웨어러블 골전도 스피커의 진동특성 향상을 위한 평가방법 및 해석에 대한 연구 :A Study on Evaluation Method and Analysis for Improvement of Vibration Characteristics of Wearable Bone Conduction Speakers

고동신

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자료유형: 학위논문

저자정보: 고동신 (아주대학교, 아주대학교 아주대학교 일반대학원)

지도교수: 박태원

발행연도: 2017

저작권: 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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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.

This paper describes the development of bone conduction speaker, sensibility estimation for acoustic design criteria of bone conduction speaker, analysis for performance improvement and systematic approach to optimization. The sensibility estimation method is to present the sound pressure measurement method and acoustic design standard of bone conduction speaker. We used headphone, earphone and speaker method to generate the reference sound source for evaluation. The sensibility estimation method by speaker was considered to be appropriate through comparison of emotional evaluation for each reference sound source. Therefore, sensibility estimation result of bone conduction speaker was analyzed that the vibration amount characteristic in the low frequency region affects the radiation sound characteristic in the high frequency region.
The analytical methods of bone conduction speaker used electromagnetic, structure, vibration and acoustic analysis. The verification of the analytical model was carried out through experiments. The nonlinear vibration characteristics confirmed in the verification process of the analytical model are estimated by analyzing the initial pre-force and the electromagnetic analysis according to the position. The acoustic characteristics of the radiation sound were analyzed by using the acoustic analysis of the boundary element method, and after analyzing the acoustic characteristics of the high frequency region, it was verified through experimental results. The deviations from the verification have improved the analytical model and secured the reliability.
The performance optimization method of the bone conduction speaker is considered as the objective function to maximize the electromagnetic force which can maximize the vibration amount within the design allowable range. The performance factors were considered the height of the permanent magnet, the height of the yoke, the thickness of the plate, the number of coil turns (coil outer diameter), and the initial pre-force. The analysis of the effect of the performance influential factors examined the independent analysis by single variable and the characteristic change by multiple variables. The analysis was studied based on independent analysis by single variables and characteristics change by multiple variables. To analyze the properties of the performance factors, responsive factors needed to be classified first using fractional factorial design and full factorial design was used for influence analysis. The F-test was done as the means to conduct the valence test to show the independence and reciprocal action for selected performance factors. The analysis showed that three independent factors and one interaction were effective. In addition, to analyze the curvature effect of the reaction value, the significance of the curvature effect was verified by adding a central point to the analysis point. The curvature effect was found to be significant by the analysis of the curvature effect, and the optimum value and nonlinear regression equation of the performance factor were derived by using the central composite design method of the response surface method.
The Monte Carlo method was used for the nonlinear regression equation derived from the response surface methodology for the design tolerance optimization method of the performance factors. The performance parameters were analyzed stochastically to analyze the design tolerance level that can occur in manufacturing process. Finally, the design tolerance is set to 3σ level, and the optimization method for securing the confidence level of the electromagnetic force performance is suggested.

#웨어러블 디바이스 #골전도 스피커

제 1 장 서 론 1
제 1 절 연구배경 및 목적 1
제 2 절 논문내용 및 구성 7
1. 연구내용 7
2. 논문의 구성 10
제 2 장 골전도 스피커 시스템 분석 12
제 1 절 시스템엔지니어링 기반 기술적 분석 12
제 2 절 골전도 스피커의 시스템 및 개발 절차 분석 16
제 3 장 골전도 스피커 등가음압 감성평가 21
제 1 절 등가음압 측정을 위한 기준음압 생성 24
1. 헤드폰의 기준음원 생성 25
2. 이어폰의 기준음원 생성 27
3. 스피커의 기준음원 생성 32
제 2 절 등가음압 측정 감성평가 35
1. 외이도 열림 정도에 대한 감성평가 결과 37
2. 착용 위치에 따른 감성평가 결과 39
제 3 절 골전도 스피커 인가전압에 대한 진동량 측정 42
제 4 절 골전도 스피커 외부 방사음 측정 48
제 5 절 골전도 스피커 감성평가 소결론 50
제 4 장 골전도 스피커 해석적 분석 51
제 1 절 골전도 스피커 전자기장 해석 51
1. 전자기장 해석개요 54
2. 골전도 스피커의 전자기장 해석모델 56
3. 골전도 스피커의 전자기장 해석결과 59
제 2 절 골전도 스피커 진동특성해석 63
1. 진동특성 해석개요 63
2. 진동특성 해석방법 65
3. 진동해석모델 및 재질정보 65
4. 진동해석조건 68
5. 진동해석결과 68
제 3 절 골전도 스피커 음향해석 71
1. 음향해석개요 72
2. 음향해석방법 72
3. 음향해석조건 73
4. 음향해석결과 74
제 5 장 골전도 스피커 해석모델검증 및 개선 76
제 1 절 골전도 스피커 해석모델 검증 76
1. 골전도 스피커 프로토 타입의 진동실험 77
2. 골전도 스피커 시제품의 음향실험 83
제 2 절 골전도 스피커 해석모델 개선 88
1. 골전도 스피커 착용조건에 대한 구조해석 고찰 88
2. 전자기장 해석모델 개선 91
3. 진동해석모델 개선 92
4. 개선된 해석모델 및 실험결과 비교 95
제 3 절 해석모델 검증 및 개선의 소결론 99
제 6 장 골전도 스피커 설계 최적화 101
제 1 절 실험계획법을 활용한 성능인자 분석 104
1. 골전도 스피커 성능인자 및 수준의 정의 104
2. 부분배치설계를 이용한 골전도 스피커 성능인자의 분석 106
3. 완전요인배치설계를 이용한 골전도 스피커 성능인자의 분석 109
4. 반응표면분석법 적용 골전도 스피커 성능인자의 예측모형설계 112
제 2 절 골전도 스피커의 통계적 분석방법에 의한 성능예측 118
1. 성능인자의 최적설계 초기공차에 대한 전자기력 성능예측 118
2. 전자기력 성능확보를 위한 설계공차 최적화 123
3. 전자기력 최적화에 대한 진동특성 성능예측 129
4. 전자기력 최적화에 대한 음향특성 성능예측 129
제 3 절 골전도 스피커의 설계 최적화 소결론 131
1. 성능인자 최적화에 대한 결론 131
2. 설계공차 최적화에 대한 결론 132
제 7 장 결 론 133
참 고 문 헌 136
Abstract 147

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