KR20230092421A - 부분 상관 함수 기반의 소음 제어를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

부분 상관 함수 기반의 소음 제어를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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김동민
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Abstract

본 개시는 부분 상관 함수 기반의 소음 제어 장치 및 방법을 제공한다. 본 개시의 일 측면에 의하면, 부분 상관 함수를 이용하여, 센서로부터 획득한 참조 신호와 소음 신호 간 상관관계를 획득하고, 상관관계에 기초하여 센서별 기여도를 획득하고, 센서별 기여도를 기초로 후보 참조 센서를 결정하여 소음 제어 신호를 생성하는, 부분 상관 함수 기반의 소음 제어 장치 및 방법을 제공한다.

Description

부분 상관 함수 기반의 소음 제어를 위한 장치 및 방법 {Method And Apparatus for Noise Canceling Based on Partial Correlation Function}
본 개시는 부분 상관 함수 기반의 소음 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
차량이 주행하는 동안 공기나 차량 구조 등에 의해 다양한 소음이 발생한다. 예컨대, 차량의 엔진에 의해 발생하는 소음, 차량과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 소음, 현가 장치를 통해 전달되는 진동, 바람에 의해 발생하는 풍절음 등이 차량내 객실로 유입될 수 있다.
이러한 차량 소음을 저감하기 위한 방법으로, 차량 내부에 소음을 흡수하는 흡음재를 설치하는 수동 소음 제어 방법과, 소음의 위상과 반대하는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 이용하는 능동 소음 제어(Active Noise Control, ANC) 방법이 있다.
수동 소음 제어 방법은, 주행으로 발생하는 다양한 소음들을 적응적으로 제거하는 데 한계가 있다. 그에 따라, 능동 소음 제어 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 적절한 소음 제어 신호를 선정하기 위한 방안이 고안되고 있다.
능동 소음 제어의 성능은 소음 제어 신호로 이용되는 참조 신호와 제어 대상 신호 간의 상관성이 높을수록 우수하다. 소음 제어를 원하는 위치, 제어를 원하는 소음의 종류, 소음을 발생시키는 진동 특성 등에 따라 적절한 참조 신호와 그의 조합은 달라질 수 있다. 그에 따라, 소음 제어 시스템은 다양한 소음원의 종류 및 소음의 발생 위치를 고려한 참조 신호 후보군으로부터 최적의 참조 신호 및 복수의 신호 조합을 선정하여야 한다.
현재는 단일상관계수 또는 다중상관계수만을 이용하여 참조 신호를 선정하여, 소음 제어 성능을 보장하지 못하고, 참조 신호의 선정에 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다. 예컨대, 현재의 소음 제어 시스템은 적절한 참조 신호를 선정하더라도 차량 내 배치되는 소음 제어 수단(예: 에러 마이크, 스피커 등)의 설치 위치나 설치 개수 등에 따라 소음 제어의 실제적 효과가 달라지는, 소음 제어의 신뢰성을 보장하지 못하는 문제가 있다. 또한, 참조 신호의 선정은 이론상, 소음의 발생부터 차량 탑승자의 귀에 전달되기까지의 시간 내에 이루어져야 한다. 그러나 현재의 참조 신호 선정은 알고리즘의 유형과 사용되는 파라미터, 차량에 탑재된 하드웨어의 컴퓨팅 성능 등 다양한 인자의 영향을 받아 이루어진다. 그에 따라, 소음 제어가 요구되는 시간 내에의 참조 신호 선정이 보장되기 어렵다.
본 개시는 차량에 배열된 복수의 센서 중에서 소음 제어 신호를 생성하기 위한 후보 참조 센서들을 효율적으로 결정하는 기법을 제시한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
소음 제어 장치는 차량에 배열된 복수의 센서 중에서 소음 제어 신호를 생성하기 위한 후보 참조 센서들을 결정한다. 이로써 소음 제어 장치는 결정된 후보 참조 센서들의 조합별 최적 필터를 종래 대비 적은 시간 내에 연산할 수 있어, 소음 제어 신호를 신속하게 생성할 수 있다.
구체적으로, 소음 제어 장치는 차량에 배열된 복수의 센서들 각각으로부터 노면으로부터 유입되는 진동을 감지한 참조 신호들을 획득한다. 또한 소음 제어 장치는 승객의 착석 위치를 타겟 구역으로 하여, 타겟 구역에 위치에 센서(들)로부터 소음 신호(들)을 획득한다. 소음 제어 장치는 입력 신호가 여러 개일 때 각 신호 간 간섭(inference)을 배제하는 선처리가 된 신호(conditioned input)와 출력 신호(소음 신호) 간의 상관관계를 나타내는 부분 상관 함수를 이용한다. 소음 제어 장치는 부분 상관 함수에 획득된 참조 센서와 소음 신호를 입력하여 양자 간의 부분 상관함수 값을 연산한다. 소음 제어 장치는 부분 상관함수 값을 기초로 복수의 센서 각각과 소음 간의 상관성 정보량을 나타내는 정보 행렬(information matrix)을 산출한다. 정보 행렬은 피셔 정보 행렬(Fisher Information Matrix, FIM, Q0)을 이용하여 구성될 수 있다.
소음 제어 장치는 정보 행렬의 고유값을 분석하여, 센서별 고유값을 산출한다. 소음 제어 장치는 센서별 고유값에 따라 센서별 기여도를 산출하여, 기여도가 높은 순서대로 후보 참조 센서들을 필요한 개수만큼 결정한다. 소음 제어 장치는 후보 참조 센서들의 조합별 최적 필터를 연산한다. 소음 제어 장치는 연산된 최적 필터 결과를 기준으로, 가장 최적의 센서 조합을 결정한다. 소음 제어 장치는 최적의 센서 조합의 센서 각각으로부터 참조 신호들을 획득하여 소음 제어 신호를 생성한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 차량의 소음 제어 방법에 있어서, 상기 차량에 배열된 복수의 센서로부터, 노면으로부터 유입되는 진동을 감지한 참조 신호를 각각 획득하고, 상기 차량의 객실내 타겟 구역에 위치한 마이크로폰으로부터 실내 소음을 나타내는 소음 신호를 획득하는 단계; 상기 복수의 센서 각각에 대해 상기 참조 신호와 상기 소음 신호 간의 부분 상관함수 값을 각각 연산하는 단계; 상기 부분 상관함수 값에 기초하여 상기 복수의 센서에 대해, 소음에 대한 센서별 기여도를 산출하는 단계; 상기 센서별 기여도를 기준으로, 상기 복수의 센서 중에서 후보 참조 센서의 리스트를 결정하는 단계; 및 상기 리스트에 포함된 하나 이상의 후보 참조 센서로부터 각각 획득되는 참조 신호를 기초로 상기 타겟 구역을 위한 소음 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는 소음 제어 방법을 제공한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 전술한 소음 제어 방법은, 상기 소음 신호를 획득하는 단계 이전에, 상기 차량의 승객 착석 배치를 탐지하고, 상기 승객 착석 배치를 기초로 상기 타겟 구역을 획득하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 전술한 소음 제어 방법은, 상기 리스트를 결정하는 단계 이후에, 상기 리스트에 포함된 후보 참조 센서들의 조합별 최적 필터를 획득하고, 상기 최적 필터를 기준으로 특정 조합에 포함된 후보 참조 센서들을 최종 참조 센서로서 결정하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 상기 소음 제어 신호는 상기 최종 참조 센서들로부터 획득된 참조 신호들을 이용하여 생성된다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 차량의 소음 제어 장치를 제공한다. 소음 제어 장치는, 상기 차량에 배열된 복수의 센서 각각으로부터 획득되는, 노면으로부터 유입되는 진동을 감지한 참조 신호, 및 상기 차량의 객실내 타겟 구역에 위치한 마이크로폰으로부터 획득되는 실내 소음을 나타내는 소음 신호를, 부분 상관 함수의 입력으로 하여, 상기 복수의 센서 각각에 대하여 부분 상관함수 값을 산출하는 부분상관함수 연산부를 포함한다. 소음 제어 장치는 상기 부분 상관함수 값에 기초하여 상기 복수의 센서 각각에 대해, 소음에 대한 센서별 기여도를 산출하는 고유값 연산부, 및 상기 센서별 기여도를 기준으로 상기 복수의 센서 중에서 후보 참조 센서들의 리스트에 추가될 후보 참조 센서들을 결정하는 후보센서 결정부를 더 포함한다. 소음 제어 장치는 상기 리스트에 포함된 하나 이상의 후보 참조 센서로부터 각각 획득되는 참조 신호를 기초로 상기 타겟 구역을 위한 소음 제어 신호를 생성하는 소음제어신호 생성부를 포함한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 부분 상관 함수를 이용하여 각 센서의 참조 신호 간 간섭을 배제하고, 이를 기초로 각 센서의 고유값을 산출하여 후보 참조 센서를 결정함으로써, 정확한 상관성과 센서의 소음 제어 기여도가 반영된 최적의 후보 참조 센서를 선정할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 차량의 승객 착석 배치를 탐지하고, 탐지 결과를 고려하여 부분 상관 함수를 연산함으로써, 착석 현황에 기초한 능동 소음 제어가 가능하다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 후보 참조 센서를 특정한 이후에 후보 참조 센서의 조합별로 최적 필터를 획득함으로써, 최적 필터의 연산 시간을 단축시키고 소음 제어에 이용하기 위한 참조 센서를 신속히 결정할 수 있다.
