KR20200133632A - 지향성 음향 센서 및 이를 이용한 음원 거리 측정방법 - Google Patents
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Abstract
지향성 음향 센서 및 이를 이용한 음원 거리 측정방법이 개시된다. 개시된 지향성 음향 센서는 복수의 공진 유닛과 신호 처리부를 포함한다. 복수의 공진 유닛은 서로 다른 지향성을 가지도록 배치될 수 있다. 신호 처리부는 음원으로부터 발생되어 공진 유닛들에 의해 수신되는 신호들 중 직접 수신되는 제1 신호와 음원 주위의 벽면에 반사되어 수신되는 제2 신호의 시간차를 계산하여 음원과의 거리를 측정한다.
Description
지향성 음향 센서에 관한 것으로, 상세하게는 지향성 음향 센서 및 이를 이용한 음원 거리 측정방법에 관한 것이다.
생활 가전 제품, 영상 디스플레이 장치, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치, 인공지능 스피커 등에 장착되어 소리가 오는 방향을 탐지하고 음성을 인식할 수 있는 음향 센서의 활용성이 증가하고 있다. 최근에는 압력차(pressure difference)에 의한 기계적인 움직임을 전기 신호를 변환하여 음향 신호를 검출하는 지향성 음향 센서가 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 지향성 음향 센서 및 이를 이용한 음원 거리 측정방법을제공한다.
일 측면에 있어서,
서로 다른 방향으로 배치되는 복수의 공진 유닛; 및
음원으로부터 발생되어 상기 공진 유닛들에 의해 수신되는 신호들 중 직접 수신되는 제1 신호와 상기 음원 주위의 벽면에 반사되어 수신되는 제2 신호의 시간차를 계산하여 상기 음원과의 거리를 측정하는 신호 처리부;를 포함하는 지향성 음향 센서가 제공된다.
상기 복수의 공진 유닛은 상기 제1 신호를 수신하는 제1 공진 유닛과 상기 제2 신호를 수신하는 제2 공진 유닛을 포함할 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 음원과의 거리(d1)를 다음 식에 의해 계산할 수 있다.
여기서, d2는 상기 음원과 상기 벽면 사이의 거리, Δt는 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 시간차, v는 소리의 속도를 나타낸다.
상기 음원과 상기 벽면 사이의 거리(d2)는 상기 지향성 음향 센서에서 발생된 소리가 상기 벽면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 계산될 수 있다.
상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 시간차(Δt)는 상기 제1 신호가 상기 제1 공진 유닛에 도달하는 시간과 상기 제2 신호가 상기 제2 공진 유닛에 도달하는 시간의 차이를 측정함으로써 계산될 수 있다.
상기 복수의 공진 유닛은, 캐비티가 각각 관통 형성된 복수의 기판; 및 상기 복수의 기판 각각에 마련되는 적어도 하나의 공진기;를 포함할 수 있다. 상기 복수의 기판은 서로 다른 방향으로 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 공진기는 서로 나란하게 배열되는 복수의 공진기 또는 방사상으로 배열되는 복수의 공진기를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
서로 다른 방향으로 배치되는 복수의 공진 유닛을 포함하는 지향성 음향 센서를 이용하여 음원과의 거리를 측정하는 방법에 있어서,
상기 음원으로부터 발생되어 상기 공진 유닛들에 의해 수신되는 신호들 중 직접 수신되는 제1 신호와 상기 음원 주위의 벽면에 반사되어 수신되는 제2 신호의 시간차를 계산하여 상기 음원과의 거리를 측정하는 음원 거리 측정방법이 제공된다.
상기 복수의 공진 유닛은 상기 제1 신호를 수신하는 제1 공진 유닛과 상기 제2 신호를 수신하는 제2 공진 유닛을 포함할 수 있다.
상기 음원과의 거리(d1)는 다음 식에 의해 계산될 수 있다.
여기서, d2는 상기 음원과 상기 벽면 사이의 거리, Δt는 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 시간차, v는 소리의 속도를 나타낸다.
