KR100206834B1 - 능동제어형 소음제거 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 가전제품에서 발생되는 소음을 제거하는 기술에 관한 것으로, 종래의 소음 제거장치에 있어서는 고가의 디지털신호 처리기 및 A/D변환기를 사용하여 제품의 경쟁력을 약화시키는 결함으로 대두되었다.

따라서, 본 발명은 이를 해결하기 위하여, 범용의 마이크로컴퓨터를 채택하고, 실제 소음신호(N(k))와 스피커를 통해 출력된 소음제거용 신호(y(k))와 합성 된 후 그들간의 차에 해당하는 오차신호(E(k))를 구하는 제1과정과 ; 상기 오차신호(E(k))와 이전에 출력한 소음제거용 신호(y(k))를 근거로 현재의 소음신호(N(k))를 구한 후 그 소음신호(N(k))와 다음에 출력할 소음 제거용 신호(y(k-1))를 이용하여 소음신호의 변화량(ΔN(k))를 구하는 제2과정과 ; 상기에서 구한 현재의 소음신호(N(k)) 및 그 소음신호(N(k))의 변화량(ΔN(k))를 근거로 소음제거용 신호(y(k))를 생성하여 스피커측으로 출력하는 제3과정을 통해 소음을 제거하도록 하였다.

Description

능동제어형 소음제거 방법 및 장치

제1도는 일반적인 능동소음제어의 원리를 보인 개략 블록도.

제2a도는 소음신호의 파형도.

제2b도는 소음제거용 신호의 파형도.

제2c도는 소음 제거원리를 적용한 파형도.

제3도는 능동소음 제어원리를 보다 구체적으로 표현한 일반적인 소음제거장치의 블록도.

제4도는 제3도에서 실시간신호 처리부를 통해 제어되는 알고리즘의 기능블록도.

제5도는 일반적인 소음 제거장치가 냉장고에 적용된 예를 보인 예시도.

제6도는 제3도에서 실시간신호 처리부의 제어 알고리즘을 보인 신호 흐름도.

제7도는 본 발명 능동제어형 소음제거 장치에 대한 일실시 예시 블록도.

제8도는 제7도에서 마이크로컴퓨터의 제어 알고리즘 블록도.

제9도는 소음신호 대 소음 제거용 신호의 비교 파형도.

제10도는 본 발명에 적용되는 제어 규칙 및 인덱스 데이터 테이블 생성도.

제11도는 본 발명 능동제어형 소음제거 방법에 대한 신호 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

71 : 센서부 72 : 신호 증폭부

73, 76 : 저역필터 74 : 위상 감지부

75 : 마이크로컴퓨터 77 : 전력증폭부

78 : 출력부

본 발명은 각종 가전제품에서 발생되는 소음을 제거하는 기술에 관한 것으로, 특히 저가격의 마이크로컴퓨터를 이용하여 가전제품의 모터나 엑츄에이터에서 발생되는 소음을 능동적으로 제거함에 있어서, 회로의 단순화 및 저가격화를 실현하면서 신뢰성을 향상시키는데 적당하도록한 능동제어형 소음제거 방법 및 장치에 관한 것이다.

제1도는 능동소음제어의 원리를 보인 개략 블록도로서 제2도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

모터의 회전에 의한 물체의 떨림현상등에 의하여 일정한 음향학적 공간에서 발생되는 제2a도와 같은 소음(N)이 마이크로폰(11)을 통해 전기적인 신호로 변환된 후 전치증폭기(12)를 통해 소정 레벨로 증폭되어 콘트롤러(13)에 전달되고, 그 콘트롤러(13)는 입력된 신호와 반대 위상을 갖는 인공음을 발생한다.

상기 발생된 인공음이 증폭기(14)를 통해 적정 레벨로 증폭된 후 스피커(15)에 공급되어 이로부터 제2b도와 같은 인공음(S)이 발생된다. 즉, 상기 소음(N)과 크기가 같고 위상이 반대인 인공음(S)이 발생되어 그 소음(N)과 합해(N+S)지므로 이론상으로 제2c도와 같이 소음이 제거된다.

한편, 제3도는 상기 능동소음 제어원리를 보다 구체적으로 표현한 일반적인 소음 제거장치의 블록도로서 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.

센서부(30)를 통해 감지된 소음신호(X(k))가 신호 증폭부(31)를 통해 소정레벨로 증폭된 후 저역필터(32)를 통해 고조파가 제거되고, 다시 A/D변환기(33)를 통해 디지털신호로 변환되어 디지털신호처리기(DSP)와 같은 실시간 신호처리부(34)에 공급된다.

