투고일_2018.12.10 심사기간_2019.01.01-16 게재확정일_2019.02.01
3D 프린팅 기술을 활용한 음파 증폭 무지향성 스피커 구조 및 조형에 관한 연구
A Study on the Research of Core Structure and Form for Nondirectional Sound Amplification Speaker through 3D Printing Technology
조성주(교신저자), 국립 금오공과대학교 디자인공학전공 / 조재영, 국립 금오공과대학교 대학원 / 임창환, 국립 금오공과대학교 대학원 / 정의영, 국립 금오공과대학교 대학원 /
Cho, Sung Joo(Corresponding author)_Dept. of Engineering Design of Kumoh National Institute of Technology / Jo, Jae Young_Graduate School of Kumoh National Institute of Technology /
Lim, Chang Hwan_Graduate School of Kumoh National Institute of Technology / Jeong, Ui Yeong_Graduate School of Kumoh National Institute of Technology /
차례 1. 서론
1.1. 연구 배경 및 목적 1.2. 연구 방법
2. 무지향성 스피커의 고찰
2.1. 무지향성 스피커의 종류와 형태 2.2. 무지향성 스피커의 내부구조 분석
3. 적층식 3D 프린터 개념 및 종류
4. 3D 프린팅 기술을 활용한 무지향성 음파 증폭 코어구조 설계 4.1. 공진주파수 원리를 이용한 음파 증폭 도파로 디자인 구조 원리 4.2. 음파 증폭 구조 실험 프로세스
4.3. 음파 증폭 무지향성 스피커 제작 프로세스
5. 음파 증폭 성능 사용성 평가 5.1. 평가 방법 및 기준 5.2. 평가과정 및 결과
6. 결론
참고문헌
3D 프린팅 기술을 활용한 음파 증폭 무지향성 스피커 구조 및 조형에 관한 연구
A Study on the Research of Core Structure and Form for Nondirectional Sound Amplification Speaker through 3D Printing Technology
조성주(교신저자), 국립 금오공과대학교 디자인공학전공 / 조재영, 국립 금오공과대학교 대학원 / 임창환, 국립 금오공과대학교 대학원 / 정의영, 국립 금오공과대학교 대학원 /
Cho, Sung Joo(Corresponding author)_Dept. of Engineering Design of Kumoh National Institute of Technology / Jo, Jae Young_Graduate School of Kumoh National Institute of Technology /
Lim, Chang Hwan_Graduate School of Kumoh National Institute of Technology / Jeong, Ui Yeong_Graduate School of Kumoh National Institute of Technology /
요약 산업발전과 제조혁신으로 4차 산업혁명이 도래한 현재 거의 모든 전자기기가 소형화 추세에 있으며 휴대성이 강조되고 있다. 또한 통신기술과 충전기술의 발달로 여러 기기를 무선으로 연결하여 다양한 장소에서 문서, 사 진, 음악, 동영상 등의 콘텐츠를 활용하고 있다. 현재 보급률이 급상승하고 있는 블루투스 스피커도 소형화 추 세에 발맞추어 발전하고 있지만 이를 통한 음질 및 음량의 저하는 피할 수 없는 현실이다. 이러한 단점을 해결 하기 위하여 본 연구에서는 별도의 스피커 유닛과 추가적인 전력 공급 없이 스피커 내부 구조의 조형적인 변화 를 통하여 음파를 증폭시킬 수 있는 무지향성 스피커 개발을 목적으로 한다. 이를 위하여 공진주파수 원리를 이 용한 음파 증폭 도파로를 고안하고 이를 활용한 음파 증폭 코어 구조를 설계하였다. 일반적인 전방향 스피커와 음파 증폭 무지향성 스피커의 음량을 비교 평가한 결과 가청 주파수 영역에 해당하는 50Hz~10,000Hz 음역 대에서 평균 17dB 정도 높은 음량이 출력되었다. 또한 피험자를 대상으로 한 사용성 평가에서는 음의 선명함 과 조화로움의 항목에서는 두 스피커 간 유의미한 차이는 없었으나 음의 확산 그리고 풍부함 항목에서 코어 구 조를 탑재한 음파 증폭 무지향성 스피커가 전방향 스피커보다 높게 평가되었다. 그러므로 본 연구는 제품의 구 조와 조형적 요소 변화를 통해 제품의 성능 수준을 향상 시킬 수 있다는 가능성을 검증한 것에 의의가 있다.
Currently, 4th industrial revolution that were brought industrial development and manufacturing innovation, most electronic devices are being got miniaturization and emphasized in portability.
