KR100283358B1 - 진동파 검출방법 및 진동파 검출장치 - Google Patents

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시게루 안도
다카야 미야노
도시유키 마쓰모토
무네오 하라다
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고지마 마타오
스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
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    • G—PHYSICS
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/04—Frequency
    • G01H3/08—Analysing frequencies present in complex vibrations, e.g. comparing harmonics present

Abstract

본 발명은 진동파의 주파수 스펙트럼 분석을 하나의 하드웨어상에서 빠른 속도로 정확하게 할 수 있는 진동파 검출방법 및 장치를 제공하는 것이다.
그 구성은 매질속을 전파하는 음파 등의 진동파를 수신받는 수파기와, 각각 다른 특정 주파수에 공진하는 길이를 지닌 복수의 외팔보의 공진자를 갖는 공진기와, 그 공진기를 유지하는 유지봉과, 수파기에서 수신되어 유지봉을 거쳐 공진기에 전파하는 진동파에 의한 각 공진자의 특정 주파수마다 진동강도를 검출하는 진동강도 검출기를 구비한 진동파 검출장치로 이루어진다.

Description

진동파 검출방법 및 진동파 검출장치
본 발명은 매질(媒質)속을 전파하는 음파 등 진동파의 특징을 검출하는 진동파 검출방법 및 장치에 관한 것이다.
음성인식을 실행하는 시스템에 있어서, 종래는 음성신호를 수신한 마이크로폰(microphone)의 진동을 앰프에서 전기신호로 변환ㆍ증폭한 후 A/D변환기에서 아날로그 신호(analog 신호信號)를 디지털화(digital化)하여 음성 디지털신호를 얻고, 이 음성 디지털신호에 대하여 컴퓨터상에서 소프트웨어에 의하여 고속 푸리에(高速 fourier) 변환을 하여 음성의 특징을 추출한다. 이와 같은 음성인식의 시스템에 관해서는 IEEE Signal Processing Magazine Vol. 13, No. 5, pp. 45-57(1996)에 개시되어 있다.
음성신호의 특징을 효율적으로 추출하기 위해서는, 음성신호가 정상이라고 간주되는 시간 내의 음향 스펙트럼(音響 spectrum)을 계산할 필요성이 있다. 음성신호의 경우에는 통상 10~20msec의 시간내를 정상인 것으로 보고 있다. 따라서 10~20msec을 주기로 하여 그 시간내에 포함되는 음성 디지털신호에 대하여 컴퓨터상의 소프트웨어에 의한 고속 푸리에 변환 등의 신호처리를 실행한다.
이상과 같이 종래의 음성인식방식에서는 전 대역을 포함하는 순간치의 음성신호를 마이크로폰에 의하여 전기신호로 변환시키고 그 전기신호의 스펙트럼을 분석하기 위해서 A/D변환을 하여 각 주파수를 디지털화 하여, 그 음성 디지털 신호 데이터를 특정 음성파형의 데이터와 비교하여 음성의 특징을 추출하고 있다.
여기서 청각기구(聽覺機構) 및 소리의 심리ㆍ물리적 성질에 대해서는 아마리 순이치(甘利俊一) 감수, 나카가와 세이치(中川聖一)ㆍ시카노 기요히로(鹿野淸宏)ㆍ도쿠라 요이치(東倉洋一) 저(著)의 「뉴로 사이언스(neuro science) ＆ 테크놀로지 시리즈(technology series) 음성ㆍ청각과 신경회로망 모델」(옴사(OHM社), 1992년)에 상세하게 설명되어 있다. 이 문헌에는 인간이 듣는 소리의 높이(피치)의 척도가, 물리량으로서의 주파수와 선형에 대응하는 것이 아닌 멜 스케일이라는 척도로 선형에 대응하는 것이 나타나 있다. 이 멜 스케일이란 음계로 나타내는 소리의 높이를 표현하는 심리적 속성(심리척도)을 나타내는 것으로서, 인간에게 똑같은 간격으로 들리는 피치라고 불리우는 주파수의 간격을 직접 수량화한 스케일로서 1000Hz, 40폰 음의 피치를 1000mel로 정의한다. 그리고 500mel의 음향신호는 0.5배의 피치음으로 들리고, 2000mel의 음향신호는 2배의 피치음으로 들린다. 이 멜 스케일은 물리량으로서의 주파수 f [Hz] 를 사용하여 다음의 (1)식과 같이 근사하게 나타낼 수 있다. 또한 이 근사식에 있어서 소리의 높이 [mel] 와 주파수 [Hz] 와의 관계를 도1에 나타내었다.