상기 음원과 상기 벽면 사이의 거리(d2)는 상기 지향성 음향 센서에서 발생된 소리가 상기 벽면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 계산될 수 있다.
상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 시간차(Δt)는 상기 제1 신호가 상기 제1 공진 유닛에 도달하는 시간과 상기 제2 신호가 상기 제2 공진 유닛에 도달하는 시간의 차이를 측정함으로써 계산될 수 있다.
상기 복수의 공진 유닛은, 캐비티가 각각 관통 형성된 복수의 기판; 및 상기 복수의 기판 각각에 마련되는 적어도 하나의 공진기;를 포함할 수 있다. 상기 복수의 기판은 서로 다른 방향으로 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 공진기는 서로 나란하게 배열되는 복수의 공진기 또는 방사상으로 배열되는 복수의 공진기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서에 의하면, 서로 다른 방향으로 배치된 복수의 공진 유닛이 음원에서 발생된 소리가 지향성 음향 센서에 직접 도달하는 시간과 벽면에 반사되어 지향성 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 계산하고, 이렇게 계산된 시간차를 이용하여 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
이러한 지향성 음향 센서는 다양한 전자 기기에 활용할 수 있다. 예를 들면, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서가 AI 스피커에 채용되면 AI 스피커가 사용자의 위치를 파악함으로써 사용자의 음성 명령을 보다 정확하게 수행할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 위치에 마련되어 있는 조명을 켜거나 또는 소리가 발생되는 곳 위주로 감시 카메라 등을 동작시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 지향성 음향 센서를 예시적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 공진기의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 지향 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 방 내부에 마련된 음원에서 발생된 소리가 청취자에게 도달하는 경로들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 6은 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 지향성 음향 센서의 사시도를 도시한 것이다.
도 8은 도 6에 도시된 지향성 음향 센서의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다.
도 9a 내지 도 9f는 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서에서, 음원과 벽면 사이의 거리(d2)의 변화에 따라 제1 공진 유닛에 직접 수신되는 제1 신호와 벽면에 반사되어 제2 공진 유닛에 수신되는 제2 신호의 파형들을 도시한 시뮬레이션 결과들이다.
도 10은 도 9a 내지 도 9f에 도시된 결과들을 이용하여 계산된 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리들을 도시한 것이다.
도 11은 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서에서 실험을 위해 사용된 음원의 파형을 도시한 것이다.
도 12a 내지 도 12e는 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서에서 음원과 벽면 사이의 거리(d2)의 변화에 따라 제1 공진 유닛에 직접 수신되는 제1 신호와 벽면에 반사되어 제2 공진 유닛에 수신되는 신호의 파형들을 도시한 실험 결과들이다.
도 13은 도 12a 내지 도 12e에 도시된 결과들을 이용하여 계산된 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리들을 도시한 것이다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 공진기의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 지향 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 방 내부에 마련된 음원에서 발생된 소리가 청취자에게 도달하는 경로들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 6은 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 지향성 음향 센서의 사시도를 도시한 것이다.
도 8은 도 6에 도시된 지향성 음향 센서의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다.
도 9a 내지 도 9f는 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서에서, 음원과 벽면 사이의 거리(d2)의 변화에 따라 제1 공진 유닛에 직접 수신되는 제1 신호와 벽면에 반사되어 제2 공진 유닛에 수신되는 제2 신호의 파형들을 도시한 시뮬레이션 결과들이다.
도 10은 도 9a 내지 도 9f에 도시된 결과들을 이용하여 계산된 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리들을 도시한 것이다.
도 11은 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서에서 실험을 위해 사용된 음원의 파형을 도시한 것이다.
도 12a 내지 도 12e는 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서에서 음원과 벽면 사이의 거리(d2)의 변화에 따라 제1 공진 유닛에 직접 수신되는 제1 신호와 벽면에 반사되어 제2 공진 유닛에 수신되는 신호의 파형들을 도시한 실험 결과들이다.
