[논문]400W급 액티브 스피커의 냉각시스템 특성에 관한 연구

서재형; 방유마; 이무연

doi:10.5762/kais.2015.16.12.8140

400W급 액티브 스피커의 냉각시스템 특성에 관한 연구
Study on Cooling System Characteristics of 400W Active Speaker 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.12, 2015년, pp.8140 - 8146

서재형 (엔티에프 텍) , 방유마 (동아대학교 기계공학과) , 이무연 (동아대학교 기계공학과)

초록
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본 연구의 목적은 앰프 및 우퍼용 히트싱크가 장착된 400W급 자성유체 액티브 스피커의 방열성능 특성을 파악하기 위하여 엔클로저 내부의 온도 변화 특성을 실험적으로 고찰하였다. 이를 위하여 앰프 및 우퍼용 히트싱크를 설계하여 400W급 자성유체 액티브 스피커에 적용하였다. 결과적으로, 개발된 앰프 및 우퍼용 히트싱크가 장착된 400W급 자성유체 액티브 스피커의 방열성능은 개선되었고, 외기온도가 $25^{\circ}C$에서 $29^{\circ}C$로 증가함에 따라 스피커의 내부 온도는 상승하여 정상상태인 120 min경과 후 엔클로저 내부 온도는 $31.4^{\circ}C$에서 $33.2^{\circ}C$로 $1.8^{\circ}C$ 증가하였다. 또한, 본 연구에서 개발된 400W급 자성유체 액티브의 음압레벨은 기존의 액티브 스피커의 음압 레벨인 109.9 dB 보다 1.9 dB 향상된 111.8 dB로 우수하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to experimentally investigate the cooling performance characteristics with the consideration of the temperature variations of the enclosure of the 400W ferrofluid active speaker having both woofer and amplifier heat sinks. In order to do this, the heat sinks for both woofer and amplifier was designed ant applied to 400W ferrofluid active speaker. As a result, the cooling performance of the developed 400W ferrofluid active speaker was improved and the temperature of the enclosure after 120 min at steady state increased by $2.8^{\circ}C$ with the increase of the outdoor temperatures from $25^{\circ}C$ to $29^{\circ}C$. In addition, the overall sound pressure level of the developed 400W ferrofluid active speaker showed 111.8 dB and improved 1.9 dB higher than 109.9 dB of the existed speaker.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 자성유체를 사용하는 기존의 스피커를 대상으로 스피커에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각할 수 있는 고효율 스피커 냉각시스템의 성능 특성에 관하여 고찰하고자 한다. 또한, 액티브 스피커의 주요 열 발생원인 우파와 앰프의 히트싱크를 독립적으로 설계하여 적용하였으며 온도 특성을 고찰하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 자성유체를 사용하는 기존의 스피커를 대상으로 스피커에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각할 수 있는 고효율 스피커 냉각시스템의 성능 특성에 관하여 고찰하고자 한다. 또한, 액티브 스피커의 주요 열 발생원인 우파와 앰프의 히트싱크를 독립적으로 설계하여 적용하였으며 온도 특성을 고찰하고자 한다.
본 연구는 우퍼 및 앰프용 히트싱크가 장착된 400W급 자성유체 액티브 스피커의 엔클로저 내부의 방열 성능 특성을 파악하기 위하여 엔클로저 내부의 온도 변화특성 평가를 실험적으로 진행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
자성유체가 삽입된 400W급 액티브 스피커는 크게 앰프, 우퍼 및 스피커의 외형이라 할 수 있는 엔클로저로 구성된다. 본 연구에서는 400W급 스피커의 저음부를 출력하는 우퍼에서 발생한 열을 효과적으로 제거하기 위하여 Fig. 1과 같은 우퍼용 히트싱크를 설계 및 제작하였다. 일반적으로 우퍼용 히트싱크는 우퍼와의 접촉성 및 체결방법의 어려움 때문에 많이 적용되지는 않으나 본연구에서는 이러한 단점을 극복하고 방열 성능을 개선하기 위하여 범용으로 사용 가능한 히트싱크를 설계하였다.
본 연구에서는 자성유체가 삽입된 400W급 액티브 스피커의 냉각시스템인 앰프 및 우퍼용 히트싱크의 설계 및 제작을 하였고 스피커에 장착하여 스피커의 열전달성능 특성을 고찰하였다. 앰프 및 우퍼용 히트싱크는 설계 프로그램인 CATIA [6][9]를 이용하여 2차원 및 3차원 설계를 진행하였다.
1과 같은 우퍼용 히트싱크를 설계 및 제작하였다. 일반적으로 우퍼용 히트싱크는 우퍼와의 접촉성 및 체결방법의 어려움 때문에 많이 적용되지는 않으나 본연구에서는 이러한 단점을 극복하고 방열 성능을 개선하기 위하여 범용으로 사용 가능한 히트싱크를 설계하였다. Fig.

