KR102584611B1 - 소음 저감 시스템 - Google Patents

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광주과학기술원
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 음원을 출력하는 음원 스피커, 음원에 의해 발생하는 오디오 신호를 입력받는 마이크, 마이크로 입력된 오디오 신호를 감쇠하는 제어음원을 생성하는 소음제어부 및 소음제어부에 의해 생성된 제어음원을 출력하는 소음억제 스피커를 포함하고, 소음억제 스피커는 음원 재생 영역을 향해 제어음원을 출력하는 제1 레이어 스피커와, 소음 억제 영역을 향해 제어음원을 출력하는 제2 레이어 스피커를 포함할 수 있다.

Description

소음 저감 시스템{Noise reduction system}
본 발명은 소음 저감 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공연장, 운동 경기장 등과 같은 곳에서 사운드가 발생하는 경우 인접한 주거 지역과 같은 주변 영역에서 소음으로 작용할 수 있는 사운드를 줄이는 소음 저감 시스템에 관한 것이다.
공연장, 운동 경기장 등과 같은 곳에서는 무대 영역 및 관람 영역에 사운드가 잘 전달되도록 사운드의 크기를 높일 수 있다.
그러나 공연장, 운동 경기장 등과 인접하게 주택가나 상가 등이 위치하는 경우 공연장과 운동 경기장 등에서 발생하는 사운드는 주택가나 상가 등에서 소음으로 작용할 수 있다.
도 1은 소음 저감 시스템의 사용 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 공연장 등에서는 사운드를 발생시키는 음원(S)이 존재한다. 이 때, 음원(S)에서 발생하는 사운드는 공연영역(Bright zone)에서 좋은 음질을 확보하고, 저감영역(Dark zone)에서는 크기를 최소화하는 것이 중요하다.
여기서, 공연영역은 무대 영역, 무대를 관람하는 관람 영역 등과 같이 사운드가 잘 들려야 하는 음원 재생 영역을 의미하고, 저감영역은 주택가, 상가 등 사운드가 최소화되어야 하는 소음 억제 영역을 의미할 수 있다.
저감영역에서의 소음을 줄이기 위한 방안으로, 종래에는 음원을 출력하는 동시에 출력되는 음원과 상쇄되는 제어음원을 출력함으로써 공연영역과 저감영역 사이에 가상의 방음벽을 형성할 수 있다.
즉, 종래에는 출력되는 음원과 상쇄되는 제어음원을 출력함으로써 공연영역에서의 좋은 음질 확보 및 저감영역에서 소음 저감을 동시에 달성하고자 하였다. 그러나, 이 경우 공연영역에 도달한 제어음원은 음원과 간섭되고, 저감영역에 도달한 음원은 제어음원과 간섭되는 트레이드오프(trade off) 관계로, 공연영역에서의 좋은 음질 확보와 저감영역에서 소음 저감을 함께 확보하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 공연영역에서의 좋은 음질을 확보하면서 저감영역에서 소음을 저감시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 공연영역에서의 좋은 음질 확보와 저감영역에서 소음 저감을 함께 확보할 수 있는 소음 저감 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 공연영역에서 형성하고자 하는 음장을 만들고, 그 이후에 발생하는 오디오 신호와 상쇄되는 제어음원을 저감영역에 출력함으로써 공연영역에서의 좋은 음질 확보와 저감영역에서 소음 저감을 함께 확보하고자 한다. 즉, 본 발명은 공연영역에서 형성된 음장과 저감영역으로 출력되는 제어음원 간에 발생하는 간섭을 최소화하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 음원을 출력하는 음원 스피커, 음원에 의해 발생하는 오디오 신호를 입력받는 마이크, 마이크로 입력된 오디오 신호를 감쇠하는 제어음원을 생성하는 소음제어부 및 소음제어부에 의해 생성된 제어음원을 출력하는 소음억제 스피커를 포함하고, 소음억제 스피커는 음원 재생 영역을 향해 제어음원을 출력하는 제1 레이어 스피커와, 소음 억제 영역을 향해 제어음원을 출력하는 제2 레이어 스피커를 포함할 수 있다.
소음제어부는 제1 레이어 스피커를 구성하는 각각의 스피커와 제2 레이어 스피커를 구성하는 각각의 스피커를 그룹으로 설정하고, 각 그룹별로 하나의 제어음원을 생성할 수 있다.
소음제어부는 제1 레이어 스피커를 구성하는 제1 스피커와 제2 레이어 스피커를 구성하는 제2 스피커를 하나의 그룹으로 설정하고, 제1 스피커와 제2 스피커 중 어느 하나는 다른 하나에서 출력되는 제1 제어음원에 기초하는 제2 제어음원을 출력할 수 있다.