도 13은 도 12a 내지 도 12e에 도시된 결과들을 이용하여 계산된 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리들을 도시한 것이다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 지향성 음향 센서(10)를 예시적으로 도시한 것이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 공진기(12) 하나의 단면을 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 지향성 음향 센서(10)는 기판(11) 및 복수의 공진기(12)를 포함한다. 기판(11)에는 캐비티(15)가 관통하도록 형성되어 있다. 기판(11)으로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
복수의 공진기(12)는 기판(11)의 캐비티(115) 상에 소정 형태로 배열될 수 있다. 공진기들(12)은 서로 겹침 없이 평면적으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 공진기들(12)은 서로 나란하게 배열될 수 있다. 공진기들(12) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이 일단부가 기판(11)에 고정되어 있으며, 캐비티(15) 쪽을 향하여 연장되도록 마련될 수 있다. 공진기들(12)은 각각 기판(11)에 고정되는 고정부(16)와, 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 가동부(18)와, 가동부(18)의 움직임을 센싱하는 감지부(17)를 포함할 수 있다. 또한, 공진기(12)는 가동부(18)에 소정의 질량(mass)을 제공하기 위한 질량체(19)를 더 포함할 수 있다.
공진기들(12)은 예를 들면, 서로 다른 대역의 음향 주파수를 감지하도록 마련될 수 있다. 즉, 공진기들(12)은 서로 다른 중심 주파수를 가지도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 공진기들(12)은 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 공진기들(12)은 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(10)의 주파수 응답 특성을 측정한 결과가 예시적으로 도시되어 있다. 그리고, 도 4에는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(10)의 지향 특성을 측정한 결과가 예시적으로 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 지향성 음향센서(10)는 양방향성(bi-directionality), 즉 0도 방향과 180도 방향인 z 축 방향으로의 방향성을 가지고 있음을 알 수 있다. 한편, 도 1에는 기판(11)에 복수의 공진기(12)가 마련된 경우가 도시되어 있으나, 하나의 공진기(12)만 마련되는 것도 가능하다.
도 5는 방 내부에 마련된 음원(SP)에서 발생된 소리가 청취자(L)에게 도달하는 경로들(P1,P2)을 예시적으로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 음원(SP)에서 발생된 소리는 청취자(L)에게 직접 도달하기도 하지만 벽면들(W)에 반사되어 청취자(L)에게 도달하기도 한다. 도 5에서 제1 경로(P1)는 음원(SP)에서 발생된 소리가 청취자(L)에게 직접 도달하는 직접 경로(direct path)를 나타내며, 제2 경로(P2)는 음원(SP)에서 발생된 소리가 벽면들(W)에 반사되어 청취자(L)에게 도달하는 반사 경로(reflected path)를 나타낸다.
이하의 예시적인 실시예에서는 지향성 음향 센서를 이용하여 음원에서 발생되는 소리가 청취자에게 직접 도달하는 시간과 음원에서 발생되는 소리가 벽면에서 반사되어 청취자에게 도달하는 시간의 차이를 계산하여 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리를 측정할 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서(100)를 개략적으로 도시한 것이며, 도 7은 도 6에 도시된 지향성 음향 센서(100)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 8은 도 6에 도시된 지향성 음향 센서(100)의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다. 도 6에는 음원(SP)의 정면 방향에 지향성 음향 센서(100)가 위치하고 있으며, 음원(SP)의 일측 방향에 음원(SP)에서 발생된 소리를 반사시키는 벽면(W)이 마련되어 있는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리는 지향성 음향 센서(100)와 벽면(W) 사이의 거리와 실질적으로 동일할 수 있다. 한편, 도 6에는 도 8의 신호 처리부(150)가 편의상 도시되지 않았다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 복수의 공진 유닛(R1 ~ R6) 및 신호 처리부(signal processing unit,150)를 포함한다. 여기서, 복수의 공진 유닛(R1 ~ R6)은 서로 다른 방향으로 배치되도록 마련될 수 있다.
