KR20220085850A

KR20220085850A - 다양한 곡률 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기

Info

Publication number: KR20220085850A
Application number: KR1020227020017A
Authority: KR
Inventors: 라이언 메틀러; 티모시 휘트웰
Original assignee: 테크토닉 오디오 랩스, 인크.
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2022-06-22
Also published as: US11218808B2; US20210377665A1; KR102448777B1; AU2021282269A1; CN115606197A; EP4158906A2; WO2021242939A2; GB2612202B; GB2612202A; GB202217393D0; WO2021242939A3; JP7293511B2; JP2022549027A

Abstract

다이어프램을 설계하고 제조하기 위한 방법 및 오디오 디바이스가 제공되고, 오디오 디바이스는 복수의 벤딩 모드 및 피스톤 모드로부터 오디오 신호를 방사하도록 적응된 만곡된 프로파일을 갖는 다이어프램 - 복수의 벤딩 모드 중 하나 이상은 일치하는 노달 라인 위치들을 가지며, 다이어프램은 전면 및 후면을 가짐 - , 및 다이어프램의 후면에 결합되는 변환기 - 변환기는 오디오 왜곡이 감소된 오디오 신호의 방사를 위해 다이어프램을 구동하도록 적응됨 - 를 포함하고, 복수의 벤딩 모드는 각각 다이어프램 전반에 걸쳐 최소 위치를 가지며, 변환기는 복수의 벤딩 모드의 최소 위치 중 하나에 장착되고, 미리 결정된 상대 평균 모달 속도 제한에 기초하여 다이어프램을 관성적으로 밸런싱하기 위해 하나 이상의 임피던스 성분이 나머지의 최소 위치 중 적어도 하나 상에 장착된다.

Description

다양한 곡률 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 5월 26일에 출원된 미국 가 출원 번호 63/029,857에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원은 전체가 참고로 여기에 포함된다.

발명의 분야

본 개시는 일반적으로 오디오 시스템의 분야에 관한 것으로서, 특히 그러나 배타적이지는 않게, 음향 주파수 범위에 걸친 신호의 재생을 위한 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기(curved diaphragm balanced mode radiator) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

밸런싱된 모드 방사기는 단일 다이어프램 오디오 디바이스에서 저음, 고음 및 중간 범위 음향 주파수 및 때로는 초음파 주파수를 포함하는 여러 주파수 스펙트럼에 걸쳐 넓은 지향성, 전-범위 사운드를 제공할 수 있도록 설계되는 음향 확성기 변환기(acoustic loudspeaker transducers)이다. 이러한 디바이스는 일반적으로 BMRs라고 하며, 변환기의 전기 기계 부분에 의해 생성된 진동으로부터의 음향 에너지를 방사하기 위한 다이어프램 요소로서 평평한 디스크를 사용하여 종종 생성된다. 이러한 BMR 변환기는 일반적으로 하나 이상의 자석, 자극편(pole piece), 강철 스페이서(전부는 아니지만 일부 실시예에서), 후방 플레이트(back plate), 전방 플레이트(front plate), 코일 포머(coil-former), 코일 포머의 일부에 감긴 보이스 코일(voice coil), 롤 서라운드 서스펜션 요소(roll surround suspension element), 및 주름진 직물(corrugated textile), 하나 이상의 가요성 전기자(flexible armature), 또는 추가 롤 서라운드로 제조된 선택적 보조 서스펜션 요소를 포함하는 여러 상호 동작 성분을 포함한다. 코일 포머는 다이어프램에 결합되고, 다이어프램으로부터, 자극편의 외부 직경과 전방 플레이트의 내부 직경 사이에 정의된 에어 갭으로 연장된다. 보이스 코일이 감기는 코일 포머의 부분은 자석 및 자극편에 가까운 위치의 에어 갭에 배치되어, 보이스 코일은 자극편과 전방 플레이트 사이에서 연장되는 반경 방향으로 향하는 정적 자기장 내에 배치된다. 실제로, 에어 갭의 정적 자기장은 오디오 신호의 전송에 사용되는 보이스 코일 내에서 흐르는 시변 교류 전기 신호와 상호 작용한다. 정적 자기장과 교류 전기 신호 사이의 상호 작용은 전기 역학적 힘(electrodynamic force)을 생성하고, 이 전기 역학적 힘은, 로렌츠의 법칙에 따르면, 보이스 코일을 통해 흐르는 시변 오디오 신호를 기초로 코일 포머에 연결된 다이어프램의 운동을 구동하기 위해 흐르는 전류의 방향 및 정적 자기장의 방향에 직각으로 작용한다. 이러한 다이어프램의 구동 운동은 BMR이 음향 에너지(예를 들어, 오디오 음파)를 방사하게 한다.

BMR과 일반적으로 "오디오 변환기"라고 하는 종래의 구동 유닛 간의 더 중요한 차이점 중 하나는 다이어프램의 의도된 진동 거동과 관련이 있다. 종래의 구동 유닛의 다이어프램은 대부분 강성 구조로 진동하도록 의도되어, 대부분 제어되지 않는 특성으로 인해 바람직하지 않은 것으로 간주되는 "벤딩 모드(bending modes)"라고 종종 언급되는 구조적 정상파를 회피한다. 한편, BMR 구동 유닛의 다이어프램은 강성 구조로서 그리고 원하는 신호 대역 내에서 다중 벤딩 모드의 의도적인 사용을 통해서도 진동하도록 의도되고, 두 개의 진동 방식으로부터의 출력들이 서로를 보완한다. 이러한 벤딩 모드의 진동 주파수는 스피커 다이어프램의 크기, 다이어프램을 구성하는 재료, 및 다이어프램에 연결된 임의의 성분들의 기계적 임피던스(mechanical impedance)에 따라 달라질 수 있다. BMR에서, 이러한 진동 벤딩 모드에서 방사되는 음향 에너지는 복잡한 방식으로 함께 그리고 다이어프램의 피스톤 운동에 의해 방사되는 에너지와 합산된다. 그러나, BMR에서, 진동 벤딩 모드로부터의 음향 에너지는 축-상의(on-axis) 순 방사에 거의 기여하지 않거나 또는 전혀 기여하지 않는다. 각 벤딩 모드는 특정 모드에서 다이어프램을 가로지르는 노달 라인(nodal lines)(원형 다이어프램의 경우 동심 원)의 개수로 특징지어진다. 노달 라인은 피스톤 운동이 이러한 노달 라인에서 여전히 발생하더라도 해당 특정 모드 주파수에서 모드 여기(modal excitation)(즉, 다이어프램의 평면에 수직인 방향)로부터 병진 운동(translational motion)을 겪지 않는 다이어프램의 구역으로 정의된다. 보완적이긴 하지만 대안적인 노달 라인 정의는 특정 모드 주파수("고유 주파수"라고 함)에서 다이어프램의 중심으로부터 에지까지 플롯될 때 다이어프램의 기계적 어드미턴스 함수(mechanical admittance function)의 최소 지점이라는 것이다. 특정 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 함수의 조사에 따르면, N차 벤딩 모드가 다이어프램을 가로질러 N 개의 노달 라인(기계적 어드미턴스 함수의 N-최소값)을 갖는 것으로 특징지어진다는 것을 보여준다.

확성기 다이어프램과 같은 기계적 시스템에서, 기계적 어드미턴스는 기계적 임피던스의 역이며, 시스템에 적용될 때 힘이 속도로 얼마나 쉽게 변환될 수 있는지를 정량화한다. 기계적 어드미턴스 함수는 축대칭 기하학적 구조를 기초로 하는 다이어프램의 중심으로부터 에지까지 다이어프램 상의 각 위치에서 기계적 어드미턴스의 값을 정의한다. 비-축대칭 다이어프램 기하학적 구조에 대한 기계적 어드미턴스 함수는 각각의 기하학적 구조에 대해 정의된다. 다이어프램의 고유 주파수에서 기계적 어드미턴스 분석은 기계적 공진이 높은 기계적 어드미턴스를 동반하기 때문에 유용하다. 또한, 각 개별 고유 주파수에서의 총 기계적 어드미턴스는 고유 모드 형상(eigenmode shape), 모든 더 낮은 주파수 벤딩 모드 형상, 및 피스톤 모드의 기계적 어드미턴스의 조합을 포함한다. 전체 기계적 어드미턴스에서 피스톤 모드의 어드미턴스를 빼면, 모달 기계적 어드미턴스(modal mechanical admittance)가 그 결과이다. 모달 기계적 어드미턴스는 벤딩 모드 형상만 포함한다. 실제로, 고유 모드 형상의 물리적 표현은 형상 함수이다. 형상 함수는 해당 고유 주파수에서 고유 모드의 변위, 속도, 또는 가속도 형태를 나타낸다. 일반적으로, 사용된 대역폭에서 가장 높은 고유 주파수의 모달 기계적 어드미턴스 함수가 분석되어야 하고, 이는 일반적으로 제3 또는 제4 벤딩 모드이다. 더 낮은 차수 벤딩 모드의 형상 함수는 이들의 고유 주파수가 관찰된 고유 주파수와 점점 다르기 때문에 강조되지 않는다. 예를 들어, 피스톤 모드의 기계적 어드미턴스는 주파수 옥타브(frequency octave)가 증가할 때마다 절반으로 감소된다. 다른 고유 모드들은 이들의 각각의 고유 주파수 위 및 아래로 기계적 어드미턴스가 감소하는 비율이 다양하다.

디바이스의 목표 대역폭 내에서 발생하는 모든 벤딩 모드의 기계적 어드미턴스 함수는 일반적으로 유한 요소 분석을 통해 결정된다. 벤딩 모드의 이러한 대역 내 기계적 어드미턴스 함수는 가중 합계로 결합되어 가장 높은 사용되는 벤딩 모드에 대한 최소 모달 기계적 어드미턴스의 위치를 결정하고, 이 모달 기계적 어드미턴스 함수는 일반적으로 합계에서 고려되는 가장 높은 벤딩 모드에 의해 지배된다. 최소 모달 기계적 어드미턴스의 이러한 위치들은, 보이스 코일 포머 및 해당 관성적 밸런싱 기계적 임피던스 요소(inertial balancing mechanical impedance elements)가 다이어프램에 장착될 수 있는 규정 위치를 정의한다. 기계적 임피던스 요소들은 질량, 강성, 및 감쇠의 기계적 특성을 포함하는 성분들이다. 관성적 밸런싱은 음성 코일 어셈블리를 포함하는 힘 입력 성분의 필요한 추가를 보상하기 위해 이러한 기계적 임피던스 요소들이 규정된 위치들에서 다이어프램에 부착되는 프로세스이다. BMR과 같은 관성적으로 밸런싱된 디바이스에서, 모든 벤딩 모드 진동으로부터의 방사는 0 또는 0에 근접하는 순 축-상의 음향 방사를 생성하는 방식으로 합산된다.

