KR101702330B1 - 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
청취자 위치에서 개인 음향 공간을 형성하는 장치 및 방법을 제공한다. 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 어레이 스피커와 청취자의 거리에 따라 근접장과 원거리장을 구별하여 제어함으로써 청취자가 어레이 스피커로부터 근접한 위치에 있어도 포커싱 처리를 할 수 있고, 어레이 스피커를 사용하여 지향성 음원을 생성하는 것과 동시에 원거리 음압을 감소시킴으로써 청취자 위치에 포커싱을 하면서도 원거리로 퍼지는 음원을 줄일 수 있다.
Description
기술분야는 청취자 위치에서 개인 음향 공간을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에는 주변 타인에게 소음 공해를 발생시키지 않고, 이어폰이나 헤드셋 없이 특정 청취자에게만 소리를 전달할 수 있는 개인 음향 공간(personal sound zone, 이하 PSZ라 함)에 관한 기술이 활발이 이루어지고 있다. 개인 음향 공간을 형성하는 방법으로는 다수의 음향 트랜스 듀서를 구동하였을 때 발생하는 소리의 지향성을 이용하는 방법, 원거리로 방사되는 소리의 감쇄율을 변화시키는 방법이 있다. 그러나 어레이 소스를 사용하여 특정 방향으로 소리를 집중시키는 기존 기술은 특정 방향으로 소리를 지향하는 것은 가능하지만 특정 방향으로 소리가 더 멀리 전파되어 청취자 후방으로 퍼지는 에너지를 제어할 수 없다.
일 측면에 있어서, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 청취자 위치의 음압 에너지와 제1 다크존 영역 및 제2 다크존 영역의 합산 음압 에너지의 비율에 기초하여 상기 청취자 위치에서 상기 청취자의 주변 위치보다 더 높은 음압을 가지고, 상기 제2 다크존 영역에서 거리에 따른 음압 감쇄를 제어하는 필터를 생성하는 필터 생성부, 상기 생성된 필터의 필터 값과 입력 신호를 연산처리 하여 멀티 채널 신호를 생성하는 필터 처리부 및 상기 멀티 채널 신호를 출력하는 출력부를 포함한다.
상기 필터 생성부는 상기 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하는 근거리 영역 설정부 및 상기 근거리 영역을 상기 청취자 위치 및 상기 청취자 위치 주변의 제1 다크존 영역으로 구별하고, 상기 청취자 위치로부터 소정 영역 떨어진 원거리 영역을 제2 다크존 영역으로 구별하는 영역 구별부를 더 포함할 수 있다.
상기 필터 생성부는 상기 청취자 위치의 청취음압을 고려한 가중치를 적용하여 상기 멀티 채널 신호의 빔폭을 결정하는 빔폭 결정부, 상기 제1 다크존 영역에서의 근접장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 근접장의 빔패턴을 결정하는 근접장 빔패턴 결정부, 상기 제2 다크존 영역에서의 원거리장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 원거리장의 방사패턴을 결정하는 원거리장 방사패턴 결정부 및 상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소(factor) 및 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소(factor)에, 상기 근접장과 상기 원거리장을 동시에 제어하기 위해 제어 가중치를 적용하는 제어 가중치 적용부를 포함할 수 있다.
상기 제어 가중치 적용부는 상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소에 적용된 제1 제어 가중치와 상기 원거리장의 방사패턴을 적용하는 요소에 적용된 제2 제어 가중치가 서로 반비례하는 값을 가지도록 상기 제어 가중치를 적용할 수 있다.
상기 필터 처리부는 상기 생성된 필터의 필터 값과 상기 입력 신호를 실시간으로 컨볼루션 하여 상기 멀티 채널 신호를 생성하는 컨볼루션 처리부를 포함할 수 있다.
상기 필터 처리부는 상기 입력 신호를 기 설정된 이득 및 지연 처리하는 이득 및 지연 처리부를 포함할 수 있다.
상기 필터 생성부는 각 어레이 스피커들로부터 상기 청취자 위치까지의 전달함수 정보 및 상기 각 어레이 스피커들로부터 상기 원거리 위치까지의 전달함수 정보에 기초하여 근접장 및 원거리장을 동시에 제어하기 위한 필터를 생성할 수 있다.
상기 전달함수 정보는 이론적으로 모델링 된 음원의 전달함수 정보일 수 있다.
상기 전달함수 정보는 상기 청취자 위치 및 상기 원거리 위치에서 마이크로폰을 사용하여 직접 측정된 전달함수 정보일 수 있다.
상기 필터 생성부는 상기 입력 신호의 주파수 및 일정한 레일리 거리(Rayleigh distance)에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정하는 어레이 어퍼쳐(array aperture) 사이즈 결정부 및 상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 어레이의 사용범위를 설정하는 사용범위 설정부를 포함할 수 있다.
상기 사용범위 설정부는 어레이 스피커들을 사이즈가 각각 다른 어레이 그룹으로 설정하는 그룹 설정부 및 상기 입력 신호를 해당되는 주파수 대역에 따라 상기 설정된 어레이 그룹으로 할당하는 신호 할당부를 포함할 수 있다.
상기 사용범위 설정부는 상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 계산된 윈도우 필터를 채널 신호에 처리하여 상기 어레이의 사용범위를 설정할 수 있다.
상기 필터 생성부는 포컬 포인트(focal point)를 상기 입력 신호의 주파수에 따라 상기 청취자 귀 위치에서 빔폭이 유지되도록 상기 청취자 위치의 앞뒤로 변경하는 포컬 포인트 변경부를 포함할 수 있다.
상기 출력부는 어레이 스피커를 통하여 상기 멀티 채널 신호를 출력하는 어레이 스피커부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법은 청취자 위치의 음압 에너지와 제1 다크존 영역 및 제2 다크존 영역의 합산 음압 에너지의 비율에 기초하여 상기 청취자 위치에서 상기 청취자의 주변 위치보다 더 높은 음압을 가지고, 상기 제2 다크존 영역에서 거리에 따른 음압 감쇄를 제어하는 필터를 생성하는 단계, 상기 생성된 필터의 필터 값과 입력 신호를 연산처리 하여 멀티 채널 신호를 생성하는 단계 및 상기 멀티 채널 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 필터를 생성하는 단계는 상기 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하는 단계 및 상기 근거리 영역을 상기 청취자 위치 및 상기 청취자 위치 주변의 제1 다크존 영역으로 구별하고, 상기 청취자 위치로부터 소정 영역 떨어진 원거리 영역을 제2 다크존 영역으로 구별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 필터를 생성하는 단계는 상기 청취자 위치의 청취음압을 고려한 가중치를 적용하여 상기 멀티 채널 신호의 빔폭을 결정하는 단계, 상기 제1 다크존 영역에서의 근접장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 근접장의 빔패턴을 결정하는 단계, 상기 제2 다크존 영역에서의 원거리장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 원거리장의 방사패턴을 결정하는 단계 및 상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소 및 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소에, 상기 근접장과 상기 원거리장을 동시에 제어하기 위해 제어 가중치를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 필터를 생성하는 단계는 상기 입력 신호의 주파수 및 일정한 레일리 거리(Rayleigh distance)에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정하는 단계 및 상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 어레이의 사용범위를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 필터를 생성하는 단계는 포컬 포인트(focal point)를 상기 입력 신호의 주파수에 따라 상기 청취자 위치의 앞뒤로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
어레이 스피커와 청취자의 거리에 따라 근접장과 원거리장을 구별하여 제어함으로써 청취자가 어레이 스피커로부터 근접한 위치에 있어도 포커싱 처리를 할 수 있다.
