KR102077472B1 - An Improved Audio Signal Processing Method And Device For Ultra Directional Speaker - Google Patents

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KR102077472B1
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김태영
서정국
최상훈
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캐치플로우(주)
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Abstract

The present invention relates to an improved audio signal processing method for an ultrasound speaker, which comprises: a first step of removing a low-frequency component of an inputted audio signal and correcting response characteristics for each frequency band with an equalizer; a second step of comparing a level value of the audio signal, whose response characteristics are corrected for each frequency band, with a level value of an external noise signal to select and apply a dynamic range control characteristic graph to the corrected audio signal so as to control an output audio signal level; and a third step of ultrasound-modifying the level-controlled audio signal. According to the present invention, a sound quality improvement method is appropriate to the characteristics of an ultra-directional ultrasound speaker, thereby providing an effect of transferring an audio signal with improved sound quality to a listener. Moreover, an audio signal level of the ultra-directional ultrasound speaker facing the listener, who is placed in a predetermined position, is controlled in accordance with an external noise level, thereby providing an effect of transferring a clear audio signal to the listener.

Description

초지향성 초음파 스피커의 개선된 오디오 신호처리 방법 및 이를 구비한 초음파 스피커 장치 {An Improved Audio Signal Processing Method And Device For Ultra Directional Speaker}An improved audio signal processing method and device for ultra directional speaker

본 발명은 초음파 변조를 통해 음파 진행 방향에 초지향성을 부여하는 초음파 스피커 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로는 초지향성 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법 및 이를 구비한 초지향성 초음파 스피커 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic speaker device that provides superdirectionality to a sound wave propagation direction through ultrasonic modulation, and more particularly, to an improved audio signal processing method of a superdirectional ultrasonic speaker device and a superdirectional ultrasonic speaker device having the same. .

일반적인 스피커는 음파를 공기 중의 모든 방향으로 전달한다. 그러나 특정한 방향으로만 음파를 전달하려고 하는 경우가 있을 수 있다. 이 경우 파라볼릭 접시를 이용하는 방법이 있는데 접시의 초점에 일반 스피커를 설치하여 음향 출력이 접시에 반사되어 직진성을 갖도록 하는 것이다. 그러나 이러한 방식은 직경이 매우 큰 접시가 필요하고, 소리의 도달거리도 짧으며, 반사된 신호의 상호 간섭으로 인해 음질도 떨어지는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 초음파의 직진성과 공기 매질의 비선형 매질특성을 이용한 초지향성 초음파 스피커 기술이 구현되고 있다. 초지향성 초음파 스피커는 수중 레이더 기술인 소나(sonar)에 대한 연구가 발전하면서 공기 중에서도 초음파를 이용하면 소리를 빔처럼 쏘아 보낼 수 있다는 것을 발견하면서 본격적으로 연구되기 시작하였다. 이후 많은 과학자들이 초지향성 초음파 스피커에 대한 물리적 원리와 기존의 음성을 초음파 스피커에 실어 보낼 방법을 연구하였다. 그러나 초지향성 초음파 스피커의 상용화는 쉽게 이루어지지 않다가 2000년대 이후에 들어서야 초음파 변조기술을 적용한 초지향성 초음파 스피커가 상품화되기 시작하였다.Typical speakers transmit sound waves in all directions in the air. However, there may be cases where you want to deliver sound waves only in certain directions. In this case, there is a method using parabolic dishes, in which a speaker is installed at the focal point of the dish so that the sound output is reflected by the dish and goes straight. However, this method requires a very large diameter plate, has a short range of sound, and has a disadvantage of poor sound quality due to mutual interference of reflected signals. In order to make up for such drawbacks, super-directional ultrasonic speaker technology using the linearity of ultrasonic waves and the nonlinear medium characteristics of air media has been recently implemented. As the research on sonar, which is an underwater radar technology, has been developed, the super-directional ultrasonic speaker has been studied in earnest by discovering that ultrasonic waves in the air can emit sound like beams. Since then, many scientists have studied the physical principles of super-directional ultrasonic speakers and how to send existing voices to them. However, commercialization of superdirectional ultrasonic speakers was not easy, and it wasn't until after 2000 that superdirectional ultrasonic speakers using ultrasonic modulation technology began to be commercialized.

초지향성 초음파 스피커 시스템은 초음파가 공기 중에서 공기와 일으키는 비선형적인 간섭 현상을 이용한다. 이론적으로 공기 중에서 복조되는 가청신호는 진폭 변조된 신호의 포락선(envelope)의 제곱을 이차 시간 미분한 것에 비례한다. 이에 따라 종래의 초음파 스피커 시스템은 도 13을 참조하면, 진폭 변조 전에 이중적분한 입력 오디오 신호의 제곱근을 진폭변조하여 초음파 스피커를 통하여 공기중으로 내보내게 된다. 이 방법은 제곱근이라는 비선형적인 연산에 의해서 대역폭이 제한된 원래 오디오 신호의 주파수 스펙트럼이 거의 무한대의 대역폭 상에 나타나게 되기 때문에 왜곡을 줄이는데 한계가 있다. 한편 미국의 ATC사는 미국특허 US 6,584,205에서 대역폭의 증가가 없는 반복적인 오차 보상방법을 제시한 바도 있다.The superdirectional ultrasonic speaker system utilizes the nonlinear interference phenomenon that ultrasonic waves cause with air in the air. In theory, the audible signal demodulated in air is proportional to the second time derivative of the square of the envelope of the amplitude modulated signal. Accordingly, referring to FIG. 13, the conventional ultrasonic speaker system modulates the square root of the dual-integrated input audio signal before amplitude modulation, and emits the air to the air through the ultrasonic speaker. This method is limited in reducing distortion because the frequency spectrum of the bandwidth-constrained original audio signal is shown on an almost infinite bandwidth by a nonlinear operation called the square root. Meanwhile, ATC of the United States has proposed an iterative error compensation method without increasing the bandwidth in the US patent US 6,584,205.

하지만 이들 선행문헌들은 초음파와 공기가 일으키는 비선형적인 간섭 현상을 해소하는 것에만 관심을 주었을 뿐이고 청취자의 입장에서 좀 더 명료한 음질을 제공하기 위한 신호처리나 청취자 주변의 잡음 환경을 고려한 신호처리 방안까지 제시하고 있지는 못하다. However, these prior art documents were only concerned with eliminating the nonlinear interference caused by ultrasonic waves and air, and even signal processing to provide clearer sound quality from the listener's point of view or signal processing considering the noise environment around the listener. It is not presented.

초지향성 초음파 스피커의 특성에 적합한 음질개선 방안이 적용되지 않는다면 초음파와 공기가 일으키는 비선형적인 간섭 현상으로 인하여 전달되는 오디오 신호는 청취자에게 부자연스러운 음질로 전달된다는 문제가 있다.If the sound quality improvement method suitable for the characteristics of the super-directional ultrasonic speaker is not applied, the audio signal transmitted due to the nonlinear interference caused by the ultrasonic wave and air is transmitted to the listener with unnatural sound quality.