일반적으로, 모달 기계적 어드미턴스 함수의 최소값 중 임의의 것은 보이스 코일 포머를 부착하는 데 사용될 수 있고, 나머지 위치들은 관성적 밸런싱을 위한 기계적 임피던스 요소를 부착하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 최외측(즉, 가장 큰 직경) 위치는 롤 서라운드 서스펜션 요소가 부착되는 위치이다. 모든 전기 역학적 유형의 구동 유닛에서, 이러한 롤 서라운드 요소는 움직이는 부품의 운동을 위한 서스펜션의 보조 평면을 제공하고, 다이어프램의 에지 주변의 압력 균등화(즉, 상쇄)를 방지하기 위해 에어 시일을 생성하는 사실상 필수이다. 따라서, 롤 서라운드를 최외측 밸런싱 임피던스 요소로서 사용함으로써, 다이어프램에 부착되는 필요한 성분의 개수를 최소화할 수 있다. 이것은 비용 및 어셈블리 용이성의 관점에서 바람직하다.

구동 위치가 상대적으로 높은 모달 속도를 나타내는 다이어프램의 구역과 일치하여 이에 따라 구동력에 반대되는 모터 구조를 통해 기전력이 발생하는 경우, 일종의 왜곡이 발생될 수 있으며, 결과적으로 이 벤딩 모드에 대응하는 주파수에서 음향 출력이 감소한다. 벤딩 모드의 노달 라인의 위치에서 다이어프램에 대한 코일 포머의 부착 위치를 지정하면 모드의 여기가 크게 감소하므로, 이에 따라 구동 위치에서 관련 모달 속도가 감소되거나 또는 제거된다. 가능한 왜곡이 가장 적은 BMR 구동 유닛을 생성하고자 한다면, 보이스 코일 포머 요소가 다이어프램에 부착되어야 하는 최적의 위치가 존재한다. 이 위치는 제4 벤딩 모드까지의 벤딩 모드들이 관성적으로 밸런싱되는 구현에 특유한 것이다. 이러한 구성에서(구어적으로 "4-모드 밸런스"라고 함), 4 개의 총 최소값의 제3 모달 기계적 어드미턴스 최소값(다이어프램의 중심에서 반경 방향 외측으로 카운팅되는 제4 벤딩 모드의 제3 노달 라인에 가까움)은 보이스 코일 포머의 위치로 사용된다. 이 위치는 다이어프램 직경의 68 %에서 발생하는 제1 벤딩 모드의 기계적 어드미턴스 함수의 최소값과, 평평한 원형의 다이어프램 직경의 69 %에서 발생하는 제4 벤딩 모드의 모달 기계적 어드미턴스 함수의 제3 최소값(제4 벤딩 모드의 제3 노달 라인)의 근접 교차로 인해 최적이다.

이러한 구성은 BMR에서 제1 벤딩 모드의 고속 운동과 관련된 왜곡을 감소시키거나 또는 제거하는 것으로 알려져 있지만, 필요한 보이스 코일 포머가 평평한 원형 다이어프램의 직경의 69 %인 직경을 가져야 한다는 점에서 상당한 상업적 단점 및 우려가 커지고 있는 문제가 있다. 이러한 상대적 크기의 직경을 갖는 보이스 코일 포머에 대한 요구 사항은 보조 서스펜션 성분에 사용할 수 있는 반경 방향 공간을 제한하고, 종종 코일 직경 외부에 필요한 이들의 큰 체적으로 인해 세라믹 자석 유형의 사용을 방지한다. 이러한 크기의 보이스 코일 포머에 대한 요구 사항은 자석 및 금속 부품이 구동 유닛의 비용 및 무게의 대부분을 차지하는 크고 무거운 모터 어셈블리를 필연적으로 초래한다. 따라서, 비용을 절감하고, 보이스 코일, 및 이에 따라 관련 자석 및 금속 부품을 사용하면서, 낮은 왜곡 출력을 제공할 수 있는 개선된 BMR 설계에 대한 상당하고 증가하는 요구가 존재한다.

비-제한적이고 비-완전한 실시예들이 다음 도면들을 참조하여 설명되며, 이 도면들에서 유사한 참조 번호는 달리 명시되지 않는 한 다양한 도면 전반에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 축대칭 단면도이다.
도 2는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기 다이어프램을 구동하기 위한 전기기계 변환기의 축대칭도이다.
도 3a는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 만곡된 다이어프램에 대한 파라미터를 선택하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 3b는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 상대 에지 높이 및 다이어프램 두께에 기초한 노달 라인 위치를 예시하는 그래프이다.
도 3c는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기의 상대 에지 높이에 대한 고유 주파수 비의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3d는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기의 상대 에지 높이에 대한 고유 주파수 비의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3e는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기의 상대 에지 높이에 대한 고유 주파수 비의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3f는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기의 상대 에지 높이에 대한 고유 주파수 비의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3g는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기를 위한 만곡된 다이어프램을 밸런싱하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4a는 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 제1 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 및 형상 함수를 예시하는 그래프이다.
도 4b는 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 제2 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 및 형상 함수를 예시하는 그래프이다.
도 4c는 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 제3 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 및 형상 함수를 예시하는 그래프이다.
도 4d는 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 제1 모드에 대한 모드 형상 함수와 모달 기계적 어드미턴스 간의 비교를 예시하는 그래프이다.
도 4e는 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 제2 모드에 대한 모드 형상 함수와 모달 기계적 어드미턴스 간의 비교를 예시하는 그래프이다.
도 5a는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 언밸런싱된 만곡된 다이어프램의 시뮬레이션된 체적 속도를 예시하는 그래프이다.
도 5b는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 언밸런싱된 만곡된 다이어프램의 상대 평균 모달 속도를 예시하는 그래프이다.
도 5c는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 밸런싱된 만곡된 다이어프램의 시뮬레이션된 체적 속도를 예시하는 그래프이다.
도 5d는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 밸런싱된 만곡된 다이어프램의 상대 평균 모달 속도를 예시하는 그래프이다.
도 6a는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 제1 노달 라인 내에 배치된 과도한 질량에 의해 발생되는 언밸런싱된 벤딩 모드의 축-상의 음향 응답을 예시하는 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 제1 노달 라인의 주변에 배치된 과도한 질량에 의해 발생되는 언밸런싱된 벤딩 모드의 축-상의 음향 응답을 예시하는 그래프이다.
도 7a는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기를 위한 자유 평평한 원형 다이어프램의 평면도이다.
도 7b는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기를 위한 자유 만곡된 원형 다이어프램의 평면도이다.
도 8a는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 다이어프램 프로파일에 대한 곡률 함수를 예시하는 그래프이다.
도 8b는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 축대칭 다이어프램 프로파일을 예시하는 그래프이다.
도 8c는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 다이어프램 상의 노달 라인 위치를 예시하는 그래프이다.
도 8d는 일 실시예에서 밸런싱된 모드 방사기에 대한 상대 평균 모달 속도 대 다이어프램 곡률비를 비교하는 그래프이다.
도 9는 관성적으로 언밸런싱된 만곡된 다이어프램의 일 실시예와 비교하여 관성적으로 밸런싱된 만곡된 다이어프램의 일 실시예에 대한 축-상의 음압 레벨을 나타내는 그래프이다.

다음의 설명에서, 밸런싱된 모드 방사기를 위한 방사 다이어프램의 실시예들의 다양한 양태가 설명될 것이고, 특정 구성이 설명될 것이다. 이들 실시예들의 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 제공된다. 여기에 개시된 양태들은 이러한 특정 세부 사항들 중 하나 이상이 없이도, 또는 다른 방법, 성분, 시스템, 서비스 등과 함께 실시될 수도 있다. 다른 경우에, 구조 또는 동작은 관련된 발명의 양태들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 도시되거나 설명되지 않는다.

본 명세서 전반에서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은 해당 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"라는 문구의 출현이 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

도 1은 오디오 및 초음파 주파수 범위에 걸쳐 음향 신호를 방사하도록 적응(adapt)된 만곡된 다이어프램을 갖는 밸런싱된 모드 방사기(balanced mode radiator)("BMR")의 일 실시예의 축대칭 단면도이다. BMR(100)은 다이어프램(104), 다중 임피던스 성분(106a, 106b), 프레임(109)에 기계적으로 접지된 롤 서라운드 서스펜션 요소(108), 및 전기기계 변환기로부터 다이어프램(104)의 후면으로 에너지를 전송하기 위한 커플러(102)(보통 보이스 코일 포머이지만 때때로 추가 성분을 포함할 수 있음)를 포함한다. BMR의 다이어프램(104)의 만곡된 형상은 중심에서 다이어프램의 표면에 수직인 Z-방향으로 신호를 전송하는 다이어프램(104)의 원하는 벤딩 모드의 생성을 가능하게 한다. BMR의 대안적인 비-원형 실시예에서, Z-방향은 전압이 보이스 코일에 인가될 때 피스톤 동작 동안 움직이는 다이어프램(104)의 방향으로 식별될 수 있다. 만곡된 다이어프램 BMR 설계에서, 다이어프램의 만곡된 형상은 방사 대역폭, 신호 주파수, 지향성, 음압 레벨, 낮은 왜곡, 및 출력 신호 음향 파워 응답 측면에서 바람직한 특성을 갖는 음향 출력 신호를 생성하기 위해 시뮬레이션 및 물리적 형태 모두에서 조작된다.