도 6에는 6개의 공진 유닛(R1 ~ R6), 즉 제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6)은 서로 직각을 이루도록 배치되어 정육면체 형상을 형성하는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 방향으로 배치되는 공진 유닛들의 개수 및 배치 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6) 각각은 전술한 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(10)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6) 각각은 지향성을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6) 각각은 캐비티(115)가 관통 형성된 기판(111) 및 이 기판(111)의 캐비티(115) 상에 배열되는 적어도 하나의 공진기(112)를 포함한다. 여기서, 제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6)을 구성하는 6개의 기판(111)은 서로 직각으로 배치되어 정육면체 형상을 형성할 수 있다. 적어도 하나의 공진기(112)는 일단부가 기판(111)에 고정되어 있으며, 캐비티(115) 쪽을 향하여 연장되도록 마련될 수 있다.
제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6) 중 일부는 음원(SP)에서 발생된 소리가 직접 도달되도록 배치될 수 있으며, 다른 일부는 음원(SP)에서 발생된 소리가 벽면들에서 반사되어 도달될 수 있도록 배치될 수 있다.
구체적인 예로서 도 6을 참조하면, 제1 내지 제6 공진 유닛(R1 ~ R6) 중 제1 공진 유닛(R1)은 음원(SP)에서 발생된 소리를 직접 수신하도록 배치되어 있으며, 제2 공진 유닛(R2)은 음원(SP)에서 발생되어 벽면(W)에 반사되는 소리를 수신하도록 배치되어 있다. 이에 따라, 음원(SP)에서 소리가 발생되면 제1 공진 유닛(R1)은 직접 경로인 제1 경로(P1)를 따라 진행하는 제1 신호를 수신하며, 제2 공진 유닛(R2)은 반사 경로인 제2 경로(P2)를 따라 진행하는 제2 신호를 수신할 수 있다.
신호 처리부(150)는 공진 유닛들(R1 ~ R6) 에 의해 수신되는 신호들을 처리하여 수신된 신호들의 시간차를 계산하고, 이러한 시간차를 이용하여 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리를 측정하는 역할을 할 수 있다.
구체적인 예로서 도 6을 참조하면, 신호 처리부(150)는 공진 유닛들(R1 ~ R6) 에 의해 수신되는 신호들 중 제1공진 유닛(R1)에 직접 수신되는 제1 신호와 음원 주위의 벽면(W)에 반사되어 제2 공진 유닛(R2)에 수신되는 제2 신호의 시간차를 계산하고, 이러한 제1 신호와 제2 신호의 시간차를 이용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리를 측정할 수 있다.
먼저, 신호 처리부(150)는 제1 신호와 제2 신호의 시간차를 계산할 수 있다. 여기서, 제1 신호와 제2 신호 사이의 시간차는 음원(SP)에서 발생된 소리가 제1 공진 유닛(R1)에 직접 도달하는 시간과 음원(SP)에서 발생된 소리가 벽면(W)에 반사되어 제2 공진 유닛(R2)에 도달하는 시간의 차이를 계산함으로써 알 수 있다.
다음으로, 신호 처리부(150)는 제1 신호와 제2 신호의 시간차를 이용하여 다음과 같은 (식 1)에 의해 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)를 측정할 수 있다.
여기서, Δt는 제1 신호와 제2 신호의 시간차를 나타내며, d2는 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리를 나타낸다. 그리고, v는 소리의 속도로서 대략 340m/sec가 될 수 있다.
(식 1)에서 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)는 지향성 음향 센서(100)에서 발생한 소리가 벽면(W)에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 미리 알 수 있다. 예를 들어, AI(Artificial Intelligence) 스피커 등과 같은 전자 기기에 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)가 채용되는 경우에는 AI 스피커의 초기 셋업 시에 AI 스피커에서 발생된 소리가 벽면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 AI 스피커와 벽면 사이의 거리, 즉 지향성 음향 센서(100)와 벽면(W) 사이의 거리(d2)를 미리 알 수 있다.
이와 같이, 신호 처리부(150)는 제1 공진 유닛(R1)에 의해 수신된 제1 신호와 제2 공진 유닛(R2)에 의해 수신된 제2 신호의 시간차(Δt)를 계산한 다음, 전술한 (식 1)을 이용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)를 측정할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서는 서로 다른 방향으로 배치된 복수의 공진 유닛(R1 ~ R6)이 음원(SP)에서 발생된 소리가 서로 다른 경로들(구체적으로, 직접 경로와 반사 경로)로 진행하는 신호들을 분리하여 수신하고, 신호 처리부(150)가 수신된 신호들의 시간차를 이용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리를 측정할 수 있다.