또한, 어레이 스피커를 사용하여 지향성 음원을 생성하는 것과 동시에 원거리 음압을 감소시킴으로써 청취자 위치에 포커싱을 하면서도 원거리로 퍼지는 음원을 줄일 수 있다.
또한, 근접한 청취자에게 음원을 포커싱할 때 청취자의 위치에서 청취 음압을 떨어뜨리지 않도록 근접장의 빔패턴을 제어함으로써 청취자 위치에서 주변 보다 높은 음압을 구현할 수 있다.
또한, 멀티미디어 기기에 청취자가 근접한 경우에 청취자의 위치에 음원을 포커싱하고 후방으로 방사되는 음원을 제어함으로써 개인 음향 공간을 생성할 수 있다.
도 1a는 일실시예에 따라 청취자 위치를 기준으로 한 근접장과 원거리장의 설정을 나타낸다.
도 1b는 어레이 스피커와 청취자간의 거리에 따른 관계를 좌표계를 이용하여 나타낸 도면이다.
도 1c는 어레이 소스의 거리에 따른 음압 변화를 나타낸다.
도 2는 사운드 빔의 빔폭에 따른 거리감쇄 특성을 나타낸다.
도 3은 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치의 블록도이다.
도 4a는 일실시예에 따른 어레이 스피커의 근접장 및 원거리장의 설정을 나타낸다.
도 4b는 일실시예에 따른 제어 가중치부에 적용 될 수 있는 가중치 값의 변화를 나타낸다.
도 4c는 일실시예에 따른 빔폭 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
도 4d는 일실시예에 따른 근접장 빔패턴 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
도 4e는 일실시예에 따른 원거리장 방사패턴 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
도 5는 일실시예에 따른 필터 생성부의 블록도이다.
도 6a는 일실시예에 따른 주파수와 어레이 어퍼쳐 사이즈의 관계를 나타낸다.
도 6b는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 일 예를 나타낸다.
도 6c는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 다른 일 예를 나타낸다.
도 6d는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 또 다른 일 예를 나타낸다.
도 7은 일실시예에 따른 포컬 포인트 변경부의 일 예를 나타낸다.
도 8a는 일실시예에 따른 필터 처리부의 일 예를 나타낸다.
도 8b는 일실시예에 따른 필터 처리부의 다른 일 예를 나타낸다.
도 9a는 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치가 적용된 효과를 나타낸다.
도 9b는 일실시예에 따른 청취자 위치 및 원거리에서의 빔패턴을 나타낸다.
도 10은 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법의 흐름도이다.
도 1b는 어레이 스피커와 청취자간의 거리에 따른 관계를 좌표계를 이용하여 나타낸 도면이다.
도 1c는 어레이 소스의 거리에 따른 음압 변화를 나타낸다.
도 2는 사운드 빔의 빔폭에 따른 거리감쇄 특성을 나타낸다.
도 3은 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치의 블록도이다.
도 4a는 일실시예에 따른 어레이 스피커의 근접장 및 원거리장의 설정을 나타낸다.
도 4b는 일실시예에 따른 제어 가중치부에 적용 될 수 있는 가중치 값의 변화를 나타낸다.
도 4c는 일실시예에 따른 빔폭 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
도 4d는 일실시예에 따른 근접장 빔패턴 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
도 4e는 일실시예에 따른 원거리장 방사패턴 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
도 5는 일실시예에 따른 필터 생성부의 블록도이다.
도 6a는 일실시예에 따른 주파수와 어레이 어퍼쳐 사이즈의 관계를 나타낸다.
도 6b는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 일 예를 나타낸다.
도 6c는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 다른 일 예를 나타낸다.
도 6d는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 또 다른 일 예를 나타낸다.
도 7은 일실시예에 따른 포컬 포인트 변경부의 일 예를 나타낸다.
도 8a는 일실시예에 따른 필터 처리부의 일 예를 나타낸다.
도 8b는 일실시예에 따른 필터 처리부의 다른 일 예를 나타낸다.
도 9a는 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치가 적용된 효과를 나타낸다.
도 9b는 일실시예에 따른 청취자 위치 및 원거리에서의 빔패턴을 나타낸다.
도 10은 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법의 흐름도이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
어레이 스피커는 다수의 스피커들을 조합하여 재생하려는 음의 방향을 조절하거나, 특정 지역으로 음을 보내고자 할 때 사용된다. 지향성(directivity)이라고 불리는 음의 전달 원리는 다수의 음원 신호들의 위상 차이를 이용하여 특정 방향으로 신호의 세기가 커지도록 신호를 중첩시킴으로써 신호가 특정방향으로 전달되는 것을 의미한다. 따라서, 다수의 스피커들을 특정 위치에 따라 배치하고 어레이를 구성하는 각각의 스피커들을 통해 출력되는 음원 신호를 조절함으로써 지향성을 구현하게 된다. 일반적인 어레이 스피커 시스템의 경우 목적하는 주파수 빔패턴을 얻기 위해서는 목적하는 빔패턴에 맞게 필터 값, 즉 지연 및 이득 값을 미리 계산하여 사용한다.
일측에 따른 실시예를 설명 하는 과정에서 사용되는 용어 중 음압(sound pressure)이란, 음향 에너지가 미치는 힘을 압력의 물리량을 사용하여 표현한 것이고, 음장(sound source field)이란 음원을 중심으로 음압이 미치는 영역을 개념적으로 표현한 것이다. 따라서 근접장이란 근거리 영역에서의 음장을 의미하며 원거리장이란 원거리 영역에서의 음장을 의미한다. 또한, 포커싱이란 어레이 스피커를 통하여 특정 방향에 지향성이 이루어지는 것을 의미하며, 음압 감쇄란 거리에 따라 전달되는 음향 에너지가 감소하는 것을 의미한다. 또한, 빔패턴이라 함은 스피커 및 안테나 등의 신호 출력 장치에서 360도의 전방향으로 방사되는 음파의 강도(sound intensity) 또는 전자기파의 전계강도(electric field strength)를 측정하여 그래프로 표시한 것을 말한다. 빔패턴은 출력 신호를 측정하는 측정기를 이용하여 측정하고자 하는 스피커의 360도 전방향에서 신호를 수신하여 각각의 측정 각도별로 수신된 음파의 강도를 폴라 차트(polar chart)상에 파형으로 도시함으로써 얻어진다.