도 2는 일 실시예에서 전기기계 변환기(200)의 동작 성분들의 축대칭도이다. 예시된 실시예에서, 변환기(200)는 상부 부분이 다이어프램(도시되지 않음)의 후면에 결합되는 보이스 코일 포머(204), 보이스 코일 포머(204)의 하부 부분에 감긴, 보이스 코일(218)이라고 지칭되는 전기 와이어, 및 주름진 서스펜션 요소(206)(“스파이더(spider)”라고 지칭됨)를 포함한다. 스파이더 요소(206)는 일 단부(내부 반경)에서 보이스 코일 포머(204)의 상부 부분 상의 위치에 연결되고, 반대쪽 단부(외부 반경)에서 BMR의 고정 프레임(219)에 연결된다. 스파이더 요소(206) 및 롤 서라운드 서스펜션 요소(108)는 보이스 코일(218)이 갭에 위치되도록 유지하기 위해 이동하는 어셈블리에 복원력을 제공하도록 함께 동작한다. 스파이더 요소(206)의 반경 방향 폭이 작으면, 이동하는 어셈블리가 휴지 위치로부터 멀리 이동될 때 복원력이 너무 빨리 상승하여, 고조파 왜곡이 생성되게 할 것이다. 이 경우 이동하는 어셈블리는 다이어프램, 롤 서라운드(BMR의 고정 프레임에 고정된 외부 부분과 별도임), 보이스 코일(218) 및 보이스 코일 포머(204) 어셈블리, 임의의 임피던스 성분, 및 스파이더(BMR을 위한 고정 프레임에 고정되는 외부 부분과 별도임)를 포함하는 어셈블리이고, 또한 이러한 부품들을 접착하는 데 사용되는 임의의 접착제 및 보이스 코일로부터 BMR의 프레임 상의 커넥터까지 연장되는 리드 아웃 와이어(lead out wires)를 포함한다.

보이스 코일(218)은 주어진 원하는 입력의 오디오 신호를 나타내는 전기 신호를 전달한다. 보이스 코일(218)을 통해 전기적 신호가 전도됨에 따라, 정적 자기장과 보이스 코일(218)을 통해 흐르는 전기적 신호 사이의 전자기적 상호 작용 결합에 의해 기전력이 발생한다. 이 기전력은 보이스 코일(218)에 작용하는 구동력이며, 보이스 코일 포머(204)(보이스 코일(218)이 감겨 있음)를 통해 다이어프램의 후면에 결합되어, 차례로 피스톤 가속도(즉, 피스톤 모드)를 생성하고, 다이어프램(도시되지 않음)의 하나 이상의 벤딩 모드를 여기한다. 이 구동력은 보이스 코일을 사용하여 다이어프램에 인가될 때 여기된 벤딩 모드 및 피스톤 모드로부터 방사된 오디오 신호를 생성하며, 이러한 방사된 신호는 오디오 신호 및 측정 가능한 왜곡 성분이라고 하는 측정 가능한 오디오 신호 왜곡을 포함한다. 각각의 여기된 벤딩 모드는 주파수에서 중심에 위치되지만, 가장 낮은 공진 벤딩 주파수는 제1 벤딩 모드의 진동 주파수이며, 이를 제1의 가장 낮은 주파수 벤딩 모드라고 한다. 제2 벤딩 모드는 다른 공진 주파수를 가지며, 이는 일반적으로 벤딩 모드의 다양한 진동 주파수 중 제2의 가장 낮은 주파수이다. 이 주파수는 차례로 제2의 가장 낮은 주파수라고 하며, 다른 후속 벤딩 모드보다 낮지만 제1 벤딩 모드의 공진 벤딩 주파수(즉, 제1의 가장 낮은 주파수)보다 여전히 더 높은 주파수를 갖는다. 실제로, 보이스 코일(218)은 다이어프램의 후면에서 제1의 가장 낮은 주파수의 노달 라인 위치와 일치하는 위치에 장착된다. 구동력에 의해 작용될 때, 오디오 신호의 벤딩 모드들은 다이어프램의 표면으로부터 방사되고, 노달 라인 위치들은 벤딩 모드 방사를 갖지 않으며 각 벤딩 모드는 하나 이상의 특정 노달 라인 위치를 갖는다. 제1의 가장 낮은 주파수의 노달 라인 위치와 일치하는 위치에 장착된 보이스 코일(218)로 BMR 변환기를 구동하는 것이 유리한데, 이 위치에 인가된 구동력은 제1의 가장 낮은 주파수 벤딩 모드에서 더 낮은 왜곡 성분을 갖고 이에 따라 방사된 오디오 신호에 대한 더 낮은 전체 왜곡 수준을 갖는 경향이 있기 때문이다.

보이스 코일(218)은, 보이스 코일 포머(204)에 장착될 때, 일 실시예에서 자석(214)에 근접한 자극편(208), 후방 플레이트(210) 및 전방 플레이트(212)를 포함하는 자기 회로를 형성하는 여러 개의 성분들 사이에 정의된 갭 내에 배치된다. 변환기(200)의 기능적 동작이 유사하게 유지되더라도 이러한 성분들의 상대적 위치는 대안적인 실시예에서 변할 수 있다. 도시된 실시예에서, 자석(214)은 세라믹 페라이트 자석인 반면, 대안적인 실시예에서, 자석은 희토류 자석 또는 전자석일 수 있다. 사용된 특정 자석에 관계없이, 정상 상태 자기장은 보이스 코일 포머(204)에 감긴 보이스 코일(218)에 삽입된다. 갭 내의 자기장과 보이스 코일(218)을 통해 흐르는 전류 사이의 상호작용은 보이스 코일 포머(204)가 다이어프램(202)을 구동하게 하는 전기 역학적 힘을 발생시키고, 이는 차례로 원하는 음향 및/또는 초음파 주파수에 걸쳐 다이어프램(202)의 외부 표면으로부터 방사되는 신호를 발생시키는 다이어프램 벤딩 모드 및 다이어프램의 피스톤 운동을 생성한다. 구조에서, 보이스 코일 포머(204)는 갭 내에 배치될 때 보이스 코일(218)이 장착되거나 또는 감기는 원통형 요소이다.

자극편(208)은 전기기계 변환기(200) 내의 중앙 구조이고, 장착된 보이스 코일(218)이 배치되는 에어 갭의 제1 측면을 정의하는 구조를 제공한다. 공통 배열에서, 갭의 반대 측면은 전방 플레이트(212) 및 자석(214)에 의해 정의된다. 후방 플레이트(210)는 자기 회로를 완성하고, 일 실시예에서 자극편(208) 및 자석(214) 모두가 배치되는 갭의 베이스를 설정한다. 이 예시된 실시예에서, 자기 회로는 자석(214), 자극편(208), 에어 갭, 전방 플레이트(212), 후방 플레이트(210), 및 에어 갭을 가로질러 존재하는 자기장과 직교 교차하도록 에어 갭 내에 위치되는 보이스 코일(218)의 배열에 의해 형성된다.

도 3a는 만곡된 다이어프램 BMR을 제조하는데 사용되는 공정의 일 실시예를 예시하는 흐름도이다. 흐름도(300)에 예시된 바와 같이, 만곡된 다이어프램 BMR의 설계 및 생성은 후보 만곡된 다이어프램의 일반적인 형상을 정의하는, 단계(302)에 도시된 바와 같이, 복수의 입력 파라미터를 수신하는 단계를 수반한다. 입력 파라미터는 다이어프램 기하학적 구조를 정의하기 위한 초기 조건과 함께 곡률 함수에 사용된다. 곡률 함수를 설정하는 데 사용되는 입력 파라미터 중 하나는 거리이며, 보다 구체적으로는, 다이어프램의 표면을 따라 다이어프램의 중심으로부터 외측으로의 거리(즉, 호 길이(arc length))이다. 곡률 함수를 설정하는 데 사용되는 다른 파라미터는 평평한 다이어프램 기하학적 구조가 형성되는 것을 회피하도록 0이 아닌 일부 값을 가져야 한다. 다른 초기 파라미터는 (축대칭 다이어프램에서 매끄럽고 연속적인 표면을 위해 0으로 설정되는) 다이어프램의 중심 근처에서 반경이 0에 접근할 때 기울기, 다이어프램 곡률 프로파일 세트에 대한 Y-절편 및 이러한 값들에 대한 초기 추정치 세트와 같은 다이어프램 프로파일의 초기 조건과 관련이 있다. 일단 생성되면, 곡률 함수는 단계(304)에 도시된 바와 같이 다이어프램에 대한 형상을 생성하는 데 사용되고, 이 생성된 다이어프램 형상은 시뮬레이션되고 그 출력 특성은 단계(306)에 도시된 바와 같이 분석되어, 고유 주파수(다이어프램의 고유 공진 주파수) 및 고유 모드(공진 주파수에서 다이어프램의 진동 거동)의 일반적 분포를 결정한다. 설명된 방법, 디바이스 및 시스템의 본 실시예의 맥락에서 사용되는 바와 같이, 다이어프램의 고유 모드는 모두가 다이어프램의 진동 모드인 벤딩 모드 또는 피스톤 모드 중 하나이다. 이러한 맥락에서, 이러한 벤딩 모드 각각은 진폭, 위상 및 진동 주파수를 갖는 활동 존(zones of activity)으로 구성된다. 벤딩 모드로부터 진동에 의해 생성된 공간 패턴은 또한 실제적인 면에서 다이어프램의 활동이 거의 또는 전혀 없는 위치인 0 병진 운동의 특정 노달 라인 또는 존을 가지고 있다. 단계(306)에서 수행된 출력 분석으로부터, 단계(308)에 도시된 바와 같이, 생성된 출력 노달 라인 분포와 바람직한 출력 노달 라인 분포 사이의 비교가 이루어진다. 후보 다이어프램으로부터의 출력 패턴을 원하는 노달 라인 위치와 비교하여, 출력 음향 성능을 평가한다. 출력 고유 주파수 패턴의 비교는 신호 출력 패턴의 비교뿐만 아니라 목표 노달 라인 위치와 출력 패턴의 생성된 출력 노달 라인 위치의 체계적인 비교도 수반한다(단계(308)에 도시됨). 비교 분석을 수행할 때, 단계(310)에 도시된 바와 같이, 원하는 노달 라인 위치와 후보 다이어프램에 대한 노달 라인 위치 사이의 상대 오차 값(relative error value)이 컴퓨팅되고, 단계(312)에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅된 오차와 미리 결정된 허용 한계(tolerance limit) 사이에 비교가 이루어진다. 일 실시예에서, 허용 한계는 보이스 코일 포머와 다이어프램 사이의 본드(bond)에 의해 형성된 글루 본드 구역(glue bond region)의 폭을 측정함으로써 설정된다. 그러나, 대안적인 실시예, 특히 다중 벤딩 모드의 조작을 포함하는 것들에서, 최적 곡률을 결정하기 위해 비용 함수가 사용될 필요가 있을 것이다. 상대 오차 값을 허용 한계와 비교할 때, 결정된 상대 오차 값을 추가로 평가하여, 이것이 허용 한계 이하인지 여부를 확인한다. 오차가 허용 한계와 같거나 또는 그 미만이면, 상대 오차 값은, 단계(314)에 도시된 바와 같이, 수용 가능한 것으로 간주된다. 다이어프램에 대한 프로파일을 정의하는 파라미터들은 이 경우, 단계(316)에 도시된 바와 같이, 다이어프램 프로파일의 생성을 위해 컴파일링된다. 대안적으로, 상대 오차 값이 허용 한계를 초과하는 경우, 단계(314)에 도시된 바와 같이, 상대 오차 값이 허용 한계 내에 있을 때까지 새로운 후보 파라미터 값 세트가 생성되고, 흐름도에 도시된 반복 프로세스에 삽입된다.