또한 초지향성 초음파 스피커는 특정한 위치에 있는 청취자에게만 음파를 전달할 수 있지만, 청취자 주변에 외부잡음이 존재하고 그 잡음레벨이 초음파 스피커의 오디오 신호 출력레벨보다 높은 경우 청취자는 초지향성 초음파 스피커를 통한 신호를 제대로 전달받을 수 없다는 문제가 있다.In addition, the superdirectional ultrasonic speaker can transmit sound waves only to the listener at a specific position, but if there is external noise around the listener and the noise level is higher than the audio signal output level of the ultrasonic speaker, the listener may not be able to transmit the signal through the superdirectional ultrasonic speaker. There is a problem that can not be delivered properly.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0087926호(2014.07.09.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0087926 (2014.07.09.) 대한민국 등록특허공보 제10-0622078호(2006.09.01.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-0622078 (2006.09.01.)

본 발명은 상기와 같은 문제점에 착안하여 청취자에게 좀 더 명료한 음질을 제공하기 위한 신호처리 방안을 제시하기 위한 것으로서 특히 초지향성 초음파 스피커의 특성에 적합한 음질개선 방안을 적용하여 청취자에게 개선된 음질의 오디오 신호를 전달하고, 청취자 주변에 존재하는 외부 잡음레벨이 초음파 스피커의 오디오 신호 출력레벨보다 높아서 청취자에게 초음파 스피커의 오디오 신호가 상대적으로 작게 들리는 경우 오디오 신호 출력레벨을 조절하여 청취자가 오디오 신호를 보다 명료하게 들을 수 있도록 하기 위한 초지향성 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법 및 이를 구비한 초지향성 초음파 스피커 장치를 제공하고자 한다.The present invention is to propose a signal processing method for providing a more clear sound quality to the listener in view of the above problems, in particular to improve the sound quality of the listener by applying a sound quality improvement method suitable for the characteristics of the super-directional ultrasonic speaker When the audio signal is transmitted and the external noise level around the listener is higher than the audio signal output level of the ultrasonic speaker, and the audio signal of the ultrasonic speaker is relatively small to the listener, the audio signal output level is adjusted so that the listener can see the audio signal. The present invention provides an improved audio signal processing method and a superdirectional ultrasonic speaker device having the same.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법에 있어서, 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하고 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 1 단계; 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 레벨값과 외부 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하고 상기 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 제 2 단계; 레벨이 제어된 오디오 신호를 초음파 변조하는 제 3 단계를 포함한다. 상기 제 1 단계는, 고역통과필터(210)를 이용하여 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 제 1-1 단계; 저주파 성분이 제거된 신호를 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 1-2단계; 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 제 1-3단계; 제 1-2단계 및 제 1-3단계에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 리미터(240)를 이용하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 제4단계를 포함한다. 상기 제 2 단계는, 입력되는 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 직류 성분을 제거한 후 오디오 신호의 레벨값을 판단하는 제 2-1단계; 외부 잡음 신호를 입력 장치를 통해 입력받아 직류 성분을 제거한 후 잡음 신호의 레벨값을 판단하는 제 2-2단계; 직류 성분이 제거된 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 제 2-3단계; 선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 제2-4단계를 포함한다. In order to solve the above problems, the present invention provides an improved audio signal processing method of an ultrasonic speaker device, the method comprising: removing a low frequency component of an input audio signal and correcting a response characteristic for each frequency band by using an equalizer 220; ; A second step of selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band with the level value of the external noise signal and controlling the output audio signal level by applying the dynamic range control characteristic graph to the corrected audio signal; And a third step of ultrasonically modulating the level controlled audio signal. The first step may include a step 1-1 of removing low frequency components of an audio signal input using the high pass filter 210; First and second steps of correcting a response characteristic of each frequency band by using the equalizer 220 to remove the low frequency component; Adjusting the sound pressure level of the signal whose response characteristic is corrected for each frequency band; In order to prevent clipping of signals that may occur in steps 1-2 and 1-3, a fourth step of controlling the signal size does not increase by a specific level or more using the limiter 240. The second step may include a step 2-1 of determining a level value of the audio signal after removing the DC component of the audio signal whose response characteristic is corrected for each input frequency band; A step 2-2 of receiving an external noise signal through an input device, removing a DC component, and then determining a level value of the noise signal; A second step of selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal from which the DC component is removed with the level value of the noise signal; And a second to fourth step of controlling the output audio signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band.

또한 본 발명은 개선된 오디오 신호처리부를 포함하는 초음파 스피커 장치에 있어서,The present invention also provides an ultrasonic speaker device comprising an improved audio signal processing unit,

상기 오디오 신호처리부는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하고 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 음질개선부(200);와 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 레벨값과 외부 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하고 상기 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 다이나믹레인지 제어부(300);와 레벨이 제어된 오디오 신호를 초음파 변조하는 초음파변조부;와 초음파 변조된 신호를 공기중으로 출력하는 초음파 트랜듀서;를 포함한다. 상기 음질개선부(200)는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 고역통과필터(210);와 저주파 성분이 제거된 신호를 파수 대역별로 응답특성을 보정하는 이퀄라이저(220);와 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부(230);와 이퀄라이저(220) 및 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 리미터(240);를 포함한다. 상기 다이나믹레인지 제어부(300)는 입력되는 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 직류 성분을 제거한 후 오디오 신호의 레벨값을 판단하는 오디오 신호 레벨 판단부;와 외부 잡음 신호를 입력 장치를 통해 입력받아 직류 성분을 제거한 후 잡음 신호의 레벨값을 판단하는 잡음 신호 레벨 판단부;와 직류 성분이 제거된 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 선택부(330);와 선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 적용부(330);를 포함한다.The audio signal processor removes low frequency components of the input audio signal and improves the response characteristics for each frequency band by using the equalizer 220; and the level of the audio signal whose response characteristics are corrected for each frequency band. The dynamic range control unit 300 to control the output audio signal level by selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the value with the level value of the external noise signal and applying the same to the corrected audio signal; Ultrasonic modulator for modulating; and Ultrasonic transducer for outputting the ultrasonically modulated signal to the air. The sound quality improving unit 200 may include a high pass filter 210 for removing low frequency components of an input audio signal, and an equalizer 220 for correcting response characteristics for each frequency band from which low frequency components are removed; and for each frequency band. Sound pressure level correction unit 230 for adjusting the sound pressure level of the signal whose response characteristics are corrected; and the signal size is greater than a certain level in order to prevent clipping of signals that may occur in the equalizer 220 and sound pressure level correction unit 230. Limiter 240 for controlling not to increase. The dynamic range controller 300 may include: an audio signal level determiner configured to determine a level value of an audio signal after removing a direct current component of an audio signal whose response characteristic is corrected for each input frequency band; and input an external noise signal through an input device. A noise signal level determination unit for determining a level value of the noise signal after removing the DC component; and selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal from which the DC component is removed with the level value of the noise signal. A dynamic range control characteristic graph application unit 330 for controlling the output audio signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band; Include.

