The panel speaker, which radiates sound from a bending wave field on flat or curved plates, has been proposed to supplement the conventional dynamic loudspeakers. Owing to the thin layout, the prominent advantage is the small occupied volume for the various applications to machine coverings and other built-in structure surface in the age of the Internet-of-Things (IoT). When the plate is excited by an electro-mechanical actuator, the bending wave propagating from the driving point is reflected at the plate edges and forms a reverberant field on the entire plate, which causes a modal behavior. Because of distinct modal behavior involved even in the low- to mid-frequency vibration of the plate, the radiated sound possesses severe spectral fluctuations, which results in poor sound quality. The purpose of this study is the development of the control strategy and the control layout for several types of panel speakers to improve the radiated sound quality. As the control strategies, two active methods are considered: the mode control method (MCM) to adjust the modal participation in the vibration field and the traveling-wave control method (TCM) to control the propagating bending waves. While suppressing the other modes, the MCM is employed to excite the 1st mode shape only in a frequency range of interest, which is the most efficient for sound radiation. In contrast, the objective of the TCM is to eliminate the bending waves reflected from the edges, which avoids the modal excitation fundamentally. The proper gains of the actuators are obtained by applying the inverse technique to the transfer matrix relating the input gain of actuators and the resultant vibration field. The MCM employs transfer mobility between the actuators and the field points distributed on the plate surface. On the other hand, the TCM derives the transfer function between the actuators and the wave components decomposed from the bending wave field. The characteristics of each method are investigated by using the wave field normalized by the physical property and dimension of the panel speaker. The control results predicted via the simulation show that both control methods suppress the structural resonances resulting in a smooth sound spectrum. It is found that, in using the same actuator array, the TCM has a much wider effective frequency range because the number of actuators restricts the number of modes that can be controlled by the MCM. The TCM converts the driving-point mobility of the primary actuator into that of an infinite beam or plate. It means that the boundary of the structure is changed to the anechoic termination without the wave reflection, or one can say that the panel structure becomes an infinite one virtually. When it comes to the shape of the panel speaker, a beam with a one-dimensional vibration field possesses many advantages in vibration control. Compared with the two-dimensional plate, even though the sound radiating area becomes small and it seems the radiated power becomes small, the number of actuators and corresponding control difficulty is reduced significantly and, in fact, the area reduction effect does not exist owing to the advantage of using the traveling wave. The TCM employed to control the beam requires only three actuators, and its precise prediction of the controlled field makes it easy to achieve the desired acoustic performance. Except for the simple rectangular beam and plate, a closed circular ring and a circular plate are also tested in using the TCM and the MCM, respectively, considering the vibrational characteristics of each structure. As a result, this study suggests the design guideline of the panel speaker controlled by the actuator array based on the properties of the control methods, material, and the dimension of the radiator structure.
