KR20000047010A - 스피커 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 능률이 좋고 저음을 잘 전달하면서도 크기가 작은 음향을 전달 및 유도 또는 지향시키는 장치가 제공된다.
스피커 시스템은 스피커 유니트와, 상기 스피커 유니트가 그 일단부에 부착되는 혼을 구비한다. 혼의 길이 방향 일단부 부근에는 그 일단부를 차단하기 위한 제1 차단부재가 부착된다. 다른 단부 부근에는 제2 차단부재가 설치된다. 제1 차단부재와 제2 차단부재에 의해 밀폐된 공간이 형성되고, 이 밀폐공간에는 공기보다 무거운 기체가 수용된다.

Description

스피커 시스템
본 발명은 음향기기의 음을 전달하고 유도하거나 지향시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 밀폐 공간을 형성하고 그 공간에 공기보다 무거운 기체를 채움으로써 능률이 좋고 저음을 전달하면서도 그 크기를 줄일 수 있는 장치에 관한 것이다.
기존의 일반적인 스피커 시스템이 갖는 최대의 문제점은 낮은 능률이다. 게다가 낮은 주파수의 저음을 재생하려면 큰 인클로저(Enclosure)가 필요하였다. 이를 해결하기 위해 개발된 것이 바로 혼 스피커 시스템(Horn Speaker System)이다. 이 시스템은 스피커 유니트의 진동판과 공기와의 임피던스를 매칭시켜 줌으로써, 일반적인 방식의 스피커 시스템에 비해 몇 배의 능률을 가질 수 있다. 따라서, 훨씬 적은 출력의 앰프로도 구동이 가능하다.
그런데, 중간 음 영역과 고음용으로는 혼 스피커 시스템이 많이 실용화되어 있지만, 저음용은 극히 일부만 사용된다. 그 이유는 바로 거대한 크기 때문이다. 만일, 인간이 들을 수 있는 최저 주파수인 20 Hz 까지 재생되는 혼을 만들려면 다음의 조건을 만족해야 한다.
여기에서 Sm = 혼 개구부(mouth)의 넓이, λ = 파장 = (음속/주파수) 이다.
혼의 단면이 원형이고 반경을 r이라고 하면, 반경은 다음과 같이 계산된다.
2 π r > λ
20 Hz인 소리의 파장은 공기의 음속인 340 m/s를 주파수 20으로 나눈 값인 340/20 = 17 m 이다. 이를 위의 식에 대입하면 대략 지름이 5.4 m 인 거대한 원형 개구부를 가진 혼이 필요하게 된다.
이렇듯, 스피커 시스템이나 악기에 사용되어 음향을 전달하고 유도하거나 지향시키는 관은 저음에 있어서는 그 크기가 커진다.
따라서, 본 발명의 목적은 능률이 좋고 저음을 잘 전달하면서도, 크기가 작은 음향을 전달하고 유도하거나 지향시키는 장치를 제공하는 것이다. 나아가, 이러한 장치를 스피커 시스템에 적용하는 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 스피커 시스템의 단면도
도2는 본 발명에 일 실시예에 따른 트랜스미션 라인 스피커 시스템의 단면도
도3은 본 발명에 다른 실시예에 따른 트랜스미션 라인 스피커 시스템의 단면도
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 오르간의 단면도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10,50,100: 스피커 시스템 12: 혼
14,52,102: 스피커 유니트 16: 목부
18: 개구부 24,55,154: 제1 멤브레인
26,56,156: 제2 멤브레인 30,60,152: 밀폐 공간
54,104,150: 음향공진기(공명관) 106,110: 진동판
108: 변환기 112: 지지부
본 발명에 따르면, 관으로 이루어진 음향을 전달하고 유도하거나 지향시키는 장치의 양끝부분을 차단하여 밀폐시키고, 그 밀폐된 공간에는 공기보다 무거운 기체가 수용된다. 공기보다 무거운 기체에서는 음속이 작아져 그 관의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 스피커 유니트와, 상기 스피커 유니트가 그 일단부에 부착되는 음향 임피던스 매칭기를 구비한 스피커 시스템에 있어서,
