Chapter 0 : How Loudspekaer work

Vance Dickason님의 Loudspeaker design cookbook 7번째 개정 본에서 발췌하였습니다.. 영리 목적은 아니고 개인 스터디 목적입니다만 문제가 되면 삭제하겠습니다.
참고로 올해 8번째 개정이 새로 나왔습니다. 아래에서 구매가 가능합니다. (Loudspeaker Design Cookbook 8th Edition: Volume 1)
https://www.amazon.com/Loudspeaker-Design-Cookbook-8th-1/dp/B0C2RZB73M/ref=pd_lpo_sccl_2/134-3463047-0244921?pd_rd_w=zfpsE&content-id=amzn1.sym.4c8c52db-06f8-4e42-8e56-912796f2ea6c&pf_rd_p=4c8c52db-06f8-4e42-8e56-912796f2ea6c&pf_rd_r=GPY1KXK7T4AGEX1T4F2S&pd_rd_wg=J8pLC&pd_rd_r=a4a6bf74-797f-437e-8ce0-b3d1bbec9433&pd_rd_i=B0C2RZB73M&psc=1
 
 
Chapter 0 : How Loudspekaer work
 
0.10 Electrodynamic Speaker 전기역학 스피커
There are three separate,
1) The motor system : magnet, pole piece, frontplate/gap, and voice coil
2) The diaphragm : cone and cust cap or a one-piece dome
3) The suspension system : spider and surround
 
0.20 The Motor system
자기장이 통과 가능한(permeable) pole piece(such as iron), frontplate, backplate와 the magent, voice oil, gap으로 구성된다.
마그넷은 세라믹이나 ferrite 이고 링 모양으로 형성됨. 폴 피스와 전면 플레이트 사이의 공기 공간에 강한 자기장이 존재함.
보이스 코일이 갭을 통해 양방향으로 균등하게 움직여야 합니다. 이를 위해서는 자기장이 가능한 한 대칭적이어야 하며, 한 방향의 움직임이 다른 방향의 움직임과 동일한 힘으로 적용되도록 하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 신호의 왜곡이 발생하게 됩니다.

Vance Dickance, LockSpekaer Cookbook 중 일부

 
보이스 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 발생하는 기계적 힘은 "BI"라는 용어로 표현됩니다. B x I는 특정 수의 권선(피트)인 I가 제곱 센티미터당 주어진 자속 밀도 B에 노출될 때 생성되는 힘입니다. BI는 모터의 강도를 측정하는 값으로 테슬라 미터/뉴턴으로 표현됩니다. BI를 측정하는 방법은 8장, '스피커 테스트'에 설명되어 있습니다.
 
림 0.2a의 직선 폴 피스는 비대칭 갭 구조로 인해 발생하는 불균일한 프린지 필드를 보여줍니다.
그림 0.2b는 언더컷 폴 피스의 결과로 생성되는 대칭 프린지 필드를 보여줍니다. 그림 0.2c는 프린지 필드에 미치는 각진 폴 피스의 영향을 묘사하며, 언더컷 유형처럼 보다 대칭적인 프린지 필드를 생성합니다.

 
 

0.21 GAP GEOMETRIES AND Bl

 

스피커에서는 두 가지 기본적인 갭/코일 형상이 사용됩니다. 하나는 언더헝 보이스 코일이고, 다른 하나는 오버헝 보이스 코일입니다. 두 형상의 예시는 그림 0.3에 나와 있으며, 이 중 오버헝 코일이 가장 일반적입니다. 도표에서 XMAX로 표시된 거리는 코일이 한 방향으로 이동할 수 있는 거리로, 갭 내에서 일정한 권선 수를 유지할 수 있는 최대 거리를 나타냅니다. XMAX는 보이스 코일 길이에서 공기 갭 높이를 뺀 값을 2로 나누어 계산할 수 있습니다.
그림 0.4는 두 갭 형상 간의 BI 변화와 증가하는 편차를 비교한 그래프를 보여줍니다(이 도표는 보이스 코일이 갭을 통과하여 한 방향으로 이동하는 것을 나타냅니다). 스피커에 전압이 증가하면 코일이 갭 밖으로 점점 더 멀리 이동하게 되고, 갭 내의 권선 수가 감소하여 전체 BI 모터 강도가 감소합니다. 스피커가 선형 방식으로 작동한다고 말할 수 있는 조건은 갭 내의 권선 수가 일정할 때이며, 갭 내의 권선 수가 감소하고 변화할 때는 비선형 방식으로 작동한다고 할 수 있습니다.

 
 
언더헝 코일은 짧은 거리에서 극도로 선형적인 특성을 제공하지만, 일반적으로 오버헝 코일보다 낮은 BI를 가집니다. 이는 갭 높이가 증가하고 더 큰 자기장이 필요하기 때문이며, 짧은 코일로 인해 보이스 코일의 질량이 낮기 때문입니다. 오버헝 방식은 비교적 좋은 선형성과 더 나은 효율성(비록 코일의 질량이 더 크더라도)을 가지는 장점이 있어 제조업체들 사이에서 인기가 있습니다.
Xmax 같다고 무조건 같은 효과가 아님. 갭 높이와 보이스 코일 길이의 다양한 조합은 동일한 XMAX 값을 제공할 수 있지만, 비선형(즉, XMAX를 넘는) 동작 측면에서는 매우 다르게 동작합니다. 예를 들어, 12mm 보이스 코일 길이와 8mm 갭은 2mm의 동일한 XMAX 값을 가지며, 8mm 보이스 코일 길이와 4mm 갭 높이도 마찬가지입니다. 이러한 형상의 XMAX는 동일하지만, 갭 높이와 XMAX의 비율은 매우 다릅니다. 12mm 보이스 코일의 경우 4:1의 비율을 가지며, 8mm 보이스 코일의 경우 2:1의 비율을 가집니다. 이 비율은 코일이 갭을 벗어날 때 BI가 감소하는 속도를 결정합니다.
 
그림 0.5의 곡선은 위의 예와 같이 동일한 XMAX를 가지지만 갭 높이와 XMAX의 비율이 다른 형상의 비선형 동작 변화를 보여줍니다(LinearX Systems의 사장이자 Loudspeaker Enclosure Analysis Program, a/k/a LEAP의 저자인 Chris Strahm과의 대화에서 유래). 도표를 보면, BI는 XMAX를 초과하는 지점부터 서서히 감소하기 시작하여 약 두 배의 XMAX(더블 XMAX) 지점에서 급격히 감소합니다. 공기 갭 높이와 XMAX의 비율이 클수록, BI 감소 속도는 비율이 낮을 때보다 느려집니다. 가장 극단적인 편차 한계에서는, 코일이 갭을 크게 벗어난 지점에서 편차가 증가하더라도 BI는 크게 변하지 않으며, 곡선은 더 얕아지고 0에 가까워지면서 평탄해집니다.

