Audio system in machines is generally located at the limited space with a small size. Although it is small and compact, it usually has concerns about the sound power and low frequency contents. To overcome this disadvantages, exorbitant speakers and amplifiers have to be additionally purchased and another space for them is needed. Various types of flay panel speakers also have been patented and studied recently. However, they radiate the sound with poor audio quality. The compensation at low frequencies is also required by using an additional loudspeaker of conventional mid-woofer or woofer. In future machines, the intuitive and perceptual information transfer is essential for the human-machine interaction. This research considers the auditory information only among various perceptive measures, which, in particular, studies on the technique of converting the machine surface itself into the virtual speaker and baffle for an efficient and high quality sound generation. Target vibration field includes both the speaker zone and baffle zone. In the speaker zone, a high amplitude vibration with in-phase condition should be generated because it produces desired sound. On the contrary to the speaker zone, the vibration in the baffle zone should be suppressed for avoiding the acoustic cancelation effect then it enhances the radiation efficiency. Actuators at the periphery of the structure, of which locations are positioned to consider the applicability with the exception of the central part, generate the complex bending waves to create the virtual speakers and baffle at some designated locations of the surface. The purpose of study about creating virtual speaker and baffle includes the detailed theoretical and experimental methodology, but also it should encompass the perceptual targets of achieving the precise generation and reproduction of desired sound field. The solution method for the inverse problem of elastic wave propagation over a continuous structure becomes the theoretical basis and the vibro-acoustic holography technique using the discrete information will be the experimental ground.
Numerical simulation is firstly conducted for the parametric studying to determine the effect of design parameters including speaker size and location, and the material and shape of panels. Considering the eventual sound radiation from simulation on a thin, simply-supported, rectangular plate, it is shown that the typical radiated sound has two dip patterns in its spectrum. One is related to the woofer size: dips appear when the Helmholtz number, determined by the bending wavenumber and the speaker radius, becomes 3.8, 7.0, and 10.2 which occur the low-order radial modes of the circular speaker zone. The other dip patterns are related with the distance between the speaker center and the edges of the plate when it is an integer multiple of the bending wavelength. Regularization technique is adopted to obtain the stable solution with the high efficiency of the input power. It can reduce maximum 60 dB input power by using Tikhonov regularization method with GCV. Experiments on a thin aluminum plate which is identical with the simulation are also conducted to verify the proposed method and compare with results in parametric study.
The suggested method is tested on the roof panel of the mid-size car and the display panel of the conventional OLED TV. Virtual speaker and baffle is used for the compensation of the built-in speakers which has bad response at the low frequency range. Single woofer on the roof panel and two mid-ranges on the display panel are decided to the target vibration field. After vibration rendering for the desired response by considering the human auditory perception, which is the equal-loudness contour, multiple small moving-coil type actuators are used for the generating target vibration field. It is found that the virtual speakers have uniform phase and the desired sound level can be obtained by reinforcing the response in the effective frequency range.
일반적으로 기계 및 장치, 기기에서의 오디오 시스템은 일반적으로 소리의 전달이 주된 목적이 되지 않기 때문에, 스피커가 설치되는 곳은 주요 전자부품 등의 배치로 인해 공간에 제약이 있으며 크기에 한계가 있다. 이 같은 이유로 음향 파워 및 저주파수 응답 특성이 좋지 못한 단점이 있고, 이를 극복하기 위해 고가의 스피커와 앰프를 추가로 필요하고 별도의 공간도 필요하였다. 또한 판 구조물 자체를 이용한 스피커와 관련된 연구 및 특허도 과거에서부터 수행되어 왔으나, 음질이나 저주파수 응답 한계 및 입력 파워의 효율이 좋지 않다. 미래의 기계에서는 직관적인 감각 정보 전달이 인간과 기계간 상호 작용에 있어 필수적이다. 본 연구는 다양한 감각 중 청각 정보를 고려하며, 특히 기계 표면 자체를 가상 스피커 및 배플로 변환하여 효율적이고 풍부한 음향을 사용자에게 제공하기 위한 기법에 관하여 다루었다. 판에서의 목표 진동장은 원하는 음향을 방사 하기 위해 동위상 고진폭으로 진동하는 스피커 영역과, 음향 상쇄 효과를 피하고 방사 효율을 높이기 위해 진동을 억제하는 배플 영역으로 구성된다. 판 구조물의 중심부는 다른 주요 부품 등의 배치 등 적용성을 고려해 경계부에 위치한 무빙코일 타입의 소형 가진기를 어레이 형태로 이용한다. 이를 효율적으로 제어하기 위해 연속체 구조에서의 탄성파 전파에 대한 역문제적 해법을 이론적 바탕으로 하며, 실험적으로는 이산정보를 이용한 음향홀로그래피 기법을 원용해 목표 감성에 부합되는 결과를 내는 기술 개발이 본 연구의 핵심이다. 스피커의 크기 및 위치, 패널의 재질 및 모양을 비롯한 설계 매개 변수의 영향을 확인하기 위해 모사 실험을 수행하였고, 이 때 특정 주파수에서 dip들이 보였다. 이에 대한 원인을 보고자, 파수 와 스피커의 반지름의 곱인 Helmholtz number가 3.8, 7.0 (radial mode)등 이 될 때 dip이 발생하고, 또한 스피커 위치의 경우 위치에서 판 경계 면까지의 거리가 파장의 정수배가 될 때 마찬가지로 dip이 발생함을 보였다. 또한, 고효율의 입력 파워로 안정적인 해를 얻기 위해 Tikhonov 정규화 기법을 적용해, 최대 60dB 입력 전력을 줄일 수 있었다. 제안 된 방법을 검증하고, 제어 인자 특성 결과를 비교하기 위해 모사 실험과 동일한 얇은 알루미늄 판에 대한 실험을 수행하였다. 그리고, 제안된 방법은 중형차의 천장판과 기존 OLED TV의 디스플레이 패널을 대상으로 적용해 보았다. 가상 스피커와 배플 시스템은 저주파수 범위에서 응답이 좋지 않은 내장 스피커를 보강하는 데 사용되었다. 천장판의 단일 가상 우퍼와 디스플레이 패널의 두 개의 미드레인지를 구현하였으며, 인간의 청감을 고려하기 위해 등청감 곡선을 이용해 진동장을 렌더링 하고, 다수의 가진기 어레이를 이용해, 유효 주파수 범위 내에서 동일한 위상을 가지고, 응답을 보강함으로써 원하는 음향을 방사하였다.