보다 일반적으로, 다이어프램의 대안적인 실시예를 결정할 수 있는 참조 실시예에서 요구되는 곡률의 정도를 결정하기 위해 정규화된 접근이 사용될 수 있다. 이 참조 실시예는 제1 모드에서의 보이스 코일 속도가 제2 모드에서의 보이스 코일 속도와 같거나 더 작은 관성적으로 밸런싱된 구성을 달성하기 위한 양만큼 제1 벤딩 모드의 노달 라인을 내측으로 시프트하는 곡률 함수를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 대안적인 실시예를 결정하기 위해 이 방법을 사용할 때 다음 조건 및 제한이 사용되어야 한다. 곡률의 정도를 결정하기 위한 이러한 조건 및 제한은 대표적인 것이며, 당업자에게 공지되어 있을 수 있는 대안적 또는 추가적 조건 및 제한의 사용을 배제하지 않는다.:

다이어프램의 평면도는 형상이 원형이다.

다이어프램에 대해 등방성 재료가 사용된다.

다이어프램 두께는 일정하다.

곡률의 크기는 반경이 증가함에 따라 증가한다.

곡률은 다이어프램의 중심에서 0이다.

이 참조 실시예는 선형 곡률 함수를 사용하여 생성되었지만, 다른 함수들도 위의 조건이 충족되는 한 유사한 결과를 제공한다. 고차 곡률 함수 및 일정한 곡률 함수는 선형 곡률 함수만큼 노달 라인의 위치를 크게 시프트하지 않는다. 유사한 제1 벤딩 모드의 노달 라인 위치를 달성하기 위해 약간 더 높은 에지 높이가 필요하기 때문에, 일정한 곡률은 테스트된 기능 중에서 제1 벤딩 모드의 노달 라인을 시프트하는 데 가장 덜 효과적이다. 참조 실시예는 다이어프램의 제1 노달 라인의 위치의 이동에 대한 일반적인 예시를 제공하기 위해 무차원 용어로 설명된다. 이것은 각 관련 거리를 다이어프램 반경으로 나누거나 또는 "스케일링(scaling)"함으로써 수행된다. 상대 다이어프램 두께(T)는 제어 파라미터 중 하나이며, 반경의 백분율로서의 다이어프램 두께를 포함한다. 다른 제어 파라미터는 동일한 표면의 최소 지점에서 측정되고 다이어프램 반경의 백분율로 스케일링된 바와 같이 다이어프램의 주변에서의 상대 에지 높이(H)이다. 이 파라미터는 명시된 제한을 따르는 임의의 개수의 곡률 프로파일에 의해 얻어질 수 있다.

도 3b는 선형 곡률 다이어프램 프로파일에 대한 상대 에지 높이 및 다이어프램 두께의 함수로서 제1 고유 모드의 노달 라인 위치를 예시한다. 선형 함수는 가장 정확한 비교를 제공하기 때문에 이 도면에서 사용되었으며, 아래 제시된 데이터에서, 노달 라인 조작은 5 % 증분으로 수행된다. 아래 표는 상대 에지 높이(H)의 빠른 근사치를 제공한다. 이 표에 표시된 값들은 주어진 노달 라인 위치에 대한 다이어프램의 상대 에지 높이(H) 및 상대 다이어프램 두께(T)를 제공한다.

상대적인 다이어프램 에지 높이가 증가하면, 고유 주파수도 또한 증가하여 얇은 다이어프램(즉, 상대 두께가 2 % 이하인 다이어프램)에 더 큰 그리고 더 분명한 영향을 미치는 경향이 있다. 주어진 다이어프램 기하학적 구조에 대해, 동일한 두께를 갖는 평평한 디스크에 대한 제1 모드의 고유 주파수로 각 고유 주파수를 나누면, 모달 거동을 추가로 조작하는 데 사용될 수 있는 정규화된 경향이 드러난다. 이러한 방식으로 다이어프램의 고유 주파수를 제어함으로써, 상당한 성능 이점을 얻을 수 있다. 특히, 추가 음향 방사를 제공하기 위해 특정 대역폭 내에서 모드의 그룹핑이 증가될 수 있거나, 또는 상대적 두께가 낮은 다이어프램의 경우 제1 모드가 주파수에서 훨씬 더 높게 이동되기 때문에 더 가벼운 다이어프램이 사용될 수 있다. 상대 다이어프램 두께, 곡률 프로파일, 및 다이어프램 재료의 조합은 다이어프램의 고유 주파수를 제어한다. 일부 실시예에서, 다이어프램은 0.15 mm 내지 0.3 mm 범위의 두께를 갖는 알루미늄 및 0.2 mm 내지 0.5 mm 범위의 두께를 갖는 종이와 같은 모놀리식 재료로 제조된다. 재료 구성에 대한 다른 대안은 1 mm 내지 5 mm 범위의 일반적인 두께의 복합 재료(예를 들어, 스킨, 벌집형 코어, 스킨), 또는 두께가 0.5 mm 내지 5 mm 범위인 발포 재료(예를 들어, 로하셀(Rohacell))를 포함한다. 일반적으로 더 중요한 설계 고려 사항 중 하나는, 곡률의 영향이 더 얇은 재료에서 더 분명하기 때문에, 강성 대 중량 비율 및 작은 두께(즉, 얇은 재료)를 갖는 다이어프램을 제조할 수 있는 능력이다. 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 3f는 이 방법의 효과를 추가로 설명하기 위해 상대 다이어프램 에지 높이의 함수로서 고유 주파수 비(평평한 다이어프램에서 제1 벤딩 모드의 고유 주파수에 대한 주어진 고유 주파수의 비율로 정의됨)에 대한 효과를 보여준다. 도 3c는 0.5 % 상대 다이어프램 두께 및 선형적으로 변화하는 다이어프램 곡률 프로파일을 갖는 다이어프램에 대한 상대 에지 높이(H)의 함수로서 처음 4 개의 벤딩 모드 고유주파수의 변화를 예시한다. 도 3d는 1 % 상대 다이어프램 두께 및 선형적으로 변화하는 다이어프램 곡률 프로파일을 갖는 다이어프램에 대한 상대 에지 높이의 함수로서 처음 4 개의 벤딩 모드 고유 주파수의 변화를 보여준다. 도 3e는 2 % 상대 다이어프램 두께 및 선형적으로 변화하는 다이어프램 곡률 프로파일을 갖는 다이어프램에 대한 상대 에지 높이의 함수로서 처음 4 개의 벤딩 모드 고유 주파수를 예시한다. 도 3f는 4 % 상대 다이어프램 두께 및 선형적으로 변화하는 다이어프램 곡률 프로파일을 갖는 다이어프램에 대한 상대 에지 높이의 함수로서 처음 4 개의 벤딩 모드 고유 주파수를 예시한다.

도 3g는 BMR을 형성하기 위해 만곡된 다이어프램을 관성적으로 밸런싱하기 위한 프로세스의 일 실시예를 예시하는 흐름도이다. 방법(320)은, 단계(322)에 도시된 바와 같이, 다이어프램(300)을 제조하기 위한 프로세스로부터 생성되는 시뮬레이션되어 생성될 다이어프램의 기하학적 구조를 정의하기 위한 형상 파라미터의 수신으로 시작한다. 형상 파라미터가 수신되면, 단계(324)에 도시된 바와 같이, 다이어프램의 고유 모드의 재현을 시뮬레이션하는 고유 주파수 출력 분석이 수행된다. 출력 고유 모드 벤딩 거동의 시뮬레이션된 렌더링은 다이어프램의 목표 대역폭 내에서 가장 높은 고유 주파수까지 N 고유 주파수에 대해 수행된다. 일반적으로, 이것은 제3 또는 제4 벤딩 모드 고유 주파수이다. 단계(324)에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션된 출력 주파수 분석이 수행되면, 단계(326)에 도시된 바와 같이, 가장 높은 벤딩 모드 및 모든 더 낮은 주파수 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 함수가 생성된다.

고유 모드 형상의 식별은, 단계(328)에 도시된 바와 같이, 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 함수를 결정하고, 시뮬레이션하고 분석하는 수단이다. 주어진 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 함수는 다이어프램의 위치 범위에서, 보이스 코일 어셈블리와 같은 외부 소스로부터의 진동력이 해당 주어진 모드에 대한 다이어프램의 벤딩 속도로 얼마나 쉽게 전달될 수 있는지를 정량화한다. 주어진 기계적 어드미턴스 함수의 최소값은 주어진 모드에 대한 노달 라인이다. 이들은, 입력 힘이 가해지면, 이러한 구역에서 다이어프램을 구동할 때 각 해당 모드에 대해 다이어프램의 벤딩 거동으로 에너지가 비효율적으로 전달되는 구역이다. 기계적 어드미턴스 함수의 피크는 에너지가 다이어프램의 벤딩 거동으로 쉽게 변환될 수 있고 인가된 힘이 높은 벤딩 속도를 발생시키는 위치 또는 안티 노드(antinodes)를 식별한다. 다이어프램의 중심 및 다이어프램의 에지는 모든 벤딩 모드에 대한 안티 노드이다. 각 벤딩 모드에 대해 기계적 어드미턴스 함수가 생성된다.