 
BI는 XMAX 거리의 약 두 배까지 천천히 감소하는 경향이 있지만, 측정 가능한 왜곡은 훨씬 더 일찍 시작됩니다. 왜곡 측면에서 움직이는 코일의 최대 변위 한계는 일반적으로 XMAX 이동 거리 플러스 약 15%로 볼 수 있습니다. 최대 편차는 보이스 코일에 전압을 증가시키면서 서드 하모닉 왜곡(third-harmonic distortion)을 측정하기 위한 왜곡 분석기를 사용하여 결정할 수 있습니다. 편차가 증가하고 XMAX 한계를 초과하면 서드 하모닉 왜곡 제품이 증가합니다. XMAX +15% 지점은 서드 하모닉 왜곡이 약 3% 수준으로 증가하는 시점과 일치할 경향이 있습니다.
 
 
0.22 SHORTED TURNS AND FARADAY LOOPS.
 
보이스 코일의 전류 유도 움직임은 구동 전류와 반대 방향으로 추가적인 전류 흐름을 발생시키는데, 이를 역기전력(back EMF)이라고 합니다. 이 EMF 전류는 보이스 코일이 발전기의 아마추어처럼 작동할 때 유도됩니다. 이 효과는 보이스 코일의 프로그램 구동 전류에 의해 생성된 교류장과 함께 자기 갭 필드의 변조를 초래합니다. 이 현상은 1949년에 W. J. 커닝햄에 의해 확인되었으며, 이는 중요한 2차 고조파 왜곡을 초래합니다. 이 효과에 대한 추가 연구에서는 코일이 필드를 통과하는 방향에 따라 필드의 변조가 다르다는 것을 보여주었습니다. 이는 비대칭적인 효과입니다.가장 명백한 해결책은 보이스 코일 옆의 철에 충분히 높은 수준의 투과율을 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 금속이 항상 포화 상태가 되어 자기 회로의 변조가 거의 없어집니다. 그러나 높은 투과율 금속은 비교적 비용이 많이 들기 때문에 이 기술은 자주 사용되지 않습니다.가장 일반적으로 사용되는 자기장 변조/와전류 문제를 해결하는 기술은 쇼티드 턴 또는 파라데이 루프(Faraday loop)로 알려져 있습니다. 그림 WORK 0.6에 나와 있듯이, 쇼티드 턴의 적용에는 여러 변형이 있지만 모두 보이스 코일에 의해 유도된 필드에 대해 동일하고 반대되는 필드를 생성하여 동일한 작업을 수행합니다. 그림 0.6a는 폴 팁에 구리와 같은 전도성 코팅을 적용한 형태입니다. 그림 0.6b는 폴 피스 위에 구리 캡을 씌운 형태를 보여줍니다. 그림 0.6c는 폴 피스를 둘러싼 구리 실린더를 가지고 있습니다. 그림 0.6d는 때때로 알루미늄으로 만들어진 쇼티드 링(플럭스 안정화 링)을 폴 피스의 밑부분 주위에 배치한 형태를 보여줍니다.
 
 

 
 
그림 0.7은 T-폴과 구리 쇼트링을 사용한 경우 상위 주파수 응답 변화를 보여줍니다. 이는 동일한 드라이버인 Bravox 5.5" 폴리 콘 우퍼에 대해 T-폴/쇼트링 조합이 있는 경우와 없는 경우를 비교한 것입니다. T-폴/쇼트링 버전의 응답은 500Hz 이상에서 상승하기 시작하며, 유도된 와전류 손실 감소로 인해 폴 개선이 없는 버전보다 최대 3-4dB 더 높은 SPL을 가집니다.
그림 0.8은 동일한 비교를 30도 오프 축에서 보여줍니다. 이는 500Hz 이상의 대역폭 전반뿐만 아니라, 드라이버의 전체 방사각에 걸쳐 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 이는 보이스 코일의 인덕턴스를 낮춘 효과에서 예상할 수 있는 결과입니다.
 
 

0.23 VOICE COILS-FORMER MATERIALS AND WINDING CONFIGURATIONS.

 

보이스 코일은 다양한 재료에 감길 수 있으며, 이는 주어진 드라이버의 T/S 파라미터 세트뿐만 아니라 상위 주파수 응답에도 영향을 미칩니다. 스피커에서 사용되는 폼머 재료는 두 가지 기본 유형이 있으며, 하나는 전도성 재료이고 다른 하나는 비전도성 재료입니다. 전도성 폼머는 가장 일반적이며 얇은 알루미늄 또는 듀랄루민 시트로 만들어집니다(듀랄루민은 긴 편차 동안 목 변형과 같은 보이스 코일 문제를 방지하기 위해 더 높은 강도를 가집니다). 알루미늄은 전기 전도성 재료이기 때문에 모터 시스템의 부품(플레이트 및 폴)과 동일한 방식으로 와전류를 발생시킵니다. 이러한 기생 "전류"는 열과 왜곡 형태로 손실을 초래합니다.알루미늄 폼머는 연속적인 실린더가 아니며, 쇼트링 요소로 작용하지 않도록 폼머 길이를 따라 작은 슬릿이 있습니다. 참고로, 슬릿을 제거하고 연속적인 알루미늄 루프를 사용하더라도 쇼트링과 동일한 효과를 내지는 않지만, Qts를 약 10% 낮출 수 있습니다. 전도성 폼머의 성능은 섬유유리나 듀폰에서 도입한 고온 플라스틱 재료인 Kapton™과 같은 비전도성 폼머 재료와 비교했을 때 두 가지 중요한 측면에서 다릅니다.
주요 차이점은 전도성 폼머를 사용하는 경우 Qms(기계적 Q) 수치가 일반적으로 2-4 범위로, 비전도성 재료를 사용할 때보다 낮다는 것입니다. 비전도성 폼머의 경우, Qms 수치가 4에서 12 사이로 더 높은 것이 일반적입니다(와전류 손실 때문에 전도성 폼머의 Qms가 더 낮아짐). 비전도성 폼머는 유도된 와전류 문제를 나타내지 않으므로, 왜곡이 다소 낮습니다.
전도성 폼머 재료와 비전도성 폼머 재료 사이의 또 다른 성능 차이는 상위 주파수 응답에서 발생합니다. 그림 0.9는 거의 동일한 Bravox 5.5" 우퍼 두 개의 비교를 보여주며, 동일한 콘, 서스펜션 및 모터 구조를 가지고 있지만, 한 드라이버는 듀랄루민 보이스 코일 폼머를, 다른 드라이버는 Kapton 폼머를 사용합니다. 보시다시피, Kapton 폼머를 사용한 우퍼는 1.5kHz 이상의 주파수에서 1-2dB 더 큰 출력을 가지고 있습니다. 그림 0.10은 동일한 비교를 30° 오프 축에서 보여주며, 효과가 다소 더 두드러지는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 주로 두 재료의 와전류 손실 차이 때문입니다. 또한, 이 효과의 일부는 질량 차이(예: Kapton은 듀랄루민보다 가벼운 재료임) 때문임을 주목해야 합니다.
 

