KR930001077B1 - 스피커의 저역 보상장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

스피커의 저역 보상장치
제1도는 본 발명에 따른 스피커 재생장치의 블럭구성도.
제2도는 스피커의 등가회로도.
제3도는 본 발명에 따른 스피커의 동적 임피던스를 검출하는 회로도.
제4도는 제1도의 구체실시예도.
제5도는 제4도 각부의 동작파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전력증폭기 20 : 브리지회로
30 : 차동증폭기 40 : 가속도변환부
50 : 속도변환부 60 : 합성부
본 발명은 스피커의 저역 보상장치에 관한 것으로, 특히 스피커 구동에 따른 진동계의 운동을 검출한 후 이를 궤환시켜 진동계 운동을 제어함으로써 스피커의 저역 재생 능력을 보상할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 음향 및 음성의 디지탈 처리를 수행하는 오디오 또는 비디오 시스템에서 일반적인 오디오 소스(audio source)의 주파수 특성 20-20KHz의 대역으로 평 균화 되어 있다. 따라서 아날로그 처리방식에 비하여 주파수 특성 및 다이내믹 렌지 (dynamic range)가 모두 넓어지는 추세이므로, 시스템은 원음에 가까운 재생음을 발생할 수 있다. 그러나 상기와 같이 시스템은 원음의 신호를 충실하게 처리할 수 있으나, 인간의 청취 능력에 직접적인 영향을 마치는 스피커의 재생은 반드시 그렇치는 못한게 현실이다. 현재 스피커 시스템의 운용방식은 고음용의 트위터(tweeter), 중음용의 스코커 (squawker), 저음용의 우퍼(woofer)를 이용하는 3웨이 방식(three-way)과, 고음용의 트위터 및 중저음용의 우퍼를 이용하는 2웨이 방식(two-way)이 있다. 이때 상기 우퍼의 저역 재생 한계를 낮추기 위해서는 최저 공진 주파수를 낮게 설정해야 하는데, 이럴 경우 우퍼의 진동판 구경을 크게해야 한다. 그러나 상기와 같이 우퍼의 진동판 구경을 크게 하는 경우, 소형 시스템에는 적합한 형태가 되지 못한다. 따라서 소형 시스템에서 처리하는 오디오 신호가 양질의 신호 일지라도, 소형 우퍼를 사용하는 경우 진동판의 구경이 작으므로 적은 용적의 스피커시스템으로는 양질의 저음을 재생할 수 없었던 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 스피커 재생장치에서 상기 스피커의 진동계 임피던스를 검출한 후 이를 이용하여 최저 공진 주파수(fo) 및 Oo를 저역으로 보상한 후 이를 이용하여 최저 공진 주파수(fo) 및 Qo를 저역으로 보상한 후 이를 진동계로 궤환시키므로서 상기 스피커의 저음 재생능력을 향상시킬 수 있는 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 스피커 재생장치에서 상기 스피커의 진동계 임피던스에 의한 차신호를 검출한 후, 차신호에 대한 속도 성분을 구하여 이를 가속도 성분으로 변환하므로서 최저 공진 주파수를 저역으로 이동시키는 동시에 Qo를 보상할 수 있는 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 스피커 재생장치에서 상기 스피커의 진동계 임퍼던스에 의해 차신호를 저역으로 검출한 속도신호와 오디오 신호를 고역으로 검출한 속도 신호를 합성하여 Qo를 보상할 수 있는 장치를 제공함에 있다.
