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 작성일 : 2008-03-08 02:29:57
기술 백서 (Danley Sound Labs의 Tapped Horn과 Synergy Horn 기술에 관한 백서)
글쓴이 : 관리자
 
Danley Sound Labs의 Tapped Horn 기술 백서






Tapped
Horn (특허 출원중)


혼은
스피커 드라이버와 합쳐져 음질 보강할 목적으로 수 십 년 동안 사용되어
왔습니다. 또한 드라이버로부터 방사되는 소리를 더욱 힘있고 멀리 전달할
목적으로 사용되었습니다. 음압을 최대로 하기 위해서는 스피커 드라이버와
공기 사이의 임피던스를 일치시켜야 합니다. 혼은 바로 이 임피던스를
일치시키는 수단입니다.


혼이
제대로 동작하기 위해서는 방사되는 주파수의 파장(wavelength) 보다
음향학적으로 작아서는 아니 되며 지금까지의 혼의 이론과 설계 방식은
이러한 이론에 근거합니다. 이러한 조건을 맞추기 위하여 혼의 크기는
저주파가 잘리는 부분의 파장이 적어도 1/2이 되어야 하며 구경의 원둘레는
적어도 하나의 파장이 되어야 합니다. 이러한 이론에 의거하여 저음을
재생하기 위해서는 매우 크고 이동이 불가능한 스피커를 만들어야 하므로
현실적으로는 불가능 하였습니다.


그래서
일반적인 혼의 크기는 저주파가 잘리는 부분의 파장이 1/4로 만들어
사용하고 있습니다.


이러한
‘지름길’은 혼의 성능에 아주 흥미로운 영향을 미쳤습니다. 중요한
것은 1/2파장의 공명이 드라이버에서 소리의 전달속도가 최대치를 갖는
것에 비해 1/4파장의 공명이 드라이버에서 소리의 전달속도가 최저치를
갖는다는 것입니다. 일반적인 혼의 설계방식의 결과는 혼에서 나온 소리가
저주파 영역에서 합이 이루어 지지 않으며 1/2이 되는 혼과 상응할 정도로
주파수가 충분히 증가하지 않으며 힘의 전달도 이루어 지지 않는다는
것입니다.


이러한
관점에서 본다면 “1/4 파장의 혼들이 효율적으로 소리를 낼 수 있는가?”
그것에 대한 답은 확실히 “그렇다” 입니다. 그렇게 하기 위해서는
혼의 시작점에서 드라이버에 나타난 조건을 검사하고 최대의 힘이 전달되도록
일치시켜야 합니다. 최소 전달 속도의 조건은 전통적인 이론보다 더욱더
강력하고 강한 큰 자석과 더 큰 코일의 움직임을 필요로 합니다. 부정적인
면은 크고 강력한 드라이버가 전통적인 혼을 구동 할 수 없다는 것입니다.
일반적인 혼이 적어도 파형길이의 1/2기 되는 지점까지 주파수가 증가된다면
DANLEY SOUND LABS의 혼은 지구상에 존재 하지 않았을 것입니다.


그래서,
주파수에 의존하는 그 기계적 (TSP/Thiele-small parameter) 값을 변경할
수 있는 라우드 스피커의 드라이버가 필요 합니다. 그러나, 걱정할 필요는
없습니다. 왜냐하면 보물상자를 발견하였으니까요!


겉보기에
불가능한 이 작업은 드라이버 뒷면으로 방사되는 소리가 앞면 혼을 움직이는
시작점으로부터 멀고 혼의 입구와 가까이 둠으로써 가능하게 되었다.


 




Tapped
Horn의 사례



드라이버의
뒤쪽이 혼의 입구에 가까우므로, 저음 시스템으로부터 효과적으로 분리되며
전체출력에는 영향을 미치지 않습니다. 이는 파형길이(wavelength)가
1/4이 지점에 드라이버끝부분을 위치 시키기 때문 입니다. 드라이버의
뒤쪽의 압력은 드라이버의 시작점에서 다시 입구 쪽으로 반사됩니다.
이 과정의 총 길이는 파장(wavelength)의 1/2입니다. (1/4은 내려가고
1/4은 돌아갑니다.) 반사된 파형은 드라이버의 뒤쪽에서 원래 방출된
압력의 180° 바뀐 위상으로 도달하게 되며 결국 위상캔슬(취소)을
시키게 됩니다.