제1 스피커와 제2 스피커는 제어음원을 출력하는 방향을 연장하는 선과 동일선 상에 위치될 수 있다.
마이크는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 음원 재생 영역에 가깝게 배치되는 제1 마이크와, 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 소음 억제 영역에 가깝게 배치되는 제2 마이크를 포함할 수 있다.
소음억제 스피커는 제1 마이크와 제2 마이크 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제어음원이 공연 영역에 미치는 영향을 감소시켜 공연 영역에서의 음질을 확보하는 동시에 주거 지역 등에서의 음압을 감소시켜 소음 억제 영역을 형성 가능한 이점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 이중 어레이 스피커에서 각 어레이에 해당하는 스피커를 함께 제어할 경우 D/A 컨버터의 개수를 줄여 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 소음 저감 시스템의 사용 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 1로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.09로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.9로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.5로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 11 내지 도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.1로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.01로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제2 실시 예에 다른 소음 저감 시스템의 제어 블록도이다.
도 17 내지 도 18은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 1으로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 19 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.99로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 21 내지 도 22는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.9로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 23 내지 도 24는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.5로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 25 내지 도 26은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.1로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 27 내지 도 28은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.01로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 29는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 소음 저감 시스템을 나타내는 도면이다.
도 30은 본 발명의 제3 실시 예에 다른 소음 저감 시스템의 제어 블록도이다.
도 31은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 소음 저감 시스템의 구성요소의 위치를 다르게 배치한 예시 도면이다.
도 33은 도 32에 따른 소음 저감 시스템에서 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면 소음 저감 시스템은 음원 스피커(1), 마이크(2)(3), 소음억제 스피커(4) 및 소음제어부(100, 도 16 참고) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
음원 스피커(1)는 음원을 출력할 수 있다. 여기서, 음원은 음원 재생 영역에 음장(sound field)을 형성하는 것으로, 모노(mono), 스테레오(stereo), 어레이(array) 등의 형태로 형성될 수 있다. 음원은 어떠한 형태로도 제어가 가능하며(예: WFS, Sound Focusing 등등) 소음 제어부(100)와 독립적으로 동작한다. 음원은 음원 재생 영역에서의 재생을 위해 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 음원은 음원 재생 영역에서 재생될 소리가 적어도 하나의 마이크를 통해 입력된 후 증폭 또는 믹서(미도시)에 의해 혼합된 오디오신호일 수 있다.
한편, 음원 스피커(1)에서 출력되는 음원은 음원 재생 영역(Bright zone)에 음장을 형성하는 동시에 소음 억제 영역(Dark zone)에 음장을 형성할 수 있다. 여기서, 음원 재생 영역은 사운드의 음질이 확보되도록 설정된 영역이고, 소음 억제 영역은 사운드의 크기가 최소화되도록 설정된 영역일 수 있다.
음원 재생 영역 및 소음 억제 영역 각각에서는 음원에 의해 오디오 신호가 발생하여 음장을 형성할 수 있다.
마이크(2)(3)는 음원 재생 영역 및 소음 억제 영역에서 발생하는 오디오 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 마이크(2)(3)는 제1 마이크(2)와 제2 마이크(3)를 포함할 수 있고, 제1 마이크(2)는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 음원 재생 영역에 가깝게 배치되는 마이크이고, 제2 마이크(3)는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 소음 억제 영역에 가깝게 배치되는 마이크일 수 있다.
마이크(2)(3)는 복수개의 마이크가 어레이 형태로 형성될 수 있다.
소음억제 스피커(4)는 소음 억제 영역에서 사운드의 크기가 최소화되도록 후술하는 제어음원을 출력하는 스피커일 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 소음억제 스피커(4)는 일 열의 어레이 형태로 형성될 수 있다.
도 2에 도시되지는 않았으나, 소음제어부(100)는 마이크(2)(3) 및 소음억제 스피커(10)와 유선 또는 무선으로 연결되도록 형성될 수 있다.
소음 제어부(100)는 소음억제 스피커(4)를 통해 출력되는 제어음원을 생성할 수 있다. 여기서, 제어음원은 마이크(2)(3)로 입력된 오디오 신호를 감쇠시키기 위한 오디오 신호를 의미할 수 있다.
소음 제어부(100)는 마이크(2)(3)를 통해 수신된 오디오 신호를 감쇠하는 제어음원을 생성할 수 있다.
소음 제어부(100)는 음원 스피커(1)로 입력되는 오디오 신호를 직접 전달받고, 전달받은 오디오 신호를 감쇠하는 제어음원을 생성할 수 있다.
