웨어러블 골전도 스피커의 진동특성 향상을 위한 평가방법 및 해석에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 골전도 스피커 개발 기술로 골전도 스피커의 음향설계 기준 설정을 위한 감성평가와 성능향상을 위한 해석적 분석 그리고 최적화에 대한 시스템적 접근방법을 연구하였다. 감성평가방법은 골전도 스피커의 등가음압 측정방법과 음향설계 기준을 제시하고자 하였다. 평가를 위한 기준음원 생성은 헤드폰, 이어폰, 스피커 방법을 사용하였으며, 각 기준음원에 대한 감성평가의 비교를 통해 스피커에 의한 감성평가 방법이 적절한 것으로 분석하였다. 따라서 스피커를 사용한 골전도 스피커의 감성평가결과, 저주파영역은 진동량 특성이 고주파영역은 방사음 특성이 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 골전도 스피커의 해석적 분석방법은 전자기장, 구조, 진동, 음향해석을 이용하였으며, 실험결과를 통해 해석모델의 검증을 수행하였다. 그리고 해석모델의 검증과정에서 나타난 비선형 진동특성은 착용환경조건에서 나타나는 진동특성으로 해석모델의 개선을 수행하여 초기 가압력과 위치에 따른 전자기장 해석을 통해 원인을 추정하였다. 방사음에 대한 음향특성은 경계요소법의 음향해석을 활용하여 고주파영역의 음향특성을 분석한 후, 실험결과를 통해 검증하였다. 검증을 통해 나타난 편차에 대해서는 해석모델개선을 통해 해석모델의 신뢰성을 확보하였다. 골전도 스피커의 성능 최적화 방법은 설계 허용범위 내에서 진동량을 최대화할 수 있는 전자기력의 극대화를 목적함수로 고려하였다. 전자기력에 영향을 주는 성능인자는 영구자석의 높이, 요크의 높이, 자기력 집적판의 두께, 코일의 감김수(코일외경), 초기 가압력을 선정하였다. 성능인자의 효과분석은 단일변수에 의한 독립적 분석과 다중변수에 의한 특성변화를 고찰하였다. 다중변수에 대한 인자분석은 부분배치법으로 성능인자에 대한 스크리닝 분석을 수행하고 선별된 성능인자에 대해 완전요인배치 실험계획법을 사용하여 독립성 및 교호작용에 대한 유의성분석의 F-검정을 수행하였다. 분석결과는 3개의 독립인자와 1개 교호작용이 유효한 것으로 나타났다. 또한 반응값의 곡률효과을 분석하기 위해 해석점에 중앙점을 추가하여 곡률효과에 대한 유의성을 검증하였다. 곡률효과에 대한 유의성 분석을 통해 곡률효과가 유의한 것으로 나타나 반응표면분석법의 중심합성계획법을 사용하여 성능인자의 최적값 및 비선형 회귀식을 도출하였다. 성능인자의 설계공차 최적화 방법은 반응표면분석법을 통해 도출된 비선형 회귀식 모델과 몬테카를로기법을 사용하였다. 그리고 성능인자가 제작공정에서 발생할 수 있는 설계상의 공차관리 수준을 분석하기 위해 전자기력 성능을 확률적으로 분석하였고 설계공차 최적화는 3σ의 공정능력수준에서 전자기력 성능이 신뢰수준을 확보할 수 있는 최적화 방법을 제시하였다.