최적의 만곡된 다이어프램을 설계할 때, 작업 가정은 형상 기하학적 구조에 대해 원하는 대역폭 내에서 N 개의 적용 가능한 벤딩 모드가 있다는 것이다. N 개의 벤딩 모드 각각에 대해 서로 다른 함수를 포함하는 기계적 어드미턴스 함수 세트가 생성되면, 함수들은 모달 기계적 어드미턴스 함수를 생성하는 가중 합으로 결합된다. 집합적으로, 단계(328)에 도시된 바와 같이, 모달 기계적 어드미턴스 함수로부터의 이들 컴퓨팅된 최소 위치들은, 단계(330)에 도시된 바와 같이, BMR 다이어프램에 대해 생성된 기하학적 구조를 밸런싱하기 위해 보이스 코일 어셈블리 및 하나 이상의 기계적 임피던스 성분의 장착을 위한 물리적 위치를 결정하는 데 사용된다. 제1 모드와 관련된 왜곡은 보이스 코일 어셈블리를 제1 모드의 노달 라인에 가장 가까운 모달 기계적 어드미턴스 최소값에 배치함으로써 감소된다. 하나 이상의 밸런싱 임피던스 성분들의 위치들은 다른 N-1 개의 최소 위치들에 설정되며, 여기서 이러한 위치들은 다이어프램 기하학적 구조의 각 벤딩 모드에 대한 기계적 어드미턴스 함수의 N차 분석으로부터 결정된다. 집합적으로, 벤딩 모드의 N차 기계적 어드미턴스 함수는 모달 기계적 어드미턴스 함수를 형성한다. 기계적 임피던스 성분을 추가한 결과는 벤딩 거동을 관성적으로 밸런싱된 상태로 가져오고, 여기서 합산된 표면 속도의 Z 방향 성분은 피스톤 모드 값들로 가는 경향이 있다. 또한, 평평한 다이어프램의 경우, 가장 높은 주파수 모드의 거동을 관성적으로 밸런싱함으로써 더 낮은 모드도 또한 동시에 보정된다. 이 조건에서, 다이어프램은 선택된 N 모드에 의해 커버되는 주파수 범위에서 관성적으로 밸런싱된다. 만곡된 다이어프램 BMR의 경우에도, 유사한 방법을 사용할 수 있지만, 그러나 더 낮은 모드는 의도적으로 평면 패널의 경우와 다르게 거동한다. 더 낮은 모드를 관성적으로 밸런싱하기 위해 수정된 방법이 사용되어야 한다. BMR에 대한 만곡된 다이어프램을 관성적으로 밸런싱하기 위해, 만곡된 패널에 대한 모달 기계적 어드미턴스 및 상대 평균 모달 속도가 결정되어야 한다.

다이어프램에 대한 관성적 밸런싱의 결정은 다이어프램에 대한 모달 기계적 어드미턴스 함수에 따라 달라진다. 일반적으로, 평평한 다이어프램을 모델링할 때, 임의의 단일 모드에 대한 기계적 어드미턴스 함수는 분석적으로 도출된다. 그러나, 평평하지 않은 구조의 경우, 분석 솔루션은 결정하기가 더 어렵고, 도출하는 것이 불가능할 수 있다. 모달 기계적 어드미턴스 함수를 결정하는 한 가지 실제적인 방법은 사용된 가장 높은 고유 주파수를 식별하는 것이다. 이 가장 높은 고유 주파수는 중심에서 시작하여 축대칭 다이어프램의 에지에서 끝나는 증분 반경에서 링 힘이 가해지는 주파수 도메인 시뮬레이션을 수행하는 데 사용될 수 있다. 그런 다음 각 구동 반경에 대해 평균 속도 크기가 계산되고, 그 후 해당 위치에 할당되어야 한다. 전체 기계적 어드미턴스는 이 평균 속도 크기를, 피스톤 운동으로부터의 기계적 어드미턴스 성분을 포함하여, 각 반경 위치의 총 입력 힘으로 나누어 얻어진다. 관성적 밸런싱에 사용하기 위해, 벤딩 모드만이 고려되어야 하므로, 모달 기계적 어드미턴스를 식별하기 위해 전체 기계적 어드미턴스 함수의 피스톤 성분을 빼야 한다.

다이어프램은 유한 요소 분석을 사용하여, 동작 대역폭에서 벤딩이 발생하지 않도록 다이어프램을 제한하고, 벤딩 분석에 사용된 것과 동일한 입력 힘을 사용하여 가장 높은 고유 주파수의 주파수 도메인에서 시뮬레이션될 수 있다. 그런 다음 피스톤 모드의 기계적 어드미턴스를 총 기계적 어드미턴스 함수에서 빼서 모달 기계적 어드미턴스를 식별할 수 있다. 아래 표에서, 모드 열은 고유 모드 번호를 나타내고, 형상 함수 열은 고유 주파수 분석에서 반경 방향 위치의 함수로서 다이어프램 속도를 나타내고, 여기 형상 열은 주파수 도메인 분석의 출력이고 총 기계적 어드미턴스에 비례하며, 모달 어드미턴스 열은 고유 모드의 모달 기계적 어드미턴스를 나타낸다. 표에서, 상수 "C_n"은 각 행에 대해 변화된다. "P_si"는 각 고유 모드의 정규화된 형상을 나타내고, "F"는 입력 힘을 나타낸다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 다이어프램 반경의 백분율로 측정된 위치에 대한 일 실시예에서 만곡된 다이어프램 밸런싱된 모드 방사기의 제1, 제2 및 제3 벤딩 모드의 주파수에서 각각 모달 기계적 어드미턴스 및 형상 함수를 나타내는 그래프이다. 도 4a에서, 다이어프램은 선형 곡률 프로파일을 사용하고, 상대 다이어프램 두께(T)가 2 %이며, 제1 벤딩 모드의 노달 라인은 반경의 69 %에서 반경의 60 %까지 9 %만큼 내측으로 조작되었다. 도 4a에 도시된 바와 같은 제1 벤딩 모드의 경우, 형상 함수는 모달 기계적 어드미턴스와 형상이 거의 동일하다. 이 특성은 도 4b에 도시된 바와 같이 제2 벤딩 모드에 대한 그리고 도 4c에 도시된 바와 같이 제3 벤딩 모드에 대한 모달 기계적 어드미턴스 및 형상 함수의 비교에서 반복적으로 예시된다. 정규화되면, 제1 벤딩 모드에 대한 모달 기계적 어드미턴스 및 형상 함수는 다이어프램의 중앙에서 매치되고 도 4d에 도시된 바와 같이 직접적인 비교가 가능한데, 다이어프램의 운동은 주로 피스톤 운동 및 제1 벤딩 모드의 벤딩 운동에 의해 결정되기 때문이다. 더 높은 벤딩 모드에서, 다이어프램 운동은 해당 벤딩 모드의 운동, 모든 더 낮은 벤딩 모드의 운동, 및 피스톤 모드의 운동을 포함한다. 제 2 벤딩 모드의 모달 기계적 어드미턴스와 그 벤딩 모드에 대한 형상 함수 사이를 비교할 때, 도 4e에 도시된 바와 같이 완전한 매치가 관찰되지 않는다. 각 모드에 대한 모달 기계적 어드미턴스는 모든 더 낮은 모드에 대한 기계적 어드미턴스를 포함하기 때문에, 모달 어드미턴스 최소값은 형상 함수 최소값에서 약간 시프트된다. 모달 기계적 어드미턴스 함수로부터의 결과적인 최소 위치는 관성 밸런싱 질량체의 배치에 이상적이다.

다이어프램이 관성적으로 밸런싱된 정도는 벤딩 속도의 평균이 동작 대역폭 내의 임의의 주파수에서 피스톤 속도에 얼마나 가깝게 경향이 있는지를 평가함으로써 결정될 수 있다. 이 평가는 다이어프램의 진동 표면에서 표면 속도의 크기 및 위상을 측정함으로써 결정된다. 다이어프램의 진동 표면에 대한 평균 및 평균 제곱근("RMS") 체적 속도는 모두 다이어프램에 대한 관성적 밸런싱의 정도를 정확하게 정량화하기 위해 동작 대역폭 내에서 높은 주파수 분해능(일반적으로 최소 분해능으로 옥타브당 24 포인트)에서 평가될 수 있다. 분석적으로, 평균 체적 속도는 아래 적분 식으로 평가될 수 있다:

RMS 속도는 다음 식을 사용하여 평가될 수 있다:

여기서 P_si(ψ)는 다이어프램의 표면 속도를 나타내고, S는 평가 구역의 면적을 나타낸다.

마지막으로 요구되는 식은 다음 접근 방식을 사용하여 결정될 수 있는 피스톤 성분의 체적 속도에 관한 것이다. 제1 접근 방식에서, 결합된 기계적, 음향 및 전자기 물리학을 포함하는 디지털화된 FEA 시뮬레이션이 전체 BMR을 모델링하는 데 사용되는 경우, 그러면 다이어프램은 BMR의 다른 모든 전기-기계적 특성을 유지하면서 벤딩을 방지하기 위해 시뮬레이션 내에서 제한될 수 있다. 제2 접근 방식에서는, 낮은 주파수 피스톤 거동을 BMR의 집중 요소 시뮬레이션 모델과 매치시켜 높은 주파수에서 피스톤 속도를 추정한다. 높은 주파수 피스톤 속도의 이러한 추정은 낮은 주파수 피스톤 속도와 결합되어, BMR의 전체 동작 대역폭에 대한 피스톤 속도를 결정할 수 있다. 시뮬레이션 및 측정 모두에서, 전류 구동 소스는 기전력 효과를 억제하고 측정 및 시뮬레이션 간의 향상된 상관 관계를 위해 높은 주파수에서 기계적 임피던스 상승 효과를 억제하는 데 사용된다.

아래의 분석 식은 Z-방향의 평균 속도가 상대 평균 모달 속도와 동일한 피스톤 속도와 얼마나 다른지에 대한 메트릭을 결정하는 데 사용된다.

다음 식은 "평균 체적 속도(Mean Volume Velocity)" 및 "RMS 체적 속도(RMS Volume Velocity)"를 분석적으로 정의한다. 이들 식들은 실제 구현에서 관찰에서 얻은 이산 데이터 세트에 대한 연산자로 정의된다. 이들 식들에서, A는 평가 영역으로 정의되고, ΔA는 증분 영역이고, N은 요소의 총 개수이고, n은 합산에서 요소 개수이다.

일반적으로, 밸런싱된 다이어프램에서, 상대 평균 모달 속도는 25 % 미만이어야 하지만, 잘 밸런싱된 다이어프램에서는 18 % 미만이어야 한다. 이러한 값들의 결정은 오디오 디바이스를 평가하기 위해 스캐닝 레이저 진동계를 사용하여 그리고 시뮬레이션된 오디오 디바이스를 평가하기 위해서는 유한 요소 분석을 사용하여 수행될 수 있다. 충분한 공간 분해능을 보장하기 위해 동작 대역폭에서 가장 높은 주파수에서 벤딩 파장당 최소 5 개의 위치를 제공하도록 측정 위치가 분포되어 있는 경우, 위 공식의 공간적 이산 버전이 사용될 수 있다.

