[논문]마이크로 스피커 진동판의 형상설계에 따른 진동특성 고찰

김경민; 김성걸; 박근

doi:10.7736/kspe.2013.30.8.790

[국내논문] 마이크로 스피커 진동판의 형상설계에 따른 진동특성 고찰
Investigation on Vibration Characteristics of Micro Speaker Diaphragms for Various Shape Designs 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.8, 2013년, pp.790 - 796

김경민 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) , 김성걸 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 박근 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Micro-speaker diaphragms play an important role in generating a desired audio response. The diaphragm is generally a circular membrane, and the cross section is a double dome, with an inner dome and an outer dome. To improve the sound quality of the speaker, a number of corrugations may be included in the outer dome region. In this study, the role of these corrugations is investigated using two kinds of finite element method (FEM) calculations. Structural FEM modeling was carried out to investigate the change in stiffness of the diaphragm when the corrugations were included. Modal FEM modeling was then carried out to compare the natural frequencies and the resulting vibrational modes of the plain and corrugated diaphragms. The effects of the corrugations on the vibration characteristics of the diaphragm are discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

⁹ 마이크로 스피커에서의 저음재생 특성 향상을 위해 진동판의 형상을 원형이 아닌 타원형¹⁰이나 사각형¹¹으로 변화시킨 연구결과가 발표되었으며, 최근에는 원형 진동판에 빗살무늬 주름(Corrugation)을 형성하는 방법이 사용되고 있다.¹² 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 상기 주름이 진동판의 강성 및 진동특성에 미치는 영향을 살펴보고자 하며, 특히 주름의 유무에 따른 강성 및 고유진동수의 변화를 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 유한요소해석을 사용하여 마이크로 스피커 진동판의 진동특성을 고찰하였고, 특히 주변부에 형성된 주름이 진동판의 강성 및 진동특성에 미치는 영향을 분석하였다. 세부적인 연구 결과는 다음과 같다.
앞절에서 기술된 바와 같이 주름부의 영향으로 진동판의 강성이 변화됨에 따라 진통특성 역시 변하게 되는데, 본 절에서는 모드해석을 통한 진동판의 진동특성 변화를 고찰하고자 한다. 모드해석은 사람의 가청주파수인 20~20000 Hz 범위로 설정하여 총 20개의 모드에 대해 해석을 수행하였다.

제안 방법

구조해석 경계조건은 진동판의 진동이 축방향(두께방향)으로 발생하는 점을 감안하여 코일의 하단에 수직방향으로 분포하중(F)이 작용하는 것으로 설정하였다. 구속조건으로는 실제 링이 부착되어 요크에 고정되는 가장자리 부분에 완전구속 조건을 부여하였다.
앞절에서 기술된 바와 같이 주름부의 영향으로 진동판의 강성이 변화됨에 따라 진통특성 역시 변하게 되는데, 본 절에서는 모드해석을 통한 진동판의 진동특성 변화를 고찰하고자 한다. 모드해석은 사람의 가청주파수인 20~20000 Hz 범위로 설정하여 총 20개의 모드에 대해 해석을 수행하였다. 해석모델 및 경계조건은 3.
이때 주름은 반경 방향으로 15도 기울어져 있으며, 총 24개의 주름을 가지고 있다. 상기 진동판의 형상, 즉 주름부의 추가에 따른 진동판의 강성변화 및 진동특성을 분석하기 위해 ANSYS^TM을 이용하여 구조 및 진동 해석을 수행하였다.¹³ 해석에 사용된 진동판과 코일의 재질은 각각 PET (Polyethylene terephthalate)과 알루미늄으로 설정하였으며, 각 재료의 물성은 Table 1에 요약하였다.
진동판의 주름에 의한 강성변화 효과를 고찰하기 위해 주름이 있는 진동판 강성과 주름이 없는 진동판 강성의 상대비율(Relative ratio)을 비교하였다. 주름이 있는 경우 중심부 강성의 경우 40.
진동판의 중심부(P₁)와 주변부(P₂)에서의 축방향 강성을 비교하기 위해 하중의 크기를 변화시켜가며 추가적인 구조해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

상기 진동판의 형상, 즉 주름부의 추가에 따른 진동판의 강성변화 및 진동특성을 분석하기 위해 ANSYS^TM을 이용하여 구조 및 진동 해석을 수행하였다.¹³ 해석에 사용된 진동판과 코일의 재질은 각각 PET (Polyethylene terephthalate)과 알루미늄으로 설정하였으며, 각 재료의 물성은 Table 1에 요약하였다.
2에 본 연구에서 사용된 진동판의 단면형상 및 치수를 도시하였다. 진동판의 실제 크기는 고정링 부분을 포함하여 직경 14.55 mm이며, 하단에 부착된 코일을 경계로 두 개의 돔(중심부, 주변부)이 있는 형태이다.

데이터처리

7에 인가된 하중에 대한 변위 결과를 그래프로 표현하였으며, 2개 지점에서 주름 유무에 따른 결과를 비교하였다. 모든 경우 기본적으로 하중이 증가할수록 진동판의 진폭이 선형적으로 변하는 것을 알 수 있으며, 이를 토대로 선형회귀분석을 사용하여 각각의 경우에 대한 강성을 계산하여 Table 2에 비교하였다. 계산결과를 보면 주름이 없는 경우 중심부에서의 강성(k₁)보다 주변부의 강성(k₂)이 5.