이로써, 본 개시의 다양한 측면에 따른 소음 제어 방법 및 장치는, 변화하는 목적에 맞추어 다수의 참조 신호 중 최고의 성능을 보장하는 최적의 참조 신호 조합을 획득하여 소음 제어 신호를 신속하게 도출할 수 있다.
본 개시의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 차량의 구성요소들을 나타내는 구성도다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 차량의 능동 소음 제어를 위한 구성요소들을 나타내는 블록구성도다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 제어 장치를 나타내는 블록구성도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 열람부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 개시의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 개시가 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
이하에서의 소음은 로드 노이즈(road noise)를 전제로 설명한다. 로드 노이즈란, 차량의 주행으로 타이어에 발생하는 진동이 차량 서스펜션 구조물을 따라 전달되어 차체에 전달되어 발생하는 차량 실내 소음이다. 그러나 이는 이는 예시적인 것으로, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 후보 참조 센서 기반의 소음 제어 장치 및 방법이 적용되는 대상 소음이 로드 노이즈에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 차량의 구성요소들을 나타내는 구성도다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 차량(10)은 차륜(100), 현가 장치(110), 가속도계(accelerometers, 120), 마이크로폰(130), 제어기(140), 스피커(150) 및 차축(160)의 전부 또는 일부를 포함한다. 도 1에서 복수의 구성요소들의 개수와 배치된 위치는 일 실시예에 해당하며, 다른 실시예에서는 일부 구성이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있으며, 일부 또는 전체 구성요소들의 개수와 위치 또한 달라질 수 있다.
차량(10)은 주행에 필요한 부속품들이 장착되는 차대(chassis), 및 능동 소음 제어를 수행하는 오디오 시스템을 포함한다.
차량(10)의 차대는 차량(10)의 전방의 좌우에 각각 배치된 전륜들과, 차량(10)의 후방의 좌우에 각각 배치된 후륜들을 포함한다. 차량(10)의 차대는 동력 전달 수단으로서 차축(160)을 더 포함한다. 또한, 차량(10)의 차대는 현가 장치(110)를 포함한다. 이 외에, 차량(10)은 동력 장치, 조향 장치 또는 제동 장치 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
현가 장치(110)는 차량(10)의 진동 또는 충격을 완화시키는 장치이다. 구체적으로, 차량(10)이 주행하는 동안 노면에 의한 진동이 차량(10)에 가해진다. 현가 장치(110)는 스프링, 에어 서스펜션(air suspension) 등을 이용하여 차량(10)에 가해지는 진동을 완화시킨다. 현가 장치(110)는 충격 완화를 통해 차량(10)에 탑승한 탑승자의 승차감을 개선할 수 있다.
하지만, 현가 장치(110)에 의해 차량(10)의 실내에 소음이 발생할 수 있다. 구체적으로, 현가 장치(110)는 차량(10)에 가해지는 큰 진동을 완화할 수는 있지만, 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 미세한 진동을 제거하기는 어렵다. 이러한 미세한 진동은 현가 장치(110)를 통해 차량(10)의 실내에 소음을 발생시킨다.
나아가, 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 소음, 동력 장치인 엔진에 의해 발생하는 소음 또는 바람에 의해 발생하는 풍절음 등이 차량(10)의 실내로 유입될 수 있다.
차량(10)의 내부 소음을 제거하기 위해, 차량(10)은 오디오 시스템을 포함할 수 있다.
차량(10)의 오디오 시스템은 차량(10)의 진동으로부터 내부 소음을 예측하고, 차량(10)의 내부 소음에 대한 소음 신호의 진폭과 동일한 진폭을 가지되, 소음 신호의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 이용하여 차량(10)의 내부 소음을 제거할 수 있다.
이를 위해, 오디오 시스템은 가속도계(120), 마이크로폰(130), 제어기(140) 및 스피커(150)를 포함한다. 오디오 시스템은 앰프(amplifier, AMP)를 더 포함할 수 있다.
가속도계(120)는 차량(10)의 가속 또는 진동을 측정하고, 가속 신호를 나타내는 참조 신호를 제어기(140)에게 전송한다. 참조 신호는 소음 제어 신호를 생성하는 데 이용된다.
가속도계(120)는 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 진동을 측정할 수 있다. 이를 위해, 가속도계(120)는 현가 장치(110)에 배치되거나, 차륜(100)과 차축(160)을 연결하는 연결기구에 배치될 수 있다.
가속도계(120)는 아날로그 신호인 참조 신호를 제어기(140)에게 전송한다. 그렇지 않으면, 가속도계(120)는 참조 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 제어기(140)에 전송할 수 있다.
오디오 시스템은 차량(10)의 진동을 측정하기 위해 가속도 센서 대신 자이로 센서, 모션 센서, 변위 센서 또는 토크 센서 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 즉, 오디오 시스템은 센싱부를 포함하고, 센싱부는 가속도 센서, 자이로 센서, 모션 센서, 변위 센서 또는 토크 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
마이크로폰(130)은 차량(10) 내 소리를 감지하고, 소리 신호를 제어기(140)에게 전송한다. 예를 들면, 마이크로폰(130)은 차량(10) 내 소음을 감지하고, 소음 신호를 제어기(140)에게 전송할 수 있다.
구체적으로, 마이크로폰(130)은 사람의 가청 주파수 대역인 약 20 내지 20 kHz의 음압을 측정할 수 있다. 마이크로폰(130)의 감청 주파수의 범위는 더 좁아지거나 넓어질 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로폰(130)은 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 내부 소음을 측정할 수 있다.