여기서, 제어음원은 수신되거나 전달된 오디오 신호의 위상과 반대되는 위상을 갖는 오디오신호일 수 있다.
소음 제어부(100)는 아래와 같은 연산을 통해 제어음원을 생성할 수 있다.
먼저, qp는 음원 스피커(1)에서 출력되는 오디오 신호를 나타내고, Pa는 제1 마이크(2)로 입력되는 오디오 신호를 나타내고, Pi는 제2 마이크(3)로 입력되는 오디오 신호를 나타낼 수 있다. Pa는 음원 재생 영역에서의 음장을 나타내고, Pi는 소음 억제 영역에서의 음장을 나타낼 수 있다.
한편, 음원 스피커(1)에서 출력되는 오디오 신호(qp)가 제2 마이크(3)까지 전달되는 경로에 대한 전달함수 Gip와, 소음억제 스피커(4)에서 출력되는 오디오 신호(qs)가 제2 마이크(3)까지 전달되는 경로에 대한 전달함수 Gis와, 소음억제 스피커(4)에서 출력되는 오디오 신호(qs)가 제1 마이크(2)까지 전달되는 경로에 대한 전달함수 Gas는 미리 설정되어 있을 수 있다. 즉, 전달함수 Gip , Gis 및 Gas는 음원 스피커(1)와, 마이크(2)(3) 및 소음억제 스피커(4) 사이의 위치 및 거리 등에 기초하여 결정되어 설정될 수 있다.
따라서, 소음 제어부(100)는 qp, Gip , Gis를 알고 있으며, 아래 [수학식 1]과 [수학식 2]를 획득할 수 있다.
여기서, 수학식 1은 소음 억제 영역의 성능을 나타내는 오디오 신호를 나타내고, 수학식 2는 음원 재생 영역에 영향을 미치는 오디오 신호를 나타낼 수 있다.
소음 제어부(100)는 수학식 1과 수학식 2를 합하는 목적함수 J를 획득할 수 있다. 목적함수 J는 소음 억제 영역의 성능을 나타내는 오디오 신호와 음원 재생 영역에 영향을 미치는 오디오 신호의 합이므로, J의 결과값이 작을수록 소음 억제 영역의 음압이 낮고, 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
따라서, 소음 제어부(100)는 아래 [수학식 3]을 만족하는 qs를 산출하여 소음 억제 스피커(4)에서 출력되는 제어음원을 조절할 수 있다.
즉, 소음 제어부(100)는 [수학식 3]과 같이 목적함수 J의 결과값이 최소가 되는 qs를 산출하고, 산출된 qs에 따라 제어음원을 생성하여 소음 억제 스피커(4)에서 출력할 수 있다.
한편, 소음 제어부(100)는 소음 억제 영역의 사운드 크기를 최소화하기 위한 성능과 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화하기 위한 성능 사이에 가중치를 설정할 수 있다. 즉, 소음 제어부(100)는 κ를 0 이상 1이하의 값 중 어느 하나로 설정할 수 있고, κ를 0에 가깝게 설정할수록 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화할 수 있고, κ를 1에 가깝게 설정할수록 소음 억제 영역의 사운드 크기를 최소화할 수 있다.
아래, [수학식 4]는 [수학식 3]에 β 연산을 추가한 수학식일 수 있다.
β 는 정규화(regularization)를 위한 것으로, 소음 제어부(100)는 [수학식 4]를 통해 qs를 산출함으로써 제어음원이 과도한 크기를 갖지 않도록 방지할 수 있다.
소음 제어부(100)는 κ를 설정한 후 qs를 산출하고, qs에 따라 제어음원을 생성하여 출력하여 소음 억제 영역의 오디오 신호 크기를 최소화하는 동시에 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 1로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 3(a)는 음원 스피커(1)에서 음원만을 출력하는 경우 주파수 응답을 나타내고, 도 3(b)는 음원 스피커(1)에서 음원을 출력하고, 소음 억제 스피커(4)에서 제어음원을 출력하는 경우 주파수 응답을 나타낼 수 있다. 특히, 소음억제 스피커(4)에서 출력되는 제어음원은 κ가 1으로 설정된 경우 산출된 qs에 따라 생성된 제어음원일 수 있다.
도 4(a)는 도 3의 제1 위치(0.5, 1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(b)는 도 3의 제2 위치(1, 0)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(c)는 도 3의 제3 위치(1.5, -1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(d)는 도 3의 제4 위치(2.5, -1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(e)는 도 3의 제5 위치(3.5, -0.5)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(f)는 도 3의 제6 위치(6, 1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(g)는 도 3의 제7 위치(7.5, 0)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 4(h)는 도 3의 제8 위치(9, -1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타낸다.
