Chapter 1 : How Loudspekaer work

 

1.10 정의

밀폐형 박스는 모든 스피커 설계 중에서 가장 단순한 형태로, 밀폐된 공기 부피와 스피커 또는 드라이버로 구성됩니다. 이 전기적 및 기계적 회로는 2차 하이패스 필터와 유사하며, 공진과 관련된 댐핑에 의해 응답이 제어됩니다. 밀폐형 박스 시스템에는 두 가지 기본 유형이 있습니다: 무한 배플(IB)과 에어 서스펜션(AS).

• 무한 배플(IB) 인클로저: 인클로저 내부의 공기 순응도(그의 기계적 '스프링' 특성)가 드라이버 서스펜션의 순응도보다 큽니다.
• 에어 서스펜션(AS) 스피커: 인클로저 내부의 공기 부피 순응도가 우퍼의 순응도보다 3배 이상 작은 경우를 말합니다. 이 설계는 1950년대 Acoustic Research에 의해 대중화되었으며, 현재까지도 스피커 제조업체들에 의해 자주 사용됩니다.

밀폐형 박스 설계는 제어 가능한 응답 형태와 트랜지언트 특성 덕분에, 특히 초보자에게는 가장 적합한 설계로 간주됩니다. 또한, 올바른 박스 파라미터를 달성하기가 비교적 쉬워서 홈 오디오 설계에 적합합니다.

1.15 용어 정의

• f3: 3 데시벨 하프 파워 주파수 (저주파 롤오프 시작점을 나타냄)
• f_s: 드라이버의 공진 주파수
• f_c: 밀폐형 박스 시스템의 공진 주파수
• Q: 리액턴스 대 저항의 비율 (직렬 회로) 또는 리액턴스 대 저항 (병렬 회로)
• Q_ts: 모든 드라이버 저항을 고려한 f_s에서의 드라이버 총 Q 값
• Q_tc: 모든 시스템 저항을 포함한 f_c에서의 스피커 시스템 총 Q 값
• V_as: 드라이버 서스펜션과 동일한 음향 순응도를 가지는 공기 부피
• V_ab: 인클로저 내부의 공기 부피와 동일한 음향 순응도를 가지는 공기 부피
• X_max: 드라이버 콘의 최대 선형 변위
• S_d: 드라이버 콘의 유효 표면적
• V_d: 드라이버 콘의 최대 변위 부피
• V_b: 인클로저의 내부 부피

1.20 역사

무한 배플 밀폐형 박스 설계는 1950년대 초반까지 매우 인기가 있었습니다. 그러나 1949년 Harry Olson과 그의 동료 J. Preston이 에어 서스펜션 설계를 특허받은 이후, 변화가 시작되었습니다. 1954년에 AS 설계의 초기 지지자인 Edgar Villchur의 작업 덕분에 변화가 크게 진행되었습니다. Villchur는 Audio 매거진에 일련의 기사를 발표하여 AS 설계를 궁극의 스피커 설계로 확립했습니다. 이 기간 동안 Acoustic Research는 클래식 AS 설계 스피커인 AR-3을 도입했습니다. Henry Kloss는 Villchur와 함께 AR을 공동 창립한 후 KLH와 Advent라는 두 다른 성공적인 회사를 설립하여 AS 설계를 대중화했습니다. 1972년, Richard Small은 현재까지 밀폐형 박스 설계에 대한 가장 권위 있는 작업을 발표했습니다.

 

1.30 드라이버 "Q"와 인클로저 응답

우퍼와 박스 볼륨의 조합 목적

우퍼를 특정 박스 부피에 맞추는 전체 목적은 조합의 응답 특성을 제어하는 것입니다. 이 목적을 달성하기 위해 Q 인자를 측정하고 조정하는 방법이 사용됩니다. Q는 여기서 스피커 박스의 공진 증폭을 나타내는 복합 용어입니다. 이는 우퍼/박스 조합의 전기적, 기계적, 공기역학적 회로가 공진에 어떻게 상호작용하는지를 나타냅니다. 그림 1.1은 다양한 Q 값과 주파수 응답 간의 관계를 설명합니다.

주파수 응답 곡선의 관찰

1. 밀폐형 박스 설계는 약 12dB/옥타브의 비교적 완만한 롤오프를 보여줍니다. 동일한 f3를 가진 환기 및 패시브 라디에이터 설계의 24dB/옥타브 롤오프 설계와 비교할 때, 밀폐형 박스는 더 많은 저음을 제공하며 더 나은 트랜지언트 안정성을 가집니다.
2. 특정 Qc 값은 다음과 같이 특정 응답 특성을 가지며 분류할 수 있습니다:
   • Qc = 0.5: 비평적으로 댐프됨, 전환 없음
   • Qc ≈ 0.577: 베셀 응답, 최대 평탄 지연
   • Qc ≈ 0.707: 버터워스 응답, 최소 컷오프에서 최대 평탄 진폭 응답
   • Qc ≈ 1: 첼레비체프(타원형-C2) 응답, 최대 파워 핸들링 및 최대 효율성, 약간의 트랜지언트 열화 포함

Qc 값과 주관적 음질

고 Q 값(약 1인 경우)은 따뜻하고 견고한 음질을 가지며, Q 값이 낮으면(약 0.5) 더 부드럽고 과도 응답이 향상됩니다. 일반적으로 Q_tc = 0.5 ~ 0.6이 최적의 값으로 간주됩니다.

Qc 값과 주파수 응답의 관계 (표 1.0)

표 1.0은 평탄한 크기 이상으로 주파수 응답에서 피크와 Qc 값 간의 관계를 보여줍니다. 이 피크의 주파수 f_max는 박스 공진(f_c)과의 비율로 주어집니다. 또한, 최대 콘 변위 주파수(f_xmax)의 비율도 포함되어 있습니다.

Qc피크 dBf_gmax/f_cf_gmin/f_c

Qc	피크 dB	f_gmax/f_c	f_gmin/f_c
0.5	0	0	0
0.577	0	0	0
0.707	0	0.213	0.468
0.8	0.213	2.138	0.468
0.9	0.687	1.616	0.619
1.0	1.249	1.414	0.707
1.1	1.833	1.305	0.766
1.2	2.412	1.238	0.808
1.3	2.974	1.192	0.839
1.4	3.515	1.159	0.863
1.5	4.033	1.134	0.882

• 피크 dB = 20log10 Qc / (Qc^2 - 0.25)
• f_gmax = 1 / (2 * Qc)
• f_gmin = 1 / (2 * Qc)

.

Richard Small 교수의 연구 결과 (1969)

1969년 Richard Small 교수가 미국, 영국, 유럽의 밀폐형 박스 시스템을 조사한 결과, 대부분의 AS 스피커는 두 가지 범주 중 하나에 속한다는 것을 발견했습니다:

1. 카테고리 1:
   • 컷오프 주파수: 50Hz 이하
   • Qc: 최대 1.1
   • 크기: 1.4ft³ 이상
   • 특징: 오케스트라 및 오르간 음악에 좋은 저음을 생성
2. 카테고리 2:
   • 컷오프 주파수: 50Hz 이상
   • Qc: 1.2-2.0
   • 크기: 2ft³ 이하
   • 특징: 팝 전자 음악에서 "명백하게 더 강력한 베이스" 생성

 

대체 분석 방법

다음과 같은 다른 요소들이 박스 Q를 설명할 수 있습니다:

• 기계적 댐핑: 베이스 응답의 변화가 전체 음향 스펙트럼에 미치는 영향
• 임펄스 응답: 베이스 응답이 "타이트"에서 "풍부"로 변화하면서 전체 음향 스펙트럼에 미치는 영향

표 1.1은 Qc 값과 주파수 응답의 다양한 요소 간의 관계를 보여줍니다:

Qc	dB	위상 각도	기울기 (dB/옥타브)
0.5	6.0	90	35Hz 2.6
0.9	0.69	67	39Hz 1.6
1.1	1.25	63	48Hz 1.2
1.4	1.83	58	42Hz 0.92
1.8	2.41	56	64Hz 0.72

1.35 박스 "Q" 분석의 대체 방법

미국, 영국, 유럽의 밀폐형 박스 시스템을 조사한 1969년 Richard Small 교수의 연구 결과, 대부분의 AS 스피커는 두 가지 범주 중 하나에 속합니다:

1. 카테고리 1:
   • 컷오프 주파수: 50Hz 이하
   • Qc: 최대 1.1
   • 크기: 1.4ft³ 이상 (39 liters)
   • 특징: 오케스트라 및 오르간 음악에 좋은 저음을 생성
2. 카테고리 2:
   • 컷오프 주파수: 50Hz 이상
   • Qc: 1.2-2.0
   • 크기: 2ft³ 이하 (56 liters)
   • 특징: 팝 전자 음악에서 "명백하게 더 강력한 베이스" 생성

 

그룹 지연 곡선, 임피던스 곡선의 형태와 크기, 그리고 콘 속도 및 부피 전류를 계산하는 데 필요한 수학은 상당한 정신적 노력을 필요로 하지만, 스피커 설계에 사용 가능한 CAE(Computer Aided Engineering) 프로그램 중 하나를 사용하면 훨씬 쉽게 수행할 수 있습니다. 이러한 프로그램은 수작업 계산 방법으로는 거의 불가능한 정보를 제공합니다.