차량(10)의 내부로 소음 제어 신호가 출력되는 경우, 마이크로폰(130)은 소음 제어 신호에 의해 차량(10)의 내부 소음이 제거된 환경에서 차량(10)의 실내에 잔존하는 소음 신호를 측정할 수 있다. 잔존하는 신호를 오차 신호 또는 잔여 신호라 한다. 오차 신호는 차량(10) 내 소음이 정상적으로 감소되거나 제거되었는지 판단하기 위한 정보로 이용될 수 있다.
차량(10)의 내부로 오디오 신호가 출력되는 경우, 마이크로폰(130)은 오차 신호와 오디오 신호를 함께 측정할 수 있다.
마이크로폰(130)은 좌석의 헤드레스트, 차량(10)의 천장 또는 내벽에 배치될 수 있다. 마이크로폰(130)은 복수의 위치에 배치될 수 있으며, 마이크로폰 어레이(array) 형태로 배치될 수도 있다.
마이크로폰(130)은 전기적 콘덴서형 센서로 구현될 수 있다. 소음을 집중적으로 측정하기 위해, 마이크로폰(130)은 지향성 마이크로폰으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 마이크로폰(130)은 제어기(140)에 의해 탑승자의 귀 위치에 생성되는 가상 마이크로폰으로 동작할 수 있다.
제어기(140)는 가속도계(120)의 참조 신호에 기초하여 차량의 내부 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호를 생성한다. 차량(10)의 내부에 소음 제어 신호가 출력되는 경우, 제어기(140)는 참조 신호와 함께 마이크로폰(130)에 의해 측정된 오차 신호를 이용하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 소음 제어 신호가 출력되고 있지 않은 상황에서, 제어기(140)는 가속도계(120)의 참조 신호에 기초하여 차량(10)의 내부 소음 신호의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 생성한다. 제어기(140)는 스피커(150)를 통해 소음 제어 신호를 차량(10)의 내부에 출력한다. 제어기(140)는 소음 신호와 소음 제어 신호 간 오차를 나타내는 오차 신호를 마이크로폰(130)을 통해 피드백 받는다. 제어기(140)는 참조 신호와 오차 신호에 기초하여 다시 소음 제어 신호를 생성하고, 소음 제어 신호를 스피커(150)를 통해 출력한다.
이처럼, 제어기(140)는 차량(10)의 내부 소음에 대한 소음 신호의 진폭과 동일한 진폭을 가지되, 소음 신호의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어기(140)는 아날로그 신호인 참조 신호와 소음 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호로부터 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어기(140)는 소음 제어 신호를 앰프에게 전송한다.
앰프는 제어기(140)로부터 소음 제어 신호를 수신하고, AVN(Audio, Video, Navigation) 장치로부터 오디오 신호를 수신한다.
앰프는 소음 제어 신호와 오디오 신호를 믹싱하고, 믹싱된 신호를 스피커를 통해 출력할 수 있다. 또한, 앰프는 증폭기들을 이용하여 믹싱된 신호의 진폭을 조절할 수 있다. 증폭기들은 믹싱된 신호의 전력을 증폭하기 위한 진공관 또는 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.
앰프는 믹싱된 신호를 스피커(150)에게 전송한다.
스피커(150)는 전기적 신호인 믹싱된 신호를 앰프로부터 수신하고, 차량(10)의 내부에 믹싱된 신호를 음파 형태로 출력한다. 차량(10)의 내부에서 소음은 믹싱된 신호의 출력에 의해 감소하거나 제거될 수 있다.
스피커(150)는 차량(10)의 내부에서 복수의 위치에 배치될 수 있다.
스피커(150)는 믹싱된 신호를 필요에 따라 특정 탑승자에게만 출력할 수 있다. 구체적으로, 스피커(150)는 복수의 위치에서 믹싱된 신호들의 위상을 달리 출력함으로써, 특정 탑승자의 귀 위치에서 보강 간섭을 일으킬 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 차량의 능동 소음 제어를 위한 구성요소들을 나타내는 블록구성도다.
도 2를 참조하면, 차량의 오디오 시스템은 센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)를 포함한다. 도 2에서 센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)는 도 1을 참조하여 설명한 가속도계(120), 마이크로폰(130), 제어기(140), AVN 장치, 앰프 및 스피커(150)에 각각 대응될 수 있다.
센서(200)는 차량의 가속 신호를 참조 신호로 측정한다. 센서(200)는 가속도 센서, 자이로 센서, 모션 센서, 변위 센서 또는 토크 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
마이크로폰(210)은 차량 내 소음 신호를 측정한다. 차량 내부에 소음 제어 신호가 출력되고 있는 경우, 마이크로폰(210)은 오차 신호를 측정할 수 있다. 차량 내부에 오디오 신호가 출력되고 있는 경우, 마이크로폰(130)은 오차 신호와 오디오 신호를 함께 측정할 수 있다.
제어기(220)는 참조 신호에 따라 소음 제어 신호를 생성한다. 소음 제어 신호는 차량의 내부 소음의 크기와 같은 크기를 가지되, 내부 소음의 위상에 반대되는 위상을 가지는 신호이다. 소음 제어 신호가 출력되고 있는 경우, 제어기(220)는 참조 신호 및 오차 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 오디오 신호가 출력되고 있는 경우, 제어기(220)는 마이크로폰(210)에 의해 측정된 음향 신호로부터 오차 신호를 추출하고, 참조 신호 및 오차 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어기(220)는 AVN 장치(230)의 오디오 기능의 동작 여부와 무관하게 독립적으로 소음 제어 신호가 출력되도록 할 수 있다. 즉, 제어기(220)는 차량의 주행 상황에서 상시 동작할 수 있다. 제어기(220)는 AVN 장치(230)의 오디오 기능의 온 동작 시, 소음 제어 신호와 오디오 신호가 함께 출력되도록 할 수 있다. 제어기(220)는 AVN 장치(230)의 오디오 기능의 오프 동작 시, 소음 제어 신호만 출력되도록 할 수 있다.
제어기(220)는 오디오 시스템의 다른 구성요소들과 A2B(Automotive Audio Bus) 인터페이스를 통해 연결될 수 있다.
한편, AVN 장치(230)는 차량에 설치되어 탑승자의 요청에 따라 오디오, 비디오 및 내비게이션 프로그램을 실행한다.
구체적으로, AVN 장치(230)는 오디오 신호 송신부(231)를 이용하여 오디오 신호를 앰프(240)에게 전송할 수 있다. 앰프(240)에 전송된 오디오 신호는 스피커(250)를 통해 차량의 내부로 출력된다. 예를 들면, AVN 장치(230)는 탑승자의 제어에 따라 음악에 관한 오디오 신호를 앰프(240)에게 전송하면, 앰프(240) 및 스피커(250)는 오디오 신호에 따라 음악을 재생할 수 있다. 또한, AVN 장치(230)는 디스플레이와 같은 비디오 출력 장치를 이용하여 차량의 주행 정보, 도로 정보, 또는 내비게이션 정보 등을 탑승자에게 제공할 수 있다.
AVN 장치(230)는 3G(Generation), LTE(Long Term Evolution), 5G 등의 이동 통신 규격을 지원하는 통신망을 이용하여 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. AVN 장치(230)는 통신을 통해 주변 차량의 정보, 인프라 정보, 도로 정보, 교통 정보 등을 수신할 수 있다.
앰프(240)는 소음 제어 신호와 오디오 신호를 믹싱하고, 믹싱된 신호를 가공하며, 가공된 신호를 스피커(250)를 통해 출력한다. 앰프(240)는 소음 제어 신호를 가공하거나 오디오 신호를 가공한 후 믹싱을 수행할 수도 있다.