본 발명의 개선된 오디오 신호처리 방법 및 이를 구비한 초지향성 초음파 스피커 장치에 따르면 초지향성 초음파 스피커의 특성에 적합한 오디오 신호처리 방안을 적용함으로서 한층 개선되고 명료한 음질의 오디오 신호를 청취자에게 전달할 수 있다.According to the improved audio signal processing method of the present invention and the superdirectional ultrasonic speaker device having the same, an audio signal processing method suitable for the characteristics of the superdirectional ultrasonic speaker can be applied to deliver an improved and clear audio signal to the listener. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 오디오 신호처리부를 포함하는 초음파 스피커 장치의 전체적인 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 오디오 신호처리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 오디오 신호처리부의 음질개선부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 오디오 신호처리에서 음질개선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고역통과필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이퀄라이저의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음압레벨 보정부의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리미터의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 오디오 신호처리부의 다이나믹레인지 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 오디오 신호처리에서 다이나믹레인지 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이나믹레인지 압축을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 종래의 초지향성 초음파 시스템을 보여주기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이퀄라이저의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view showing the overall configuration of an ultrasonic speaker device including an improved audio signal processor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining an improved audio signal processing method according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a sound quality improvement unit of the improved audio signal processor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a sound quality improvement method in the improved audio signal processing according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a high pass filter according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining the characteristics of the equalizer according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining the characteristics of the sound pressure level correction unit according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the characteristics of the limiter according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a dynamic range controller of an improved audio signal processor according to an exemplary embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining a dynamic range control method in improved audio signal processing according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram for explaining dynamic range compression according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating a dynamic range control characteristic graph according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a conventional superdirectional ultrasound system. FIG.
14 is a view for explaining the effect of the equalizer according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the inventive concept disclosed herein are provided only for the purpose of describing the embodiments according to the inventive concept. It may be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the inventive concept may be variously modified and have various forms, so embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to specific embodiments, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Expressions describing relationships between components, such as "between" and "immediately between," or "neighboring to," and "direct neighboring to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어를 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to designate that the stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features, numbers, steps It is to be understood that the present invention does not exclude, in advance, the possibility of the addition or the presence of any operation, components, parts or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined herein. Do not.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초지향성 초음파 스피커 장치의 음질개선 방법 및 이를 구비한 초지향성 초음파 스피커 장치에 관하여 살펴본다. Hereinafter, a sound quality improvement method of a superdirectional ultrasonic speaker device and a superdirectional ultrasonic speaker device having the same will be described with reference to the accompanying drawings.

도 13에 도시된 바와 같이 종래의 초지향성 초음파 시스템은 진폭 변조 전에 이중적분한 입력 오디오 신호의 제곱근을 진폭변조하여 초음파 스피커를 통하여 공기 중으로 내보내게 된다. 이 방법은 제곱근이라는 비선형적인 연산에 의해서 대역폭이 제한된 원래 오디오 신호의 주파수 스펙트럼이 거의 무한대의 대역폭 상에 나타나게 되기 때문에 왜곡을 줄이는데 한계가 있다. 한편 미국의 ATC사는 미국특허 US6,584,205에서 대역폭의 증가가 없는 반복적인 오차 보상방법을 제시한 바가 있으나 이 경우에도 유사한 왜곡이 나타게 된다. As shown in FIG. 13, the conventional super-directional ultrasonic system modulates the square root of the double-integrated input audio signal prior to amplitude modulation and sends it out into the air through the ultrasonic speaker. This method is limited in reducing distortion because the frequency spectrum of the bandwidth-constrained original audio signal is shown on an almost infinite bandwidth by a nonlinear operation called the square root. On the other hand, ATC of the United States has proposed an iterative error compensation method without increasing the bandwidth in the US patent US 6,584,205, but in this case, similar distortions will appear.

하지만 본 발명의 발명자가 실험한 결과, 비선형 왜곡으로 발생하는 하모닉 성분의 크기가 원 신호에 비하여 20dB 정도로 작아서 일반적인 음성과 오디오 신호에서는 거의 들리지 않는다는 점을 발견하였다. 아울러 비선형 왜곡을 이를 보정하기 위해서는 모든 시스템의 선형왜곡을 완벽하게 측정해야 하며, 측정이 정확하지 않을 경우 오히려 왜곡이 증가하기 때문에 비선형 왜곡을 보정하기 보다는 선형 왜곡을 최대한 보정함과 동시에 명료도를 향상시키기 위한 음질개선 방법을 적용하는 것이 청취자의 입장에서 훨씬 유리하다는 것을 알게 되었다.However, as a result of experiments by the inventors of the present invention, it has been found that the magnitude of the harmonic component generated by the nonlinear distortion is almost 20 dB smaller than that of the original signal, so that it is hardly heard in general voice and audio signals. In addition, in order to compensate for nonlinear distortion, the linear distortion of all systems must be measured perfectly.If the measurement is not accurate, the distortion increases, so that the linear distortion can be corrected as much as possible and the intelligibility can be improved at the same time. We found that it is more advantageous for the listener to apply the sound quality improvement method.

따라서 본 발명에 따른 개선된 오디오 신호처리 방법의 음질개선 방안은 이러한 왜곡을 줄임과 아울러 청취자의 입장에서 보다 명료한 오디오 신호를 전달하기 위한 것이다.Therefore, the sound quality improvement method of the improved audio signal processing method according to the present invention is to reduce the distortion and to deliver a clearer audio signal from the listener's point of view.

또한, 개선된 오디오 신호처리의 다이나믹레인지 제어에 관하여 살펴보기에 앞서서 다이나믹레인지 콤프레서(Dynamic Range Compressor)에 관하여 설명한다. In addition, the dynamic range compressor will be described before the dynamic range control of the improved audio signal processing.

다이나믹레인지(Dynamic Range)란 음향신호를 전송하거나 녹음할 때 취급하는 최강음과 최약음의 차이 범위를 데시벨(dB)로 나타낸 것을 의미한다. 여러개의 음향신호가 입력되는 경우 각각의 음향신호의 다이나믹레인지(Dynamic Range)가 차이가 있는 경우 상대적으로 레벨이 낮은 음향신호는 잘 들리 않게 된다. 따라서 일정 레벨 이상의 음향신호는 신호의 세기를 압축(Compressing)할 필요가 있다. 이때 사용하는 장치인 다이나믹레인지 콤프레서(Dynamic Range Compressor, DRC)는 일정 레벨 이상의 입력이 들어오는 경우 출력을 줄여주는 기능을 수행한다. Dynamic range refers to the range of the difference between the strongest and the weakest sounds in decibels (dB) when handling or transmitting sound signals. When multiple sound signals are input When the dynamic range of each sound signal is different, a sound signal having a relatively low level is hard to be heard. Therefore, a sound signal over a certain level needs to compress the signal strength. In this case, the dynamic range compressor (DRC), which is a device used, reduces the output when an input of a predetermined level or more is input.