제안 방법

Fig. 1 (b) 에서 보는 것처럼, 우퍼 후면 바텀 플레이트(Bottom plate) 크기를 고려하여 히트싱크의 형상을 설계하였고, 바텀 플레이트와 결합할 수 있도록 나사 홀을 생성하였으며 바텀 플레이크와 히트싱크 체결 면에 서멀 그리스 (Thermal grease)를 도포하여 공극 제거 및 열저항을 최소화하였다. Fig.
따라서 Fig. 3 (b)와 같이 이러한 열을 효과적으로 제거하기 위하여 앰프 크기 및 조립성을 고려하고 방열 성능을 극대화하기 위하여 가로 179.0 mm 및 세로 56.0 mm 크기의 히트싱크를 제작하였다. 히트싱크의 핀 수는 21개이며, 외곽 핀 피치는 2.
1. 앰프 및 우퍼에서 발생한 열을 앰프용 히트싱크를 이용하여 엔클로저 뒷면으로 적절히 방열하였으며 엔클로저 내부의 열은 상부의 공기 홀을 이용하여 외부로 방출되었다.
4℃로 크게 개선되었다. 따라서 본 연구에서 개발한 스피커는 앰프 및 우퍼에서 발생한 열을 앰프용 히트싱크를 이용하여 엔클로저 뒷면으로 적절히 방열하였으며 엔클로저 내부의 열은 상부의 공기 홀을 이용하여 외부로 방출되었다.
본 연구에서 개발된 400W급 자성유체 액티브 스피커의 방열 성능 특성을 실험적으로 고찰하기 위하여, Fig. 6과 같이 온도실험을 수행하였다. Fig.
6 (a)는 본 연구에서 온도실험을 위하여 준비한 실험 구성도이며, 구체적인 실험 장치의 사양 및 실험에서 사용된 온도 조건은 Table 1과 같다. 스피커 실험 시 외부온도는 25℃, 29℃로 유지하였고 데이터 로거(Data logger) 및 T-type 열전대를 사용하여 온도를 측정하였다. Fig.
7은 본 연구에서 개발한 우퍼 및 앰프용 히트싱크를 장착한 400W급 자성유체 액티브 스피커의 방열 성능을 평가한 결과이다. 외기온도 29℃ 및 상대습도 80%에서 스피커의 내부 공기 온도 변화를 측정한 결과이며, 스피커의 작동 조건은 시험 평가전 1분 동안 시운전 한 후, 1kHz 정현파 신호를 인가하여 180min 동안 스피커의 내부 공기 온도를 측정하였다[8]. 그 결과, 본 연구에서 개발된 앰프 및 우퍼용 히트싱크를 장착한 액티브 스피커의 엔클로저 내부 온도는 실험 경과 180min에서 기존 스피커의 내부 공기 온도 53℃보다 40.
9는 본 연구에서 개발된 400W급 자성유체 액티브 스피커의 음향성능을 확인하기 위하여 음압 레벨을 평가한 결과이다. 정확한 음압 레벨 시험을 수행하기 위하여 무향실에서 마이크로폰, Pulse 음향분석 프로그램, Multifunction acoustic calibrator 등을 사용하였으며 오디오 제너레이터로 스피커에 1kHz 정현파 신호를 입력시켜 음압 레벨을 측정하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 스피커의 Overall 음압 레벨은 기존의 액티브 스피커의 Overall 음압 레벨 109.

대상 데이터

본 연구에서 스피커에 적용된 자성유체는 일반적으로 스피커에 많이 사용되고 있는 APG L11(Ferrofluid)을 이용하였다[7]. 본 연구에서 사용한 자성유체의 물성치는 Table 2에 나타내었다.
자성유체가 삽입된 400W급 액티브 스피커에 내장된 앰프는 GP Electronics Co.의 MAX 400W 앰프를 선정하였고, 2-Way 주파수 대역을 제어할 수 있는 능동 필터(Active filter)가 있다. Fig.

이론/모형

본 연구에서는 자성유체가 삽입된 400W급 액티브 스피커의 냉각시스템인 앰프 및 우퍼용 히트싱크의 설계 및 제작을 하였고 스피커에 장착하여 스피커의 열전달성능 특성을 고찰하였다. 앰프 및 우퍼용 히트싱크는 설계 프로그램인 CATIA [6][9]를 이용하여 2차원 및 3차원 설계를 진행하였다.

