed Back Circuit)를 포함하여 구성한다.
서브 우퍼 입력단(110)(Pre. Amplifier)은 오디오의 스테레오 신호인 좌측(LH) 입력과 우측(RH) 입력을 모두 입력신호로 받는다.
서브 우퍼 증폭단(120)(Main amplifier)은 서브 우퍼 입력단(110)에서 모노신호로 변환된 뒤 파워(Power)를 증폭시킨다.
스피커 출력부(130)는 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭된 신호를 재생한다.
금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭되는 신호는 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 소자의 스위칭(온/오프(ON/OFF)을 위해 입력신호(사인파)와 삼각파를 합쳐서 펄스신호로 바꾼 뒤 이를 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭을 시키는 펄스 폭 변조(PWM) 증폭방식으로 이루어진다.
피드백 회로(140~146)(Feed Back Circuit)는 스피커 출력부(130)를 통해 재생된 음을 실시간으로 서브 우퍼 증폭단(120)에 귀환시켜서 음향 제어를 한다.
피드백 회로(140~146)는 스피커 출력부(130)를 통해 재생되는 음향 신호를 마이크로폰(140)으로 받아들이고, 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이패스 필터(144)(High Pass Filter)를 통해 공진 배율 제어(Q-Control) 처리를 하여, 서브 우퍼 증폭단(120)(Main Amplifier)에 피드백 시킨다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 차체의 제약 조건을 만족하면서 서브 우퍼의 사이즈를 작게 해야하는 조건을 만족시키기 위한 것으로, 피드백 시스템(Feed Back System)과 펄스 폭 변조(PWM ; Pulse Width Modulation) 증폭방식을 적용하여 슬림(Slim)형 박스 서브 우퍼(BOX Sub-Woofer)를 제공한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 서브 우퍼 시스템의 동작 설명을 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 서브 우퍼 증폭단(120) 내에서는 본 앰프(Amp)가 저음만을 재생시키기 위한 제품이므로 중고역 대역을 차단하여, 200Hz 이하의 저음 대역만의 신호를 증폭하게 된다.
증폭 방법으로는 일반적으로 두 가지로 분류하는데 트랜지스터(TR) 소자를 이용한 트랜지스터(TR) 증폭방식과 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 소자를 이용한 증폭방식으로 나눌 수 있다.
트랜지스터(TR) 증폭방식은 소자 자체의 특성으로 인하여 열이 많이 발생되므로 큰 방열판을 필요로 하고 스피커와 임피던스 매칭을 시켜주지 않을 경우 더 많은 열이 발생되게 되어 극한 경우 트랜지스터(TR) 소자가 파괴될 수 도 있다.
이런 이유로 인하여 트랜지스터(TR) 앰프(AMP)의 경우 스피커 임피던스를 4Ω 또는 2Ω등으로 맞춰주어야 한다.
이에 반하여 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 소자를 이용한앰프의 경우 소자 자체의 동작방식이 열을 적게 발생시키기 때문에 방열판 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있다.
금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 앰프의 단점은 고역 특성이 좋지 않기 때문에 고역의 음질이 나쁘다는 것이다.
따라서, 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 앰프는 현재 저음만을 재생시키는 서브 우퍼용 증폭기로 사용을 하고 있다.
금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 소자로 파워단을 설계할 경우 이를 구동시키기 위하여 펄스 폭 변조(PWM) 증폭방식이 필수적으로 적용되어야 한다.
그 이유는 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 소자는 스위칭 동작을 하기 때문에, 스위칭(온/오프(ON/OFF)을 위해 신호를 펄스 방식으로 변환시켜줄 필요가 있기 때문이다.
그러므로, 입력신호(사인파)와 삼각파를 합쳐서 펄스신호로 바꾼 뒤 이를 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭을 시키게 되는 것이다.
금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭된 높은 출력의 신호를 스피커에서 재생하게 된다.
이때, 스피커를 둘러싸고 있는 박스(BOX)의 크기가 클 경우 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 출력신호를 스피커에서 충분히 소화시킬 수 있으나, 박스(BOX)의 크기가 작아질 경우 스피커의 응답특성이 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 출력신호를 따라가지 못하게 되어 충분한 저음 파워를 재생하지 못하게 된다.
이러한 문제를 개선하기 위한 방법이 피드백 방식 적용이다.
스피커에서 재생된 음을 실시간으로 앰프에 귀환시켜서, 음향 제어를 함으로서 우퍼(Woofer)의 성능을 향상시킨 시스템이 피드백 회로(140~146)를 적용한 슬림(Slim)형 박스 서브 우퍼(BOX Sub-Woofer)이다.
피드백은 스피커 콘페이퍼의 진폭으로 재생되는 음향(Acoustic) 신호를 마이크로폰(140)으로 받아들여서 공진 배율 제어(Q-Control) 처리를 하여, 서브 우퍼 증폭단(120)(Main Amplifier)에 피드백 시킴으로써, 서브 우퍼의 성능을 향상시키도록 한다.
여기서, Q는 공진하는 기기 또는 회로의 공진 배율을 말하며, Q값이 높으면 공진량이 많은 것을 의미한다.
피드백 신호와 처리 방법은 도 1에 도시된 바와 같다.
우선 앰프(차동 증폭기(146))로 입력된 신호 ⓐ는 전기적 신호로서 메인 앰프(Main Amp)를 통하여 증폭된 뒤 스피커를 통하여 음향신호로 바뀌게 된다.