도 11은 다이나믹레인지 콤프레서(Dynamic Range Compressor)의 동작특성을 보여주는 그래프로서 이를 참조하면 가로축은 입력신호의 레벨이고, 세로축은 출력신호의 레벨을 나타낸다. 입력신호의 레벨이 -20dB까지는 입력레벨 그대로 출력으로 나가지만, 입력신호 레벨이 -20dB 이상인 경우에는 출력신호의 레벨을 압축하여(Compressing) 줄이도록 설정되어 있음을 보여준다. 이렇게 하는 이유는 입력신호의 과도한 피크(Peak)로부터 장비를 보호하고, 과도한 다이나믹레인지(Dynamic Range)를 줄여 청취자가 오디오를 듣기에 편하게 만들어 주기 위함이다. 임계레벨(Threshold level)은 입력신호를 압축시키기 시작하는 레벨을 정한다. 레벨은 통상 데시벨(dB)로 표시하는데 임계레벨로 정한 레벨(dB)이상의 입력이 들어올 때, 콤프레서(Compressor)를 동작 시켜 소리를 압축하는 것이다.FIG. 11 is a graph showing the operating characteristics of a dynamic range compressor. Referring to this, the horizontal axis represents the level of an input signal and the vertical axis represents the level of an output signal. It shows that the input signal is output to the output level up to -20dB, but the input signal level is set to reduce the compression of the output signal level if the input signal level is above -20dB. The reason for this is to protect the equipment from excessive peaks in the input signal and to reduce the excessive dynamic range to make it easier for the listener to listen to the audio. The threshold level defines the level at which the input signal begins to be compressed. The level is usually expressed in decibels (dB). When an input of more than the level (dB) set as the threshold level is input, the compressor is operated to compress the sound.

도 11의 그래프에서는 임계레벨(Threshold level)을 -20dB로 설정한 것으로서 -20dB 이상의 출력신호는 완만한 경사를 이루고 있다. 압축비(Ratio)는 압축을 하는 비율로서 압축비가 1:1 이라면 입력신호와 출력신호의 레벨이 동일한 상태를 의미하며 다이나믹레인지 콤프레서(Dynamic Range Compressor)의 동작이 꺼진(off) 상태를 의미한다. 압축비를 4:1로 맞춘다면, 입력신호 레벨이 -20dB에서 4dB가 올라간 -16dB라고 했을 때, 출력신호 레벨은 -20dB에서 1dB만 올려서 -19dB로 보내는 효과를 낼 수 있다. 압축비를 10:1 이상 무한대(∞)로 설정한다면, 출력신호 레벨의 증가를 임계레벨 이상으로 레벨이 넘어가지 못하게 함으로서 리미터(240)(Limiter)와 같은 효과를 낼 수 있다.In the graph of FIG. 11, the threshold level is set to -20 dB, and an output signal of -20 dB or more forms a gentle slope. Compression ratio (Ratio) is the ratio of compression. If the compression ratio is 1: 1, it means that the level of the input signal and the output signal are the same, and the operation of the dynamic range compressor is turned off. If the compression ratio is set to 4: 1, an input signal level of -16dB, a 4dB increase from -20dB, can produce an output signal level of -19dB by raising only 1dB from -20dB. If the compression ratio is set to an infinity (∞) of 10: 1 or more, the same effect as the limiter 240 may be obtained by preventing the level of the output signal level from exceeding the threshold level.

도 12는 압축비를 다양하게 설정할 수 있도록 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 보여준다. 이후 설명하는 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 구성은 바로 도 12의 다양한 압축비를 갖는 제어특성 그래프를 선택하는 것을 의미한다.12 is a graph illustrating dynamic range control characteristics according to an embodiment of the present invention, which enables various compression ratios to be set. The configuration of selecting the dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal and the noise signal described later means selecting the control characteristic graph having various compression ratios of FIG. 12.

초지향성 초음파 스피커 장치는 초지향성 특성을 이용하여 특정 위치에 있는 청취자만을 위한 오디오 신호를 전달할 수 있다. 하지만 청취자가 있는 공간에 다른 외부 잡음이 존재하고 잡음의 레벨이 초음파 스피커 장치로부터의 오디오 신호 레벨보다 크다면 청취자는 정상적인 청취가 불가능할 수 있다. 이에 대한 대응방안으로 본 발명의 일실시예에 따른 다이나믹레인지 제어 방안이 제시되었다. 특히 다양한 압축비를 갖는 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 구비하고 외부 잡음의 레벨에 따라 적절한 압축비를 갖는 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하여 입력 오디오 신호에 적용한다면 청취자는 외부 잡음이 큰 경우 초음파 스피커로부터 더 높은 레벨의 오디오 신호를 청취할 수 있을 것이며, 외부 잡음이 거의 없는 경우에는 임계레벨 이하의 오디오 신호를 편안하게 청취할 수 있을 것이다.The superdirectional ultrasonic speaker device may use the superdirectional characteristic to transmit an audio signal only for the listener at a specific position. However, if there is other external noise in the space where the listener is located and the level of the noise is higher than the audio signal level from the ultrasonic speaker device, the listener may not be able to listen normally. As a countermeasure, a dynamic range control method according to an embodiment of the present invention has been proposed. In particular, if a dynamic range control characteristic graph having various compression ratios is provided and a dynamic range control characteristic graph having an appropriate compression ratio is selected and applied to an input audio signal according to the level of external noise, the listener may have a higher level from the ultrasonic speaker when the external noise is loud You will be able to listen to the audio signal of, and if there is little external noise, you will be able to comfortably listen to the audio signal below the threshold level.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초지향성 초음파 스피커장치의 개선된 오디오 신호처리 방법 및 이를 구비한 초음파 스피커 장치에 대하여 보다 구체적으로 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, an improved audio signal processing method and an ultrasonic speaker device having the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 초음파 스피커 장치는 개선된 오디오 신호처리부(120)를 포함한다. 상기 오디오 신호처리부(120)는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하고 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 음질개선부(200)와, 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 레벨값과 외부 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하고 상기 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 다이나믹레인지 제어부(300)와, 레벨이 제어된 오디오 신호를 초음파 변조하는 초음파 변조부(100)와, 초음파 변조된 신호를 공기중으로 출력하는 초음파 트랜듀서(110)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the ultrasonic speaker device according to the present invention includes an improved audio signal processor 120. The audio signal processing unit 120 removes low frequency components of the input audio signal and uses the equalizer 220 to improve the sound quality of the response characteristics for each frequency band, and the audio for which the response characteristics are corrected for each frequency band. Dynamic range control unit 300 for controlling the output audio signal level by selecting the dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the signal with the level value of the external noise signal and applying it to the corrected audio signal, and the level controlled audio. An ultrasonic modulator 100 for ultrasonically modulating the signal, and the ultrasonic transducer 110 for outputting the ultrasonically modulated signal to the air.

오디오 신호 입력장치는 일반적인 MP3플레이어, 마이크, 음원 재생장치 등 오디오 신호를 전달할 수 있는 것이라면 어떤 것이어도 무방하다. 외부 잡음 입력장치는 마이크와 같이 외부에 존재하는 소음을 전기적 신호로 바꾸어 줄 수 있는 장치를 의미하며 마이크에 한정되는 것은 아니다. 외부 잡음 신호 입력장치는 청취자 부근에 설치될 수도 있으며, 초음파 스피커 장치에 일체로 설치되어 전체적인 주변 잡음을 입력받을 수도 있을 것이다.The audio signal input device may be any audio signal input device such as a general MP3 player, a microphone, and a sound source playback device. The external noise input device refers to a device capable of converting external noise such as a microphone into an electrical signal, but is not limited to the microphone. The external noise signal input device may be installed near the listener, or may be installed integrally with the ultrasonic speaker device to receive the overall ambient noise.

