열성형 효과를 고려한 마이크로 스피커 진동판의 특성분석 :Numerical Analysis of the Micro Speaker Diaphragms Considering Thermoforming Effects

김경민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김경민 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박근

발행연도: 2013

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (6)

2014

열성형 진동판의 미세주름 두께변화가 구조강성 및 진동특성에 미치는 영향 분석

김경민 , 박근 소성·가공 2014.02 학술저널

2013

열성형 진동판의 미세주름 두께변화가 구조강성 및 진동특성에 미치는 영향 분석

김경민 , 박근 금형가공 심포지엄 2013.09 학술대회자료

마이크로 스피커 진동판의 형상설계에 따른 진동특성 고찰

김경민 , 김성걸 , 박근 Journal of the Korean Society for Precision Engineering 2013.08 학술저널

열성형 효과를 고려한 마이크로 스피커 진동판의 특성분석

김경민 2013.01 학위논문

2012

마이크로 스피커 진동판 두께변화에 따른 진동특성 분석

김경민 , 황명우 , 문세환 외 1명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2012.10 학술대회자료

마이크로 스피커 진동판 형상에 따른 진동 특성 분석

김경민 , 박근 대한기계학회 춘추학술대회 2012.06 학술대회자료

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마이크로 스피커는 지름 40 ㎜이하의 스피커를 말하며, 일반적으로 이어폰에 사용되는 스피커는 지름 20 ㎜이하로 설계된다. 이러한 마이크로 스피커는 크기가 작기 때문에 저음영역에서의 음향특성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 저음영역에서 마이크로스피커의 음향특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있으며, 구성요소중 하나인 진동판이 하나의 연구과제로 주목받고 있다.
마이크로 스피커의 진동판은 라우드 스피커의 엣지와 댐퍼의 역할을 동시에 수행하는 가장 중요한 기본 구성 요소이며 진동판의 기본 특성이 스피커의 음향특성을 결정짓기 때문에 마이크로 스피커를 설계할 때 진동판의 설계가 중요하다. 진동판의 형상, 두께, 재질 등에 따라 상이한 스피커 특성을 보이며 일반적으로 주름으로 진동판의 진동을 제어한다. 일반적으로 마이크로 스피커의 진동판은 열성형공정을 통해 얇은 고분자박막으로 제작되는데 한 번의 공정 수행으로 다수개의 제품을 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 열성형공정 후 제작된 제품은 일반적으로 초기 필름의 두께보다 얇아진다. 진동판 역시 설계시 고려했던 초기두께보다 얇아지는 현상을 보이며 두께분포는 진동판 형상에 의존하는 경향을 보인다. 따라서 진동판의 형상을 설계할 때 진동판 내의 두께분포를 고려하여 설계하여야 한다고 판단된다.
본 연구에서는 열성형 및 구조, 진동해석을 통해 진동판의 음향특성을 예측하는 것을 목표로 한다. 먼저 열성형을 통해 제작된 진동판의 두께를 측정하고, 열성형해석을 통해 진동판의 두께를 고찰하여 실험과 비교하여 두께분포를 예측하였다. 또한 진동판에 주름의 유무에 따른 강성 및 진동특성을 분석하며, 주름의 유무가 특성변화에 영향을 주는지 고찰한다. 주름의 유무가 스피커 전체 시스템에 어떠한 영향을 주는지 분석하며, 최종적으로 고찰된 두께분포를 고려하여 진동판 내부의 두께분포가 진동판의 강성 및 진동특성에 영향을 주는지 분석한다. 또한 열성형을 고려한 두께분포가 진동판 설계시 고려해야하는 인자인지 판단하며, 스피커의 음향특성에 변화를 주는지 분석 및 고찰한다.

In recent years, micro speakers have attracted much attention due to their increasing demand in mobile media. Micro speakers can be characterized by its small size, usually less than 20 mm in diameter. Since the small size of micro speaker causes deterioration of the acoustic characteristics in the low frequency range, lots of studies were carried out in order to improve the acoustic properties of micro speakers in the low frequency range. And then recently, the diaphragm is one of the components in micro speaker and it is attracting attention as a research project.
Micro speaker diaphragms play an important role in generating desired sound responses, and are designed to have thin membrane shapes for flexibility in the axial direction. Micro speakers use polymer diaphragms due to their high durability and manufacturability while traditional loudspeakers adopt pulp diaphragms. The polymer diaphragms are manufactured from thin polymer film through the thermoforming process in which a polymer film is softened and shaped into desired part shape. In the thermoforming process, local thickness reductions occur due to strain localization. This thickness reduction results in a change in vibration characteristics of the diaphragm and different sound responses from that of the original design.
In this study, the effects of this thickness change in the diaphragm on its stiffness and vibration characteristics are numerically investigated by coupling thermoforming simulation, structural analysis and modal analysis. Thus, the thickness change in the diaphragm is calculated from the thermoforming simulation, and reflected in the further structural and modal analyses in order to estimate the relevant stiffness and vibration modes. Comparing these simulation results with those from a diaphragm with the uniform thickness, it is found that a local thickness reduction results in the stiffness reduction and the relevant change in the natural frequencies and the corresponding vibration modes.
Furthermore, the effect of the diaphragm design is numerically investigated. The diaphragm is generally designed to be a circular membrane, and its cross section is the shape of double domes: an inner dome and an outer dome. To obtain better sound quality of the speaker, a number of corrugations are included in the outer dome region. In this study, the role of these corrugations is numerically investigated through two kinds of finite element (FE) analyses: structural FE analyses and modal FE analyses. In both cases, these simulations were effectively coupled with the thermoforming simulation for the consideration of the thickness reduction. Comparing these simulation results, the effect of the corrugations as well as the local thickness changes in the corrugated regions on the vibration characteristics of the diaphragm is discussed.

요약 ⅰ
표목차 ⅱ
그림목차 ⅲ
기호설명 ⅵ
1. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 현황 4
1.3 연구 목적 및 내용 7
2. 마이크로 스피커 진동판 형상에 따른 특성 분석 9
2.1 마이크로 스피커의 기본개요 9
2.2 진동판 형상설계 13
2.3 구조해석을 통한 강성특성분석 15
2.4 모드해석을 통한 진동특성분석 18
3. 마이크로 스피커 진동판의 열성형 공정 해석 23
3.1 마이크로 스피커 진동판 성형공정 이해 23
3.2 마이크로 스피커 진동판의 두께분포 측정 26
3.2.1 두께측정방법 고찰 26
3.2.2 진동판의 두께 측정 결과 29
3.3 열성형해석을 통한 마이크로 스피커 진동판의 두께분포고찰 33
3.3.1 해석 모델 설정 33
3.3.2 경계조건 34
3.3.3 이론적 계산 38
3.3.4 주름이 없는 모델의 해석 결과 39
3.3.5 주름이 있는 모델의 해석 결과 41
3.3.6 해석과 실험의 비교 및 분석 43
4. 진동판 두께분포에 따른 특성분석 45
4.1 연계해석 45
4.2 구조해석을 통한 강성특성분석 47
4.3 모드해석을 통한 진동특성분석 51
5. 결론 55
참고문헌 57
영문초록(Abstract) 62
감사의글 64
연구실적 66

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