일반적으로, 전체 변환기의 성능은 관성적으로 밸런싱된 성분이 있는 상태 및 없는 상태에서 시뮬레이션될 수 있다. 40 mm 직경의 알루미늄 다이어프램의 시뮬레이션된 실시예에서, 다양한 상대 평균 모달 속도가 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d에 예시된 바와 같이 밸런싱 전에 그리고 후에 결정되었다. 20 kHz 미만의 주파수(즉, 가장 유용한 오디오 적용의 동작 주파수 범위)에서, 관성적으로 밸런싱된 다이어프램은 잘 밸런싱된 것을 나타내는 18 % 미만의 상대 평균 모달 속도를 갖는다. 도 5a는 일 실시예에서 언밸런싱된 40 mm 직경의 만곡된 알루미늄 다이어프램의 체적 속도를 시뮬레이션하기 위한 유한 요소 분석("FEA") 모델을 사용하는 체적 속도의 RMS, 평균 및 피스톤 성분을 예시한다. 도 5b는 일 실시예에서 언밸런싱된 40 mm 직경의 만곡된 알루미늄 다이어프램에 대한 상대 평균 모달 속도에 대한 FEA 시뮬레이션 결과를 예시한다. 관성적으로 밸런싱된 다이어프램에 대한 25 % 기준은 이 언밸런싱된 예에서 초과하는 수평선으로 표시된다. 이에 반해, 도 5c는 일 실시예에서 밸런싱된 40 mm 직경의 만곡된 알루미늄 다이어프램의 체적 속도의 RMS, 평균 및 피스톤 성분의 FEA 시뮬레이션 결과를 예시한다. 도 5d는 일 실시예에서 밸런싱된 40 mm 직경의 만곡된 알루미늄 다이어프램의 상대 평균 모달 속도에 대한 FEA 시뮬레이션 결과를 예시한다. 관성적으로 잘 밸런싱된 다이어프램에 대한 18 % 기준은 이 관성적으로 밸런싱된 예에서 초과하지 않는 수평선으로 표시된다.

일반적으로, 다이어프램은 보이스 코일 어셈블리의 추가에 의해 실질적으로 "관성적으로 언밸런싱된다". 관성적으로 언밸런싱된 다이어프램은 동작 대역에 걸쳐 25 %보다 큰 상대 평균 모달 속도를 가질 것이다. 다이어프램을 관성적으로 밸런싱하고 상대 평균 모달 속도를 25 % 미만, 바람직하게는 18 % 이하로 감소시키기 위해, 하나 이상의 기계적 임피던스 성분이 추가되어야 한다. 추가된 성분의 개수는 일반적으로 가장 높은 대역 내 고유 모드의 모달 기계적 어드미턴스 함수의 최소값의 개수에 대응된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 내부 밸런싱 질량체가 단일 밸런싱 디스크에 결합될 수 있다.

평평한 디스크의 경우, 각 기계적 임피던스 성분의 질량은 필요한 보이스 코일 어셈블리의 질량 및 이들이 다이어프램 상에 배치된 반경 방향 위치에 비례한다. 그러나, 다이어프램의 주변에 배치된 기계적 임피던스 성분의 질량은 이상적인 밸런싱을 위해 최대 25 %까지 질량이 감소될 수 있다. 평평한 BMRs에 대한 질량 비율 및 위치는 아래 표에 나타나 있고, 이들은 위치들 중 하나에 위치된 보이스 코일 어셈블리의 질량을 기초로 비례적으로 스케일링된다.

만곡된 다이어프램 BMR을 밸런싱할 때, 이 접근 방식은 좋은 출발점이 된다. 질량들은 동작 대역폭 내에서 가장 높은 고유 주파수까지 만곡된 다이어프램 모달 기계적 어드미턴스 최소값에 배치되며, 처음에는 보이스 코일 어셈블리 질량 및 이들의 상대적 반경 방향 위치에서 스케일링 오프되어야 한다. 만곡된 다이어프램 모달 기계적 어드미턴스 최소값은, 이들 최소값이 상이한 곡률 프로파일에 따라 달라지므로, 일반적인 형태로 표로 제작될 수 없다. 노달 라인 위치의 조작으로 인해, 기계적 임피던스 성분의 질량은 이 경우 최적화된 관성적 밸런싱을 달성하도록 조정되어야 한다.

가장 낮은 벤딩 모드부터 시작하여, 각 모드를 보정하기 위해 질량 조정이 이루어질 수 있다. 제1 모드의 경우, 제1 벤딩 모드의 노달 라인에 의해 둘러싸인 영역 내의 질량들이 너무 크면, 축-상의 음향 측정이 도 6a의 응답과 유사한 응답을 보일 것이다. 제1 벤딩 모드의 노달 라인의 주변의 질량들이 너무 크면, 이 경우 축-상의 응답은 도 6b와 유사할 것이다. 제1 모드의 관성적 밸런싱은 어느 경우든 노달 라인의 다른 측에서 질량을 증가시킴으로써 달성될 수 있지만, 그러나 과도한 질량 관련 효율 손실은 가능한 경우 최소화되어야 한다. 제1 벤딩 모드의 노달 라인 내부 및 외부의 질량들은 축-상의 응답이 가능한 한 평평해질 때까지 그리고 해당 모드의 상대 평균 모달 속도가 최소화될 때까지 조정될 수 있다.

제2 모드를 밸런싱하기 위해 유사한 접근 방식이 구현될 수 있다. 그러나, 제1 모드의 밸런싱은 유지되어야 한다. 이것은 어떻게 다이어프램이 언밸런싱되는지에 따라 추가된 모든 질량들을 위 또는 아래로 스케일링함으로써 수행된다. 이렇게 하면 각 질량이 노달 라인에 대해 적용되는 반경 방향 모멘트가 보존되어, 이에 따라 그 밸런싱이 유지된다. 제1 벤딩 모드의 노달 라인의 양 측에 있는 복수의 질량으로부터 추가 조정이 필요한 경우, 이들은 제1 모드에 대한 반경 방향 모멘트를 유지하도록 조정되어야 한다. 제2 모드의 경우, 2 개의 노달 라인이 있으며, 노달 라인에 의해 분리된 벤딩 구역들은 교대 극성을 갖는다. 결과적으로, 최내측 및 최외측 구역은 동일한 극성을 갖는다. 보이스 코일이 중간 구역 내에 있고 질량들이 너무 낮으면, 이 경우 제2 모드에서의 음향 응답은 도 6a에 도시된 음향 응답과 유사할 것이다. 질량들이 너무 크면, 이 경우 음향 응답은 도 6b에 도시된 응답과 유사할 것이다.

제2 모드 위의 모드들의 경우, 낮은 차수 벤딩 모드의 관성적 밸런싱을 유지하기 위해 구현이 훨씬 더 어려워지지만, 이 방법이 여전히 사용될 수 있다. 다이어프램이 0 개 또는 1 개의 변곡점으로 구성된 만곡된 프로파일을 갖는 경우, 상위 모드들은 최소한의 영향을 받는다. 종래의 평평한 다이어프램 BMR 밸런싱 질량 체계는 낮은 상대 평균 모달 속도를 제공해야 하고, 결과적으로 제1 모드 및 제2 모드를 밸런싱하기 위한 질량의 임의의 조정은 가능한 한 최소화되어야 한다. 모든 질량 조정은 10 % 이하의 증분으로 이루어져야 하며, 대략적인 솔루션이 발견되면 5 % 이하로 조정되어야 한다.

도 7a는 일 실시예에서 자유 평평한 원형 다이어프램에서 노달 라인의 분포의 평면도 예시이다. 예시된 실시예(700)에서, BMR의 평평한 원형 다이어프램에 존재하는 처음 4 개의 상이한 벤딩 모드의 노달 라인 위치를 나타내는 일련의 선이 도시되어 있다. 제1 벤딩 모드의 노달 라인은 원의 단일 링(702)으로 그래픽으로 예시되고, 제3 벤딩 모드(704)의 3 개의 노달 라인은 일련의 대시 및 점으로 예시된다. 각 벤딩 모드는 다이어프램의 모드 여기로 인해 병진 운동, 속도 또는 가속이 0인 존인 노달 라인을 갖는다. 본질적으로, 이들은 벤딩 모드 동작에서 방사된 음향 파워에 거의 기여하지 않거나 또는 전혀 기여하지 않는 다이어프램 상의 위치들이다. 예시에서, 제1 벤딩 모드(702)의 노달 라인은 제4 벤딩 모드(708)의 제3 노달 라인과 일치한다. 일반적으로, 평평한 다이어프램의 각 벤딩 모드는 다른 진동 주파수 및 다른 노달 라인 위치를 가지며, BMRs이 피스톤 음향 방사와 동시에 광범위한 음향 및 초음파 주파수에 걸쳐 음향 신호를 방사할 수 있게 하는 것은 이러한 벤딩 모드들의 결합된 또는 건설적인 방사 음향 파워이다. BMR 다이어프램의 운동은 주로 전기기계 변환기를 포함하는 결합된 어셈블리 내에서 보이스 코일 포머 주위에 감겨진 보이스 코일을 통해 흐르는 전류와 정적 자기장의 상호 작용에 의해 활성화되는 보이스 코일 포머의 기전 구동력에 의해 발생한다. 그러나, BMR 다이어프램에 대한 이전의 평평한 디스크 구조에서 만곡된 구조를 생성하거나 또는 물리적으로 휘게 함으로써 노달 라인 위치들이 시프트되거나 또는 조정될 수 있는 방식으로 BMR 다이어프램의 형상을 수정함으로써 성능상의 이점이 달성되었다.