도 3을 참조하면 음질개선부(200)는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 고역통과필터(210);와 고역통과필터(210)를 통과하여 저주파 성분이 제거된 신호를 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 이퀄라이저(220);와 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부(230);와 이퀄라이저(220) 및 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 리미터(240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 3, the sound quality improvement unit 200 may include a high pass filter 210 for removing low frequency components of an input audio signal; and a signal for which low frequency components have been removed by passing through the high pass filter 210 for each frequency band. Equalizer 220 for correcting the characteristic; and Sound pressure level correction unit 230 for adjusting the sound pressure level of the signal whose response characteristics are corrected for each frequency band; and Signals that may occur in the equalizer 220 and sound pressure level correction unit 230 And a limiter 240 that controls the size of the signal not to increase by more than a certain level to prevent clipping of the signal.

고역통과필터(210)(High Pass Filter)는 입력 오디오신호에 포함된 저주파 성분을 제거하기 위한 것이다. 초음파 스피커는 초음파 트랜듀서(110)의 물리적인 한계로 인하여 낮은 주파수 성분을 재생하기 어렵다. 따라서 가장 먼저 고역통과필터(210)(HPF)를 통하여 초음파 스피커에서 재생하기 힘든 저주파 대역을 제거하는 것은 신호 증폭에 필요한 헤드룸(Head-Room)을 확보하고, 낮은 전력으로도 라우드니스(loudness)를 확보하기 위하여 필수적이다.The high pass filter 210 is to remove low frequency components included in the input audio signal. The ultrasonic speaker is difficult to reproduce low frequency components due to the physical limitations of the ultrasonic transducer 110. Therefore, the first to remove the low-frequency band difficult to reproduce in the ultrasonic speaker through the high pass filter 210 (HPF) to secure the head-room required for signal amplification, and to improve the loudness (loudness) at low power It is essential to secure.

본 발명에서 사용한 고역통과필터(210)는 도 5에 도시한 바와 같이 2차 IIR 필터(210)(Infinite Impulse Response Filter)로 구현되어 있으며, 컷오프 주파수(cutoff frequency)는 사용된 초음파 트랜듀서(110)의 출력 성능을 기반으로 설정할 수 있다. 초음파 트랜듀서(110)의 출력 성능은 단일 톤 신호를 재생한 가청주파수 신호를 확인함으로서 파악할 수 있다. 본 발명에서 초음파 트랜듀서(110)는 약 150Hz부터 유효한 재생이 가능함을 확인하였으며, 이를 기반으로 컷오프 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 한다. 한편 본 발명에서 고역통과필터(210)는 구현의 용이성을 위하여 2차 IIR 필터 구조를 채용하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자라면 필요에 따라 다양한 구조의 고역통과필터(210)를 채용할 수 있음은 자명하다.The high pass filter 210 used in the present invention is implemented as a second-order IIR filter 210 (Infinite Impulse Response Filter), as shown in Figure 5, the cutoff frequency (cutoff frequency) used ultrasonic transducer 110 This can be set based on the output performance of). The output performance of the ultrasonic transducer 110 can be grasped by confirming an audible frequency signal reproducing a single tone signal. In the present invention, the ultrasonic transducer 110 confirms that effective reproduction is possible from about 150 Hz, and the cutoff low frequency component is 150 Hz or less based on this. Meanwhile, in the present invention, the high pass filter 210 employs a secondary IIR filter structure for ease of implementation, but the present invention is not limited thereto, and a person having ordinary skill in the art may employ a high pass filter 210 having various structures as necessary. Is self-explanatory.

고역통과필터(210)를 통해 저주파 성분이 제거된 신호는 주파수 대역별로 주파수 특성을 보정하기 위한 이퀄라이저(220)(Equalizer)로 입력된다. 이퀄라이저(220)는 초음파 트랜듀서(110), 초음파 증폭기(AMP) 및 공기중(air column)의 주파수 응답 특성을 보정함과 동시에 명료도 강화를 위하여 사용된다.The signal from which low frequency components are removed through the high pass filter 210 is input to an equalizer 220 for correcting frequency characteristics for each frequency band. The equalizer 220 is used to correct the frequency response characteristics of the ultrasonic transducer 110, the ultrasonic amplifier AMP, and the air column, and at the same time to enhance the intelligibility.

도 6에는 디폴트(Default) 값으로 설정된 IIR(Infinite Impulse Response) 이퀄라이저(220)(Equalizer)의 특성곡선을 보여준다. 이퀄라이저(220)는 공기중(Air column)과 초음파 트랜듀서(110) 및 초음파 증폭기(AMP)의 주파수 응답을 평활화할 뿐만 아니라 음성 명료도에 중요한 4kHz 대역 이상을 증폭하도록 설계하였다. 명료도를 높이기 위하여 이퀄라이저(220) 특성곡선은 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.FIG. 6 shows a characteristic curve of an Infinite Impulse Response (IIR) equalizer 220 (Equalizer) set to a default value. The equalizer 220 is designed not only to smooth the frequency response of the air column, the ultrasonic transducer 110, and the ultrasonic amplifier (AMP) but also to amplify the 4kHz band or more, which is important for speech intelligibility. It is apparent to those skilled in the art that the characteristic curve of the equalizer 220 may be appropriately adjusted as necessary to increase the intelligibility.

도 14는 이퀄라이저(220)를 적용한 주파수 응답특성을 보여주는 도면이다. 도 14의 좌측 도표는 원음 신호의 주파수 성분을 보여주며, 우측 도표는 원음 신호가 이퀄라이저(220)를 통과한 신호의 주파수 성분을 보여준다. 이퀄라이저(220)를 통하여 하모닉 왜곡을 감소 또는 제거하고 저음부분을 보상할 수 있는 효과가 있다.14 is a diagram illustrating a frequency response characteristic to which the equalizer 220 is applied. The left diagram of FIG. 14 shows the frequency components of the original sound signal, and the right diagram shows the frequency components of the signal through which the original signal has passed through the equalizer 220. The equalizer 220 has an effect of reducing or eliminating harmonic distortion and compensating for the bass portion.

이퀄라이저(220)에서 주파수 응답특성이 조정된 신호는 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부(230)로 입력된다. 초음파 스피커의 사용 목적상 특정 사용자에게만 소리를 들리게 하기 위한 높은 지향성뿐만 아니라 재생되는 소리의 레벨(level)을 원하는 목표값(target level)에서 유지하는 것이 필요하다. 음압레벨 보정부(230)는 이를 위하여 필요한 구성으로서 너무 높은 레벨(제 2 레벨)의 신호는 압축(Compressing)하고, 일정 구간 레벨의 신호는 명료도를 향상시키기 위한 메이크업 이득(Make-Up Gain)을 주며, 너무 낮은 레벨(제 1 레벨)의 신호는 재생하지 않도록 제거하는 기능을 수행한다. The signal whose frequency response is adjusted by the equalizer 220 is input to the sound pressure level correction unit 230 that adjusts the sound pressure level. For the purpose of the use of the ultrasonic speaker, it is necessary to maintain the level of the reproduced sound at a desired target level as well as a high directivity to make the sound heard only by a specific user. The sound pressure level correction unit 230 is a configuration necessary for this purpose is to compress the signal of a level (second level) that is too high, and the signal of a certain section level provides a make-up gain for improving the clarity. And a signal of too low a level (first level) is removed to prevent reproduction.

