[논문]Horn의 음향 모델링 연구 - 음향 혼의 해석 및 설계 -

사종성; 박석태

doi:10.5050/ksnve.2014.24.7.537

Horn의 음향 모델링 연구 - 음향 혼의 해석 및 설계 -
A Study on the Acoustic Modeling of Horn - Analysis and Design of Acoustic Horn - 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.7, 2014년, pp.537 - 548

사종성 (Dept. of Automotive Engineering, Seoil University) , 박석태 (Chungbuk Health & Science University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, horn loudspeaker modeling was suggested, investigated and verified through comparison of test results and simulation ones based on input electrical impedance curves and acoustic sensitivity ones. First, Thiele Small parameters of horn driver were identified by using pseudo loudspeaker model concept and verified in case of both closed and open horndriver. Second, cone-shaped horn models were investigated and compared with input acoustic impedance curves for real horn(cone angle $6.6^{\circ}$) and short horn(cone angle $27.9^{\circ}$). It showed that Leach model for cone horn was well described to test results, which were electrical impedance and acoustic sensitivity, compared to Lemaitre one. To represent horn system model good approximation in wide frequency range, mass correction filter and lowpass filter were adopted and consequently showed good fitted to test results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나, 음질(sound quality)에 대한 소비자들의 요구를 수용하려면 혼 시스템의 특성을 정량적으로 정확하게 파악하는 것이 매우 중요해지고 있다. 이 논문에서는 혼 시스템을 일반적인 라우드스피커 시스템처럼 정량적으로 표현하여 혼 시스템의 특성을 쉽고도 빠르게 파악하면서 동시에 혼 시스템의 설계 변수 변동에 따른 혼 시스템의 특성을 정확하게 분석할 수 있는 혼 시스템 모델링 방법을 제시하고자 한다.
그러나, 음질(sound quality)에 대한 소비자들의 요구를 수용하려면 혼 시스템의 특성을 정량적으로 정확하게 파악하는 것이 매우 중요해지고 있다. 이 논문에서는 혼 시스템을 일반적인 라우드스피커 시스템처럼 정량적으로 표현하여 혼 시스템의 특성을 쉽고도 빠르게 파악하면서 동시에 혼 시스템의 설계 변수 변동에 따른 혼 시스템의 특성을 정확하게 분석할 수 있는 혼 시스템 모델링 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

전기식 혼은 이 압력으로 혼을 이용하여 소리를 증폭시키는 구조이며 다이아프램 탄성부의 공진주파수와 같은 순음과 순음의 하모닉 성분들로 합성된 경적음을 발생시킨다. 전기식 혼의 음색은 순음의 주파수와 하모닉 성분들의 크기에 따라 결정된다.
전기식 혼은 이 압력으로 혼을 이용하여 소리를 증폭시키는 구조이며 다이아프램 탄성부의 공진주파수와 같은 순음과 순음의 하모닉 성분들로 합성된 경적음을 발생시킨다. 전기식 혼의 음색은 순음의 주파수와 하모닉 성분들의 크기에 따라 결정된다.

제안 방법

Lemaitre 등의 연구에 사용한 혼 드라이버는 혼 목을 닫은 상태에서 2차 공진주파수와 1차공진주파수가 서로 멀리 떨어져 있으며, 2차 공진이 현저하게 나타나지 않았다. 따라서, 혼 드라이버를1차 모델로 고려하여 혼의 TS 매개변수 일부를 규명하여 혼 시스템 해석을 수행하였다. 이 논문에서사용한 혼 드라이버는 혼의 목을 닫은 상태에서 2차 공진주파수가 비교적 1차 공진주파수와 근접한 상태였으나 1차 모델로 모델링하여 TS 매개변수를 규명하였다.
이 논문에서는 (1) 규명된 혼 드라이버의 힘 요소인 Bl을 검증하기 위하여 혼 드라이버를 분해하여 혼 드라이버의 갭 가우스를 측정하였으며 또한 유한요소법을 사용한 전자기장 해석법으로도 Bl을 계산하였다. 세 가지 방법으로 규명한 힘 요소가 모두 잘 일치함을 보여주기 때문에, 혼 드라이버의 TS 매개변수 규명이 정확하게 수행되었음을 알 수 있었다.
이 연구에서는 혼 시스템을 모델링하였고 이를 예측하기 위하여 혼 드라이버의 TS 매개변수를 규명하였다. Lemaitre 등의 연구에 사용한 혼 드라이버는 혼 목을 닫은 상태에서 2차 공진주파수와 1차공진주파수가 서로 멀리 떨어져 있으며, 2차 공진이 현저하게 나타나지 않았다.
혼 드라이버 입구를 막은 상태는 밀폐박스 상태와 등가이고 혼 드라이버 입구를 개방한 상태는 포트 박스와 등가인 상태를 나타내므로 이러한 관계를 이용하여 혼 드라이버의 TS 매개변수를 규명하였다. 규명된 혼 드라이버의 TS 매개변수는 Bl=13.
이 논문에서는 Lemaitre⁽²⁾가 제안한 방법과는 다른 방법으로 혼 드라이버의 TS 매개변수를 규명하였다. 혼 드라이버의 TS 매개변수들을 규명하기 위하여 두 번의 전기 임피던스 시험을 하였다. Fig.