In addition, thanks to the development of communication technology and charging technology, we approach various contents using device that are wirelessly connected each other in various locations. Bluetooth speakers with rapidly increasing usage rate were also being developed according to miniaturization. But those can't avoid decreasing quality and volume of sound because miniaturization. To overcome these problem, the purpose of this study is developing nondirectional speakers that can amplify sound waves through changing the speaker's internal structure without additional speaker unit and electric power. For this, waveguide was devised with resonant frequency mechanism and sonic amplification core structure was designed with these waveguide. A comparative evaluation of the volume of a typical normal type speaker and a nondirectional speaker with sonic amplifier resulted in more average output of approximately 17dB above the 50Hz to 10,000Hz range corresponding to the hearing range. In addition, there's no significant difference between the two speakers in clarity and harmony of Sound. But, nondirectional speaker having sonic amplification structure was evaluated higher than common nondirectional speaker in diffusion and abundance of sound. Therefore, this study is meaningful that it demonstrated the possibility to improve the product's performance level through changes in the structure and formative elements.
중심어
무지향성 스피커 음파 증폭 스피커 음파 증폭 도파로 음파 증폭 코어 구조
ABSTRACT Keyword
Nondirectional Speaker Sound Amplification Speaker Sound Amplification Waveguide Sound Amplification Core Structure
본 연구는 금오공과대학교 교내 학술연구비 지원과제임
1. 서론
1.1. 연구 배경 및 목적
최근 1인가구의 증가와 핵가족화가 가속화되고 개인만의 공간에서 자신만의 여가를 즐기고자 하는 새로운 라이프스타일이 등장함에 따라 개인용 블루투스 스피커 시장이 급속도로 성장하 고 있다. 블루투스 스피커는 제조사들에 따라 다양한 형태와 기능을 적용하여 출시되고 있으 며, 4차 산업혁명 시대의 흐름에 편승하여 인공지능 플랫폼을 탑재한 AI(Artificial Intelligence) 스피커가 등장하였다. 음성인식을 통하여 스피커를 컨트롤할 수 있는 AI 스피커를 필두로 음 악을 공간 내 어디서나 동일하게 들을 수 있는 무지향성 스피커1)의 개발이 확대되고 있는 추세이며, 이는 사용자들의 사용편의성을 증가시킴과 동시에 음악을 듣기위한 사용자들의 위 치(스피커 전면)를 자유롭게 해주었다. 현재 시장에 판매되고 있는 무지향성 스피커의 내부 구조를 살펴보면, 음원을 모든 방향으로 출력하기 위해 다수의 스피커 유닛을 장착하거나 고품 질의 대형 스피커 유닛들을 활용하고 있다. 이는 제조단가 상승의 직접적인 원인이며 판매가로 이어져 소비자들의 부담이 가중되고 있는 현실이다. 따라서 본 연구에서는 제품의 조형적 요소 를 변화시켜 앞서 언급한 무지향성 스피커의 단점을 보완하는 것을 목적으로 하고 있다. “조형 이란 여러 가지 것을 사용하여 어느 관념에서 형체를 만들어 내는 것을 뜻하며 어떤 물질을 빌려 이것에 필요한 형태를 부여하는 행위”2)로 제품의 외형에서 느껴지는 매력, 아름다움 그 리고 소비자의 감성품질을 향상 시키는 중요한 본질적인 특징을 가지고 있으나 본 연구에서는 스피커의 외부 형태를 위한 조형이 아닌 내부 구조의 조형적인 변화를 통하여 스피커의 음량증 가 및 음질 등의 성능적인 향상의 가능성에 대하여 연구하고자 한다.
1.2. 연구 방법
본 연구는 논문, 단행본 그리고 전문 서적 등 관련 문헌을 통한 이론적 고찰을 통해 무지향 성 스피커의 종류 및 형태 그리고 적층식 3D프 린터의 특징에 대하여 탐구하였다. 또한 시장 에 출시되어있는 무지향성 스피커의 문제점들 을 분석하고 이를 해결하기 위해 공진주파수의 원리와 음파 증폭 도파로를 활용한 음파 증폭 구조를 설계하였다. 그다음으로 적층식 3D 프 린터를 활용하여 프로토타입을 제작하고 사용 성 평가를 정량평가와 정성평가로 나누어 진행 하여 스피커 내부 구조의 조형적 변화가 스피 커 성능에 미치는 영향에 대하여 연구하고 검 증하였다.
2. 무지향성 스피커의 고찰
일반적으로 스피커는 스피커 유닛이 향하고 있는 방향으로 음파를 방출하는 지향성이라는 특 징을 가지고 있다. 그러므로 스피커 유닛의 배치에 따라 음파의 지향성은 조정이 가능하며, 스피커의 종류는 그림 2와 같이 단일 지향성, 양 지향성 그리고 무지향성으로 크게 분류할 수 있다. 단일 지향성의 경우 청취자가 스피커 정면에 위치했을 때 고품질의 이상적인 소리를 들을 수 있고 다른 방향에 있을 때는 음량 및 음질이 현저히 저하되는 특징을 가진다. 양 지향 성은 정면과 배면 그리고 무 지향성은 스피커의 정면 배면 그리고 좌우 어디에서나 동일한 소리를 들을 수 있게 고안된 스피커라 할 수 있다.
1) 무지향성 스피커 : 360도로 음파를 방출하는 스피커.
2) 한석우, 『입체조형-이론과 실제』, 미진사, 1991, p.13.