LEAP 4.0(LinearX Systems의 Loudspeaker Enclosure Analysis Program)이 컴퓨터 시뮬레이션에 선택되었고, 이 책 전반에 걸쳐 사용되었습니다. 출판 당시, LEAP 4.0은 전문 설계에 가장 유연하고 강력한 도구였으며, DRA Labs MLSSA FFT 및 Audio Precision System 1과 같은 컴퓨터 기반 분석기에서 데이터를 쉽게 가져오고 내보낼 수 있는 유일한 프로그램이었습니다.

이 프로그램은 Qtc 범위가 0.7에서 1.5인 밀폐형 박스의 시리즈를 모델링하는 데 사용되었으며, 이러한 개념을 설명하기 위해 결과가 사용되었습니다. 10" 드라이버(Audio Concepts AC-10)를 사용하여 무한 배플 타입 인클로저에 적합한 매개변수로 시뮬레이션이 수행되었습니다. 시리즈 저항은 포함되지 않았으며, 박스는 네 면에 3" 두께의 1 lb/ft³ 유리섬유로 채워져 50% 유리섬유 충전으로 모델링되었습니다. 인클로저 부피는 각 Q 값에 적절한 피크를 제공하기 위해 계산되었고, 다른 데이터는 생성된 그래프에서 가져왔습니다. 결과는 표 1.1에 나와 있습니다.

표 1.1과 그림 1.2에 나와 있는 시뮬레이션된 SPL 및 음향 위상 곡선에서 알 수 있듯이, Q가 증가함에 따라 -3dB 위상각, 롤오프 슬로프, -3dB 주파수가 모두 증가합니다. 스피커에 적용되는 "위상"은 크기 응답의 기울기의 함수로서, 스피커가 수신하는 신호와 콘 표면에서 발생하는 실제 신호 사이의 시간 차이로 결정됩니다. 시간 차이가 클수록 측정된 위상각이 커집니다. 그림 1.2는 다양한 Q 값에 따른 주요 위상 곡선 변화를 보여줍니다.

 

 

응답의 기울기 변화가 일어나는 영역입니다.

그림 1.3은 박스 Q가 변함에 따라 콘의 변위를 나타냅니다. 특정 우퍼에 대한 박스 크기가 증가하면 필요한 최대 변위도 증가하며, 드라이버가 허용 가능한 왜곡 수준을 생성하는 최대 레벨은 감소합니다. 이 곡선을 보면, 더 나은 댐핑과 파워 핸들링 간의 상충 관계를 쉽게 알 수 있습니다.

댐핑 변화(Q 변화)의 또 다른 표시로는 인클로저 그룹 지연 곡선의 형태와 절대 레벨이 있습니다. 그룹 지연은 드라이버/인클로저 조합의 위상 응답에서 계산됩니다. 정의에 따르면, 그룹 지연은 위상 응답의 기울기(구체적으로는 위상 기울기의 음의 도함수)입니다. 이는 파형의 스펙트럼 구성 요소의 상대 지연을 설명합니다. 수학적으로:

그룹 지연 = -(f2에서의 위상 - f1에서의 위상) / (f2 - f1)

평탄한 그룹 지연 곡선은 모든 주파수가 동시에 도달하고 있음을 나타냅니다. 반면에 그룹 지연에 피크가 있으면 일부 주파수가 나중에 도착하고 있음을 나타냅니다. 더 나은 댐핑 품질은 동시에 도달하는 것과 관련이 있습니다. 그림 1.4는 다양한 Qc 값에 대한 그룹 지연 곡선을 보여줍니다. Qc가 증가함에 따라 곡선의 형태가 Qc = 0.7에서 거의 평탄한 상태에서 변화하는 것을 주목하세요. Qc = 0.5는 평탄한 그룹 지연을 가질 것이며, Qc = 1.2에서는 급격한 변화가 나타납니다. 공진 시 임피던스 "허프"의 형태도 Q의 변화에 따라 달라집니다. Q가 증가함에 따라, 형태는 더 좁고 뚜렷해집니다. 그림 1.5는 동일한 Q 세트의 임피던스 곡선을 비교한 것입니다. Qc가 증가함에 따라 임피던스 피크의 높이도 감소하는 것을 주목하세요.

그림 1.6은 콘 속도와 볼륨 전류 곡선을 보여줍니다. 콘 속도 곡선은 주파수와 드라이버 가속도 간의 관계를 나타내며, 미터/초로 표현됩니다. 볼륨 전류 곡선은 유사한 개념을 나타내지만, 주파수와 드라이버가 가속할 때 변위된 공기량(전류) 간의 관계를 나타내며, 입방 미터/초로 표현됩니다. 이러한 곡선의 형태는 임피던스 곡선처럼 Q가 증가함에 따라 더 좁고 뚜렷해집니다. 최대 가속도의 주파수는 대략 박스 공진 주파수(fc)에서 발생합니다.

 

1.40 우퍼 선택 및 인클로저 제작

밀폐형 박스 시스템에 사용될 우퍼는 낮은 자유 공기 공진 주파수(f_s), 비교적 높은 콘 질량, 그리고 긴 보이스 코일을 특징으로 합니다. 이는 현재 실험자들이 사용할 수 있는 많은 원재 드라이버와 일치합니다. 드라이버 Q의 관점에서 볼 때, 밀폐형 박스 스피커는 일반적으로 Q_ts가 0.3보다 큰 우퍼를 필요로 합니다. 이는 중간 크기의 자석 구조를 가진 드라이버를 사용해야 함을 의미하지만, 지나치게 작은 자석(과소 댐핑) 드라이버는 피해야 합니다. R. Small은 효율 대역폭 제품(EBP)이라고 부르는 좋은 경험 법칙을 제안했습니다.

EBP 계산 방법:

​​

EBP가 50 이하인 경우 밀폐형 인클로저가 더 적합하고, EBP가 약 100인 경우 환기형 인클로저가 더 적합합니다.

중요한 기준:

보이스 코일 오버행의 양도 중요한 기준입니다. 밀폐형 박스 우퍼는 환기형 우퍼보다 더 멀리 이동해야 하므로 일반적으로 더 긴 보이스 코일을 필요로 합니다. 절대적인 측면에서 작은 지름 우퍼(6-8인치)는 최소 2-4mm, 큰 지름 우퍼(10-12인치)는 5-8mm를 필요로 합니다. 제조업체가 보이스 코일 오버행(X_max)을 명시하지 않은 경우, 직접 확인할 수 있습니다. 드라이버를 강한 빛 근처에 두고 스파이더를 통해 살펴보면 대부분의 스파이더는 코일을 볼 수 있을 정도로 투명합니다(그림 1.7 참조).