상기 목적은 달성하기 위한 본 발명은 입력 오디오신호를 증폭하는 출력증폭기와, 상기 출력증폭기 출력 중 저음을 재생하는 스피커를 구비하여 ; 상기 출력증폭기의 출력 오디오 신호를 브리지 밸런싱하여 기준신호인 제1신호와 상기 스피커의 진동계에 따른 동임피던스(Motional Impedance)를 포함하는 제2신호를 발생하며, 상기 제1 및 제2신호의 차성분에 의해 상기 스피커의 동임피던스 신호를 검출하는 동임피던스 검출부와 ; 상기 동임피던스 신호를 원하는 저역으로 여파한 후 미분함으로서 동임피던스의 속도 성분을 가속도 성분으로 변환하여 동임피던스 신호에 따라 최저 공진 주파수를 저역으로 이동시키는 가속도 변환부와 ; 상기 동임피던스 신호를 저역여파하고 상기 제1신호를 고역 여파한 후 이 두신호를 합성하여 상기 스피커의 동임피던스에 따른 Qo를 보상하는 동시에 트위터에서 재생되는 고역신호를 안정화시키는 속도변환부와 ; 상기 가속도 변환부 및 속도변환부의 출력을 합성한 후, 이 합성신호를 입력오디오 신호에 합성하므로서 스피커의 동임피던스에 따른 저역 특성을 보상하는 동시에 트위터의 고역 특성을 안정화시키는 합성부로 구성 된다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 구성도로서, 입력 오디오 신호를 전력 증폭하는 전력증폭기 (10)와, 상기 전력증폭기(10)의 출력에 의해 저음을 재생하는 스피커(1)와, 저항 (RA, RB,RC)으로 구성되어 상기 전력증폭기(10)의 출력을 분압하여 기준신호인 제 1신호 (EB)를 발생하는 동시에 상기 스피커(1)의 진동계에 의한 동임피던스를 포함하는 제2신호(ES)를 발생하는 브리지회로(20)와, 상기 제1신호(EB)와 제2신호(ES)의 차신호를 검출하여 상기 우퍼의 동임피던스 신호만을 추출하는 차동증폭기(30)와, 제1저역필터(41) 및 미분기(42)로 구성되며, 상기 동임피던스 신호를 저역 여파한 후 저역여파 신호를 미분함으로써 동임피던스의 속도성분을 가속도로 변환하여 상기 스피커(1)의 동임 피던스에 따라 최저 공진 주파수를 저역 이동시키는 동시에 Qo를 보상하는 가속도 변환부(40)와, 제2저역필터(51), 고역필터(52) 및 믹서(53)로 구성되며, 상기 동임피던스의 속도신호를 저역여파하고 상기 제1신호(EB)를 고역여파한 후 두 여파신호를 합성함으로써 저역 여파신호의 Qo를 보상하는 동시에 고역여파 신호를 안정화시키는 속도변환부(50)와, 믹서(61,62)로 구성되며, 상기 가속도 및 속도변환부 (40 , 50)의 출력을 믹싱하여 동임피던스에 따라 최저 공진 주파수를 저역으로 이동시키고 Qo를 보상하는 동시에 고역의 오디오 신호를 안정화시켜 상기 입력 오디오 신호로 궤환시키는 합성부(60)로 구성된다.
제2도는 상기 스피커(1)의 등가회로도로서, (2a)는 무한대 배플(baffle)관의 등가회로도이며, (2b)는 스피커(1)의 등가회로도이고, (2c)는 상기 (2b)의 기계적 임피던스에 대한 등가회로도이며, (2d)는 상기 (2c)의 변형등가 회로보이고, (2e)는 상기 (2d)의 임피던스 회로도이다.
제3도는 본 발명에 의해 스피커(1)에서 발생되는 동임피던스를 검출하는 방법을 예시한 도면이다.
상술한 구성에 의거 본 발명을 제1,2,3도를 참조하여 설명한다.
먼저 본 발명에서는 스피커의 저역 특성을 개선하기 위하여 최저 공진 주파수 fo 저역측으로 이동시킴과 동시에 Qo를 보상하는 방식을 사용한다. 이때 상기와 같이 스피커 자체의 특성을 보상하기 위해서는 진동계의 운동을 검출하여 이를 다시 진동계로 궤환시켜 진동계의 운동을 제어할 필요가 있다. 이때 스피커의 진동계에는 보이스 코일 (Voice coil), 코온지 (cone paper), 덕트(duct) 및 자로공극 등의 여러 저항 성분이 있으며, 상기 진동계의 영향에 의해 스피커의 재생효율이 변화된다. 따라서 스피커 구동시에 발생하는 동임피던스를 검출한 후, 최저 공진주파수 fo를 저역으로 이동시키기 위하여 진동계의 동임피던스의 속도신호를 가속도 신호로 변환하며, 스피커의 능률을 변화시키기 위하여 속도변화 과정을 수행한다. 이후 구동계의 가속도 변환치는 스피커로 부궤환시키고, 속도변환치는 스피커로 정궤환시켜 원하는 음량의 저역 신호들을 재생한다.