<그림 1> 연구 프로세스
<그림 2> 스피커 소리의 방향성(지향성) 종류와 형태
청취자의 위치와 관계없이 동일한 소리를 들을 수 있도록 고안된 무지향성 스피커는 크게 두 가지로 분류 할 수 있다. 첫 번째는 반사음을 이용한 무지향성 스피커이다. 이 시스템은 설계하 기는 쉽지만 반사판의 형상에 따라 소리가 왜곡될 수 있는 단점을 가지고 있다. 두 번째는 유닛의 배치를 이용한 방식이다. 원통형의 인클로저 표면에 돔이나 콘과 같은 일반적인 유닛을 배열하고 각각의 유닛이 360도 모든 방향을 보게 하여 무지향성 스피커를 만드는 형태이며 대다수의 무지향성 스피커들이 이 방식을 사용하고 있다3). 하지만 다수의 스피커 유닛이 필요 하므로 제조단가가 높고 부피가 크다는 단점을 가지고 있다.
2.1. 무지향성 스피커의 종류와 형태
현재 블루투스 스피커는 청취자의 위치에 관계없이 어디서나 동일한 음원을 들을 수 있는 무지 향성 스피커의 사용이 확대되고 있다. 실내용 무지향성 스피커는 일반적으로 실외용 스피커보 다 크며 인테리어 환경에서 상징적인 오브제 역할을 담당하므로 다양하고 역동적인 형태와 CMF등의 조형적 요소들이 폭넓게 활용 되고 있다. 또한 실생활에 도움을 주기 위한 조명, 라디오, 시계, 무선충전 등 부가적인 기능들이 추가되어 출시되고 있고 인공지능 플랫폼과 결합한 가정용 AI 스피커들이 <표 1>과 같이 출시되고 있다.
실외용 무지향성 스피커는 표 2와 같이 일반적으로 실내용 스피커보다 크기가 작아 휴대성을 강조하고 있다. 또한 아웃도어에서의 활용도를 높이기 위하여 충격에 강한 형태와 단단한 재질 을 사용하고 있으며, 콤팩트한 사이즈를 구현하기 위하여 하나 또는 두 개의 작은 스피커 유닛 을 탑재하고 있으므로 상대적으로 소리의 품질이 실내용보다 떨어진다.
3) http://www.ddaily.co.kr/news/article.html?no=135187
네이버 Cloava KT 기가 지니 SK 누구 LG 씽큐 허브 바이저롬 JY-R700
Apple 홈팟 삼성 WAM6501 B&O 베오사운드2 Daum 카카오 미니 하마카돈 Aura studio 2
<표 1> 실내용 무지향성 스피커
2.2. 무지향성 스피커의 내부구조 분석
무지향성 스피커의 내부 구조는 <표 3>과 같이 스피커 유닛을 상하로 배치하거나 여러 개의 유닛들을 전방향으로 배치하는 2가지 형태로 분석할 수 있다. 스피커마다 차이는 있지만, 약 2개의 유닛을 상하로 배치할 경우 X, Y 평면상으로 소리가 퍼질 수 있도록 반사판을 추가한 형태가 일반적이다. 하지만 X, Y 평면상으로 반사된 음파는 반사에 의하여 음원이 왜곡되며, 작은 용적의 스피커 유닛의 사용으로 인하여 풍부한 사운드를 기대하기 어렵기 때문에 콤팩트 한 크기의 실외용 스피커에 많이 사용되고 있다. 반면 전방향 배치는 다수의 스피커 유닛을 인클로저의 전면에 Z축을 중심으로 원형으로 배치한 것을 말하며, 상하 배치와 비교했을 때 음원의 왜곡 현상이 적고 다수의 스피커 유닛의 탑재로 풍부하고 고품질의 사운드 구현이 가능 하다. 하지만 다수의 스피커 유닛을 탑재하기 때문에 부피가 크며 이로 인하여 휴대성은 상대 적으로 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한 많은 부품의 사용과 복잡한 구조로 인하여 제작이 난해하므로 제품의 가격이 상하 배치 방식보다 높은 것이 일반적이다.
배치방식 상하 배치 전방향 배치
모양
장점 적은 수의 스피커 유닛으로 인한 휴대용이 음질, 음량에서 좋은 효과
단점 큰 볼륨을 기대하기 어려움
낮은 주파수 영역을 구현하기 어려움
큰 부피로 인한 휴대 불편 높은 가격
<표 3> 무지향성 스피커의 대표적 방식
이러한 두 가지 타입의 무지향성 스피커의 단점을 보완기 위해서는 작은 스피커 유닛을 탑재하 고도 풍부하고 고품질의 음원을 발생할 수 있는 솔루션이 필요하다. 일반적으로 스피커 유닛에 공급 될 수 있는 전력은 상한선이 존재하기 때문에 그 이상의 전력이 공급 될 경우 심한 노이즈 가 발생하고 스피커 유닛이 파손될 우려가 있다. 그러므로 작은 스피커 유닛을 이용하고도
SONY SPS-XB10 Britz BZ-G100 KT 지니 버디 아이노트 FS-620BTS 제이비렙 하이킹
SK 누구 미니 네이버 프렌즈 mini Bose SoundLink Revolve 리브라톤 ZIPP mini SONY SRS-X1
<표 2> 실외용 무지향성 스피커
음질과 음량을 증가시킬 수 있는 방법이 스피커 내부의 구조적인 분석 및 해석을 통해 모색되 어야 한다. 본 연구에서는 작은 스피커 유닛을 상하로 탑재하고도 음원의 왜곡이 없고 음파를 증폭시킬 수 있으며, 전방향 배치 방식보다 콤팩트한 360도 무지향성 스피커 시스템 설계를 목적으로 하고 있다. 이를 실현하기 위하여 3D 프린팅 기술을 활용한 음파 증폭 코어 구조를 조형적 시각으로 연구하여 설계하고자 한다.