이때 음향신호는 ⓑ와 같은 파형으로 스피커 박스의 한정된 작은 폐용적으로 인해 원하는 입력 ⓐ파형과 같은 전기적 신호와 같은 충분한 신호로 변환되기 어렵다.
즉, 작은 용적으로 인하여 입력 신호 보다 최저 공진 주파수(fo)가 높아지고 최저 공진 배율(Qo)도 변하게 된다.
이러한 왜곡을 줄이기 위하여 피드백 괘환을 이용한다.
피드백 괘환은 스피커로 변환된 음향신호를 마이크로폰(140)으로 받는데, 이때 파형은 스피커로 재생된 파형이므로 ⓑ와 같이 저음 특성뿐만 아니라 보다 넓은 주파수 대역에 걸쳐 재생되는 음향 신호이다.
본 시스템이 저음 재생 전용 스피커인 서브 우퍼이기 때문에 ⓑ의 파형을 원하는 대역만의 신호로 걸러 내어야 한다.
이를 위하여 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(144)(High Pass Filter)를 통과 시켜서 ⓒ와 같은 주파수 특성을 걸러 낸다.
이때 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(144)(High Pass Filter)는 오피 앰프(OP Amp) 회로를 사용하며, 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(144)(High Pass Filter)의 차단 주파수는 기존의 우퍼는 80Hz~100Hz 였으며, 새로운 우퍼(New Woofer)는 60Hz~120Hz 정도로 주파수 대역이 넓다.
여기에서 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)의 차단 주파수는 스피커의 재생 특성과 연관되어져 결정되며, 스피커 유니트 자체의 재생 특성을 개선시키면 시킬수록 차단 주파수 대역을 넓게 할 수 있으며 이에 따라 우퍼의 재생 특성은 더욱 좋아질 수 있다.
로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(144)(High Pass Filter)를 통과한 후에 얻어지는 전기적인 신호는 ⓒ와 같으며 ⓒ는 처음 입력신호인 ⓐ와 함께 차동 증폭기(146)를 통하여 실시간으로 비교가 된다.
차동 증폭기(146)에서는 ⓐ와 ⓒ의 신호의 차이를 비교하며, 차이가 큰만큼(일반적으로 박스 크기가 작기 때문에 ⓒ의 신호가 원 입력신호 ⓐ보다 재생량도 적고 최저 공진 주파수(fo)도 높아져 있음) 더 증폭을 시킴으로써 원 입력신호 ⓐ와 유사한 특성이 될 수 있도록 한다.
즉, 실시간으로 계속적으로 피드백시키기 때문에 원 입력신호 ⓐ와 같아지면 차동 증폭기(146)에서의 증폭량이 적어지게 된다.
일반적으로 피드백이 없는 증폭회로에서는 스피커로 증폭된 신호가 어떻게 왜곡되고 있던지 관계없이 일방적으로 증폭을 시키기만 하고 있다.
도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서브 우퍼 시스템의 특성을 도시한 도면이다.
도 2와 도 3을 참조하면 본 발명의 실시예에 따라 피드백 회로(140~146)가 적용된 시스템은 기존의 시스템에 비해 응답속도가 빠르고 뚜렷한 저음을 재생하는 것을 알 수 있지만, 기존의 시스템은 단순히 소리의 크기만 증폭하는 것을 알 수 있다.
한편, ⓒ의 특성은 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(144)(High Pass Filter)의 차단 주파수에 의해 결정되며, 결국 이로 인하여 차동 증폭기(146)에서 원 입력신호 ⓐ와 최저 공진 주파수(fo)와 최저 공진 배율(Qo)이 같도록 변화시켜 주게 되는 결과를 갖게 하므로 로우 패스 필터(142)(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(144)(High Pass Filter) 부분을 최저 공진 배율(Qo) 제어 처리를 하여, 메인 앰프(Main amplifier)에 피드백시킴으로써, 우퍼의 성능을 향상시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 서브 우퍼 시스템은 고효율의 펄스 변조방식 적용으로 저역 재생 대역을 최대화시킬 수 있다.
또한, 보다 적은 크기로 출력 성능을 향상시켜 동등 이상의 중저음을 실현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 서브 우퍼 시스템에 있어서,
    오디오의 스테레오 신호인 좌측(LH) 입력과 우측(RH) 입력을 모두 입력신호로 받는 서브 우퍼 입력단(Pre. Amplifier)과;
    상기 서브 우퍼 입력단에서 모노신호로 변환된 뒤 파워(Power)를 증폭시키는 서브 우퍼 증폭단(Main amplifier)과;
    금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭된 신호를 재생하는 스피커 출력부와;
    상기 스피커 출력부를 통해 재생된 음을 실시간으로 상기 서브 우퍼 증폭단에 귀환시켜서 음향 제어를 하는 피드백 회로(Feed Back Circuit)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 서브 우퍼 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭되는 신호는 상기 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET) 소자의 스위칭(온/오프(ON/OFF)을 위해 입력신호(사인파)와 삼각파를 합쳐서 펄스신호로 바꾼 뒤 이를 금속산화 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET)에서 증폭을 시키는 펄스 폭 변조(PWM) 증폭방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브 우퍼 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피드백 회로는 스피커 출력부를 통해 재생되는 음향신호를 마이크로폰으로 받아들이고, 로우 패스 필터(Low Pass Filter)와 하이 패스 필터(High Pass Filter)를 통해 공진 배율 제어(Q-Control) 처리를 하여, 서브 우퍼 증폭단(Main Amplifier)에 피드백 시키는 것을 특징으로 하는 서브 우퍼 시스템.
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