KR20090033722A - 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법 및 장치, 및 음장생성 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따라 스피커 어레이 시스템에서, 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하고, 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하고, 이를 하나로 합성하여 전체 방사 패턴을 생성함으로써 전 지향성 방사 특성을 전제로 한 음장 생성 장치에 간단하게 적용할 수 있고, 전 지향성 소스를 통해 음장을 간단히 설계할 수 있다.

음장, 어레이 스피커, 방사 패턴, 전 지향성

Description

어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법 및 장치, 및 음장 생성 방법 및 장치{Method and apparatus for generating a radiation pattern of array speaker, and method and apparatus for generating a sound field}

본 발명은 음향 기술에 관한 것으로, 더 상세하게는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법 및 장치와, 이를 이용한 음장 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.

음향 시스템은 가수나, 악기 연주자들의 물리적인 음원(sound source)이나, 아날로그 테이프, CD와 같은 저장된 음원을 입력받고, 가공 및 처리하여, 최종적으로 스피커를 통하여 재생하거나, 오디오 저장매체에 저장하는 모든 경로와 기기 시스템을 말한다.

음장(sound field)이란 음파가 존재하고 있는 매질의 영역을 의미한다. 이러한 음장을 스피커를 통해 만드는 경우, 이를 실제 재생하는 스피커의 특성이 중요하다. 종래의 음장 생성 방법은 이상적인 조건, 즉 음원을 전 지향성(omnidirectional) 조건에서 계산하여 음장을 생성하였다. 여기서, 전 지향성이라 함은 개별 소스가 공간상에서 특별한 방향으로의 지향성이 없이 모든 방향에 대해 동일하게 음압을 방사하는 것이다.

그러나 실제 스피커의 경우 이러한 특성은 아주 제한된 주파수 영역에서만 적은 오차로 수용이 가능하고, 대부분의 가청 주파수 영역에서는 방향에 따른 방사 특성의 차이가 있다. 이러한, 방사 특성은 스피커의 기하학적 특성과 진동판의 진동 특성에 기인한 것으로 서로 다른 형상과 진동특성을 가진 스피커는 각각의 특징적인 방사 패턴을 가진다. 따라서, 이러한 실제 스피커의 방사 특성을 무시하고 음장을 이상적인 조건으로 계산하게 되면, 실제 스피커를 통한 신호 재생시에 의도하지 않은 음장이 형성되게 되고, 이는 원하는 음장 형성이라는 목적을 달성하기 어렵게 만든다.

본 발명은 실제 스피커와 음장 형성시 사용되는 전 지향성 음원에서의 방사 특성을 어레이 스피커 시스템의 다수 스피커를 사용하여 극복하도록 함으로써, 실제 청취 환경에서 향상된 음장 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 적어도 2 이상의 개별 스피커들로 구성된 어레이 스피커 시스템에서 어레이 스피커의 방사 패턴을 생성하는 방법은 상기 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하고, 상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 상기 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하고, 상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하여 이루어진다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 적어도 2 이상의 개별 스피커들로 구성된 어레이 스피커 시스템에서 어레이 스피커의 방사 패턴을 생성하는 장치는 상기 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하는 방사 특성 측정부와, 상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 상기 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 방사 특성 필터 계산부와 상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하는 합성부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 음장 생성 방법은 적어도 2 이상의 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하고, 상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레 이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하고, 상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하고, 상기 생성한 전체 방사 패턴을 전 지향성(omnidirectional) 음원으로 변환하고, 상기 변환한 전 지향성 음원을 이용하여 음장을 생성하여 이루어진다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 음장 생성 장치는 적어도 2 이상의 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하는 방사 특성 측정부와, 상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 방사 특성 필터 계산부와, 상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하는 합성부와, 상기 생성한 전체 방사 패턴을 전 지향성(omnidirectional) 음원으로 변환하는 지향성 역필터 처리부와 상기 변환한 전 지향성 음원을 이용하여 음장을 생성하는 음장 생성부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 상기 방법들을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체를 포함한다.