 
 
보이스 코일로 인한 또 다른 주목할 만한 응답 변이는 코일이 감기는 방식에 의해 발생합니다. 당연히, 더 큰 보이스 코일은 더 긴 권선 길이를 가지며, 더 많은 권선 수를 가지므로, 크로스오버의 직렬 인덕터와 같은 방식으로 드라이버의 상위 주파수 응답을 감쇠시키는 더 큰 인덕턴스를 가집니다. 권선 수와 폼머 및 폴 피스의 직경 조합에 따라 다양한 보이스 코일 인덕턴스가 존재하지만, 드라이버 인덕턴스의 가장 큰 일반적인 차이는 폼머에 감긴 권선 층 수에 따라 달라집니다. 우퍼에서 가장 일반적인 층 형식은 이층(two-layer)과 사층(four-layer)입니다. 사층 폼머는 서브우퍼에서 목표 응답을 위한 필요한 BI를 달성하기 위해 자주 사용됩니다.
그러나 이것은 상위 주파수 응답 제어 측면에서도 볼 수 있습니다. 그림 0.11은 거의 동일한 두 드라이버, 즉 동일한 모터, 콘, 서스펜션을 가진 두 Bravox 5.5" 우퍼를 보여줍니다. 그러나 한 우퍼는 이층 보이스 코일을, 다른 우퍼는 사층 보이스 코일을 사용합니다(30° 오프 축에서의 동일한 비교는 그림 0.12에서 볼 수 있습니다). 보시다시피, 사층 코일을 가진 우퍼는 이층 버전(-3dB에서 4.5kHz)보다 훨씬 낮은 주파수에서 저역 롤오프를 가집니다(-3dB에서 2.5kHz). 일부 제조업체들은 이 효과를 활용하여 사층 보이스 코일의 인덕턴스를 제어함으로써 특정 트위터와 함께 작동할 수 있는 자연스러운 저역 롤오프를 생성하여 2웨이 스피커를 개발했습니다. 이를 통해 우퍼는 별도의 저역 크로스오버 필터 섹션이 필요하지 않으며, 단순히 트위터의 고역 필터로 구성된 크로스오버로 "와이드 오픈" 상태에서 작동할 수 있습니다.
몇 년 전, 저는 MB Quart를 위해 Bravox 5.5" 우퍼와 13mm MB 티타늄 트위터를 사용하여 2웨이 프로토타입 시리즈를 제작했습니다. 한 프로토타입은 3kHz 기계적 롤오프를 가진 사층 코일 우퍼를 사용하였고, 다른 하나는 더 높은 롤오프를 가진 표준 이층 코일을 사용했습니다. 두 크로스오버 모두 컴퓨터 최적화를 거쳤지만, 사층 우퍼 프로토타입은 우퍼에 저역 필터가 없고 트위터에 3차 고역 필터가 적용되었으며, 이층 우퍼 프로토타입은 우퍼에 2차 저역 필터가, 트위터에 3차 고역 필터가 적용되었습니다.
이 두 프로토타입을 주관적으로 비교한 결과, 레벨이 조정된 후 두 모델 모두 매우 좋은 소리를 내었고 전체적인 음질에서 매우 유사했습니다. 사층 모델은 제조 비용이 저렴하고 크로스오버에 필요한 부품 수가 적다는 장점이 있었습니다. 또 다른 차이점은 사층 모델이 코일의 추가 무게로 인해 전체 효율성이 2-3dB 낮아졌다는 점입니다. 여기에서 트레이드오프가 발생합니다.

 

0.30 THE DIAPHRAGM.

 

스피커 콘의 물리학을 설명하는 것은 일반적으로 공기를 밀어내는 무한히 강성인 피스톤의 복사에 대한 이론적 논의로 시작됩니다. 피스톤에서 공기로의 운동 전달은 주파수 측면에서 스펙트럼의 낮은 끝에서 공명의 주파수에 의해 제한되며(그 아래에서는 기계적 제약으로 인해 에너지 전달 능력이 제한됨), 상위 주파수 한계는 공기의 방사 임피던스의 성질에 의해 결정됩니다. 공기는 운동에 대한 저항, 즉 방사 임피던스를 가지고 있으며, 이는 주파수가 증가할수록 감소하여 주파수가 추가로 증가하더라도 동일한 저항에 직면하게 됩니다.

이 상위 주파수 지점 아래에서 에너지 전달이 일정한 감소를 보이는 이유는 공기의 방사 임피던스의 성질과 복사 표면의 반지름의 함수입니다. 작은 복사 표면은 큰 복사 표면보다 더 높은 주파수를 재현할 수 있으며, 이는 서로 다른 주파수 범위를 다루는 전문화된 스피커의 등장 원인이 됩니다.

실제 세계의 콘은 무한히 강성이지 않으며, 제작된 재료의 특성에 따라 어느 정도 유연성을 가집니다. 콘의 유연성은 드라이버의 고주파 효율, SPL 응답, 및 지향성에 중요한 영향을 미칩니다. 다양한 재료는 서로 다른 정도의 강성을 가지고 있으며 내부적으로 진동을 서로 다른 속도로 전달하지만, 모두 동일한 유형의 유연성, 즉 "모드"라고 불리는 현상을 일으키는 경향이 있습니다.

 

 

0.31 CONE RESONANCE MODES.

 

스피커 콘 진동을 분석할 때 두 가지 모드 분류, 즉 방사형 모드와 동심원 모드가 사용되며, 이는 그림 0.13에 나와 있습니다(변경된 Beranek 이후). 방사형 모드는 콘의 중심에서 가장자리까지 확장되며, 주로 저주파에서 발생하고 본질적으로는 이차적인 것으로 간주됩니다. 동심원 모드는 콘의 중심에서 바깥쪽으로 퍼지는 일련의 파동이나 물결을 형성합니다. 홀로그래픽 기법을 사용하여 볼 수 있는 이러한 동심원 모드는 물에 돌을 던졌을 때 생기는 물결과 유사하게 보입니다.

파동의 수는 주파수에 따라 다르며, 주파수가 변함에 따라 일부 물결은 중심으로 반사되어 간섭 패턴을 형성합니다. 이러한 파동과 물결은 복잡한 방식으로 공기를 밀어내며, 일부는 보이스 코일 신호와 동위상이고, 일부는 반위상입니다. 그림 0.6의 "+"와 "-" 영역은 위상이 반대인 콘의 부분을 나타냅니다. 이러한 추가와 취소의 복잡한 관계는 "콘 브레이크업"이라고 하며, 이는 전형적인 스피커 SPL 곡선에서 많은 피크와 골을 만듭니다.