이러한 성능상의 이점을 달성함에 있어서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 이전에 설명된 프로세스를 사용하여, 만곡된 형상을 갖는 다이어프램 프로파일을 생성하기 위해 최적의 다이어프램 형상 파라미터 세트를 생성하고, 만곡된 다이어프램 프로파일의 고유 주파수 출력을 반복적으로 평가하고, 선택된 BMR 다이어프램 프로파일의 벤딩 모드의 분포를 직접 조작할 수 있다. 반복적으로 결정될 때, 선택된 다이어프램 프로파일은 감소된 음향 왜곡을 갖는 음향 출력을 생성할 수 있고, 더 작은 보이스 코일 및 더 작은 코일 포머 직경의 형태로 측정된 감소된 재료 비용을 갖고, 그리고 종래의 평평한 다이어프램 BMRs과 비교할 때 다이어프램을 구동하는 전기기계 변환기에 사용하기 위한 더 저렴한 자석을 갖는다. 추가적으로, 더 작은 자석 크기는 BMR 다이어프램을 구동하는 데 사용되는 변환기의 전체 무게, 크기 및 비용을 크게 감소시킨다. 자석에 대한 옵션 중에서, 세라믹 자석을 사용하여 비용을 더욱 절감할 수 있지만, 그러나 희토류 자석보다 저장된 에너지 밀도가 현저히 낮기 때문에, 무게가 증가할 수도 있다.

도 7b는 일 실시예에서 만곡된 원형 BMR 다이어프램의 평면도 예시이다. 이 예시된 실시예에서, 이러한 대안적인 다이어프램 프로파일의 만곡된 형상은 제1 벤딩 모드의 제1 노달 라인(702)의 시프트가 제3 벤딩 모드(704)의 제2 노달 라인과 일치하게 하였다. 벤딩 모드의 시프팅으로 얻어진 BMR 다이어프램의 형상을 제어하고 조작할 수 있는 능력은 신호 지향성 감소, 왜곡 감소, 및 감소된 보이스 코일 크기를 갖는 BMR을 제조할 수 있는 능력의 측면에서 기능적 이점을 제공한다. 이러한 감소된 크기는 전기기계 변환기의 성분으로 사용하기 위한 재료의 비용을 상당히 감소시킨다. 구조 수정은 코일 포머와 BMR의 고정 프레임 사이의 연결을 제공하는 스파이더 요소를 확장하기 위한 추가 내부 공간의 가용성으로 인해 더 낮은 왜곡이 달성될 수 있게 한다. 다이어프램의 만곡으로 인해 BMR에서 스파이더 요소의 확장된 길이 및 이에 따른 내부 성분 크기의 감소는 스파이더에서 더 선형적인 강성 거동을 가능하게 하여, 이에 따라 더 큰 유연성을 제공하고 만곡된 BMR 다이어프램으로부터 전송되는 오디오 신호 주파수의 왜곡을 더 크게 감소시킬 수 있다.

도 8a는 만곡된 BMR 다이어프램 프로파일을 생성하는데 사용하기 위한 대표적인 곡률 함수 세트의 예시이다. BMR에 사용하기 위한 잠재적인 만곡된 다이어프램에 대한 호 길이에 대한 대표적인 곡률을 나타내는 여러 개의 선이 표시된다. 실험을 통해, 곡률비와 호 길이의 곱으로 정의되는 곡률(K)은 관계 K= 250s를 충족하고, (여기서 s는 미터 단위의 호 길이를 나타내고, 250은 1/m² 단위의 곡률비를 나타냄), 제1 벤딩 모드와 제3 벤딩 모드 사이의 노달 라인 위치들의 위치 결정에서 최적의 수정을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 곡률 프로파일을 갖는 다이어프램 실시예에서, BMR 다이어프램의 제1 벤딩 모드의 노달 라인은 제3 벤딩 모드의 제2 노달 라인의 위치와 밀접하게 일치하도록 만들어졌다. 노달 라인 위치들이 일치하거나 또는 밀접하게 일치하도록 될 때, 이러한 노달 라인에 구동력을 가하면 해당 노달 라인과 관련된 모드들의 여기가 억제되어 이에 따라 해당 모드 주파수에서 음향 출력의 왜곡이 감소된다는 것이 밝혀졌다. 벤딩 모드로부터의 왜곡은 구동 위치에서 표면 속도에 따라 스케일링되기 때문에, 가장 낮은 모드는, 안티 노드(즉, 최대 병진 운동의 점 또는 선) 근처에서 구동되는 경우, 다른 벤딩 모드와 비교할 때 가장 높은 표면 속도를 갖는다. 따라서 음향 왜곡을 생성할 가능성이 가장 높다. 구동 위치와 일치하거나 또는 밀접하게 일치하도록 노달 라인의 조작을 통해 제1 벤딩 모드의 여기를 제어하면, 해당 벤딩 모드에서 감소된 음향 방사 출력이 생성되고 음향 왜곡이 최소화된다. 이러한 방식으로, "3-모드 밸런스(three-mode balance)"라고 하는 일종의 관성적 밸런싱이 제1 벤딩 모드의 주파수에서 왜곡을 감소시키기 위해 사용되는 다이어프램의 곡률을 통한 노달 라인 재분배로 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 보이스 코일 포머의 직경을 벤딩 모드의 노달 라인과 밀접하게 일치하는 직경에 위치시킴으로써 보이스 코일에 의해 경험되는 모달 속도를 억제함으로써 왜곡의 감소가 달성된다. 제1 벤딩 모드의 노달 라인을 고차 모드의 노달 라인과 밀접하게 일치시킴으로써, BMR의 밸런싱된 모달 거동이 보다 효과적으로 유지될 수 있다.

도 8b는 일 실시예에서 BMR에 대한 축대칭 다이어프램 프로파일의 범위의 단면도를 예시하는 그래프이다. 이 그래프에서, 다이어프램 프로파일의 곡률 변화가 표시된다. 유리한 실시예는 관찰된 호 길이가 중심으로부터 에지로 외측으로 이동할 때 250/m²의 선형 곡률비로부터 생성되는 것으로 밝혀졌다.

도 8c는 0.1 미터 반경 다이어프램에 대한 이 대표적인 예에서 미터 단위로 측정된 다이어프램 반경에 대한 노달 라인 위치에 대한 곡률비의 영향을 예시하는 그래프이다. 이 그래프는 다이어프램의 만곡된 프로파일이 낮은 차수 벤딩 모드 노달 라인 위치들의 포지션에서 시프팅 또는 수정을 일으키는 방법을 예시한다. 이 경우, 제3 벤딩 모드의 제2 노달 라인과 일치하도록 제1 벤딩 모드의 노달 라인 위치에서의 반경 방향 이동이 도시된다.

도 8d는 일 실시예에서 만곡된 다이어프램의 곡률비의 함수로서 상대 평균 모달 속도를 예시하는 그래프이다. 이 도면은 벤딩 모드가 만곡된 다이어프램 동작의 피스톤 성분의 표면에서 Z-방향으로 생성된 음향 출력을 더 강하게 또는 덜 강하게 간섭하는 비교 형태를 나타낸다. 상대 평균 모달 속도는 평균 모달 체적 속도를 계산하고 이를 RMS 모달 체적 속도로 나누어 결정된다. 25 % 미만, 바람직하게는 18 % 미만의 값은 모드가 관성적으로 밸런싱된 것을 나타낸다. 곡률비가 250/m²인 만곡된 다이어프램에 해당하는 그래프 상에 최적의 위치가 식별되어 표시되고, 이 특정 만곡된 프로파일로부터의 상대 평균 모달 속도는 관성적으로 밸런싱된 제1, 제3 및 제4 벤딩 모드를 갖고, 이에 따라 피스톤 같은 운동으로부터 발생되는 음향 방사의 간섭을 감소시키고, 제2 벤딩 모드에서 Z-방향으로 방사되는 사운드는 해당 벤딩 모드의 RMS 속도의 대략 0.34 내지 0.35 퍼센트로 표시된다. 상대적 평균 모달 속도의 낮은 비율을 갖는 벤딩 모드는 주로 축에서 벗어나 방사하고 넓은 지향성을 제공한다.

도 9는 관성적으로 언밸런싱된 만곡된 다이어프램의 일 실시예와 비교하여 관성적으로 밸런싱된 만곡된 다이어프램의 일 실시예에 대한 축-상의 음압 레벨을 나타내는 그래프이다. 두 개의 다이어프램에 대해 직경이 40 mm이고 상대 에지 높이가 10 %인 0.2 mm 두께의 다이어프램이 사용되었다. 만곡된 다이어프램의 두 개의 실시예에 대한 곡률 프로파일은 19.05 mm 직경 보이스 코일의 배치 위치에 대응하는 제4 모드의 제2 노달 라인 위치의 위치에 가까운 제1 노달 라인 위치를 제공하도록 선택되었다. 이에 비해, 관성적으로 밸런싱된 평평한 40 mm 직경의 다이어프램 BMR은 제1 벤딩 모드의 여기를 억제하기 위해 27.6 mm의 보이스 코일 직경을 필요로 한다. 방사된 음향 신호에 존재하는 왜곡의 수준을 감소시키기 위해 제1 벤딩 모드의 여기를 억제하는 것이 바람직하다. 언밸런싱된 만곡된 다이어프램의 최대 상대 평균 모달 속도는 42 %이었다. 관성적 밸런싱 후, 최대 상대 평균 모달 속도는 BMR로 간주되는 확성기에 대한 25 % 관성적 밸런싱 임계값 미만인 21 %로 감소되었다.

특정 실시예들이 여기에 예시되고 설명되었지만, 당업자라면 매우 다양한 대안적 및/또는 등가 구현예들이 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 도시되고 설명된 특정 실시예들을 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 출원은 여기에 논의된 실시예들의 임의의 적응예들 또는 변형예들을 커버하도록 의도된다.