mel = (1000 / log2) log (f / 1000+1) …(1)
그리고 음성의 특징을 효율적으로 추출하기 위해서 음향 스펙트럼의 주파수대를 이와 같은 멜 스케일로 변환시키는 일이 자주 있다. 이 음향 스펙트럼을 멜 스케일로 변환시키는 것은 스펙트럼의 분석과 마찬가지로 통상 컴퓨터상에서 소프트웨어에 의해서 실행된다.
또한 음성의 특징을 효율적으로 추출하는 수단으로서, 음향 스펙트럼의 주파수대를 바크 스케일로 변환시키는 일도 자주 있다. 이 바크 스케일은 인간의 심리적 소리의 크기(loudness)에 대응하는 척도이며, 어느 정도 이상의 큰 소리에 있어서 인간이 들어서 구별할 수 있는 주파수 대역폭(이것을 임계대역폭이라고 함)을 나타내는 것으로서, 이 임계대역폭내의 소리는 주파수가 달라도 같은 것처럼 들린다. 예를 들어 그 임계대역폭 내에 큰 소음(noise)이 발생하면 신호음이 그 소음과 주파수가 다름에도 불구하고 소음과 신호음을 인간의 청각으로는 판별할 수 없는 주파수 대역을 나타내는 스케일이 바로 바크 스케일이다.
음성신호 처리의 분야에서는 컴퓨터상에서 취급이 용이한 임계대역폭이 요구되어, 음향 스펙트럼의 주파수 축(軸)은 하나의 임계대역을 1바크[Bark] 로 정의하는 바크 스케일로 나타낸다. 도2에 임계대역폭과 바크 스케일과의 수치관계를 나타낸다. 또한 이들 임계대역폭 및 바크 스케일은 물리량으로서의 주파수 f [kHz] 를 사용하여 다음의 (2) 및 (3)식과 같이 근사하게 나타낼 수 있다.
임계대역폭 : CB [Hz] = 25 + 75 (1 + 1.4f2)0.69…(2)
바크 스케일 : B [Bark]
=13tan-1(0.76f)+3.5tan-1(f/7.5)
…(3)
그런데 음성인식의 분야에서는 청각 말초계(聽覺 末梢系)의 공학적 기능 모델을 사용하는 것이 알려져 있으며, 상기 문헌 「뉴로 사이언스 ＆ 테크놀로지 시리즈 음성 ㆍ청각과 신경회로망 모델」에 상세하게 설명되어 있다. 공학적 기능 모델에서는 대역 필터군(帶域 filter群)에 의한 주파수 스펙트럼 분석을 사전에 처리하고 있으며, 예를 들어 대표적인 공학적 기능 모델의 하나인 Seneff 모델에 있어서 사전처리에서는 130~6400Hz의 주파수 영역에 40개의 독립된 채널을 갖는 임계대역폭 필터군에 의한 주파수 스펙트럼 분석이 이루어진다. 이 때 음향 스펙트럼의 주파수대는 바크 스케일로 변환된다.
바크 스케일로의 변환은 스펙트럼의 다른 분석과 마찬가지로 통상 컴퓨터상에서 소프트웨어에 의하여 실행된다.