도 1a는 일실시예에 따라 청취자 위치를 기준으로 한 근접장과 원거리장의 설정을 나타낸다.
모니터와 같이 개인용으로 사용되는 전자기기에서 어레이 스피커를 이용하여 개인 음향 공간(PSZ)을 형성하는 경우, 청취자 뒤쪽으로 퍼지는 소리를 제어하기 위해서는 근접장에서 지향성 음원을 형성하는 것과 동시에 원거리의 음장을 제어할 필요가 있다. 여기서 원거리는 청취자의 위치를 기준으로 후방을 의미한다. 어레이 스피커를 이용하여 음장을 형성하는 경우 원거리(far field)와 근접장(near field) 영역을 구분하는 기준의 일 예로 레일리 거리(Rayleigh distance)가 있다. 레일리 거리는 어레이 스피커의 최외곽부로부터 청취자까지의 거리와 어레이 스피커의 중심으로부터 청취자까지의 거리의 차이가 1/4 음원 파장에 해당하는 거리로 정의된다. 레일리 거리보다 가까운 거리를 근접장 영역이라고 하고, 먼 거리를 원거리장 영역이라고 할 수 있다.
근접장에서는 청취자의 위치에 포커싱을 하고, 원거리장에서는 거리에 따라 음압 감쇄가 크게 일어나게 하기 위해 근접장과 원거리장을 다르게 제어해야만 한다. 근접장과 원거리장을 동시에 제어하기 위해서는 기존의 빔포밍 방식과는 다른 방식으로 음원이 제어되어야 한다. 청취자가 어레이 소스에 가까이 위치하는 경우, 음원이 전달되는 영역은 청취자 위치를 기준으로 하는 개인 음향 공간(PSZ)과 근거리의 제어 영역인 제1 다크존 영역과 원거리의 제어 영역인 제2 다크존 영역으로 구별될 수 있다. 제1 다크존 영역은 근거리의 제어 영역 중 개인 음향 공간(PSZ)이 제외된 영역이다. 개인 음향 공간은 일정한 음압이 유지되는 구간으로 기 설정될 수 있다. 이 때, 청취자의 위치를 기준으로 음원으로부터 청취자 위치까지를 근거리 영역으로 설정하고 청취자로부터 일정거리 이상 떨어진 영역을 원거리 영역으로 설정할 수 있다. 근거리 영역과 원거리 영역을 다른 목적 함수로 제어하는 방식을 통하여 청취자의 위치에서 음압을 최대화하고, 청취자 뒤쪽 원거리에서 음압이 감소되도록 제어할 수 있다.
도 1b는 어레이 스피커와 청취자간의 거리에 따른 관계를 좌표계를 이용하여 나타낸 도면이다.
스피커 어레이를 사용하여 발생된 빔의 거리 감쇄율은 빔의 전파 거리에 따라서 달라지는 특성을 갖는다. 어레이로부터 청취자까지의 거리가 어레이 사이즈에 비하여 충분히 큰 경우, 빔의 음압은 일반적인 모노폴(monopole) 음원과 같이 거리에 반비례하여 감소하는 특성을 갖는다. 도 1b를 참조하면, 구체적으로, (A)원거리 경우, 어레이 중심으로부터 각도 
방향으로 거리 r 만큼 떨어져 있는 청취자와, 어레이 중심으로부터 거리 x 만큼 이격된 위치에 있는 스피커와 청취자 사이의 거리를 R이라고 하면, 거리 R은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 청취자 위치에서의 음압은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
여기서, q(x)는 x위치에 있는 스피커의 제어 신호를 나타낸다. 음압은 거리와 방향의 함수로 간략히 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
따라서, 빔의 음압은 거리에 반비례하여 감소하고, 방향에 따른 빔의 형상 
은 거리에 관계없이 일정한 특성을 갖는다.
그러나 청취자가 어레이에 더 가까이 위치하는 (B)근거리 경우, 수학식 3과 같은 관계는 성립하지 않으며 각 스피커에서 발생되는 음파의 간섭이 복잡한 형태로 발생된다. 수학식 2에서, 청취자가 정면 방향(θ=0)으로 근거리에 위치한 경우를 고려해 본다. 청취자는 어레이와 가깝게 위치하여, 청취자와 스피커 사이의 거리 R이 각 스피커마다 빠르게 변화하기 때문에 수학식 2에서 위상(kR)은 빠르게 변한다. 이때, 근거리의 음압은 stationary phase approximation을 사용하여 수학식 4와 같이 근사될 수 있다.
[수학식 4]
즉, 청취자 위치에서의 음압은 거리의 제곱근에 비례하여 천천히 감쇄한다. 수학식 3과 수학식 4를 통하여 도 1c에서 근접장과 원거리장에서의 음압의 거리에 따른 변화를 예상할 수 있다.
도 1c는 어레이 소스의 거리에 따른 음압 변화를 나타낸다.
일반적인 어레이 기술을 이용한 빔패턴의 경우, 음압은 근접장에서는 거리의 제곱근에 반비례하여 천천히 감쇄하며, 원거리장에서는 거리에 반비례하는 형태의 감쇄율을 가진다. 따라서, 근접장에서는 포커싱을 하고 원거리장에서는 음압 감쇄가 크게 일어나게 하기 위해서는 근접장에서 음압을 더 천천히 감소시켜 청취자 위치에서 음압을 높이고, 청취자 뒤쪽 원거리에서 음압 감쇄율을 높혀서 원거리로 퍼지는 음압을 더 낮출 필요가 있다. 그러나 물리적으로 어레이 스피커를 이용하는 경우 원거리의 음압 감쇄율은 1/거리(1/r)의 형태로 제한되어 있다. 따라서, 원거리의 음압 감쇄율을 변화시키는 대신에 1/거리 형태의 감쇄를 갖기 시작하는 레일리 거리를 청취자 위치에 맞게 설정하여, 청취자 위치에서 음압을 최대화하고, 청취자 뒤쪽으로 퍼지는 소리를 빨리 감소시킬 수 있다.
레일리 거리는 어레이 사이즈와 파장에 따라서 달라진다. 여기서 어레이 사이즈는 전체 어레이 스피커에서 음원으로 사용되는 어레이 스피커의 사이즈를 의미한다. 레일리 거리는 어레이 사이즈가 커지면 멀어진다. 또한, 레일리 거리는 파장이 짧아지면, 즉 주파수가 높아지면 멀어진다. 따라서, 청취자의 위치와 음원의 주파수에 따라서 어레이 사이즈를 가변적으로 조절하여 레일리 거리를 청취자의 위치에 맞게 유지할 수 있다.