상기 음향 임피던스 매칭기의 길이 방향 일단부 부근을 차단하기 위한 제1 차단부재와, 상기 음향 임피던스 매칭기의 길이 방향 다른 단부 부근을 차단하기 위한 제2 차단부재를 구비함으로써, 상기 제1 차단부재와 상기 제2 차단부재에 의해 밀폐된 공간이 형성되고,
상기 밀폐공간에는 공기보다 무거운 기체가 수용되는 것을 특징으로 하는 스피커 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 스피커 시스템 또는 악기에 사용되는 음향 공진관에 있어서,
길이 방향 일단부 부근에 설치되어 그 단부를 차단하기 위한 제1 차단부재와, 길이 방향 다른 단부 부근에 설치되어 상기 다른 단부를 차단하기 위한 제2 차단부재를 구비함으로써, 상기 제1 차단부재와 상기 제2 차단부재에 의해 밀폐된 공간이 형성되고,
상기 밀폐공간에는 공기보다 무거운 기체가 수용되는 것을 특징으로 하는 음향 공진관이 제공된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도1을 참조하면, 혼 스피커 시스템(10)은 혼(horn; 12)과 스피커 유니트(speaker unit, 구동기[driver]라고도 함; 14)를 갖는다. 혼(12)은 목부(throat; 16)와 개구부(mouth; 18)를 가진다. 단면이 원형인 혼(12)의 벽(19)은 목부(16)에서 시작하여 개구부(18)까지 연장되는데, 벽(19)은 목부(16)에서 개구부(18)로 갈수록 바깥쪽으로 벌어진(flared)다. 혼(12)의 단면적은 어떤 일정한 함수에 따른 비율로 증가한다. 이 비율이 지수함수에 따르면 지수형의 혼이 된다.
혼(12)의 목부(16)에는 스피커 유니트(14)가 부착되어 있다. 스피커유니트(14)는 소리를 발생시키는 진동판과 변환기를 구비한다. 상기 변환기는 전기적인 신호를 기계적인 움직임으로 변환해주는 것으로서, 변환기는 보이스코일 시스템이나 압전체로 이루어질 수 있다. 혼(12)의 목부(16)는 스피커 유니트(14)의 목부와 동일한 크기인 것이 바람직하나, 더 작을 수도 있다.
혼(12)의 목부(16)에는 혼의 길이 방향과 대체로 수직을 이루도록 제1 멤브레인(24)이 부착되어 목부를 막는다. 개구부(18)에도 제2 멤브레인(26)이 부착되어 개구부를 막는다. 제1 및 제2 멤브레인은 고무, 또는 실리콘 고무의 막으로 이루어진다. 제1 멤브레인(24)과 제2 멤브레인(26) 및 혼의 벽(19)에 의해 외부 공기와는 격리되는 밀폐된 공간(30)이 형성된다.
밀폐 공간(30)에는 공기 보다 무거운 기체가 수용된다. 수용되는 기체를 그 분자량이 큰 것일수록 좋으나, 멤브레인과는 화학적으로 작용하지 않으며, 인체에 무해한 것이 바람직하다. 예를 들면, 크세논(Xe) 가스를 사용할 수도 있다.
무거운 기체는 혼의 크기를 실용이 가능하도록 줄이기 위한 것이다. 혼의 크기를 줄이기 위해서는 파장을 짧게 만드는 방법이 가장 좋은 방법임을 알 수 있다. 즉, 혼(12) 내부의 음속을 줄이는 것이 필요하다는 사실을 다음 식에서 알 수 있다.
여기에서 Sm = 혼 개구부(18)의 넓이, λ = 파장, C = 음속, f = 주파수이다. 한편, 음속은 분자량의 제곱근에 반비례한다.
밀폐된 공간(30)에 분자량이 131인 크세논이 채워져 있다고 하면, 그 내에서의 음속은 약 160 m/s가 된다(여기에서 공기 중의 음속을 340 m/s, 공기의 분자량을 29로 가정하였음). 이를 수학식 3에 대입하고 개구부가 원형임을 가정하면, 혼(12)의 개구부(18)의 직경은 공기로 이루어진 혼 개구부의 약 0.46 배가 되어 줄어드는 것을 알 수 있다.
한편, 플레어상수 m은 다음 식으로 구할 수 있다.