대상 데이터

샘플링 주파수는 44.1 kHz이었고, LinearX사의1/4인치 마이크로폰(모델 M31) 2개를 사용하여 약10초 동안 데이터들을 취득하였다. 취득한 데이터들을 블록당 4,096개의 데이터로 블록화하고 여기에hanning 윈도우를 적용하였다.
은 53 mm였다. 시험에 사용한 혼 드라이버 다이아프램의 유효직경은 84 mm이고 질량은 7.335 g이다. 이 논문에서는 Lemaitre⁽²⁾가 제안한 방법과는 다른 방법으로 혼 드라이버의 TS 매개변수를 규명하였다.
질량보정 필터와 저역통과 필터를 적용한 예측(파선)이 시험 결과와 잘 일치함을 나타냈다. 임의의 짧은 혼(길이 136 mm, 목 직경 18 mm, 입 직경 90 mm, 콘 각도 27.9˚)을 장착한 혼 시스템에 대하여 시험과 시뮬레이션을 수행하여 얻은 입력 전기 임피던스와 음향 민감도를 각각 Fig. 17과 Fig.
혼 길이가 535 mm, 목 직경은 18 mm, 혼의 입직경은 80 mm로 콘 각도는 6.6˚였다. 6번째 피크부터 공진주파수에 차이가 나타났다.
혼 드라이버의 자기장 밀도를 측정하기 위하여 0.1 mT까지 측정할 수 있는 Kanetec사의 모델 TM-601 가우스 메터로 혼 드라이버의 앞판(front plate)과 바닥판(bottom plate) 사이의 갭 가우스를 측정하였다. 갭 간격이 좁기 때문에 탐침이 충분히 들어가지 않아서 표면 근처에서 여러 번 측정한 결과들로부터 얻은 평균 자기장 밀도 B는 1.