디지털 음향신호에 대하여 컴퓨터상의 소프트웨어에 의한 고속 푸리에 변환처리를 하여 그 음향신호의 스펙트럼을 분석하는 종래의 수법에서는 계산량이 막대해져 계산부하가 크다는 문제가 있다. 또한 음향신호의 스펙트럼을 고속 푸리에 변환시킴과 아울러 멜 스케일로 변환시키는 처리를 컴퓨터상의 소프트웨어로 하는 경우도 계산량이 막대해져 계산부하가 크다. 또한 음향신호의 스펙트럼을 임계대역폭 필터군에 의하여 주파수 스펙트럼을 분석함과 아울러 바크 스케일로 변환시키는 처리를 컴퓨터상의 소프트웨어로 하는 경우도 계산량이 막대해져 계산부하가 크다.
또한 종래의 방법에서는 모음(母音)과 같이 시간의 변화와 함께 음향 스펙트럼이 변하지 않는 음성에 대해서는 문제가 일어나지 않았다. 그러나 언어는 자음과 모음으로 구성되어 있다. 일본어와 같이 자음이 처음에 오고 다음에 모음이 오는 경우, 일반적으로 시간의 경과와 함께 모음의 강도가 커진다. 그리고 영어는 복잡한 자음과 모음을 조합시켜 구성되어 있다. 이와 같은 경우 종래에서는 순간적인 음성을 기록하고 일정시간마다 구획지어 전 대역의 음향 스펙트럼을 적산하여 음성을 분석하므로, 어느 시점에서 자음으로부터 모음으로 바뀌는가를 판정하는 일은 곤란하며, 그 때문에 음성인식의 판별률이 떨어지게 된다. 이 문제를 해소하기 위해서는 보다 많은 음성 패턴을 사전에 컴퓨터에 기억시켜 놓으므로써 이들 음성 패턴 중 어떤 것 하나에 꼭 맞게 되는데, 이것이 계산부하를 점점 증대시키는 원인이 된다.
본 발명의 첫 번째 목적은, 진동파의 주파수 스펙트럼 분석을 하나 의 하드웨어상에서 빠른 속도로 정확하게 할 수 있는 진동파 검출방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 음향신호의 검출 및 주파수 스펙트럼 분석을 하나의 하드웨어상에서 빠른 속도로 정확하게 할 수 있는 음파검출 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음향신호의 검출, 주파수 스펙트럼 분석 및 주파수 스케일의 변환(멜 스케일 또는 바크 스케일로의 변환)을 하나의 하드웨어상에서 빠른 속도로 정확하게 할 수 있는 음파검출방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
제1도는 실제 주파수와 멜 스케일(mel scale)값과의 관계를 나타내는 그래프.
제2도는 임계대역폭(臨界帶域幅)과 바크 스케일(bark scale)과의 수치관계를 나타내는 표.
제3도는 본 발명의 음파검출장치의 실시예를 나타내는 도면.
제4도는 본 발명의 음파검출장치에 있어서 검출회로의 구성을 나타내는 도면.
제5도는 본 발명의 음파검출장치에 있어서 검출회로의 타이밍 챠트를 나타내는 도면.
제6도는 특정 주파수에 대응하는 각 검출회로의 관계를 나타내는 도면.
제7도는 공진자(共振子)간의 거리와 대역폭과의 관계를 나타내는 그래프.
제8도는 본 발명의 음파검출장치에 있어서 공진자의 길이, 두께, 폭 및 거리의 관계를 나타내는 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 반도체 실리콘 기판 2 : 센서 본체
3 : 전극(電極) 4 : 검출회로
21 : 공진기(共振器) 22 : 유지봉(維持棒)
23 : 전파부분(電波部分) 24 : 수파기(受波器)
25 : 공진자(共振子) 41, 42 : 연산 증폭기(演算 增幅器)
43 : 적산회로(積算回路) 44 : 샘플 홀드회로(sample hold 回路)
본 발명의 진동파 검출장치는 매질속을 전파하는 진동파를 수신받는 수파기와, 각각 다른 특정 주파수에 공진하는 길이를 갖는 복수의 봉형상의 공진자를 갖는 공진기와, 공진기를 유지하는 유지봉과, 각 공진자의 특정 주파수마다 진동강도를 검출하는 진동강도 검출기를 구비한다.