먼저 스피커의 특성에 관하여 살펴보면, 제2a도는 코온 스피커(cone speaker)를 무한대 배플판에 취부했을 때의 등가회로도로서, 스피커에 일정 교류전압 E를 가하게 되며 이때의 내부 임피던스는 “0”로 한다. 여기서 보이스 코일의 직류저항을 RE(Ω), 보이스 코일의 인덕턴스를 LE(H)로 하면 보이스 코일의 임피던스 ZE(H) 하기 (1)식과 같다.
Figure kpo00001
이때 보이스 코일의 단자 전압 E는 상기 ZE에 의한 전압강하와 스피커의 운동에 의해 발생되는 기전력의 합으로 나타내게 되며, 스피커의 전체 임피던스 ZSP(Ω)은 하기 (2)식과 같이 표시할 수 있다.
Figure kpo00002
여기서 E는 스피커로 인가되는 전압이고, I는 전류이며, Y는 역계수, V는 보이스 코일속도(m/sec), F는 기전력, ZM은 기구계 임피던스이다. 여기서 자로공극의 자속 밀도를 B(wb/m2), 보이스 코일의 길이를 1(m)로 하면 하기와 같은 (3)식의 성립된다.
Figure kpo00003
이때 상기 (2)식의 우변에서 제2항은 진동계에 의해 발생되는 임피던스로서, 이때의 동임피던스를 ZEM으로 표시하면 하기 (4)식과 같이 된다.
Figure kpo00004
따라서 보이스 코일의 단자에서 본 스피커의 등가회로는 제2b도에 도시된 바와 같이 스피커 자체의 임피더스 ZE와 구동시 진동계에 의해 발생되는 동임피던스 ZEM의 직렬회로로 나타낼 수 있다.
제2c도는 제2b도와 같은 스피커의 등가회로를 진동계 전체의 기계계 등가회로로 표시한 도면이다. 이때 보이스 코일의 질량을 MM1(kg), 콘의 질량은 MM2(kg), 방사질량을 MMA(kg), 방사저항을 RMA(기계 Ω), 진동계 전체의 기계저항을 RRS(기계 Ω), 진동계 전체의 스티프네스(stiffness)를 SM(N/m)로 하면, (5)-(8)식이 성립됨을 알 수 있으며, 각 요소는 병렬로 접속된다.
Figure kpo00005
Figure kpo00006
Figure kpo00007
Figure kpo00008
이때 상기 (5)-(8)식에 의해 제2c도를 전기적 등가회로로 표시하면 제2d도와 같이 변형된다. 또한 상기 제2d도에서 동임피턴스 ZEM을 RM(Ω), LM(H)로 나타내면 RE(Ω), LE(H), RM(Ω), LH(H)의 직렬회로로 표시할 수 있으며, 이때 보이스 코일의 LE(Ω) 값은 극히 적으므로 저역에 있어서는 무시할 수 있다.
따라서 제2d도와 같이 동임피던스 등가회로를 하나의 임피던스로 나타내면 제2e도와 같이 간략화시킬 수 있다. 그러므로 스피커 전체의 임피던스 ZSP는 RE+ RM+jWLM으로 나타낼 수 있다. 또한 진동계의 동임피던스 ZEM은M+jWLM로 나타낼 수 있다.
따라서 상기 스피커를 구동할 시 진동계의 구동에 의해 발생되는 상기와 같은 동임피던스 ZEM을 검출한 후, 이를 다시 진동계로 궤환시켜 진동계의 운동을 제어하면 목표로 하는 음향 재생특성을 얻을 수 있다. 이를 MFB(Mitional Feed Back)라 하며, 이러한 MFB특성을 이용하여 스피커의 저역특성을 개선하기 위해서는 상기 동임피던스 ZEM의 속도신호를 가속도 신호로 변환하여 최저 공진주파수 fo를 개선한 후 부궤환시키고, ZEM의 속도신호를 변환하여 스피커의 능률을 향상시킬 수 있도록 Qo를 작게 하여 정궤환시킨다.
먼저 동임피던스 ZEM의 검출과정을 살펴본다.
