Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 한국소음진동공학회논문집제24 권제 7 호, pp. 525~536, 2014 http://dx.do.org/10.5050/ksnve.2014.24.7.525 ISSN 1598-2785(Prnt), ISSN 2287-5476(Onlne) 모바일폰용마이크로스피커의음향및전기해석 coustc and Electrcal nalyss of Mcrospeaker for Moble Phones 박석태 Seok-Tae Park (Receved May 13, 2014 ; Revsed June 13, 2014 ; ccepted July 1, 2014) Key Words : Crcular Mcrospeaker( 원형마이크로스피커 ), Closed Box( 밀폐박스 ), Rectangular Mcrospeaker( 사각형마이크로스피커 ), Lowpass Flter( 저역통과필터 ), Mass Correcton Flter( 질량보정필터 ), Moble Phone's Mcrospeaker( 모바일폰용마이크로스피커 ), Mcrospeaker System Smulaton Program(MSSP, 마이크로스피커시스템시뮬레이션프로그램 ), Pseudo Loudspeaker Model Concept ( 가상스피커모델개념 ), Thele Small Parameters( 틸레스몰매개변수들 ), Vent Box( 벤트박스 ), 6th Order Bandpass Box(6차밴드패스박스 ) BSTRCT In ths paper, GUI program for mcrospeaker system smulaton program was developed and verfed through closed box, vent box and 6th order bandpass enclosure system. By usng the pseudo loudspeaker model concept, TS parameters and rear volume of mcrospeaker were dentfed. Ther sutabltes were proved by comparng test results wth smulatons of electrcal mpedance and sound pressure response curves for the three box types; closed box, vent box and 6th order bandpass box. lso, MSSP was found to be effectve regardless of the mcrospeaker s shape, ether crcular or rectangular shape. MSSP can be used for the mcrospeaker system smulaton, and can gve a general predcton of such as; sound pressure level curve, electrcal mpedance, daphragm velocty and dsplacement curve accordng to multple desgn parameters; daphragm mass, complance, force factor, front and rear volume, front and rear port's dameter and length. * 1. 서론 2014년도 1분기중에세계모든휴대폰 ( 모바일 ) 출하량은 4억 4천 860만에이르고이중에스마트폰의비중은 62.7 % 에달하고있다. 2014년스마트폰총출하량은약 12억대에달할것으로예측되고있다. 이처럼엄청난수량의모바일폰이공급되며관련기술인모바일폰에대한제조기술, 통신기술, 연산기술, OS 기술, 화상처리기술, 음성 처리기술등은혁신적으로발달하고있다. 이논문에서는음성처리부분의끝단에위치하는마이크로스피커의전기및음향특성을예측하는모델링및효율적인기법을제시하고자한다. 홈오디오시스템의경우에는음향시스템예측을위해상업용소프트웨어인 LEP(Loudspeaker Enclosure nalyss Program) 을사용할수있다. LEP에서는인클로져 ( 박스 ) 설계와전기네트워크설계를수행할수있다. LMS(Loudspeaker Measurement System) 소프트웨어를사용하여음향시스템에사용되는일 Correspondng uthor ; Member, Chungbuk Health & Scence Unversty E-mal : stpark@chsu.ac.kr, stpark03@hanmal.net Tel : +82-43-210-8246, Fax : +82-43-210-815 Recommended by Edtor SungSoo Na c The Korean Socety for Nose and Vbraton Engneerng Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 525