일반 공기의 경우, 저역 차단주파수를 실용 한계인 60 Hz 로 잡았을 경우, m 값은
mair= 4 π 60 / 340 = 2.22
가 된다. 분자량이 큰 Xe 같은 기체에서는 음속이 약 160 m/s라 할 때,
mXe= 4 π 60 / 160 = 4.7
이 된다.
각각의 m 값을 수학식3에 대입하여 혼 개구부의 크기를 비교한다. 공기의 경우,
Smair= 340²/ 4 π 60²= 2. 56 m²
분자량 131인 Xe인 경우
SmXe= 160²/ 4 π 60²= 0.57 m²
이 되어, 위의 경우와 마찬가지로 공기의 경우의 약 2/9 정도로 그 크기가 줄어든다는 것을 알 수 있다.
이제 길이를 비교한다. 혼의 길이는 지수 혼의 경우,
Sm = St × emx
(Sm = 혼 개구부의 면적, St = 혼 목의 면적, m = 플레어상수, x = 혼의 길이)가 되며, 따라서 길이 x 는
가 된다. 만일, St 를 0.049 m로 한다면, 공기에서의 혼의 길이는
xair= 1/ 2.22 [ ln (2.56 / 0.049) ] = 1.78 m
가 되며, 음속이 160 m/s 인 기체 Xe의 경우에는,
xXe= 1 / 4.7 [ ln (0.57/0.049) ] = 0.52 m
가 되어, 길이 역시 공기에서의 혼 길이의 1/3.4 정도로 짧아짐을 알 수 있다. 따라서, 혼의 크기와 길이 모두 상당히 줄어들게 되어 실용적인 크기의 저음용 혼이 가능하다.
상기 실시예에서는 단면이 원형인 혼을 설명하였으나, 혼의 단면 형상은 이에 제한되는 것은 아니다. 정사각형 또는 직사각형의 다각형일 수도 있으며, 타원형일 수도 있다. 상기 실시예에서는 혼의 플레어 비율을 지수함수로 하였으나, 이와는 달리 하이퍼볼릭, 코니컬, 파라볼릭 함수일 수도 있다.
이렇게 음속이 느린 기체를 사용하는 시도는 혼 스피커 시스템뿐만 아니라 도2에 도시한 바와 같은 트랜스미션 라인(또는 quarter wave loading, 음향미로) 스피커 시스템(50)에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 트랜스미션 라인 스피커 시스템(50)은 스피커 유니트(52)와, 단면의 면적이 일정한 원통형의 관으로 이루어진 음향공진기(공명관)(54)를 구비한다. 스피커 유니트(52)는 진동판과 변환기로 이루어진 것이다. 음향공진관(54)에는 스피커 유니트(52)에 인접하여 제1 멤브레인(55)이 부착된다. (다른 실시예에서는 제1 멤브레인이 생략되고 진동판이 차단부재로 작용할 수도 있다.) 반대쪽 개구부에도 제2 멤브레인(56)이 부착된다. 제1 및 제2 멤브레인은 고무, 또는 실리콘 고무의 막으로 이루어진다. 제1 멤브레인(55)과 제2 멤브레인(56) 및 음향공진관(54)의 벽(58)에 의해 외부 공기와는 격리되는 밀폐된 공간(60)이 형성된다.
밀폐 공간(60)에는 공기 보다 무거운 기체가 수용된다. 수용되는 기체를 그 분자량이 큰 것일수록 좋으나, 멤브레인과는 화학적으로 작용하지 않으며, 인체에 무해한 것이 바람직하다. 예를 들면, 크세논(Xe) 가스를 사용할 수도 있다.
이 스피커 시스템은 음향공진관(54)의 길이가 특정한 주파수의 파장의 4분의 1 이 될 경우, 공진을 일으키는 원리를 사용한 것이다. 파장은 음속을 주파수로 나눈 것이므로,
(여기에서, λ : 파장, C : 음속, F : 주파수)
만일, 60 Hz 까지 재생하는 트랜스미션라인을 만드는 경우, 파장은
λ = 340 / 60 = 5.67 m
이므로, 음향공진관(54)의 길이 L은 파장의 4분의 1인 1.42 m 가 되어야 한다. 만일 밀폐된 공간을 Xe으로 채운다면, 음속은 160 m/s 가 되고 음향공진관(54)의 길이는 2.67 m 가 된다. 즉, 공기의 경우에 해당하는 길이의 0.67 배가 되어 역시 상당히 짧아진다.