3. 적층식 3D 프린터 개념 및 종류
적층식 3D 프린터는 FDM4)방식이 대표적 이며 3D프린터 방식 중 가장 널리 보급된 방 식으로 ABS나 PLA등을 고온으로 녹인 뒤 압출하여 지정된 곳에 한 방울씩 쌓아 오브 젝트의 형태를 만들어가는 적층방식이다.5) 이 방식은 출력방식과 출력 소프트웨어가 간 단하고 유지보수 비용이 적으며, 플라스틱뿐 만 아니라 나무, 금속, 초콜릿 등 다양한 재 료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한 그림 36)과 같이 단순한 구조를 가지고 있고 대형 화에 용이하고 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다. 하지만 표면 출력 정밀도가 낮아 세밀한 형상을 구현하는 데에는 많은 어려움이 있고 출력 시간이 매우 길다. 또한 노즐에서 나온 재료가 상온에서 굳어지는데 이때 열에 의해 팽창되었던 재료가 냉각 시 수축되어 출력물의 오차가 발생 할 수 있다는 단점도 가지고 있다.
FDM 방식은 <표 4>7)와 같이 크게 3가지 형태로 분류할 수 있는데 베드가 X/Y축으로 움직이 며 노즐이 Z축 방향으로 상하로 움직이는 카르테시안 방식, 노즐이 Y/Z축으로 움직이고 베드 가 X축으로 이동하면서 출력하는 멘델방식, 3개의 암(Arm)이 기둥과 노즐을 연결하고 노즐이 X/Y/Z축으로 움직임에 따라 재료를 녹여내어 출력하는 델타 방식이 있다. 본 연구에서는 정밀 도가 높아 FDM 방식 중 가장 많이 사용되고 있는 멘델 방식 중 변형 형태인 보유 기자재 3D 프린터 Stratasys사의 uPrint SE(노즐이 X/Y축, 베드가 Z축 이동)를 활용하여 레이어 층 이 중첩된 음파 증폭 코어 구조 시제품을 제작하고 실험과 사용자평가의 과정을 통하여 기존의 무지향성 스피커가 가지는 단점들의 해결책에 대하여 연구하고자 한다.
방식 카르테시안 방식 멘델 방식 델타 방식
모양
운영방식 베드가 X/Y축으로 이동
노즐이 Z축으로 이동
베드가 X축으로 이동
노즐이 Y/Z축으로 이동 노즐이 X/Y/Z축으로 이동
<표 4> FDM 방식의 3D 프린터에 대한 종류 및 설명
4) FDM : Fused Deposition Modelling.
5) 조병철, 『3D 프린터를 활용한 부산 캐릭터 상품 제작의 효율성 연구』 신라대학교 석사 학위논문, 2014, p.6.
6) https://todo-3d.com/fdm-fff-modelado-deposicion-fundida/
7) https://blog.naver.com/mush3d/221380023387/
<그림 3> Fused Deposition Modelling
4. 3D 프린팅 기술을 활용한 무지향성 음파 증폭 코어구조 설계 4.1. 공진주파수 원리를 이용한 음파 증폭 도파로 디자인 구조 원리
스피커 유닛과 전력의 추가 공급 없이 음파를 증 폭시키기 위해서는 공진주파수를 이용한 공명 현 상 원리를 활용할 수 있다. 공명이란 실내 공간의 벽면이 서로 평행하게 마주 보고 있는 구조일 때, 벽면 사이에 진동이 발생하여 진폭이 커지고 소 리가 증폭되는 현상이다8). 하지만 공명 현상은 특정 공간에서 특정 주파수의 소리만이 증폭되기 때문에 모든 음역의 소리를 증폭시키지는 못한 다. 이러한 공명 현상의 단점을 보완하기 위해서는 페브릿-페롯의 공진주파수 결정 원리 (Fabry-Perot Resonance)를 이용하면 가청 주파수 영역(20Hz ~ 20,000Hz)에 해당하는 모 든 음파를 증폭할 수 있다. 페브릿-페롯의 공진에 의한 공진주파수 결정 공식은 <그림 4>9) 와 같다. 여기서 는 투과계수, 은 반사 계수, 는 공기의 임피던스, 는 메타물질 임피던 스, 는 유체내의 파수(파장의 역수), 는 음파를 반사시키는 물질의 두께, 는 음파를 반사시키는 물질의 굴절률이다. 인간의 가청 주파수 영역을 가지는 음역대의 음파를 증폭시키 기 위해서는 투과계수는 1이 되고 반사 계수는 0이 되어야 하며, 음파를 반사시키는 물질의 두께는 0mm~1.2mm 사이의 값을 그리고 음파를 반사시키는 물질의 굴절률은 0~0.65의 값을 가져야 한다. 여기서 물질의 굴절률이 0~0.65의 값을 가진다는 의미는 0~0.65사이의 특정한 하나의 값을 가져야한다는 의미가 아니라 0~0.65사이의 모든 값은 가져야 한다는 의미이다.