앰프(240)는 소음 제어 신호의 특성, 오디오 신호의 특성, 또는 스피커(250)의 특성 등을 고려하여 믹싱된 신호에 대해 적절한 처리를 수행할 수 있다. 예를 들면, 앰프(240)는 믹싱된 신호의 크기를 조절할 수 있다. 이를 위해, 앰프(240)는 적어도 하나의 증폭기를 포함할 수 있다.
앰프(240)는 가공된 신호를 제어기(220)에게 피드백할 수 있다. 제어기(220)는 가공된 신호를 이용하여 차량 내 다양한 소리 중 오차 신호만 제거하기 위한 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
스피커(250)는 앰프(240)로부터 가공된 신호를 수신하고, 가공된 신호를 차량의 내부로 출력한다. 스피커(250)의 출력에 의해 차량의 내부 소음이 제거되거나 감쇠될 수 있다. 자세한 설명은 후술한다.
센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)는 도 1에서 설명한 가속도계(120), 마이크로폰(130), 제어기(140), AVN 장치, 앰프 및 스피커(150) 각각에 대응될 수 있다.
한편, 차량의 오디오 시스템은 구성요소들의 고장 여부를 진단할 수 있다. 예를 들면, 오디오 시스템은 구성요소들의 이상 신호를 감지하거나, 제어기(220)의 고장이 발생하거나, 센서(200)의 고장이 발생한 것을 판단할 수 있다.
이하에서는, 제어기(220) 및 앰프(240)의 구성요소들을 상세히 설명한다.
제어기(220)는 제1 필터부(221), 제1 ADC(Analog-Digital Converter) 변환부(222), 제2 필터부(223), 제2 ADC 변환부(224), 제어신호 생성부(225) 또는 제어신호 송신부(226) 중 적어도 하나를 포함한다. 제어기(220)는 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor, DSP)로 구현될 수 있다.
제1 필터부(221)는 센서(200)의 참조 신호에 대해 필터링을 수행한다. 제1 필터부(221)는 참조 신호의 주파수 대역 중 특정 대역의 신호를 필터링할 수 있다. 예를 들면, 차량 내 주요 소음원인 저주파 대역의 참조 신호를 필터링하기 위해, 제1 필터부(221)는 참조 신호에 저역통과필터(low pass filter)를 적용할 수 있다. 이 외에도, 제1 필터부(221)는 참조 신호에 고역역통과필터(high pass filter)를 적용할 수도 있다.
제1 ADC 변환부(222)는 아날로그 신호인 참조 신호를 디지털 신호로 변환한다. 구체적으로, 제1 ADC 변환부(222)는 제1 필터부(221)에 의해 필터링된 참조 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 제1 ADC 변환부(222)는 참조 신호에 대해 샘플링(sampling)을 수행할 수 있다. 예를 들면, 제1 ADC 변환부(222)는 참조 신호를 2 kHz의 샘플링 비율로 샘플링할 수 있다. 다시 말하면, 제1 ADC 변환부(222)는 소음 제어 신호에 다운 샘플링을 적용할 수 있다. 제1 ADC 변환부(222)는 참조 신호를 적절한 샘플링 비율로 샘플링함으로써, 아날로그 신호인 참조 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
제2 필터부(223)는 마이크로폰(210)의 소음 신호 또는 오차 신호에 대해 필터링을 수행한다. 제2 필터부(223)는 소음 신호 또는 오차 신호의 주파수 대역 중 특정 대역의 신호를 필터링할 수 있다. 예를 들면, 저주파 대역의 오차 신호를 필터링하기 위해, 제2 필터부(223)는 오차 신호에 저역통과필터를 적용할 수 있다. 이 외에도, 제2 필터부(223)는 오차 신호에 고역통과필터 또는 노치 필터(notch filter)를 적용할 수도 있다.
제2 ADC 변환부(224)는 아날로그 신호인 소음 신호 또는 오차 신호를 디지털 신호로 변환한다. 구체적으로, 제2 ADC 변환부(224)는 제2 필터부(223)에 의해 필터링된 소음 신호 또는 오차 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 제2 ADC 변환부(224)는 오차 신호에 대해 샘플링(sampling)을 수행할 수 있다. 예를 들면, 제2 ADC 변환부(224)는 오차 신호를 2 kHz의 샘플링 비율로 샘플링할 수 있다. 다시 말하면, 제2 ADC 변환부(224)는 오차 신호에 다운 샘플링을 적용할 수 있다. 제2 ADC 변환부(224)는 오차 신호를 적절한 샘플링 비율로 샘플링함으로써, 아날로그 신호인 오차 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이후, 디지털 신호로 변환된 오차 신호는 고역통과필터에 의해 필터링될 수 있다.
제어신호 생성부(225)는 디지털 신호로 변환된 참조 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성한다. 제어신호 생성부(225)는 디지털 신호로 변환된 오차 신호에 더 기초하여, 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어신호 생성부(225)는 앰프(240)에 의해 가공된 신호를 피드백 받고, 앰프(240)의 가공된 신호를 고려하여 오디오 신호의 출력에 영향을 주지 않는 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 마이크로폰(210)은 오차 신호와 오디오 신호를 함께 측정할 수 있다. 이때, 제어신호 생성부(225)는 앰프(240)의 가공된 신호를 이용하여 오차 신호를 추출하고, 추출된 오차 신호와 참조 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 생성된 소음 제어 신호는 차량 내 소음을 제거하되, 오디오 신호를 감쇠시키지 않는다.
제어신호 생성부(225)가 소음 제어 신호를 생성하는 방식은 도 3 및 도 4의 소음 제어 장치 및 소음 제어 방법을 서술하는 과정에서 구체적으로 후술한다.
제어신호 송신부(226)는 제어신호 생성부(225)에 의해 생성된 소음 제어 신호를 앰프(240)에게 전송한다.
앰프(240)는 제어 버퍼(241), 전처리부(242), 제1 감쇠부(243), 오디오 버퍼(244), 이퀄라이저(Equalizer, 245), 연산부(246), 제2 감쇠부(247), 후처리부(248), 또는 DAC(Digital-Analog Converter) 변환부(249) 중 적어도 하나를 포함한다. 앰프(240)는 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서를 이용하여 구현될 수 있다.
제어 버퍼(241)는 제어기(220)로부터 수신한 소음 제어 신호를 임시로 저장한다. 제어 버퍼(241)는 소음 제어 신호의 누적 횟수가 소정의 조건을 만족한 경우, 소음 제어 신호를 전송할 수 있다. 그렇지 않으면, 제어 버퍼(241)는 소음 제어 신호를 저장하고, 일정한 시간 간격마다 소음 제어 신호를 전송할 수 있다. 제어 버퍼(241)는 소음 제어 신호를 전처리부(242) 및 연산부(246)로 전달한다.
전처리부(242)는 제어 버퍼(241)로부터 수신한 소음 제어 신호에 대해 업 샘플링(up-sampling) 또는 필터링을 적용한다. 예를 들면, 전처리부(242)는 소음 제어 신호의 샘플링 비율을 48 kHz로 업 샘플링할 수 있다. 전처리부(242)는 업 샘플링을 통해 소음 제어 신호의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제어기(220)으로부터 수신한 소음 제어 신호에 노이즈가 포함된 경우, 전처리부(242)는 주파수 필터링을 통해 소음 제어 신호의 노이즈를 제거할 수 있다. 전처리부(242)는 전처리된 소음 제어 신호를 제1 감쇠부(243)에게 전송한다.