본 발명의 세부 및 개선 사항은 종속항에 개시된다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 스피커 어레이 시스템에서, 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하고, 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하고, 이를 하나로 합성하여 전체 방사 패턴을 생성함으로써 전 지향성 방사 특성을 전제로 한 음장 생성 장치에 간단하게 적용할 수 있고, 전 지향성 소스를 통해 음장을 간단히 설계할 수 있다. 또한, 실제 스피커의 특성을 반영하여 오차를 줄일 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.

종래 기술에 따른 음장 생성은 음원 소스로부터 스피커의 수만큼 신호를 복제하여 각각의 신호에 대해 변조를 수행하여 음장을 생성하며, 이러한 변조는 지연, 증폭, 필터 등의 처리를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이 임의의 음장을 형성하기 위해서는 각각의 개별 스피커에서 방사되는 음과 일정 거리에서 이들의 합성된 형태에 대한 계산을 수행한다. 이때. 개별 스피커는 음원이 되고 이를 수식적으로 간략화하여 해당 음장을 구하는 방법은 종래 기술에 공지되어 있다. 이 경우에 수식 전개의 편의성을 위해 이러한 음원을 전 지향성(omnidirectional)으로 가정하는데, 이렇게 하면 공간상의 임의의 지점과 개별 음원 사이의 거리만으로 수식을 단순화할 수 있기 때문이다. 도 1A의 경우는 어레이 스피커에 수직 방향으로 소리를 보내는 경우이고, 도 1B는 어레이 스피커에서 사선으로 소리를 보내는 경우이고, 도 1C는 공간상의 임의의 지점으로 소리를 모으는 경우이며, 모두 개별 소스를 전 지향성으로 가정한 경우이다.

하지만, 실제 스피커에 있어서의 지향성(directivity)은 도 2A 내지 2C에 도시한 바와 같이 해당 주파수마다 상이한 특성을 나타낸다.

도 2A 내지 2C를 참조하면, 250Hz의 저 주파수대에서는 모든 방향으로 어느 정도 일정한 방사 패턴을 보이고, 1000Hz의 중간 주파수대에서는 전방으로 약간 치우친 방사 패턴을 보이고, 4000Hz의 높은 주파수대에서는 전방으로 많이 치우친 방사 패턴을 보인다. 따라서, 실제 스피커에 있어서는 각각의 주파수대 별로 방사 패턴이 상이함을 알 수 있다.

도 3A 및 3B는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 스피커 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

스피커 어레이(speaker array)는 홈 시어터나 AV 시스템 등에 적합한 스피커 시스템으로서, 예를 들면 다수의 스피커가 배열되어 있으며, 스피커의 구경은 수 cm 등으로 구성할 수 있다. 또한, 스피커의 배치는 평면상에 2차원형으로 배열할 수 있다.

도 3A를 참조하면, 5개의 스피커를 일렬로 직선상에 배치된 형태의 스피커 어레이가 도시되어 있다. 하지만, 이러한 스피커의 개수 또는 배치 형태는 설명을 위해 예시적인 것으로 이에 한정되지 않는다.

도 3B를 참조하면, 음원 소스로부터 전술한 음장 생성을 통해 스피커를 통해 도 3B와 같은 하나의 개별 스피커의 방사 패턴을 형성한다. 여기서 음장 생성은 음원 소스로부터 지연회로에 공급되어 소정의 지연 시간만큼 지연되어 지연된 오디오 신호가 파워 증폭을 통해 개별 스피커에 공급된다. 따라서, 어느 장소에 있어서도 스피커로부터 출력되는 음파가 합성되며, 그 합성결과에 따라 주위보다 강하게 또는 약하게 음압을 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 어레이 스피커 시스템에서 스피커의 지향성 패턴을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시 예에서, 실제 스피커에서 생성되는 방사 패턴을 전 지향성 또는 모노폴(monopole)로 구성된 어레이의 스피커들로 생성시킨다. 즉, 하나의 스피커에서 생성되는 지향성 패턴을 다수의 모노폴 소스를 사용하여 음장을 형성한다. 즉, 개별 스피커의 방사 패턴을 만들어 내는 방법을 전체 어레이를 구성하는 스피커 개수만큼, 각각의 위치에서의 방사 패턴에 대해 구하고, 최종적으로 이들 전체를 합치면 해당 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 얻을 수 있다.