주파수가
증가하면서 상황이 조금 바뀌는데 드라이버Throat 끝으로부터의 반사가
그 자체의 방사를 캔슬하지 않으므로 드라이버의 뒤쪽은 혼 쪽으로 증폭됩니다.
주파수가 증가하여 혼이 파장의 1/2이 될 때, 드라이버의 뒤쪽은 혼
쪽으로 완전한 합이 되어 증폭됩니다. 드라이버의 앞과 뒤쪽의 압력은
모든 주파수에서 정확히 180° 바뀐 위상을 나타냅니다. 드라이버의
전면으로부터의 압력과 드라이버의 뒤쪽(입구에 가까운)으로부터의 압력은
지금 분명히 파형길이의 1/2만큼 벌어져 있습니다. 이 주파수에서 드라이버의
전면과 후면 모두는 혼을 서로 다른 위상으로 구동시킵니다. 이러한
현상이 발생할 때, 드라이버의 방사 표면적은, 혼이 관련된 만큼, 심각하게
증가합니다(거의 2배). 드라이버가 진동판(Diaphragm)의 전면과 후면에서
방사를 하므로 파형길이의 1/4인 공명 조건일 때 보다 매우 큰 드라이버
매개변수를 만들어냅니다.



공식을 사용하여 상자에 담긴 작은 혼으로부터 얼마나 많은 낮은 저음주파수가
얻어지며 모든 출력의 이득이 얻어지는지를 보여주기 위해서, 각각의
성능에 맞게 시뮬레이션을 통해 최적화된 드라이버가 장착된 Tapped
Horn (Danley Sound Labs)과 Vented box(일반적인 스피커)를 비교합니다.
(그림 1참조)



개의 박스(Enclosure)는 동일한 외경 크기로 만들어져 측정하였습니다.
(40인치 x 22.5 인치 x 28 인치.)


2개의
드라이버에 대한 SPL을 비교함에 있어, Tapped Horn의 진정한 힘중 하나가
그림에 나타나 있습니다. 드라이버 진동판(Diaphragm)의 왕복운동은
혼의 음향학적 위치로 인해 급격히 감소됩니다. 즉 63V (500 W)의 입력만으로
Vented box는 90Hz에서 5mm (0.2 인치) 초과하게 됩니다. Tapped horn은
55Hz을 넘기 전까지는 이 이하에 있습니다. Tapped Horn의 팽창이 46Hz에서
6mm를 최고점으로 초과할 때, Vented box(일반적인 스피커 박스형태)는
55와 35 Hz에서 9mm에 달합니다. 이 증가는 왕복운동으로 공기를 이동
시킴에 있어 매우 낮은 왜곡과 Tapped Horn으로부터의 높은 결과치를
만들어 냅니다.





그림1-
시뮬레이션을 통한 Tapped horn과 Vented box의 모델. (28V, 10m에서의
측정-1m/1w와의 동일한 값)





그림2- 63V(500W) 입력 시 드라이버 다이어프램
왕복운동
.



이것은
컴퓨터 모델이기 때문에 이러한 종류의 비교가 가능합니다. 실질적으로,
Vented box(일반적인 스피커 박스 형태)는 아주 작은 덩어리(100g)를
움직일 수 있는 15인치드라이버를 만들어 냅니다. 실질적으로 힘있고
강한 콘 드라이버나 큰 다이어프램, 긴 보이스 코일을 만들 수 없다.
현재 사용되는 드라이버의 power handing(방열) 및 왕복운동 능력은
상당히 제한됩니다. 대부분 약 3~4mm로 제한이 됩니다.


Tapped
Horn은 일반적인 스피커에 비해 더 길고 큰 직경의 보이스 코일을 사용
하여 200g정도 무거운 덩어리를 움직일 수 있도록 하였습니다. Danley
sound labs에 사용된 드라이버는 높은 power handing(방열)과 긴 왕복운동(excursion)을
가능케 합니다. 그것의 선형(linear) 왕복운동 능력(Xmax)이 9mm에 달합니다.



드라이버의 왕복운동(excursion)의 제한에 대한 계산과 각 드라이버의
왕복운동 능력(Xmax)을 초과하지 않는 입력을 제한하는 SPL의 최대출력능력은
그림3에 나타나있습니다. 이것은 10미터에서 측정한 값입니다. Tapped
Horn이 90V (1,013 W)를 수용할 수 있는 반면, Vented box(일반적인
스피커 박스형태)는 30V (113 W)의 입력으로 제한됩니다. 이것은 Tapped
Horn의 명확한 장점입니다.






그림 3
– 10미터에서 측정한 드라이버의 왕복운동(excursion)의 제한에 대한
계산과 각 드라이버의 왕복운동 능력(Xmax)을 초과하지 않는 입력을
제한하는 SPL의 최대출력능력.