성능/효과

2. 본 연구에서 개발된 400W급 자성유체 액티브 스피커는 외기온도가 25℃에서 29℃로 증가함에 따라 스피커의 내부 온도는 상승하였으며 정상상태인 120min 경과 후의 스피커의 엔클로저 내부 온도는 31.4℃에서 33.2℃로 1.8℃ 증가하였다.
3. 본 연구에서 개발된 400W급 자성유체 액티브 스피커의 음압 레벨은 기존의 액티브 스피커의 음압 레벨인 109.9 dB보다 1.9 dB 향상된 111.8 dB로 나타났다.
정확한 음압 레벨 시험을 수행하기 위하여 무향실에서 마이크로폰, Pulse 음향분석 프로그램, Multifunction acoustic calibrator 등을 사용하였으며 오디오 제너레이터로 스피커에 1kHz 정현파 신호를 입력시켜 음압 레벨을 측정하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 스피커의 Overall 음압 레벨은 기존의 액티브 스피커의 Overall 음압 레벨 109.9 dB보다 1.9 dB 향상된 111.8 dB로 나타났다. 이로 인하여 내부의 방열 성능 개선을 통하여 스피커의 음압 레벨이 향상되어 궁극적으로 스피커의 음질이 향상되는 결과를 도출하였다.
외기온도 29℃ 및 상대습도 80%에서 스피커의 내부 공기 온도 변화를 측정한 결과이며, 스피커의 작동 조건은 시험 평가전 1분 동안 시운전 한 후, 1kHz 정현파 신호를 인가하여 180min 동안 스피커의 내부 공기 온도를 측정하였다[8]. 그 결과, 본 연구에서 개발된 앰프 및 우퍼용 히트싱크를 장착한 액티브 스피커의 엔클로저 내부 온도는 실험 경과 180min에서 기존 스피커의 내부 공기 온도 53℃보다 40.7% 낮은 31.4℃로 크게 개선되었다. 따라서 본 연구에서 개발한 스피커는 앰프 및 우퍼에서 발생한 열을 앰프용 히트싱크를 이용하여 엔클로저 뒷면으로 적절히 방열하였으며 엔클로저 내부의 열은 상부의 공기 홀을 이용하여 외부로 방출되었다.
8 dB로 나타났다. 이로 인하여 내부의 방열 성능 개선을 통하여 스피커의 음압 레벨이 향상되어 궁극적으로 스피커의 음질이 향상되는 결과를 도출하였다.

후속연구

Fig. 7과 Fig. 8의 결과에서 보듯이, 앰프 및 우퍼용 히트싱크를 적용하여 400W급 자성유체 액티브 스피커 내부의 방열 성능을 개선할 수 있었으며, 이러한 결과는 향후 고효율의 고음질/고성능 자성유체 액티브 스피커개발 및 상용화에 기초자료로 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혼형 스피커는 누가 개발했는가?	스피커는 1980년대 독일의 공학자 지멘스가 최초로 혼형 스피커를 개발한 이후 현재까지 구동 원리를 동일하게 유지하면서 다분야에서 다양한 목적으로 사용되고 있으며, 삶의 질 향상과 더불어 국내는 물론 전 세계적으로 많이 사용되고 있다[1]. 이러한 스피커의 사용량 증가는 세계 스피커 시장의 성장을 야기하였으며 스피커 제조회사들은 다양한 연구 및 개발을 통하여 스피커의 외형적 디자인과 더불어 고성능화에 투자하고 있다[2][11].
	스피커의 사용량 증가가 야기한 것은?	스피커는 1980년대 독일의 공학자 지멘스가 최초로 혼형 스피커를 개발한 이후 현재까지 구동 원리를 동일하게 유지하면서 다분야에서 다양한 목적으로 사용되고 있으며, 삶의 질 향상과 더불어 국내는 물론 전 세계적으로 많이 사용되고 있다[1]. 이러한 스피커의 사용량 증가는 세계 스피커 시장의 성장을 야기하였으며 스피커 제조회사들은 다양한 연구 및 개발을 통하여 스피커의 외형적 디자인과 더불어 고성능화에 투자하고 있다[2][11]. 음압 레벨 및 음 왜곡률과 같은 스피커의 음질 향상을 위한 다양한 노력이 경주되고 있으며, 최근의 국내·외 스피커개발 업체들은 보이스 코일의 센터링 확보 및 온도제어 등이 용이한 자성유체를 스피커에 적용하는 연구에도 집중하고 있다[3].
	자성유체를 스피커에 적용함으로써 나타나는 효과는 무엇인가?	음압 레벨 및 음 왜곡률과 같은 스피커의 음질 향상을 위한 다양한 노력이 경주되고 있으며, 최근의 국내·외 스피커개발 업체들은 보이스 코일의 센터링 확보 및 온도제어 등이 용이한 자성유체를 스피커에 적용하는 연구에도 집중하고 있다[3]. 이러한 자성유체의 사용은 스피커의 생산성을 증가시킬 뿐만 아니라 보이스 코일로부터 발생하는 열에 대한 방열 성능의 개선으로 보이스 코일의 온도상승 억제에 의한 내 파워 성을 증대시키는 효과도 가져오게 되었다. 이러한 효과로 인하여 세계의 스피커개발 선도 기업들은 고출력 스피커의 음질 향상과 수명연장을 위하여 자성유체를 적용한 스피커에 관한 다양한 연구를 통하여 자성유체 스피커를 시장에 출시하고 있다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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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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