[논문]3way 라인어레이 스피커를 위한 웨이브가이드 알고리즘 구현 및 설계

황지원; 김변곤; 조주필

doi:10.17661/jkiiect.2020.13.1.1

3way 라인어레이 스피커를 위한 웨이브가이드 알고리즘 구현 및 설계
A Design and Algorithm Implementation of Waveguide for 3way Line Array Speaker 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.13 no.1, 2020년, pp.1 - 7

황지원 (Chonbuk National University) , 김변곤 (Kunsan National University) , 조주필 (Dept. of Integrated IT & Communication Eng., Kunsan Nat'l Univ.)

초록
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음향 시스템의 지향성 제어기술은 음향의 품질 향상을 위한 핵심 기술이다. 음향 시스템에서 점 음원이 아닌 선음원을 제공하면 원거리에서 감쇠 간섭의 영향을 줄일 수 있기 때문에, 고품질의 음향을 제공할 수 있다. 특히, 라인 어레이(line-array) 스피커 시스템을 이용하면 원거리까지 균일한 고품질의 음향을 제공할 수 있다. 그러나, 고음은 파장이 짧기 때문에 라인 어레이 시스템의 스피커간의 거리가 짧아야 하지만 물리적인 한계가 있다. 본 논문에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 웨이브 가이드를 설계하고 스피커 유닛에 장착하였다. 개발된 스피커의 성능 확인을 위해 다양한 음향특성을 측정하고 테스트 하였다. 그 결과 개발된 스피커를 이용하여 라인 어레이 음향 시스템을 구성하면 고음 영역을 포함한 모든 영역에서 선 음원을 제공할 수 있기 때문에 단일 확장 음원과 같은 효과를 얻을 수 있고, 원거리까지 고품질의 음향을 제공할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Directivity control technology of sound system is a key technology for improving sound quality. Providing a line source rather than a point source in an acoustic system can reduce the effects of attenuation interference at long distances, thereby providing high quality sound. In particular, A line-array speaker system can be used to provide coherent, high-quality sound over long distances. However, high frequencies have shorter wavelengths, so the distance between the speakers of a line array system must be shorter, but there are physical limitations. In this paper, we designed a wave guide and installed it in the speaker's compression driver to solve this problem. We measured and tested various acoustic characteristics to verify the performance of the speaker. As a result, when the line array sound system is constructed using the developed speakers, it is possible to provide a line source in all areas including the treble range, thereby achieving the same effect as a single extended source and providing high quality sound up to far distances.

주제어

표/그림 (18)

그림 그림 1. 웨이브가이드 3D 모델 Fig. 1. 3D model of waveguide
그림 그림 2. Acoustic Pressure Field 결과 Fig. 2. Result of Acoustic Pressure Field
그림 그림 3. 웨이브가이드 수평 수직 polar pattern(Far Field 해석) Fig 3 Horizontal and vertical polar pattern of waveguide(Far Field analysis)
그림 그림 4. 웨이브가이드 출구 중심축으로부터 거리에 따른 위상 응답 특성 Fig. 4. Phase Response Characteristics with distance from end of the center axis of the waveguide
그림 그림 5. 내부가 빈 웨이브가이드 출구 중심축으로부터 거리에 따른 위상 응답 특성 Fig. 5. Phase Response Characteristics with distance from end of the center axis of the inner blank waveguide
그림 그림 7. FDM 으로 제작한 3D 웨이브가이드 샘플 Fig. 7. 3D waveguide sample made with FDM
그림 그림 6. 웨이브가이드 3D 설계도 Fig. 6. 3D design of waveguide
표 표 1. 웨이브가이드 위상차 비교 Table 1. Comparison of Waveguide Phase Gap
표 표 2. FDM 방식 Table 2. Fused Deposition Modeling
표 표 3. SLA방식으로 출력한 웨이브가이드 시제품 Table 3. Waveguide prototype printed by SLA
그림 그림 8. SLA 방식으로 출력한 웨이브가이드 3D 샘플 Fig. 8. 3D waveguide samples made with SLA
그림 그림 9. 제작된 웨이브가이드 샘플 Fig. 9. Completed waveguide sample
그림 그림 10. 웨이브가이드 시험환경 Fig. 10. Waveguide test environment
그림 그림 11. 수직 및 수평 주파수 Polar Pattern Fig.11. Horizonta and vertical frequency Polar Pattern
그림 그림 12. 웨이브가이드 금형제작을 위한 3D 도면 Fig. 12. 3D drawings for waveguide mold making
그림 그림 13. 웨이브가이드 금형 및 제작된 웨이브 가이드 Fig. 13. Waveguide mold and manufactured waveguide
그림 그림 14. 3Way 라인 어레이 스피커 인클로저 3D 도면 Fig. 14. 3Way line array speaker enclosure 3D drawing
표 표 4. 성능시험 평가 Table 4. Performance Test Evaluation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 라인 어레이 시스템의 성능을 향상 시키기 위한 웨이브 가이드를 설계하고 그 특성을 측정하였다. 여러 스피커 모듈을 수직을 쌓아 전체 시스템을 구성하면 모든 고주파 음원 소스가 위에서 아래로 거의 끊이지 않는 선을 이루며 단일 확장 음원과 같은 효과를 얻을 수 있어 원거리까지의 음질을 향상 시킬 수 있다[6][7].