한편, 이상에서는 제1 공진 유닛(R1)이 음원(SP)에서 발생된 소리를 직접 수신하고, 제2 공진 유닛(R2)이 음원(SP)에서 발생되어 벽면에서 반사된 소리를 수신하도록 복수의 공진 유닛들(R1 ~ R6)을 배치하는 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 복수의 공진 유닛들(R1 ~ R6)은 다양한 형태로 배치되어 서로 다른 경로로 진행하는 신호들을 분리하여 수신할 수 있다.
도 9a 내지 도 9f 및 도 10은 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서(100)의 시뮬레이션 실험 결과들을 도시한 것이다. 여기서, 시뮬레이션 실험은 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리를 1m로 고정한 상태에서 벽면(W)을 이동시켜 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)를 변화시키면서 진행하였다.
도 9a 내지 도 9f는 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서(100)에서, 음원(SP)에서 소리가 발생되었을 때 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)의 변화에 따라 제1 공진 유닛(R1)에 직접 수신되는 제1 신호와 벽면(W)에 반사되어 제2 공진 유닛(R2)에 수신되는 제2 신호의 파형들을 도시한 시뮬레이션 결과들이다.
도 9a 내지 도 9f를 참조하면, 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)를 각각 0.7m, 0.85m, 1m, 1.15m, 1.3m로 하였을 때 제1 신호와 제2 신호의 시간차(Δt)는 각각 2.0ms, 2.8ms, 3.6ms, 4.4ms, 5.1ms 로 측정되었다.
도 10은 도 9a 내지 도 9f에 도시된 측정 결과들을 이용하여 계산된 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리들(d1)을 도시한 것이다. 도 10에는 도 9a 내지 도 9f에 도시된 제1 신호와 제2 신호의 시간차(Δt)를 전술한 (식 1)에 적용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)를 계산한 결과를 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 전술한 (식 1)에 의해 계산된 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)는 실제 거리인 1m와 대략 3% 이내의 오차를 가지고 측정되었다. 따라서, 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)가 비교적 정확하게 측정될 수 있음을 알 수 있다.
도 11 내지 도 13은 도 6에 도시된 예시적인 실시예예 따른 지향성 음향 센서(100)의 실제 실험 결과들을 도시한 것이다. 여기서, 실험은 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리를 1m로 고정한 상태에서 벽면(W)을 이동시켜 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)를 변화시키면서 진행하였다.
도 11은 실험을 위해 사용된 음원(SP)의 소리 파형을 도시한 것이다. 도 12a 내지 도 12e는 음원(SP)에서 도 11에 도시된 소리 파형이 발생되었을 때 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)의 변화에 따라 제1 공진 유닛(R1)에 직접 수신되는 제1 신호(S1)와 벽면(W)에 반사되어 제2 공진 유닛(R2)에 수신되는 제2 신호(S2)의 파형들을 도시한 실험 결과들이다.
도 12a 내지 도 12e를 참조하면, 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)를 각각 0.7m, 0.85m, 1m, 1.15m, 1.3m로 하였을 때 제1 신호(S1)와 제2 신호(S2)의 시간차(Δt)는 각각 2.0ms, 2.7ms, 3.4ms, 4.2ms, 4.0ms 로 측정되었다.