여기서, 제1 내지 제3 위치는 음원 재생 영역에 포함되는 위치로, 제1 내지 제3 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차는 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 나타낸다. 따라서, 제1 내지 제3 위치에서는 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차가 작을수록 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화함을 나타낼 수 있다.
한편, 제6 내지 제8 위치는 소음 억제 영역에 포함되는 위치로, 제6 내지 제8 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)은 음원이 소음 억제 영역에 미치는 영향을 나타내고, 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차는 소음 억제 영역에서의 소음 저감 효과를 나타낼 수 있다. 즉, 제6 내지 제8 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차가 클수록 소음 억제 영역에서의 소음 저감 효과가 큼을 나타낼 수 있다.
도 3 내지 도 4와 마찬가지로, 도 5 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.09로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 7 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.9로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 9 내지 도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.5로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 11 내지 도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.1로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 13 내지 도 14는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.01로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 14를 참조하면, 제1 내지 제3 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차를 줄이기 위해 κ를 감소시킬수록 제6 내지 제8 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 음원 재생 영역에서의 성능 가중치를 낮출수록 소음 억제 영역에서의 소음 저감 효과가 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 소음억제 스피커(4)를 단일 레이어로 형성할 경우 음원 재생 영역에서의 음장이 제어음원에 다소 영향 받을 수 있으나 소음 저감 시스템의 설치 비용을 줄이면서 소음 억제 영역을 형성 가능한 이점이 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 소음억제 스피커(4)를 이중 레이어(double-layer)로 형성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템을 나타내는 도면이고, 도 16은 본 발명의 제2 실시 예에 다른 소음 저감 시스템의 제어 블록도이다.
도 15 내지 도 16을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 음원 스피커(1), 마이크(2)(3), 이중 레이어로 형성된 소음억제 스피커(10) 및 소음제어부(100) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
음원 스피커(1), 마이크(2)(3)와 관련하여 앞에서 설명한 바와 동일한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 이중 레이어로 형성된 소음억제 스피커(10)를 포함할 수 있고, 소음억제 스피커(10)는 제1 레이어 스피커(11)와 제2 레이어 스피커(12)를 포함할 수 있다.
제1 레이어 스피커(11)는 복수의 스피커(11-1, 11-2, ... 11-N)를 포함하고, 제2 레이어 스피커(12)는 복수의 스피커(12-1, 12-2, ... 12-N)를 포함할 수 있다.
제1 레이어 스피커(11)는 음원 재생 영역(Bright zone)을 향해 소음 제어부(110)에서 생성된 제어음원을 출력하고, 제2 레이어 스피커(12)는 소음 억제 영역(Dark zone)을 향해 소음 제어부(110)에서 생성된 제어음원을 출력할 수 있다.
제1 레이어 스피커(11)는 음원 재생 영역을 향해 설치되는 것이 바람직하고, 제2 레이어 스피커(12)는 소음 억제 영역을 향해 설치되는 것이 바람직하다.
제1 레이어 스피커(11)는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 음원 재생 영역에 가깝게 배치되고, 제2 레이어 스피커(12)는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 소음 억제 영역에 가깝게 배치될 수 있다.
마이크(2)(3)는 오디오 신호를 입력받아 소음 제어부(100)로 전달할 수 있다.
소음 제어부(100)는 소음처리부(111)(112), ANC(Active Noise Cancellation) 컨트롤러(120) 및 제어음원 처리부(140) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
소음처리부(111)(112)는 마이크(2)(3)로 입력받은 오디오 신호를 처리하는 모듈로서, 입력받은 오디오 신호를 증폭시키는 증폭기, 증폭된 오디오 신호를 필터링하는 필터, 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
소음처리부(111)(112)는 제1 소음처리부(111)와 제2 소음처리부(112)를 포함할 수 있고, 제1 소음처리부(111)는 제1 마이크(2)로 입력된 오디오 신호를 처리하여 디지털 신호로 변환하고, 제2 소음처리부(112)는 제2 마이크(3)로 입력된 오디오 신호를 처리하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
소음처리부(111)(112)를 통해 변환된 디지털 신호는 ANC 컨트롤러(120)로 전달될 수 있다.
ANC 컨트롤러(120)는 마이크(2)(3)로 입력되어 처리된 오디오 신호와 크기는 동일하며 위상이 반대인 제어음원을 생성할 수 있다. ANC 컨트롤러(120)는 위 수학식 1 내지 수학식 4를 통해 설명한 바와 같은 방법으로 qs를 산출하여 제어음원을 생성할 수 있다.