본 발명의 진동파 검출장치는 매질속을 전파하는 진동파를 수신받는 수파기와, 각각 다른 특정 주파수에 공진하는 길이를 갖는 복수의 외팔보의 공진자를 갖는 공진기와, 공진기를 유지하는 유지봉과, 각 공진자의 진동강도를 검출하는 진동강도 검출기를 구비하여, 매질속을 전파한 진동파가 수파기로부터 유지봉을 거쳐 공진기에 전도되어 진동강도 검출기에 의해 다른 주파수 성분의 강도를 검출하는 구성을 이루고, 검출된 특정 주파수마다 진동강도를 전기신호로 변환시키는 변환수단과, 변환된 전기신호를 임의로 설정된 시간에 걸쳐 적산하는 적산수단과, 그 임의로 설정된 시간이 경과한 후 적산수단에 의하여 적산된 결과를 특정 주파수마다 출력시키는 출력수단을 구비한다.
상기 구성에 있어서 인접하는 두 개의 공진자간의 거리를 달리하여 각 공진자에 있어서 공진 주파수의 대역폭을 소정값으로 설정한다.
또한 상기 구성에 있어서 매질속을 전파하는 진동파를 음파로 한 본 발명의 음파검출장치는 복수의 공진자에 있어서 공진 주파수를 멜 스케일로 분포하도록 설정한다. 또한 각 공진 주파수에 대응하는 대역폭이 임계대역폭이다.
또한 상기 구성에 있어서 매질속을 전파하는 진동파를 음파로 한 본 발명의 음파검출장치는 복수의 공진자에 있어서 공진 주파수를 바크 스케일로 분포하도록 설정한다. 또한 각 공진수에 대응하는 대역폭이 임계대역폭이다.
본 발명의 음파검출장치는 음악을 인식하기 위한 음악 입력용 마이크로폰, 음성을 인식하기 위한 음성 입력용 마이크로폰, 특정 주파수의 이상음을 검출하기 위한 이상음 입력용 마이크로폰으로서 사용할 수 있다.
본 발명의 진동파 검출장치는 각각 특정 주파수에 공진하도록 길이가 다른 복수의 공진가를 갖고 있어, 매질속을 전파한 진동파를 이들 공진자에 전도하여 각 공진자에서의 진동을 진동강도 검출기로 검출한다. 그리고 검출한 진동파의 폭을 전기신호로 변환시키고 그 전기신호를 임의적 주기의 클럭과 동기하여 동작하는 적산수단에 입력시켜 임의적 주기의 기간에서 입력 전기신호를 적산한다. 그리고 그 적산결과를 임의적 주기마다 출력시킨다. 이 경우 하나의 특정 주파수마다 그 적산결과를 출력시켜도 좋고 또한 복수의 특정 주파수마다 그 적산결과를 출력시켜도 무방하다.