도3은 다른 실시예를 도시한다. 도3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 트랜스미션 라인 스피커 시스템(100)에도 스피커 유니트(102)와, 단면의 면적이 일정한 원통형의 관으로 이루어진 음향공진기(104)를 구비한다. 스피커 유니트(102)는 진동판(106)과 변환기(108)로 이루어진 것이다. 음향공진관(104)의 일측은 상기 진동판(106)에 의해 차단된다. 다른 일측에는 변환기가 부착되지 않은 패시브 라디에이터(passive radiator)로 기능하는 진동판(110)이 부착된다. 상기 진동판(108)에는 변환기가 부착되지 않는다. 진동판(106,110)의 외주 테두리와 음향공진관(104) 사이에는 유연한 재료의 지지부(112)가 개재되어 진동판(110)을 음향공진관(104)에 부착해준다.
진동판(106,110)과 음향공진관(104)의 벽(105)에 의해 외부 공기와는 격리되는 밀폐된 공간(114)이 형성된다. 밀폐 공간(114)에는 공기 보다 무거운 기체가 수용된다. 수용되는 기체를 그 분자량이 큰 것일수록 좋으나, 진동판(106,110) 및 지지부(112)의 재료와는 화학적으로 작용하지 않으며, 인체에 무해한 것이 바람직하다. 예를 들면, 크세논(Xe) 가스를 사용할 수 있다.
도4는 악기(파이프 오르간)의 음향공진관에 본 발명의 개념을 적용한 것이다. 음향공진관(150)의 양측에 밀폐된 공간(152)을 형성하기 위하여, 제1 멤브레인(154)과 제2 멤브레인(156)을 부착한다. 상기 밀폐 공간(152)에는 공기 보다 무거운 기체가 수용된다.
본 발명에 따른 스피커 시스템은 저음을 재생하면서도 혼 또는 음향공진관의 크기를 작게 할 수 있다. 특히, 저음을 재생하는 스피커 시스템에서도 크기를 줄인 혼 또는 음향미로를 사용할 수 있다. 악기의 경우에도 공진관의 크기를 작게 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 스피커 유니트와, 상기 스피커 유니트가 그 일단부에 부착되는 음향 임피던스 매칭기를 구비한 스피커 시스템에 있어서,
    상기 음향 임피던스 매칭기의 길이 방향 일단부 부근을 차단하기 위한 제1 차단부재와, 상기 음향 임피던스 매칭기의 다른 단부 부근을 차단하기 위한 제2 차단부재를 구비함으로써, 상기 제1 차단부재와 상기 제2 차단부재에 의해 밀폐된 공간이 형성되며,
    상기 밀폐공간에는 공기보다 무거운 기체가 수용되는 것을 특징으로 하는 스피커 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 임피던스 매칭기는 스피커 유니트가 부착되는 목부와 개방된 개구부를 갖는 혼으로 이루어지며, 상기 목부에 설치되는 제1 차단부재는 스피커 유니트의 진동판으로 이루어지며, 상기 개구부에 설치되는 제2 차단부재는 패시브(passive) 진동판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼 스피커 시스템.
  3. 스피커 시스템 또는 악기에 사용되는 음향 공진관에 있어서,
    길이 방향 일단부 부근에 설치되어 그 단부를 차단하기 위한 제1 차단부재와, 길이 방향 다른 단부 부근에 설치되어 상기 다른 단부를 차단하기 위한 제2 차단부재를 구비함으로써, 상기 제1 차단부재와 상기 제2 차단부재에 의해 밀폐된 공간이 형성되고,
    상기 밀폐공간에는 공기보다 무거운 기체가 수용되는 것을 특징으로 하는 음향 공진관.
  4. 제3 항에 있어서, 일단부에 스피커 유니트가 설치되며, 상기 제1 차단부재는 상기 스피커 유니트의 진동판으로 이루어지며, 상기 제2 차단부재는 패시브(passive) 진동판으로 이루어진 음향 공진관.
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