도 7은 음압레벨 보정부(230)의 입/출력 레벨에 대한 특성 그래프를 나타낸다. 도 7에 따르면 본 발명의 일실시예에서 음압레벨 보정부(230)의 입/출력 특성은 너무 낮은 레벨의 입력은 재생하지 않도록 제 1 레벨은 약 -83dB 이하로 설정하였고, 너무 높은 레벨의 입력은 압축하도록 제 2 레벨을 -7dB 이상으로 설정하였으며, 그 외의 신호 레벨은 메이크업 이득(Make-up gain)으로 4dB를 적용하였다.7 shows a characteristic graph of the input / output level of the sound pressure level correction unit 230. According to FIG. 7, in the exemplary embodiment of the present invention, the input / output characteristic of the sound pressure level correction unit 230 is set to about −83 dB or less so that the first level is not reproduced. The second level was set to -7 dB or more to compress the signal, and the other signal level was applied to 4 dB as the make-up gain.

따라서 상기 음압레벨 보정부(230)는 신호 레벨이 제 1 레벨(dB) 이하는 재생하지 않도록 제거하고, 제 2레벨(dB) 이상은 압축하며, 그 외의 신호 레벨은 4dB 이상의 이득을 주는 것을 특징으로 한다.Therefore, the sound pressure level correction unit 230 removes the signal level below the first level (dB) so as not to reproduce, compresses the second level (dB) or more, and other signal levels give a gain of 4dB or more. It is done.

음압레벨 보정부(230)의 출력은 리미터(240)로 입력된다. 리미터(240)는 이퀄라이저(220) 및 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어한다. 이퀄라이저(220) 또는 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 시간 영역에서의 신호의 클리핑(clipping)은 주파수 영역에서 하모닉을 생성하여 소리를 왜곡시킬 수 있기 때문이다. 따라서 리미터(240)는 신호 레벨이 특정 임계값(threshold) 이상으로 커지지 않도록 하는데 사용된다.The output of the sound pressure level correction unit 230 is input to the limiter 240. The limiter 240 controls the size of the signal not to increase by more than a certain level in order to prevent clipping of signals that may occur in the equalizer 220 and the sound pressure level corrector 230. This is because clipping of the signal in the time domain, which may occur in the equalizer 220 or the sound pressure level corrector 230, may generate harmonics in the frequency domain and distort the sound. Thus, the limiter 240 is used to ensure that the signal level does not rise above a certain threshold.

도 8은 리미터(240)를 적용하기 이전의 파형과 리미터(240) 적용 이후의 파형을 보여준다. 도 8 좌측의 도표에서 0.5 레벨 이상의 신호가 리미터(240)에 입력되면 우측의 도표와 같이 임계값 이상으로 커지지 않도록 조정되어 출력된다.8 shows a waveform before applying the limiter 240 and a waveform after applying the limiter 240. When a signal of 0.5 level or more is input to the limiter 240 in the chart on the left side of FIG.

다이나믹레인지 제어부(300)는 오디오 신호 레벨과 외부 잡음 신호 레벨을 비교하여 오디오 신호의 다이나믹레인지 특성을 제어한다. 도 9를 참조하면 다이나믹레인지 제어부(300)는 입력되는 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 직류 성분을 제거한 후 오디오 신호의 레벨값을 판단하는 오디오 신호 레벨 판단부;, 외부 잡음 입력 장치로부터 입력되는 잡음 신호의 직류 성분을 제거한 후 잡음 신호의 레벨값을 판단하는 잡음 신호 레벨 판단부(320);, 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 선택부(330);, 선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 오디오에 적용하여 출력 신호 레벨을 제어하는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 적용부(330);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나믹레인지 제어부(300)를 포함할 수 있다. The dynamic range controller 300 controls the dynamic range characteristic of the audio signal by comparing the audio signal level with the external noise signal level. Referring to FIG. 9, the dynamic range controller 300 may include: an audio signal level determination unit configured to determine a level value of an audio signal after removing a DC component of an audio signal whose response characteristic is corrected for each input frequency band; A noise signal level determination unit 320 for removing a DC component of an input noise signal and determining a level value of the noise signal; and selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal with the level value of the noise signal Dynamic range control characteristic graph selector 330; Dynamic range control characteristic graph application unit 330 for controlling the output signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio; It may include a control unit 300.

오디오 신호 레벨 판단부(310)와 잡음 신호 레벨 판단부(320)는 정확한 레벨값의 비교를 위하여 오디오 신호 및 잡음 신호 각각에 섞여있는 직류 성분을 제거한 후 레벨값을 비교한다. 비교되는 레벨값은 다이나믹레인지의 최대값이 될 수 있으며 일정 기간에 대한 각각의 신호의 최대값의 평균치가 될 수도 있다. The audio signal level determination unit 310 and the noise signal level determination unit 320 compare the level values after removing the DC components mixed in each of the audio signal and the noise signal in order to accurately compare the level values. The level value to be compared may be the maximum value of the dynamic range and may be the average value of the maximum value of each signal over a period of time.

다이나믹레인지 제어특성 그래프 선택부(330)는 하나 이상의 다양한 압축비를 갖는 제어특성 그래프 정보를 구비하고 있으며 오디오 신호 레벨값보다 잡음 신호 레벨값이 크다면 청취자의 오디오 신호 청취 레벨을 높이기 위하여 압축비를 ∞:1에서 1:1까지 선택할 수 있다. 임계레벨 이상의 오디오 신호 레벨을 증가시키도록 선택한 제어특성 그래프 정보는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 적용부(330)에 전달될 수 있다. The dynamic range control characteristic graph selector 330 includes control characteristic graph information having one or more various compression ratios. If the noise signal level value is larger than the audio signal level value, the dynamic range control characteristic graph selector 330 may adjust the compression ratio to increase the audio signal listening level of the listener. You can choose from 1 to 1: 1. The control characteristic graph information selected to increase the audio signal level above the threshold level may be transmitted to the dynamic range control characteristic graph application unit 330.

도 12를 참조하면 다양한 압축비는 하나 이상의 제어특성 그래프로 나타낼 수 있으며 압축비는 압축비를 ∞:1에서 1:1까지 선택할 수 있으며 필요에 따라 적정 비율로 복수개의 제어특성 그래프로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 12, various compression ratios may be represented by one or more control characteristic graphs, and the compression ratio may select a compression ratio from ∞: 1 to 1: 1 and may be configured as a plurality of control characteristic graphs at an appropriate ratio as necessary.