오디오 버퍼(244)는 AVN 장치(230)로부터 수신한 오디오 신호를 임시로 저장한다. 오디오 버퍼(244)는 오디오 신호의 누적 횟수가 소정의 조건을 만족한 경우, 오디오 신호를 전송할 수 있다. 그렇지 않으면, 오디오 버퍼(244)는 오디오 신호를 저장하고, 일정한 시간 간격마다 오디오 신호를 전송할 수 있다. 오디오 버퍼(244)는 오디오 신호를 이퀄라이저(245)로 전달한다.
이퀄라이저(245)는 오디오 신호를 주파수 대역별로 조절한다. 구체적으로, 이퀄라이저(245)는 오디오 신호의 주파수 대역을 복수의 주파수 대역으로 나누고, 각 주파수 대역에 대응하는 오디오 신호들의 진폭 또는 위상을 조절할 수 있다. 예를 들면, 이퀄라이저(245)는 저주파 대역의 오디오 신호를 강조하고, 고주파 대역의 오디오 신호를 약하게 조절할 수 있다. 이퀄라이저(245)는 탑승자의 제어에 따라 오디오 신호를 조절할 수 있다. 이퀄라이저(245)는 조절된 오디오 신호를 연산부(246)에게 전송한다.
연산부(246)는 제어 버퍼(241)로부터 수신한 소음 제어 신호와 이퀄라이저(245)로부터 수신한 오디오 신호에 기초하여 제어 파라미터를 계산한다.
연산부(246)는 소음 제어 신호와 오디오 신호 간 관계, 스피커(250)의 특성, 소음 신호의 특성 또는 오차 신호의 특성 등을 기반으로 제어 파라미터들을 계산할 수 있다.
제어 파라미터들은 소음 제어 신호에 대한 제1 감쇠 계수 또는 오디오 신호에 대한 제2 감쇠 계수를 포함할 수 있다. 또한, 제어 파라미터들은 소음 제어 신호의 범위 또는 오디오 신호의 범위에 대한 경계값들을 포함할 수 있다. 이 외에도, 제어 파라미터들은 능동 소음 제어를 위한 다양한 파라미터 값들을 포함할 수 있다.
제1 감쇠부(243)는 연산부(246)에 의해 계산된 제1 감쇠 계수를 소음 제어 신호에 적용하고, 감쇠된 소음 제어 신호를 후처리부(248)에게 전송한다. 연산부(246)에 의해 제1 감쇠 계수가 계산되지 않은 경우, 제1 감쇠부(243)는 소음 제어 신호를 통과시킨다.
제2 감쇠부(247)는 연산부(246)에 의해 계산된 제2 감쇠 계수를 오디오 신호에 적용하고, 감쇠된 오디오 신호를 후처리부(248)에게 전송한다. 연산부(246)에 의해 제2 감쇠 계수가 계산되지 않은 경우, 제2 감쇠부(247)는 오디오 신호를 통과시킨다.
소음 제어 신호와 오디오 신호는 후처리부(248)로 전송되는 과정에서 믹싱된다. 즉, 믹싱된 신호가 후처리부(248)에 입력된다.
후처리부(248)는 믹싱된 신호에 대해 선형화(linearization) 또는 안정화(stabilization) 중 적어도 하나를 수행한다. 여기서, 선형화 및 안정화는 스피커(250)의 믹싱된 신호와 변위(displacement) 제한에 기초하여, 믹싱된 신호를 후처리하는 것이다.
DAC 변환부(249)는 디지털 신호인 후처리된 신호를 아날로그 신호인 출력 신호로 변환한다. DAC 변환부(249)는 출력 신호를 스피커(250)로 전송한다.
스피커(250)는 DAC 변환부(249)로부터 수신한 출력 신호를 음파 형태로 출력한다. 스피커(250)는 차량 내부로 출력 신호를 출력할 수 있다. 출력 신호는 차량 내부 소음을 제거하되, 오디오 신호에 따른 오디오를 차량의 내부로 출력할 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
소음 제어 장치는 차량 내 승객의 착석 배치를 탐지한다(S300). S300 단계는 승객이 착석한 위치를 고려하여 특정 타겟 구역에의 소음 제어를 수행하기 위함이다. 예컨대, 승객이 전좌석에 착석한 경우 소음 제어 장치는 전좌석에 균일한 수준으로 소음 제어를 수행할 수 있다. 승객이 일부 좌석에만 착석한 경우 소음 제어 장치는 해당 좌석에는 최적 수준으로 소음 제어를 수행할 수 있다.
소음 제어 장치는 S300 단계의 탐지 결과를 고려하여, 소음 제어를 위한 이전 설정 유지 여부를 결정한다(S310). 이전 설정이란, 참조 신호를 획득할 후보 참조 센서 또는 그 조합에 관한 설정일 수 있으나, 이에 한하지 않고 능동 소음 제어에 이용되는 다양한 파라미터에 관한 설정들을 포함할 수 있다. 즉, 이전 설정 유지 여부의 판단은, 이전에 사용된 참조 센서의 이용 여부의 결정을 의미할 수 있으나, 이에 한하지 않는다. 예컨대, 소음 제어 장치는 이전 소음 제어에서와 동일한 위치에 승객이 착석하는 경우, 이전 주행과 유사한 환경에서 주행하는 등의 경우에 이전 설정을 유지하도록 결정할 수 있다.
S310 단계에서 이전 설정을 유지하는 것으로 결정하는 경우, 소음 제어 장치는 이전에 설정된 참조 센서들을 최종 참조 센서로 하여, 최종 참조 신호들을 획득한다(S322). 최종 참조 센서의 참조 신호, 즉 최종 참조 신호들은 차량의 제어기가 센서들로부터 획득한 신호들을 ADC 변환부를 이용하여 변환시킨 디지털 신호들일 수 있다. 이러한 디지털 신호들은 센서로부터 획득한 신호가 필터부를 거쳐 필터링된 이후의 신호를 디지털화한 것일 수 있다.
소음 제어 장치는 최종 참조 신호(들)를 기초로 소음 제어 신호를 생성한다(S324). 소음 제어 장치는 최종 참조 센서(들)의 참조 신호(들)를 이용하여 소음 제어 신호를 생성한다.
S310 단계에서 이전 설정을 유지하지 않는 것으로 결정하는 경우, 소음 제어 장치는 차량에 배열된 복수의 센서들로부터 참조 신호를 각각 획득한다(S312). 소음 제어 장치는, 차량에 발생하는 진동을 측정하기 위한 복수의 센서들이 감지한, 참조 신호들을 획득한다. 로드 노이즈의 능동 소음 제어 실시예에서, 이러한 센서들은 서스펜션이나 차체 등 로드 노이즈의 발생 특성(예: 진동의 전달 경로 등)이 고려된 위치에 부착된 것일 수 있다.
또한 소음 제어 장치는 소음 신호를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서(예: 에러 마이크, 마이크로폰 등)로부터 소음 신호를 획득한다. 예컨대, 소음 제어 장치는 승객이 탐지된 승객의 착석 위치를 타겟 구역으로 지정하여, 차량 객실내 타겟 구역에 위치에 센서(들)로부터 소음 신호(들)를 획득할 수 있다. 이러한 소음 신호(들)는 참조 신호에 대한 피드백으로서 출력되는 신호(들)일 수 있다.예컨대, 소음 신호는, 참조 센서가 감지하는 진동에 기인하여, 마이크로폰으로부터 출력되는 신호일 수 있다.