반적인라우드스피커들의 TS(Thele Small) 매개변수들을측정하고규명할수있다. LEP과 LMS를사용하면효율적으로홈오디오스피커시스템을설계할수도있다. 이처럼, 일반적인스피커음향시스템시뮬레이션은상업용소프트웨어들을사용할수있다 (1). 그러나, 마이크로스피커의경우에는 TS 매개변수규명법이없었고또한 TS 매개변수를알고있다고가정하여도상업용소프트웨어에적용하였을경우에올바른결과를얻을수없었다. 저자는 2007년에마이크로스피커의 TS 매개변수들을규명하는논문을발표한바있다 (2). 그러나, 마이크로스피커의음향특성예측은제대로수행되지않았다. 전기전자공학자들은아날로그와디지털전기회로범용해석툴인 PSPICE(Professonal Smulaton Program wth Integrated Crcut Emphass) 를사용하여전기회로를시간및주파수영역에서해석해왔다. 저자는마이크로스피커의여러모델들을등가전기회로로구현하였고 PSPICE를사용하여전기임피던스와음향응답특성들을예측하였으나논문으로발표된바는없었다. 이논문에서는그동안 PSPICE를기반으로개발한마이크로스피커시스템응답특성예측프로그램을확장하고보완한내용을기술하고자한다. PSPICE 기반프로그램은 PSPICE의뛰어난기능들과장점들을사용할수있음에도불구하고여러가지단점들이있다. 첫째, 프로그램코드가노출되어프로그램의보안을유지하는데어려움이있다. 둘째, 입력데이터를프로그램에넣기위해서는프로그램코드를계속적으로수정해야하는등의부가적인작업등이필요하다. 셋째, PSPICE로시뮬레이션한결과와시험데이터를 PSPICE에서직접비교할수없다. 넷째, 시뮬레이션조건을기록하기위해서는별도의수작업으로기록을하여야한다. 이러한불편함을개선해야한다는현장의의견을반영할필요가있었다. 이문제를해결하기위해 PSPICE를사용하는회로도방식에서벗어나 MTLB에서실행할수있는프로그램코드를개발하였다. 여기에 GUI(graphc user nterface) 기능을프로그램하여사용자가쉽게사용할수있도록하였다. 이렇게개발한프로그램을 MSSP(Mcrospeaker System Smulaton Pro- gram) 라명명하였다. MSSP가모바일폰에사용되는원형마이크로스피커의여러모델들뿐만아니라사각형마이크로스피커예측에도유용함을보이고자한다. 정리하면, 모바일폰에장착되는마이크로스피커의전기임피던스및음향응답특성예측에대하여 (1) 기존의홈오디오해석에사용되는상업용소프트웨어인 LEP 등으로해석할수없었다. (2) 마이크로스피커의가상스피커 TS 매개변수및마이크로스피커박스모델을사용하여해석한경우가없었다. (3) 유한요소법이나경계요소법을사용하여시도된경우가있으나정확도가크게떨어진다. 이논문에서는마이크로스피커의전기임피던스및음향응답특성, 다이아프램의변위및속도등을예측하기위하여다음의순서에따라기술하려고한다. (1) 마이크로스피커의가상스피커 TS 매개변수를규명한다. (2) 마이크로스피커의여러박스모델들을제시한다. 박스모델들에가상스피커모델을결합한등가전기회로도를기술한다. (3) 여러박스모델들의등가전기회로도에서전기회로방정식들을행렬방정식형태로변환한다. 이들방정식들을 MTLB 프로그램코드로프로그램을작성한다. (4) 프로그램이정확한가를검증하기위하여원형마이크로스피커의여러가지모델형태들에대하여시뮬레이션을수행한다. 예측한전기임피던스및음향응답특성을시험결과들과비교한다. (5) 사각형마이크로스피커에서도시험결과를정확히예측할수있는지를비교한다. Fg. 1에 MSSP의흐름도를나타냈다. MSSP 사용자는총 43개매개변수들을컴퓨터자판에서직접입력하거나슬라이드바를이용하여변경시킬수있다. 이러한변경사항들을반영한시뮬레이션결과를주작업공간에나타나도록프로그램하였다. 주작업공간에서사용자는시뮬레이션결과인음향응답, 전기임피던스, 다이아프램의변위, 속도등을콤보스위치를사용하여선택할수있다. 그결과가주작업공간하단에그림으로나타난다. MSSP를실행하면첫번째화면에서 pull down 메뉴를사용하여사용자가마이크로스피커박스형태를선택한다. 두번째화면인주작업공간 (man work space) 에서는 pull down 메뉴를사용하여매개변수제어패널창을나타낸다. 매개변수제어패널 Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 526
Fg. 1 Schematc dagram of MSSP (parameter control panel) 은 3개의제어데이터그룹들이있으며사용자는총 43개의매개변수들을변경할수있다. 이결과들은주작업공간창에서파일로저장하고읽어올수도있다. 첫번째제어데이터그룹은마이크로스피커의 TS 매개변수들로구성되었으며 17개의매개변수들을포함한다. 두번째데이터그룹은박스매개변수들로 16개의데이터로이루어져있으며박스형태에따라사용자가입력할수있는변수들이제한된다. 세번째데이터그룹은교정매개변수들로 10개의데이터들로구성되었다. 음향응답, 전기임피던스, 다이아프램의변위및속도등을 MSSP에서계산하여그래픽으로컴퓨터화면에나타낼수있으며결과등을컴퓨터에저장할수있다. 