본 연구의 목적은 자성유체 스피커의 보이스 코일 방열 및 음질 저하 문제를 극복하기 위하여 무향실내에서 자성유체 스피커의 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 특성과 같은 음질 성능 특성을 고찰하는 것이다. 이를 위하여 자성유체 스피커에서 자성유체 주입량 및 영구자석 자력을 변화시켜가면서 음압 성능을 측정하였다. 그리고 스피커의 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 특성은 음향시스템 측정 프로그램인 Smarrt를 이용하여 측정하였다. 결과적으로, 자성유체의 주입량은 2.4 ml로 결정되었고, 자성유체를 주입할 경우 음 왜곡률 및 음압레벨은 향상되었다. 자성유체 스피커에서 영구자석의 자력을 8.06 mT에서 9.10 mT로 증가시킬 경우 주파수 특성 및 음압레벨은 더욱 향상되었다. 또한, 자성유체 스피커의 음 왜곡률은 일반 스피커에 비하여 약 0.01% 감소하였다.
본 연구의 목적은 자성유체 스피커의 보이스 코일 방열 및 음질 저하 문제를 극복하기 위하여 무향실내에서 자성유체 스피커의 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 특성과 같은 음질 성능 특성을 고찰하는 것이다. 이를 위하여 자성유체 스피커에서 자성유체 주입량 및 영구자석 자력을 변화시켜가면서 음압 성능을 측정하였다. 그리고 스피커의 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 특성은 음향시스템 측정 프로그램인 Smarrt를 이용하여 측정하였다. 결과적으로, 자성유체의 주입량은 2.4 ml로 결정되었고, 자성유체를 주입할 경우 음 왜곡률 및 음압레벨은 향상되었다. 자성유체 스피커에서 영구자석의 자력을 8.06 mT에서 9.10 mT로 증가시킬 경우 주파수 특성 및 음압레벨은 더욱 향상되었다. 또한, 자성유체 스피커의 음 왜곡률은 일반 스피커에 비하여 약 0.01% 감소하였다.
The aim of this study was to experimentally investigate the sound quality characteristics, such as sound deflection, sound pressure level and frequency characteristics of a magnetic type speaker in an anechoic chamber to overcome the sound quality and voice-coil temperature problems. To accomplish t...
The aim of this study was to experimentally investigate the sound quality characteristics, such as sound deflection, sound pressure level and frequency characteristics of a magnetic type speaker in an anechoic chamber to overcome the sound quality and voice-coil temperature problems. To accomplish this, the sound quality performance of the magnetic type speaker was tested according to the magnetic fluid amount and magnetic field intensity. The sound deflection, sound pressure level, and frequency characteristics were measured using the Smarrt program. As a result, at a magnetic fluid amount of 2.4 ml, the sound deflection and the sound pressure level of the magnetic type speaker were enhanced by comparing with those of the general type speaker. The frequency characteristics and the sound pressure level of the magnetic type speaker were enhanced greatly with increasing magnetic field intensity from 8.06 mT to 9.10 mT. In addition, the sound deflection of the magnetic type speaker was 0.01% lower than that of the general type speaker.
The aim of this study was to experimentally investigate the sound quality characteristics, such as sound deflection, sound pressure level and frequency characteristics of a magnetic type speaker in an anechoic chamber to overcome the sound quality and voice-coil temperature problems. To accomplish this, the sound quality performance of the magnetic type speaker was tested according to the magnetic fluid amount and magnetic field intensity. The sound deflection, sound pressure level, and frequency characteristics were measured using the Smarrt program. As a result, at a magnetic fluid amount of 2.4 ml, the sound deflection and the sound pressure level of the magnetic type speaker were enhanced by comparing with those of the general type speaker. The frequency characteristics and the sound pressure level of the magnetic type speaker were enhanced greatly with increasing magnetic field intensity from 8.06 mT to 9.10 mT. In addition, the sound deflection of the magnetic type speaker was 0.01% lower than that of the general type speaker.