이때, 상기 실시간 신호처리부(34)는 마이크로컴퓨터(35)의 제어하에 입력된 소음신호와 동일한 진폭과 역위상을 갖는 신호를 생성하여 출력하게 되고, 이는 D/A변환기(36)를 통해 아날로그신호로 변환된 후 저역필터(37) 및 전력증폭부(38)를 통해 원래의 소음심호와 같은 크기의 신호로 변환되고, 이렇게 생성된 소음제거용 신호가 스피커와 같은 출력부(39)를 통해 음향학적 공간에 출력되어 소음신호와 합성되므로 그 소음이 제거된다.

그런데, 상기 실시간 신호처리부(34)는 발생된 소음신호를 감지하여 그 감지된 소음신호와 동일한 진폭 및 역위상을 갖는 인공음을 생성함에 있어서, 발생된 소음신호와 위상 지연없이 실시간으로 처리할 수 있도록 즉, 곱셈/나눗셈등의 계산을 빠르게 수행할 수 있도록 설계된 디지털 신호 처리기(DSP : Digital Signal Processor)로 구현된다. 또한, 감지된 소음신호를 디지털신호로 양자화(Quantization)하기 위하여 A/D변환기(33)를 양방향성 신호감지용 A/D변환기를 전용으로 사용하게 된다.

제4도는 제3도에서 실시간신호 처리부(34)를 통해 제어되는 알고리즘의 기능 블록도를 보인 것으로 이에 도시한 바와 같이, 발생된 소음원을 근거로 적응형 디지털 필터(42)를 통해 그 소음원과 위상이 반대이고 진폭이 같은 인공음을 발생시켜 잔여오차신호(E(k))가 거의 영(Zero)이 되도록 그 적응형 디지털 필터(42)의 특성 파라메터를 실시간 및 온라인방식으로 조정하도록 설계되어 있다. 즉, 적응형 디지털필터(42)가 참조신호(X(k))를 근거로 발생한 신호(y(k))와 제어대상 시스템(41)에서 발생된 신호와의 오차(E(k)를 감산기(43)를 이용하여 구하고, 그 오차(E(k))에 따라 적응형 디지털 필터(42)의 특성 파라메터를 갱신하여 오차(E(k))가 거의 영에 접근된다.

제5도는 제3도와 같은 소음 제거회로가 냉장고에 적용되는 것을 보인 예시도로서 이의 동작원리는 상기의 설명에서와 같다. 여기서, 센서1(52A)는 소음 발생원인 콤프레셔(51)에서 발생되는 소음을 감지하기 위해 사용된 것이고, 다른 하나의 센서(52B)는 오차를 감지하기 위해 사용된 것이다.

제6도는 제3도에서 상기 실시간신호 처리부(34)에 의한 제어 알고리즘을 보인 신호 흐름도이다.

그러나, 이와 같은 종래의 소음 제거장치에 있어서는 소음을 인식하기 위하여 수학적인 등가 모델링 방법인 최적 매개변수(Parameter) 값을 구하는 방법을 이용하기 때문에 매개변수를 구하는 시간과 구해진 매개변수로부터 제어 출력값을 발생하는데 빠른 연산을 위해 디지털신호 처리기(DSP)를 사용하고, 그 디지털 신호 처리기와의 동기를 위한 전용의 양방향성 A/D변환기를 사용하고 있는데, 그 디지털신호 처리기 및 A/D변환기가 고가이므로 제품의 경쟁력을 약화시키는 결함으로 대두되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 디지털신호 처리기를 사용하는 대신 저가의 범용 마이크로컴퓨터를 채택하고, 지능제어기술인 신경망(Neural Network)등의 알고리즘을 이용하여 신호를 등가적으로 모델링하여 소음 제거용 신호를 생성하는 능동제어형 소음제거 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명 능동제어형 소음제거 방법은 실제 소음신호(N(k))와 스피커를 통해 출력된 소음제거용 신호(y(k))와 합성된 후 그들간의 차에 해당하는 오차신호(E(k))를 구하는 제1과정(S1, S2)과 ; 상기 오차신호(E(k))와 이전에 출력한 소음제거용 신호(y(k))를 근거로 현재의 소음신호(N(k))를 구한 후 그 소음신호(N(k))와 다음에 출력할 소음 제거용 신호(y(k-1))를 이용하여 소음신호의 변화량(ΔN(k))을 구하는 제2과정(S3, S4)과 ; 상기에서 구한 현재의 소음신호(N(k)) 및 그 소음신호(N(k))의 변화량(ΔN(k))을 근거로 소음제거용 신호(y(k))를 생성하여 스피커측으로 출력하는 제3과정(S5, S6)으로 이루어진다.