성능/효과

(1) 주변부에 형성된 주름으로 인해 중심부 강성의 경우 40.6%, 주변부 강성의 경우 32.8%의 수준으로 감소하여 진동판의 진동이 용이해지는 것으로 확인되었다.
(2) 모드해석 결과로 얻어진 1차 고유진동수 분석 결과 주름이 없는 경우는 309.59 Hz, 주름이 있는 경우는 197.65 Hz로 예측되어 1/3 이상의 감소를 보여 주변부 주름형상의 추가로 인해 스피커의 저음영역 특성이 향상된 것으로 판단된다.
(3) 고차모드 분석 결과 주름이 없는 경우는 3차 모드까지가 1000 Hz 이하, 4차 이상은 모두 6000 Hz 이상의 고유진동수를 보여 저음부와 고음부가 확연히 구분되는 반면 주름이 있는 경우는 고유진동수의 분포가 골고루 퍼져 보다 폭넓은 음향특성을 보임을 확인하였다.
실제로 대부분의 악기들이 40~5000 Hz 범위의 주파수 대역을 가지고 있으며 특히 인간의 음성기본 음의 대부분이 해당하는 진동수가 중저음역대인 160~315 Hz인 것으로 알려져 있다.¹ 이러한 주파수 특성을 감안할 때 진동판에 형성된 주름이 1차 고유진동수를 감소시켜 더 넓은 주파수 대역의 소리를 발생시킬 수 있으며, 진동판 내에서도 더 넓은 영역에 진동을 고르게 전달함으로써 진동판의 진폭 또한 주름이 없는 경우에 비해 고르게 변하는 것을 확인할 수 있다.
6에 중심단면에서의 축방향 변형량을 그래프로 도시하였다. 2가지 모두 중심부에서 높은 변형을 보이는 사다리꼴 형태의 분포는 유사하게 나타나나, 최대변형량은 주름이 포함된 경우 0.29 mm, 그렇지 않은 경우 0.12 mm로 2배 이상의 차이를 보임을 알 수 있다.
80 mm 부근에서 변위가 발생되기 시작하는 점을 확인할 수 있다. 상기 결과로부터 주변부에 형성된 주름으로 인해 전체전인 강성이 감소되며 중심부와 주변부의 변형특성을 차별화 해주는 효과를 보임을 알 수 있다.
상기 결과로부터 진동판의 고유진동수별 진동의 발생부위에 차이가 발생함을 알 수 있으며, 특히 3차 모드까지가 1000 Hz 이하인 반면 4차 이상의 모드는 모두 6000 Hz 이상의 진동수를 보여 저음부와 고음부가 확연히 구분됨을 알 수 있다. 한편 4차 이상의 모드에서는 고유진동수의 변화가 크게 나타나지 않아 다양한 주파수의 음을 구현하는데 한계가 있는 것으로 판단된다.

후속연구

상기 결과로부터 진동판의 고유진동수별 진동의 발생부위에 차이가 발생함을 알 수 있으며, 특히 3차 모드까지가 1000 Hz 이하인 반면 4차 이상의 모드는 모두 6000 Hz 이상의 진동수를 보여 저음부와 고음부가 확연히 구분됨을 알 수 있다. 한편 4차 이상의 모드에서는 고유진동수의 변화가 크게 나타나지 않아 다양한 주파수의 음을 구현하는데 한계가 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스피커란?	스피커는 전기신호 형태의 음을 소리로 변환시켜주는 장치로 크게 구동방식과 형상구조, 영구자석의 형태 등으로 종류를 구분한다. 구동방식에 따라서는 동전형(Dynamic)과 정전형(Electrostatic)으로 분류할 수 있으며, 형상구조에 따라 콘형(Cone type), 혼형(Horn type), 평판형(Plate type) 등으로, 영구자석의 형태에 따라 내자형(P-type)과 외자형(F-type)으로 분류된다.
	일반적인 스피커는 어떻게 진동을 제어하는가?	마이크로 스피커는 통상적으로 직경 50 mm 이하로 구분되며, 최근 수요가 급증하고 있는 이어폰용 마이크로 스피커에는 직경 15 mm 이하의 크기가 사용되고 있다. 일반적인 스피커가 댐퍼(Damper) 또는 스파이더(Spider)등의 구조물을 사용 하여 능동적인 방법(Active control)으로 진동을 제어하는 반면 마이크로 스피커는 진동판(Diaphragm)의 진동특성을 외부적으로 제어하는 수동적인 방법(Passive control)을 사용하고 있다. 1 즉 진동판에 부착된 보이스코일(Voice coil)에 전류를 인가하여 자기장을 발생시켜 영구자석과의 상호작용에 의해 진동판의 진동을 제어하는 방법을 사용하고 있으며, 따라서 진동판의 진동특성이 스피커의 음향특성에 직접적으로 영향을 미치게 된다.
	마이크로 스피커가 사용하는 진동판의 진동특성을 외부적으로 제어하는 수동적인 방법은 어떤 방법인가?	일반적인 스피커가 댐퍼(Damper) 또는 스파이더(Spider)등의 구조물을 사용 하여 능동적인 방법(Active control)으로 진동을 제어하는 반면 마이크로 스피커는 진동판(Diaphragm)의 진동특성을 외부적으로 제어하는 수동적인 방법(Passive control)을 사용하고 있다. 1 즉 진동판에 부착된 보이스코일(Voice coil)에 전류를 인가하여 자기장을 발생시켜 영구자석과의 상호작용에 의해 진동판의 진동을 제어하는 방법을 사용하고 있으며, 따라서 진동판의 진동특성이 스피커의 음향특성에 직접적으로 영향을 미치게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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