도 2는 사운드 빔의 빔폭에 따른 거리감쇄 특성을 나타낸다.
고주파수에서는 빔폭이 사람 머리 크기보다 작아짐에 따라 청취자의 귀 위치에서 음압이 유지되지 못하고 감소하게 된다. 어레이 소스를 사용하여 지향성 음원이 형성되는 경우 고주파수에서는 상대적으로 작은 빔폭을 가진다.
도 2를 참조하면, (A)원거리 사운드 빔의 경우, 폭이 넓은 빔으로 청취자(210)의 양쪽 귀에 음압이 유지되면서 사운드 빔이 형성된다. 그러나 청취자 뒤쪽에서도 여전히 동일한 비율로 음압 감쇄가 이루어져서 효과적으로 개인 음향 공간을 형성하기 힘들다. (B)근접장 포커싱 사운드 빔의 경우, 폭이 좁은 빔으로 청취자(220) 위치에서 음압이 상승하여 상대적으로 청취자 뒤쪽에서 음압 감쇄가 빠르게 이루어진다. 그러나 청취자(220)의 양쪽 귀에 음압이 유지되지 않아 근접장에서의 포커싱 효과가 이루어지지 않는다. 따라서, 청취자의 양쪽 귀 위치에서 음압이 유지되면서도 음압 감쇄를 더 빠른 위치에서 발생시킬 수 있는 방법이 필요하다.
도 3은 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 필터 생성부(310), 필터 처리부(320) 및 출력부(330)를 포함한다.
필터 생성부(310)는 청취자 위치의 음압 에너지와 제1 다크존 영역 및 제2 다크존 영역의 합산 음압 에너지의 비율에 기초하여 근거리 및 원거리 음장을 동시에 제어하는 필터를 생성한다. 즉, 필터 생성부(310)는 청취자 위치에서 최대 음압이 유지되도록 빔폭이 결정된 청취자 위치의 음압 에너지 대 근접장에서 청취자 위치로 지향성 및 음압 감쇄가 이루어지도록 빔패턴이 결정된 제1 다크존 영역의 음압 에너지, 청취자 후방에서 음압 감쇄가 이루어지도록 방사패턴이 결정된 제2 다크존 영역의 음압 에너지의 합산 음압 에너지의 비율에 기초하여 필터를 생성한다. 필터 생성부(310)는 상기 청취자 위치에서 상기 청취자의 주변 위치보다 더 높은 음압을 가지고, 상기 제2 다크존 영역에서 거리에 따른 음압 감쇄를 제어하는 필터를 생성한다.
필터 생성부(310)는 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하여 상기 근거리 영역을 청취자 영역 및 제1 다크존 영역으로 구별할 수 있다. 또한, 필터 생성부(310)는 청취자 위치를 기준으로 어레이 스피커의 반대편으로 후방에 위치한 영역을 원거리 영역으로 설정하여, 제2 다크존 영역을 설정할 수 있다.
여기서, 필터 생성부(310)는 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하는 근거리 영역 설정부(311) 및 상기 근거리 영역을 상기 청취자 위치 및 상기 청취자 위치 주변의 제1 다크존 영역으로 구별하고, 상기 청취자 위치로부터 소정 영역 떨어진 원거리 영역을 제2 다크존 영역으로 구별하는 영역 구별부(313)를 더 포함할 수 있다. 소정 영역은 청취자 위치의 후방을 포함할 수 있다. 근거리 영역 설정부(311)는 청취자 위치를 기준으로 레일리 거리(Rayleigh distance)가 위치할 수 있도록 근거리 영역을 설정한다.
또한, 필터 생성부(310)는 청취자 위치의 청취음압을 고려한 가중치를 적용하여 상기 멀티 채널 신호의 빔폭을 결정하는 빔폭 결정부(315), 제1 다크존 영역에서의 근접장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 근접장의 빔패턴을 결정하는 근접장 빔패턴 결정부(317), 제2 다크존 영역에서의 원거리장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 원거리장의 방사패턴을 결정하는 원거리장 방사패턴 결정부(318) 및 상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소(factor) 및 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소(factor)에, 상기 근접장과 상기 원거리장을 동시에 제어하기 위해 제어 가중치를 적용하는 제어 가중치 적용부(319)를 포함할 수 있다.
여기서, 제어 가중치 적용부(319)는 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소에 적용된 제1 제어 가중치와 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소에 적용된 제2 제어 가중치가 서로 반비례하는 값을 가지도록 상기 제어 가중치를 적용할 수 있다. 반비례 하는 값은 제1 제어 가중치가 커지면, 제2 제어 가중치는 작아지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 제2 제어 가중치가 커지면 제1 제어 가중치는 작아지는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 필터 생성부(310)는 각 어레이 스피커들로부터 청취자 위치까지의 전달함수 정보 및 상기 각 어레이 스피커들로부터 원거리 위치까지의 전달함수 정보에 기초하여 근접장 및 원거리장을 동시에 제어하기 위한 필터를 생성할 수 있다. 전달함수를 이용하여 필터를 생성하는 경우는 도 4c에서 상세하게 설명한다. 청취자 위치까지의 전달함수 정보를 이용하는 방법은 원거리 위치까지의 전달함수 정보를 이용하는 방법에 동일하게 적용될 수 있다.
여기서 전달함수 정보는 이론적으로 모델링 된 음원의 전달함수 정보 또는 청취자 위치 및 원거리 위치에서 마이크로폰을 사용하여 직접 측정된 전달함수 정보일 수 있다.
필터 처리부(320)는 생성된 필터의 필터 값과 입력 신호를 연산처리 하여 상기 청취자 위치에서 상기 청취자의 주변 위치보다 더 높은 음압을 가지고, 상기 입력 신호에 대하여 원거리에서 음압 감쇄가 이루어지는 멀티 채널 신호를 생성한다.
또한, 필터 처리부(320)는 상기 생성된 필터의 필터 값과 상기 입력 신호를 실시간으로 컨볼루션 하여 상기 멀티 채널 신호를 생성하는 컨볼루션 처리부(321)를 포함할 수 있다. 필터는 FIR 필터의 형태로 구현될 수 있어서 컨볼루션 방식으로 입력된 음원 신호와 상기 생성된 필터 값을 연산 처리할 수 있다.
또한, 필터 처리부(320)는 상기 입력 신호를 기 설정된 이득 및 지연 처리하는 이득 및 지연 처리부(323)를 포함할 수 있다. 이득 및 지연 처리부(323)는 입력된 신호를 증폭하거나 스피커와 포커싱 되는 지점의 위상차이에 따른 지연을 보상하기 위해 사용될 수 있다.