이론/모형

비교를 위하여 유한요소 해석법으로 혼 드라이버의 자기장을 해석하였다. FEMM(Finite Element Method Magnetics) 소프트웨어를 사용하여 축대칭2차원 유한요소법을 이용한 전자기장 해석으로 장(field) 문제 해석을 수행하였다. 유한한 공간을 해석하는 유한요소법으로 무한 공간에 대한 영향을 고려하는 장 문제를 해결하기 위하여 다음과 같은 경계조건을 사용하였다.
이들 데이터들로부터 입력 음향 임피던스를 계산하였다. 또한, 측정장비에서 채널간 그리고 마이크로 폰 간의 응답크기 및 위상차를 Seybert가 제안한 방법으로 교정하여 데이터를 분석하였다⁽²²⁾. Fig.
비교를 위하여 유한요소 해석법으로 혼 드라이버의 자기장을 해석하였다. FEMM(Finite Element Method Magnetics) 소프트웨어를 사용하여 축대칭2차원 유한요소법을 이용한 전자기장 해석으로 장(field) 문제 해석을 수행하였다.
이 논문에서는 Benade 등이 제안한 피에조 디스크를 가진기로 사용하는 음향 임피던스 헤드를 제작하였다. 이 장치를 사용하여 Seybert 등이 제안한 음파분리 이론(wave decomposition theory)을 이용하여 입력 음향 임피던스를 two micro phone법을 사용하여 측정하였다^(22,23).
335 g이다. 이 논문에서는 Lemaitre⁽²⁾가 제안한 방법과는 다른 방법으로 혼 드라이버의 TS 매개변수를 규명하였다. 혼 드라이버의 TS 매개변수들을 규명하기 위하여 두 번의 전기 임피던스 시험을 하였다.
이 논문에서는 Benade 등이 제안한 피에조 디스크를 가진기로 사용하는 음향 임피던스 헤드를 제작하였다. 이 장치를 사용하여 Seybert 등이 제안한 음파분리 이론(wave decomposition theory)을 이용하여 입력 음향 임피던스를 two micro phone법을 사용하여 측정하였다^(22,23).
정확한 혼 시스템 예측을 위해서 혼 모델을 Leach 방법으로 적용하고 PSPICE에서 혼 모델을사용하여 혼 또는 파이프의 입력 임피던스를 계산하여 이를 출력한다. 이 데이터를 Lemaitre 방법인 식(13)의 Z_at대신에 식 (5)에 대입하여 음향 민감도를 예측하고, 식 (6)에 대입하여 전체 등가 임피던스를 예측하는데 사용할 수 있다.
첫 번째는 해석적인 한 가지 방법으로 wave propagation model을 이용한 모델링 방법이다. 혼mouth의 음향방사 임피던스를 Z_ar라 할 때에 혼의목에서의 음향 임피던스 Z_at는 식 (13)과 같다⁽²⁾.
한편, 해석적인 두 번째 방법은 Leach^(17,18)가 사용한 방법으로 혼 형태가 Salmon계의 혼 형태라면 혼 내에서의 음압은 quasi one dimensional Webster 혼 방정식을 만족한다고 가정하여 two port 네트워크 이론을 사용하여 혼을 모델링하였다. 이 방법으로 혼을 모델링하면 PSPICE 소프트웨어를 사용하여 시간과 주파수 영역에서 혼의 특성을 예측할 수 있다.