출력증폭기(10)의 출력 오디오 신호는 브리지 회로(20)에서 저항(RA,RB)에 의한 분압된 제1신호(EB)와, 스피커(1) 및 저항(RC)에 의해 분압된 제2신호(ES)로 출력된다. 이때 상기 브리지회로(20)에서 RA: RB= 스피커(1)의 순저항 RE: RC로 저항비를 구성하면, 상기 제1신호(EB)는 동임피던스 ZEM을 검출하기 위한 기준신호가 되고, 제2신호(ES)는 스피커의 진동계에 의해 발생되는 동임피던스가 포함된 비교 신호가 된다. 따라서 차동증폭기(30)를 통해 상기 제1신호(EB)에서 제2신호(ES)를 감산하면 이 두 신호의 차신호가 발생되며, 상기 차신호는 제3도에서 도시된 바와 같이 동임피던스 ZEM에 비례하는 전압(ED)이 된다. 즉, 상기 스피커(1)의 순저항 성분 RE만으로 된 주파수로 브리지 밸런스를 취하면, 상기 차동증폭기(30)의 출력은 저역주파수에서 보이스 코일의 속도인 동임피던스 ZEM에 비례하는 전압을 검출하는 것이 된다. 이때 상기 차동증폭기(30)의 출력은 ED=I(RM+JWLM)이 된다.
이때 검출전압 ED는 하기 (9)식과 같이 표현된다.
Figure kpo00009
상기 (9)식에서
Figure kpo00010
으로 하면 상기 검출전압 ED는 하기 (10)식과 같이 표현할 수 있다.
Figure kpo00011
상기 (10)식에서 보면 검출전압 ED와 보이스 코일의 전압비는 스피커와 검출측의 역계수(Y=B·1)가 되고, ED/E는 중저음재생 스피커의 궤환전압 이득이 된다.
다음으로 상기 검출전압의 MFB처리과정 및 특징으로 설명한다. 여기서 출력증폭기(10)의 입력전압을 Ei, 최저 공진주파수를 fo(Hz), 이때의 Q를 Qo라 하고, 궤환후의 fo(Hz)를 fo'(Hz), 궤환후의 Qo를 Qo'로 칭한다. 또한 출력증폭기(10)의 이득을 A, 궤환회로의 이득을 β라고 칭한다.
먼저 가속도변환부(40)에서 보이스 코일의 속도인 동임피던스 ZEM을 가속도 변환하는 과정을 살펴본다. 속도신호를 가속도 신호로 변화하려면, 궤환회로의 가속도변환부(40)에 미분특성을 갖는 회로를 부가하여 속도신호를 미분하면, 가속도에 비례하는 절대값으로 가속도와 동위상의 전압(즉, 미분전압)이 궤환된다. 즉, 상기 가속도변환부(40)에서 상기 차동증폭기(30)에 의해 검출된 보이스 코일의 속도신호를 제1저역필터(41)를 통해 MFB를 수행하고자 하는 저역으로 여파하고, 미분기(42)를 통해 상기 저역여파된 속도 신호를 미분하면 검출된 동임피던스의 가속도 신호로 변환한다.
이때 가속도 부궤환의 경우에 있어서 루프 이득 A11이라 하면 하기 (11)식과 같이 나타나며, 이때의 종합이득 Ao은 하기 (12)식과 같다.
Figure kpo00012
Figure kpo00013
이때 상기 미분기(42)를 출력하는 가속도 신호를 V1(m/sec)는 상기 (1)식 및 (12)식으로 부터 하기 (13)식과 같이 표현된다.
Figure kpo00014
따라서 상기 (13)식에 의해 발생되는 가속도 궤환량의 차값은 D1이라고 하면 하기 (14)식과 같이 되며, 궤환후의 Qo' 및 fo'는 각각 하기 (15) 및 (16)식으로 표현된다.
Figure kpo00015
Figure kpo00016
따라서 가속도변환부(40)를 통해 궤환하는 가속도 신호에 의해 스피커(1)로 인가되는 출력증폭기(10)의 출력은 최저 공진주파수 fo가
Figure kpo00017
로 저하되고, Qo는
Figure kpo00018
배로 커지며, 음압 레벨은 20log D1(dB)로 낮아지게 된다. 그러므로 상기 스피커 (1)의 진동계에 의해 발생되는 동임피던스 신호를 검출하여 가속도 변환하면, 최저 공진주파수 fo가 저역으로
Figure kpo00019
만큼 이동된다는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 상기 스피커(1)는 저역의 음향 신호를 재생할 수 있다.