소음억제 스피커(10)를 구성하는 각각의 스피커의 위치는 상이하고, 그에 따라 전달함수 Gis 및 Gas는 상이하여 각각의 스피커에서 출력되는 제어음원은 상이할 수 있다. 경우에 따라, 소음억제 스피커(10)를 구성하는 각각의 스피커에서 출력되는 제어음원 중 일부는 동일할 수도 있다.
ANC 컨트롤러(120)에서 생성되는 각각의 제어음원은 상이할 수 있어, 생성된 제어음원은 각각의 스피커에 대응하는 제어음원 처리부(140)로 전달될 수 있다.
즉, 제어음원 처리부(140)는 복수개일 수 있고, 제어음원 처리부(140)의 개수는 소음억제 스피커(10)를 구성하는 스피커의 개수와 동일할 수 있다
제어음원 처리부(140)는 소음억제 스피커(10)를 구성하는 각각의 스피커에 대응되도록 형성될 수 있다. 즉, 제어음원 처리부(140)는 제1, 2, ... N, N+1, ... 2N 제어음원 처리부를 포함할 수 있고, 제1 제어음원 처리부는 제1 레이어 스피커의 제1 스피커(11-1)에 대응되고, 제2 제어음원 처리부는 제1 레이어 스피커의 제2 스피커(11-2)에 대응되고, ... 제N 제어음원 처리부는 제1 레이어 스피커의 N번째 스피커인 제N 스피커(11-N)에 대응되고, 제N+1 제어음원 처리부는 제2 레이어 스피커의 제1 스피커(12-1)에 대응되고, 제N+2 제어음원 처리부는 제2 레이어 스피커의 제2 스피커(12-1)에 대응되고, ... 제2N 제어음원 처리부는 제2 레이어 스피커의 N번째 스피커인 제2N 스피커(12-N)에 대응될 수 있다.
제어음원 처리부(140) 각각은 ANC 컨트롤러(120)로부터 전달된 제어음원을 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터(141)와, 아날로그 신호로 변환된 제어음원을 필터링하는 필터와, 필터링된 신호를 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다. 제어음원 처리부(140) 각각은 제어음원을 처리하여 각각의 대응되는 스피커로 전달할 수 있다.
소음억제 스피커(10) 각각은 제어음원 처리부(140)로부터 전달된 제어음원을 출력할 수 있다.
도 17 내지 도 18은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 1으로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 17(a)는 음원 스피커(1)에서 음원만을 출력하는 경우 주파수 응답을 나타내고, 도 17(b)는 음원 스피커(1)에서 음원을 출력하고, 소음 억제 스피커(10)에서 제어음원을 출력하는 경우 주파수 응답을 나타낼 수 있다. 특히, 소음억제 스피커(10)에서 출력되는 제어음원은 κ가 1으로 설정된 경우 산출된 qs에 따라 생성된 제어음원일 수 있다.
도 18(a)는 도 17의 제1 위치(0.5, 1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(b)는 도 17의 제2 위치(1, 0)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(c)는 도 17의 제3 위치(1.5, -1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(d)는 도 17의 제4 위치(2.5, -1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(e)는 도 17의 제5 위치(3.5, -0.5)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(f)는 도 17의 제6 위치(6, 1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(g)는 도 17의 제7 위치(7.5, 0)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타내고, 도 18(h)는 도 17의 제8 위치(9, -1)에서 음원만 출력될 경우의 주파수 응답(하늘색)과, 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)을 나타낸다.
여기서, 제1 내지 제3 위치는 음원 재생 영역에 포함되는 위치로, 제1 내지 제3 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차는 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 나타낸다. 따라서, 제1 내지 제3 위치에서는 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차가 작을수록 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화함을 나타낼 수 있다.
한편, 제6 내지 제8 위치는 소음 억제 영역에 포함되는 위치로, 제6 내지 제8 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)은 음원이 소음 억제 영역에 미치는 영향을 나타내고, 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차는 소음 억제 영역에서의 소음 저감 효과를 나타낼 수 있다. 즉, 제6 내지 제8 위치에서 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차가 클수록 소음 억제 영역에서의 소음 저감 효과가 큼을 나타낼 수 있다.