이렇게함으로써박스설계변수와 TS 매개변수변경에따라변동하는시스템특성들을비교해볼수있다. 또한, 시험데이터를읽어들여서시뮬레이션결과와비교할수도있다. 2. 마이크로스피커의 TS 매개변수규명및마이크로스피커시스템모델링 2.1 마이크로스피커의 TS 매개변수규명일반적으로마이크로스피커는다이아프램과전면그릴사이에전면체적 (cavty) 과전면기공이있다. 그리고다이아프램과후면그릴사이에도후면체적과후면기공이있다 (Fg. 2(a)) (2). 마이크로스피커의형태는홈오디오시스템설계자 (a) Mcrospeaker (b) 6th bandpass box Fg. 2 Comparson mcrospeaker wth 6th bandpass box system 입장에서는 6차밴드패스박스 ( 또는 ported bandpass) 형태와같은형태를나타낸다 (Fg. 2(b)). 즉, 마이크로스피커유니트모습은자유공기 (free ar) 상태의가상라우드스피커가 6차밴드패스박스안에장착된형상을나타낸다. 그러나, Ba 등은마이크로스피커를 6차밴드패스박스형태로보지않고 free ar 상태의하나의라우드스피커로단순화한모델 (Fg. 3(a)) 을사용하였다. 이모델로원형마이크로스피커에대하여등가 TS 매개변수들을규명하였다 (3,4). Ba 등이사용한모델에서는마이크로스피커다이아프램과후면사이의후면체적과다이아프램과전면사이의전면체적에의한컴플라이언스및다이아프램자체의컴플라이언스를하나의등가컴플라이언스로규명한다. 또한, 다이아프램부의질량, 전면과후면공기포트들에서의동적질량및방사음향질량등을하나의등가질량으로모델링한다. 즉, 이모델에서는전기임피던스곡선에하나의공진피크만존재한다. Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 527
(a) Pseudo loudspeaker (b) 6th BP (c) 4th BP (d) Closedbox (e) Ventbox Fg. 3 Several types of mcrospeaker 변수를규명하였다 (2,5). 이방법으로가상라우드스피커의 TS 매개변수들과마이크로스피커다이아프램후면의박스체적을규명하였다. 시험에사용한원형마이크로스피커는모바일폰에사용되고있는유효직경 11.18 mm인 10 mm급인마이크로스피커이다. 규명된 TS 매개변수들은힘요소 Bl=0.446 Tm, 컴플라이언스 C ms= 0.995 mm/n, 공진주파수 F s=975 Hz, 다이아프램질량 M md=26.2 ukg, Q es=5.97, Q ms=2.46, Q ts=1.74, dc 저항 R e=7.25 Ohm, 기계적손실계수 R ms=6.8 mmkg/s, E rm=1.695, E xm=0.874, K rm=1.014 n, K xm=65.3 u이었고후면체적은 0.145 cc였다. 그런데, Fg. 3(b) 와같은일반적인마이크로스피커에서는전기임피던스에 2개의공진피크가나타난다. Ba 등은마이크로스피커의전기임피던스곡선에서나타나는 2개의공진피크를설명할수없다고밝혔다 (4). 마이크로스피커의내부구조가바뀔때마다, 예를들면, 마이크로스피커의박스설계변수들인후면체적, 후면기공의직경, 포트길이, 전면체적, 전면포트의직경, 포트길이등이변동될때마다등가 TS 매개변수들을규명해야만한다. 또한, 단품상태에서 1차공진주파수와 2차공진주파수가충분히떨어져있어야만비교적의미있는등가 TS 매개변수들을규명할수가있다. 다시말하면, Ba 등이규명한등가 TS 매개변수들로구성한마이크로스피커모델은 Fg. 3(a) 와같은형태이다. 따라서, Ba 등이사용한스피커모델로는 Fg. 3(b) 와같은마이크로스피커유니트의음향및전기임피던스특성들을예측할수없다. 박스설계변수들인전면및후면체적, 전면및후면기공들의단면적과길이등의변동을모델에서고려할수없기때문이다. 한편, Ba 등은마이크로스피커가모바일폰에장착된상태를 Fg. 3(a) 같은단순한스피커모델과체적, 포트등의결합으로보고모델링하였고시뮬레이션을수행하였다. 즉, 마이크로스피커유니트자체를해석및설계대상으로본것은아니었다. 이논문에서는마이크로스피커유니트자체를해석하고설계함을목적으로한다. 이를위해마이크로스피커내부에가상라우드스피커 (Fg.3(a)) 가존재하고있다는가상라우드스피커개념을사용하여 TS 매개 2.2 마이크로스피커시스템모델링마이크로스피커는 2.1절에서규명된 TS 매개변수들로모델링된가상라우드스피커가 6차밴드패스박스안에장착된상태 (Fg. 3(b)) 와등가이다. 이모델을사용하면박스설계변수들인전면과후면기공들의단면적, 포트길이및전면과후면의체적변동에따른특성을예측할수있다. 즉, 박스설계변수들에대한시스템특성들인전기임피던스특성과음향응답특성, 다이아프램의속도와변위들을예측할수있다. 또한, TS 매개변수변동에대한스피커시스템특성들도예측할수있다. 즉, 마이크로스피커유니트설계가가능하게된다는것이다. 한편, 마이크로스피커는 4가지형태로모델링할수있다. 유니트상태인 6차밴드패스박스 (Fg. 3(b)) 와후면기공을막은상태인 4차밴드패스박스형태 (Fg. 3(c)) 가있다. 4차밴드패스형태에서전면그릴을제거한밀폐박스형태 (Fg. 3(d)) 그리고밀폐박스상태에서후면기공을개방한벤트박스형태 (Fg. 3(e)) 등 4가지경우가있다. 이 4가지박스모델이완성되면박스설계변수들인전면및후면체적, 포트길이변동에따른시스템특성을파악할수있다. 또한, TS 매개변수들인다이아프램질량, 다이아프램의컴플라이언스, 힘요소등의변동에대해서도전기임피던스와음향응답특성, 다이아프램의속도및변위를예측할수있다. 다이아프램의변위를예측할수있다면가진전력변동에따라다이아프램이전면그릴에닿게되는지를판별할수있다. 즉, 다이아프램의최대한계변위와보이스코일이폴피스하단에닿지않게할 Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 528