이때 상기 가속도변환부(40)를 통한 가속도 신호는 Qo의 특성이
Figure kpo00020
배로 커지게 되는데, 상기 스피커(1)에서 음향 재생시에는 Qo가 적당해야 스피커의 능률이 좋게 된다. 따라서 속도변환부(50)에서 Qo의 특성을 작게 한다. 먼저 차동증폭기(30)를 출력하는 검출전압을 보이스 코일의 속도에 비례하는 전압으로서, Qo의 특성을 적당하게 조정하기 위하여 제2저역필터(51)에 의해 속도변환하는데, 이때 상기 제2저역필터(5 1)의 차단주파수는 원하는 저역범위에서 발진하지 않을 수 있는 최대의 저역주파수를 포함할 수 있도록 설정한다. 또한 상기 고역필터(52)는 상기 기준전압인 제1신호(EB)를 고역여파(high pass filtering)하는데, 이는 트위터(tweeter)를 통해 재생되는 대역의 오디오 신호가 속도변환 과정에서 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.
상기 속도변환 과정을 살펴보면, 속도 정궤환의 경우 루프이득을 A11이라 하면 하기 (17)식과 같이 나타나며, 이때의 종합이득 Ao는 하기 (17)식과 같다.
Figure kpo00021
Figure kpo00022
이때 제2저역필터(51)를 출력하는 속도 V2(m/sec)값은 상기 (10)식 및 (17)식에 의하여 하기 (18)식과 같이 표현된다.
Figure kpo00023
따라서 상기 (18)식에 의해 발생되는 속도궤환량의 차값을 D2라 하면 하기 (19)식과 같이 되며, 궤환후의 Qo' 빛 fo'는 하기 (20) 및 (21)식으로 표현된다.
Figure kpo00024
Figure kpo00025
Figure kpo00026
따라서 속도궤환에 의해 저역주파수 대에서는 최저 공진주파수 fo 및 음압레벨을 불변하고, Qo는
Figure kpo00027
로 작아진다. 따라서 보이스 코일의 속도에 비례하는 검출전압 ED는 제2저역필터 (51)에서 저역주파수로 여파된 후 속도가 변환되어 Qo가 작아짐을 알 수 있다.
또한 상기 제1신호(EB)를 입력하는 고역필터(52)는 상기와 같은 속도 및 가속도 MFB기능에 의해 입력 오디오 신호가 영향을 받지 않도록 하이대역을 여파하여 출력한다.
이때 상기 제2저역필터(51) 및 고역필터(52)의 차단주파수는 동일한 경우가 이상적이며, 동일하지 않은 경우 고역필터(52)의 차단주파수의 크기가 제2저역필터(51)의 차단주파수 크기보다 15%를 초과하지 않도록 설정한다.
상기 제2저역필터(51)를 통해 저역의 Qo가 보상된 신호가 고역필터(52)를 통해 속도궤환시에도 고역의 신호가 영향을 받지 않도록 안정화시킨 고역여파 신호는 믹서(53)에서 합성되어 출력된다. 따라서 상기 믹서(53)의 출력은 궤환시 저역의 Qo가 작게 보상되며, 고역의 오디오 신호는 영향을 미치지 않도록 보상된 신호이다.
상기와 같은 믹서(53)의 출력과 미분기(42)를 통해 저역의 최저 공진주파수 fo가 저역으로 보상된 신호가 제1믹서(61)에서 합성되는데, 이때 상기 제1믹서(61)의 출력은 저역의 최저 공진주파수 fo가 저역으로 보상되는 동시에 Qo가 작게 보상된 상태이며, 궤환시에 입력되는 오디오 신호의 고역신호에 영향을 끼치지 않도록 고역을 안정화시킨 신호이다. 상기 제1믹서(61)의 출력은 다시 제2믹서(62)에서 입력되는 오디오 신호와 합성되는데, 가속도변환부(40)의 출력은 부궤환되는 상태이며, 속도변환부(50)의 출력은 정궤환되는 상태이다. 따라서 입력되는 오디오 신호중 저역의 신호가 최저 공진주파수 fo가 저역으로 보상되는 동시에 Qo가 보상되어 출력증폭기(10)로 인가되며, 이대 저역 보상신호는 입력되는 오디오 신호의 고역신호에 대해서는 아무런 영향도 미치지 않게 된다.