제안 방법

12인치 드라이버 2개와 5인치드라이버 4개, 2대의 HF 웨이브가이드를 장착한 라인어레이 스피커를 개발하기 위해서 라인어레이스피커 스피커 인클로저, 및 각종 구조체를 설계 제작하였다.
3Way 라인어레이 스피커를 위한 웨이브가이드 설계를 위해 3D 설계를 수행하였다. 그림 1은 3D 편집 툴을 사용해 설계된 웨이브가이드이다.
본 논문에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 웨이브 가이드를 설계하고 스피커의 유닛에 장착하였다. 개발된 스피커의 성능 확인을 위해 다양한 음향 특성을 측정하고 테스트 하였다. 그 결과 개발된 웨이브 가이드를 적용한 스피커는 최대 출력 음압레벨의 설계목표치 138dB을 만족할 수 있는 139.
설계된 웨이브가이드의 특성을 평가하기 위해 모의실험을 수행하였다. 모의실험에 사용한 툴은 COMSOL MULTI-PHYSICS로 웨이브가이드 내부를 모델링하여 Acoustic Pressure, Sound Pressure Level, 수평/수직 Polar pattern, Phase response등을 모의실험을 수행하였다[8]. 그림 2는 주요 주파수(4KHz, 8KHz, 12.
본 논문에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 웨이브 가이드를 설계하고 스피커의 유닛에 장착하였다. 개발된 스피커의 성능 확인을 위해 다양한 음향 특성을 측정하고 테스트 하였다.
설계된 웨이브가이드의 특성을 평가하기 위해 모의실험을 수행하였다. 모의실험에 사용한 툴은 COMSOL MULTI-PHYSICS로 웨이브가이드 내부를 모델링하여 Acoustic Pressure, Sound Pressure Level, 수평/수직 Polar pattern, Phase response등을 모의실험을 수행하였다[8].
목표치에 근접하거나 우수한 결과를 가짐을 확인할 수 있다. 스피커의 최대출력 음압레벨을 성능 시험 평가하는 인증시험기관에서 Peak 출력 측정이 불가한 관계로 업계에서 사용하는 값 기준으로 측정했으며 업계에서는 rms값에 12dB crest factor를 더한 값을 최대 SPL 값으로 계산하므로 이에 근거해 값을 도출하였다. 성능시험은 KOLAS 인정 공인시험기관인전자부품연구원산하 차세대음향산업지원센터에 의뢰하여 시험하였으며 스피커의 최대출력음압레벨 등 시험항목은 국제표준인 AES-5id1997의 시험방법에 따라 측정하였다.
여러 스피커 모듈을 수직을 쌓아 전체 시스템을 구성하면 모든 고주파 음원 소스가 위에서 아래로 거의 끊이지 않는 선을 이루며 단일 확장 음원과 같은 효과를 얻을 수 있어 원거리까지의 음질을 향상 시킬 수 있다[6][7]. 웨이브 가이드의 출구에서 1 ~ 20kHz에 해당하는 고음원의 위상이 거의 같아야 하고 개발된 웨이브 가이드는 최대 편차를 가능한 작게 설계하였다.
웨이브가이드 3D 설계도에 따라 수지압출적층방식(FDM : Fused Deposition Modeling)방식과 광경화적출방식( SLA : Stereo Lithography Apparatus) 방식을 적용한 3D 샘플을 제작하였다.
제작된 웨이브가이드 시험을 위해 공인시험소인 차세대음향지원센터에 의뢰하여 지향각과 주파수응답특성을 시험하였다. 그림 10은 웨이브가이드 시험환경이다.

