KR0152663B1 - 지향성 마이크로폰 - Google Patents

지향성 마이크로폰

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KR0152663B1
KR0152663B1 KR1019900006974A KR900006974A KR0152663B1 KR 0152663 B1 KR0152663 B1 KR 0152663B1 KR 1019900006974 A KR1019900006974 A KR 1019900006974A KR 900006974 A KR900006974 A KR 900006974A KR 0152663 B1 KR0152663 B1 KR 0152663B1
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directional
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웨인 엘코 게리
알프레드 커블라이 로버트
필립 맥카티어 제프리
에드워드 웨스트 제임스
Original Assignee
죤 제이. 키세인
에이티 앤드 티 코포레이션
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Abstract

내용 없음.

Description

지향성 마이크로폰
제1도는 반사 평면에 대해 배플이 설치된 일차 그래디언트 마이크로폰으로 구성된 이차 그래디언트 마이크로폰을 나타내는 도면.
제2도는 반사 평면에 대해 위치한 일차 그래디언트 센서의 개략도.
제3도는 벽에 설치된 환상 센서 어레이의 개략도.
제4도는 반사 평면으로부터 떨어져 그위에 위치한 배플이 설치된 그래디언트 마이크로폰에 대한 벽에 설치된 환상 센서 어레이의 이론적 주파수 응답을 나타내는 도면.
제5도는 탁상용 환상 센서 어레이의 개략도.
제6도는 Φ=90℃ 일때 X 축을 따라 정렬된 벽에 설치된 환상센서 어레이에 대해 측정된 지향성을 나타내는 도면.
제7도는 Φ=0℃ 일때 X 축을 따라 정렬된 벽에 설치된 환상센서 어레이에 대해 측정된 ø지향성을 나타내는 도면.
제8도는 벽에 설치된 환상 센서 어레이에 대해 측정된 보정(W2만큼 보정됨) 주파수 응답을 나타내는 도면.
제9도는 벽에 설치된 환상 센서 어레이에 대해 측정된 보정 노이즈 플로어를 나타내는 도면.
제10도는 이동 셀방식 전화통신에서 본 발명의 적용예를 도시한 개략도.
제11도는 본 발명을 이용한 선형 어레이를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 지향성 마이크로폰 어셈블리 12 : 배플
13 : 일차 그래디언트(FOG)센서 15 : 음향 반사 평면
101 : 자동차 102 : 마이크로폰 어셈블리
107 : 바람막이 111 : 일차 그래디언트 유닛
112 : 배플 114 : 음향 반사 벽
본 발명은 지향성 마이크로폰 및 음향 센서에 관한 것이다.
지향성 특성을 가진 음향 변환기가 많은 응용에서 유용하다. 특히 작은 크기에 비해 비교적 큰 지향성 계수(directivity factor)를 가진 단일 지향성 마이크로폰이 광범위하게 사용된다. 이러한 마이크로폰의 대부분은 일차 그래디언트 타입으로써, 세부 구조에 따라, (a+cosθ)로 표현된 지향성 특성을 나타내는데, 이때 a는 상수(0≤a≤1)이고, θ는 대칭 회전축에 대한 각도이다. 4까지의 범위를 가진 지향성 계수가 이와 같은 시스템에서 얻어질 수 있다.
지향성은 이차 그래디언트 마이크로폰을 사용함으로써 개선될 수도 있다. 이들 마이크로폰은 ｜a｜≤1, ｜b｜≤1 인 (a+cosθ)(b+cosθ)에 의해 주어진 지향성 패턴을 가지며, 최대 지향성 계수 9를 부여한다. 이러한 마이크로폰의 광범위한 사용은 일차 그래디언트 마이크로폰 디자인과 비교했을때, 비교적 복잡한 디자인 및 불량한 신호대 잡음비로 인해 억제된다.
이차 그래디언트 마이크로폰의 비교적 최근 변형중 하나는, James E. West 와 Gerhard Martin Sessler 의 발명으로, 1988년 5월 3일 특허가 허여된 미국 특허 제 4,742,548호에 기술되어 있다. 변형이 선행 디자인에 비해 향상되었음을 보여주는 반면에, 여기에 사용된 2개의 일차 지향성 소자의 상대 위치 및 감도는 위와 같은 마이크로폰의 한 어레이에서와 같이, 2개 이상의 이차 그래디언트 마이크로폰이 정합되거나 함께 사용될 것을 공공연하게 요구할 수 있다.