출력부(330)는 상기 멀티 채널 신호를 출력한다. 출력부는 어레이 스피커를 통하여 상기 멀티 채널 신호를 출력하는 어레이 스피커부를 포함할 수 있다. 출력부(330)는 처리된 멀티 채널 신호를 스피커를 통하여 사운드 빔으로 출력한다. 출력된 사운드 빔은 청취자 위치에 포커싱 되고, 청취자 위치 후방에서 음압 감쇄가 이루어진다.
도 4a는 일실시예에 따른 어레이 스피커의 근접장 및 원거리장의 설정을 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 청취자 위치인 개인 음향 공간(PSZ)과 근거리 및 원거리의 제어영역인 제1 다크존 영역과 제2 다크존 영역이 어레이 스피커로부터의 거리에 따라 분리된다. 제1 다크존 영역은 청취자의 위치를 기준으로 형성된 근거리 영역 중에서 개인 음향 공간(PSZ)이 제외된 공간이다. 개인 음향 공간(PSZ)은 음압이 일정한 기준 이상으로 유지되는 구간을 포함할 수 있다. 근거리 영역 R1 에서 개인 음향 공간(PSZ)은 B, 제1 다크존 영역은 근거리 영역 R1에서 B 영역을 제외한 영역으로 D1, 제2 다크존 영역은 원거리 영역 R2 에서 D2로 설정된다. 따라서, 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 B, D1, D2를 동시에 제어함으로써 근접장과 원거리장을 동시에 제어할 수 있다.
필터 생성부(310)는 근접장 및 원거리장을 동시에 제어하기 위해 최대 에너지 어레이(Maximum energy array) 방식의 비용 함수(cost function)를 이용하고, 상기 비용 함수 값이 최대가 되는 경우의 필터를 생성한다. 비용 함수는 제어 가중치 값을 조절함으로써 근접장과 원거리장을 동시에 고려하도록 설정되어 있으며 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
I 는 어레이 스피커에서 청취자 위치에 따른 각도 방향으로의 평균 에너지, α는 제어 가중치 값, F는 가중치 함수, H는 거리 및 각도에 따른 필터에 의한 응답을 의미한다.
빔폭 결정부(315)는 가중치 함수(
)를 통하여 청취자의 위치에서 청취음압이 주변 음압보다 높게 유지되도록 빔폭을 결정할 수 있다. 근접장 빔패턴 결정부(317)는 가중치 함수(
)을 통하여 제1 다크존 영역에서 청취자의 위치로 빔패턴이 지향성을 가지도록 빔패턴을 결정할 수 있다. 원거리장 방사패턴 결정부(318)는 가중치 함수(
)를 통하여 제2 다크존 영역에서 음압 감쇄가 이루어지도록 방사패턴을 결정할 수 있다. 제어 가중치 적용부(319)는 α 및 1-α를 통하여 근접장의 빔패턴 및 원거리장의 방사 패턴을 제어할 수 있다.
도 4b는 일실시예에 따른 제어 가중치부에 적용 될 수 있는 가중치 값의 변화를 나타낸다.
α는 근접장과 원거리장을 동시에 제어하기 위한 가중치 값이다. 도 4b는 제어 가중치 값에 따른 음장 변화를 비교하여 나타낸 그림이다. α가 1이 되면 근접장만을 제어하는 경우이고, 0이 되면 원거리장만을 고려하게 된다. 다만, 도 4b의 제어 가중치 값 변화는 일 예이고, 어레이 스피커와 청취자 사이의 거리 및 주변 환경을 고려하여 적용 가능한 제어 가중치 값을 변화시킬 수 있다. 이때 적용할 수 있는 α값은 주변 환경의 측정을 통해 선택할 수도 있다.
도 4c는 일실시예에 따른 빔폭 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
빔폭 결정부(315)는 청취자의 양쪽 귀 위치에서 청취음압이 주변 음압보다 높고, 포커싱이 되도록 빔폭을 결정한다. 빔폭 결정부(315)는 청취자 위치에 미치는 음원 에너지에 가중치를 적용하여 빔폭을 결정할 수 있다. 도 4c를 참조하면 가중치는 청취자(410)의 양쪽 귀 위치(-8도 및 8도)에서 가장 큰 값을 가지도록 조절되었다. 따라서 청취자의 양쪽 귀 위치에서 빔패턴은 최고 음압을 유지할 수 있다. 가중치 값은 청취자의 양쪽 귀에서뿐만 아니라 청취자의 머리 전 영역(-8도 에서 8도까지)에서 가장 큰 값을 가지도록 조절될 수 있다.
또한, 빔폭 결정부(315)는 전달 함수를 통하여 빔폭을 결정할 수도 있다. 스피커 어레이 장치와 측정 위치 사이의 전달함수 매트릭스를 G라고 한다. 측정 위치는 청취자의 위치를 포함하는 일정한 거리에 위치한다. 입력 신호 x에 대한 측정 위치에서의 응답 Y는 Y = Gu = G·wx 이고, 빔폭 제어를 위한 필터 w에 의한 응답 패턴은 H = Gw 이다. 측정 위치에서 일정한 빔폭을 갖도록 목적 함수를 설정하면 수학식 6을 통해 빔폭을 일정하게 유지하는 필터를 계산할 수 있다.
[수학식 6]
이때 D는 일정한 빔폭을 갖는 목적 함수의 타겟 패턴이다. 타겟 패턴과 응답 패턴 사이의 오차에 LSE(Least Square Error) 필터 디자인 방법을 적용하면 수학식 7과 같이 빔폭 제어를 위한 최적 필터 w를 생성할 수 있다.
[수학식 7]
도 4d는 일실시예에 따른 근접장 빔패턴 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
근접장 빔패턴 결정부(317)는 근거리 영역 중 개인 음향 공간(PSZ)이 아닌 영역의 빔패턴을 결정한다. 근접장 빔패턴 결정부(317)는 제1 다크존 영역의 음원 에너지에 가중치를 적용하여 빔패턴을 결정할 수 있다. 도 4d를 참조하면, 가중치 함수는 어레이 스피커의 중심을 기준으로 최외곽으로 갈수록 큰 값을 가진다. 가중치 값이 큰 최외곽에서 음압 감쇄율이 커져 청취자 방향으로 지향성이 생긴다. 여기서 가중치 함수는 청취자의 위치, 주변 소음 및 환경을 고려하여 조절될 수 있다.
도 4e는 일실시예에 따른 원거리장 방사패턴 결정부에 적용될 수 있는 가중치 함수의 일 예를 나타낸다.