그림 5와 같이 음파가 통과하는 도파로에 공명 현상이 일어날 수 있도록 다수의 벽면을 설치하 면 음파가 도파로를 통과하는 과정에서 수많은 반사가 일어나 공명 현상이 일어나고 음파의 굴절과 매우 유사한 현상이 발생하게 된다. 그림 5내에서 일어나는 굴절 현상은 서로 다른 벽면에 의해 영향을 받기 때문에 여러 굴절률을 발생시키며 실제로 측정한 값은 0.03~0.643이 였으므로 제안하는 코어 구조는 음파를 증폭시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그림 5는 음파 증폭 코 어의 하나의 예시일 뿐이며 여러 가지 반사판의 위치 및 크기를 조절하면 다양한 형태로 음파 증 폭구조를 설계 할 수 있다.
4.2. 음파 증폭구조 실험 프로세스
음파를 360도로 방출하고 증폭시키기 위해서는 스피커 유닛을 상하로 배치하고 음파 증폭 코어 구조를 그림 7과 같이 실린더 형태로 만들어야 한다. 코어를 구성하기위한 벽면들과 레이 어 층이 중첩되어있는 실린더 형태의 구조는 현재 산업사회에서 활용하고 있는 제조 시스템 (사출, 압출...)으로는 제작하기 불가능하기 때문에 적층식 3D 프린팅 기술을 활용하여 프로토 타입을 제작하였다. 또한 증폭 구조 제작뿐만 아니라 전방향 스피커와 음파 증폭 스피커의 성능(음량, 음질)을 테스트하고 제품에서 발생하는 문제점들을 도출하고 개선하기위하여 블 루투스 스피커 완제품도 디자인하여 제작하였다. 공진주파수 원리를 이용한 음파 증폭효과의 극대화를 위해 최종 결과물 제작에 앞서 음파 증폭 코어의 세부적인 치수를 도출하기 위한 실험을 음파 증폭 코어를 여러 가지 크기로 제작 한 후 선행하여 실시하였다.
본 실험은 여러 종류의 스피커 유닛과 시험적으로 제작한 음파 증폭 코어 구조를 이용하여
<그림 6>과 같이 코어 구조의 부분별 최적화 치수 도출을 목적으로 하였다. 즉, 음파 증폭 코어에 적용할 코어 구조의 넓이(W) 반사판의 이격길이(S) 그리고 반사판의 두께(T)를 결정
8) 벽면 사이의 거리와 같은 길이 값을 가지는 파장이 그 약수의 파장이 가지는 주파수의 소리만큼 증폭되는 현상.
9) 대한민국 등록 특허, 『메타물질 음파 증폭기』, 송경준, 허신, 2014.02.28., 2015.07.13.
<그림 4> 페브릿-페롯 공진주파수 결정 공식
<그림 5> 음파 증폭 코어 단면도
<그림 6> 코어의 주요 수치
하는 실험이었다. 사용된 유닛은 5Ω의 임피 던스(저항) 값을 가진 것으로 콤팩트한 음파 증폭 스피커에 적용 가능한 것이었다. 실험은 20회씩 동일한 조건에서 진행하였으며 소음 측정기로 데시벨10)을 측정하여 소리가 가장 크게 출력되는 조건의 치수를 음파 증폭 코어 를 위한 최적화 치수로 결정하였다.
첫 번째는 최적의 넓이(W)를 구하기 위한 실 험 이었다. 실험방법은 스피커 한 쌍을 상하 로 배치하고 코어 구조의 넓이를 3가지 (8mm, 12mm, 16mm)로 변화시키면서 가장 높은 수치의 데시벨 값이 출력되는 수치를 측 정하였다. 실험결과 각조건당 미세한 차이는 보였으나 결과물에 적용할 만큼 유의미한 차이는 보이지 않았기 때문에 스피커 유닛의 밀폐가 용이하고 콤팩트한 사이즈 구현이 가능한 12mm를 설계에 활용하기로 하였다.