Fg. 4 PSPICE model of mpedance type for mcrospeaker closed box system 최대변위와최대가진전력, 최대음향응답을예측할수있다. 마이크로스피커를밀폐박스모델 (Fg. 3(d)) 로표현한등가전기회로도는 Fg. 4와같다 (5). 이회로도의변수들은 2.1절에서규명한가상라우드스피커의 TS 매개변수들과후면체적그리고참고문헌 (5) 의관계식들을사용하여구할수있다. 마이크로스피커밀폐박스모델인 Fg. 4의회로도를 PSPICE에서실행시키면시스템특성을시뮬레이션할수있다. 서론에서기술한프로그램언어인 MTLB, C언어나 Fortran 언어를사용하여시뮬레이션을수행하려면 Fg. 4 회로도를행렬방정식형태로변환시켜야한다. Fg. 4의 PSPICE 회로도에서폐회로들과절점들에대하여 Krchhoff의전압법칙을적용하여각폐회로에서독립변수들인전류들에대한방정식들을유도할수있다. 폐회로들에대한전류방정식을사용하여정리하면임의의주파수 f 에대해 Fg. 4와등가인행렬방정식을식 (1) 로표현할수있다. 여기서, [ ]{} I { B} = = 1, n (1) 1,1 = R e + GZE (2a) 1,2 = Bl (2b) 2,1 = Bl (2c) = s M + R + 1/( s C ) (2d) 2,2 md ms ms = S /( s C ) (2e) 2,3 d ab ( R + s M 1/( s C )) = S + (2f) 2,4 d ab ab ab 2,5 = sm a1s (2g) d = R + 1/( s C ) (2h) 3,3 al ab = 1/( s C ) (2) 3,4 ab 4,2 = S d (2j) 4,4 = 1 5,4 a2 a1 (2k) = R + Zf + s M (2l) = R + Zf + s M (2m) 5,5 a2 a1 1,3 = 1,4 = 1,5 = 3,1 = 3,2 = 3,5 = 4,1 = 4,3 = 4,5 = 5,1 = 5,2 = 5,3 = 0 0 0 (2n) (2o) (2p) B = Veg 1 (3a) B 2 = B3 = B4 = B5 = 0 {} I { 1 2 3 4 5 } (3b) = (4) rm Erm E xm jk xmω GZE = K ω + (5) f = 2 πδf (6) s 2π f 1 (7) = ω = 2πf (8) ( s C + R 1) Zf (9) = Ra 1 / a1 a1 + 식 (2) 에서 S d 는다이아프램의유효단면적을나타내고, 식 (4) 는주파수 f 에서각각의폐회로를흐르는전류를푸리에변환한 phasor를나타낸다. 식 (5) 는스피커를 TSL로모델링한것을나타낸다 (6). 식 (1) 에서각각의주파수 f 에대하여풀면전류벡터 B를얻을수있다. 이전류들을이용하여후속적인결과들을얻는다. Fg. 4에서전류 1 은보이스코일에흐르는전류이고 2 는다이아프램의속도를 4 는다이아프램의부피속도를각각나타낸다. 밀폐박스시스템에서다이아프램에서 1m 거리에서측정한음향응답 p(f) 와전기임피던스 Z(f) 는각각식 (10) 과식 (11) 로나타낼수있다 (7). p f ) = 20log ρf ( f ) p ref 4 ( 10 (10) Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 529
Fg. 5 PSPICE model of mpedance type for 6th bandpass box system VEG( f ) Z ( f ) = (11) 1 ( f ) 여기서, ρ는공기밀도로 1.18 kg/m 3, p ref 는기준음압으로 20 upa이며 f는주파수이고 VEG(f) 는마이크로스피커양단에걸린전압의주파수특성을나타낸다. 다이아프램의변위는다이아프램의속도 2(f) 를적분한결과로 2(f)/(j2πf) 로나타낼수있다. 음향응답특성의경우에는식 (12) 와같이고주파수에서다이아프램의다이나믹질량감소효과를보정해주는질량보정필터 H md(ka) 를정지상태질량 M md(0) 에적용한수정질량을사용하여야한다. 또한, 식 (13) 과같이 roll-off를고려해주는저주파대역통과필터 H lp(ka) 를음향응답식 (10) 에적용하여야고주파수대역에서시뮬레이션결과와실제시험결과와잘일치함을알수있다 (1,2,8). 이를수식으로표현하면식 (12)~ 식 (15) 와같다. 