도 13은 도 12a 내지 도 12e에 도시된 측정 결과들을 이용하여 계산된 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리들(d1)을 도시한 것이다. 도 13에는 도 12a 내지 도 12e에 도시된 제1 신호(S1)와 제2 신호(S2)의 시간차(Δt)를 전술한 (식 1)에 적용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)를 계산한 결과를 도시한 것이다. 도 13을 참조하면, 전술한 (식 1)에 의해 계산된 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)는 실제 거리인 1m와 대략 10% 이내의 오차를 가지고 측정되었다. 한편, 도 13에서는 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)에 비해 음원(SP)과 벽면(W) 사이의 거리(d2)가 큰 경우에는 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1) 계산에서비교적 큰 오차가 있었으나, 이러한 오차는 하나의 벽면(W)만을 사용하여 실험한 결과로 나타난 것으로, 6개의 벽면 및 지향성 음향 센서(100)의 모든 공진 유닛(R1~R6)을 사용하게 되면 큰 오차가 발생됨이 없이 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리(d1)를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이상과 같이, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서는 서로 다른 방향으로 배치된 복수의 공진 유닛(R1 ~ R6)이 음원(SP)에서 발생된 소리가 지향성 음향 센서에 직접 도달하는 시간과 벽면에 반사되어 지향성 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 계산하고, 이렇게 계산된 시간차를 이용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(100) 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 14를 참조하면, 지향성 음향 센서(200)는 서로 다른 방향으로 배치되는 3개의 공진 유닛, 즉 제1, 제2 및 제3 공진 유닛(R1',R2',R3')을 포함한다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 공진 유닛(R1',R2',R3') 각각은 지향성을 가질 수 있으며, 이러한 제1, 제2 및 제3 공진 유닛(R1',R2',R3')은 서로 대해 소정 각도로 경사지게 배치되어 있다. 예를 들면, 제1, 제2 및 제3 공진 유닛(R1',R2',R3')은 서로에 대해 직각으로 배치될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 및 제3 공진 유닛(R1',R2',R3') 각각은 기판(211) 및 복수의 공진기(212)를 포함한다. 기판(211)에는 원형의 캐비티(215)가 관통하도록 형성되어 있으며, 복수의 공진기(212)는 기판(211)의 캐비티(115) 상에 방사상 형태로 배열될 수 있다. 이러한 공진기들(212) 각각은 일단부가 기판(211)에 고정되어 있으며, 캐비티(215) 쪽을 향하여 연장되도록 마련될 수 있다. 공진기들(212)은 예를 들면, 서로 다른 중심 주파수를 가지도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 공진기들(212)은 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다.
도 14에 도시된 지향성 음향 센서(200)에서 제1, 제2 및 제3 공진 유닛(R1',R2',R3') 중 일부는 음원(도 6의 SP)에서 발생된 소리를 직접 수신하게 되고, 다른 일부는 음원(SP)에서 발생되어 벽면(도 6의 W)에 반사되는 소리를 수신하게 된다. 그리고, 신호 처리부(미도시)가 지향성 음향 센서(200)에 직접 도달하는 소리와 벽면(W)에 반사되어 지향성 음향 센서(200)에 도달하는 소리의 시간차를 계산하고, 이러한 시간차를 이용하여 음원(SP)과 지향성 음향 센서(200) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 도 14에는 복수의 공진 유닛이 서로 다른 방향으로 배치되는 3개의 공진 유닛(R1',R2',R3')을 포함하는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 지향성 음향 센서(200)는 이외에도 다양한 개수의 공진 유닛을 포함할 수 있다.
한편, 이상에서는 지향성 음향 센서가 도 7에 도시된 형태의 공진 유닛들(R1~R6) 또는 도 14에 도시된 형태의 공진 유닛들(R1',R2',R3')을 포함하는 경우가 설명되었으나, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 지향성 음향 센서를 구성하는 공진 유닛들 각각의 형태는 다?沌構? 변형될 수 있다.