그러므로, 훨씬 더 간단한 방법으로 이차 그래디언트 마이크로폰 및 그의 어레이를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 비교적 양호한 단일 지향성 마이크로폰 및 센서의 문제 해결책은 지향성 마이크로폰에 근접한 평면 반사소자 또는 제2(쌍으로 이루어진) 지향성 센서 소자의 존재를 시뮬레이트 하도록 하는 다른 센서 소자를 사용하는 것이다.
우리 기술이 양호하게도 단일 지향성 및 환상 지향성 특성을 포함하는 다양한 패턴을 가진 이차 그래디언트 마이크로폰을 생산해 내는데 사용된다.
본 발명의 첫번째 특징에 따라, 반사 소자의 가로 넓이(lateral extent) 및 그 표면에 대한 센서의 위치는 다른 반사 표면으로부터의 어떠한 파괴적인 간섭도 막을 수 있을 정도로 충분해야 한다.
본 발명의 두번째 특징에 따라, 본 어셈블리의 지향성 응답을 개선하고 방안에서의 여음 효과(reverberation) 및 잡음을 막도록 일차 그래디언트 마이크로폰 또는 기타 다른 센서 소자가 음향-반사성 벽으로부터 선택된 간격으로 설치된다.
본 발명의 기타 다른 특징에 따라, 상-유도(image-derived) 지향성 마이크로폰이, 다중통로 왜곡(방 여음으로 인한), 이득 스위치(gain swiching)으로 인한 음성 훼손 및 기타 관련된 문제점들과 같은 핸드-프리(hands-free) 전화 통신의 지속적인 문제점을 약화시키도록 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은, 환상 패턴과 같은 독특한 지향성 패턴을 달성하기 위한 상-유도 지향성 음향 센서의 구성 및 지향성 패턴을 변화시키기 위한 무지향성 음향 센서(omnidirectional acoustic sensor)와의 결합에 관계한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 수 있다.
종래 기술에 있어서, 서로 미소 거리만큼 떨어지고 이차 그래디언트(SOG) 단일 지향성 마이크로폰을 형성하도록 적당한 위상 및 지연이 부가된 일차 그래디언트 양 지향성 센서(FOGs)의 정합 페어는, 위에서-인용된 West 등의 특허에서와 같이, 주파수와 무관한 지향성 응답, 소형의 크기, 및 비교적 간단한 디자인을 보여주었다. 이들 시스템은 주로 위에 자유롭게 매달려 있거나 탁상 위에 설치되어 동작하도록 디자인된다. 이들은 또한 환상 또는 단일 지향성 극 특성을 가질 수 있다. 이러한 마이크로폰의 극 특성은 관련 주파수 범위에 대하여 센서 사이의 진폭 및 위상의 밀접한 매칭에 의해 좌우된다.
대조적으로, 본 발명에 따른 장치는 음향 반사 벽 또는 그 벽 위 또는 근처에 배치될 수 있는 대규모 음향 반사 표면상에 곧바로 설치될 수 있으며, 환상 및 다른 지향성 특성을 가진 SOG를 형성하는데 대한 놀라우리만큼 간단한 해결책을 제공한다. 앞서 이차 시스템의 모든 특징은 신호대 잡음비(이들 새로운 센서에 대해 3dB 정도로 높음)에서의 개선이라는 이점과 함께 새로운 시스템에서 보존된다. 단지 하나의 센서만이 이차 그래디언트 및 기타 다른 지향성 특성을 달성하도록 요구되며, 상이 주파수 및 위상에 있어서 실제 센서에 대한 완전한 정합이라는 것은 주목할만하다. 본 논문이 반사 표면 근처에 위치한 무지향성 또는 단일 지향성 센서의 다소 제한된 효과를 기술하는 반면(미국 특허 제 4,658,425호 참조)에, 반사기와 관련하여 일차 그래디언트 센서 장치의 결과적 이점에 대해 어떠한 제안도 이루어지지 않았다.
제1도의 장치는 지향성 마이크로폰 어셈블리(11)를 포함하는데, 이는 제1도에 도시된 바와 같이 배플(12)(예컨대, 직경 3㎝, 두께 2.5㎝)의 중앙에서 개구(14)에 고착된 호환성의 일차 그래디언트(FOG) 센서(13)(Panasonic 모델 WM-55D 103)로 구성된다. 센서와 배플 사이를 양호하게 밀폐시키도록 주의 해야한다. 상기 센서 및 배플은 음향 반사 평면(15)으로부터 소정의 거리만큼 떨어져 있으며, 상기 센서 및 배플에 의해 한정된 표면은 상기 평면(15)에 대해 평행하다.