원거리장 방사패턴 결정부(318)는 제2 다크존 영역의 음원 에너지에 가중치를 적용하여 방사패턴을 결정할 수 있다. 원거리장의 가중치 함수는 원거리장의 방사패턴의 모양에 영향을 준다. 원거리장의 음압 감쇄 패턴은 원거리장의 가중치 함수에 의해서 결정된다. 도 4e를 참조하면, 청취자 위치를 중심으로 가중치 함수가 반원 모양을 가지므로, 청취자 후방에서 가장 음압 감쇄가 크게 이루어지고 측방으로 갈수록 음압 감쇄가 적게 이루어진다. 가중치 함수는 청취자의 위치, 청취자의 수, 주변 소음 및 환경을 고려하여 다르게 조절될 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 필터 생성부의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 필터 생성부(310)는 어레이 어퍼쳐 사이즈 결정부(510), 사용범위 설정부(520) 및 포컬 포인트 변경부(530)를 포함할 수 있다.
필터 생성부(310)는 입력 신호의 주파수 및 일정한 레일리 거리(Rayleigh distance)에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정하는 어레이 어퍼쳐(array aperture) 사이즈 결정부(510) 및 상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 어레이의 사용범위를 설정하는 사용범위 설정부(520)를 포함할 수 있다. 청취자 위치에 레일리 거리를 위치시키는 경우 주파수가 변화함에 따라 어레이 어퍼쳐 사이즈도 변경되어야 한다. 레일리 거리(rc)를 일정하게 유지시키는 경우 어레이 어퍼쳐 사이즈는 수학식 8과 같이 결정할 수 있다.
[수학식 8]
따라서, 어레이 어퍼쳐 사이즈 결정부(510)는 입력 신호의 주파수가 결정되면 수학식 8에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정할 수 있다. 사용범위 설정부(520)는 어레이 어퍼쳐 사이즈가 결정되면 사이즈에 맞추어 전체 어레이 스피커에서 어레이의 사용범위를 설정한다.
사용범위 설정부(520)는 어레이 스피커들을 사이즈가 각각 다른 어레이 그룹으로 설정하는 그룹 설정부(521) 및 상기 입력 신호를 해당되는 주파수 대역에 따라 상기 설정된 어레이 그룹으로 할당하는 신호 할당부(523)를 포함할 수 있다. 그룹 설정부(521)는 전체 어레이 스피커에서 사이즈가 다른 그룹으로 어레이 그룹을 설정할 수 있다. 이때 스피커 사이의 간격은 일정할 수도 있고, 일정하지 않을 수도 있다. 신호 할당부(523)는 입력 신호를 멀티 채널 신호로 처리하는 과정에서 해당되는 멀티 채널 신호의 주파수 대역에 따라 미리 설정된 어레이 그룹으로 할당한다. 예를 들면, 저주파 대역의 신호는 큰 어레이 사이즈가 요구되므로 사이즈가 큰 그룹에 할당되고, 고주파 대역의 신호는 상대적으로 작은 어레이 사이즈가 요구되므로 사이즈가 작은 그룹에 할당될 것이다.
또한, 사용범위 설정부(520)는 상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 계산된 윈도우 필터를 채널 신호에 처리하여 상기 어레이의 사용범위를 설정할 수 있다. 사용범위 설정부(520)는 윈도우 필터를 통해 전체 어레이 스피커에서 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈만큼 필터링 하여 사용범위로 설정할 수 있다.
포컬 포인트 변경부(530)는 포컬 포인트(focal point)를 입력 신호의 주파수에 따라 청취자 귀 위치에서 빔폭이 유지되도록 상기 청취자 위치의 앞뒤로 변경할 수 있다. 포컬 포인트 변경부(530)는 빔폭이 작은 고주파수 대역에 대비하여 청취자의 양쪽 귀 위치에서 음압이 감소되지 않도록 포컬 포인트를 청취자 위치의 앞 또는 뒤로 변경할 수 있다.
도 6a는 일실시예에 따른 주파수와 어레이 어퍼쳐 사이즈의 관계를 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 레일리 거리가 일정한 경우 주파수에 따라 결정되는 어레이 어퍼쳐 사이즈를 나타낸다. 레일리 거리가 0.5m로 일정한 경우 주파수의 크기가 작아질수록 어레이 어퍼쳐 사이즈는 커진다. 따라서, 일정한 레일리 거리를 청취자 위치에 유지하게 하기 위해서는 주파수가 변화함에 따라 어레이 어퍼쳐 사이즈를 변경해야 함을 알 수 있다.
도 6b는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 일 예를 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 그룹 설정부(521)는 전체 어레이 스피커에서 어레이의 사용범위에 따라 L1, L2, Lm으로 사이즈가 다르게 스피커를 그룹핑 한다. 어레이 어퍼쳐 사이즈 결정부(510)에서 어레이 어퍼쳐 사이즈가 결정되면, 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 맞게 스피커가 동작하도록 미리 그룹을 설정해 놓는 것이다. 또한, 그룹 설정부(521)는 그룹안의 채널이 특정 주파수 대역을 가지도록 그룹을 설정할 수 있다.
도 6c는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 다른 일 예를 나타낸다.
도 6c를 참조하면, 입력 신호는 채널별 다른 주파수 대역 필터를 통하여 주파수 대역에 따라 필터링 되고, 주파수 대역 별로 할당된 그룹으로 신호가 할당된다. 신호 할당부(523)는 주파수 대역 필터를 통과한 신호에 대해 미리 설정된 그룹(L1, L2, Lm)으로 해당 신호를 할당한다. 예를 들면, 주파수 대역 필터는 저역 통과 필터, 대역 통과 필터, 고역 통과 필터로 구성될 수 있다. 입력 신호는 주파수 대역 필터를 통과하여 저역 통과 필터를 통과한 저주파 신호인 경우, 사이즈가 큰 그룹으로 할당될 수 있다. 또한, 주파수 대역 필터는 그룹에 속하는 채널에 대해서 특정 주파수 대역으로 한정되도록 설정될 수 있다.
도 6d는 일실시예에 따른 사용범위 설정부의 또 다른 일 예를 나타낸다.
도 6d를 참조하면, 사용범위 설정부(520)는 어레이 어퍼쳐 사이즈 결정부(510)에서 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 맞게 사용되는 범위를 윈도우 필터를 통하여 필터링할 수 있다. 신호 처리 방식을 통해 어레이 사이즈를 조절하는 것이다.
일반적으로 디지털 신호 처리에서는 해당 시스템에 입력된 대상 신호를 유한하게 제한하기 위해 윈도우 함수(window function)를 통해 프레임(frame)으로 나누어 처리하게 된다. 여기서, 프레임이란 시간의 변화에 따라 음원 신호를 일정한 구간으로 분리한 신호 처리 유닛(unit)을 의미한다. 또한, 윈도우 함수란 시간에 따라 연속적인 하나의 음원 신호를 프레임이라는 일정 구간별로 나누어 처리하기 위해 사용하는 일종의 필터이다. 이러한 윈도우 함수의 대표적인 예로서 해밍 윈도우(hamming window), 해닝 윈도우(hanning window), 코사인 윈도우(cosine window) 등이 널리 알려져 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 파악할 수 있는 것이다.
