The multi-channel speaker system employs several speakers with different sizes of the diaphragm, which is determined by the target frequency range. The woofer for the low-frequency sound usually has a large diaphragm, thus increasing the occupying volume of the overall speaker system significantly. This study suggests a method to design an acoustic horn in a constrained space with a narrow gap to enhance the radiation efficiency of a small woofer. The constrained space has the gap distance same with the width of the woofer having a rectangular diaphragm, and the overall dimension is determined by the size of a picture frame. The woofer-horn radiates low-frequency sound from the top of the system. For a 2.1 channel surround speaker system, two tweeters and two horn-attached midrange speakers are installed in the system for the sound radiation at medium to high frequencies. In the design of the horn for the woofer in a constrained space, a bent horn is employed because the horn should be lengthy to enhance the sound at low frequencies. First of all, a straight horn, which is optimized to have a desired acoustic performance with a volume less than the constrained space, is defined as a reference horn. For the purpose to insert the optimum straight horn in the constrained space by bending the shape, the optimization of the bent horn is carried out to achieve a similar performance of the reference horn. In a simulation, the speaker-horn system is modelled as the analogous electric circuits, and the TS parameters define the lumped parameters of the speaker. The sound field in the straight horn is analytically defined by using the Webster horn equation, and the finite element method is applied to calculate the acoustic response of the bent horn. The acoustic efficiency of the speaker-horn system is chosen as a performance index, which defines the objective function of the optimization problem. The result shows that the efficiency of the optimum bent horn has the minimum value, which is about 5.6-times higher than the direct radiator without the horn in the effective frequency range from 100 to 400 Hz. Although the overall acoustic power radiated from the optimum bent horn is lower than the simple straight horn having the length same with the constrained space, the sound spectrum becomes much flatter due to the increase of sound by the resonances at low frequencies. For the validation of the predicted results, an experiment is conducted to measure the acoustic power of the optimum bent horn. It is found that the optimum bent horn radiates the sound power 1 dB larger than the direct radiator, and 3 dB larger than the short straight horn in the frequency range from 100 to 200 Hz. The error between the predicted and measured results has the maximum of 7 dB, which is caused by the discrepancy in the acoustic properties of the backing cabinet of the speaker.
멀티 채널 스피커 시스템의 스피커들은 담당하는 주파수 대역에 따라 그 크기가 결정되게 된다. 저주파 대역을 담당하는 우퍼의 크기가 가장 크고, 이 때문에 멀티 채널 스피커의 폭을 줄이는 데에는 물리적으로 한계가 있다. 본 연구에서는 최소한의 좁은 폭을 갖는 액자형 스피커라는 새로운 스피커 시스템을 제안하고자 액자 안의 2차원 공간에서 우퍼를 설계하는 방법을 제시하였다. 특히 우퍼의 크기가 작아지면 작은 민감도(sensitivity)를 갖게 되는 한계를 극복하기 위해 음향 필터의 역할을 하는 음향 혼을 설계하는 것에 초점을 두었다. 먼저 액자형 스피커의 폭을 작게 하기 위해 직사각형 형태의 우퍼를 선정하였고, 해당 우퍼의 크기로 액자 안의 좁은 간극의 거리가 정해졌다. 액자의 윗변으로 우퍼 영역의 스피커-혼의 음향방사가 이루어지고, 양 옆으로 미드레인지 영역의 스피커-혼의 음향방사가 이루어지도록 설계하였다. 또한 트위터는 액자의 틀이 만들어질 공간에 양쪽에 설계함으로써 2.1채널 입체음향 스피커 시스템을 설계하고자 하였다. 제한된 공간에서 저주파 음향 방사를 향상시키기 위해 벤트 혼을 사용하였고, 이를 구현하기 위해 먼저 제한된 공간의 부피를 구속조건으로 하는 straight 혼을 먼저 최적 설계하였고, 해당 straight 혼을 기준으로 벤트 혼을 설계하였다. 상사 전기회로를 이용하여 스피커-혼 시스템을 모델링하였고, 스피커의 집중 요소는 TS 파라미터를 이용하였으며 straight 혼은 Webster 혼 방정식을 이용하였고, 벤트 혼은 FEM을 이용하여 모델링하였다. 이 모델로부터 얻은 스피커-혼 시스템의 음향 효율을 최적화의 성능 함수로써 이용하였다. 시뮬레이션상으로 최적화된 혼의 효율이 직접 방사형 라우드 스피커보다 지정된 유효주파수 범위인 100 Hz – 400 Hz에서 약 5.6 배의 최소 음향 효율을 보였다. 또한 구속 공간에서 설계된 짧은 혼보다 저주파에서 높은 음향 효율을 얻을 수 있었다. 예측 모델의 유효성 평가를 위해 실험이 수행되었다. 최적화된 벤트 혼의 음향 파워가 직접 방사형 라우드 스피커보다 유효주파수 전 범위에서 11 dB 더 높은 음향 파워를 얻을 수 있었고, 짧은 혼보다 100 Hz – 200 Hz의 범위에서 3 dB 더 높은 음향 파워를 얻을 수 있었다. 다만 예측 모델에 비해 주파수 이동에 의해 최대 7 dB의 오차를 보이는데, 캐비닛의 특성을 잘 반영한다면 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.