다이나믹레인지 제어특성 그래프 적용부(330)는 선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 오디오 신호에 적용하여 출력 신호 레벨을 제어할 수 있다. 이때 상기 다이나믹레인지 제어특성 그래프는 특정 레벨 이상의 신호를 압축하는 것을 기본적인 기능으로 하지만 필요에 따라 신장(expanding)할 수도 있다. 도면에 도시되지는 아니하였지만 신장하는 경우 신장비는 1:2, 1:3과 같이 되어 입계레벨 이상의 입력신호는 증폭되어 출력되는 제어특성 그래프를 만들 수 있을 것이다.The dynamic range control characteristic graph application unit 330 may control the output signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio signal. In this case, the dynamic range control characteristic graph is a basic function of compressing a signal of a specific level or more, but may be expanded as necessary. Although not shown in the drawing, the stretching ratio becomes 1: 2, 1: 3, so that the control characteristic graph in which the input signal over the grain boundary level is amplified and output can be made.

초음파변조부(100)는 상기 오디오 신호처리부(120)에서 출력되는 오디오 신호를 초음파 진폭변조하며 DSB(Double Side Band) 또는 SSB(Single Side Band) 진폭변조(Amplitude Modulation)를 수행할 수 있다. 또한 초음파변조부(100)는 도 13에서 보여주는 바와 같이 AM(Amplitude Modulation) 변조부(100) 및 초음파 증폭부로 구성될 수도 있다. 초음파 트랜듀서(110)는 진폭변조된 초음파 신호를 공기중으로 출력한다.The ultrasonic modulator 100 may perform ultrasonic amplitude modulation on the audio signal output from the audio signal processor 120 and perform double side band (DSB) or single side band (SSB) amplitude modulation. In addition, the ultrasonic modulator 100 may be configured of an AM (Amplitude Modulation) modulator 100 and an ultrasonic amplifier, as shown in FIG. The ultrasonic transducer 110 outputs the amplitude-modulated ultrasonic signal into the air.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 스피커장치의 개선된 오디오 신호처리의 흐름도를 보여준다. 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법은 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하고 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 1 단계; 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 레벨값과 외부 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하고 상기 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 제 2 단계; 레벨이 제어된 오디오 신호를 초음파 변조하는 제 3 단계를 포함한다. Figure 2 shows a flow diagram of the improved audio signal processing of the ultrasonic speaker apparatus according to an embodiment of the present invention. An improved audio signal processing method of an ultrasonic speaker device includes a first step of removing low frequency components of an input audio signal and correcting response characteristics for each frequency band using the equalizer 220; A second step of selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band with the level value of the external noise signal and controlling the output audio signal level by applying the dynamic range control characteristic graph to the corrected audio signal; And a third step of ultrasonically modulating the level controlled audio signal.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 스피커장치의 개선된 오디오 신호처리에서 제 1 단계의 음질개선 방법의 흐름도를 보여준다. 제 1 단계는, 고역통과필터(210)를 이용하여 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 제 1-1 단계; 저주파 성분이 제거된 신호를 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 1-2 단계; 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 제 1-3 단계; 제 1-2 단계 및 제 1-3 단계에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 리미터(240)를 이용하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 제 1-4 단계를 포함할 수 있다.Figure 4 shows a flow chart of the sound quality improvement method of the first step in the improved audio signal processing of the ultrasonic speaker apparatus according to an embodiment of the present invention. The first step may include a step 1-1 of removing low frequency components of an audio signal input using the high pass filter 210; A second step of correcting a response characteristic for each frequency band by using the equalizer 220 of the signal from which the low frequency component is removed; Adjusting the sound pressure level of the signal whose response characteristic is corrected for each frequency band; In order to prevent clipping of signals that may occur in steps 1-2 and 1-3, steps 1-4 may be controlled by using the limiter 240 so that the magnitude of the signal does not increase more than a certain level. have.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 스피커장치의 개선된 오디오 신호처리에서 제 2 단계의 다이나믹레인지 제어 방법의 흐름도를 보여준다. 제 2 단계는, 입력되는 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 직류 성분을 제거한 후 오디오 신호의 레벨값을 판단하는 제 2-1 단계; 외부 잡음 신호를 입력 장치를 통해 입력받아 직류 성분을 제거한 후 잡음 신호의 레벨값을 판단하는 제 2-2 단계; 직류 성분이 제거된 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 제 2-3 단계; 선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 제 2-4 단계를 포함할 수 있다. 10 is a flowchart illustrating a method of controlling the dynamic range of the second stage in the improved audio signal processing of the ultrasonic speaker apparatus according to an embodiment of the present invention. The second step includes a step 2-1 of determining a level value of the audio signal after removing the direct current component of the audio signal whose response characteristic is corrected for each input frequency band; Step 2-2 of receiving an external noise signal through an input device, removing a DC component, and then determining a level value of the noise signal; Selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal from which the DC component is removed with the level value of the noise signal; And a second to fourth step of controlling the output audio signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band.

개선된 오디오 신호처리 방법은 상술한 개선된 오디오 신호처리부(120)를 포함하는 초지향성 초음파 스피커 장치와 발명의 카테고리만을 달리하고 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.The improved audio signal processing method is different from the super-directional ultrasonic speaker device including the improved audio signal processing unit 120 described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

다만 개선된 오디오 신호처리 방법은 DSP(Digital Signal Processor)에서 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램으로 구현된 수 있으며 PC와 같은 컴퓨터 장치 또는 휴대폰 등에서 실행될 수 있는 앱과 같은 프로그램으로도 구현될 수 있다. 이 경우 프로그램은 컴퓨터 판독가능 저장매체에 기록되어 저장되고 컴퓨터, 휴대폰 등과 같은 다양한 장치에서 실행될 수 있다.However, the improved audio signal processing method may be implemented as a computer program that may be executed in a digital signal processor (DSP), or may be implemented as a program such as an app that may be executed in a computer device such as a PC or a mobile phone. In this case, the program may be recorded and stored in a computer readable storage medium and executed in various devices such as a computer and a mobile phone.

이상으로 본 발명에 따른 초지향성 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법 및 이를 구비한 초지향성 초음파 스피커 장치에 대한 바람직한 실시예를 설명하였다. 전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술 될 특허청구범위에 의하여 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In the above, the preferred embodiments of the improved audio signal processing method of the superdirectional ultrasonic speaker device and the superdirectional ultrasonic speaker device having the same have been described. The above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the claims that follow, rather than the foregoing detailed description. And it is to be understood that all changes and modifications derived from the equivalent concept as well as the meaning and scope of the claims are included in the scope of the present invention.