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문제 정의
이러한 문제를 해결하기 위하여, 국내 및 국외에 스피커 업체는 보이스코일의 열 제어 문제와 음질저하를 극복하기 위하여 다양한 연구를 수행하고 있으며, 자성유체를 스피커에 적용하여 보이스코일의 방열문제를 해결하여 음질 성능을 높이는 방안에 대하여 적극적인 개발 및 연구를 진행하고 있다[3]. 따라서 본 연구에서는 자성유체 스피커의 음 왜곡률(Sound distortion), 주파수 특성(Frequency) 및 음압 레벨(Sound pressure level)과 같은 음질 성능(Sound quality)에 대하여 실험적으로 고찰하는 것이다. 더불어, 일반 스피커와 자성유체 스피커의 전반적인 성능 특성을 비교하였고, 보이스 코일 온도의 온도 특성에 관하여 비교 및 분석하여 자성유체 스피커 개발에 기여하고 한다.
본 연구는 자성유체 스피커의 음질 성능 특성을 파악 하기 위하여 자성유체 주입량 및 영구자석의 자력을 변화시켜가면서 실험을 진행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
자성유체 스피커의 음질 성능을 평가하기 위하여 측정한 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 측정 방법은 다음과 같다. 먼저, 전 영역 주파수에서 스피커의 음 왜곡률 및 주파수 특성을 평가하기 위하여 무향실내 Pink noise를 스피커에 인가하고 Smarrt 프로그램을 이용하여 각각의 특성을 파악하여 서로 비교 및 분석을 진행하였다. 일반적으로 주파수 특성은 스피커에 사용되는 보빈 선정에 활용된다[6].
1 (a)와 같은 무향실 및 무향실내 스피커 실험을 위한 음질/음압 측정을 위한 측정용 마이크로 폰 (Microphone), 실험용 스피커(Speaker), 스피커에 입력 신호를 증폭하기 위한 앰프(Amplifier, Europower PMX 3000), 신호발생 프로그램인 Biwavegen generator, 측정용 프로그램인 Pulse 및 Smarrt로 구성되어 있다. 본 연구에서 사용한 무향실은 음향성능 및 소음진동을 시험하기 위하여 Twin Acoustic Chamber Type을 사용하였고, 벽, 천장과 바닥에는 흡음 Wedge가 부착되어 바닥 외 음파의 특성 이음의 간섭 및 반사 회절이 없는 완전한 자유 음장 구현하였다[5]. 무향실 암소음은 18 dB(A, 공조기정지시) 및 22 dB(A, 공조기가동시)이고, 무향실내 온도 및 습도 조건은 다음과 같다.
Table 2는 본 연구에서 사용한 실험 조건이다. 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 특성을 파악하기 위하여, 실험 대상 스피커는 무향실내 위치하고, 마이크로 폰은 스피커에서 1.0 m 거리의 상면/하면/좌측면/우측면 위치에 위치시켰으며, 스피커에서 나온 음파는 60 sec동안 측정하였다.
일반적으로 주파수 특성은 스피커에 사용되는 보빈 선정에 활용된다[6]. 일반 스피커 및 자성유체 스피커의 음압레벨은 Pulse프로그램을 이용하여 특정 주파수인 1000 Hz 영역에서 측정하였고, 서로 비교/분석하였다. 음압레벨은 일반적으로 스피커에 사용되는 영구자석 및 보이스 코일 선정에 활용된다[7].
고 측정시간은 30 sec이며 pink noise 에서 측정하였다. 자성유체 주입량 2.4 ml에서 음압레벨이 다른 주입량에 비하여 가장 높게 나타났으며, 본 연구에서는 자성유체 스피커의 적정 자성유체 주입량을 2.4 ml로 간주하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 일반 스피커 및 자성유체 스피커의 성능 측정 및 평가를 위하여 Table 1과 같은 스피커를 무향 실내에서 실험하였다. 보이스 코일 직경 및 높이가 각각 38.61 mm와 38.55 mm이고 정격출력이 200W인 스피커를 사용하였다. 자성유체 스피커 제작을 위한 자성유체주입량은 0.
1은 본 연구에서 사용한 무향실 및 음향 측정을 위한 개략도이다. 실험 장치는 Fig. 1 (a)와 같은 무향실 및 무향실내 스피커 실험을 위한 음질/음압 측정을 위한 측정용 마이크로 폰 (Microphone), 실험용 스피커(Speaker), 스피커에 입력 신호를 증폭하기 위한 앰프(Amplifier, Europower PMX 3000), 신호발생 프로그램인 Biwavegen generator, 측정용 프로그램인 Pulse 및 Smarrt로 구성되어 있다. 본 연구에서 사용한 무향실은 음향성능 및 소음진동을 시험하기 위하여 Twin Acoustic Chamber Type을 사용하였고, 벽, 천장과 바닥에는 흡음 Wedge가 부착되어 바닥 외 음파의 특성 이음의 간섭 및 반사 회절이 없는 완전한 자유 음장 구현하였다[5].