<그림 8> 이격거리(S), 두께(t)와 증폭효과의 상관관계 실험 결과
두 번째는 코어 구조 공간내의 반사판 사이의 이격 길이(S)와 반사판의 두께(T)의 최적화 치수를 구하기 위한 실험이다. 실험방법은 여러 가지 S와 T값을 가진 코어 구조에 스피커를 상하로 배치하여 밀폐하고 데시벨을 측정하여 S, T 그리고 출력 음량(데시벨)과의 상관관계 를 알아보았다. <그림 8>과 같이 실험의 결과 반사판 사이의 이격거리(S) 그리고 반사판의 두께(T)의 치수가 작을수록 음파의 증폭이 큰 것으로 나타났다. 이격거리(S)와 두께(T) 차이 에 따른 음량의 차이는 아래의 표 5와 같다. 하지만 본 연구에 사용한 3D 프린터 출력물의 한 층의 레이어 높이는 0.246mm11)로 재료인 ABS의 강도를 고려했을 때 반사판의 두께(T) 는 1mm로 출력하는 것이 안정성을 확보할 수 있을 것이라 판단되었다. 그러므로 음파 증폭 스피커 설계를 위한 최적화 수치는 코어 구조의 넓이(W) 12mm, 이격거리(S) 3mm 그리고 두께(T) 1mm를 활용하였다.
이격거리(S) 3.0mm 5.0mm 7.0mm 9.0mm 10.0mm
음량평균(dB) 51.8 50.5 49.9 49.6 49.5
두께(T) 1.0mm 1.5mm 2.0mm 2.5mm 3.0mm
음량평균(dB) 55.0 51.6 50.0 49.3 48.3
<표 5> 이격거리(S), 두께(T)에 따른 음파증폭 변화
10) 소리의 크기를 측정하는 단위로, 정확히는 음파로 인해 이동되는 공기입자의 압력을 측정하는 단위이다.
11) 본 연구에 활용된 3D 프린터는 Stratasys사의 uPrint SE로 재료를 녹여 적층하는 최소 레이어 높이가 0.246mm이다.
<그림 7> 원기둥 형태의 음파 증폭 특수 구조
4.3. 음파 증폭 무지향성 스피커 제작 프로세스
실험에서 도출된 치수를 기반으로 음파 증폭 무지향성 스피커를 제작하기 위해 음파 증폭 코어 구조 1개, 트위터 고정 플레이트 2개, 상단 하우징 1개, 하단 하우징 1개 그리고 스피커 중앙을 덮고 스피커 상단 부를 고정하는 미들 하우징 1개씩을 3D프린터로 출력하였다. 음파 증폭 무지향성 스피커 제작 프로세스는 다음과 같다.
5Ω 스피커 유닛 2개를 증폭 구조 상하에 배치시키고 증폭 구조와 스피커 사이로 음이 새어나 오지 않도록 밀착함
스피커의 고음역대 출력을 담당할 트위터(4Ω) 2개를 고정 플레이트에 삽입 후 상·하단 하우징 에 고정함
하단 하우징에 스피커에 전원을 공급과 충전을 위한 파워 모듈 등 회로를 부착함 배터리와 블루투스 오디오 모듈을 음파증폭 구조 하단부에 접합함
스피커 및 스피커 구동을 위한 회로 모듈을 전선으로 연결 후 스피커의 진동에 의해 노이즈 (Noise)가 발생하지 않도록 접합함
제품의 해체가 용이하도록 양면테이프를 이용하여 각 파트를 조립함
<그림 9> 음파 증폭 무지향성 스피커
음파 증폭 무지향성 스피커는 2번 이상의 제작 및 수정 작업을 거쳤는데, 그 과정에서 발생한 문제점을 정리하면 다음과 같다.
모델링 파일(STP)에서 출력 파일(STL)로의 변환 과정에서 발생하는 오차
적층식 3D 프린터 출력 과정에서 발생하는 오차와 출력물의 거친 표면으로 인한 조립 오차 발생
음파 증폭구조를 통해 나오는 낮은 음역대의 소리가 너무 강해 울림현상이 발생하고 상대적으 로 높은 음역대의 소리가 잘 들리지 않는 문제 발생
발생한 문제점들은 적층식 3D 프린터 공차에 대한 관련 문헌 조사와 실증적인 실험(여러 가지 샘플의 출력 및 적용)을 통하여 그리고 저음역대의 음량이 강해 울림현상이 발생하는 문제점 은 흡음재를 음파 증폭구조와 미들 하우징 사이에 삽입하여 해결하였다. 그 후 스피커의 음질 과 음량에 문제 그리고 음파의 진동에 의해 발생하는 노이즈 문제가 발생하지 않는지 파악하기 위해 여러 장르의 음악을 재생하여 검증작업을 실시하였다. 그림 9는 음파 증폭구조를 탑재한 무지향성 스피커의 내·외부 모습이다.
5. 음파 증폭 성능 사용성 평가 5.1. 평가 방법 및 기준
음파 증폭구조의 성능 사용성 평가는 음파 증폭률을 평가하기 위한 정량적인 방법과 음질을 평가하기위한 정성적인 방법으로 이분화 하여 진행하였다. 우선 정량적인 방법은 같은 종류와 수의 스피커 유닛(5Ω:2ea, 4Ω:2ea)을 탑재한 음파 증폭 스피커와 전방향 스피커의 주파수 응답률을 비교하여 가청 주파수 영역에서 소음측정기의 수치(dB)가 높은 것을 음파 증폭이 우수한 것으로 평가하였다. 실험을 위해 스피커에 적용한 스피커 유닛의 종류와 스펙은 <표 6>과 같다.
