Folded horn is an acoustic element which is used for installing a long acoustic horn in a small space. A lot of works have been done on the design method of folded horns by using the cross-sectional area or 1-parameter behavior of horns. However, there is a lack of guideline for design a folded horn in a given space and their expected performances. This thesis deals with an optimal shape design of folded horns for maximizing the radiated sound power satisfies the spatial constraint. Additional goal of design is the suppression of power ripple spectra within the difference limen of auditory sensation. As the performance index of horns, the characteristics of throat resistance spectrum is used. Pass band frequency and ripple are defined in the throat resistance curve of both the folded and reference horns, which depends on the available space given in the design. Throat resistance of horns are analyzed by using the two-dimensional axisymmetric finite element method, and sequential quadratic programming algorithm is adopted for shape optimization. The frequency domain of interest is selected with the information of the cut off frequency of reference horn. 4 levels of frequency ranges and 4 levels of ripple constraints are used for the maximization of sound power. Because the sound power and the ripple constraint are turned out to be the most competing physical quantities, the optimal solutions of wide frequency range of interest have lower sound power. The sensitivities of normalized design variables are discussed based on the gradient at the optimal solutions, and it is found that the flare constant of the first horn and the radial distance between horn elements have relatively high sensitivities about the sound power. An optimized horn for the frequency range of 800-1000 Hz is made by using 3D printing technique, and the measured sound power is compared with that of FEM result. The sound power estimated to increase 14.7 dB of sound power level compared to the reference horn, but the measured sound power level increase was 8.2 dB.
접힌 혼은 좁은 공간에 긴 혼을 설치하기 위한 음향 요소이다. 혼의 단면적과 단일변수 거동을 이용한 접힌 혼의 설계법에 대한 많은 연구가 존재한다. 그러나 주어진 공간에 대한 설계법과 기대 성능에 대한 지침은 부족하다. 본 논문은 공간적 제약 조건을 만족하며 음향 파워를 최대화하는 접힌 혼의 최적 형상에 대하여 다룬다. 또 다른 설계 목표는 파워 스펙트럼의 리플을 청감의 변별역 이내로 줄이는 것이다. 혼의 성능 지수로 혼의 입구 저항 스펙트럼이 사용되었다. 통과 대역 주파수와 리플은 설계 공간에 의하여 결정되는 기준 혼과 접힌 혼의 입구 저항 곡선에서 정의한다. 혼의 입구 저항은 이차원 유한요소법을 통해 해석되었고, SQP 방법을 이용하여 형상 최적화를 진행하였다. 관심주파수 영역은 혼의 차단 주파수 정보로부터 선택하였다. 네 가지 수준의 관심 주파수 영역과 네 가지 수준의 허용 리플을 이용하여 음향 파워 최대화를 진행하였다. 음향 파워와 리플이 서로 가장 대치되는 물리량으로 밝혀졌고, 더 넓은 대역의 주파수에 대한 최적해가 낮은 음향 파워를 가진다. 정규화된 설계 변수들의 민감도는 최적해에서의 그래디언트를 기반으로 논의되었으며, 첫 번째 혼의 확장상수와 첫 번째 혼과 두 번째 혼의 반경 방향 거리가 상대적으로 큰 민감도를 가진다. 800-1000 Hz에 대하여 최적화된 혼이 삼차원 출력 기법을 통해 제작되었으며, 계측한 음향파워를 유한요소법으로 계산한 음향파워와 비교하였다. 유한요소법에 의하면 음향 파워가 14.7 dB 향상될 것으로 예상되었으며, 계측된 음향파워는 8.2 dB 향상되었다.