제7도는 본 발명에 능동제어형 소음제거 장치가 적용되는 소음 제거장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 일정한 음향학적 공간에서 발생하는 소음신호를 전기적인 신호로 변환하는 센서부(71)와 ; 상기 센서부(71)에 의해 감지된 미약한 소음신호를 적정 수준으로 증폭하는 신호 증폭부(72)와 ; 상기 증폭된 소음 감지신호에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하는 저역필터(73)와 ; 상기 저역필터(73)에서 출력되는 신호의 위상을 검출하는 위상 감지부(74)와 ; 저역필터(74)의 출력신호를 디지털신호로 샘플링한 신호와 상기 위상 감지부(74)의 출력신호를 근거로 소음신호를 인식한 후 소음신호에 대해 신경망을 통해 발생한 신호를 모델링되어 저장된 룩업 테이블을 근거로 소음 제거용 신호를 생성하고 이를 아날로그신호로 변환하여 출력하는 마이크로컴퓨터(75)와 ; 상기 아날로그의 소음제거용 신호를 스피커와 같은 출력부(78)측으로 전달하기 위해 저역필터링하고 증폭하는 저역필터(76) 및 전력 증폭부(77)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 제8도 내지 제11도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

음향학적 공간에서 발생되는 소음신호가 센서부(71)에 의해 감지되어 전기적인 신호로 변환되고, 이렇게 변환된 신호는 극히 미약한 신호이므로 신호 증폭부(72)를 통해 적정 수준으로 증폭한 후 다시 저역필터(73)를 통해 고조파성분을 제거한다.

상기 저역필터(73)의 출력신호는 직접 마이크로컴퓨터(75)에 공급되어 내부의 A/D변환을 통해 양자화 되고, 다른 현편으로는 위상 감지부(74)에 공급되어 이로부터 검출된 위상 감지신호가 그 마이크로컴퓨터(75)에 전달된다.

따라서, 상기 마이크로컴퓨터(75)는 상기 A/D변환기를 통해 디지털신호로 변환된 소음감지 신호와 상기 위상 감지부(74)의 출력신호를 근거로 소음신호를 인식한 후 소음신호에 대해 신경망을 통해 발생한 신호를 모델링되어 저장된 룩업 테이블을 근거로 인식된 소음신호에 대응하는 소음 제거용 신호를 생성하고 이를 아날로그신호로 변환하여 출력한다.

이렇게 발생된 소음 제거용 신호는 저역필터(76)를 통해 필터링되고, 전력증폭부(77)를 통해 소음신호와 같은 진폭의 신호로 증폭된 후 스피커와 같은 출력부(78)를 통해 소음이 발생된 공간에 출력되어 그 소음신호와 합산되므로 소음이 제거된다.

이하, 상기 마이크로컴퓨터(75)에서 소음 제거용 신호를 생성하는 과정에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 저역필터(73)에서 출력되는 소음감지신호를 A/D변환하고, 위상감지부(74)를 통해 감지된 위상 감지신호를 근거로 입력신호 즉, 소음 감지신호를 인식하게 된다. 이때, 입력신호는 제8도에서와 같이 실제 소음신호(N(k))와 스피커를 통해 출력된 소음제거용 신호(y(k))와 합성된 후 그들간의 차(에러)에 해당하는 잔여소음 신호(E(k))가 된다.

따라서, 실제 소음신호(N(k))와 그 소음신호(N(k))의 변화량을 알고 있으면 다음에 발생시킬 소음제거용 신호(y(k+1))를 예상할 수 있게 된다. 상기 소음신호(N(k))와 그 소음신호(N(k))의 변화량(ΔN(k))은 하기의 식을 통하여 구할 수 있다.

상기 (식1)의 오차신호(E(k))에서 과거의 제어신호 즉, 이미 출력된 소음제거용 신호(y(k+1))를 빼주는 것은 제9도에서와 같이 다음에 출력할 소음 제거용 신호(y(k-1))가 유지되고 있기 때문이다.

따라서, 상기 (식1)과 (식2)에 해당하는 크기에 비례하는 값을 마이크로컴퓨터(75)에 미리 기억시켜 둔 인덱스 테이블(룩업테이블)에서 찾아내어 현재의 소음신호(N(k))와 위상이 반대되는 위상(180°지연된 위상)의 신호를 생성하여 상기 출력부(스피커)(78)측으로 출력한다.