획득되는 신호들은 전술한 것과 같이, 차량의 제어기가 각 센서로부터 획득된 신호를 ADC 변환부를 이용하여 변환시킨 디지털 신호들일 수 있다. 이러한 디지털 신호는 센서로부터 획득된 각각의 신호가 필터부를 거쳐 필터링된 이후의 신호를 디지털화한 것일 수 있다.
소음 제어 장치는 부분 상관 함수(partial correlation function)를 이용하여 참조 신호 각각과 소음 신호 간 부분 상관함수 값을 연산하여, 각 참조 신호와 소음 신호 간의 상관관계들을 획득한다(S314). 부분 상관 함수란, 입력 신호가 여러 개일 때 입력 신호들 간 간섭(inference)을 배제하는 선처리를 한 신호(conditioned input)와 출력 신호(소음 신호) 간의 상관관계를 나타내는 상관 함수이다. 부분 상관 함수는 참조 신호와 소음 신호, 구체적으로는 참조 신호와 그에 기초하여 발생하는 소음 신호 간 상관관계를 산출하되, 참조 신호 간 상관성을 제하여 특정 참조 신호와 소음 신호 간 보다 정확한 상관관계를 산출할 수 있다. 소음 제어 장치는 주파수 대역별로 또는 특정 주파수 대역에서의 부분 상관 함수 값을 연산할 수 있다.
부분 상관 함수의 생성은, 입력 신호(참조 신호)와 출력 신호(소음 신호)에 대한 시스템 방정식의 전달 함수(transfer function)를 획득하여 생성할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 시스템 방정식을 통해 수학식 2의 전달 함수를 획득할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1은 i 번째 입력 신호에 대한 시스템 방정식으로, 여기서 Y는 출력 신호,
Figure pat00002
는 X1 입력 신호 내지 Xj -1 입력 신호와의 간섭을 배제시킨 j 번째 입력 신호, q는 자연수로서 입력 신호의 총 개수를 의미한다.
Figure pat00003
수학식 2는 수학식 1을 기초로 도출되는 전달 함수로,
Figure pat00004
는 i 번째 입력 신호의 자기 스펙트럼 밀도로서, 첫 번째 입력 신호부터 (i-1) 번째 입력 신호의 간섭이 제거된 상호 스펙트럼 밀도를,
Figure pat00005
는 i 번째 입력 신호와 출력 신호 간 상호 스펙트럼 밀도로서, 첫 번째 입력 신호부터 (i-1) 번째 입력 신호의 간섭이 제거된 상호 스펙트럼 밀도를 의미한다.
수학식 1 및 2를 기초로, 수학식 3의 부분 상관 함수를 얻을 수 있다.
Figure pat00006
여기서, Gij는 신호 i와 j 사이의 상호 스펙트럼 밀도를,
Figure pat00007
는 첫 번째 입력 신호의 간섭이 제거된 출력 신호 y의 자기 스펙트럼 밀도를,
Figure pat00008
는 첫 번째부터 k 번째 입력 신호의 간섭이 제거된 출력 신호 y의 자기 스펙트럼 밀도를 의미한다. 그에 따라,
Figure pat00009
는 i 번째 입력과 출력 신호 y 사이의 상호 스펙트럼 밀도로부터 첫 번째 입력 신호 내지 i-1 번째 입력 신호의 간섭을 제거한, i 번째 입력 신호와 출력 신호만의 부분 상관 함수를 의미한다.
소음 제어 장치는 상관관계를 이용하여, 복수의 센서 각각과 소음 간의 상관성 정보량을 나타내는 정보 행렬(information matrix)을 구성한다(S316). 정보 행렬은 각 센서의 소음과의 상관성 정보량을 나타내는 행렬이다. 상관성 정보량은 상호정보량(mutual information)일 수 있다. 정보 행렬은 특정 주파수 대역에서의 상관성 정보량을 나타내는 정보 행렬일 수 있다. 소음 제어 장치는 피셔 정보 행렬(Fisher Information Matrix, FIM, Q0)을 이용하여 후보 참조 센서에 대한 정보 행렬을 획득할 수 있다. 정보 행렬은 수학식 4를 이용하여 획득할 수 있다.
Figure pat00010
여기서 Q는 특정 주파수 대역에서의 정보 행렬을,
Figure pat00011
는 후보가 되는 센서와 마이크(예: 에러 마이크 등)와의 상관관계로서, 부분 상관 함수를 의미한다. 예컨대, 18 개의 후보가 되는 센서와 500 가지의 주파수 대역이 존재하는 경우
Figure pat00012
는 18 x 500 매트릭스가 된다.
소음 제어 장치는 소음에 대한 센서별 기여도를 각각 획득하여 후보 참조 센서를 결정한다(S318). 여기서 기여도란, 어느 센서가 감지한 참조 신호의 소음 신호에 대한 기여도를 의미한다. 구체적으로, 소음 제어 장치는 센서별 기여도를 획득하기 위하여, 정보 행렬의 고유값을 분석한다. 예컨대, 소음 제어 장치는 정보 행렬로부터 고유값과 고유 벡터를 추출하고, 센서들의 고유값 순위를 센서별 기여 순위로 하여 센서별 기여도를 산정할 수 있다. 소음 제어 장치는 고유값 순위를 기준으로, 기 설정된 개수 또는 기 설정된 조건(예: 제어 타겟 구역, 소음의 제어량 등)에 따라 결정되는 개수만큼의 상위 순서 센서를 후보 참조 센서로서 결정할 수 있다. 후보 참조 센서의 개수는 최종 참조 센서의 개수를 기준으로 결정될 수 있다. 각 센서의 고유값은 아래의 수학식 5를 이용하여 획득할 수 있다.
Figure pat00013
여기서
Figure pat00014
는 고유값,
Figure pat00015
고유 벡터를 의미한다.
소음 제어 장치는 후보 참조 센서들의 각 조합에 대한 최적 필터(optimal filter)를 획득하고, 이를 기초로 최종 참조 센서를 결정한다(S320). 최적 필터란, 최대 능동 소음 제어 성능을 낼 것으로 예측되는 필터값의 행렬이다. 최적 필터는, 적응적 필터링(adaptive filtering) 알고리즘의 연산으로 획득될 수 있다. 소음 제어 장치는, 최적 필터를 기준으로, 특정 조합에 포함된 후보 참조 센서들을 최종 참조 센서로서 결정할 수 있다. 소음 제어 장치는 최적 필터를 획득하여 능동 소음 제어의 성능을 예측할 수 있으므로, 이를 기초로 최종 참조 센서를 결정할 수 있다.
일반적인 능동 소음 제어와 달리, 본 개시에 따른 소음 제어 방법에서는 전체 대상 센서 가운데 후보 참조 센서를 특정하여 후보 참조 센서들의 조합을 기초로 최적 필터를 연산하므로, 최적 필터의 연산 시간을 감축할 수 있다. 예컨대, 전체 대상 센서가 18 개, 후보 참조 센서가 7 개, 최종 참조 센서의 수가 4 개인 경우, 일반적으로는 하나의 소음에 대하여 18C4 = 3050 케이스에 대한 최적 필터 연산이 필요하나, 본 개시에 따른 소음 제어 방법에서는 7C4 = 35 케이스에 대한 최적 필터 연산만이 필요하다.
최적 필터(W*)는 수학식 6을 이용하여 획득할 수 있다.