식 (13) 과식 (15) 에서천이주파수 F md 와 F lp 는다이아프램의크기와형상에따라시험적으로결정된다 (1). M ( ω) = M (0) H ( ω) (12) H md md md md 1+ j / 2( ka / F ) ( ka) = (13) 1+ j 2( ka / F Qmd md Qmd md ) ' P ( ω) = P( ω) H ( ω) (14) axal axal lp 1 Hlp ( ka) = 1 2 (15) + ( ka / F ) jka /( F Q ) lp 두번째모델로마이크로스피커를벤트박스로모델링한경우를해석하기위해서참고문헌에기술한 lp lp 벤트박스스피커시스템인등가전기회로도를사용하였다 (8). 밀폐박스모델의경우처럼 MSSP에포함될프로그램코드를작성하기위하여회로도에서각각의폐회로들에 Krchhoff의전압법칙을적용하여회로방정식들을구하였다. 밀폐박스모델의경우와같이이회로방정식들을행렬형태로변환하여벤트박스모델의경우에도임의의주파수 f 에서폐회로들에흐르는전류벡터를구하였다. 각각의전류들로부터앞서기술한방법으로음향응답특성, 전기임피던스, 다이아프램의변위와속도들을구하였다. 세번째모델로 6차밴드패스박스모델로마이크로스피커유니트를모델링하였다. 마이크로스피커를 6차밴드패스박스로모델링하면 Fg. 5처럼표현할수있다. 우측상단에는일반적인라우드스피커가 6차밴드패스박스에설치된모습으로마이크로스피커와같은형태를갖는다는것을나타냈다. 우측하단의 FKPUP1은마이크로스피커후면기공에서의부피속도가전면기공의평면에작용하는반력을나타낸다. 회로상으로전류종속전류소스원을나타내며좌측끝단의 FKPUP2는그반대의경우로전면기공에서나온부피속도가후면기공의평면에작용하는반력을모델링한것이다. 한편, 제안한 6차밴드패스박스회로도모델을 PSPICE에서해석할수도있으나 PSPICE를사용할때에생기는단점들때문에 MSSP에서사용하도록행렬방정식들을유도하였다. Fg. 5의각각의폐회로에흐르는전류들에대해 Krchhoff의전압법칙을적용하고정리하여전류에대한방정식들을구하였다. 이방정식들의해인각각의폐회로들에흐르는전류의 phasor들을사용하여마이크로스피커의시스템특성들인전기임피던스, 음향응답특성, 다이아 Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 530
프램의변위와속도들을계산한다. 즉, 행렬방정식에서각폐회로에흐르는전류들을관심있는주파수들에서계산하였고후속적인연산을통하여음향응답, 전기임피던스등을계산하고그결과들을주작업공간에그래프로출력한다. 3. 마이크로스피커시스템모델검증 3.1 밀폐박스모델검증-원형마이크로스피커 2장에서는마이크로스피커의 4가지박스형태들중에서밀폐박스와벤트박스및 6차밴드패스박스형태인 3가지경우에대하여각각의박스형태를모델링한내용을기술하였다. PSPICE에서해석이가능한회로도들에 Krchhoff의전압법칙을적용하여행렬방정식을유도하였고, MTLB 코드로프로그램을하였다. 이렇게구한프로그램코드들을사용하여 Fg. 1과같은 MSSP 프로그램을완성하였다. 개발한 MSSP 프로그램이마이크로스피커의시스템특성을잘예측하는지를검토하고자한다. 3.1 절에서는 Fg. 1의 MSSP 프로그램의밀폐박스 (closedbox) 모델링부분을검증하고자한다. 모바일폰에사용되고있는 10 mm급원형마이크로스피커를 Fg. 6에나타냈다. 마이크로스피커밀폐박스 (Fg. 3(d)) 형태는마이크로스피커에서전면그릴을제거하고후면기공들을알루미늄테이프등을이용하여막은상태를말하며이를모델링한 PSPICE 회로도는 Fg. 4와같다. 마이크로스피커유니트의후면기공을알루미늄테이프를이용하여막고전면그릴은제거한상태인유니트를 1,000 cc 정육면체밀폐시험박스의한면의중앙에장착한후에시험을수행하였다. 무향실을사용하지않고도반사음의영향을줄이는측정방법으로사용되는 GPM(ground plane method) 방법으로연구실에서음향응답특성을측정하였다 (9). Fg. 7에 GPM 방법으로음향응답측정을하는개략도를나타냈다. GPM 방법으로측정한음압은마이크로폰을평면바닥에두고측정하므로바닥에서음압반사로인하여무향실에서측정한것보다 6dB 크게측정되므로이를보정하였다. Lberty사의 Praxs udo Measurement System(verson 2.39g) 을사용하여음향응답특성과전기임피던스데이터를측정하였다. Fg. 6 Crcular type 10 mm grade mcrospeaker Fg. 7 Schematc dagram of measurng sound pressure level by ground plane method Fg. 8 Parts of mcrospeaker parameters n MSSP parameter controls panel 주파수분해능은 Δf=2.93 Hz로 resynchronous chrp 신호를사용하여 17.578 Hz에서 19,998 Hz까지 6,821개의데이터를 20번측정하고평균하였다. MSSP프로그램을실행하고밀폐박스를선택한다음에매개변수제어패널 (parameter control panel) 을열었을때에 Fg. 8에서 Fg. 10의데이터들을볼수있다. Fg. 8은 10 mm급원형마이크로스피커매개변수들로가상라우드스피커 TS 매개변수규명법으로구한값들이다. Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 531