데이터처리
1 ℃이고, 습도는 20 %~86 %의 ±5 %이며, KS 규격을 적용하였다. 일반 스피커 및 자성유체 스피커의 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 특성은 음향시스템 측정 프로그램인 Smarrt를 이용하여 측정하였다. 자성유체 스피커의 음질 성능을 평가하기 위하여 측정한 음 왜곡률, 음압레벨 및 주파수 측정 방법은 다음과 같다.
성능/효과
4 ml에서 자성유체 스피커 및 일반 스피커의 음압레벨을 비교하였다. 1000 Hz에서 자성유체 스피커의 음압레벨은 97 dB이고 일반 스피커의 음압레벨은 96 dB로 자성 유체 스피커는 일반 스피커에 비하여 음압레벨 1 dB로 비교적 작게 향상되었다. 이러한 이유로는 음압레벨 결정의 핵심 요소인 영구 자석의 세기를 자성유체 주입과 함께 변화시키지 않았기 때문이다.
2) 자성유체 스피커의 음 왜곡률은 일반 스피커에 비하여 약 0.01% 감소하였다.
3) 1000 Hz에서 자성유체 스피커의 음압레벨은 97 dB이고 일반 스피커의 음압레벨은 96 dB로 나타났으며, 자성유체 스피커의 음압레벨을 향상시키기 위해서는 자성유체의 주입과 영구자석의 자력을 같이 변화시켜야 한다.
4) 자성유체 스피커와 일반 스피커의 주파수 특성은 평균적으로 비슷한 경향을 나타내었다.
4 ml에서 자성유체 스피커의 주파수 특성을 나타낸다. Pulse 프로그램을 이용하여 Pink noise에서 자성유체 스피커와 일반 스피커의 주파수 특성은 일부 구간에서는 자성유체 스피커가 높고 일부 구간에서는 낮은 영역이 반복되었으며, 평균적으로 비슷한 경향을 나타내었다. 따라서 자성 유체는 스피커의 주파수 특성의 변화에는 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
01% 감소하는 경향을 나타내고 있다. 따라서 자성유체를 보이스코일에 적용함으로서 일반 스피커의 음 왜곡현상을 개선할 수 있었다.
10 mT로 증가 시킬 경우의 주파수 특성을 나타낸다. 영구자석의 자력 8.06 mT인 자성유체 스피커의 주파수 특성은 200 Hz~3.5 KHz이고, 영구자석의 자력 9.10 mT인 자성유체 스피커의 주파수 특성은 63 Hz~15 KHz로 나타났다. 즉자성유체 스피커에서 영구자석의 세기를 증가시킬 경우주파수 특성이 향상됨을 알 수 있다.
후속연구
Fig. 3과 Fig. 4의 결과에서 보듯이, 자성유체 스피커의 음압레벨을 향상시키기 위해서는 자성유체의 주입과 영구자석의 자력을 같이 변화시켜야 함을 알 수 있으며, 이러한 결과는 향후 자성유체 스피커 개발 및 성능 향상에 기초 자료로 활용될 것이다.
즉자성유체 스피커에서 영구자석의 세기를 증가시킬 경우주파수 특성이 향상됨을 알 수 있다. Fig. 5와 Fig. 6의 결과에서 보듯이, 자성유체 스피커의 음압레벨을 향상시키기 위해서는 자성유체의 주입과 영구자석의 자력을 같이 변화시켜야 함을 알 수 있으며, 이러한 결과는 음압레벨 결과와 함께 향후 자성유체 스피커 개발 및 성능 향상에 기초 자료로 활용될 것이다.
따라서 본 연구에서는 자성유체 스피커의 음 왜곡률(Sound distortion), 주파수 특성(Frequency) 및 음압 레벨(Sound pressure level)과 같은 음질 성능(Sound quality)에 대하여 실험적으로 고찰하는 것이다. 더불어, 일반 스피커와 자성유체 스피커의 전반적인 성능 특성을 비교하였고, 보이스 코일 온도의 온도 특성에 관하여 비교 및 분석하여 자성유체 스피커 개발에 기여하고 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스피커란 무엇인가?