밀폐형 박스 인클로저 제작:

밀폐형 박스 스피커의 인클로저는 공기 밀폐성이 있어야 합니다. 박스 제작 방법(맞댄 이음, 사선 이음 등)에 관계없이, 모든 인클로저 접합부 내부에 실리콘 접착제를 도포하여 공기 밀폐성을 확보하는 것이 좋습니다. 연결 단자 주위의 공기 누출도 주의해야 합니다. 상업적으로 이용 가능한 커넥터 "컵"을 사용할 경우, 반드시 가스켓 씰이 있는지 확인해야 합니다. 가스켓이 없는 경우, 실리콘을 사용하여 잠재적인 공기 누출을 막아야 합니다. 스피커의 손실성 서라운드나 다공성 더스트 캡으로 인한 공기 누출은 무시해도 되는데, 이는 수정하려다 문제를 더 일으킬 수 있기 때문입니다. 손실성 주름진 엣지 서라운드는 일반적으로 밀폐형 박스에 적합하지 않으므로 사용해서는 안 됩니다. 다공성 더스트 캡은 공기 누출의 원인이 될 수 있지만, 보통은 보이스 코일 냉각을 개선하기 위해 사용됩니다. 이러한 더스트 캡을 밀폐하면 드라이버의 조기 고장과 비선형적인 Q 변화가 발생할 수 있습니다.

 

 

1.50 박스 크기 결정 및 관련 파라미터

밀폐형 박스 스피커의 박스 크기를 결정하는 과정은 비교적 간단합니다. 필요한 드라이버 파라미터는 다음과 같습니다:

1. f_s: 드라이버의 자유 공기 공진 주파수
2. Q_ts: 드라이버의 총 Q
3. V_as: 드라이버의 순응도와 같은 공기 부피
4. X_max: 보이스 코일 오버행의 양(밀리미터 단위)
5. Sd: 드라이버의 유효 방사 면적(제곱 미터)
6. V_d: 변위 부피 = Sd * X_max (세제곱 미터)

파라미터 4, 5, 6은 제조업체가 제공할 수 있습니다. 파라미터 1, 2, 3은 제8장에서 설명된 절차를 사용하여 다시 계산해야 합니다. 제조업체의 데이터는 생산 라인 변경의 영향을 받을 수 있으며, 이는 알지 못할 수도 있습니다. 또한 최종 결과에 중요한 영향을 미칠 수 있는 다양한 직렬 저항도 고려해야 합니다. 여기에는 앰프 소스 저항, 앰프와 스피커 사이의 연결 케이블, 직렬 크로스오버 저항이 포함됩니다.

박스 크기와 관련된 응답을 선택하는 가장 좋은 방법은 Q_c 값이 0.5에서 1.1까지의 데이터를 명시하는 설계 테이블을 생성하고 다양한 가능성을 고려하는 것입니다. 표 1.3에서 1.12 또는 다음 설계 방정식을 사용하여 α(알파)와 드라이버의 박스 내 공진 주파수 f_c 값을 찾습니다. -3dB 컷오프 포인트는 표 1.12에서 찾을 수 있습니다.

 

밀폐형 박스 설계 방정식

그런 다음 설계 테이블을 사용하여:

​

에어 서스펜션 작동 시스템은 α 값이 3에서 10 사이에 존재한다는 것을 기억하세요. 그보다 작은 α 값은 무한 배플 영역으로 넘어갑니다. 또한, 북쉘프 크기의 스피커의 경우, f_c = 50Hz 이하가 밀폐형 박스 시스템에 적합한 수치입니다

 

1.51 Q_ts, f_s, 및 Vas의 변동

동일한 드라이버를 생산할 때(같은 콘, 보이스 코일, 서라운드, 더스트 캡, 자석, 갭 등), Q_ts, f_s, Vas 값은 상당한 변동을 보일 수 있습니다. 따라서 작은 샘플(보통 두 개)을 측정한 값이 크게 다르다고 해서 지나치게 놀랄 필요는 없습니다. 개별 드라이버 파라미터는 넓은 범위의 값을 가질 수 있지만, f/Q_ts의 비율과 Vas*f의 곱은 비교적 일정하게 유지됩니다. 따라서 최종 결과도 일정하게 나타날 경향이 있습니다. 두 개의 동일한 드라이버의 데이터를 표 1.2에서 확인할 수 있습니다.

 

1.60 추가 파라미터

밀폐형 박스 시스템의 성능을 평가할 때 유용한 세 가지 다른 요소는 기준 효율, 변위 제한 음향 출력, 변위 제한 출력을 생성하기 위해 필요한 전기 입력 파워입니다.

 

1.61 기준 효율(T_0)

기준 효율은 주로 드라이버 파라미터에 의존하며, 인클로저와는 관계가 없습니다. 이는 종종 퍼센트로 표현되거나, 더 일반적으로는 음압 수준(SPL)로 표현됩니다. 기본적으로 T_0는 다중 드라이버 스피커 시스템에서 드라이버의 효율을 비교하는 데 가장 유용합니다. 따라서 중고역 드라이버에 필요한 감쇠량을 결정하는 데 사용할 수 있습니다(실용적인 이유로 우퍼는 거의 감쇠되지 않음).

자유 공기 기준 효율은 다음과 같이 결정할 수 있습니다:

여기서:

• K = 9.64 x 10^-10 (Vas가 리터 단위인 경우)
• 9.64 x 10^-7 (Vas가 세제곱 미터 단위인 경우)
• 2.70 x 10^-8 (Vas가 세제곱 피트 단위인 경우)

이 계산에서 Vas는 스피커 캐비닛과 동일한 크기의 배플이나 인클로저에서 측정되어야 합니다. 이 방정식은 T_0를 소수점 값으로 제공합니다. T_0를 퍼센트로 변환하려면:

• 퍼센트 % = T_0 x 100
• SPL, 1W/1M dB = 112 + 10 log_10 T_0

T_0는 약 0.35%에서 1.5%까지 다양할 수 있습니다. 표 1.13은 잘 알려진 드라이버의 효율 데이터를 나열하여 상황에 대한 관점을 제공합니다.

비교 목적으로 밀폐형 인클로저(채워지지 않은)에서의 T_0는 다음과 같이 결정할 수 있습니다

 

1.62 변위 제한 음향 출력 (Par)

 

 

 

1.63 최대 전기 입력 (P_er)

1.70 예제 설계 차트

표 1.16과 1.17은 밀폐형 박스 설계에 적합한 두 드라이버의 예제를 제공합니다. 총 박스 크기를 계산할 때, 목표 부피에서 벗어나는 모든 것을 보상하기 위해 인클로저를 과대평가하는 것이 중요합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 중역 캐비티
• 우퍼 바스켓 및 자석 구조
• 섬유 댐핑 재료 (측정 부피의 약 10%)
• 크로스오버
• 견고한 댐핑 재료 - 브레이스, 펠트 등

마지막으로, Q_ts 계산에 모든 직렬 저항을 포함해야 한다는 점을 항상 기억하세요(제8장). 밀폐형 박스 제작 기사에 대한 예제는 Speaker Builder에서 찾을 수 있습니다:

• "A Ceramic Speaker Enclosure," by David Weems, 6/88, p. 37
• "A Small Two-Way System," by Fred Thompson, 2/90, p. 24
• "A Modular Three-Way Active Loudspeaker," by Fernando Ricart, 4/90, p. 36

 

1.71 최소 컷오프 주파수

밀폐형 인클로저의 컷오프 주파수는 박스 부피가 증가함에 따라 감소한다는 개념이 있습니다. 이는 Q_c가 0.707 이상인 경우에만 해당됩니다. Q_c 값이 0.707보다 작은 경우, 부피가 증가하면 컷오프 주파수가 증가합니다. 이는 소위 과소 댐핑 정렬 중 하나를 사용할 때의 트레이드오프가 최적의 f_3을 얻지 못한다는 것을 의미합니다. 표 1.18은 다양한 드라이버 Q_ts 값에 대한 박스 Q_c에 따른 f/fs의 비율을 보여줍니다.

모든 경우에 Q_c 값이 0.707보다 낮을 때 f/fs가 증가합니다. 표 1.16 및 1.17의 설계를 보면 예상대로 두 드라이버 모두 박스 부피가 Q_ts = 0.707을 초과할 때 컷오프 주파수 f_3가 증가하는 것을 보여줍니다.