 

























Synergy Horn (특허 출원중)


혼은
높은 주파수의 재생에도 유용합니다. 이처럼 높은 주파수에서는, 스피커
드라이버에 적당한 재생을 하도록 하는 것도 중요하지만, 균일한 주파수
대역에 걸쳐 일정한 방향성 제어를 제공하는 것도 중요합니다. 하지만
이것을 실현하기란 매우 힘듭니다. 우선 100Hz아래의 낮은 주파수와
10KHz이상의 높은 주파수를 재생하기 위해서는 최적화된 다양한 사이즈의
드라이버가 필요 합니다. 모든 스피커가 그렇지는 않지만 대다수의 스피커는
드라이버 또는 혼의 방사부분을 물리적으로 다른 위치에 배치합니다.
이러한 스피커디자인의 경우, 하나 스피커에서 서로 다른 드라이버에서
일정한 소리를 재생하고 패턴을 유지하기란 어려워 집니다.


파장(wavelength)이
긴 낮은 주파수 에서 방향성을 제어하기 위해서는 균등한 재생을 할
수 있는 혼의 방사구가 필요 합니다. 혼의 방사구크기(구경), 방향성
제어 및 주파수에 관련된 일반적으로 수용 가능한 등식은 이렇습니다.


 




fθ = K/(dmouth x θ)



f
방향성
제어시의 손실이 시작되는 주파수이며


dmouth (구경)는
평면상의 방사부의 크기(높이나 넓이)를 말하고,


θ
는 평면상의
혼의 커버리지(각도)이며


K
는 상수; 1x10⁶ inch*degree*Hz (2.54x10⁴meter*degree*Hz)


 



위의
공식에서도 볼 수 있듯이 500Hz에서 50° 커버리지를 가지려면, 약
40(약1미터)인치가 필요합니다. 따라서, 큰 혼을 사용한다는 것이 얼마나
큰 이점이 되는지가 분명해집니다.


이제
문제는 일반적인 스피커 박스 크기를 유지하면서 어떻게 커다란 혼을
만들어내느냐 하는 것입니다. 동축(Coaxial) 혼 타입으로 배열하는 방법과
중간 주파수의 커다란 혼 내부에 높은 주파수의 작은 혼을 장착시키는
방법 등이 여러 제조업체에 의해 사용되었습니다. 각 주파수 범위에
대하여 앞에서 언급했듯이 같은 혼 내부에 여러 개의 드라이버를 사용하는
디자인 접근법이 일부에 의해 시도된 적이 있었습니다. 이러한 모든
방법은 스피커 박스 전면 전체를 혼의 방사구(Mouth)로 사용하는 이점이
있지만 힘든 작업입니다.


높은
감도(효율적인 출력전달), 뛰어난 방향성 제어 및 진정한 Modular Array능력과
더불어 단 하나의 혼/드라이버 시스템의 효율적인 성능을 제공하기 위해서
Synergy Horn은 여러 개의 드라이버로부터 나오는 소리를 하나의 혼으로
완벽히 일치 시킵니다.


원추형(Conical)혼은
높은 주파수에서 낮은 주파수까지 일정한 지향성 제어가 가능합니다.
원추형 혼을 사용하는 데 있어서의 문제점은 저음용 드라이버를 사용하지
못한다는 점입니다. 드라이버에 나타나는 혼의 부하는 혼의 확장비율로도
볼 수 있습니다. 500Hz의 전형적인 확장이 그 영역을 매번 1.5인치(3.81cm)
씩 배가시키는 반면, 125 Hz의 전형적인 혼은 혼 길이의 매번 6인치(15.24cm)씩의
교차범위영역을 배가시키는 확장비율을 가지고 있습니다.


이와
동일한 방법으로 원추형 혼의 확장을 볼 때, 흥미로운 점이 나타납니다.
원추형 혼의 확장은 그 정점(Throat)에 근접할 정도로 매우 빠릅니다.
이는 매우 짧은 거리에서 그 영역을 배가시킨다는 것입니다. 정점으로부터의
거리가 방사부(Mouth)를 향해 증가되므로, 확장비율은 감소하는 것처럼
보입니다. 다시 말하자면, 영역이 배가되려면 정점으로부터 혼 아래까지
더 먼 거리가 필요하다는 뜻입니다. 원추형 혼의 축을 따라서 각 지점에
대한 본질에는 서로 다른 확장 비율과 차례대로 서로 다른 낮은 주파수가
차단 됩니다. 아래의 그림을 참조하세요.



style="font-size:9pt;">Figure 4 – Approximate driver loading of SH-50 based on where along the horn the driver is located




이러한
효과를 이용하여, 드라이버에 낮은 주파수를 재생하기 위해서 원추형
혼은 그 길이에 따라 적절한 위치에 놓일 수 있으며 이는 Synergy Horn과
함께 드라이버의 위치를 결정하는 원칙 중의 하나입니다. 각각의 드라이버들이
사용되는 주파수 영역(pass band)내에서 혼이 훨씬 더 좋은 부하를 제공하는
방사구(Mouth) 근처에 저음 주파수의 드라이버가 위치하게 됩니다.