상기 제8도의 제어규칙 조정부(84) 및 제11도의 인덱스 테이블값 f(N(k), ΔN(k)는 소음신호에 대해 제10도의 신경망을 통해 발생한 신호를 모델링하여 입력대응 출력값이 1대1로 대응되도록 저장한 값이다.

한편, 제11도는 본 발명에 의한 소음제거 방법의 신호 흐름도로서 이를 참조하여 상기의 작용설명을 제 정리하면 다음과 같다.

먼저, 아날로그의 소음 감지신호를 디지털신호로 변환하고, 실제 소음신호(N(k))와 스피커를 통해 출력된 소음제거용 신호(y(k))와 합성된 후 그들간의 차에 해당하는 오차신호(E(k))를 구한다. (S1, S2)

이후, 상기에서 구한 오차신호(E(k))와 이전에 스피커를 통해 출력한 소음제거용 신호(y(k))를 이용하여 현재의 소음신호(N(k))를 구하고, 다시 그 현재의 소음신호(N(k))와 다음에 출력할 소음 제거용 신호(y(k-1))를 이용하여 그 소음신호(N(k))의 변화량(ΔN(k))을 구한다. (S3, S4)

이후, 상기에서 구한 현재의 소음신호(N(k)) 및 그 소음신호(N(k))의 변화량(ΔN(k))을 근거로 소음제거용 신호(y(k))를 생성한 후 이를 스피커측으로 출력한다. (S5, S6)

참고로, 상기 룩업테이블의 인덱스 테이블값은 퍼지 또는 뉴로 퍼지(Neuro-Fuzzy)를 알고리즘 등을 이용하여 용이하게 구현할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 디지털신호 처리기를 사용하는 대신 저가의 범용 마이크로컴퓨터를 채택함과 아울러 하나의 마이크로폰을 사용하고, 지능제어기술인 신경망등의 알고리즘을 이용하여 신호를 등가적으로 모델링하여 소음 제거용 신호를 생성함으로써 소음 제거장치의 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 실제 소음신호(N(k))와 스피커를 통해 출력된 소음제거용 신호(y(k))와 합성된 후 그들간의 차에 해당하는 오차신호(E(k))를 구하는 제1과정과 ; 상기 오차신호(E(k))와 이전에 출력한 소음제거용 신호(y(k))를 근거로 현재의 소음신호(N(k))를 구한 후 그 소음신호(N(k))와 다음에 출력할 소음 제거용 신호(y(k-1))를 이용하여 소음신호의 변화량(ΔN(k))을 구하는 제2과정과 ; 상기에서 구한 현재의 소음신호(N(k)) 및 그 소음신호(N(k))의 변화량(ΔN(k))을 근거로 소음제거용 신호(y(k))를 생성하여 스피커측으로 출력하는 제3과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 능동제어형 소음제거 방법.
2. 일정한 음향학적 공간에서 발생하는 소음신호와 같은 크기를 갖고 반대위상을 갖는 소음제거용 신호를 생성하여 출력하는 소음제거 장치에 있어서, 제어대상 시스템(81)에서 발생되는 현재의 소음신호(N(k))를 입력받아 다음의 소음신호(N(k-1))를 연산하는 연산기(82)와 ; 상기 소음신호(N(k))에서 소음신호(N(k-1))를 감산하여 소음신호의 변화량(ΔN(k))을 구하는 변화량 계산기(83)와 ; 상기 소음신호(N(k)) 및 소음신호의 변하량 (ΔN(k))을 근거로 하고, 신경망을 통해 발생한 신호를 모델링하여 입력대응 출력값이 1대1로 대응되도록 저장한 룩업테이블로부터 해당 진폭 및 위상값을 읽어와 소음 제거용 신호(y(k))를 생성함에 있어서, 오차신호(E(k))에 따라 파라메터를 갱신하는 제어규칙 조정부(84)와 ; 상기 소음신호(N(k))와 소음 제거용 신호(y(k))를 비교하여 그에 따른 오차신호(E(k))를 생성하는 오차 계산기(85)로 구성된 제어수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 능동제어형 소음제거 장치.
3. 제2항에 있어서, 모델링되는 신호는 퍼지 알고리즘에 의해 생성된 것임을 특징으로 하는 능동제어형 소음제거 장치.
4. 제2항에 있어서, 모델링되는 신호는 뉴로 퍼지 알고리즘에 의해 생성된 것임을 특징으로 하는 능동제어형 소음제거 장치.
5. 제2항에 있어서, 모델링되는 신호는 경험적 방법에 의해 생성된 것임을 특징으로 하는 능동제어형 소음제거 장치.