 

 

1.72 주파수 응답의 동적 변화

Par 및 Per와 같은 계산된 대신호 파라미터는 드라이버의 변위 잠재력에 대한 어느 정도의 정보를 제공하지만, 이러한 숫자는 입력 전력 및 작동 온도가 증가함에 따라 라우드스피커에서 발생하는 동적 변화를 적절히 설명하지 못합니다. Thiele/Small 계산 방법을 적용하여 밀폐형 또는 통풍형 라우드스피커 인클로저를 설계할 때, 스피커는 소신호 수준에서만 예측된 응답을 나타냅니다. 라우드스피커는 1W 전력 입력에서 설계 테이블 및 공식 계산에 따라 작동할 것으로 예상되지만, 그 이상으로 전력이 증가하고 보이스 코일 온도가 상승하면 드라이버/박스 조합의 특성은 지속적인 동적 변화를 겪게 됩니다.

일반적으로 라우드스피커는 실온인 약 25°C에서 접착제가 분해되고 고장이 발생하는 약 250°C까지의 열 범위에서 작동합니다. 드라이버 전력 등급은 드라이버가 열 고장에 근접할 수준과 관련이 있어야 합니다. 스피커가 200W로 등급이 매겨진 경우, 일정 기간 동안 250°C 이하의 온도를 유지할 수 있어야 합니다. 입력 전력의 함수로서, 최대 온도 250°C를 스피커 전력 등급으로 나누면 전력 증가에 따른 온도 증가를 대략적으로 추정할 수 있습니다(제조업체가 전력 등급을 열 고장과 관련시킨 경우에 해당). 예를 들어, 150W로 등급이 매겨진 드라이버는 추가 전력 1W당 약 1.667°C의 온도 증가를 보일 것입니다.

보이스 코일 온도가 상승하면 보이스 코일 저항이 증가하고 드라이버의 전체 댐핑이 감소합니다. 이 효과는 그림 1.B에 나와 있습니다. 이 컴퓨터 시뮬레이션은 계산된 Q_tc = 0.7의 박스/드라이버 조합에 대해 1W, 5W, 10W, 20W, 40W에서 증가하는 전력 수준별로 다른 SPL 곡선을 보여줍니다. 결과는 표 1.19에 요약되어 있습니다.

-3dB에서의 증가하는 위상 각도와 기울기는 전체 댐핑의 감소를 나타내며, 이는 동등한 Q_tc 값으로 표현됩니다. 댐핑의 변화는 또한 콘 변위(그림 1.9), 군 지연(그림 1.10), 임피던스(그림 1.11), 변환기 콘 속도(그림 1.12)의 변화로도 반영됩니다. 콘 변위 및 군 지연 곡선은 그림 1.3 및 1.4에서 다른 Q와 박스 부피에 대한 곡선을 연상시킵니다. 그러나 온도 상승에 따라 전체 임피던스 수준이 지속적으로 증가함에도 불구하고 fc에서의 임피던스 피크는 거의 동일한 주파수와 너비를 유지합니다. 콘 속도의 피크도 동일한 주파수에서 유지되며, 입력 전력이 증가해도 변하지 않습니다.

손계산 방법을 사용할 때 이러한 동적 편차를 예상하는 것은 불가능합니다. 최선의 조언은 다른 요인이 허락하는 경우 낮은 Q를 선택하는 것입니다. 관점에서 보면, 몇몇 성공적인 상업적 설계는 소신호 Q_tc 값이 0.5만큼 낮습니다.

1.81 인클로저 채우기 설계 절차

 

1.82 박스 채우기 재료의 경험적 비교

위에서 설명한 계산기 방법은 Q 또는 박스 크기 트레이드오프에 대한 대략적인 아이디어를 제공할 수 있지만, 최종 결과는 상당히 달라질 수 있습니다. 측정된 f3와 Q0는 인클로저 내 밀도와 분포에 따라 달라질 수 있을 뿐만 아니라, 유리섬유 외에도 Dacron 및 음향 폼과 같은 다양한 재료 및 이러한 재료의 조합을 사용하여 박스 응답을 변화시킬 수 있습니다.

수년 동안 아마추어와 전문가들은 박스 응답을 변경하기 위해 다양한 채우기 재료를 사용해 왔습니다. 이는 주관적인 성능 면에서 최고의 선택이라는 다양한 주장과 함께합니다. 컴퓨터 시뮬레이션 및 손 계산 루틴은 표준 유형의 유리섬유에만 제한되므로, 이러한 다양한 재료 조합의 영향을 결정하려고 할 때 다음 정보를 지침으로 사용할 수 있습니다.

테스트 방법은 비교적 간단했지만, 결과는 해석에 따라 달라질 수 있습니다. 여섯 가지 재료를 사용했습니다: Dacron, Acousta-Stuf®(긴 섬유 양모와 같은 소닉 품질을 제공한다고 주장되는 주름진 섬유를 가진 Dacron 유사 재료로, Mahogany Sound에서 제공), 1 lb/ft³ 밀도의 유리섬유(표준 가정용 R19 유형), 2 lb/ft³ 유리섬유, 4 lb/ft³ 유리섬유, 음향 폼(음향 폼은 Audio Concepts에서 제공한 유형이지만, 시장에 나와 있는 여러 "계란 상자" 스타일의 폼과 유사함). 이러한 재료는 50% 채우기(박스 안감)와 테스트 인클로저에서 100% 채우기로 테스트되었습니다. 여섯 가지 50/50 조합도 테스트되었습니다(첫 번째 재료는 박스를 안감, 두 번째 재료는 나머지를 채워 100% 채우기).

재료는 0.95ft³ 표준 직사각형 테스트 인클로저에 배치되었으며, 이는 0.75" 파티클 보드로 구성되었습니다. 박스는 공기가 새지 않도록 밀폐되었고, 8" 드라이버에는 밀폐 셀 폼 개스킷이 사용되었습니다. 각 재료, 양 및 조합은 순차적으로 인클로저에 배치되었고, 각 범주에 대해 두 가지 측정이 수행되었습니다.

첫 번째 측정은 Audio Precision System 1 분석기를 사용하여 수행된 스위프 사인파 임피던스 곡선이었습니다. System 1은 분석기의 생성기 설정이 600Ω로 설정되어 직렬 저항을 제공하도록 설정되었습니다. 그런 다음 컴퓨터 ASCII 데이터 파일이 LEAP 4.0에 가져와서 실제 임피던스 판독 값으로 변환되었습니다(큰 직렬 저항으로 계산된 임피던스는 비슷하지만 드라이버 임피던스 함수와 정확히 동일하지는 않습니다). 그런 다음 데이터는 LEAP 자동화 스피커 매개변수 측정 모듈에 로드되었고, 박스 Q0 매개변수가 계산되었습니다.

두 번째 측정은 DRA Labs MLSSA FIT 분석기와 ACO Pacific 7012 정밀 측정 마이크로폰을 사용하여 근거리 주파수 응답을 측정하는 것이었습니다. MLSSA는 2048포인트 획득 길이와 20kHz 대역폭으로 설정되었습니다. 임펄스 응답에 대한 2048포인트 FFT가 수행되었고, 결과가 인쇄되었습니다. 데이터는 MLSSA 소프트웨어에서 내보내져 다시 LEAP 4.0에 가져와서 PostScript 출력물이 생성되었습니다. 채우기 재료가 없는 인클로저의 드라이버 응답과 비교하여 각 채우기 재료 범주의 드라이버 응답이 표시되었습니다.

이 테스트 시리즈의 결과는 표 1.21에 요약되어 있습니다. 표는 50% 채우기, 100% 채우기, 및 50/50 조합의 100% 채우기 섹션으로 나뉩니다. 임피던스 피크의 높이인 Zo는 비어 있는 인클로저에서 38.96Ω에서 4 lb/1 lb 유리섬유 조합의 14.67Ω로 변했습니다. 박스 공진 주파수인 fo는 비어 있는 인클로저에서 84.54Hz에서 4 lb/1 lb 조합의 75.16Hz로 변했습니다. 기계적 Q, Quc는 비어 있는 박스에서 7.74에서 4 lb/1 lb 조합의 1.79까지 넓은 변화를 보였습니다. 전기적 Q, Qec는 대부분의 균질 50% 및 100% 채우기 테스트에서는 변하지 않았지만, 다양한 재료 조합에서는 약간의 변화를 보였습니다. Qc는 채우기 없는 상태에서 1.22에서 두 유리섬유 50/50 조합의 경우 최저 0.75까지 변했습니다. 3dB 하락점인 f3는 Qc와 박스 공진인 fo에 따라 달라지며, 다른 경향과는 독립적인 것처럼 보입니다.