Figure pat00016
여기서 W는 필터 셋, x는 참조 신호, d는 소음 신호, n은 시점, rxx는 x(n)과 x(n-k) 간 교차 상관(cross-relation)된 값, xrd는 d(n)과 x(n-k) 간 교차 상관된 값(k는 필터 셋이 구현되는 시간지연 필터에 따른 지연된 시간), N은 0이 아닌 자연수로서 최적 필터 연산에 이용되는 센서의 수에서 1을 뺀 값을 의미한다.
S310 단계에서 이전 설정을 유지하는 것으로 결정하는 경우 또는 S320 단계 이후에 소음 제어 장치는, 이전에 설정된 참조 센서들을 최종 참조 센서로 하여, 최종 참조 신호들을 획득한다(S322). 최종 참조 센서의 참조 신호, 즉 최종 참조 신호(들)는 차량의 제어기가 센서로부터 획득한 신호를 ADC 변환부를 이용하여 변환시킨 디지털 신호(들)일 수 있다. 이러한 디지털 신호는 센서로부터 획득한 신호가 필터부를 거쳐 필터링된 이후의 신호를 디지털화한 것일 수 있다.
소음 제어 장치는 최종 참조 신호(들)을 기초로 소음 제어 신호를 생성한다(S324).
예컨대, 소음 제어 장치는 S314, S318 및 S324 단계를 기본 단계로서 수행할 수 있다. 즉, 소음 제어 장치는 차량에 발생하는 진동을 측정하기 위한 복수의 센서 중에서, 복수의 센서 각각으로부터 획득된 참조 신호 각각과 소음 신호 간 부분 상관관계를, 부분 상관함수 값을 연산하여 획득한다. 이후, 소음 제어 장치는 부분 상관함수 값을 기초로 소음에 대한 센서별 기여도를 획득한다. 이후, 소음 제어 장치는 소음에의 기여도가 높은 순서대로 후보 참조 센서들을 결정한다. 소음 제어 장치는 후보 참조 센서들의 리스트에 포함된 센서들의 전부 또는 일부로부터 획득된 참조 신호(들)을 기초로 소음 제어 신호를 생성한다.
도 3에서는 과정 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 개시의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 개시의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3의 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 제어 방법은, 소음 제어 장치에 의해 실행되고, 소음 제어 장치는 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스로서 그 기능의 전부 또는 일부가 구현될 수 있다. 소음 제어 장치의 컴퓨팅 디바이스는, 소음 제어 장치가 가용할 수 있는 하나 이상의 프로세서에 의해 각 기능을 수행하고, 이러한 프로세서와 연결되어 내부에 저장된 명령어들을 가지는 컴퓨터 판독가능 스토리지를 포함할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 제어 장치를 나타내는 블록구성도이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 소음 제어 장치(400)는 탐지부(detection unit, 410), 후보센서 관리부(candidate sensor management unit, 420), 최적필터 연산부(optimal filter calculation unit, 430) 및 소음제어신호 생성부(noise canceling signal generator, 440)를 전부 또는 일부 포함한다. 도 4에 도시된 소음 제어 장치(400)는 본 개시의 일 실시예에 따른 것으로서, 도 4에 도시된 모든 구성이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 일부 구성이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다. 한편, 도 4의 소음 제어 장치(400)는 도 2의 제어신호 생성부(225)에 포함되거나 대응될 수 있다.
도 4는 소음 제어 장치(400)를 장치로서 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 다른 실시예에서 소음 제어 장치(400)는 각 구성(410 내지 440)의 기능을 수행하는 소프트웨어 모듈 또는 프로세서로 구현될 수 있다.
도 4의 각 구성(410 내지 440)은 도 3의 소음 제어 방법의 각 단계가 서술하는 기능들을 각각 수행할 수 있다.
탐지부(410)는 차량 내 승객의 착석 배치를 탐지한다. 이는 승객이 착석한 위치를 고려하여 소음 제어를 수행하기 위함이다. 예컨대, 택시 또는 접객 목적의 차량 등의 경우에는 승객이 착석한 자리에 집중적으로 소음 제어를 수행함이 바람직하다. SUV나 미니 밴과 같이 중대형 차량에서 승객이 띄엄띄엄 앉는 등의 경우에는 특정 좌석들을 제어 타겟 영역으로 하여 집중적으로 소음 제어를 수행함이 바람직하다.
후보센서 관리부(420)는 복수의 센서 중에서 후보 참조 센서들을 결정하여 후보 참조 센서들의 리스트를 관리한다. 탐지부(410)의 탐지 결과에 따라, 이전에 사용되었거나 설정된 참조 센서들이 후보 참조 센서들이 될 수 있다. 또는, 후보센서 관리부(420)는 전술한 부분 상관함수 값, 정보 행렬 및 센서별 기여도 각각을 연산하여 후보 참조 센서를 결정할 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 후보센서 관리부(420)는 부분상관함수 연산부(partial correlation function calculation unit, 422), 정보행렬 연산부(information matrix calculation unit, 424), 고유값 연산부(eigenvalue calculation unit, 426) 및 후보센서 결정부(candidate sensor determination unit, 428)의 전부 또는 일부를 포함하나, 도 4에 도시된 모든 구성이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 일부 구성이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
부분상관함수 연산부(422)는 복수의 센서 각각으로부터 획득된 참조 신호와 소음 신호를, 부분 상관 함수의 입력으로 하여 복수의 센서 각각에 대하여 상관관계를 산출한다. 이로써 부분상관함수 연산부(422)는 다른 센서의 영향이 제거된 상관관계, 즉 각 참조 신호 간의 간섭이 제거되도록 선처리된 참조 신호와 소음 신호 간의 상관관계를 획득할 수 있다. 예컨대, 복수의 센서에 대응하는 참조 신호 각각을 첫 번째 내지 n 번째 참조 신호(n은 참조 신호의 총 개수)로 나타내는 경우에, 복수의 참조 신호 중 어느 하나인 i(1 < i ≤ n) 번째 참조 신호에 대한 소음 신호와의 상관관계는, i 번째 참조 신호와 소음 신호(i 번째 참조 신호에 대한 소음 신호) 간의 상호 스펙트럼 밀도, 첫 번째 참조 신호 내지 (i-1) 번째 참조 신호의 간섭이 제거된 i 번째 자기 스펙트럼 밀도 및 첫 번째 참조 신호 내지 (i-1) 번째 참조 신호의 간섭이 제거된 소음 신호의 자기 스펙트럼 밀도를 인자로 하는 부분 상관 함수를 연산하여 산출할 수 있다. 상관함수 연산부(422)는 후보센서 결정부(428)의 요청에 기초하여 부분 상관 함수 연산을 수행할 수 있다.
정보행렬 연산부(424)는 복수의 센서 각각과 소음 간의 상관성 정보량을 나타내는 정보 행렬을 산출한다. 상관성 정보량은 상호정보량으로서, 피셔 정보 행렬을 이용하여 산출되는 것일 수 있다. 한편, 정보행렬 연산부(424)는 각 센서의 상관관계를 이용하여 정보 행렬을 산출할 수 있다. 정보행렬 연산부(424)는 후보센서 결정부(428)의 요청에 기초하여 정보 행렬을 연산할 수 있다.
고유값 연산부(426)는 소음에 대한 센서별 기여도를 산출한다. 센서별 기여도는 정보 행렬의 고유값을 이용하여 산출될 수 있다. 고유값 연산부(426)는 고유값을 기초로, 센서별 기여도에 따라 정렬된 센서에 관한 데이터구조를 생성할 수 있다. 고유값 연산부(426)는 후보센서 결정부(428)의 요청에 기초하여 고유값을 연산할 수 있다.
