학습 목표
  • 3-웨이 수동 크로스오버 설계
  • 회로 배치도
  • 필터 네트워크 합성
  • 등화기(Equalization) 네트워크 설계
  • 공액(Conjugate) 네트워크 설계
  • Z_min 제한치에 의한 수동 네트워크 최적화

이번에는 좀더 복잡한 3-웨이 수동 크로스오버를 설계하게 될것이다. 독자는 LEAP XoverShop 사용법 : 마법사를
이용한 2-웨이 수동크로스오버를 이미 공부한 것으로 가정하였다. 이 예에서는 어떻게 정교한 크로스오버를
빠르고 쉽게 설계할수 있는지에 대해 설명하게 될것이다.이 예에서는 공액 네트워크와 등화기 네트워크를 모두
사용할 것이다. 3-웨이 인클로져의 경우 수동 크로스오버로 설계를 하게되면 종종 여러가지 문제점이 발생되는데,
우퍼부분의 임피던스 곡선이 두개의 봉우리를 가지고, 기공형이면 특히 그러하다. 이때 높은 주파수쪽 봉우리는
낮은 주파수쪽 크로스오버점과 매우 가깝게 위치하게 되어, 우퍼 네트워크에 대한 임피던스 부하를 급격하게
변화시킨다. 이러한 임피던스 봉우리에 의한 효과는 필터 네트워크의 응답에서 종종 볼수가 있다. 임피던스를
평탄하게 하기위해서 우퍼부분에 공액 네트워크가 사용된다. 이때에 사용되는 공액 네트워크는 대용량의 인덕터와
캐패시터를 필요로 하기 때문에 비용이 많이든다. 하지만 여기서 어떻게 공액 네트워크를 적용하는지를 익힘
으로서 후에 비슷한 경우에 공액 네트워크를 사용할 필요가 있을 때 유용하게 사용할 수가 있다. 포트 공명으로
인한 우퍼 응답상의 문제점을 보정하기 위해 수동 등화를 사용할수 있는데, 실제적으로는 캐비닛 자체에서 문제점
을 찾아 보안해주는 것이 최상의 방법이지만 여기서는 교육상 등화기 설계에 의해 이 문제점을 제거하도록 할것
이다.

원점의 선택
크로스오버를 설계할 때 가장 먼저 해야할 일이 시스템의 원점을 선택하는 것이다. 원점이란 3차원 x,y,z 좌표
에서 모든 좌표값의 기준이 되는 (0,0,0)점을 말한다. 여기서는 트위터의 보이스코일 위치를 설계시 원점으로
선택하였다.      

변환기의 좌표
다음 그림은 3-웨이 라우드스피커에서 인클로져에 변환기들이 배치되어 있는 전형적인 모습이다. 
    
응답을 정확하게 시뮬레이션하기 위해서는 3차원 좌표로 변환기의 위치를 표시해 주어야 한다. 그림에서는
트위터로부터 미드레인지, 우퍼까지의 상대적 거리를 보여주고 있다. 트위터가 원점으로 선택되었기 때문에
트위터의 좌표는 (0,0,0)이 되고, 미드레인지의 좌표는 (+4.25,-4.5, -2.0)이 되며, 우퍼의 좌표는
(+1.5, -12.5, -3.0) 이된다. 여기서 단위는 인치이다. 드라이버의 좌표가 결정되면 프로그램은 각 드라이버에
대해 3차원 공간내의 임의의 위치에대한 위상지연을 계산해 낼수있다. 하지만 이싯점에서 우리는 극 시뮬레이션
이나 축에서 떨어진 곳에서의 응답 시뮬레이션을 얻기위해 필요한 축에서 떨어진 곳에서의 드라이버 데이터가
없기 때문에 이 예에서는 축상에서의 시뮬레이션에 대해서만 생각해 보기로 하자.

시제품 측정 데이터
이 예에서는 다음 그림과 같은 인클로져에 대해 기저면 측정이 행해졌다. 박스는 밑쪽이 위로 가도록 뒤집고,
마이크로폰이 트위터의 축상에 위치하도록 인클로져 뒤쪽을 약간 들어 주었다. 
    
기저면 측정은 무향실에서 전체 영역에 걸쳐 측정한 것과 같이 이상적인 응답결과를 제공해 준다.
박스의 밑부분을 뒤집어서 위쪽으로 오게 하는 이유는 고주파수의 음을 내는 트위터를 경계에 가깝게 위치하도록
하기 위함이다. 드라이버들의 음향응답과 각 드라이버의 임피던스는 별도로 분리하여 측정하였다. 이예에서는
측정된 데이터를 얻기위해 LMS 분석기를 사용하였다. 음향데이터가 측정되면 적절한 위상곡선을 얻기위해
끝부분 보정(Tail correction)과 최소위상변환(Minimum phase transform)을 거치게 된다. 이렇게하여 얻어지는
위상곡선은 지연이 없기 때문에 보이스코일이 있는 곳에서의 위상을 나타내게 된다. 다음의 그래프는 우퍼,
미드레인지, 트위터에 대한 임피던스 응답을 보여주고 있다.
   

각 부분은 400포인트의 로그 해상도를 사용하여 10Hz-40KHz범위에서 측정되었다. FFT분석기를 이용하여
이와 같이 로그 해상도로 측정을 하게되면 문제점이 하나 발생한다. FFT는 선형적인 주파수 데이터를 생산해
내기 때문에, 지극히 긴 기간동안 데이터를 수집하여야 하며, 수집된 선형 데이터를 배출해서 파일로 저장한후
로그 해상도의 주파수로 재배열해야 하는 작업이 필요하다.
우퍼, 미드레인지, 트위터에 대한 음향학적 응답을 다음 그림에서 볼수있다. 
    

이들 그래프는 이미 끝부분 보정과 최소위상변환을 거친것이다. 측정은 드라이버에 2.83Vrms를 인가하고 트위터
로부터 1M 떨어진 곳에서 행해진 것이다.

주의 : 측정시 마이크로폰의 위치는 모든 드라이버에 대해 고정되어 있어야 하며, 크로스오버 시뮬레이션에서도
         동일해야 한다. 그렇지않으면 전체 극데이터를 측정해야 한다.

크로스오버 주파수의 선택
3-웨이 크로스오버를 설계하려면 2점의 주파수를 선정하여야 한다. 따라서 이들 주파수값을 결정하기 위해 많은
고려가 필요하다. 하지만 이 예에서는 크로스오버 주파수로서 250Hz와 2.5KHz를 단순히 선정했다.
한가지 고려해야 할점은 우퍼응답이 200Hz근처에서 심각한 피크와 홀을 가진다는 것이다. 이러한 문제는
수동 등화를 사용하여 해결할 것이다.