기본적인 100% 채우기의 표준 R19 유리섬유는 여전히 적당한 댐핑과 낮은 f3를 위한 합리적인 선택으로 보입니다. 그러나 몇몇 다른 재료들도 진지하게 고려할 가치가 있습니다. 두 유리섬유 50/50 조합은 낮은 Q 값을 제공했으며, 약간 더 높은 f3 주파수를 가졌습니다. 폼/유리섬유 조합도 합리적인 댐핑과 낮은 -3dB 지점을 가지고 있어 매력적입니다.

그림 1.15-1.33의 그래프 쌍은 표 1.21에 나열된 다양한 조합에 대한 임피던스 곡선과 관련 근거리(더스트 캡에서 약 6") 주파수 응답을 모두 보여줍니다. 그림 1.24-1.28, 1.30 및 1.32의 임피던스 그래프는 읽기 쉽게 20Ω로 스케일 조정되었습니다. 다른 모든 임피던스 플롯은 40Ω로 스케일 조정되었습니다. MLSSA 주파수 응답 결과의 실선은 재료의 곡선이고, 점선은 채우기 재료가 없는 박스의 곡선을 나타냅니다.

채우기 비율에 따른 응답 변화는 흥미롭습니다. 50% 채우기 그룹에서는 Dacron이 박스 모드 억제에 별다른 영향을 미치지 않는 것처럼 보였습니다. 더 많은 효과를 보기 위해서는 이 재료를 더 높은 밀도로 포장해야 합니다. 50% 채우기 그룹과 100% 채우기 그룹을 비교하면, 분명히 더 많은 양의 재료가 박스 모드 억제를 개선했습니다. 50/50% 그룹은 다른 100% 채우기 그룹과 유사한 성능을 보였습니다. 내부 박스 모드를 억제하기 위해 100% 채우기를 사용하는 것은 f3와 Qc를 변경하는 것만큼 중요합니다.

 

1.90 다중 우퍼 형식

저역 캐비닛에 두 개 이상의 우퍼를 사용하는 것은 단일 우퍼 디자인보다 여러 가지 이점을 제공할 수 있습니다. 기본적인 세 가지 구성은 다음과 같습니다: 표준형, 푸시/풀형, 컴파운드형.

 

1.91 표준 구성

이는 동일한 인클로저를 갖고 가능한 한 가까이 설치된 두 개 이상의 동일한 우퍼를 정의합니다. 두 개의 우퍼를 사용하는 상황에서는 다음이 적용됩니다:

A. 두 드라이버의 공진 주파수(Fs)는 단일 드라이버의 공진 주파수와 동일합니다. B. Qts는 단일 드라이버와 동일합니다. C. Vas(및 관련 박스 용적, Vb)는 단일 드라이버의 두 배입니다. D. 병렬 연결 시 결합된 임피던스는 단일 유닛의 절반이며, 직렬 연결 시 단일 유닛의 두 배입니다. E. 병렬 연결 시 감도는 단일 드라이버에 비해 +3dB 증가하고, 직렬 연결 시 -3dB 감소합니다. F. 콘 운동량은 단일 우퍼 인클로저의 절반입니다.

동일한 우퍼 네 개를 직렬 병렬 구성으로 사용하는 경우에도 단일 우퍼에 비해 6dB의 효율 증가를 얻을 수 있으며, 이는 두 우퍼 조합과 동일한 증가입니다. 두 우퍼 디자인보다 콘 면적을 두 배로 늘리면 음향 효율이 3dB 증가하지만, 두 개의 병렬 세트를 직렬로 연결하면 이득이 3dB 감소하여 두 우퍼 박스의 출력과 비교했을 때 순 변화는 0이 됩니다.

Figure 1.34는 단일 우퍼, 두 개 우퍼, 네 개 우퍼 박스 디자인의 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 1W SPL 비교를 보여줍니다. 네 개 드라이버 조합의 중간 대역 응답의 변화를 주목하십시오. 여러 드라이버가 밀집된 경우, 결합된 방사 임피던스의 변화로 인해 중간 대역에서 상당한 편차가 발생할 수 있습니다. 예상대로 두 개 및 네 개 우퍼 디자인의 이득은 단일 드라이버보다 6dB 더 큽니다. Figure 1.35에서 콘 운동량과 그룹 지연 곡선을 보면, 두 개 및 단일 드라이버 디자인의 운동량은 동일한 구동 전압에서 네 개 우퍼 디자인의 약 두 배입니다. 그룹 지연은 세 가지 디자인 모두 동일합니다. Figure 1.36의 임피던스 곡선은 두 개 우퍼 박스가 단일 스피커의 절반 임피던스를 가지고 있음을 보여줍니다. 단일 및 네 개 우퍼 박스는 유사한 임피던스 곡선을 가지며, 네 개 우퍼 박스의 임피던스 피크가 더 낮아지는 것은 여러 드라이버 방사 임피던스 차이 때문입니다. 다중 드라이버 조합의 장점은 고출력 레벨에서 더 분명합니다. Figure 1.37은 동일한 세 박스 디자인, 하나, 둘, 네 개 드라이버의 SPL 비교를 보여줍니다. 이번에는 모두 100dB 레벨로 설정되었습니다. 이 SPL을 얻기 위한 전압 입력은 단일 드라이버는 12.68V, 두 개 및 네 개 드라이버 조합은 6.35V입니다. 단일 우퍼의 전체 중간 대역 레벨은 약 1.5dB 떨어졌으며, 롤오프 기울기는 다소 가파르게 변하여 보이스 코일 가열로 인한 저항 증가로 인한 댐핑 변화를 나타냅니다. 세 가지 디자인의 -3dB 위상 각도는 2.83V 1W 레벨에서 90°였으나, 단일 드라이버는 이제 100°(Q 값 1.0에 해당)로 변경되었고, 두 드라이버 박스는 93°로, 네 드라이버 위상 각도는 변함없습니다(여전히 90°). Figure 1.38의 그룹 지연 곡선을 보면, 두 개 및 네 개 드라이버 조합의 곡선 모양이 거의 동일하며, 단일 드라이버 디자인의 "무릎"은 훨씬 더 날카롭게 보입니다. 콘 운동량 곡선은 예상대로 두 개 우퍼 디자인의 운동량은 단일 드라이버의 절반이며, 네 개 우퍼 디자인의 운동량은 두 개 우퍼 디자인의 절반입니다. Figure 1.39의 임피던스 곡선은 단일 드라이버의 보이스 코일 가열로 인해 대역폭 전체에서 약 1.7Ω의 저항 증가가 발생했음을 보여줍니다.

 

1.92 푸시/풀 구성

푸시/풀 구성은 두 개의 드라이버가 상자에 서로 등을 맞대거나 앞을 맞대고 장착된 후 전기적으로 위상이 반대로 구동되는 경우에 발생합니다(Fig. 1.40). 이 유형의 설정은 홀수 차수의 비선형성을 상쇄시켜 드라이버의 왜곡을 상당히 줄이는 결과를 가져옵니다. 위에 나열된 모든 특성(A-E)은 푸시/풀 드라이버 배열에 적용됩니다. 추가적으로, 푸시/풀 우퍼 배열은 환기식 시스템, 패시브 라디에이터 시스템 및 밀폐형 박스에서도 사용할 수 있습니다. 이 구성을 사용한 두 개의 구성 기사는 Speaker Builder에 게재되었습니다: H. Hirsch의 "Tenth Row Center," (2/84, p. 11) 및 S. Ellis의 "The Curvilinear Vertical Array," (2/85, p. 7).

 

1.93 컴파운드 우퍼 시스템

 

 

1.100 전자적으로 보조된 밀폐형 박스 시스템

밀폐형 박스 시스템의 저음 응답을 변경하는 방법 중 하나는 어떤 형태의 능동 필터 부스트를 사용하는 것입니다. Leach, Staggs, Greiner 및 Schoessow의 세 가지 논문이 커트오프 주파수를 낮추거나 스피커의 과도 응답을 향상시키기 위한 다양한 접근 방식을 설명합니다. 표 1.22는 세 가지 필터의 매개변수를 요약합니다.