따라서 해외 유명 스피커 개발 업체들은 고급 음향시스템의 수요가 증가함에 따라 스피커의 고성능화에 초점을 맞춘 제품 개발에 주력하고 있음. 일반적으로 이러한 스피커는 저음을 출력하는 우퍼(Woofer), 고음을 출력하는 트위터(Tweeter) 및 중간음을 내는 미드레인지(Mid range)로 구성되며, 이러한 스피커는 전기에너지를 음성 에너지로 변환시키는 전기 음향 변환장치로서 음향 시스템의 전체 성능을 좌우하는 주요한 구성요소이다[1]. 과거의 스피커 개발은 고출력 및 고음질등 높은 주파수 영역의 성능향상에 맞추어 연구가 이루어졌으나, 현재의 스피커 개발은 고출력/고음질은 물론 낮은 주파수 영역의 저출력/고음질 성능을 구현할 수 있도록 연구가 진행 되고 있다.
스피커는 무엇으로 구성되는가?
따라서 해외 유명 스피커 개발 업체들은 고급 음향시스템의 수요가 증가함에 따라 스피커의 고성능화에 초점을 맞춘 제품 개발에 주력하고 있음. 일반적으로 이러한 스피커는 저음을 출력하는 우퍼(Woofer), 고음을 출력하는 트위터(Tweeter) 및 중간음을 내는 미드레인지(Mid range)로 구성되며, 이러한 스피커는 전기에너지를 음성 에너지로 변환시키는 전기 음향 변환장치로서 음향 시스템의 전체 성능을 좌우하는 주요한 구성요소이다[1]. 과거의 스피커 개발은 고출력 및 고음질등 높은 주파수 영역의 성능향상에 맞추어 연구가 이루어졌으나, 현재의 스피커 개발은 고출력/고음질은 물론 낮은 주파수 영역의 저출력/고음질 성능을 구현할 수 있도록 연구가 진행 되고 있다.
자성유체 스피커의 음질 성능 특성 파악을 위해 자성유체 주입량 및 영구자석의 자력을 변화시키며 실험을 진행하여 얻은 결과는 무엇인가?
1) 자성유체 스피커의 자성유체 주입량은 2.4 ml로 선정하였다.
2) 자성유체 스피커의 음 왜곡률은 일반 스피커에 비하여 약 0.01% 감소하였다.
3) 1000 Hz에서 자성유체 스피커의 음압레벨은 97 dB 이고 일반 스피커의 음압레벨은 96 dB로 나타났으며, 자성유체 스피커의 음압레벨을 향상시키기 위해서는 자성유체의 주입과 영구자석의 자력을 같이 변화시켜야 한다.
4) 자성유체 스피커와 일반 스피커의 주파수 특성은 평균적으로 비슷한 경향을 나타내었다.
참고문헌 (7)
Moo-Yeon Lee, Hyung-Jin Kim and Woo-Young Lee, 2013, "Numerical analysis on temperature characteristics of the voice-coil for woofer speaker using ferrofluid", J. of Kor. Mag. Soc., Vol. 23, No. 5, PP. 166-172. DOI: http://dx.doi.org/10.4283/JKMS.2013.23.5.166
Sei Jin Oh, Fundamentals of Loudspeaker Engineering, SeokHakDang, 2006, PP. 187-196.
Hyung-Jin Kim, Dea-Wan Kim and Mpp-Yeon Lee, 2013, "Experimental study on the heat transfer characteristics of woofer speaker unit", J. of KAIS, Vol. 15, No. 5, PP. 2623-2627. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.5.2623
Jae-Hyeong Seo, Moo-Yeon Lee and Lee-Soo Seo, 2013, "Study of Natural Convection of Magnetic Fluid in Cubic Cavity", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 7, PP. 637-646.
Soo-Hyun Kim, Dong-Yeon Lee and Moo-Yeon Lee, 2010, "Analysis and suppression plan for structure and flow induced noise in a small refrigeration system", J. of KAIS, Vol. 11, No. 11, PP. 4129-4136. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.11.4129
David C. Parker, 2004, "Speaker enclosure design on frequency response", Central Virginia Governor's School. PP. 1-15.
Jong-Oh Sun and Kwang-Joon Kim, 2012, "Isolation of vibrations due to speakers in audio-visual electronic devices without deteriorating vibration of speaker cone", J. of Mechanical Science and Technology, Vol. 26, No. 3, PP. 723-730. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12206-011-1227-9
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