그림 5
- 3웨이 Synergy Horn의 로우, 미들, 하이 드라이버들의 배치


Synergy
Horn의 내부에 각 통과대역에 대한 드라이버의 위치를 결정하는 다른
비슷한 원칙들도 여러 개 있습니다. 이러한 법칙들을 관찰한 결과는
다른 주파수를 재생하는 드라이버들을 하나의 혼 안으로 효과적으로
결합된다는 것입니다.


크로스오버는
Synergy Horn의 전체적인 시스템 설계에서 아주 중요하고 꼭 필요한
부분입니다. 스피커 드라이버들은 서로 근접해있으며 상호 결합된 통로로
위치되어 드라이버들은 서로 음향학적으로 상호작용을 합니다. 드라이버
각각의 등급과 단계별 반응을 고려한다는 것은 crossover의 설계에 있어서
필수적인 사항입니다. 이것이 되었을 때, 각 통과대역과 혼의 기하학인
크로스오버 디자인 사이의 밀접한 결합과 함께 시스템의 작동범위를
통해 경이로울 정도의 짧은 그룹 지연 또는 “위상 찌그러짐”을 최소화하는
크로스오버 설계를 가능하게 합니다. 이것은 그림에서 보여지는 평탄한
위상 특성과 감동적인 충격 및 그룹 지연에 의해 증명됩니다.





그림 6 – 3웨이(SH50)
Synergy Horn의 크기(Magnitude)와 위상특성



style="font-size:9pt;">그림 7 – 3웨이(SH50)

Synergy Horn의 충격특성(Impulse response)과 그룹 딜에이





Figure 8 - SH-50 정확히
측정한 빔폭(beamwidth)



밖으로
나오는 원추형 혼의 사용은 Synergy Horn의 지속적인 방향성 반응을
제공합니다. 이는 제품 SH-50의 빔폭(beam width)반응을 측정한 그림에서
볼 수 있듯이 넓은 커버리지 범위에서 발생합니다. 여러 개의 장치는
근접한 장치 사이에 극히 적은 양의 간섭을 가지도록 배열될 수 있습니다.
이는 각 장치로부터 발산되는 파형의 반경을 일치시킴으로써 완성될
수 있습니다.


만일
파형 전면 반경이 일치하지 않을 경우, 위상 간섭과 컴필터링(comb filtering)이
발생합니다. 이는 겹치는 영역에서 파형 전면의 합산에서의 오류에 기인합니다(그림).
파형이 일치할 경우, 결과로 나타나는 이러한 간섭과 컴필터는 실질적으로
제거될 수 있습니다.


SH-50의
경우, 스피커박스의 옆면 각도와 혼의 커버리지 각도 사이의 적절한
관계가 구성되어 있습니다. 이는 서로 밀접하게 붙어있는 스피커박스가
단단하게 붙어있고 파형의 일치 조건이 가장 작은 파형의 일치 된 합의
오류만을 가진 상태로 달성되도록 하여 줍니다.(그림 10)


이것은
EASE 모델의 성능과 수평으로 설치된 2개의 SH-50의 결합된 방향성에
대한 실제의 측정치 사이의 밀접한 상호관계에 의해 더 잘 묘사되어
있습니다. 여러 개의 주요 주파수에서의 극성 그래프는 그림 11에서 볼
수 있습니다.



face="굴림" color="#191919">그림 9 – Comparison of ideal wave front summation (red) and that of a conventional loudspeaker (yellow)




face="굴림" color="#191919">그림 10 – Comparison of ideal wave front summation (blue) and that of the SH-50 Synergy Horn (green)




align="center">그림 11 – 두개의 SH-50 스피커의

어레이 수평축 계획

Measured – Blue / Modeled – Gray



         
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6 2016 KOBA 참관 관리자 2016-05-12 3267
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1 기술 백서 (Danley Sound Labs의 Tapped Horn과 Synergy Horn 기... 관리자 2008-03-08 4474
   

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