100 : 초음파 변조부
110 : 초음파 트랜듀서
120 : 오디오 신호처리부
200 : 음질개선부
210 : 고역통과필터
220 : 이퀄라이저
230 : 음압레벨 보정부
240 : 리미터
300 : 다이나믹레인지 제어부
310 : 오디오 신호레벨 판단부
320 : 잡음 신호레벨 판단부
330 : 다이나믹레인지 제어특성 그래프 선택부
340 : 다이나믹레인지 제어특성 그래프 적용부
100: ultrasonic modulator
110: ultrasonic transducer
120: audio signal processor
200: sound quality improvement unit
210: high pass filter
220: equalizer
230: sound pressure level correction unit
240: limiter
300: dynamic range control unit
310: audio signal level determination unit
320: noise signal level determination unit
330: dynamic range control characteristic graph selector
340: dynamic range control characteristic graph application unit

Claims (7)

초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법에 있어서,
입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하고 이퀄라이저를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 1 단계;
주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 레벨값과 외부 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하고 상기 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 제 2 단계;
레벨이 제어된 오디오 신호를 초음파 변조하는 제 3 단계를 포함하고,
상기 제 1 단계는,
고역통과필터를 이용하여 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 제 1-1 단계;
저주파 성분이 제거된 신호를 이퀄라이저를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 1-2 단계;
주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 제 1-3 단계;
제 1-2 단계 및 제 1-3 단계에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 리미터를 이용하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 제 1-4 단계를 포함하며,
상기 초음파 스피커 장치는 초음파 변조부와 초음파 트랜듀서를 포함하고, 상기 초음파 스피커 장치는 초음파 변조를 통해 음파진행 방향에 초지향성을 부여하며, 상기 제 1-1 단계에서 제거되는 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법.
In the improved audio signal processing method of the ultrasonic speaker device,
Removing a low frequency component of an input audio signal and correcting a response characteristic for each frequency band using an equalizer;
A second step of selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band with the level value of the external noise signal and controlling the output audio signal level by applying the dynamic range control characteristic graph to the corrected audio signal;
A third step of ultrasonically modulating the level controlled audio signal,
The first step is,
A step 1-1 of removing low frequency components of an input audio signal using a high pass filter;
A step 1-2 of correcting a response characteristic for each frequency band by using an equalizer to remove the low frequency component signal;
Adjusting the sound pressure level of the signal whose response characteristic is corrected for each frequency band;
1 to 4 steps of controlling the signal size does not increase more than a certain level by using a limiter to prevent clipping of the signal that can occur in steps 1-2 and 1-3,
The ultrasonic speaker device may include an ultrasonic modulator and an ultrasonic transducer, and the ultrasonic speaker device may provide hyperdirectionality in a sound wave propagation direction through ultrasonic modulation, and the low frequency component removed in step 1-1 may be 150 Hz or less. An improved audio signal processing method for an ultrasonic speaker device, characterized by the above-mentioned.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 단계는,
입력되는 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 직류 성분을 제거한 후 오디오 신호의 레벨값을 판단하는 제 2-1 단계;
외부 잡음 신호를 입력 장치를 통해 입력받아 직류 성분을 제거한 후 잡음 신호의 레벨값을 판단하는 제 2-2 단계;
직류 성분이 제거된 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 제 2-3 단계;
선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 제 2-4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스피커 장치의 개선된 오디오 신호처리 방법.
The method according to claim 1,
The second step,
A step 2-1 of determining a level value of the audio signal after removing a DC component of the audio signal whose response characteristic is corrected for each input frequency band;
Step 2-2 of receiving an external noise signal through an input device, removing a DC component, and then determining a level value of the noise signal;
Selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal from which the DC component is removed with the level value of the noise signal;
And a second step of controlling the output audio signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band. .
개선된 오디오 신호처리부를 포함하는 초음파 스피커 장치에 있어서,
상기 오디오 신호처리부는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하고 이퀄라이저를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 음질개선부;와,
주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 레벨값과 외부 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하고 상기 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 다이나믹레인지 제어부;와,
레벨이 제어된 오디오 신호를 초음파 변조하는 초음파변조부;와,
초음파 변조된 신호를 공기중으로 출력하는 초음파 트랜듀서;를 포함하고,
상기 음질개선부는,
입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 고역통과필터;와,
저주파 성분이 제거된 신호를 파수 대역별로 응답특성을 보정하는 이퀄라이저;와,
주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부;와,
이퀄라이저 및 음압레벨 보정부에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 리미터;를 포함하며,
상기 초음파 스피커 장치는 초음파 변조부와 초음파 트랜듀서를 포함하고, 상기 초음파 스피커 장치는 초음파 변조를 통해 음파진행 방향에 초지향성을 부여하며, 상기 고역통과필터에서 제거되는 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 개선된 오디오 신호처리부를 포함하는 초음파 스피커 장치.
An ultrasonic speaker device including an improved audio signal processor,
The audio signal processor includes: a sound quality improving unit for removing low frequency components of an input audio signal and correcting response characteristics for each frequency band using an equalizer;
A dynamic range controller configured to compare a level value of an audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band with a level value of an external noise signal, select a dynamic range control characteristic graph, and apply the same to the corrected audio signal to control an output audio signal level; Wow,
An ultrasonic modulator for ultrasonically modulating the audio signal whose level is controlled;
And an ultrasonic transducer for outputting the ultrasonically modulated signal to the air.
The sound quality improvement unit,
A high pass filter for removing low frequency components of an input audio signal; and
An equalizer for correcting response characteristics for each frequency band of a signal from which low frequency components have been removed; and,
Sound pressure level correction unit for adjusting the sound pressure level of the signal whose response characteristics are corrected for each frequency band; And,
Includes a limiter for controlling the signal size does not increase more than a certain level in order to prevent clipping of the signal that may occur in the equalizer and sound pressure level correction unit;
The ultrasonic speaker device includes an ultrasonic modulator and an ultrasonic transducer, and the ultrasonic speaker device imparts superdirectionality to the sound wave propagation direction through ultrasonic modulation, and the low frequency component removed from the high pass filter is 150 Hz or less. Ultrasonic speaker device comprising an improved audio signal processing unit characterized in that.
삭제delete 청구항 4에 있어서,
상기 다이나믹레인지 제어부는,
입력되는 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호의 직류 성분을 제거한 후 오디오 신호의 레벨값을 판단하는 오디오 신호 레벨 판단부;와,
외부 잡음 신호를 입력 장치를 통해 입력받아 직류 성분을 제거한 후 잡음 신호의 레벨값을 판단하는 잡음 신호 레벨 판단부;와,
직류 성분이 제거된 오디오 신호의 레벨값과 잡음 신호의 레벨값을 비교하여 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 선택하는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 선택부;와,
선택된 다이나믹레인지 제어특성 그래프를 상기 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 오디오 신호에 적용하여 출력 오디오 신호 레벨을 제어하는 다이나믹레인지 제어특성 그래프 적용부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 오디오 신호처리부를 포함하는 초음파 스피커 장치.
The method according to claim 4,
The dynamic range control unit,
An audio signal level determination unit to determine a level value of the audio signal after removing a DC component of the audio signal whose response characteristic is corrected for each input frequency band;
A noise signal level determination unit that receives an external noise signal through an input device, removes a DC component, and then determines a level value of the noise signal;
A dynamic range control characteristic graph selector for selecting a dynamic range control characteristic graph by comparing the level value of the audio signal from which the DC component is removed with the level value of the noise signal;
And a dynamic range control characteristic graph application unit for controlling the output audio signal level by applying the selected dynamic range control characteristic graph to the audio signal whose response characteristic is corrected for each frequency band. Ultrasonic speaker device.
청구항 1 또는 청구항 3의 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 저장매체.A computer-readable storage medium having recorded thereon a program for performing the method of claim 1.
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