주파수가 증가함에 따라 콘의 유효 복사 면적이 감소하여 매우 높은 주파수는 콘의 중심 부분에서만 복사되는 경향이 있습니다. 어떤 주파수에서는 콘의 유효 복사 질량이 작아져 출력이 급격히 감소하기 시작하며, 이를 고주파 롤오프라고 합니다. 높은 컷오프 주파수를 달성하기 위해 보이스 코일 질량과 콘 질량의 비율이 가능한 작아야 합니다. 상위 주파수 롤오프는 보이스 코일 인덕턴스에 의해서도 제어됩니다.

 

0.32 CONE DIRECTIVTIY.

 

주파수가 증가함에 따라 모든 스피커는 더 지향성이 강해지며, 고주파는 자동차 헤드라이트의 빛처럼 "빔" 형태로 방사되기 시작합니다. 소리의 파장이 콘의 둘레(약 3배의 직경)에 비해 클 때(파장은 소리의 속도를 주파수로 나눈 값과 동일함, 예: 1kHz는 1.13피트의 파장을 가짐), 방사는 구형으로 발생합니다. 주파수가 증가하여 파장이 드라이버의 둘레와 같거나 더 작아지면, 방사 패턴은 점점 더 좁아집니다. 그림 0.14는 다양한 직경의 스피커 다이어프램에 대한 -6dB 오프 축 포인트를 보여줍니다(변경된 Daniels, JBL Pro Soundwaves, 1988년 가을).그림 0.14의 차트는 다양한 직경의 스피커 다이어프램에 대한 -6dB 오프 축 포인트를 제공하며, 이를 통해 스피커의 지향성 특성을 이해할 수 있습니다. 이 차트는 주파수에 따른 스피커의 방사 패턴 변화를 시각적으로 보여줍니다.

 
 

0.33 CONE SHAPE.

 

다양한 형태의 콘은 서로 다른 응답 특성을 가집니다. 콘 디자인에서 사용되는 두 가지 기본 형태는 원뿔형 또는 평평한 형태와 볼록한 형태입니다. 원뿔형 콘은 응답 범위의 극단적인 고주파수에서 높은 피크를 가지는 경향이 있으며, 피크의 위치는 부분적으로 콘의 각도에 의해 결정됩니다. 볼록한 형태에 비해 대역폭이 다소 넓습니다. 볼록한 콘은 보다 부드러운 주파수 응답을 가지며, 고주파 응답에서 중간 정도의 피크(고주파 효율성은 다소 낮음)를 가지지만, 평평한 콘에 비해 대역폭이 다소 줄어듭니다. 볼록한 콘의 주파수 응답은 콘의 곡률을 변경함으로써 조정하고 제어할 수 있습니다.

이처럼 콘의 형태와 각도는 스피커의 주파수 응답에 중요한 영향을 미칩니다. 원뿔형 콘은 넓은 대역폭과 높은 고주파 피크를 제공하지만, 볼록한 콘은 보다 부드러운 응답과 적당한 고주파 피크를 제공합니다. 이 특성들은 다양한 용도의 스피커 설계에 따라 선택될 수 있습니다.

 
 

0.34 DUST CAPS.

 

스피커의 갭 너비는 큰 지름의 스피커의 경우 몇 인치의 10분의 몇 정도에서 작은 콘 트위터의 경우 두꺼운 종이 두께 정도로 다양합니다. 갭 너비는 가능한 한 좁게 하여 플럭스 밀도를 최대화하지만, 보이스 코일의 정렬 변동과 가열로 인한 팽창을 허용합니다. 보이스 코일이 콘에 부착될 때, 폴 피스와 보이스 코일 사이의 영역은 일반적으로 어셈블리를 정확하게 정렬하기 위해 쉬밍됩니다. 이 절차는 코일과 폴 피스 사이의 갭을 이물질에 노출시키므로 작은 입자가 두 영역 사이에 끼어 문제를 일으킬 가능성이 있습니다. 전통적인 해결책은 이 영역에 먼지 캡이라는 밀봉 장치를 부착하는 것입니다.

콘과 보이스 코일의 접합부에 먼지 캡을 씌우면 한 가지 문제가 해결되지만, 몇 가지 다른 문제에 주목하게 됩니다. 스피커 콘에는 두 가지 기본 유형의 먼지 캡이 사용됩니다. 고체형과 다공형입니다. 고체형 먼지 캡은 공기가 그 표면을 통과하지 못하게 하여, 폴 피스 위아래로 콘이 움직일 때 공기 압력 변화를 생성하는 작은 음향 챔버를 만듭니다. 이 압축과 희박화는 스피커 작동에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.

보이스 코일과 폴 피스 사이의 영역은 먼지 캡의 움직임으로 인한 압력을 효과적으로 완화하기에는 너무 좁기 때문에, 제조업체는 이 문제에 대한 두 가지 실용적인 해결책을 사용합니다. 하나는 폴 피스를 통기시키는 것으로, 이를 위해 폴 피스에 작은 구멍을 뚫어 공기가 백플레이트의 개구부로 빠져나갈 수 있도록 합니다. 다른 하나는 보이스 코일 폼머에 구멍을 뚫어 콘에 부착된 곳에 통기 구멍을 만드는 것입니다. 이를 통해 작은 챔버 영역에서 공기가 빠져나가 폴 피스와 먼지 캡 사이의 압력을 완화할 수 있습니다.

다공형 먼지 캡은 폴 피스 위에서 생성된 공기 압력을 쉽게 완화하지만, 다른 문제를 일으킵니다. 첫째, 이는 인클로저 내부에서 공기 누출 경로를 제공합니다. 이는 갭을 통한 공기 누출량이 작기 때문에, 특히 손실이 많은 서라운드와 비교할 때 크게 중요하지 않습니다. 다른 문제는 콘이 폴 피스 안쪽으로 움직일 때 발생하며, 공기가 먼지 캡을 통해 콘의 방사 표면으로 밀려 나옵니다. 이 갑작스러운 공기 분출은 콘 방사와 위상이 맞지 않아 주파수 응답 문제를 일으킬 수 있습니다. 원래 설계가 냉각 목적으로 다공형 먼지 캡을 지정했을 수 있으므로, 불쾌한 응답 이상을 일으키는 다공형 먼지 캡을 봉인하는 것은 좋지 않은 생각일 수 있습니다. 갭 영역을 통한 공기 흐름은 보이스 코일에서 생성된 열을 상당히 냉각시킬 수 있습니다. 먼지 캡을 봉인하면 컴플라이언스 및 Q 변화가 발생할 수 있으며, 이는 바람직할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다.