상기 출력증폭기(10)의 출력은 다시 스피커(1)로 인가되어 진동계에 의해 발생되는 동임피던스가 보상되어 음향신호중 저역신호를 충실하게 재생하게 되며, 구동중에 발생되는 동임피던스 신호가 검출되어 상기와 같은 과정을 반복하게 되는 것이다.
제4도는 상기 제1도의 구성에 대한 본 발명의 구체적 실시예로서, 연산증폭기 (OP1), 저항(R1-R3)로 구성된 출력증폭기(10)와, 가변저항(VR1), 저항(R4,R5) 및 우퍼(SP1)로 구성된 브리지 회로(20)와, 저항(R6-R11) 및 연산증폭기(OP2-OP3)로 구성된 차동증폭기(30)와, 저항(R12-R15), 캐패시터(C2-C3) 및 연산증폭기 (OP4-OP5)로 구성된 가속도변환부(40)와, 저항(R16-R22), 캐패시터 C4-C7) 및 연산증폭기(OP6-OP8)로 구성된 속도변환부(50)로 구성된다.
또한 제5도는 제4도 각부의 동작파형도로서, 제5a도-제5j도는 주파수대 동임피던스의 특성을 나타내는 타이밍도이며, 제5e-제5d도는 주파수대 검출전압의 특성을 나타내는 타이밍도이다.
MFB동작을 수행하지 않는 경우의 상기 우퍼(SP1) 임피던스 특성이 제5a와 같다고 가정하며, 여기서 fo는 우퍼(SP1)의 최저 공진주파수이고 f는 덕트(duct)에 의해 발생되는 공진주파수이다.
먼저 입력되는 오디오 신호의 전압 Ei는 출력증폭기(10)는 연산증폭기(OP1)에서
Figure kpo00028
로 증폭되어 브리지 회로(20)로 인가된다. 이때 우퍼(SP1)의 보이스 코일 단자에 인가되는 연산증폭기(OP1)의 출력전압은 E로 가변저항(VR1) 및 저항(R4)에 의해 기준전압인 제1신호 Es로 발생되고, 우퍼 (SPI) 빛 검출저항(R5)에 의해 동임피던스를 포함한 우퍼(SP1)의 전압으로 나타난다. 이때 상기한 바와 같이 VR1 : R4 =우퍼(SP1)의 순수저항 RE: R5가 되도록 설정하며, 가변저항(VR1)을 이용하여 정확하게 상기 조건을 만족시킨다. 따라서 상기 제1신호는 EV는 연산증폭기(OP1)의 출력을 분압한 기준전압이 되며, 제2신호 EB는 우퍼(SP1)의 진동계에 의해 발생되는 동임피던스를 포함하는 비교전압이 된다. 상기 제1신호 EB및 제2신호 ES를 입력하는 연산증폭기(OP2)는 두 전압의 차전압(CD=EB-ES)을 발생하는데, 이때의 차전압 ED는 우퍼(SP1)에서 보이스 코일의 속도에 비례하는 전압(즉, 동임피던스 ZEM에 비례하는 전압)이 된다. 이때 상기 연산증폭기(OP2)의 출력인 차전압 ED는 제(5e)도와 같다. 상기 차전압 ED는 연산증폭기(OP1)에서 R11/R10으로 증폭된 후 제1저역필터(41) 및 제2저역필터(51)로 인가된다.
먼저 가속도 변환과정을 살펴본다.