도 7은 일실시예에 따른 포컬 포인트 변경부의 일 예를 나타낸다.
음원의 빔폭이 작으면 상대적으로 원거리에서 음압 감소가 커지게 되지만 청취자의 청취 음압이 작아진다. 반대로 음원의 빔폭이 크면 원거리에서 음압 감소 효과가 작아진다. 포커싱 위치에서 상대적으로 원거리에서 음압 감소가 커지도록 빔폭을 최대한 작게 하면서도, 최소한 청취자의 귀 위치에서는 음압이 유지될 수 있도록 빔폭의 넓이가 유지되어야 한다. 포컬 포인트 변경부(530)는 포컬 포인트를 청취자의 앞쪽 또는 뒤쪽으로 배치함으로써 청취자의 양쪽 귀 위치에서 빔폭을 유지할 수 있다. 즉, 포컬 포인트를 변경하는 방법으로 원거리 음압 감쇄 성능을 유지하면서 청취자 위치에서 빔폭을 유지할 수 있다. 여기서 포컬 포인트는 포커싱이 이루어지는 포인트를 의미한다. 포컬 포인트의 변경은 각각의 스피커와 포컬 포인트의 위상차이만큼 지연 처리를 통해 구현할 수 있다.
도 8a는 일실시예에 따른 필터 처리부의 일 예를 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 필터 처리부(320)는 어레이 어퍼쳐 사이즈 결정부(510)에서 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 맞게 설정된 그룹으로 입력 신호를 할당하는 그룹필터, 필터 생성부(310)에서 생성된 근거리 및 원거리 음장을 동시제어 하는 동시제어 필터 및 포컬 포인트 변경을 반영할 수 있는 지연 처리부를 포함할 수 있다. 입력 신호는 필터 처리부(320)를 통하여 멀티 채널 신호로 출력될 수 있다. 필터 처리부(320)는 동시제어 필터만을 적용하여 입력 신호에 처리할 수도 있다.
도 8b는 일실시예에 따른 필터 처리부의 다른 일 예를 나타낸다.
도 8b를 참조하면, 필터 처리부(320)는 필터 생성부(310)에서 생성된 근거리 및 원거리 음장을 동시제어 하는 필터의 필터 값과 입력 신호를 컨볼루션 처리하는 컨볼루션 처리부, 이득 및 지연 처리부를 포함할 수 있다. 또한, 필터 처리부는 컨볼루션 처리부 또는 이득 및 지연 처리부를 포함할 수 있다. 필터 처리부(320)에서 출력된 멀티 채널 신호는 어레이 스피커를 통하여 청취자 위치에 사운드 빔으로 출력될 수 있다.
도 9a는 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치가 적용된 효과를 나타낸다.
도 9a를 참조하면, (A)기존의 원거리 빔패턴 제어 방식을 적용한 경우는 근거리에서 사이드 로브가 발생하며, 특정 방향으로 지향성을 가지지만 특정 방향으로 에너지가 천천히 감쇄한다. (B)본 발명의 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방식을 적용한 경우는 근접장에서 포커싱이 이루어 진다. 또한, (A)의 경우보다 빠르게 원거리에서 음압 감쇄가 이루어진다. 따라서, 청취자 위치에서 근거리와 원거리의 음장을 동시에 다르게 제어함으로써 효과적인 개인 음향 공간을 형성할 수 있다.
도 9b는 일실시예에 따른 청취자 위치 및 원거리에서의 빔패턴을 나타낸다.
도 9b를 참조하면, 원거리에서는 음압이 낮게 유지되고 있다. 청취자 위치, 즉 근접장에서는 어레이 스피커의 중심을 기준으로 청취자의 머리위치 (-0.75cm에서 0.75cm)에서 음압이 최대로 유지된다. 청취자의 머리위치에서 멀어짐에 따라 음압이 감쇄한다. 따라서 청취자의 머리위치에서 포커싱이 이루어지고, 나머지 영역에서는 음압의 감쇄가 이루어져 상대적으로 효과적인 개인 음향 공간이 형성될 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법의 흐름도이다.
1010단계에서, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 청취자 위치의 음압 에너지와 제1 다크존 영역 및 제2 다크존 영역의 합산 음압 에너지의 비율에 기초하여 근거리 및 원거리 음장을 동시에 제어하는 필터를 생성한다. 또한, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 상기 청취자 위치에서 상기 청취자의 주변 위치보다 더 높은 음압을 가지고, 상기 제2 다크존 영역에서 거리에 따른 음압 감쇄를 제어하는 필터를 생성한다. 또한, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하는 단계 및 상기 근거리 영역을 상기 청취자 위치 및 상기 청취자 위치 주변의 제1 다크존 영역으로 구별하고, 상기 청취자 위치로부터 소정 영역 떨어진 원거리 영역을 제2 다크존 영역으로 구별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 청취자 위치의 청취음압을 고려한 가중치를 적용하여 상기 멀티 채널 신호의 빔폭을 결정하는 단계, 상기 제1 다크존 영역에서의 근접장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 근접장의 빔패턴을 결정하는 단계, 상기 제2 다크존 영역에서의 원거리장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 원거리장의 방사패턴을 결정하는 단계 및 상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소 및 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소에, 상기 근접장과 상기 원거리장을 동시에 제어하기 위해 제어 가중치를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 입력 신호의 주파수 및 일정한 레일리 거리(Rayleigh distance)에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정하는 단계 및 상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 어레이의 사용범위를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 포컬 포인트(focal point)를 상기 입력 신호의 주파수에 따라 상기 청취자 위치의 앞뒤로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
1020단계에서, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 상기 생성된 필터의 필터 값과 입력 신호를 연산처리 하여 상기 청취자 위치에서 상기 청취자의 주변 위치보다 더 높은 음압을 가지고, 상기 입력 신호에 대하여 원거리에서 음압 감쇄가 이루어지는 멀티 채널 신호를 생성한다.
1030단계에서, 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 상기 멀티 채널 신호를 출력한다. 이때 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 어레이 스피커를 통하여 상기 멀티 채널 신호를 출력할 수 있다.