센서(13)의 양 지향성 축은 평면(15)에 직교한다. 반사 평면(15)으로부터의 소정의 거리(Zo)는 관련된 최고 주파수의 함수이며, Zo=2.5㎝일 경우, 그 결과적인 상위 주파수 한계는 3.5㎑이다. 배플(12)을 포함하는 진동판의 두측면 사이의 유효 거리 d2는 배플 크기즈에 의해 결정되고 실험적으로 2㎝로 정해져 있다. 기하학적 고찰로, 센서의 출력은 그 자신 및 그의 상의 합이다. 이제부터 최종 센서가 이차 그래디언트 특징을 가지고 있음을 보여주겠다.
제2도는 반사 평면(21)에서 대하여 일반각( )에 위치한 일렉트릿(electret)FOG 센서의 쌍극성 센서 P1, P2, 예를 들면 쌍극성 소자(22,23)의 개략적인 모델을 도시한 도면이다. 아래의 분석은 α가 최적으로 0°에 일치함을 보여줄 것이다. 주파수 ω의 입사 평면파에 대해, 우리는 이 필드를 입사 및 반사된 필드로 분해할 수 있는데,
Figure kpo00002
이대 kx,ky 및 kz는 파형 벡터 필드(wave-vector field)의 성분이다. 모든 위치에서 전체 압력은,
Figure kpo00003
(2)는 최종 필드가 Z 방향으로 정재파(standing wave)를 가지며 x 및 y 방향으로 평면파 필드를 전파함을 보여준다.
구면 좌표에서, kx,ky, 및 kz는 다음과 같이 기재될 수 있는데,
Figure kpo00004
이때, k는 음파수이다. 그래디언트 센서 출력이 쌍극 축방향으로의 음향압력의 공간적 미분에 비례하기 때문에, 쌍극 센서의 출력은 다음과 같이 기재될 수 있다.
Figure kpo00005
KzZ《π 라고 가정할 경우,
Figure kpo00006
α=0 이면,
Figure kpo00007
식(6)은 그래디언트 축이 반사 표면에 대해 수직 위치에 있을 경우 지향성 응답은 cos2(θ)으로써, 선형 사극자, 또는 이차 변환기의 지향성임을 보여준다.
Figure kpo00008
이면,
Figure kpo00009
일차 그래디언트에 대한 지향성 응답이다.
일반적으로, kzZ《π 이면,
Figure kpo00010
그러므로 제1도에서 쌍극 센서(13)의 축은 배플(12)의 평면 및 반사 평면(15)에 대해 수직으로 배향되어야 한다.
특별히 벽에 설치된(wall-mounted) 지향성 마이크로폰을 응용한 것으로써는, 예컨대, 회의실 응용 및 제10도에 도시된 이동 셀(cell)방식 전화 통신에서와 같은 핸드-프리 전화 통신이 있다.
자동차(101)내에서, 제1도 및 제2도와 관련하여 논의된 것과 같은 타입의 마이크로폰 어셈블리(102)가 바람막이(107)의 내부 표면상에 설치된다. 상기 어셈블리(102)는 배플(104)안에 설치된 일차 그래디언트 센서 소자(103)를 포함하여, 이는 배플 평면은 바람막이(107)에 평행하지만 센서 양 지향성 축 및 그의 지향성 패턴은 바람막이(107)에 수직이 되게 설치되며 상기 바람막이 유리로부터 센서 간격은 제1도에 대해 설명된 바와 같이, Zo 가 된다. 상기 간격 및 배향(orientation)은 진동-분리 설치대(105) 및 부착 지점(106)에 의해 유지되며, 이들을 통하여 마이크로폰 리드 와이어가 이동 셀 방식 라디오 유닛(도시않됨)에 이르게 될 수 있다.
벽위에 설치하는 환상 마이크로폰은 배플내에 두개의 FOGs 를 포함하도록 디자인 될 수 있다. 제3도는 이 변환의 개략도이다. 상기 분석으로부터 센서(31 및 32)의 출력을 다음과 같이 기재 할 수 있는데,
Figure kpo00011
이때, α,γ, 및 Zo 는 제3도에 표시되어 있다.
이 환상 마이크로폰은 단순히 이들 두개의 센서 출력을 더함으로써 형성된다. 즉,
Figure kpo00012
(소형으로 하기 위해 기능적 부속물은 제외시켰음을 주목할 것)두개의 센서와 벽사이의 간격이 파장에 비해 작을 경우,
Figure kpo00013
이된다.
r sinα = Z0COS α = K 라고 하면,
Figure kpo00014
가 된다.
Φ=0, 또는 π 일때,
Figure kpo00015
가 되면,
그리고,
Figure kpo00016
에 대해,
Figure kpo00017
가 된다.
r=Z0이면,
Figure kpo00018
또는 일반적으로
Figure kpo00019
이된다.