밀폐형 스피커의 저음 출력을 부스트함으로써 발생하는 문제를 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 설명할 수 있습니다. 이 예제에서의 컴퓨터 시뮬레이션은 Marshall Leach가 1981년 6월 JAES 기사 "밀폐형 스피커 시스템의 능동 이퀄라이제이션"에서 설명한 방법을 복제합니다. 박스/드라이버 조합은 Qc 0.7과 35Hz의 f3를 가졌습니다. 부스트 필터는 약 24Hz에서 8dB의 이득을 가지는 4차 응답을 구성했습니다. 필터의 전달 함수는 그림 1.42에 나와 있습니다. 그림 1.43은 1W 수준에서 필터 유무에 따른 설계의 SPL 비교를 제공합니다. 부스트 필터가 있는 밀폐형 박스는 이제 f3이 24Hz로, 필터가 없는 스피커보다 11Hz 낮지만, 38.5dB/옥타브의 높은 차수 롤오프를 가집니다. 이는 표면상 좋은 선택처럼 보이지만, 그림 1.44의 콘 변위 및 그룹 지연 곡선을 살펴보면 문제를 확인할 수 있습니다. 변위(하단 곡선 세트)는 두 배 이상 증가했으며, 댐핑 변화는 매우 급격한 그룹 지연 곡선의 "무릎"에서 분명히 드러납니다. 그러나 진짜 문제는 20W 전력 수준에서 나타납니다. 그림 1.45의 SPL 비교는 예상되는 변화를 보여주지만, 그림 1.46에서 부스트된 설계의 콘 변위 및 그룹 지연 곡선은 전혀 받아들일 수 없습니다. 변위는 거의 19mm로 증가하여, 드라이버의 Xmax가 7mm에 불과하기 때문에 문제가 됩니다. 피크가 프로그램 자료가 거의 없는 주파수 대역에 국한되었다고 주장할 수 있지만, 1812년의 대포 소리나 낮은 신시사이저 음이 보이스 코일을 갭에서 완전히 벗어나게 하고 돌아오는 경로에서 전면 플레이트와 충돌하여 치명적인 손상을 일으킬 가능성이 있습니다.

나는 이 필터 시스템을 위한 설계 방법론을 복제하려고 하지 않았습니다. 그러나 이들은 앞서 논의된 시스템에 대한 가능한 대안으로 언급되었습니다. 위에서 설명한 필터의 주요 단점은 낮은 주파수에서 필요한 앰프 전력이 크게 증가한다는 것입니다. 이러한 기술은 CD 플레이어와 같은 넓은 다이내믹 레인지 소스와 함께 사용될 때 더욱 바람직하지 않게 됩니다. 더 낮은 컷오프 주파수 또는 개선된 과도 응답을 원한다면, 아마도 처음부터 적절한 비보조 설계를 선택하는 것이 가장 좋은 해결책일 것입니다.

1.200 질량 부하 기술

스피커를 질량을 추가하여 수정하는 것은 오랫동안 스피커 산업에서 사용되어 온 오래된 기술입니다. 이 섹션에서는 간단한 질량 부하와 수동적으로 보조된 스피커를 만들기 위해 사용되는 질량 부하라는 두 가지 질량 부하 구성에 대해 설명합니다.

 

1.210 간단한 질량 부하 수정

스피커 콘에 질량을 추가하면 여러 동작 파라미터가 변경됩니다. 표 1.23은 콘 질량을 75% 증가시켰을 때 10인치 우퍼의 파라미터 수정 사항을 요약합니다. 데이터는 우퍼와 인클로저 작동 파라미터 변경에 대한 것입니다.

표 1.23의 데이터를 보면 질량이 증가함에 따라 Qts가 증가하고, fs는 감소하며, 드라이버 효율이 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 마찬가지로 질량이 추가되면 박스 Q가 증가하고 -3dB 위상 각도가 증가하며, f3와 SPL은 감소합니다. 그림 1.47은 질량 추가 여부에 따른 인클로저에서 우퍼의 시뮬레이션된 SPL 비교를 보여줍니다. 그림 1.48의 콘 변위와 그룹 지연 곡선은 댐핑 감소를 확인시켜주며, 그림 1.49의 임피던스 곡선은 질량이 추가된 조합의 더 낮은 fc와 더 높은 Q를 나타냅니다. 이 트레이드오프 세트는 상당히 합리적으로 보이며, 전력을 20W 수준으로 증가시키는 효과를 살펴봐도 마찬가지입니다. 그림 1.50은 예상되는 SPL 변화를 보여주지만, 그림 1.51의 콘 변위 증가가 과도할 수 있습니다. 이 특정 드라이버의 Xmax는 7mm입니다. 세 번째 고조파 왜곡이 Xmax +15%, 즉 8mm에서 3%로 증가한다고 가정하면, 변하지 않은 드라이버/박스 조합은 여전히 적절하게 작동하고 있습니다. 질량이 부하된 버전은 약 9.5mm로, 실제로 과도하지는 않지만 더 많은 스트레스를 보이기 시작합니다. 좋은 해결책은 하나 대신 두 개의 질량 부하 우퍼를 사용하는 것이며, 이는 Q와 고작동 수준에서의 변위를 줄이고 효율을 허용 가능한 수준으로 높일 것입니다. 그러나 주의할 점은 추가 질량이 시간이 지나면서 콘의 처짐을 초래할 수 있다는 것입니다. 처짐이 과도하면 보이스 코일이 잘못 정렬되어 드라이버가 조기에 고장날 수 있습니다.

 

1.220 수동 보조 질량 부하 스피커

수동 보조 스피커는 반드시 질량 부하를 필요로 하지는 않지만, 이 섹션에서 설명하는 방법론에 필요한 매개변수를 달성하는 한 가지 방법이므로 질량 부하 기술의 한 유형으로 포함됩니다. 수동 보조 스피커는 Thiele의 5차 수동 보조 통풍 정렬 작업에서 비롯되었습니다. Benson25와 Von Recklinghausen26은 처음으로 패시브 하이패스 필터와 박스/드라이버 조합의 전달 함수를 결합하여 밀폐형 인클로저의 저역 응답을 확장하는 아이디어를 도입했습니다. 이후 1985년 79번째 AES 컨벤션에서 Geddes와 Clark이 발표했습니다.27 그들은 이러한 설계가 서브우퍼와 함께 사용되는 위성 스피커와 같이 능동 이퀄라이제이션이 실용적이지 않은 구성에 매력적일 것이라고 제안했습니다. 또한 자동차 오디오 응용에서도 한정된 증폭기 전압으로 인해 이러한 설계가 유리할 것이라고 제안했지만, 능동 EQ가 자동차 오디오에서 큰 역할을 하므로 이는 유효하지 않을 수 있습니다.

실제 스피커 제작의 실용적인 세계로 가져오면, Tom Nousaine은 1989년 Speaker Builder에서 흥미로운 응용 사례를 설명했습니다. 이 유형의 수동 보조 설계의 기본 기준은 우퍼의 Qms가 7에서 10 사이여야 한다는 것입니다. Geddes와 Clark의 논문에서 설명한 설계는 비전도성 보이스 코일 포머를 사용하여 Qms가 높은 JBL 128H 12" 우퍼를 사용했습니다. 대부분의 가정용 하이파이 드라이버는 전도성 포머를 사용하며 Qms 값이 3에서 5 사이이므로, 추가 질량을 사용하여 Qms를 수용 가능한 수준으로 높입니다.

이 방법론을 사용하려면 Qms 값이 약 4.5인 우퍼를 선택하고 기계적 Q를 약 7 또는 8로 증가시킬 만큼의 질량을 추가합니다. Nousaine 기사에서 사용된 12" 우퍼는 질량을 80% 증가시켜야 했습니다(이전 질량 부하 예와 유사함). 보조되지 않은 박스 Qtc는 약 1.1로 설정해야 합니다. 앞의 예와 같이 두 드라이버 조합을 사용하는 것이 변위 및 효율성 측면에서 더 만족스러울 것입니다.

직렬 하이패스 필터는 단일 커패시터입니다. 커패시터의 값은 다음과 같이 계산됩니다:

표 1.24는 Tom Nousaine의 SB 기사에서 사용된 동일한 드라이버, 추가 질량 및 박스 치수의 드라이버 및 박스 값을 제공합니다(Precision TA305F 12" 우퍼 사용).