상기 제1저역필터(41)를 통해 상기 보이스 코일의 속도에 비례하는 차전압 ED를 원하는 저역으로 여파한다. 이때 제1저역필터(41)는 3dB필터로서 차단주파수를 220Hz로 설정한다. 따라서 제1저역필터(41)를 출력하는 차전압 ED는 제(5f)도와 같으며, 이때의 차전압 ED는 원하는 대역인 220Hz이하의 저역주파수에서 보이스 코일의 속도에 비례하는 전압특성이 된다. 상기 제1저역필터(41)의 출력은 고역필터의 구성을 갖는 미분기(42)로 인가되는데, 상기 미분기(42)의 차단주파수는 484Hz로 설정한다. 여기서 연산증폭기(OP1)를 출력하는 출력증폭기(10)의 이득을 A라 하고, 상기 연산증폭기(OP4) 및 (OP5)를 출력하는 제1저역필터(41) 및 미분기(42)의 이득을 B라 하면, 미분기(42)를 통해 발생되는 가속도 신호를 부궤환하는 루프이득 A11은 상기 (11)식과 같이 나타나며, 이때의 종합이득 Ao도 상기 (12)식과 같이 된다.
따라서 상기 (13)식에 의해 가속도를 계산할 수 있다. 이때 가속도 신호는 입력신호 Ei에 부궤환되므로, 가속도 궤환량의 차신호 D1에 의해 가속도 변화이전의 fo 및 Qo가 fo′ 및 Qo′로 변환된다. 즉 상기 (15),(16)식에 도시된 바와 같이 fo는
Figure kpo00029
로 저하되고, Qo는
Figure kpo00030
배로 증가된다. 즉, 제5b도에 도시된 바와 같이 동임피던스 특성에 따른 가속도 변환전의 상태와 가속도 변환 후의 상태를 살펴보면 fo가 저역측으로
Figure kpo00031
만큼 저하되어 있음을 알 수 있다. 이때 가속도 변환을 수행하면 Qo의 특성이 커지게 되므로 속도변환 과정을 Qo를 작게 한다 즉, 차전압 ED를 입력하는 제2저역필터(51)는 제5h도와 같이 차단주파수를 191Hz로 하여 원하는 저역 대역의 Qo 특성을 작게 보상한다. 즉, 상기 제2저역필터(51)에서 캐패시터(C4,C5), 차단주파수(fc3) 및 Qo를 하기 (22)-(25)식으로 설정한다. 단 이때 R16=R17=R 조건으로 한다.
Figure kpo00032
Figure kpo00033
Figure kpo00034
Figure kpo00035
이 때 상기 차단주파수 fc3를 191Hz로 하면 연산증폭기(OP6)의 출력은 제5h도와 같으며, 이때의 Qo는
Figure kpo00036
이 된다.
또한 상기 제1신호 EB를 입력하는 고역필터(52)의 차단주파수 fc4는 193Hz로 설정하며, 이때의 차단주파수 fc4는 입력신호 Ei의 고역신호를 안정화 시키기 위한 대역을 설정하는 기능을 수행한다. 상기 고역필터(52)에서 저항(R18, R19) 차단주파수 (fc4) 및 Qo를 하기 (26) -(29)식으로 설정한다. 단 이때 C6=C7=C 조건으로 한다.
Figure kpo00037
Figure kpo00038
Figure kpo00039
Figure kpo00040
따라서 상기 고역필터 (52)의 차단주파수 fc4를 193Hz로 하면, 연산증폭기 (OP7)의 출력은 제5i도와 같으며, 이때의 Qo는
Figure kpo00041
이 된다.
고역필터(52)의 출력은 노드(53)에서 합성되어 제(5j)도와 같이 출력된다. 이때 상기 제5j도와 같은 합성신호의 전압특성을 임피던스 특성으로 살펴보면 제(5c)도와 같이 나타나는데, 이때 최저 공진주파수 fo의 변화는 없지만 Qo의 특성이 변화됨을 알 수 있다. 즉 상기 (20)식에 나타난 바와 같이 보이스 코일의 속도에 비례하는 전압을 변환하면 저역에서
Figure kpo00042
로 Qo가 작아짐을 알 수 있으며, 고역에서 저역의 궤환에 의해 입력신호가 변화되지 않도록 보상한다. 상기 제5j도와 같은 합성신호는 연산증폭기(OP8)에서 증폭된다.