성능/효과

세 가지 방법으로 규명한 힘 요소가 모두 잘 일치함을 보여주기 때문에, 혼 드라이버의 TS 매개변수 규명이 정확하게 수행되었음을 알 수 있었다. (2) PCP 내의 공기 통로의 길이와 내부 부피를 입력 음향 임피던스를 측정하여 규명하려는 시도를 하였으나, 음향 임피던스 측정장치의 가진기로 사용한 피에조 드라이버가 저주파수 대역을 충분히 가진하지 못하여 측정된 음향 임피던스로부터 이들을 규명할 수 없었다. 내부 부피와 공기 통로의 길이는PCP를 분해하여 측정한 결과를 사용하여 시스템 예측을 하는데 사용하였다.
(3) 혼의 음향 임피던스를 측정하기 위하여 음향 임피던스 측정장치를 제작하여 음향 임피던스를 측정하는 데 사용하였다. (4) 콘 형태의 혼의 음향 임피던스 특성을 Lemaitre와Leach가 각각 제안한 이론적 방법으로 예측하였고 이 결과들을 시험으로 구한 음향 임피던스를 비교한 결과 Leach 방법이 시험 결과와 잘 일치함을 보였다. 특히, 콘 각도가 큰 경우에도 Leach 모델은 시험결과를 잘 예측함을 알 수 있었다.
특히, 콘 각도가 큰 경우에도 Leach 모델은 시험결과를 잘 예측함을 알 수 있었다. (5) 혼 드라이버에 콘 혼이 장착된 혼 시스템을 콘 각도가 6.6˚인 실제 혼과 콘 각도가 27.9˚인 임의의 콘 혼을 장착한 2가지 시스템에 대하여 예측하였다. 전기 임피던스와 음향 응답특성은 500 Hz 이상에서 시험 결과와 잘 일치함을 보여 혼 시스템 모델의 타당성을 보였다.
전기 임피던스와 음향 응답특성은 500 Hz 이상에서 시험 결과와 잘 일치함을 보여 혼 시스템 모델의 타당성을 보였다. (6)고주파수 영역에서의 음향특성을 정확히 예측하기 위하여 혼 드라이버의 질량 보정함수와 저역 통과 필터 특성을 적용한 결과 시험결과와 예측 결과가 잘 일치함을 보였다.
이 논문에서는 (1) 규명된 혼 드라이버의 힘 요소인 Bl을 검증하기 위하여 혼 드라이버를 분해하여 혼 드라이버의 갭 가우스를 측정하였으며 또한 유한요소법을 사용한 전자기장 해석법으로도 Bl을 계산하였다. 세 가지 방법으로 규명한 힘 요소가 모두 잘 일치함을 보여주기 때문에, 혼 드라이버의 TS 매개변수 규명이 정확하게 수행되었음을 알 수 있었다. (2) PCP 내의 공기 통로의 길이와 내부 부피를 입력 음향 임피던스를 측정하여 규명하려는 시도를 하였으나, 음향 임피던스 측정장치의 가진기로 사용한 피에조 드라이버가 저주파수 대역을 충분히 가진하지 못하여 측정된 음향 임피던스로부터 이들을 규명할 수 없었다.
이러한 현상은 다이아프램이 2차 공진을 일으키거나 또는 다이아프램부의 공기 누설이 원인일 것으로 추정되었다. 이 논문에서는 Lemaitre 등이 규명하지 않은 혼 드라이버의 TS 매개변수들을 규명하였고 혼 드라이버 매개변수의 변동에 따른 혼 시스템 특성을 예측할 수 있는 모델을 완성하였다.
따라서, 혼 드라이버를1차 모델로 고려하여 혼의 TS 매개변수 일부를 규명하여 혼 시스템 해석을 수행하였다. 이 논문에서사용한 혼 드라이버는 혼의 목을 닫은 상태에서 2차 공진주파수가 비교적 1차 공진주파수와 근접한 상태였으나 1차 모델로 모델링하여 TS 매개변수를 규명하였다.
9˚인 임의의 콘 혼을 장착한 2가지 시스템에 대하여 예측하였다. 전기 임피던스와 음향 응답특성은 500 Hz 이상에서 시험 결과와 잘 일치함을 보여 혼 시스템 모델의 타당성을 보였다. (6)고주파수 영역에서의 음향특성을 정확히 예측하기 위하여 혼 드라이버의 질량 보정함수와 저역 통과 필터 특성을 적용한 결과 시험결과와 예측 결과가 잘 일치함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기식 혼의 특징은 무엇인가?	전기식 혼은 이 압력으로 혼을 이용하여 소리를 증폭시키는 구조이며 다이아프램 탄성부의 공진주파수와 같은 순음과 순음의 하모닉 성분들로 합성된 경적음을 발생시킨다. 전기식 혼의 음색은 순음의 주파수와 하모닉 성분들의 크기에 따라 결정된다.
	전기식 혼의 원리는 무엇인가?	음향기기에 사용되는 혼 드라이버 스피커 시스템(혼 시스템)은 혼(horn)을 혼 드라이버에 부착하여 사용한다. 자동차에서 경적음 등을 발생할 목적으로 사용하는 전기식 혼은 코일에 직류 전기를 흘려서 발생한 자기력에 의해 폴과 아마추어가 서로 당기는 원리를 사용한다(Fig. 1).
	혼 드라이버의 TS(Thiele Small) 매개변수를 일반적인 라우드스피커 TS 매개변수 규명법으로 규명할 수 없는 이유는 무엇인가?	혼 드라이버의 TS(Thiele Small) 매개변수는 기존에 알려진 일반적인 라우드스피커 TS 매개변수 규명법으로는 규명할 수가 없다. 왜냐하면 혼 드라이버 다이아프램이 compression chamber안에 있으므로 free air 상태에서의 전기 임피던스를 측정할 수가 없어서 이 데이터들을 사용하는 일반적인 TS 매개변수 규명법을 사용할 수 없기 때문이다(3). 혼 드라이버는 다이아프램 앞에 포트가 있는 마이크로스피커와 유사한 구조이므로 가상 스피커개념(3,4)을 이용한 규명법을 사용할 수도 있을 것 같으나 엄밀하게는 이 방법의 적용도 불가능하다.