이 설계를 위해 필요한 커패시터는 약 1,750μF로 계산되었으며, 이는 하나의 큰 모터 스타트 커패시터 또는 여러 개의 병렬 비극성 전해질 커패시터로 얻을 수 있습니다.

그림 1.52는 질량을 추가하지 않은 상태에서, 질량을 추가한 상태에서, 그리고 질량과 필터가 모두 있는 상태에서 인클로저에 있는 드라이버의 컴퓨터 1W SPL 시뮬레이션을 보여줍니다. 보조 설계는 질량만 있는 설계보다 f3를 10Hz 낮춥니다. 그러나 이제 응답이 매우 날카로운 "무릎" 4차 통풍 응답과 유사합니다. 이는 그림 1.53의 그룹 지연 및 콘 변위 곡선에서 확인할 수 있습니다. 그룹 지연 곡선의 모양은 매우 낮은 댐핑이 있는 통풍 인클로저와 비슷하지만 이는 좋은 저역 확장을 위한 트레이드오프입니다. 필터 추가로 인해 콘 변위도 증가했습니다. 그림 1.54의 임피던스 곡선을 보면 직렬 하이패스 필터가 드라이버/박스 임피던스를 변경하지 않는다는 것을 알 수 있습니다.

입력 전력을 20W로 증가시키면 그림 1.55에서 SPL 그래프가 나타납니다. 전압 드라이브 증가에 대한 예상 변화가 나타나며, 다중 드라이버 구성으로 인해 허용 가능한 한계 내에 있습니다. 그림 1.56의 그룹 지연 및 콘 변위 곡선도 전력 증가에 따른 댐핑 변화를 반영합니다. 수동 보조 설계의 변위 요구 사항은 이 드라이버의 Xmax +15%가 6.9mm이므로 7mm에서 합리적입니다. 유일한 단점은 4차 응답 형태와 동반되는 그룹 지연 응답이 좋지 않으며, 추가 질량으로 인해 보이스 코일 정렬 문제가 발생할 수 있다는 것입니다. 처짐 문제는 드라이버를 인클로저에서 180도 회전시키는 것으로 피할 수 있습니다.

1.300 밀폐형 후방 챔버 밴드패스 인클로저

 

1.310 정의

밀폐형 후방 챔버 밴드패스 인클로저는 기본적으로 드라이버의 전방 방사에 직렬로 연결된 음향 필터가 추가된 밀폐형 박스 시스템입니다. 추가 필터 요소 덕분에 대역폭과 효율성에 대한 트레이드오프 가능성이 단순 밀폐형 인클로저보다 큽니다.

 

1.315 추가 용어

 

 

1.320 역사

밴드패스 인클로저는 현재 유행처럼 인기를 끌고 있지만, 새로운 설계 개념은 아닙니다. 최초의 특허는 1934년 앙드레 달통(Andre d'Alton)이 출원한 것이며(특허번호 1,969,704), 1952년 MIT 대학원생 산텐스(Santens)가 프랑스 출판물 L'Audiophile에 밀폐형 후방 챔버 밴드패스 스피커에 대한 핸드 계산 설계 시스템을 발표했습니다. 그 후 얼마 지나지 않아, 보스(Bose)는 1985년 10월에 전면 및 후면 챔버 밴드패스 인클로저에 대한 특허(특허번호 4,549,631)를 획득했고, 이는 나중에 아쿠스티마스(Acoustimass) 3피스 스피커 시스템이 되었습니다. 이어서 얼 게디스(Earl Geddes)는 1986년 11월 81회 AES 컨벤션에서 "밴드패스 스피커 인클로저"라는 제목의 발표(preprint no. 2383)를 통해 이를 유지시켰으며, 이 논문은 1989년 5월 JAES에 개정되어 발표되었습니다. 아마추어와 제조업체 사이에서 인기가 폭발적으로 증가한 것은 1988년 6월 스피커 빌더(Speaker Builder)에서 장 마르제랑(Jean Margerand)이 오그리스(Augris)와 산텐스(Santens)의 방법론을 재발표한 이후일 것입니다.

 

1.330 우퍼 선택

밀폐형 후방 챔버 밴드패스 인클로저에 적합한 우퍼 선택은 표준 비필터 밀폐형 박스와 거의 동일합니다. 밴드패스 인클로저에서는 트레이드오프의 유연성이 증가하기 때문에 f/Qts_{ts}ts​의 비율이 중요합니다. 보통 밀폐형 박스 시스템에 사용되는 높은 Qts_{ts}ts​를 가진 낮은 비율은 일반적으로 더 낮은 f3 롤오프를 제공합니다.

 

1.340 BOX SIZE DETERMINATION

상자의 크기 결정을 위한 방법론은 SB 6/88 기사에서 가져온 것으로, 다소 간단하게 설명됩니다. 각각의 테이블은 인클로저 매개변수를 도출하기 위해 사용됩니다. 각 테이블은 대역폭 내에서의 리플(S)의 다른 레벨을 나타냅니다. 이 리플 팩터 S는 통과대역에서 SPL 변동을 나타내며, 저주파 롤오프(fL)와 고주파 롤오프(fH) 사이의 -3dB 주파수로 표현됩니다. Table 1.25는 0 리플(S=0.7)을 나타내어 최고의 과도 응답을 나타냅니다. Table 1.26은 0.35dB 리플(S=0.6)을 나타내어 약간의 리플을 보이며, Table 1.27은 1.25dB 리플(S=0.5)을 나타내어 리플이 가장 많습니다. S는 또한 전체 대역폭의 일반적인 지표로 사용되며, 가장 넓은 S=0.5와 가장 좁은 S=0.7로 나타낼 수 있습니다.

추천 절차는 S=0.7로 시작하여, 원하는 fL과 fH 주파수 및 감도 레벨을 제공하는지 확인하기 위해 시험과 오류를 거치는 것입니다. 저주파와 고주파 롤오프 포인트 fL과 fH는 드라이버의 fL과 fH 포인트를 테이블에서 찾은 fL과 fH 팩터와 곱하여 구할 수 있습니다. 만족스러운 타협점을 찾을 때까지 이 작업을 반복할 수 있습니다.

V_f, 즉 전면 챔버의 볼륨은 다음과 같이 계산됩니다:

 

 

1.360 EXAMPLE DESIGN CHARTS and COMPUTER SIMULATION

 

Table 1.28은 8인치 우퍼를 사용하는 밀폐 후방 챔버 밴드패스 설계의 예를 보여줍니다. 설계 테이블의 데이터를 LEAP 4.0에 입력하여 컴퓨터 시뮬레이션을 생성했습니다. 계산기 디자인 차트와 비교할 때, LEAP 프로그램의 모델링은 훨씬 더 정교합니다. LEAP는 비선형 BL, 순응성 및 포트 손실뿐만 아니라 다양한 주파수 종속 매개변수를 고려합니다. 일반적인 Thiele/Small 모델(이 책의 모든 계산기 디자인 차트의 기초가 되는)은 일반화된 상수를 기반으로 하며 손실의 주파수 종속 특성을 고려하지 않거나 드라이버 비선형성을 다루지 않습니다. 그러나 작은 신호(1W) 수준에서는 계산기 방법이 일반적으로 상당히 정확하며 설계 작업에 충분히 신뢰할 수 있습니다. Table 1.28에 나와 있는 결과는 LEAP의 fL과 fH 예측이 설계 테이블의 예측보다 1Hz 이내로 정확함을 보여줍니다.