Fg. 8에서가상라우드스피커의공진주파수 F s 와전기적 Q factor, Q es, 기계적 Q factor, Q ms 및전체 Q factor, Q ts 는다른매개변수들과종속적인관계에있다 (1,5). Fg. 9에마이크로스피커의후면체적 V ab=0.145 cc가첫번째행에나타나있다. 나머지, 흐릿한데이터들은밀폐박스시뮬레이션에서는사용되지않음을나타낸다. Fg. 10에서관심있는음향응답특성의주파수범위를 [42]Freq_ low 와 [41]Freq_hgh 를사용하여정의하며여기서는 500~20,000 Hz로설정되어있음을나타냈다. 식 (15) 에나타낸저주파대역필터의매개변수인 F lp=1.3과 Q lp=2 그리고식 (13) 의질량보정필터의매개변수인 F md=0.8, Q md=0.5가나타나있다. 이값들은마이크로스피커의직경과형상에따라결정하여사용한다 (1,5,9). Fg. 11에시뮬레이션과시험으로구한원형마이크로스피커의밀폐박스음향응답특성을비교하였다. GPM 방법은바닥이평평하고넓은공간에서측정하는방법인데방에서측정하여벽에의한반사음의영향으로음향응답특성이거칠게나타남을보였다. 3,116 Hz에서음압이시뮬레이션과시험에서각각 111.4 db와 113.6 db로시험결과가약 2.2 db 크게나타났다. 관심주파수범위인 500 Hz에서 10,000 Hz범위에서경향을잘나타내고있으며음압오차가약 2dB 정도로밀폐박스상태의음압을잘예측함을나타냈다. 12 khz 이상에서의피크와딥현상은다이아프램의분할진동현상등에의한것으로추정되며이논문에서고려하지못하는유연체모드에의한것으로추정된다. 요약하면 (1) 원형마이크로스피커의 TS 매개변수를규명하였고, 이데이터들을 MSSP 프로그램의입력데이터로사용하였다. (2) 마이크로스피커를밀폐박스형태로한상태에서측정한음향응답특성과시뮬레이션결과가잘일치함을보였다. 따라서, 가상라우드스피커의 TS 매개변수들과후면체적을고려한밀폐박스모델이타당함을나타낸다. 한편, MSSP 프로그램은 GUI 기능을사용할수있도록프로그램하였다. 따라서, 사용자가매개변수제어패널의변수값들을직접자판에서입력하거나슬라이드바를움직여정할수있다. 제어패널에있는변수값들의변동은주작업공간에반영되어즉시스피커시스템특성들을계산하고그결과를화면에나타내므로사용자가쉽게시스템특성을파악할수있다. Fg. 9 Parts of enclosure parameters n MSSP parameter controls panel Fg. 10 Parts of correcton parameters n MSSP parameter controls panel Fg. 11 Comparson test result wth smulaton one of sound pressure level for closed box system n man work space of MSSP Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 532
3.2 벤트박스모델검증 - 원형마이크로스피커 2.1절에서마이크로스피커내부의가상라우드스피커의 TS 매개변수들을규명하였다. 3.1절에서는마이크로스피커밀폐박스모델에대한음향응답특성시뮬레이션결과와시험결과가잘일치함을보여 TS 매개변수규명값들과밀폐박스모델링의타당성을보여주었다. 3.2절에서는 2.1절에서규명한 TS 매개변수들이마이크로스피커를벤트박스로모델링하였을때에도타당한지를검토한다. 2.1절에서규명한 TS 매개변수들과벤트박스설계인자들인다이아프램후면체적, 후면기공의넓이와포트의길이를고려한벤트박스모델을 MSSP를이용하여시뮬레이션하고이를시험결과와비교한다. 한편, 3.1절에서마이크로스피커밀폐박스모델은후면이막혀있어서후면에연결된시험박스의내부공진이영향을주지않는다. 그러나, 벤트박스모델에서는후면기공이열려있어서 1,000 cc 정육면체형상의시험박스안에서의음향공진의영향을받을수있다. 음향공진을억제하기위하여시험박스안에흡음재를약 80 % 정도충진하였다. 마이크로스피커를 Fg. 3(e) 인벤트박스모델로모델링하 Electcal mpedance, Ohm 11 10 9 8 7 6 10 3 10 4 Frequency, Hz Fg. 12 Comparson test result(sold lne) of electrcal mpedance wth smulaton one(dashed lne) of vent box system SPL, db 120 100 80 60 10 3 10 4 Frequency, Hz Fg. 13 Comparson test result(sold lne) of sound pressure level wth smulaton one(dashed lne) of vent box system 였다. 벤트박스모델의회로도와회로도에나타나있는각각의변수들은참고문헌에기술되어있다 (8). 