도 4를 참조하면, 실제 스피커의 경우 배치된 위치에 따라 각각의 방사 패턴을 가지게 되고, 이를 모노 폴로 구성된 어레이 스피커로 각각의 방사 패턴을 만들어 내며, 최종적으로, 모노 폴로 구성된 어레이 스피커의 방사 패턴을 만드는 신호를 합성하면, 전체 어레이 시스템에서의 방사 패턴을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스피커의 지향성 패턴을 고려한 음장 생성 장치의 개략적인 도면이다.

도 5를 참조하면, 음장 생성 장치는 방사 패턴 생성 장치(500), 지향성 역필터 처리부(510) 및 음장 생성부(520)를 포함한다.

방사 패턴 생성 장치(500)는 방사 특성 측정부(501), 방사 특성 필터 계산부(502) 및 합성부(503)를 포함한다. 방사 패턴 생성 장치(500)는 실제 스피커에서 생성되는 방사 패턴을 전 지향성 또는 모노폴로 구성된 어레이의 스피커들로 생성한다.

제1, 2, ... N 스피커 방사 특성 측정부(501)는 스피커 어레이를 구성하는 개별 스피커들의 실제 방사 패턴을 측정한다. 방사 특성 측정부(501)는 개별 스피커 개수만큼(1,2...N) 존재하는 각각의 방사 패턴을 측정한다. 여기서 스피커는 적어도 2 이상인 것이 바람직하다. 여기서 방사 패턴의 측정은 실험적 또는 해석적으로 구할 수 있다. 실험 장치는 회전 방향에 따라 방사 패턴을 측정할 수 있는 제어된 턴테이블과 이를 주파수 별로 수집 분석할 수 있는 음향 측정 시스템으로 구성할 수 있다. 이러한 측정 장치를 통해, 도 2에 도시한 바와 같은 측정 패턴을 얻을 수 있다.

제1, 2, ... N 방사 특성 필터 계산부(502)는 방사 특성 측정부(501에서 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성한다. 즉, 방사 특성 필터 계산부(502)는 모노폴로 구성된 어레이 스피커가 전술한 방사 패턴 음장을 형성할 수 있도록 하는 필터를 계산하여 지향성 방사 패턴을 생성한다. 여기서, 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴 생성을 도 6A 및 6B를 참조하여 설명한다.

도 6A 및 6B를 참조하면, 스피커의 지향성을 m지점에 대해 측정을 한다. 이때 측정 지점은 얻고자 하는 패턴의 정밀도에 맞춰 임의로 설정할 수 있다. 이어, 모노 폴 소스로 구성된 스피커 어레이 시스템이 실제 스피커의 지향성과 동일한 배치를 가지고, 마찬가지로 동일한 m 위치에 a가 위치하도록 한다. 모노폴 소스에 의한 방사 패턴은 spk1~spkn으로 구성되어 있고, 이들로부터 방사되는 음장이 각각의 a1~an까지를 최소의 오차로 만족하는 것을 찾는다. 즉, n개의 스피커가 a 측정점 개수만큼의 위치에서 생성시키는 음장 패턴이 가장 잘 맞도록 하는 것이고, 이를 최적화하기 위해서 공지의 다 변수 최적화 기법, 예를 들면 최소제곱법(least square method) 등을 사용할 수 있다.

합성부(503)는 방사 특성 필터 계산부(502)에서 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성하고, 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성한다.