이후 상기 속도변환 신호와 가속도 변환신호는 제1믹서 (61)에서 합성되어 저역의 fo 및 Qo 신호를 보상하는 동시에 궤환시의 고역 신호를 보상하게 되며, 상기 궤환신호는 입력신호 Ei와 제2믹서(62)에 합성된다. 이때 상기 제1믹서(61)에서 합성되는 신호는 가속도 변환에 의해 저역에서의 fo가 저역으로 보상되며, 이때 커지는 Qo를 변환시키기 위하여 속도변환과정을 통해 Qo를 작게 보상된다. 또한 상기 가속도 변환신호는 입력신호 Ei에 부궤환되고, 속도변환 신호는 정궤환되는데, 저역신호의 보상을 위해 궤환되는 신호에서 고역의 신호를 안정화 시키기 위하여 출력증폭기(10)에 출력되는 신호를 분압한 제2신호 EB를 고역여파하여 궤환시에도 고역의 특성을 안정화시킨다. 따라서 상기 제1믹서(61)에서 발생되는 최종 임피던스의 특성은 제(5d)도와 같이 나타나다. 따라서 본래의 스피커 임피던스 특성과 비교하여 보면, 저역에서는 fo 및 Qo 특성이 보상되고 고역에서는 안정됨을 알 수 있다. 그러므로 우퍼(SP1)를 통해서는 저역의 음향 재생능률이 커지고 트위터(SP2)에서는 고역의 음향 재생 능률이 안정됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 스피커의 구동에 따른 진동계의 진동을 이용하여 동임피던스를 검출한 후, 이를 가속도 및 속도변환을 수행하여 중저음 특성을 개선하고 고음을 안정화시켜 다시 진동계로 궤환시키므로서, 소형 스피커를 사용하는 장치에서 낮은 대역의 음향을 충실하게 재생할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 중저음을 재생하는 스피커의 저역 보상 장치에 있어서, 상기 스피커로 재생되는 오디오 신호를 브리지 밸런싱하여 스피커의 보이스 코일 속도전압에 따른 진동계의 동임피던스를 검출하는 동임피던스 검출부(25)와, 상기 동임피던스검출부(25)의 출력을 수신하며, 수신되는 동임피던스 검출신호를 원하는 저역으로 여파한 후 미분하여 가속도 성분으로 변환함으로써 상기 스피커의 최저 공진주파수를 상기 동임피던스에 비례하는 저역으로 보상하는 가속도변환부(40)와, 상기 동임피던스검출부(25)의 출력을 수신하며, 수신되는 동임피던스 검출신호를 원하는 저역으로 여파하여 상기 스피커의 Qo를 보상하는 속도변환부(50)와, 상기 가속도변환부(40)와 속도변환부(50)의 출력을 수신하며, 상기 가속도변환신호와 속도변환신호를 합성한 후, 상기 스피커의 입력 오디오 신호에 상기 가속도 변환신호를 부궤환하고 속도신호를 정궤환시키는 합성부(60)를 구비하여 상기 스피커 구동에 따른 진동계의 동임피던스를 이용하며 저역의 특성을 보상한 후 스피커의 진동계로 궤환시킬 수 있도록 동작함을 특징으로 하는 스피커의 저역 보상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 동임피던스검출부(25)가, 상기 입력 오디오 신호의 전압을 분압하여 기준신호인 제1신호를 발생하고, 동시에 상기 스피커를 1변으로 하여 상기 스피커의 순저항 및 진동계의 동임피던스를 포함하는 비교신호인 제2신호를 발생하는 브리지회로(20)와, 상기 제1신호와 제2신호의 차에 따른 전압을 검출하여 상기 스피커의 진동계 동임피던스에 비례하는 보이스 코일의 속도전압을 검출하는 차동증폭기(30)로 구성됨을 특징으로 하는 스피커의 저역 보상 장치.
  3. 제2항에 있어서, 속도변환부(50)가, 상기 차동증폭기(30)의 출력을 저역 여파하여 속도를 변환함으로써 원하는 저역에서의 Qo를 보상하는 저역필터(51)와, 상기 제1신호를 고역여파하여 변환된 저역 이외의 고역에서 오디오 신호의 특성을 안정화시키는 고역필터(52)와, 상기 저역필터(51) 및 고역필터(52)의 출력을 합성하여 저역의 Qo 특성을 보상하는 동시에 고역의 특성을 안정화시킨 후 상기 합성부(60)로 출력하는 믹서(53)로 구성됨을 특징으로 하는 스피커의 저역 보상 장치.
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