각각의폐회로도들에서독립변수인전류들에대한방정식을구하였다. 이들을행렬방정식형태로만들고행렬방정식에서폐회로에흐르는전류벡터들을계산할수있다. 이렇게프로그램된프로그램코드가 MSSP에포함되었다 (Fg. 1). MSSP의첫화면에서벤트박스를선택하면 MSSP는자동적으로 Fg. 8의데이터들을 TS 매개변수로읽어들인다. 벤트박스모델에서박스매개변수는 Fg. 9에서후면박스부피 V ab 와후면등가포트반경 dr 1 및후면등가포트길이 l 1 을활성화하여시뮬레이션을수행한다. 벤트박스모델 (Fg.3(e)) 에대하여전기임피던스와음향응답특성을시험과시뮬레이션한결과를각각 Fg. 12와 Fg. 13에나타냈다. 벤트박스모델에대해전기임피던스곡선에서공진주파수가분리되는것을잘예측함을보였다 (Fg. 12). 벤트박스모델이음향응답특성도잘예측함을보였다 (Fg. 13). Fg. 12의 1,632 Hz에서의공진주파수는다이아프램후면에있는시험박스내에서의음향공진현상으로보여지며이로인해음향응답곡선인 Fg. 13에서는 1,541 Hz에서딥과 1,685 Hz에서피크가나타났다. 벤트박스에대해서도시뮬레이션결과가시험결과를잘예측함을보여줬다. 따라서, 2.1절에서규명한 TS 매개변수들이타당하다는것과이데이터들을이용한벤트박스모델도마이크로스피커를잘표현하고있다고볼수있다. 3.3 6차밴드패스모델검증-원형마이크로스피커마이크로스피커유니트모습은 6차밴드패스박스형태를하고있다. 2.1절에서규명한가상라우드스피커의 TS 매개변수값들과 6차밴드패스박스설계변수들을사용하여 6차밴드패스모델을검증하고자한다. 마이크로스피커의경우에는주로 500 Hz 이상부터사용을하므로관심주파수범위를 500 Hz에서 20,000 Hz까지하였다. Fg. 14에시뮬레이션과시험으로얻은전기임피던스특성을비교하였다. 1,644 Hz에서의공진피크는벤트박스모델의경우처럼시험박스의내부음향공진때문으로보인다. Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 533
이로인해음향응답특성곡선 (Fg. 15) 에서도 1,644 Hz 부근에서음향딥과피크가나타났다. Fg. 15에서음향응답특성의시험결과를보면 915 Hz 부근의공진으로인해시뮬레이션결과와차이가나타냈다. 915 Hz 근처의공진현상으로 750~1,400 Hz 사이에서그리고 8,000 Hz 이상에서시험결과와시뮬레이션결과에차이가있음을나타냈다. 공진주파수 915 Hz 근처에서시뮬레이션결과가시험결과보다작게나타난이유는 Fg. 8에있는 TS 매개변수인기계적손실계수 R ms=0.0068이실제보다크게규명되었기때문이다. 따라서, 이부근에서의음향응답을크게감소시키도록예측되었다. 즉, 공진주파수부근에서의음향응답은기계적손실계수크기에민감함을나타냈다. 6차밴드패스박스모델도실제마이크로스피커를잘표현함을알수있었다. 3장에서는모바일폰에사용되고있는원형마이크로스피커에대한 3가지모델들인, 밀폐박스, 벤트박스및 6차밴드패스박스들에대해프로그램을작성하였고이들을포함하고전체적으로제어하는 MSSP 프로그램을작성하였다. MSSP 프로그램으로각각의박스모델들을시뮬레이션하여 구한전기임피던스와음향응답특성결과들을시험결과와비교한결과서로가잘일치함을보였다. 따라서, 모델들이타당하다는사실과동시에 2.1절에서규명한 TS 매개변수들이마이크로스피커를잘나타냈음을보였다. 한편, 이논문에서사용한 TS 매개변수규명방법과개발한 MSSP 프로그램이마이크로스피커의형상에독립적임을보이기위하여 4 장에서는임의의사각형형태의마이크로스피커에적용한결과를기술하고자한다. 4. 6차밴드패스모델검증-사각형마이크로스피커현재모바일폰에서많이사용하고있는사각형마이크로스피커에대해 2.1절에서기술한가상라우드스피커 TS 매개변수규명법으로 TS 매개변수를규명하였다. Fg. 16에모바일폰에사용되는사각형마이크로스피커를나타냈다. 사각형마이크로스피커의경우에는사정상 TS 매개변수와제원을표시할수없음을밝힌다. 사각형마이크로스피커의복잡한형상의후면체적도원형 Fg. 14 Comparson test result(sold lne) of electrcal mpedance wth smulaton one(dashed lne) of 6th bandpass box system (a) Front (b) Rear Fg. 16 Rectangular type mcrospeaker attached to moble phone 120 SPL, db 120 110 100 90 80 70 60 10 3 10 4 Frequency, Hz Fg. 15 Comparson test result(sold lne) of sound pressure level wth smulaton one(dashed lne) of 6th bandpass box system SPL, db 110 100 90 80 70 60 10 2 10 3 10 4 Frequency, Hz Fg. 17 Comparson test result(sold lne) of sound pressure level wth smulaton one(dashed lne) of 6th bandpass form of rectangular mcrospeaker Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 534