1W SPL과 위상은 Fig. 1.58에 나타나 있으며, 일반적인 밴드패스 모양을 보여줍니다. -3dB 지점은 42Hz로, 이는 이 우퍼가 0.7ft³ 밀폐 인클로저에서 생성하는 약 55Hz의 -3dB 지점과 비교할 때 좋은 수치입니다. 롤오프 기울기는 저주파에서 약 15dB/옥타브, 고주파 응답에서 17.8dB/옥타브로 가파릅니다. 그러나 많은 문헌은 밴드패스 인클로저가 좋은 저역 필터라고 암시하는 경향이 있습니다. 이는 사실이 아닙니다. Fig. 1.59는 LEAP 포트 스탠딩 웨이브 모델이 켜진 상태에서 20-20kHz 범위의 동일한 인클로저를 보여줍니다. 이 시뮬레이션은 전면 챔버 댐핑 없이 수행되어 효과를 강조합니다. 이는 파이프 공명(파이프 공명에 대한 자세한 내용은 2장에서 설명합니다)과 포트를 통해 전송되는 스탠딩 웨이브로 인한 응답 이상 현상을 잘 설명합니다. 그러나 Fig. 1.60은 실제 측정된 주파수 응답을 보여줍니다. 이 측정은 DRA MLSSA FFT 분석기와 ACO Pacific 7012 정밀 측정 마이크를 사용하여 근접 필드에서 수행되었으며, 데이터는 LEAP 4.0으로 가져왔습니다. 이 문제는 간단하지 않으며 추가 필터링 없이 밴드패스 인클로저를 사용하는 것은 상위 주파수 출력을 수용하지 않는 한 어렵습니다.

박스 스탠딩 웨이브 모드가 포트를 통해 전송되는 것을 최소화하기 위해 몇 가지 기술을 사용할 수 있습니다. 첫 번째로는 전면 챔버의 모든 내부 벽을 섬유 유리 또는 다른 댐핑 재료로 라이닝하는 것입니다. 자동차에서 사용되는 압착 천과 같은 재료를 인클로저 내부에 포트와 드라이버 사이에 걸치는 것도 효과적일 수 있습니다. 포트와 드라이버 사이에 각도 패널을 고정하여 스탠딩 웨이브 모드를 변경하는 것도 효과적입니다. 많은 디자인에서와 같이 드라이버 바로 위에 포트를 배치하는 것은 셸프 포트보다 더 문제가 될 수 있습니다. 많은 디자이너는 인클로저를 필터 없이 사용하려고 하지 않으며, 일반적으로 전자 필터나 간단한 1차 필터와 임피던스 이퀄라이저를 사용하는 경우가 많으며, 이는 포트 주파수를 다시 조정해야 합니다. Joe D'Appolito가 91차 AES 컨벤션에서 발표한 논문에서 설명한 첫 번째 고역 통과 및 저역 통과 필터를 추가하는 방법도 있습니다. 이 방법론은 TopBox 컴퓨터 소프트웨어에 통합되어 쉽게 사용할 수 있습니다. 이러한 모든 방법은 일정량의 시행착오를 수반합니다.

Fig. 1.61은 그룹 지연과 콘 이동을 보여줍니다. 그룹 지연은 베이스 리플렉스 인클로저와 비슷한 댐핑 상태를 나타냅니다. 저주파 롤오프는 밀폐형 인클로저와 같은 2차 롤오프일 수 있지만, 과도 응답은 비교적 열화됩니다. Fig. 1.62에서는 임피던스를, Fig. 1.63에서는 콘 속도를 확인할 수 있습니다. 두 그래프의 모양은 베이스 리플렉스 인클로저와 비슷하며, 최대 드라이버 가속이 공진 주파수에서 발생합니다. 입력 전력을 20W로 증가시키면, Fig. 1.64에서 볼 수 있듯이 상단 끝에서 응답이 다소 피크를 이룹니다. Fig. 1.65에 나타난 콘 이동은 약 6.4mm로, SPL(102dB)에서 나쁘지 않습니다. 이 디자인의 전체 박스 부피는 약 1.2ft³로 단일 8인치 스피커에 비해 큽니다. 밴드패스 디자인은 컴파운드 로딩과 함께 사용되어 더 컴팩트한 변형을 만들 수 있습니다.

 

1.370 BANDPASS ENCLOSURE VARIATIONS.

 밀폐형 후방 챔버 밴드패스 인클로저의 몇 가지 변형이 가능합니다. Fig. 1.66의 다이어그램은 다섯 가지 다른 가능성을 보여줍니다: A. 단일 드라이버 밴드패스; B. 듀얼 드라이버 푸시/풀 밴드패스; C. 푸시/풀 컴파운드 밴드패스; D. 트리플 챔버 밴드패스; E. 푸시/풀 트리플 챔버 밴드패스. 다중 드라이버 구성인 B는 두 드라이버의 결합된 부피를 사용합니다. 트리플 밴드패스의 중앙 챔버는 각 드라이버의 전면 볼륨을 합친 것과 같으며 해당 주파수로 튜닝됩니다. B, C, D의 드라이버는 병렬 또는 직렬 배선 배열에 대해 전기적으로 반대로 연결됩니다. 자동차 오디오용 푸시/풀 트리플 챔버 밴드패스 인클로저를 설명하는 구성 기사는 "Symmetrical Loading for Auto Subwoofers"에서 Matthew Honnert에 의해 설명되었으며, 이는 Speaker Builder 6/90, p. 20에 실렸습니다.

 

1.400 APERIODIC CLOSED-BOX LOUDSPEAKERS.

에이퍼리어딕 스피커 설계는 밀폐형 박스 형식의 변형으로, 섹션 1.82에서 설명한 댐핑 기술의 특별한 확장에 가깝습니다. 에이퍼리어딕 스피커는 Variovent라는 장치를 사용하는 밀폐형 박스입니다. Scan Speak과 Dynaudio에서 판매하는 Variovent는 인클로저에서 나오는 저항성 경로를 제공하여 밀폐형 박스를 저항성으로 누출되는 밀폐형 박스로 변환합니다. 이 장치는 4인치 직경의 구멍에 장착되며, 플라스틱 홀더가 1인치 두께의 고밀도 유리섬유 재료를 샌드위치처럼 감싸고 있습니다. 이 유리섬유는 저항성 누출을 제공하며 벤트 역할을 하지 않습니다. Variovent는 밀폐형 박스의 임피던스를 댐핑하는데, 이는 고밀도 충전재를 100% 추가하는 것과 같은 방식으로 작동합니다. 두 기술 모두 인클로저의 유효 크기를 증가시킵니다. 에이퍼리어딕 설계의 역사는 1960년대 Dynaco A-25 시리즈로 거슬러 올라갑니다. 성공적인 A-25는 Scan Speak에서 생산되었으며 Variovent를 사용했습니다.

Variovent의 적용은 간단합니다. 인클로저의 뒷면에 장착 구멍을 자르고, 인클로저를 유리섬유로 안감 처리한 후 우퍼에서 Variovent로 가는 경로를 남겨둡니다. 인클로저가 50리터까지는 Variovent 하나, 80리터까지는 두 개, 80리터 이상에는 세 개의 Variovent를 권장합니다.

Variovent의 인클로저 댐핑 능력을 유용한 관점에서 평가하기 위해 Dynaudio Variovent를 측정하고, 섹션 1.82에서 설명한 몇 가지 댐핑 재료의 댐핑 효과와 비교했습니다. 동일한 테스트 절차, 우퍼 및 테스트 박스를 Audio Precision System 1을 사용하여 드라이버/박스 조합의 임피던스를 측정했습니다. Variovent를 추가적인 유리섬유 없이 박스에 설치한 경우와 약 50% 채운 유리섬유를 사용한 경우로 테스트를 수행했습니다.

System 1 .DAT 파일을 LEAP 4.0에 가져와 실제 임피던스로 변환하여 그래프로 표시한 결과가 Fig. 1.67에 나타나 있습니다. 세 가지 곡선이 표시되어 있으며, 유리섬유나 Variovent가 없는 박스, Variovent만 있는 박스, Variovent와 유리섬유가 모두 있는 박스를 비교합니다.

LEAP 자동 스피커 파라미터 측정 유틸리티를 사용하여 박스 파라미터를 계산했습니다. Table 1.29는 Variovent의 측정된 효과를 유리섬유와 함께 또는 없이 비교한 결과를 섹션 1.21에서의 1 Ib/ft3 유리섬유 (R19) 50% 채움과 4 Ib/ft3 유리섬유와 Acousta-Stuf의 50/50 혼합 데이터를 함께 비교합니다. Variovent의 효과는 4 Ib/ft3 유리섬유/Acousta-Stuf의 50/50 혼합과 매우 유사합니다. 이 정보에서 Variovent는 다른 채움 형식의 실행 가능한 대안이 될 수 있음을 알 수 있습니다. 주파수 응답은 섹션 1.82의 50% 채움 R19 예제와 거의 동일할 것으로 예상되어 측정되지 않았습니다.