평판 스피커는 기존의 다이나믹 스피커와 달리 얇은 두께를 가지는 평판 구조물의 굽힘파 진동장으로부터 소리를 방사한다. 이는 얇은 두께와 단순한 구조로 깔끔한 외관을 가지고 있으며, 사물인터넷 시대에 점차 소형화되는 전자기기 및 기계 구조물 내부에 삽입이 가능하므로 기존의 큰 부피를 차지하는 스피커를 대체할 목적으로 다양한 분야에 적용되고 있다. 음향 방사를 위해 가진기로 평판 구조물을 가진할 때 가진점으로부터 전파되는 굽힘파는 구조 경계에서 반사되어 잔향 진동장을 형성하고, 이는 구조의 공진을 발생시킨다. 구조의 공진 응답은 진동장으로부터 방사된 소리에 직접적으로 영향을 미치며, 특히 중-저주파수 대역의 공진 주파수에서는 날카로운 피크와 골과 함께 방사음 스펙트럼의 심한 요동이 나타난다. 따라서 평판 구조물의 진동 특성은 평판 스피커의 신호 재생 능력과 방사 음질의 저하를 야기하는 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 평판 스피커의 음질을 향상시키기 위하여 다중 가진기를 이용한 진동장 제어법을 제안한다. 진동장 제어의 주된 목적은 평판 구조의 공진 응답을 억제하고, 원하는 소리를 방사하기 위한 목표 진동장을 형성하는 것이다. 모드 제어법은 평판 구조의 각 진동 모드들이 가지는 진동장에 대한 기여도를 제어하는 방법이며, 관심 주파수 내에서 음향 방사에 가장 효과적인 1차 모드만을 가진하는 것을 목표로 한다. 반대로 진행파 제어법은 진행 굽힘파 성분을 제어하는 방법이며, 구조 경계에서 발생하는 반사파 성분들을 제거함에 따라 구조의 공진 현상을 근본적으로 억제할 수 있다. 이러한 진동장 제어 목적을 만족하기 위한 가진기들의 적절한 입력 신호는 구조의 진동 응답과 가진기의 입력 신호 간의 전달 함수를 도출하고 역문제 기법을 적용함에 따라 얻어진다. 모드 제어법은 가진기들의 입력 신호와 구조의 진동 응답 측정점 간의 전달 모빌리티를 이용하며, 진행파 제어법은 구조의 진동장을 진행파 성분들로 분해하고 제어하고자 하는 진행파 성분과 가진기들 간의 전달 함수를 이용한다. 진동장 제어 결과는 구조의 물성치와 크기에 대해 정규화된 진동장 표현법을 이용함에 따라 두 제어 방법들이 가지는 특성들을 일반화할 수 있다. 모사 실험을 통해 예측된 제어 결과는 두 제어 방법 모두 구조의 공진을 억제함에 따라 평탄한 방사음 스펙트럼을 얻을 수 있음을 보여준다. 그러나 가진기의 개수와 배치가 동일한 경우, 진행파 제어법이 모드 제어법보다 목표 음향 방사 성능을 만족하는 유효 주파수 범위가 더 넓은 장점을 가진다. 구조 경계에서 발생한 반사파를 제거함에 따라 진행파 제어법으로 제어된 구조의 진동장은 무한한 크기의 구조물과 동일한 구동점 모빌리티를 가지게 되며, 이는 구조의 경계 조건이 무반사 경계조건으로 변화함을 의미한다. 본 연구에서는 진동장 제어의 효율성 및 평판 스피커의 실용성을 향상시키기 위하여, 1차원 보 구조를 음향 방사체로 활용하는 평판 스피커를 제안한다. 2차원 평판 구조물 대비 음향 방사 면적은 감소하나, 보 구조는 진동장 제어의 난이도와 제어에 필요한 가진기의 개수를 대폭 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 진행파 제어법으로 보 구조를 제어할 시 오직 3개의 가진기만이 사용되며, 진동장의 감소된 차원으로 인해 전달함수의 측정을 통한 실험적 방법이 아닌 해석적인 접근법으로 가진기들의 입력 신호 도출이 가능하다. 또한 진행파 제어법으로 형성된 진행파 진동장으로부터 방사된 음향 파워는 방사 면적과 비례하지 않는다는 연구 결과로부터, 진행파 제어법이 모드 제어법보다 평판 스피커의 진동장 제어에 보다 효과적임을 보여준다. 직사각형 평판 및 보 구조물 이외에도 1차원 진동장을 가정할 수 있는 닫힌 원환 및 2차원 원형 평판 또한 진동장 제어의 대상으로 고려하였으며, 이로부터 방사된 소리의 특성을 분석함에 따라 새로운 음향 방사체로서의 가능성을 검토하였다. 최종적으로는 가진기 어레이로 제어되는 평판 스피커의 목표 음향 방사 성능을 만족시키기 위한 가진기 배치법, 평판 구조물의 크기, 형상 및 물성치 선정법을 연구의 결과로부터 제안한다.