지향성 역필터 처리부(510)는 합성부(503)에서 생성한 전체 어레이 스피커의 방사 패턴을 전 지향성(omnidirectional) 음원으로 변환한다. 즉, 지향성 역필터 처리부(510)는 지향성 역필터 처리부는 개별 스피커의 방사 특성을 모노폴소스의 어레이 스피커를 통해 만들고, 이를 합성하여 생성한 전체 어레이 스피커의 방사 특성을 다시 전 지향성 특성으로 변환하는 것이다. 따라서, 실제 스피커의 지향성이 고려된 신호가 만들어지게 되고, 지향성의 역 필터를 구해서 적용하므로 실제 스피커에서의 지향성의 효과를 상쇄시킬 수 있다. 따라서, 후술하는 음장 생성부(520)는 지향성을 고려하지 않고서 음장을 생성할 수 있다.

음장 생성부(520)는 지향성 역필터 처리부(510)에서 변환한 전 지향성 음원을 이용하여 음장을 생성한다. 도면에 도시하지는 않았지만, 음장 생성부(520)에서 생성한 음장은 스피커 출력 생성부를 통해 스피커로 출력된다.

전술한 처리를 통해서, 실제 스피커의 특성을 어레이 스피커의 필터로 구현하고, 전 지향성 방사 특성을 전제로 한 음장 생성 장치에 적용하여, 전 지향성 소스를 통해 음장을 간단히 설계할 수 있다. 또한, 실제 스피커의 특성을 반영하여 오차를 줄일 수 있다.

한편, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

도 1A 내지 1C는 종래 기술에 따른 음장 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2A 내지 2C는 실제 스피커의 지향성 방사 패턴을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 3A 및 3B는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 스피커 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 어레이 스피커 시스템에서 스피커의 지향성 패턴을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스피커의 지향성 패턴을 고려한 음장 생성 장치의 개략적인 도면이다.

도 6A 및 6B는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 개별 스피커의 지향성 패턴 생성을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (9)

1. 적어도 2 이상의 개별 스피커들로 구성된 어레이 스피커 시스템에서 어레이 스피커의 방사 패턴을 생성하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하는 단계;

   (b) 상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 상기 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 단계; 및

   (c) 상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하는 단계를 포함하는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 (b) 단계에서,

   상기 어레이 스피커는 모노 폴 소스로 구성된 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (a) 단계에서,

   상기 어레이 스피커를 구성하는 각각의 개별 스피커들의 위치에서 방사 패턴을 측정하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 방법.
4. 적어도 2 이상의 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하는 단계;

   상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 단계;

   상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하는 단계;

   상기 생성한 전체 방사 패턴을 전 지향성(omnidirectional) 음원으로 변환하는 단계; 및

   상기 변환한 전 지향성 음원을 이용하여 음장을 생성하는 단계를 포함하는 음장 생성 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
6. 적어도 2 이상의 개별 스피커들로 구성된 어레이 스피커 시스템에서 어레이 스피커의 방사 패턴을 생성하는 장치에 있어서,

   상기 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하는 방사 특성 측정부;

   상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 상기 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 방사 특성 필터 계산부; 및

   상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하는 합성부를 포함하는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 방사 특성 필터 계산부는,

   모노 폴 소스로 구성된 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 방사 특성 측정부는,

   상기 어레이 스피커를 구성하는 각각의 개별 스피커들의 위치에서 방사 패턴을 측정하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 방사 패턴 생성 장치.
9. 적어도 2 이상의 개별 스피커들의 방사 패턴을 측정하는 방사 특성 측정부;

   상기 측정한 개별 스피커들의 방사 패턴을 어레이 스피커를 이용하여 지향성 방사 패턴으로 각각 생성하는 방사 특성 필터 계산부;

   상기 생성한 지향성 방사 패턴을 하나로 합성함으로써 상기 어레이 스피커의 전체 방사 패턴을 생성하는 합성부;

   상기 생성한 전체 방사 패턴을 전 지향성(omnidirectional) 음원으로 변환하는 지향성 역필터 처리부; 및

   상기 변환한 전 지향성 음원을 이용하여 음장을 생성하는 음장 생성부를 포함하는 음장 생성 장치.

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