우리가 실험적으로 조사한 구성은 반사 평면에서 변환기까지의 높이의 두배인 변환기 사이의 간격을 필요로 한다. 그러므로, 쌍극이 표면 법선에 대해 +,-45°에서 회전된다. 이 시스템에서 우리는 두개의 센서를 따라 합쳐지게 되는 두개의 상을 발새시킨다. 최종 변환기에서 루킹(looking)하는 가장 직접적인 방법은 이 환상 마이크로폰을 하나의 센서 및 대항 센서의 상으로 구성된 두개의 수직 어레이의 합으로 간주하는 것이다. 결국 이 분해 작용은 서로 수직인 두개의 선형 사극자 어레이를 발생시킴을 분명하게 알 수 있다. 대칭에 의해, 두개의 선형 사극자 사이의 교차점이 위상적으로 더해져야 하고 따라서, 상기 환상 마이크로폰을 완성한다. 이러한 논의를 계속하므로써, 선형 사극자는 그들의 주축을 따라 cos2θ인 지향성을 갖는다. 선형 사극자가 서로에 대해 수직이기 때문에, 선형 사극자 주축상의 하나에 따른 좌표계를 참조 할 수 있다. 이렇게 할 경우, 두개의 마이크로폰의 선형 결합이 cos2θ+sin2θ=1 임을 알 수 있다. 선형 사극자에 수직인 축을 따르면 그 응답은 cos2θ을 유지한다. 그러므로, 최종 변환기 응답은 이차 환상 마이크로폰이 된다.
네개의 센서 모두, 두개의 실체 및 상의 합계에 대한 주파수 응답은 파동 입사각의 함수이다. 제4도는 r=Zo=2.5㎝에 대한 Z 방향으로의 입사 파에 대한 이론적 주파수 응답을 나타내는 플로트(41)이다. 기대 ω2종속도를 쉽게 구할 수 있다.
종래의 환상 마이크로폰과는 달리, 이 마이크로폰 어레이는 단지 두개의 그래디언트 변환기를 정확하게 매칭시킬 것을 요구한다. 우리는 이제까지 이차 단일 지향성 및 환상 지향성 특성을 이루도록 하나 또는 두개의 FOG 센서로 구성된 단일 마이크로폰을 설명해 왔다. 마이크로폰 기술에 숙련된 사람에게는 선형 또는 평면 어레이가 FOG 센서를 사용하여 형성될 수 있고 그때 어레이가 음향 반사 표면 근처에 위치할 수 있다는 것이 분명해질 것이며, 그에 따라 각 센서와 더불어 그의 상의 이차 그래디언트 응답으로 인해 어레이의 지향성 계수를 증배 시키게 된다. 비-평면 반사 표면의 외관을 따르는 환상 어레이 또는 굽은 어레이에 대해 똑같은 논의가 이루어질 수 있다. 선택된 주파수 대역내에서 음향 흡입 물체 및 공진기 또는 그 어느 한쪽만이 반사 평면내에 내장될 수 있음이 본 기술의 숙련자에게 공지되어 있으며, 그에 따라 단일 마이크로폰 어레이의 지향성 지수(directivity index)를 조절한다. 예컨대, 저 주파수에서는 cos2θ 응답을, 고 주파수에서는 cosθ 응답을 원한다. 이것은, 반사 평면상에서, 저 주파수에서는 반사하고 고 주파수에서는 흡수하고 음향 흡입 물체의 선택을 요구한다.
회의실 전화 통신용의 전형적인 라인 어레이가 제11도에 도시된다. 여기서, 각각의 일차 그래디언트 유닛(111)은 라인 어레이(113)를 형성하도록 배플(112)내에 설치되고, 상기 라인 어레이(113)는 음향 반사 벽(114)에 대해 일정한 간격을 두고 배향된다. 라인 어레이(113)의 수직 배향은 수직 방향으로의 매우 폭이 좁은 픽업 패턴을 부여한다.
[탁상용 환상 시스템]
수신 방향이 테이블 주위의 화자의 머리면을 향하는, 테이블 위에 설치된 환상 시스템은 플러시에 설치된(flush-mounted) 무지향성 센서(52)의 출력과 제2도에서 설명된 유형의 유효한 이차 그래디언트 센서(58)를 적절하게 결합시키므로써 형성될 수 있는데, 센서(51)의 축은 그의 상과 마찬가지로 테이블 정상(53)에 수직이다. 이 구성 형태는 제5도에 도시되어 있다. 앞서 전개한 것에 따라 조합된 센서 출력에 대해 다음과 같이 기재할 수 있다.