먼지 캡은 드라이버의 상위 주파수 응답을 수정하는 역할도 합니다. 콘이 고주파에서 중심 근처에서 방사되는 경향이 있기 때문에, 먼지 캡은 그 재료 구성 및 형태에 따라 드라이버의 상위 주파수 응답을 형성하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 고체형 캡은 다공형 캡보다 주파수 응답에 더 큰 변화를 일으키는 경향이 있습니다. 가끔 고체형 캡에 작은 원형 통풍구와 스크린이 있어 공기 압력을 완화시키는 것을 볼 수 있으며, 이러한 설계는 두 가지 방식의 장점(또는 단점)을 모두 가질 수 있습니다. 드라이버의 성능을 최적화하는 데 있어 중요한 고려 사항이 됩니다.
그림 0.15는 동일한 Bravox 5.25" 우퍼(동일한 모터, 서스펜션, 콘, 보이스 코일 등)에 대해 다섯 가지 다른 유형의 먼지 캡을 사용한 주파수 응답 비교를 보여줍니다: 다공성 천, 도포된 천, 소프트 PVC(폴리염화비닐), 하드 폴리프로필렌, 그리고 거꾸로 된 하드 폴리형 먼지 캡(이 연구의 다른 모든 먼지 캡은 표준 볼록형임). 이 그래프는 많은 정보를 포함하고 있어 읽기 어려울 수 있으므로, 그림 0.16-0.19는 보다 의미 있는 비교를 제공합니다. 각 그래프는 표준 다공성 천 먼지 캡과 네 가지 다른 유형의 먼지 캡을 비교하고 있습니다.
먼지 캡의 다양한 재질과 형태가 주파수 응답에 미치는 영향을 보다 명확하게 이해하기 위해, 표준 다공성 천 먼지 캡과 비교한 네 가지 다른 먼지 캡의 주파수 응답을 별도의 그래프로 나타냈습니다. 이 비교를 통해 각 유형의 먼지 캡이 드라이버의 상위 주파수 응답에 어떤 변화를 가져오는지 더 잘 알 수 있습니다.
그림 0.16은 다공성 천 먼지 캡과 도포된 천 먼지 캡(부드러운 댐핑 재료가 표면에 도포된 동일한 천 캡)을 비교합니다. 직관적이지는 않지만, 도포된 천은 상위 주파수에서 출력을 실제로 증가시키며, 4kHz 이상에서는 다소 더 감쇠되면서 전반적으로 더 부드러운 응답을 제공합니다. 도포되지 않은 먼지 캡의 전체 응답도 상당히 부드럽고 균일하며, 보이스 코일을 통과하는 공기의 통로를 제공하여 보이스 코일 냉각을 증가시키는 장점이 있습니다.
그림 0.17은 천 먼지 캡과 소프트 PVC 먼지 캡을 비교합니다. 소프트 PVC 먼지 캡은 많은 제조업체들 사이에서 인기가 있습니다. 보시다시피, PVC 먼지 캡의 응답은 부드럽고 균일하며, 4kHz 이상에서는 약간 덜 확장되는 모습을 보입니다. 이는 아마도 재료의 질량과 밀도 때문일 것입니다. 제조업체들은 이 유형의 먼지 캡을 응답 특성이 양호하고, 외관상으로 더 일관된 "룩"을 제공하기 때문에 선택합니다. 이는 산업 디자인 미학이 중요한 요즘 시대에 더욱 강조됩니다.
그림 0.18은 천 캡과 하드 폴리 먼지 캡을 비교합니다. 하드 플라스틱 재료는 5kHz를 중심으로 6dB 이상의 출력을 내는 두드러진 공명을 가지고 있습니다. 만약 이 우퍼를 3kHz에서 트위터로 크로스오버하려고 한다면, 이러한 이상 현상은 매우 불편할 수 있습니다. 이 현상은 모든 하드 폴리 먼지 캡에서 동일하게 나타나지 않을 수 있으며, 먼지 캡의 직경, 형태, 밀도에 따라 달라집니다. 그러나 일반적으로 하드 플라스틱 먼지 캡을 사용한 우퍼 샘플을 일부러 주문하지 않는 이유이기도 합니다. 서브우퍼나 작은 직경의 드라이버로 크로스오버할 의도로 사용되는 우퍼의 경우, 먼지 캡으로 인한 응답 이상 현상이 적어도 한두 옥타브 아래에서 발생하기 때문에 큰 문제가 되지 않으며, 이러한 응용에서는 하드 플라스틱 먼지 캡이 괜찮습니다.
 
 

 
 
 
0.35 DOME SHAPES.

돔 트위터와 미드레인지 스피커는 콘 스피커에서 발생하는 특성적인 문제를 공유합니다. 기본적인 두 가지 형태는 볼록형(convex)과 오목형(concave)입니다. 오목형 돔 라디에이터는 일반적으로 고주파수 범위에서 훨씬 더 높은 효율성을 가지지만, 지향성 패턴이 좁습니다. 높은 효율성은 부분적으로 캐비티 공명에 의해 발생하는 넓은 피크(일부는 댐핑될 수 있음)와 볼록형 돔이 보통 단단한 재료로 만들어진다는 사실에 기인합니다. 볼록형 돔은 고주파수 범위에서 더 넓은 지향성 패턴을 가지며, 그 범위에서 오목형 돔의 효율성을 갖추지 못합니다.

이 두 형태의 장단점을 요약하면 다음과 같습니다:

• 오목형 돔 (Concave Dome):
  • 장점: 고주파수에서 높은 효율성.
  • 단점: 좁은 지향성 패턴.
  • 특성: 캐비티 공명으로 인한 넓은 피크(댐핑 가능).
• 볼록형 돔 (Convex Dome):
  • 장점: 넓은 지향성 패턴.
  • 단점: 고주파수에서 낮은 효율성.
  • 특성: 일반적으로 단단한 재료로 제작.

 

0.40 THE SUSPENSION SYSTEM.

 

스피커의 서스펜션 시스템은 서라운드와 스파이더 두 가지 요소로 구성됩니다. 서라운드는 일반적으로 고무, 폼 또는 처리된 린넨으로 만들어지며 여러 가지 역할을 수행합니다. 서라운드는 콘을 중앙에 유지하고, 코일을 갭 안에 유지하는 복원력을 제공합니다. 또한, 서라운드는 콘 가장자리에 댐핑된 종결을 제공합니다. 스파이더는 보통 물결 모양의 린넨으로 만들어지며, 마찬가지로 보이스 코일을 폴 피스 중심에 유지하고 코일을 갭 안에 유지하는 복원력을 제공합니다.

 

 

0.41 THE SURROUND.

 

서라운드와 스파이더가 제공하는 강성은 일반적으로 움직임의 용이성 또는 순응성(compliance) 측면에서 표현됩니다(순응성은 강성의 역수입니다). 스피커의 총 순응성 측면에서 스파이더는 약 80%를, 서라운드는 약 20%를 제공합니다. 서라운드의 주요 역할은 보이스 코일을 폴 피스 위에 중심으로 유지하는 것이지만, 콘 가장자리의 진동 모드를 댐핑하는 것도 매우 중요합니다. 서라운드에 사용되는 두께와 재료 유형의 선택은 스피커의 응답을 극적으로 변경할 수 있습니다. 서라운드가 콘 모드를 댐핑하고 콘을 따라 반사되는 것을 방지하는 능력은 모드 조합의 진폭과 위상을 모두 변경할 수 있으며, 이는 콘 설계의 필수 요소이자 응답 형성 도구로 작용합니다.