스피커의 용도 저음 출력용 고음 출력용(트위터)
이미지
브랜드 AIYIMA AIYIMA
상세사양
직경 : 2.5inch(66.5mm) Dimension : 66mm X 47mm
임피던스(저항) : 5Ω 전력 : 15W
직경 : 2inch(55mm) Dimension : 55mm X 37mm
임피전스(저항) : 3Ω 전력 : 10W
<표 6> 스피커 종류 및 스펙
정성평가는 음질과 음량을 평가하기 위한 것으로 음의 선명함, 음의 풍부함, 음의확산, 음의 조화로움 그리고 음의 크기를 평가항목으로 구성하였다. 피험자들에게 똑같은 음악을 각각의 스피커를 통해 들려주고 피험자들이 5가지 평가항목에서 두 개의 스피커를 비교 평가하여 1~5점까지 점수를 부여하도록 하였으며 각 항목에서 높은 점수를 받은 스피커가 우수한 것으 로 평가를 설계하였다. 또한 음악의 장르에 따른 점수의 편차를 최소화하기 위하여 3가지 다른 장르의 음악(클래식, 재즈, 대중가요)을 반복하여 들려 준 후 비교 평가하는 방식을 활용하였 으며, 외부 소음으로 인한 실험의 신뢰도가 떨어지는 것을 방지하기 위하여 금오공과대학교 방송국 무음 스튜디오에서 실험을 진행하였다.
5.2. 평가 과정 및 결과
먼저 연구의 가장 큰 목적인 음파 증폭 효과를 측정하기 위한 실험을 진행하였다. 제작된 음 파 증폭 무지향성 스피커와, 스펙이 동일한 전 방향 스피커의 주파수 응답률12)을 비교하여 어느 수준의 음파 증폭 효과가 일어나는지, 그 리고 어느 주파수 영역에서 증폭이 뚜렷하게 일어나는지 알아보았다. 실험 결과 증폭구조 가 포함된 무지향성 스피커가 전방향 스피커 보다 <그림 10>과 같이 가청 주파수 영역에 해당하는 50Hz~10,000Hz 음역 대에서 최대 21dB, 평균 17dB 정도 높은 음량을 출력되는 것을 볼 수 있었다. 두 번째로 정성평가는 음파 증폭 스피커와 전방향 스피커의 음질 및 음량을 비교 평가하는 것이 목적이었으며, 실험결과의 객관성을 높이기 위하여 피험자를 금오공과대학교 남·여 학생(17명)과 교직원(13명)을 비슷 한 비율로 모집하여 진행하였다. 실험의 결과 음의 선명함(4.02:4.05)과 조화로움(3.73:3.83)
12) 주파수응답률(Frequency Response) : 음역대 별로 출려하거나, 녹음되는 소리의 크기, 단위dB.
<그림 10> 주파수 응답률
의 항목에서는 두 스피커 간 유의미한 차이는 없었고 음의 풍부함(4.30:3.62) 그리고 확산 (4.58:3.60) 항목에서는 음파 증폭 스피커가 전방향 스피커보다 높게 평가되었다. 마지막으로 본 연구의 목적인 음량의 변화 즉, 음파 증폭 효과는 정량평가와 정성평가 모두에서 음파 증폭 스피커가 확실히 우수한 것으로 나타나 제안하는 공진주파수 원리를 이용한 음파 증폭구조는 별도의 전력공급과 스피커 유닛의 추가 없이 스피커의 음량을 증폭시킬 수 있다는 가설이 증명 되었다. 자세한 실험 과정과 3가지 장르의 음악에 대한 피험자들의 선호도 평가결과는 <표 7>와 같다.
6. 결론
본 연구는 최근 급속도로 확산되고 있는 블루투스 스피커의 효율적인 음파 증폭 구조를 탑재한 무지향성 스피커 제작을 목적으로 하였다. 또한 스피커 유닛을 최소로 사용하고 추가적인 전원 공급 없이 음파를 증폭할 수 있는 스피커 내부 코어의 구조를 조형적인 시각에서 연구하였다.