참고문헌 (23)

Rim, K. Y. Park, S. T., An, C. H., Choi, S. K. and Yoo, D. W., 2009, Analysis of Vibration and Acoustic Characteristics for a Shell Horn in a Car, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 573-574.
Guillaume, L., Boris, L. and Bruno, G., 2008, Model and Estimation Method for Predicting the Sound Radiated by a Horn Loudspeaker-With Application to a Car Horn, Applied Acoustics, Vol. 69, pp. 47-59.

상세보기
Park, S. T., 2007, Parameters Estimation for Pseudo Loudspeaker attached to Closed-box and Enhanced Closed-box Modeling, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 10, pp. 983-992.

원문보기 상세보기
Park, S. T., 2007, Thiele Small Parameters Estimation for Pseudo Loudspeaker within 10 mm Grade Circular-type Microspeaker, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 1112-1118.

원문보기 상세보기
Park, S. T., 2007, Derivation of Parameters for Loudspeaker with Frequency Dependent Terms and Discussion for Estimation Methods, Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 26, No. 6, pp. 276-285.
Park, S. T., 2001, Study on Linear Parameters Identification of Loudspeaker, Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 21, No. 4, pp. 415-420.
Thiele, A. N., 1971, Loudspeakers in Vented Boxes, J. Audio Eng. Soc., Vol. 19, No. 7, pp. 382-392.
Small, R. H., 1972, Direct Radiator Loudspeakers Systems Analysis, J. Audio Eng. Soc., Vol. 20, No. 6, pp. 271-283.
Small, R. H., 1972, Simplified Loudspeaker Measurements at Low Frequencies, J. Audio Eng. Soc., Vol. 20, No. 1 pp. 275-286.
Wright, J. R., 1990, An Empirical Model for Loudspeaker Motor Impedance., J. Audio Eng. Soc., Vol. 38, No. 10, pp. 749-754.
Causse', R., Kergomard, J. and Lurton, X., 1984, Input Impedance of Brass Musical Instruments, Comparison between Experiment and Numerical Method, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 75, No. 1, pp. 241-254.

상세보기
Bai, M. R. and Chen, R. L., 2007, Optimal Dewsign of Loudspeaker Systems Based on Sequential Quadratic Programming(SQP), J. Audio Eng. Soc., Vol. 55, No. 1/2, 45-54
Bai, M. R. and Liao, J. W., 2005, Acoustic Analysis and Design of Miniature Loudspeakers for Mobile Phones, J. Audio Eng. Soc., Vol. 53, No. 11, pp. 1061-1076.

상세보기
LEAP Enclosure Shop Reference Manual, 2002, Release 5, LinearX Systems Inc.
LMS User Manual, 2000, Win32 Release 4.1, LinearX Systems Inc.
Meeker, D., 2004, Finite Element Method Magnetics Version 4.0 User's Manual.
Leach Jr, W. M., 1996, A Two-port Analogous Circuit and SPICE Model for Salmon's Family of Acoustic Horns, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 99, No. 3, pp. 1459-1464.

상세보기
Leach Jr, W. M., 2003, Introduction to Electroacoustics & Audio Amplifier Design, 3rd edition, Kendall/Huntpublishing Company.
Benade, A. H. and Ibisi, M. I., 1987, Survey of Impedance Methods and a New Piezo-disk-driven Impedance Head for Air Columns, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 81, No. 4, pp. 1152-1167.

상세보기
Salava, T., 1981, Measurement of the Input Impedance of Loudspeaker Horns, J. Audio Eng. Soc., Vol. 29, No. 6, pp. 416-420.
Dalmont, J.-P., 1992, Acoustic Impedance Measurement: Plane-wave Mode and First Helical Mode Contributions, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 91, No. 5, pp. 3026-3033.

상세보기
Seybert, A. F. and Ross, D. F., 1977, Experimental Determination of Acoustic Properties Using a Two-microphne Random-excitation Technique, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 61, No. 5, pp. 1362-1370.

상세보기
Kang, S.-W. and Kim, Y.-H., 1992, Transmission Loss Measurement of Silencer with Two Microphones and Its Error Analysis, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 2, No. 3, pp. 181-192.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증