그림 0.20은 동일한 5.25" Bravox 우퍼에 서로 다른 서라운드 재료를 부착하여 응답을 비교한 것을 보여줍니다(동일한 콘, 스파이더, 보이스 코일, 모터 등). 사용된 세 가지 다른 재료는 고무(순수 부틸이 아닌 서라운드에 흔히 사용되는 고무 화합물인 NBR), 폼, 그리고 주입된 Santoprene입니다(Santoprene 서라운드를 콘 가장자리에 주입하여 성형하는 Bravox의 정교한 공정).

• 고무:
  • 특성: 가장 부드러운 응답과 최소한의 이상 현상을 제공하며, 상위 주파수 응답이 중요한 경우에 가장 좋은 에지 댐핑 재료 중 하나입니다.
  • 단점: 폼 타입 서라운드에 사용되는 열 성형 공정보다 느리고 비용이 더 많이 드는 발칸화 공정을 사용해야 합니다.
• 폼:
  • 특성: 상대적으로 제작이 쉽고 저렴합니다. 하지만 약 10kHz에서 콘의 상위 주파수 모드를 댐핑하는 데 문제가 있습니다. 이는 2-3kHz 사이에서 크로스오버되는 우퍼에는 큰 문제가 되지 않습니다.
  • 단점: 시간이 지남에 따라 빛과 대기 오염 물질에 의해 열화되기 쉽습니다. 에지 댐핑 성능은 고무보다 떨어지지만, 서라운드 재료로 자주 사용됩니다.
• Santoprene:
  • 특성: 고무처럼 보이며, 폼 서라운드처럼 열 성형하거나 주입 성형할 수 있습니다. 비용이 저렴합니다.
  • 단점: 상위 주파수에서 에지 댐핑 특성이 좋지 않습니다.

그림 0.21은 30° 오프 축에서 세 가지 서라운드 재료를 비교한 것입니다. 이 비교를 통해 많은 응답 문제들이 상대적으로 축 상에 있으며, 오프 축에서 볼 때 많은 응답 이상이 덜 두드러진다는 것을 알 수 있습니다.

 

0.42 THE SPIDER.

 

스파이더는 여러 가지 기능을 가지고 있습니다. 부차적인 역할로는 보이스 코일을 폴 피스 중심에 유지하고 갭 영역을 이물질로부터 보호하는 장벽을 제공하는 것입니다. 그러나 주요 목적은 스피커에 필요한 주 복원력(순응성)을 제공하는 것입니다. 스피커의 공명은 스파이더의 강성에 의해 결정됩니다. 스피커의 공명은 순응성과 질량의 함수이며, 다음과 같은 공식으로 나타낼 수 있습니다:

 

0.43 UNEAR AND PROGRESSIVE SUSPENSION SYSTEMS.

 

직관적으로 가장 좋은 서스펜션 유형은 이동 범위 전체에서 일정한 복원력을 제공하는 것이라고 생각할 수 있습니다. 이는 박스형 스피커에서는 공기 순응성이 콘에 복원력으로 작용하기 때문에 사실일 수 있지만, 벤티드 캐비닛의 드라이버에는 정반대의 현상이 발생합니다. 이 이상 현상은 Don Keele에 의해 "오일 캔 효과"로 불리며, 보이스 코일의 동적 오프셋을 초래합니다. 이 오프셋 문제는 비선형 현상으로, 드라이버가 XMAX 한계에 가까워질 때 발생합니다. 코일이 갭에서 더 많은 권선이 벗어나는 위치로 이동하면 BI가 감소하고, 역기전력(EMF)도 감소하여 코일이 더 많은 전류를 끌어오게 되고, 이는 코일을 갭에서 더 멀리 밀어내어 왜곡을 초래합니다.

진보된 서스펜션 시스템은 이러한 비선형 오프셋 문제를 상쇄할 수 있습니다. 이 유형의 스파이더와 서라운드 조합은 BI가 감소할 때 동시에 강성이 증가하도록 설계됩니다(그림 0.5). 만약 강성이 증가하는 분기점이 BI가 감소하는 분기점과 일치하면, 보이스 코일이 갭에서 가속되는 것을 방지할 수 있습니다. 이러한 서스펜션 시스템은 높은 SPL 응용을 위해 설계된 프로페셔널 사운드 우퍼에서 자주 발견됩니다. 불행히도, 많은 아마추어 오디오 설계자들은 이 사실을 인식하지 못하는 경우가 많아, 극도로 선형적인 서스펜션 시스템을 가진 우퍼가 벤티드 응용에서 사용되는 경우도 흔히 발견됩니다.

 

0.50 MODELING LOUDSPEAKER IMPEDANCE.

 

스피커의 실제 측정된 임피던스는 그림 0.22에 나와 있습니다. 그림 0.23은 스피커의 유사 전기 모델을 제공합니다
 

• Re: 스피커의 직류 저항
• Revc: 보이스 코일 반응 증가의 주파수 의존 저항 성분 (보이스 코일 인덕턴스의 실수 부분)
• Levc: 보이스 코일 반응 증가의 주파수 의존 유도 리액턴스 성분 (보이스 코일 인덕턴스의 허수 부분)
• Md: 질량에 따른 기계적 파라미터
• Cs: 순응성에 따른 기계적 파라미터
• Rms: 댐핑과 관련된 기계적 파라미터
• Zb: 드라이버의 후방 방사 임피던스
• Zf: 드라이버의 전방 방사 임피던스
  (이 모델은 Beranek이 설명한 모델과 유사하지만, 이 다이어그램에서는 보이스 코일 리액턴스가 주파수에 의존하는 대신 고정값으로 간주된다는 점이 다릅니다)

*참고, 다른 방법 설명

1. Re: 보이스 코일의 직류 저항 (DC resistance).
2. Le: 보이스 코일의 인덕턴스 (Inductance).
3. Bl: 자기 플럭스 밀도와 보이스 코일 길이의 곱 (Motoring force factor).
4. Mms: 콘, 보이스 코일 및 공기의 이동 질량 (Moving mass).
5. Cms: 스파이더와 서라운드의 순응성 (Compliance of the suspension).
6. Rms: 기계적 손실 (Mechanical resistance).