또한 본 발명의 음파검출장치는 상기한 진동파 검출장치와 같은 구성을 지니어, 검출대상의 진동파를 음파로 하고 각 공진자에 있어서 공진 주파수를 수학적으로 선형 스케일로 분포시키는 것이 아닌 멜 스케일에서 선형으로 분포시키도록 한다. 실제의 진동 주파수와 멜 스케일과의 대응은 상기 (1)식 및 도1에 의거하여 정해지므로, 각 공진자의 설계방법을 용이하게 결정할 수 있다. 그리고 멜 스케일 방법에 맞춘 각 공진자에서의 진동을 진동강도 검출기로 검출하고 그 후 상기한 진동파 검출장치와 같은 처리를 함으로써 음향신호의 스펙트럼에 상당하는 물리량을 멜 스케일로 검출할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 음파검출장치는 상기한 진동파 검출장치와 같은 구성을 지니어, 검출대상의 진동파를 음파로 하고 각 공진자에 있어서 공진 주파수를 수학적으로 선형 스케일로 분포시키는 것이 아닌 바크 스케일에서 선형으로 본포시키도록 함과 아울러 각 공진 주파수의 대역폭이 임계대역폭이 되도록 한다. 실제 진동 주파수와 바크 스케일과의 대응 및 임계대역폭을 결정하는 차단 주파수는 상기 (2), (3)식 및 도2에 의거하여 정해지므로, 각 공진자의 설계방법은 용이하게 결정될 수 있다. 그리고 바크 스케일방법에 맞춘 각 공진자에서의 진동을 진동강도 검출기로 검출하고, 그 후 상기의 진동파 검출장치와 같은 처리를 함으로써 음향신호의 스펙트럼에 상당하는 물리량을 임계대역폭으로서 바크 스케일로 검출할 수 있다.
본 발명의 음파 검출장치에서는 원하는 주파수마다 소리의 세기를 검지(檢知)할 수 있으므로, 분석처리를 하지 않고 음향 스펙트럼을 리얼타임으로 얻을 수 있다. 따라서 전대역의 음향신호를 입력하여 각 주파수 대역을 전기적으로 필터링하는 종래의 방식과 비교하여, 이와 같이 음향신호를 기계적으로 주파수 대역마다 분해하는 본 발명에서는 전기적인 필터링이 필요치 않게 되어 처리속도가 빨라진다. 또한 일정시간마다 구획지어도 음향 데이터는 완전하다. 또한 일정시간마다 각 주파수의 음향 데이터가 얻어지므로 시간의 경과에 맞추어 각 주파수의 강도추이를 확인할 수 있으며, 예를 들어 모음과 자음과의 시간적 변화의 판별을 보다 정확하게 하여 음성인식의 판별률을 높일 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적 및 특징을 다음의 실시예 및 첨부 도면에 의거하여 보다 명백해질 것이다.
[실시예]
본 발명을 그 실시예를 나타내는 도면에 의거하여 구체적으로 설명한다. 매질속을 전파하는 검출대상의 진동파를 음파로 한 음파검출장치를 예로 들어 이하 설명한다.
[제1실시예]
도3은 본 발명의 음파검출장치의 실시예를 나타내는 도면이다. 본 발명의 음파검출장치는 반도체 실리콘 기판(1)에 형성되는 센서 본체(2)와 전극(3)과 주변회로인 검출회로(4)로 구성되어 있다. 센서 본체(2)는 모든 부분이 반도체 실리콘으로 형성되어 있으며, 길이가 다른 복수(도3의 예에서는 6개)의 외팔보 부분을 갖는 공진기(21)과, 이 공진기(21)를 공진고정단측에서 유지하는 판상의 유지봉(22)과, 유지봉(22) 한쪽의 단부에 형성된 짧은 봉모양의 전파부분(23)과, 전파부분(23)에 연결되어 있어 공기속을 전파하는 음파를 받아들이는 판상의 수파기(24)로 구성되어 있다.
공진기(21)는 빗살모양으로 되어 있으며, 각각의 외팔보 부분은 특정주파수에 공진하도록 길이가 조정된 공진자(25)로 되어 있다. 이들 복수의 공진자(25)는 하기 (4)식에서 나타내는 공진 주파수(f)에 선택적으로 응답하여 진동하도록 되어 있다.