Figure kpo00020
이때 이차 그래디언트와 무지향성 센서 사이의 주파수 응답에서의 차이를 보상하도록 필터 함수 H(ω)를 삽입시킨다. H(ω)를 다음과 같이 정할 경우,
Figure kpo00021
Figure kpo00022
식(19)은 필터링된 그래디언트와 무지향성 센서의 최종 결합이 결국 테이블 정상에 평행한 평면에 민감한 환상 마이크로폰을 발생시킴을 보여준다.
지향성 특성, 주파수 응답, 및 등가 노이즈 레벨 측정이 환상 및 무지향성 센서와 같이 반사 그래디언트 마이크로폰상에서 취해진다.
각도 Φ가 x-y 평면(반사 평면)에 존재하고, θ가 Z축으로부터의 각도인 구면 좌표계가 사용된다. 상기 FOG 장치 및 음향 반사 표면의 지향성 특성이 식(6)으로 주어진다.
FOG 및 그의 상의 조합이 상술된 방법으로 이차 단일지향성 마이크로폰을 형성함을 상기 분석으로 알 수 있다. 다양한 Zo 에 대해 구해진 실험적 결과는 본 시스템이 이론적 기대 결과에 밀접하게 부합함을 보여준다. 제6도 및 제7도는 θ 및 Φ 평면에서 Zo=2.5㎝ 에 대한 결과를 보여준다.
비임폭은 약±35°이다. 본 시스템의 정확도는 FOG 와 그의 상 사이의 완전한 정합에 의해 좌우된다. 본 시스템의 주파수 응답은 기대 종속도 ω2을 가진다. 보정된 주파수 응답이 제8도에 도시된다. 보정된 환상 센서에 대한 A-웨이팅된 노이즈 플로어가 제9도에 도시된다. 센서 노이즈의 A-웨이팅된 등가음압 레벨은 200㎐ 이상 36㏈이다.
본 기술에 숙련된 사람으로부터, 마이크로폰 및 센서 장치 및 다른 어레이가 상술된 본 발명의 원리에 따라 이루어질 수 있다.
예컨대, 제11도의 라인 어레이가 수평한 평면내에서 픽업 패턴을 좁히도록 스퀘어 어레이로 대체될 수 있다.

Claims (9)

  1. 반사기(5)에 관하여 배치된 센서(11)를 포함하는 지향성 마이크로폰에 있어서, 상기 센서의 응답 패턴이 비교적 높은 감도(sensitivity)를 가진 장축과 비교적 낮은 감도를 가진 단축을 보유한 양지향성 일차 그래디언트 응답 패턴(bidirectional first-order gradient response pattern)이며, 상기 반사기가 평면형으로 상기 센서 근처에 배치되므로서, 상기 센서와 반사기 사이의 음향 상호작용(acoustic interaction)이 상기 센서의 출력으로 하여금 상기 센서와 상기 반사기 사이의 거리만큼 한정된 상한을 가진 주파수 범위에 걸쳐 이차 그래디언트 응답 패턴을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서가, 그의 응답 패턴의 장축이 상기 반사기와 직교하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로폰이 어레이 형태로 다수의 센서(31,32,111)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다수의 센서(111)가, 각각 자체 응답 패턴의 장축이 반사기(114)에 직교하도록 배향되며, 그에 따라 상기 지향성 마이크로폰이 단일 지향성 패턴(unidirectional directivity pattern)을 갖는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  5. 제3항에 있어서, 상기 다수의 센서(31,32)가, 각각 자체 응답 패턴의 장축이 반사기(33)에 대해 경사지게 배향되며, 그에 따라 상기 지향성 마이크로폰이 환상 지향성 패턴(toroidal directional pattern)을 갖는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  6. 제1 또는 3항에 있어서, 상기 반사기(114)가 방 벽인 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사기가 자동차(101)의 바람막이(107)인 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  8. 제2항에 있어서, 상기 지향성 마이크로폰이 무지향성 응답패턴(omnidirectional response pattern)을 가진 추가 센서(52)를 더 포함하며, 이 추가 센서가 상기 장축과 상기 반사기(53)의 교차점에 설치되고, 상기 센서 및 상기 추가 센서의 출력 신호가 결합되므로서, 상기 지향성 마이크로폰이 상기 반사기에 평행한 평면에서 환상 지향성 패턴을 갖게 되는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  9. 제5 또는 8항에 있어서, 상기 반사기(33,53)가 음향-반사 테이블표면(acoustically-reflecting table surface)인 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
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