후보센서 결정부(428)는 센서별 기여도를 기준으로 복수의 센서 중에서 후보 참조 센서를 결정한다. 후보센서 결정부(428)는 센서별 기여도를 기준으로 기여도가 높은 상위 P 개(P는 자연수)의 센서를 후보 참조 센서로서 결정할 수 있다.
최적필터 연산부(430)는 후보 참조 센서의 각 조합에 대한 최적 필터를 산출하고, 최적 필터를 기준으로 최종 참조 센서를 결정한다.
소음제어신호 생성부(440)는 최종 참조 신호를 기초로 소음 제어 신호를 생성한다. 구체적으로, 소음제어신호 생성부(440)는 최종 참조 센서가 결정된 경우에는 최종 참조 센서의 참조 신호를 획득하여 소음 제어 신호를 생성한다. 최종 참조 센서는, 후보센서 관리부(420)에 의해 결정된 후보 참조 센서들 중 결정되거나, 이전에 사용된 후보 참조 센서들 또는 기 설정된 후보 참조 센서들로부터 결정될 수 있다.
본 명세서에 설명되는 장치, 부(unit), 과정, 단계 등의 다양한 구현예들은, 디지털 전자 회로, 집적 회로, FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및/또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 이러한 다양한 구현예들은 프로그래밍 가능 시스템상에서 실행 가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현되는 것을 포함할 수 있다. 프로그래밍 가능 시스템은, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 그리고 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령을 전송하도록 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능 프로세서(이것은 특수 목적 프로세서일 수 있거나 혹은 범용 프로세서일 수 있음)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램들(이것은 또한 프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들 혹은 코드로서 알려져 있음)은 프로그래밍 가능 프로세서에 대한 명령어들을 포함하며 "컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체"에 저장된다.
컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는 ROM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등의 비휘발성(non-volatile) 또는 비 일시적인(non-transitory) 매체를 더 포함할 수도 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다.
본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 프로그램가능 컴퓨터에 의하여 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 프로그램가능 프로세서, 데이터 저장 시스템(휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 다른 종류의 저장 시스템이거나 이들의 조합을 포함함) 및 적어도 한 개의 커뮤니케이션 인터페이스를 포함한다. 예컨대, 프로그램가능 컴퓨터는 서버, 네트워크 기기, 셋톱박스, 내장형 장치, 컴퓨터 확장 모듈, 개인용 컴퓨터, 랩톱, PDA(Personal Data Assistant), 클라우드 컴퓨팅 시스템 또는 모바일 장치 중 하나일 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 차량의 소음 제어 방법에 있어서,
    상기 차량에 배열된 복수의 센서로부터, 노면으로부터 유입되는 진동을 감지한 참조 신호를 각각 획득하고, 상기 차량의 객실내 타겟 구역에 위치한 마이크로폰으로부터 감지된 실내 소음을 나타내는 소음 신호를 획득하는 단계;
    상기 복수의 센서 각각에 대해 상기 참조 신호와 상기 소음 신호 간의 부분 상관함수 값을 각각 연산하는 단계;
    상기 부분 상관함수 값에 기초하여 상기 복수의 센서에 대해, 소음에 대한 센서별 기여도를 산출하는 단계;
    상기 센서별 기여도를 기준으로, 상기 복수의 센서 중에서 후보 참조 센서의 리스트를 결정하는 단계; 및
    상기 리스트에 포함된 하나 이상의 후보 참조 센서로부터 각각 획득되는 참조 신호를 기초로 상기 타겟 구역을 위한 소음 제어 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 소음 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부분 상관함수 값은, 참조 신호 간의 간섭이 제거되도록 선처리된 참조 신호와 소음 신호 간의 상관관계인 소음 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 센서 각각에 대응하는 참조 신호들을 첫 번째 내지 n 번째 참조 신호(n은 참조 신호의 총 개수)로 나타내는 경우에, 상기 참조 신호들 중 어느 하나인 i(1 < i ≤ n) 번째 참조 신호에 대한 상기 부분 상관함수 값은,
    상기 i 번째 참조 신호와 상기 소음 신호 간의 상호 스펙트럼 밀도, 첫 번째 참조 신호 내지 (i-1) 번째 참조 신호의 간섭이 제거된 i 번째 자기 스펙트럼 밀도 및 첫 번째 참조 신호 내지 (i-1) 번째 참조 신호의 간섭이 제거된 상기 소음 신호의 자기 스펙트럼 밀도를 인자로 하는 부분 상관 함수로부터 획득되는 소음 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서별 기여도를 산출하는 단계는,
    상기 부분 상관함수 값을 이용하여, 상기 복수의 센서 각각과 소음 간의 상관성 정보량으로서, 적어도 하나의 주파수 대역에서의 상관성 정보량을 나타내는 정보 행렬을 구성하는 단계
    를 포함하는 소음 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서별 기여도를 산출하는 단계는,
    상기 정보 행렬의 고유값을 분석하여 센서별 고유값을 상기 센서별 기여도로서 산출하는 단계
    를 더 포함하는 소음 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리스트를 결정하는 단계 이후에, 상기 리스트에 포함된 후보 참조 센서들의 조합별 최적 필터를 획득하고, 상기 최적 필터를 기준으로 특정 조합에 포함된 후보 참조 센서들을 최종 참조 센서로서 결정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 소음 제어 신호를 생성하는 단계는,
    상기 최종 참조 센서들로부터 획득된 참조 신호들을 이용하여 상기 소음 제어 신호를 생성하는 소음 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소음 신호를 획득하는 단계 이전에, 상기 차량의 승객 착석 배치를 탐지하고, 상기 승객 착석 배치를 기초로 상기 타겟 구역을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 소음 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 소음 제어 방법이 포함하는 각 과정을 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  9. 차량의 소음 제어 장치에 있어서,
    상기 차량에 배열된 복수의 센서 각각으로부터 획득되는, 노면으로부터 유입되는 진동을 감지한 참조 신호, 및 상기 차량의 객실내 타겟 구역에 위치한 마이크로폰으로부터 획득되는 실내 소음을 나타내는 소음 신호를, 부분 상관 함수의 입력으로 하여, 상기 복수의 센서 각각에 대하여 부분 상관함수 값을 산출하는 부분상관함수 연산부;
    상기 부분 상관함수 값에 기초하여 상기 복수의 센서 각각에 대해, 소음에 대한 센서별 기여도를 산출하는 고유값 연산부;
    상기 센서별 기여도를 기준으로 상기 복수의 센서 중에서 후보 참조 센서들의 리스트에 추가될 후보 참조 센서들을 결정하는 후보센서 결정부; 및
    상기 리스트에 포함된 하나 이상의 후보 참조 센서로부터 각각 획득되는 참조 신호를 기초로 상기 타겟 구역을 위한 소음 제어 신호를 생성하는 소음제어신호 생성부
    를 포함하는 소음 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부분 상관함수 값을 이용하여, 상기 복수의 센서 각각과 소음 간의 상관성 정보량으로서, 적어도 하나의 주파수 대역에서의 상관성 정보량을 나타내는 정보 행렬을 산출하는 정보행렬 연산부를 더 포함하되,
    상기 고유값 연산부는,
    상기 정보 행렬의 고유값을 분석하여 센서별 고유값을 상기 센서별 기여도로서 산출하는 소음 제어 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 리스트에 포함된 후보 참조 센서들의 조합별 최적 필터를 산출하는 최적필터 연산부
    를 더 포함하는 소음 제어 장치.
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