대상 데이터

FDM 방식으로 제작한 웨이브가이드는 ABS, PLA를 사용하여 소재자체의 강도가 좋은 편이나, 노즐의 고온과 압력에 의해 모델이 제작되어 레이어간의 결합력이 약하고 정밀도가 낮아 시험에 사용하기 부적합하였다. SLA 방식으로 제작된 웨이브가이드의 샘플은 FDM방식보다 더 정밀하고 경도가 우수하여 시험용으로 사용하였다.

이론/모형

스피커의 최대출력 음압레벨을 성능 시험 평가하는 인증시험기관에서 Peak 출력 측정이 불가한 관계로 업계에서 사용하는 값 기준으로 측정했으며 업계에서는 rms값에 12dB crest factor를 더한 값을 최대 SPL 값으로 계산하므로 이에 근거해 값을 도출하였다. 성능시험은 KOLAS 인정 공인시험기관인전자부품연구원산하 차세대음향산업지원센터에 의뢰하여 시험하였으며 스피커의 최대출력음압레벨 등 시험항목은 국제표준인 AES-5id1997의 시험방법에 따라 측정하였다.

성능/효과

개발된 스피커의 성능 확인을 위해 다양한 음향 특성을 측정하고 테스트 하였다. 그 결과 개발된 웨이브 가이드를 적용한 스피커는 최대 출력 음압레벨의 설계목표치 138dB을 만족할 수 있는 139.5dB을 보여주고 있으며 고주파 영역의 주파수 응답은 목표치의 16kHz를 만족할 수 있는 18kHz의 성능을 보이고 있다. 따라서, 개발된 스피커를 이용하여 라인 어레이 음향시스템을 구성하면 고음 영역을 포함한 모든 영역에서선 음원을 제공할 수 있기 때문에 단일 확장 음원과 같은 효과를 얻을 수 있고, 원거리까지 고품질의 음향을 제공할 수 있음을 확인하였다.
5dB을 보여주고 있으며 고주파 영역의 주파수 응답은 목표치의 16kHz를 만족할 수 있는 18kHz의 성능을 보이고 있다. 따라서, 개발된 스피커를 이용하여 라인 어레이 음향시스템을 구성하면 고음 영역을 포함한 모든 영역에서선 음원을 제공할 수 있기 때문에 단일 확장 음원과 같은 효과를 얻을 수 있고, 원거리까지 고품질의 음향을 제공할 수 있음을 확인하였다.
그림 5는 내부가 빈 웨이브 가이드 출구 중심부터 거리에 따른 위상변화 그래프이다. 제안된 웨이브가이드는 4KHz ~ 16KHz에서 내부가 비어있는 웨이브가이드 보다 거리에 따른 위상변화가 적음을 알 수 있다.
특히 4~8 KHz는 인간이 민감하게 들을 수 있는 대역이어서 위상차가 적을수록 특성이 좋아진다. 표 1과 같이 제안된 형상의 웨이브가이드가 일반 방식보다 4~8KHz 대역에서 50~100%의 우수한 위상특성을 보임을 확인할 수 있다.

참고문헌 (8)

A. Makivirta, "Design of Minimum Diffraction Coaxial Loudspeakers with Integrated Waveguides", Audio Engineering Society, 142nd Convention, pp. 1-12, May, 2017.
Sung Jae Hoon, "Method of designing for line array speaker", Monthly PA, April, 2017.
J. Hyun, "Optimization of loudspeaker for improved directivity characteristics", The Korean Society of Mechanical Engineers, No. 6, pp. 134-135, 2010.
B. Edgar and et al, "Spatial Audio Approaches for Embedded Sound Art Installations", Proceedings of the International Conference on New Interfaces for Musical Expression, pp. 426-430. June, 2017.
D. Kim, "Directivity control algorithm of line array speaker by considering a single loudspaker", The Korean Society of Mechanical Engineers, No. 2, pp. 147-148, 2009.
J. Kook, "Design of acoustic waveguides for improved directivity characteristics of loudspeakers using topology optimization", The Korean Society of Mechanical Engineers, No. 4, pp. 666-668, 2010.
Jung Ho Kim, "Acoustic Characteristics of a loudspeaker obtained by vibration and Acoustic analyses", The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 21, No.10, pp. 1742-1756, Oct., 1997.
H. W. Choi, "Acoustic analysis and vibration modeling for design of flat vibration speaker", Korean Society of Precision Engineering, No. 3, pp. 545-546, Oct., 2008.

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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