f = (CHE1/2) / (L2ρ1/2) …(4)
단, C : 실험적으로 결정되는 정수
H : 각 공진자의 두께
L : 각 공진자의 길이
E : 재료물질(반도체 실리콘)의 세로 탄성 계수(Young's modulus)
ρ: 재료물질(반도체 실리콘)의 밀도
상기 (4)식에서 알 수 있는 바와 같이 공진자(25)의 두께(H) 또는 길이(L)를 바꿈으로써 그 공진 주파수(f)를 원하는 값으로 설정할 수 있다. 도3에 나타내는 예에서는 모든 공진자(25)의 두께(H)는 일정하게 하며 그 길이(L)는 좌측에서 우측을 향함에 따라 점차 길어지도록 설정하여, 각 공진자(25)가 고유의 공진주파수를 갖도록 한다. 구체적으로는 우측에서 좌측을 향하여 가청대역(可廳帶域) 15Hz ~ 20kHz 정도의 범위내에서 저주파수에서 고주파수까지 대응할 수 있도록 되어 있다.
상기와 같은 구성을 이루는 센서 본체(2)는, 반도체 집적회로 제조기술 또는 마이크로머신 가공기술을 사용하여 반도체 실리콘 기판(1)상에 형성된다. 그리고 이와 같은 구성에 있어서, 음파가 수파기(24)에 전도되면 그 판상의 수파기(24)가 진동하고 음파를 나타내는 그 진동은 전파부분(23)을 거쳐 유지봉(22)에 전도되고, 거기에 유지된 공진기(21)의 각 공진자(25)를 각각의 특정 주파수로 점차 공진시키면서 음파진동이 도3의 좌측에서 우측으로 전도된다.
센서 본체(2)에는 적당한 바이어스 전압(bias 電壓)(Vbias)이 인가(印加)되어 있으며, 공진기(21)의 각 공진자(25) 선단부와 그 선단부에 대향하는 위치의 반도체 실리콘 기판(1)에 형성된 전극(3)으로 콘덴서가 구성되어 있다. 공진자(25)의 선단부는 공진자(25)의 진동에 따라 위치가 상하로 움직이는 가동전극(可動電極)이고, 다른 한편으로 반도체 실리콘 기판(1)에 형성된 전극(3)은 그 위치가 이동하지 않는 고정전극(固定電極)으로 되어 있다. 그리고 공진자(25)가 각각의 특정 주파수로 진동하면 양 전극간의 거리가 변동하므로 콘덴서의 용량도 변하도록 되어 있다.
각 전극(3)에는 이와 같은 용량변화를 전압신호로 변환시키고 변환된 전압신호를 소정시간 내에 적산하여 출력시키는 검출회로(4)가 접속되어 있다. 도4는 검출회로(4)의 구성을 나타내는 도면으로서, 검출회로(4)는 상기 콘덴서의 용량(Cs)과 기준용량(Cf)과의 임피던스비(impedance比)에 따른 증폭비로 증폭하는 연산 증폭기(41, 42)와, 기준전압(Vref)보다 높은 연산 증폭기(42)의 출력신호를 소정시간만 적산하는 적산회로(43)와, 적산회로(43)로부터 출력신호를 취출하여 일시적으로 유지하면서 출력시키는 샘플 홀드 회로(44)를 구비한다. 이와 같은 구성의 검출회로(4)는, 예를 들어 실리콘 CMOS 프로세스에 의하여 형성되어 있다.
연산증폭기(41), 적산회로(43) 및 샘플 홀드 회로(44)에는 각각 클럭 펄스(clock pulse)(Φ0, Φ1) 및 클럭 펄스(Φ2)가 공급되고, 연산 증폭기(41), 적산회로(43) 및 샘플 홀드 회로(44)는 각각 이들 클럭 펄스와 동기하여 동작한다. 또한 이들 클럭 펄스는 외부에서 공급하도록 하여도 좋으며, 동일 반도체 실리콘 기판(1)상에 카운터 회로(counter 回路)를 형성하여 거기에서 공급하도록 하여도 무방하다.