마이크로스피커와동일한방법으로시험으로동시에규명하였다. 사각형마이크로스피커단품상태를 3.3절의경우와같이 6차밴드패스박스모델로모델링하였다. 6차밴드패스박스의설계변수들인후면체적, 후면포트등가길이와등가직경, 전면체적및전면포트의등가직경과포트등가길이등을 Fg. 9의 MSSP 프로그램의입력데이터로입력하였다. 제어패널의교정계수들은원형마이크로스피커와동일한값들을사용하였다. MSSP 로 6차밴드패스모델에대한음향응답특성을예측하였다. 시뮬레이션결과와시험결과와비교한결과 (Fg. 17) 를보면 MSSP로시뮬레이션한음향응답특성이시험결과를잘예측함을보였다. 따라서, 6차밴드패스모델은사각형마이크로스피커의경우에도잘적용됨을확인할수있었다. 100~20,000 Hz 범위에서 7kHz 근처와 10 khz 영역부근에서의딥현상은다이아프램의고차진동모드에의한것으로추정된다. 5. 결론이논문은모바일폰에장착되는마이크로스피커유니트자체를효율적으로해석하고설계하는내용을기술하였다. 이를위해 (1) 가상라우드스피커개념을이용한 TS 매개변수규명법으로모바일폰에사용되고있는원형및사각형마이크로스피커의 TS 매개변수들과후면체적을규명하였다. (2) 규명된가상스피커 TS 매개변수들로가상라우드스피커모델을구성하였다. 밀폐박스, 벤트박스및 6차밴드패스박스의모델들도제시하였다. 이박스모델들과가상라우드스피커모델을결합하여마이크로스피커밀폐박스모델, 벤트박스모델과 6차밴드패스박스모델들을제시하였다. (3) 밀폐박스모델과벤트박스모델은이전에발표된논문의내용을응용한것으로마이크로스피커음향응답특성예측에처음적용하였다. (4) 마이크로스피커유니트자체를 6차밴드패스박스로모델링하였고이모델을 PSPICE로해석할수있도록회로도형태로도제시하였다. (5) PSIPCE 소프트웨어로해석할때의한계성을극복하기위하여 MTLB 코드로마이크로스피커박스모델들을프로그램하였다. 사용자가쉽게사용할 수있도록 GUI 기능도포함시켰다. (6) 규명된 TS 매개변수와박스의설계인자들그리고질량보정필터와저역통과필터를포함하는설계인자들을 MSSP의입력데이터로사용하였다. 원형마이크로스피커에대하여여러박스형태들인밀폐박스, 벤트박스및 6차밴드패스박스상태의음향응답특성및전기임피던스등을예측하였고이는시험결과와잘일치함을보였다. (7) 개발한 MSSP 프로그램은원형마이크로스피커뿐만아니라사각형마이크로스피커에서도음향응답을잘예측함을보였다. 따라서, MSSP 프로그램은모바일폰용마이크로스피커유니트를해석하고설계할수있는도구로사용될수있음을보였다. (8) 모바일폰에장착된마이크로스피커시스템해석방법으로하이브리드해석법을제안한다. 마이크로스피커유니트뒤쪽에형성된모바일폰의복잡한구조부분만을전산음향해석하여음향임피던스를계산한다. 이데이터들을시험으로규명된마이크로스피커모델에결합하는하이브리드기법을적용한다면복잡한실제의모바일폰의음향해석도비교적간단하면서도정확하게수행할수있음을제안한다. References (1) 2002, LEP Enclosure Shop Reference Manual, Release 5, LnearX Systems Inc. (2) Park, S. T., 2007, Thele Small Parameters Estmaton for Pseudo Loudspeaker wthn 10mm Grade Crcular-type Mcrospeaker, Transactons of the Korean Socety for Nose and Vbraton Engneerng, Vol. 17, No. 11, pp. 1112~1118. (3) Ba, M. R., 2005, coustc nalyss and Desgn of Mnature Loudspeakers for Moble Phones, J. udo Eng. Soc., Vol. 53, No. 11, pp. 1061~1076. (4) Ba, M. R., 2007, Optmal Desgn of Loudspeaker Systems Based on Sequental Quadratc Programmng (SQP), J. udo Eng. Soc., Vol. 55, No. 1/2, pp. 44~54. (5) Park, S. T., 2007, Parameters Estmaton for Pseudo Loudspeaker attached to Closed-box and Enhanced Closed-box Modelng, Transactons of the Korean Socety for Nose and Vbraton Engneerng, Vol. 17, No. 10, pp. 983~992. Trans. Korean Soc. Nose Vb. Eng., 24(7) : 525~536, 2014 535
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