 

0.60 POWER, EFFICIENCY, AND ROOM SIZE.

(당연한 말이 많음 skip 해도됨)

 
주어진 앰프 출력에 의해 생성되는 소리의 크기는 스피커의 효율성과 스피커가 진동시키려는 공기 부피의 함수입니다. 특정한 방에서 목표 음량 수준을 달성하기 위해 필요한 스피커 성능을 결정하는 것은 스피커를 제작하기 전에 고려해야 할 중요한 질문입니다. 대부분의 스피커는 효율성이 낮아 일반적으로 0.5%에서 2% 정도입니다. 따라서 적절한 음향 출력을 계산하는 것은 간단하지 않을 수 있습니다.
예를 들어, 효율성이 0.5%인 전형적인 무한 배플 드라이버와 50W RMS 출력을 제공할 수 있는 앰프를 고려해봅시다. 이 시스템에서 얻을 수 있는 음향 출력은 0.25 음향 와트입니다 (0.005 x 50W = 0.25W).
그림 0.24의 그래프는 주어진 방의 부피에서 특정한 양의 음향 출력에 대해 생성되는 대략적인 프로그램 물질 SPL을 설정하는 데 사용할 수 있습니다. 0.25 음향 와트를 약 100 입방 미터의 공간을 가진 전형적인 20' x 22' x 8' 거실에 넣으면 약 97dB의 SPL을 달성할 수 있습니다. 100dB SPL을 생성하려면 앰프 출력을 두 배로 늘려 100W로 만들어야 합니다.
 

0.70 ADVANCED TRANSDUCER DESIGN TOPICS.

 

스피커 인클로저 설계에 관한 논의는 대부분 LDC(1장에서 4장 참조)와 스피커 산업 문헌에서 드라이버 파라미터의 특정 집합을 바탕으로 박스 성능을 예측하는 관점에서 이루어집니다. 그러나 이는 시스템 설계자의 관점에 불과합니다. 출판물에서 자주 고려되지 않는 다른 관점은 트랜스듀서 엔지니어의 관점입니다. 이들의 임무는 특정 인클로저 유형에서 성능을 발휘할 수 있는 우퍼를 만들기 위해 부품, 콘, 보이스 코일, 자석, 상하 플레이트, 먼지 캡, 서라운드 및 스파이더의 조합을 고안하는 것입니다.
대부분의 경우, 트랜스듀서 엔지니어는 드물며, 좋은 엔지니어를 찾기 어렵습니다. 이 기술을 가르치는 특정 대학 커리큘럼이 없기 때문에, 이 분야의 전문가는 대개 독학하거나 기존 실무자로부터 배웁니다. 이는 주로 대형 스피커 회사나 OEM 드라이버 제조업체의 기업 내에서 이루어집니다.
하지만 최근 시뮬 가능해졌고 아래서 소개함.
 
 
0.71~0.74는 시뮬레이션으로 인클로저에 따른 드라이버 시뮬 소개

0.71 WOOFERDESIGNFORSEALED ENCLOSURES.

0.72 WOOFER DESIGN FOR VENTED ENCLOSURES.

0.73 WOOFER DESIGN FOR BANDPASS ENCLOSURES.
0.74 WOOFER DESIGN FOR A COMPACT SEALED ENCLOSURE.
 
1)보이스 코일 최적화(코일 데이터를 Coil Optimizer에 입력합니다:)
2)모터 설계(프론트 플레이트, 백플레이트/폴피스, 연장 폴피스, 환기 구멍)
결론 :

• 자기 플럭스 강도 및 자기장 모양:
  • 기본 폴 피스와 연장 폴 피스 설정에서 자기 플럭스 강도와 자기장 모양의 차이 분석
  • 연장 폴 피스가 코일에 더 많은 에너지를 균일하게 적용하는지 확인
• 드라이버 성능 파라미터:
  • 각 설정이 드라이버의 성능 파라미터(예: BL 제품, Xmax, 효율성 등)에 미치는 영향 평가
  • 연장 폴 피스가 드라이버 성능을 향상시키는지 확인

 
 
0.75는 시뮬레이션으로 폴 디자인 소개
0.75 EXTENDED POLE DYNAMICS.
 
자석 모델링 시스템이 갭 내 자기 플럭스 강도, 코일에 적용되는 에너지 양을 결정하는 자기장 모양을 추적

FIGURE 0.36:Shape of the flux in the gap with a flush pole.FIGURE 0.37:Extended pole.

 
 
 

0.80 ADVANCED TRANSDUCER ANALYSIS STUDIES.

(이거는.. 클리펠 장비로 일부러 비선형 우퍼 10개 만들어서 점점 개선해 가는 내용, 변수는 bl, 폴, 쇼트링 이고 치수를 바꿔가면 성능을 평가한듯)

 
Klippel Distortion Analyzer는 지난 몇 년 동안 스피커 특성화를 위해 등장한 가장 중요한 새로운 도구임이 분명합니다. 정교한 왜곡 분석기(Fig. 0.38)와 위치 지정 레이저(Fig. 0.39)를 결합한 Dr. Wolfgang Klippel과 그의 팀은 우퍼, 미드레인지 및 트위터의 동적 기능을 이해하는 데 강력한 무기를 제공했습니다(자세한 내용은 Klippel 웹사이트 www.klippel.de의 "Know-How" 섹션을 참조하십시오). 이 장치가 중요한 이유는 Thiele/Small 모델과 같은 소신호 선형 모델이 고출력 상태에서 전자기 스피커의 동작을 설명할 수 없기 때문입니다.
표준 소신호 모델은 입력 레벨 증가의 동적 변화를 다루지 않기 때문에(LEAP 모델은 예외이며 동적 및 비선형 변화를 항상 다루어 왔음), 열 변화와 왜곡을 초래하는 다양한 비선형 메커니즘을 설명하지 못합니다. Klippel Analyzer는 동적 BI, 컴플라이언스, 인덕턴스, 온도 및 다양한 스피커 특성을 측정할 수 있는 능력을 갖추고 있어, 'Loudspeaker Design Cookbook' 7판을 위한 일련의 짧은 연구에 이상적인 선택이었습니다. Klippel DA를 사용하여 밝힌 주제에는 BI 선형성, 폴 확장 및 선형성, 쇼트링 등이 포함됩니다.

주요 연구 주제

1. BI 선형성:
   • BI는 자기 플럭스 밀도와 보이스 코일 길이의 곱으로, 스피커의 효율성과 왜곡 수준을 결정하는 중요한 요소입니다.
   • Klippel Analyzer는 다양한 입력 레벨에서 BI의 변화를 측정하여, 스피커가 선형적으로 작동하는 범위를 확인할 수 있습니다.
2. 폴 확장 및 선형성:
   • 폴 피스의 확장은 보이스 코일이 이동할 때 자기 플럭스의 균일성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
   • Klippel Analyzer를 사용하여 폴 피스 확장이 스피커의 선형성에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.
3. 쇼트링:
   • 쇼트링은 보이스 코일의 유도성을 줄이고, 비선형 왜곡을 줄이는 데 사용됩니다.
   • Klippel Analyzer를 통해 쇼트링의 효과를 정량적으로 평가할 수 있습니다.

 
 

0.81 Bl AND COMPliANCE llNEARIlY.

 

설계 목표

모든 스피커 디자이너의 목표는 다음과 같습니다:

1. 완벽하게 선형적인 우퍼:
   • 양방향 이동에서 똑같이 잘 작동하는 우퍼
   • 입력 신호를 왜곡 없이 충실하게 추적

현실과 이상

이러한 완벽한 스피커는 현실적으로 존재하지 않지만, 이는 디자이너가 목표로 삼아야 하는 기준입니다.