다음에 동작에 대하여 설명한다. 공기속을 전파한 음파가 센서 본체(2)의 수파기(24)에 전도되면, 판상의 수파기(24)가 진동하여 그 진동이 센서 본체(2) 내를 전파한다. 이 때 도3에 있어서 길이가 점차 길어지는 외팔보의 각 공진자(25)를 음파가 좌측으로부터 우측으로 공진시키면서 전도한다. 각 공진자(25)는 그 고유의 공진 주파수를 갖고 있으며, 각 공진자(25)는 그 고유 주파수의 음파가 전파하면 공진하여 그 선단부는 상하로 진동한다. 이 진동에 의하여 그 선단부와 전극(3)과의 사이에서 구성되는 콘덴서의 용량이 변한다. 또한 음파가 전파해감에 따라 음파의 에너지는 공진자(25)의 진동 에너지로 점차 변환되어 가므로, 이와 같은 공진에 의하여 음파 에너지는 서서히 감퇴하고 가장 긴 공진자(25)(도3의 우단)에 음파가 도달할 때에는 음파로서의 에너지는 거의 없어져 반사파(反射波)는 발생하지 않는다. 따라서 반사파가 용량변화에 영향을 미칠 염려없이 전파하는 음파의 스펙트럼과 합치(合致)하는 정확한 용량변화를 검출할 수 있다.
얻어진 용량변화가 검출회로(4) 내에 전송된다. 도5는 검출회로(4)내에 있어서 타이밍 챠트를 나타내는 도면으로서, 연산 증폭기(41), 적산회로(43) 및 샘플 홀드 회로(44)에 각각 공급되는 클럭 펄스(Φ0, Φ1) 및 클럭 펄스(Φ2)를 나타낸다. 또한 본 예에서의 클럭 펄스 제어는 로우 레벨을 온상태로 한다.
우선 검출회로(4) 내에서는 연산 증폭기(41)로 얻어진 콘덴서의 용량(Cs)과 기준용량(Cf)의 임피던스비에 따라 증폭비가 결정된다. 예를 들어 1 / ωCf(ω = 2πf, f : 주파수)에 대한 1 / ωCs의 값이 1 / 2인 경우에는 얻어진 전압신호가 2배가 된다. 단 연산 증폭기(41, 42)는 그 플러스(+)입력단자가 접지되어 있는 반전 증폭기이므로, 다음 연산 증폭기(42)로 전압위상을 1배로 반전시킨다. 얻어진 증폭전압 신호가 적산회로(43)에 입력 된다. 적산회로(43)에서는 클럭 펄스(Φ1)에 따른 소정의 시간내에 있어서, 기준전압(Vref)보다 높은 증폭 전압신호가 적산되고 그 적산신호가 샘플 홀드 회로(44)에 입력된다. 샘플 홀드 회로(44)에서는 클럭 펄스(Φ2)에 따라 적산신호의 샘플링(sampling)과 홀드(hold)를 반복하여 외부로 적산신호를 출력시킨다.
이상과 같은 처리는 길이가 다른 공진자(25)에 각각 대응하는 검출회로(4)마다 병렬적으로 실시한다. 또한 도5에 나타내는 클럭 펄스(Φ0, Φ1) 및 클럭 펄스(Φ2)의 주기는 일례로서, 이들 각 클럭 펄스의 주기는 임의로 설정하여도 무방한 것은 물론이다.
이상과 같이 본 발명은 특정 주파수에 공진하는 공진자(25)에 대응하는 검출회로(4)의 출력신호를 찾음으로써, 임의의 시간을 주기로 한 그 특정 주파수의 소리세기의 경시변화(涇時變化)를 알 수 있다. 또한 복수의 공진자(25)에 대한 검출회로(4)의 출력신호를 찾음으로써 임의의 시간을 주기로 한 복수 주파수 대역마다 소리 세기의 경시변화를 알 수 있다.