이상에서 살펴본 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서들에 의하면, 서로 다른 방향으로 배치된 복수의 공진 유닛이 음원에서 발생된 소리가 지향성 음향 센서에 직접 도달하는 시간과 벽면에 반사되어 지향성 음향 센서에 도달하는 시간의 차이를 계산하고, 이렇게 계산된 시간차를 이용하여 음원과 지향성 음향 센서 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서는 다양한 전자 기기에 활용할 수 있다. 예를 들면, 예시적인 실시예에 따른 지향성 음향 센서가 AI(Artificial Intelligence) 스피커에 채용되면 AI 스피커가 사용자의 위치를 파악함으로써 사용자의 음성 명령을 보다 정확하게 수행할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 위치에 마련되어 있는 조명을 켜거나 또는 소리가 발생되는 곳 위주로 감시 카메라 등을 동작시킬 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
10,100,200.. 지향성 음향 센서
11,111,211.. 기판
12,112,212.. 공진기
15,115,215.. 캐비티
16.. 고정부
17.. 감지부
18.. 가동부
19.. 질량체
150.. 신호 처리부
R1 ~ R6, R1'~ R3'.. 공진 유닛
SP.. 음원
W.. 벽면
P1.. 제1 경로
P2.. 제2 경로
S1.. 제1 신호
S2.. 제2 신호
11,111,211.. 기판
12,112,212.. 공진기
15,115,215.. 캐비티
16.. 고정부
17.. 감지부
18.. 가동부
19.. 질량체
150.. 신호 처리부
R1 ~ R6, R1'~ R3'.. 공진 유닛
SP.. 음원
W.. 벽면
P1.. 제1 경로
P2.. 제2 경로
S1.. 제1 신호
S2.. 제2 신호
Claims (16)
- 서로 다른 방향으로 배치되는 복수의 공진 유닛; 및
음원으로부터 발생되어 상기 공진 유닛들에 의해 수신되는 신호들 중 직접 수신되는 제1 신호와 상기 음원 주위의 벽면에 반사되어 수신되는 제2 신호의 시간차를 계산하여 상기 음원과의 거리를 측정하는 신호 처리부;를 포함하는 지향성 음향 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 공진 유닛은 상기 제1 신호를 수신하는 제1 공진 유닛과 상기 제2 신호를 수신하는 제2 공진 유닛을 포함하는 지향성 음향 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 음원과 상기 벽면 사이의 거리(d2)는 상기 지향성 음향 센서에서 발생된 소리가 상기 벽면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 계산되는 지향성 음향 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 시간차(Δt)는 상기 제1 신호가 상기 제1 공진 유닛에 도달하는 시간과 상기 제2 신호가 상기 제2 공진 유닛에 도달하는 시간의 차이를 측정함으로써 계산되는 지향성 음향 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 공진 유닛은, 캐비티가 각각 관통 형성된 복수의 기판; 및 상기 복수의 기판 각각에 마련되는 적어도 하나의 공진기;를 포함하는 지향성 음향 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 복수의 기판은 서로 다른 방향으로 배치되는 지향성 음향 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공진기는 서로 나란하게 배열되는 복수의 공진기 또는 방사상으로 배열되는 복수의 공진기를 포함하는 지향성 음향 센서. - 서로 다른 방향으로 배치되는 복수의 공진 유닛을 포함하는 지향성 음향 센서를 이용하여 음원과의 거리를 측정하는 방법에 있어서,
상기 음원으로부터 발생되어 상기 공진 유닛들에 의해 수신되는 신호들 중 직접 수신되는 제1 신호와 상기 음원 주위의 벽면에 반사되어 수신되는 제2 신호의 시간차를 계산하여 상기 음원과의 거리를 측정하는 음원 거리 측정방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 복수의 공진 유닛은 상기 제1 신호를 수신하는 제1 공진 유닛과 상기 제2 신호를 수신하는 제2 공진 유닛을 포함하는 음원 거리 측정방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 음원과 상기 벽면 사이의 거리(d2)는 상기 지향성 음향 센서에서 발생된 소리가 상기 벽면에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 계산되는 음원 거리 측정방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 시간차(Δt)는 상기 제1 신호가 상기 제1 공진 유닛에 도달하는 시간과 상기 제2 신호가 상기 제2 공진 유닛에 도달하는 시간의 차이를 측정함으로써 계산되는 음원 거리 측정방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 복수의 공진 유닛은, 캐비티가 각각 관통 형성된 복수의 기판; 및 상기 복수의 기판 각각에 마련되는 적어도 하나의 공진기;를 포함하는 음원 거리 측정방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 복수의 기판은 서로 다른 방향으로 배치되는 음원 거리 측정방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공진기는 서로 나란하게 배열되는 복수의 공진기 또는 방사상으로 배열되는 복수의 공진기를 포함하는 음원 거리 측정방법.
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