도 17 내지 도 18과 마찬가지로, 도 19 내지 도 20은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.99로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 21 내지 도 22는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.9로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 23 내지 도 24는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.5로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 25 내지 도 26은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.1로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이고, 도 27 내지 도 28은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 κ를 0.01로 설정한 경우 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 17 내지 도 28을 참조하면, κ값을 감소시킬수록 제1 내지 제3 위치에서의 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차가 감소하면서 제6 내지 제8 위치에서의 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색) 보다 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)이 작은 것을 확인할 수 있다. 반대로, κ값을 증가시킬수록 제6 내지 제8 위치에서의 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)은 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색) 보다 계속해서 작아지고, 제1 내지 제3 위치에서의 음원만 출력될 경우 주파수 응답(하늘색)과 음원 및 제어음원이 출력될 경우 주파수 응답(주황색)의 차는 소정 범위 이내를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면 소음억제 스피커(10)를 이중 레이어로 형성함으로써 음원 재생 영역에 미치는 영향을 감소시키는 동시에 소음 억제 영역을 형성 가능한 이점이 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 음원 재생 영역에 미치는 영향을 더 감소시킬지 또는 소음 억제 영역에서의 소음 발생을 더 줄일지 가중치를 조절 가능한 이점이 있다.
도 29는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 소음 저감 시스템을 나타내는 도면이고, 도 30은 본 발명의 제3 실시 예에 다른 소음 저감 시스템의 제어 블록도이다.
도 29 내지 도 30을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 음원 스피커(1), 마이크(2)(3), 이중 레이어로 형성된 소음억제 스피커(10) 및 소음제어부(100) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있고, 소음억제 스피커(10)는 일부 스피커가 다른 스피커에 종속되어 동작할 수 있다.
음원 스피커(1) 및 마이크(2)(3)는 앞에서 설명한 바와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
소음억제 스피커(10)는 이중 레이어로 형성된 소음억제 스피커(10)로 제1 레이어 스피커(11)와 제2 레이어 스피커(12)를 포함할 수 있다. 제1 레이어 스피커(11)는 복수의 스피커(11-1, 11-2, ... 11-N)를 포함하고, 제2 레이어 스피커(12)는 복수의 스피커(12-1, 12-2, ... 12-N)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 레이어 스피커(11)를 구성하는 복수의 스피커(11-1, 11-2, ... 11-N) 각각은 제2 레이어 스피커(12)를 구성하는 복수의 스피커(12-1, 12-2, ... 12-N) 각각과 그룹으로 설정될 수 있다.
예를 들어, 소음제어부(100)는 제1 레이어 스피커(11)의 제1 스피커(11-1)와 제2 레이어 스피커(12)의 제1 스피커(12-1)를 제1 그룹으로 설정하고, 제1 레이어 스피커(11)의 제2 스피커(11-2)와 제2 레이어 스피커(12)의 제1 스피커(12-2)를 제2 그룹으로 설정하고, ... 제1 레이어 스피커(11)의 N번째 스피커인 제N 스피커(11-N)와 제2 레이어 스피커(12)의 N번째 스피커인 제N 스피커(12-N)를 제N 그룹으로 설정할 수 있다.
이 때, 하나의 그룹으로 설정된 복수의 스피커는 각각의 스피커가 제어음원을 출력하는 방향을 연장하는 선과 동일선 상에 위치될 수 있다. 또한, 하나의 그룹으로 설정된 복수의 스피커 각각이 제어음원을 출력하는 방향은 서로 반대일 수 있다.
예를 들어, 제1 그룹으로 설정된 제1 레이어 스피커(11)의 제1 스피커(11-1)는 제1 방향으로 제어음원을 출력하고, 제2 레이어 스피커(12)의 제1 스피커(12-1)는 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 제어음원을 출력하며, 제1 레이어 스피커(11)의 제1 스피커(11-1)와 제2 레이어 스피커(12)의 제1 스피커(12-1)는 제1 방향과 제2 방향을 연장하는 선과 동일선 상에 위치할 수 있다.
소음제어부(100)는 그룹별로 제어음원을 생성할 수 있다.
소음제어부(100) 는 제1 레이어 스피커(11)를 구성하는 각각의 스피커와 제2 레이어 스피커(12)를 구성하는 각각의 스피커를 그룹으로 설정하고, 각 그룹별로 하나의 제어음원을 생성하라 수 있다. 구체적으로, 소음제어부(100)는 각 그룹에서 어느 하나의 스피커는 다른 하나의 스피커에 종속되어 제어음원을 출력하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 소음제어부(100)는 서로 다른 그룹에 속하는 복수의 제2 레이어 스피커(12) 각각에 대응하는 제어음원을 생성하고, 제1 레이어 스피커(11) 각각은 제2 레이어 스피커(12)에서 출력되는 제어음원에 기초하는 제어음원을 출력할 수 있다.