공진 주파수의 원리와 음파 증폭 도파로를 활용한 음파 증폭 코어 구조를 제안하고 이를 스피 커 내부에 적용한 신 개념 무지향성 스피커를 제작하였다. 레이어들이 중첩된 음파 증폭 구조 의 조형이 현재의 제조 시스템으로는 제작이 불가능하여 3D 프린팅 기술을 활용하여 시제품을
일시 2018년 4월 15일 ~ 16일
대상 금오공과대학교 남·여 학생(17명) 및 교직원(13명) 총 30명
장소 금오공과대학교 방송국 무음스튜디오
스피커 음파 증폭 스피커 전방향 스피커
평가요소 음의
선명함
음의 풍부함
음의 확산
음의 조화로움
음의 크기
음의 선명함
음의 풍부함
음의 확산
음의 조화로움
음의 크기
피 험 자
1 3.83 4.67 4.83 3.50 4.00 4.33 3.67 3.83 3.83 3.83
2 4.67 4.33 4.83 4.00 4.33 3.83 3.67 3.33 4.17 4.00
3 4.0 4.00 4.67 3.17 4.17 3.83 3.50 3.67 3.17 3.17
4 4.5 4.67 4.67 3.67 4.00 3.67 3.67 3.50 4.33 4.33
5 3.67 3.83 4.33 3.83 4.50 4.00 3.17 3.17 4.17 3.50
6 3.83 3.83 4.17 3.33 4.17 4.00 3.67 3.67 3.00 3.17
7 4.67 4.67 4.67 4.00 4.50 4.17 4.00 3.83 4.33 3.83
8 3.83 4.00 4.67 3.83 4.50 3.83 2.67 3.67 3.17 3.83
9 4.33 4.67 4.67 4.17 4.00 4.33 4.33 3.50 4.17 3.67
10 4.0 4.00 4.33 3.17 4.50 4.50 4.17 3.33 4.33 3.17
11 3.5 4.83 4.83 3.50 4.00 4.50 3.67 3.33 3.50 2.83
12 4.33 4.33 4.67 3.50 3.50 4.33 3.67 4.17 4.33 3.83
13 4.33 4.17 4.83 4.33 4.83 4.17 3.83 4.17 3.33 4.00
14 4.0 4.17 4.17 3.83 3.83 3.83 3.83 3.50 4.33 4.00
15 4.17 4.67 4.5 3.33 4.17 3.83 3.67 3.83 4.17 3.17
16 4.5 4.67 4.5 4.00 4.00 3.50 3.50 3.50 3.50 4.00
17 4.0 4.5 4.67 3.83 4.50 4.00 3.67 4.00 3.67 3.50
18 4.0 4.17 4.5 3.83 4.67 3.83 3.83 3.83 4.33 3.50
19 4.33 4.67 4.17 4.00 4.17 3.50 3.50 3.00 3.17 3.67
20 4.5 4.33 4.50 3.83 5.00 4.33 3.33 3.33 4.17 3.17
21 3.67 4.83 4.67 4.67 4.17 3.50 3.33 2.67 4.00 3.83
22 3.83 4.67 4.17 3.67 4.33 4.00 3.33 3.67 2.83 3.67
23 3.83 4.17 5.00 3.67 4.33 4.33 4.00 3.67 4.00 4.33
24 3.83 4.17 4.33 3.00 4.33 3.83 3.33 4.17 4.00 3.50
25 3.0 3.83 5.00 3.83 4.50 4.17 3.17 4.17 4.33 3.67
26 4.33 4.17 4.67 3.67 4.17 4.17 3.33 3.17 3.33 3.33
27 3.67 4.33 4.67 3.67 4.17 4.50 4.00 3.83 4.33 3.67
28 3.5 3.50 4.33 3.50 4.00 4.17 3.50 3.13 3.83 3.17
29 4.0 4.17 4.83 3.50 4.50 4.33 3.67 3.83 3.33 4.00
30 4.0 4.00 4.67 4.00 3.83 4.17 4.00 3.50 3.83 4.17
결과 4.02 4.30 4.58 3.73 4.26 4.05 3.62 3.60 3.83 3.65
<표 7> 정성평가 과정 및 결과
만들고 평가하였다. 또한 음파 증폭 성능 사용성 평가를 통하여 일반 전방향 스피커 대비 음량 및 음질의 우수성을 증명함으로써 본 연구의 목적인 제품의 조형적인 요소 변화가 제품의 성능 수준 향상에 영향을 미칠 수 있다는 점을 검증하였다. 스피커의 음질은 과학적 장비로도 측정 하여야 하나 본 연구에서는 고가의 측정 장비의 부재로 피험자를 대상으로 한 정성평가만을 진행하였기 때문에 신뢰성 및 객관성이 다소 떨어질 수 있다는 연구의 한계점이 있었다.
참고문헌
서준보, 『유리로 마감된 건물내 중정의 음향성능 개선 및 평가』, 원광대학교 석사학위논문, 2017.
손석, 『휴대용 블루투스 스피커 디자인에 관한 연구』, 한밭대학교 석사학위논문, 2016.
조병철, 『3D 프린터를 활용한 부산 캐릭터 상품 제작의 효율성 연구』 신라대학교 석사 학위논문, 2014.
한석우, 『입체조형-이론과 실제』, 미진사, 1991.
대한민국 등록 특허, 『메타물질 음파 증폭기』, 송경준, 허신, 2014.02.28., 2015.07.13.
http://cafe.naver.com/eticguitar/34707
http://www.ddaily.co.kr/news/article.html?no=135187 https://todo-3d.com/fdm-fff-modelado-deposicion-fundida/
http://3dtoday.ru/blogs/dagov/repetier-firmware-general-settings/