일실시예에 따른 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치는 어레이 스피커를 사용하는 음향 재생장치로서, 음원을 재생할 때 독립적인 음향 공간을 필요로 하는 다양한 오디오 신호 전송 기기에 적용될 수 있다. 또한, 다수의 트랜스듀서가 장착된 어레이 기기에도 적용될 수 있으며, 청취자 주변에 소음을 발생시키지 않고 개인 위주의 음향 청취가 필요한 개인용 전자 제품에 적용될 수 있다. 예를 들면 모니터, 휴대용 음악 재생장치, 디지털 TV, 개인용 컴퓨터가 포함될 수 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (19)
- 청취자 위치의 제1 음압 에너지와 상기 청취자 위치를 제외한 근접장 및 원거리장에 대응하는 제2 음압 에너지의 비율에 기초하여 상기 근접장 및 상기 원거리장을 제어하는 필터를 생성하는 필터 생성부; 및
상기 생성된 필터의 필터 값과 입력 신호를 연산처리 하여 멀티 채널 신호를 생성하는 필터 처리부
를 포함하고,
상기 제2 음압 에너지는,
상기 근접장에서 상기 청취자 위치를 제외한 영역에 대응하는 제1 다크존 영역 및 상기 원거리장에 대응하는 제2 다크존 영역의 음압 에너지들에 기초하여 결정되는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 생성부는
상기 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하는 근거리 영역 설정부; 및
상기 근거리 영역을 상기 청취자 위치 및 상기 청취자 위치 주변의 제1 다크존 영역으로 구별하고, 상기 청취자 위치로부터 소정 영역 떨어진 원거리 영역을 제2 다크존 영역으로 구별하는 영역 구별부
를 더 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 생성부는
상기 청취자 위치의 청취음압을 고려한 가중치를 적용하여 상기 멀티 채널 신호의 빔폭을 결정하는 빔폭 결정부;
상기 제1 다크존 영역에서의 근접장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 근접장의 빔패턴을 결정하는 근접장 빔패턴 결정부;
상기 제2 다크존 영역에서의 원거리장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 원거리장의 방사패턴을 결정하는 원거리장 방사패턴 결정부; 및
상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소(factor) 및 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소(factor)에, 상기 근접장과 상기 원거리장을 동시에 제어하기 위해 제어 가중치를 적용하는 제어 가중치 적용부
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제3항에 있어서,
상기 제어 가중치 적용부는
상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소에 적용된 제1 제어 가중치와 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소에 적용된 제2 제어 가중치가 서로 반비례하는 값을 가지도록 상기 제어 가중치를 적용하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 처리부는
상기 생성된 필터의 필터 값과 상기 입력 신호를 실시간으로 컨볼루션 하여 상기 멀티 채널 신호를 생성하는 컨볼루션 처리부
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 처리부는
상기 입력 신호를 기 설정된 이득 및 지연 처리하는 이득 및 지연 처리부
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 생성부는
각 어레이 스피커들로부터 상기 청취자 위치까지의 전달함수 정보; 및
상기 각 어레이 스피커들로부터 상기 원거리 위치까지의 전달함수 정보에 기초하여 근접장 및 원거리장을 동시에 제어하기 위한 필터를 생성하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제7항에 있어서,
상기 전달함수 정보는
이론적으로 모델링 된 음원의 전달함수 정보인 것을 특징으로 하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제7항에 있어서,
상기 전달함수 정보는
상기 청취자 위치 및 상기 원거리 위치에서 마이크로폰을 사용하여 직접 측정된 전달함수 정보인 것을 특징으로 하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 생성부는
상기 입력 신호의 주파수 및 일정한 레일리 거리(Rayleigh distance)에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정하는 어레이 어퍼쳐(array aperture) 사이즈 결정부; 및
상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 어레이의 사용범위를 설정하는 사용범위 설정부
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제10항에 있어서,
상기 사용범위 설정부는
어레이 스피커들을 사이즈가 각각 다른 어레이 그룹으로 설정하는 그룹 설정부; 및
상기 입력 신호를 해당되는 주파수 대역에 따라 상기 설정된 어레이 그룹으로 할당하는 신호 할당부
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제10항에 있어서,
상기 사용범위 설정부는
상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 계산된 윈도우 필터를 채널 신호에 처리하여 상기 어레이의 사용범위를 설정하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 필터 생성부는
포컬 포인트(focal point)를 상기 입력 신호의 주파수에 따라 상기 청취자 귀 위치에서 빔폭이 유지되도록 상기 청취자 위치의 앞뒤로 변경하는 포컬 포인트 변경부
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 제1항에 있어서,
어레이 스피커를 통하여 상기 멀티 채널 신호를 출력하는 출력부
를 더 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 장치. - 청취자 위치의 제1 음압 에너지와 상기 청취자 위치를 제외한 근접장 및 원거리장에 대응하는 제2 음압 에너지의 비율에 기초하여 상기 근접장 및 상기 원거리장을 제어하는 필터를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 필터의 필터 값과 입력 신호를 연산처리 하여 멀티 채널 신호를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 제2 음압 에너지는,
상기 근접장에서 상기 청취자 위치를 제외한 영역에 대응하는 제1 다크존 영역 및 상기 원거리장에 대응하는 제2 다크존 영역의 음압 에너지들에 기초하여 결정되는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법. - 제15항에 있어서,
상기 필터를 생성하는 단계는
상기 청취자 위치를 기준으로 근거리 영역을 설정하는 단계; 및
상기 근거리 영역을 상기 청취자 위치 및 상기 청취자 위치 주변의 제1 다크존 영역으로 구별하고, 상기 청취자 위치로부터 소정 영역 떨어진 원거리 영역을 제2 다크존 영역으로 구별하는 단계
를 더 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법. - 제15항에 있어서,
상기 필터를 생성하는 단계는
상기 청취자 위치의 청취음압을 고려한 가중치를 적용하여 상기 멀티 채널 신호의 빔폭을 결정하는 단계;
상기 제1 다크존 영역에서의 근접장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 근접장의 빔패턴을 결정하는 단계;
상기 제2 다크존 영역에서의 원거리장 음압 감쇄를 고려한 가중치를 적용하여 상기 원거리장의 방사패턴을 결정하는 단계; 및
상기 근접장의 빔패턴을 제어하는 요소 및 상기 원거리장의 방사패턴을 제어하는 요소에, 상기 근접장과 상기 원거리장을 동시에 제어하기 위해 제어 가중치를 적용하는 단계
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법. - 제15항에 있어서,
상기 필터를 생성하는 단계는
상기 입력 신호의 주파수 및 일정한 레일리 거리(Rayleigh distance)에 기초하여 어레이 어퍼쳐 사이즈를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 어레이 어퍼쳐 사이즈에 기초하여 어레이의 사용범위를 설정하는 단계
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법. - 제15항에 있어서,
상기 필터를 생성하는 단계는
포컬 포인트(focal point)를 상기 입력 신호의 주파수에 따라 상기 청취자 위치의 앞뒤로 변경하는 단계
를 포함하는 근거리 및 원거리 음장 동시제어 방법.
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