BI 선형성의 중요성

BI가 선형적으로 유지되면 스피커는 다음과 같은 이점을 가집니다:

1. 왜곡 감소: 입력 신호를 왜곡 없이 충실하게 재생
2. 효율성 증가: 더 일관된 음향 출력

Klippel Distortion Analyzer로, 스피커 동적 특성 이해, 고출력에서 비선형성 분석

 

Red Rock Acoustics의 CEO인 Pat Turnmire와 함께 SpeaD 및 RevSpeaD 소프트웨어를 사용하여, 트랜스듀서 엔지니어들이 스피커의 선형성을 높이고 왜곡을 줄이는 방법을 조사하기 위한 짧은 연구를 수행했습니다. 연구의 개념은 의도적으로 비선형 설계를 가진 10" 우퍼 시리즈를 시작으로, 각 반복마다 하나의 요소를 변경하여 성능을 향상시키는 것이었습니다. 총 10개의 우퍼를 생성하여 BI, 폴 확장, 쇼트링 및 보이스 코일 온도에 대한 설명을 제공했습니다. 

초기 세 개의 우퍼에서 Xmax를 증가시킨 후, 다음 변경 사항은 서스펜션 시스템이었습니다.

보이스 코일 길이 변화, 서스펜션 시스템 개선, 폴 확장 추가

 
 
 

0.82 SHORTING RINGS AND DISTORTION.

결론 및 추천

쇼팅 링은 우퍼나 미드레인지에서 와전류로 인한 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 이를 통해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다:

1. 인덕턴스 감소: 보이스 코일의 유도 가열을 줄여 전체 모터 인덕턴스를 낮춤
2. 왜곡 감소: 자기장 플럭스 변조를 최소화하여 왜곡을 줄임

 

0.83 VOICE COIL TEMPERATURE AND MOTOR MASS.

 
우퍼를 가능한 한 파손되지 않도록 만드는 비결은 보이스 코일 저항으로 인해 발생하는 발열을 효과적으로 관리하는 것입니다. 슈퍼컨덕터 보이스 코일 와이어를 사용하는 것도 하나의 해결책일 수 있습니다. 모터 온도를 부품이 녹기 시작하고 접착제가 분해되는 수준 이하로 유지하면, 고출력 SPL에서의 파워 핸들링이 증가하고 왜곡이 감소합니다.
 

• 모터 질량: 큰 모터는 작은 우퍼 모터보다 더 많은 열을 보유하고 방사할 수 있습니다.
• 열 관리: 모터 크기가 열을 방사하고 보유하는 데 중요한 역할을 합니다.

Klippel Distortion Analyzer의 Power Test Module은 보이스 코일 온도 변화를 시간에 따라 측정합니다. 모든 테스트 우퍼는 고전압 60분 PWT 절차를 거쳤습니다.

결론

• 자석 크기와 발열 관리: 큰 자석과 플레이트를 사용한 우퍼는 더 낮은 최종 온도를 유지할 수 있습니다.
• 보이스 코일의 설계 요소: 와이어의 길이와 게이지도 발열에 영향을 미치지만, 자석과 플레이트의 크기가 더 큰 영향을 미침을 확인할 수 있습니다.

향후 연구 및 개선

1. 보이스 코일 설계 최적화:
   • 발열을 최소화하고 효율성을 최대화하기 위해 와이어 길이와 게이지 최적화
2. 모터 크기 조정:
   • 큰 자석과 플레이트 사용을 통해 발열 관리 및 파워 핸들링 개선
3. 재료 선택:
   • 열전도성이 우수한 재료를 사용하여 발열 관리 효율성 향상

 
 

0.84 VOICE COIL TEMPERATURE AND POLE VENTS.

 

전통적인 냉각 방법

고출력 우퍼의 보이스 코일 냉각을 제공하는 매우 전통적인 방법은 모터 폴 피스에 가능한 한 큰 직경의 구멍을 뚫는 것입니다. 이 개념은 통풍구가 보이스 코일 영역에서 열을 모터의 뒤쪽으로 이동시키는 공기 흐름을 촉진하여 효율적인 대류 경로를 제공한다는 것입니다.

새로운 연구

그러나 이러한 전통적인 지혜는 Dr. Wolfgang Klippel의 논문 "Nonlinear Modeling of the Heat Transfer in Loudspeakers" (114th AES Convention)에서 도전받았습니다.

Dr. Wolfgang Klippel의 연구 내용

주요 연구 결과

1. 비선형 열 전달 모델링:
   • 스피커 내부에서 발생하는 열 전달의 비선형적 특성을 모델링
   • 전통적인 냉각 방법이 예상만큼 효율적이지 않을 수 있음을 시사
2. 열전달 경로 분석:
   • 폴 피스에 구멍을 뚫는 것이 공기 흐름을 통해 열을 효과적으로 방출할 수 있는 유일한 방법이 아님
   • 보이스 코일 주변의 열 분포와 대류 경로를 재평가
     
     

연구에 따른 권장 사항

대체 냉각 방법

1. 폴 피스 설계 재고:
   • 폴 피스의 통풍구 크기와 위치를 최적화하여 더 나은 열 분산 경로를 설계
   • 열 전달을 최적화하기 위한 새로운 설계 접근 방식 적용
2. 재료 선택:
   • 열전도성이 높은 재료를 사용하여 모터와 보이스 코일의 열 관리를 개선
3. 시뮬레이션 및 테스트:
   • Klippel의 모델을 사용하여 다양한 설계 시나리오를 시뮬레이션하고 실제 테스트를 통해 최적의 열 관리 방법을 확인

최적 설계 비교 실험

실험 설정

• 비교 대상: 전형적인 통풍구가 있는 폴 피스를 가진 우퍼와 동일한 우퍼에서 폴 통풍구를 차단한 경우
• 결과: Qms 감소와 함께 시간 경과에 따른 온도 변화가 크게 감소

결론

• 통풍구 차단: 폴 통풍구를 차단하면 더 많은 공기가 보이스 코일을 지나 상단 갭으로 나가며 스파이더 아래 영역으로 들어가게 되어 큰 폴 통풍구보다 더 많은 열 전달이 이루어짐

현대적인 열 관리 기법

현재 인기 있는 기술

• 스파이더 아래 및 프론트 플레이트 아래의 환기: 고출력 드라이버의 열 관리에서 현재 인기 있는 기술 중 하나는 스파이더 장착 선반과 프론트 플레이트 아래에 충분한 환기를 제공하는 것입니다.

Car Audio and Electronics Magazine에서의 서브우퍼 리뷰

• 수년간 Car Audio and Electronics 매거진에서 서브우퍼 리뷰를 진행하면서 고출력 드라이버의 열 관리 트렌드를 관찰했습니다.
• 통풍구 차단 방식이 실제로 드라이버의 성능을 향상시키는 것을 확인할 수 있었습니다.