Claims

관성적으로 밸런싱된(inertially balanced) 오디오 변환기 다이어프램(audio transducer diaphragm)을 설계하기 위한 방법으로서,
상기 다이어프램에 대한 복수의 입력 파라미터(302)를 수신하는 단계;
상기 수신된 복수의 입력 파라미터(302)에 기초하여 제1 다이어프램 형상(diaphragm shape)(304)을 생성하는 단계;
상기 제1 다이어프램 형상의 제1 주파수 분석(306)을 수행하는 단계;
상기 수행된 제1 주파수 분석에 기초하여 상기 제1 다이어프램 형상의 노달 라인 분포(nodal line distribution)(308)를 결정하는 단계 - 상기 노달 라인 분포(308)는 상기 제1 다이어프램 형상 전반에 걸쳐 공진하는 복수의 진동 벤딩 모드(vibrational bending modes)의 각 공진 주파수를 포함함 - ;
상기 제1 다이어프램 형상에 대한 원하는 노달 라인 분포(308)와 상기 결정된 노달 라인 분포(308)를 비교하는 단계;
상기 제1 다이어프램 형상에 대한 원하는 노달 라인 분포(308)와 상기 결정된 노달 라인 분포(308)의 비교로부터 상대 오차 값(relative error value)(310)을 결정하는 단계;
미리 결정된 노달 라인 분포 허용 한계(nodal line distribution tolerance limit)와 상기 상대 오차 값(310)을 비교하는 단계; 및
복수의 다이어프램 형상 파라미터(316)를, 상기 복수의 다이어프램 형상 파라미터의 상대 오차 값이 상기 미리 결정된 노달 라인 분포 허용 한계(314) 미만일 때, 생성하는 단계
를 포함하는, 관성적으로 밸런싱된 오디오 변환기 다이어프램을 설계하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정된 노달 라인 분포(308)는, 상기 제1 다이어프램 형상 전반에 걸쳐 공진하는 하나 이상의 진동 벤딩 모드의 각 공진 주파수에 대한 최소 병진 속도 크기(minimum translational velocity magnitude)의 복수의 위치를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 노달 라인 분포 허용 한계와 상기 상대 오차 값(310)을 비교하는 단계는,
상기 상대 오차 값이 상기 미리 결정된 노달 라인 분포 허용 한계보다 클 때, 상기 다이어프램의 복수의 입력 파라미터(318)를 반복적으로 조정하는 단계; 및
조정된 복수의 다이어프램 형상 파라미터(316)를, 상기 조정된 복수의 다이어프램 형상 파라미터의 결정된 상대 오차 값(310)이 상기 미리 결정된 노달 라인 분포 허용 한계 미만일 때, 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 생성된 복수의 다이어프램 형상 파라미터(316)에 기초하여, 시뮬레이션된 다이어프램을 생성하는 단계;
상기 시뮬레이션된 다이어프램에 대해 제2 주파수 분석을 수행하는 단계;
상기 제2 주파수 분석에 기초하여 상기 시뮬레이션된 다이어프램에 대한 모달 기계적 어드미턴스 함수(modal mechanical admittance function)(324)를 생성하는 단계;
상기 생성된 모달 기계적 어드미턴스 함수에 대한 복수의 최소 위치(326)를 결정하는 단계;
상기 시뮬레이션된 다이어프램에 기초하여, 생성된 다이어프램의 표면 상의 보이스 코일 어셈블리(voice coil assembly)에 대한 그리고 하나 이상의 기계적 임피던스 성분 각각에 대한 결합 위치(328)를 식별하는 단계; 및
상기 식별된 결합 위치 각각에서 상기 생성된 다이어프램의 표면에 상기 보이스 코일 어셈블리 및 상기 하나 이상의 기계적 임피던스 성분을 결합하는 단계
를 더 포함하고,
상기 결합된 보이스 코일 어셈블리 및 상기 하나 이상의 기계적 임피던스 성분을 포함하는 상기 생성된 다이어프램은 관성적으로 밸런싱된 오디오 변환기 다이어프램을 포함하는 것인, 방법.
제4항에 있어서, 상기 제1 주파수 분석은 상기 제1 다이어프램 형상의 고유 주파수 분석(eigenfrequency analysis)이고, 상기 제2 주파수 분석은 상기 시뮬레이션된 다이어프램의 고유 주파수 분석이고, 상기 수행된 제2 주파수 분석은 상기 다이어프램의 목표 동작 대역폭에서 가장 높은 진동 벤딩 모드 주파수를 식별하는 것을 포함하며, 상기 시뮬레이션된 다이어프램에 대한 상기 모달 기계적 어드미턴스 함수의 생성은 상기 목표 동작 대역폭에서의 상기 식별된 가장 높은 진동 벤딩 모드 주파수를 사용하여 수행되는 것인, 방법.
제4항에 있어서, 상기 보이스 코일 어셈블리의 결합 위치(330)는 상기 미리 결정된 노달 라인 분포 허용 한계 내에서 제1 진동 벤딩 모드의 노달 라인과 일치하는 것인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 입력 파라미터는 상기 다이어프램에 대한 곡률 프로파일을 정의하는 하나 이상의 파라미터를 포함하는 것인, 방법.
제7항에 있어서, 상기 복수의 입력 파라미터는 상기 곡률 프로파일의 정의를 위한 상기 다이어프램의 적어도 곡률 함수 및 호 길이(arc length)를 포함하는 것인, 방법.
전기 역학적 변환기 다이어프램(electrodynamic transducer diaphragm)을 제조하는 방법으로서,
상기 다이어프램에 대한 곡률 프로파일을 생성하는 단계;
상기 생성된 곡률 프로파일에 기초하여 상기 다이어프램에 대한 모달 기계적 어드미턴스를 결정하는 단계;
상기 다이어프램에 대한 상기 결정된 모달 기계적 어드미턴스에 기초하여 보이스 코일 어셈블리 및 하나 이상의 관성 밸런싱 질량체에 대한 상기 다이어프램의 표면 상의 하나 이상의 위치를 결정하는 단계;
상기 결정된 하나 이상의 위치에서 상기 다이어프램의 표면 상에 상기 보이스 코일 어셈블리 및 상기 하나 이상의 관성 밸런싱 질량체를 장착하는 단계;
상기 장착된 보이스 코일 어셈블리 및 상기 하나 이상의 관성 밸런싱 질량체를 갖는 상기 다이어프램의 모달 속도를 측정하는 단계;
상기 측정된 다이어프램의 모달 속도로부터 상기 다이어프램의 상대 평균 모달 속도를 결정하는 단계;
상기 결정된 상대 평균 모달 속도가 상대 평균 모달 속도 제한 내에 있을 때까지 상기 하나 이상의 관성 밸런싱 질량체의 질량을 조정하는 단계
를 포함하는, 전기 역학적 변환기 다이어프램을 제조하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 곡률 프로파일의 생성은 적어도 곡률 함수 및 호 길이를 포함하는 복수의 다이어프램 형상 파라미터에 기초하는 것인, 방법.
제9항에 있어서, 상기 상대 평균 모달 속도 제한은 18 % 또는 25 % 중 하나 미만인 것인, 방법.
제9항에 있어서, 상기 보이스 코일 어셈블리 및 하나 이상의 관성 밸런싱 질량체에 대한 상기 다이어프램의 표면 상의 하나 이상의 위치를 결정하는 단계는,
상기 다이어프램의 각 진동 벤딩 모드에 대한 각 기계적 어드미턴스 함수를 결정하는 단계;
상기 다이어프램의 동작 대역폭 내에서 가장 높은 주파수 진동 벤딩 모드를 결정하는 단계;
상기 다이어프램의 동작 대역폭 내에서의 상기 결정된 가장 높은 주파수 진동 벤딩 모드의 모달 기계적 어드미턴스 함수를 결정하는 단계;
상기 모달 기계적 어드미턴스 함수의 하나 이상의 최소 위치를 식별하는 단계; 및
상기 동작 대역폭의 범위 내에서 상기 다이어프램의 측정된 속도 평균값과 상기 다이어프램의 피스톤 속도(pistonic velocity) 사이의 매치의 근접성을 평가하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
오디오 디바이스로서,
복수의 벤딩 모드 및 피스톤 모드로부터의 오디오 신호의 방사(radiation)를 위해 적응(adapt)된 만곡된 프로파일을 갖는 다이어프램(104) - 상기 복수의 벤딩 모드 중 하나 이상은 일치하는 노달 라인 위치를 갖고, 상기 다이어프램은 정면(frontal side) 및 후면(rear side)을 가짐 - ; 및
상기 다이어프램의 후면에 결합되는 변환기(200) - 상기 변환기는 감소된 오디오 왜곡을 갖는 오디오 신호의 방사를 위해 상기 다이어프램을 구동하도록 적응됨 -
를 포함하고,
상기 복수의 벤딩 모드는 상기 다이어프램 전반에 걸쳐 하나 이상의 최소 위치를 각각 가지며,
상기 변환기(200)는 상기 복수의 벤딩 모드의 하나 이상의 최소 위치 중 하나에 장착되고, 미리 결정된 상대 평균 모달 속도 제한에 기초하여 상기 다이어프램을 관성적으로 밸런싱하기 위해 하나 이상의 임피던스 성분이 남아있는 하나 이상의 최소 위치 중 적어도 하나 상에 장착되는 것인, 오디오 디바이스.
제13항에 있어서, 상기 복수의 벤딩 모드는 상기 다이어프램의 동작 대역폭 내에 있는 것인, 오디오 디바이스.
제13항에 있어서, 상기 변환기는 하나 이상의 자석(214), 자극편(pole piece)(208), 후방 플레이트(210), 전방 플레이트(212), 코일 포머(coil former)(204), 보이스 코일(218), 및 제1 서스펜션 요소(206)를 포함하는 것인, 오디오 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 제1 서스펜션 요소는 롤 서라운드 서스펜션 요소(roll surround suspension element)인 것인, 오디오 디바이스.
제16항에 있어서, 제2 서스펜션 요소를 더 포함하고, 상기 제2 서스펜션 요소는 주름진 직물(corrugated textile), 가요성 전기자(flexible armature), 또는 제2 롤 서라운드 서스펜션 요소 중 하나인 것인, 오디오 디바이스.
제13항에 있어서, 상기 미리 결정된 상대 평균 모달 속도 제한은 18 % 또는 25 % 중 하나 미만인 것인, 오디오 디바이스.
제13항에 있어서, 상기 다이어프램의 만곡된 프로파일의 두께는 상기 다이어프램의 반경의 5 % 미만인 것인, 오디오 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 변환기의 보이스 코일을 사용하여 상기 다이어프램에 가해지는 구동력이 상기 복수의 벤딩 모드 및 상기 피스톤 모드로부터의 오디오 신호의 방사를 발생시키고, 상기 방사된 오디오 신호 각각은 측정 가능한 왜곡 성분을 갖고, 상기 복수의 벤딩 모드로부터의 제1의 가장 낮은 주파수 벤딩 모드의 측정 가능한 왜곡 성분은, 상기 복수의 벤딩 모드로부터의 제2의 가장 낮은 주파수 벤딩 모드의 왜곡 성분보다 더 작으며, 상기 보이스 코일은 상기 복수의 벤딩 모드 중 상기 제1의 가장 낮은 주파수 벤딩 모드의 노달 라인 위치와 일치하는 상기 다이어프램의 후면 상의 위치에 장착되는 것인, 오디오 디바이스.