소음제어부(100)는 제2 레이어 스피커(12)의 제1 스피커(12-1)에서 출력될 제1 제어음원, 제2 스피커(12-2)에서 출력될 제2 제어음원, ... 제N 스피커(12-N)에서 출력될 제N 제어음원을 생성할 수 있다. 이 때, 제1 레이어 스피커(11)의 제1 스피커(11-1)는 제1 제어음원에 아래 수학식 5를 반영한 제어음원을 출력하고, 제1 레이어 스피커(11)의 제2 스피커(11-2)는 제2 제어음원에 아래 수학식 5를 반영한 제어음원을 출력하고, ... 제1 레이어 스피커(11)의 제N 스피커(11-N)는 제N 제어음원에 아래 수학식 5를 반영한 제어음원을 출력할 수 있다.
위 수학식 5에서 d는 제1 레이어 스피커(11)와 제2 레이어 스피커(12) 사이의 거리를 나타낼 수 있다. k는 주파수에 따른 파수를 나타낼 수 있다.
한편, 실시 예에 따라, 동일 그룹에 속하는 스피커는 동일한 제어음원을 출력할 수도 있다.
이와 같이, 제3 실시 예에 따르면, 소음제어부(100)는 각 그룹에 대하여 하나의 제어음원만을 생성할 수 있다. 따라서, 소음제어부(100)는 소음억제 스피커(10)를 구성하는 스피커 개수의 절반에 해당하는 D/A 컨버터(141)를 포함할 수 있다.
즉, ANC 컨트롤러(120)가 생성하는 복수의 제어음원은 D/A 컨버터(141)를 갖는 제어음원 처리부를 통해 각각의 소음억제 스피커로 출력되는데, 제1 레이어 스피커(11) 각각이 출력하는 제어음원과 제2 레이어 스피커(12) 각각이 출력하는 제어음원은 동일한 제어음원에 기반하므로, 소음억제 스피커(10)의 개수의 절반에 해당하는 제어음원 처리부만으로 제어음원 처리가 가능하다.
따라서, 제3 실시 예에 따르면 D/A 컨버터의 개수가 제2 실시 예에 따른 D/A 컨버터의 개수의 절반으로 감소하여 제작/설치 비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
제3 실시 예에 따르면, 소음억제 스피커(10)에서 출력되는 제어음원의 방사 형태는 카디오이드(cardioid) 형태일 수 있다.
도 31은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 31(a)는 제2 실시 예의 소음억제 스피커(10) 중 1개의 스피커만 출력하는 경우 주파수 응답을 나타내고, 도 31(b)는 제3 실시 예의 제1 레이어 스피커와 제2 레이어 스피커가 수학식 5로 종속됐을 경우 1개 그룹(1개의 쌍)만 출력하는 경우 주파수 응답을 나타낼 수 있다.
도 31(b)에 도시된 바와 같이, 소음억제 스피커(10) 각각이 쌍을 이루어 그룹으로 제어음원을 방사할 경우 소음 억제 영역으로의 방사 파워가 크고, 음원 재생영역으로의 방사 파워가 작음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 제어음원이 음원 재생 영역에 미치는 영향을 최소화하며 소음 억제 영역을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따르면 κ를 1로 설정하더라도 소음 억제 영역을 형성 가능하며 음원 재생 영역에는 영향을 최소화할 수 있는 이점이 있다. 또한, 제어음원 생성시 음원 재생 영역을 고려하지 않아도 되며, 전달함수 Gas를 산출하지 않아도 되어 연산을 간소화할 수 있는 이점이 있다.
제1 내지 제3 실시 예 각각에서 음원 스피커(1), 마이크(2)(3) 및 소음억제 스피커(10)의 위치는 도 2, 도 15 및 도 29에 도시된 위치에 한정되지 않는다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 소음 저감 시스템의 구성요소의 위치를 다르게 배치한 예시 도면이고, 도 33은 도 32에 따른 소음 저가 시스템에서 주파수 응답을 나타내는 도면이다.
도 32에 도시된 바와 같이, 소음 저감 시스템의 소음억제 스피커(10)는 제1 마이크(2)와 제2 마이크(3) 사이에 위치할 수 있고, 제1 마이크(2)는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 음원 재생 영역에 가깝게 배치되고, 제2 마이크(3)는 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 소음 억제 영역에 가깝게 배치될 수 있다.
음원 스피커(1)는 제1 마이크(2)와 제2 마이크(3) 중 제1 마이크(2)에 가깝게 배치될 수 있다.
도 33(a)는 음원 스피커(1)에서 음원만을 출력하는 경우 주파수 응답을 나타내고, 도 33(b)는 음원 스피커(1)에서 음원을 출력하고, 소음 억제 스피커(10)에서 제어음원을 출력하는 경우 주파수 응답을 나타낼 수 있다.
도 33(a)에서는 음원 스피커(1)를 중심으로 거리가 멀어질수록 방사 파워가 점차적으로 줄어드나, 도 33(b)에서는 제1 마이크(2)가 배치된 영역에서 비교적 균일한 방사 파워를 나타내며, 제2 마이크(3)가 배치된 영역을 중심으로 방사 파워가 급격히 낮음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면 제어음원을 출력함으로써 음원 재생 영역에서의 음장을 보다 균일하게 형성하며, 소음 억제 영역에서의 음악을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
도 32 내지 도 33과 같이 소음 억제 영역이 복수의 영역으로 구분될 수 있는 경우 계수를 달리하여 위 수학식 1이 복수개인 함수를 이용할 수 있다.
앞에서 설명한 소음 저감 시스템은 설치 단계에서 전달함수를 측정하여 전달함수에 기반하여 산출된 qs를 통해 제어음원을 출력하므로, 설치 이후 단계, 즉 소음 저감 시스템을 사용하는 동안에는 마이크(2)(3)의 사용이 불필요할 수 있다. 따라서, 소음 저감 시스템의 사용시 마이크(2)(3)를 사용하지 않으므로, 마이크(2)(3) 사용으로 인한 소비전력을 저감할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 소음 저감 시스템에서는 소음제어부(100)가 음원 스피커(1)로 입력되는 오디오 신호를 직접 전달받고, 마이크(2)(3)는 목적한 성능이 나오도록 qs를 업데이트 해주는 적응 방식 알고리즘이 적용된 오차마이크로서 역할을 할 수 있다. 또는, 제1 마이크(2)가 제어음원을 생성하기 위한 기준소음을 입력받고, 제2 마이크(3)가 오차마이크로서 역할을 할 수 있다. 이 경우, 소음제어부(100)는 아래 수학식 6에 따라 qs를 업데이트할 수 있다.
이와 같이, qs를 업데이트할 경우, 온도, 습도, 지리적 상황 등과 같은 환경 변화가 발생하더라도 성능 저하의 발생을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 소음 저감 시스템은 전달함수를 측정하여 초기 qs를 산출한 후, 위 수학식 6에 따라 qs를 업데이트함으로써 환경변화를 반영 가능할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 음원을 출력하는 음원 스피커;
    상기 음원에 의해 발생하는 오디오 신호를 입력받고, 음원 재생 영역과 소음 억제 영역 중 상기 음원 재생 영역에 가깝게 배치되는 제1 마이크;
    상기 오디오 신호를 입력받고, 상기 음원 재생 영역과 상기 소음 억제 영역 중 상기 소음 억제 영역에 가깝게 배치되는 제2 마이크;
    상기 제1 및 제2 마이크로 입력된 오디오 신호를 감쇠하는 제어음원을 생성하는 소음제어부; 및
    상기 소음제어부에 의해 생성된 제어음원을 출력하고, 상기 제1 마이크와 상기 제2 마이크 사이에 배치되는 소음억제 스피커를 포함하고,
    상기 소음억제 스피커는
    상기 음원 재생 영역을 향하는 제1 방향으로 상기 제어음원을 출력하는 제1 레이어 스피커와,
    상기 소음 억제 영역을 향하며 상기 제1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 상기 제어음원을 출력하는 제2 레이어 스피커를 포함하는 소음 저감 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소음제어부는
    상기 제1 레이어 스피커를 구성하는 각각의 스피커와 상기 제2 레이어 스피커를 구성하는 각각의 스피커를 그룹으로 설정하고, 각 그룹별로 하나의 제어음원을 생성하는 소음 저감 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소음제어부는
    상기 제1 레이어 스피커를 구성하는 제1 스피커와 상기 제2 레이어 스피커를 구성하는 제2 스피커를 하나의 그룹으로 설정하고, 상기 제1 스피커와 상기 제2 스피커 중 어느 하나는 다른 하나에서 출력되는 제1 제어음원에 기초하는 제2 제어음원을 출력하는 소음 저감 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 레이어 스피커를 구성하는 제1 스피커가 출력하는 제1 제어음원을 상기 제1 방향으로 연장한 선과 상기 제2 레이어 스피커를 구성하는 제2 스피커가 출력하는 제2 제어음원을 상기 제2 방향으로 연장한 선은 동일선 상에 위치되는 소음 저감 시스템.
  5. 삭제
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