도6은 특정 주파수에 대응하는 각 검출회로(4)의 관계를 나타내는 도면이다. 예를 들어 n종류의 공진 주파수(f1, f2, f3, f4…, fn)에 각각 선택적으로 응답하여 진동하도록 n개의 공진자를 형성하는 경우에는, 각 공진 주파수마다 그 공진강도에 따른 각 검출회로(4)의 출력신호(V1, V2, V3, V4, …, Vn)를 얻을 수 있다. 예를 들어 음성인식을 위한 음성 입력용 마이크로폰으로서 본 발명의 음파검출장치를 사용하는 경우에는, 가청대역에 있어서 각 공진 주파수마다 공진강도에 따른 그 주파수의 강도를 구하고 구해진 분석 패턴에 의거하여 음성을 인식한다.
또한 음파를 임의로 선택한 주파수만의 강도를 구하고 싶은 경우에는, 필요한 공진 주파수에 대응하는 검출회로(4)의 출력신호만을 얻도록 하면 된다. 예를 들어 도6에 있어서 주파수(f1, f3)의 강도를 구할 경우에는 대응하지 않은 다른 검출회로(4-2, 4-4, …, 4-n)의 출력을 차단하던지 사전에 이 검출회로(4-2, 4-4, …4-n)는 형성되지 않도록 하여 필요한 출력신호(V1, V3)는 얻을 수 있게 하고 불필요한 출력신호(V2, V4, …, Vn)는 얻을 수 없게 하면 된다. 이와 같은 음파검출장치의 사용예로서는, 특정의 하나 또는 복수의 주파수의 이상음을 검출하기 위한 마이크로폰이 가장 적절하다.
[실시예2]
다음에, 각 공진자에 있어서, 공진 주파수를 음계로 표시하는 소리의 높이를 나타내는 심리적 속성인 멜 스케일에서 선형으로 분포시키도록 한 제2실시예에 대하여 설명한다. 이 제2실시예의 음파검출장치의 구성은 전술한 제1실시예의 구성과 같지만, 제2실시예에서는 각 공진자(25)에 있어서 공진 주파수를 수학적으로 선형 스케일로 분포시키는 것이 아닌 멜 스케일에서 선형으로 분포시키도록 한다. 결국 n개의 공진자(25)에 있어서 공진 주파수를 f1, f2, f3, …, fn으로 한 경우에,
f1[Hz] = αf2[Hz] = ‥‥‥‥‥‥‥ = αn-1fn[Hz]
와 같이 설정하는 것이 아닌
f1[mel] = αf2[mel] = ‥‥‥‥‥‥‥ = αn-1fn[mel]
과 같이 설정한다. 또한 α는 임의로 설정할 수 있는 계수(係數)이다.
각 공진자(25)의 공진 주파수는 상기 (4)식으로 결정되고, 또한 실제 진동 주파수와 멜 스케일과의 대응은 상기한 바와 같이 상기 (1)식 및 도1에 의거하여 정해지므로, 멜 스케일에서의 임의의 공진 주파수를 각 공진자(25)에 용이하게 할당시킬 수 있다. 본 예에서는 모든 공진자(25)의 두께(H)는 일정하게 하고, 그 길이(L)를 달리하여 멜 스케일상에서 같은 간격이 되는 주파수에 대응하는 공진 주파수를 얻는다.
또한 다른 구성 및 동작은 상기한 제1실시예의 경우와 같으므로, 그 설명은 생략한다.
제2실시예에서는 각 공진자(25)의 공진 주파수를 멜 스케일로 분포하도록 하였으므로, 인간의 귀에 들리는 옥타브음, 반음(半音) 등을 선택하여 리얼 타임(real time)으로 인식할 수 있어 인간의 청각에 맞춘 주파수 특성을 갖는 마이크로폰 제작이 가능하다. 옥타브음, 반음 등 피치음의 시간적 변화를 보다 정확하게 판별할 수 있으므로 음성인식, 이상음 검출을 효과적으로 할 수 있는 것은 물론 낭독, 시와 노래 등의 억양이 있는 음성과 음악 등의 음계가 있는 음에 대한 식별성이 우수한 음성 입력용 마이크로폰을 구성할 수 있다.
[실시예3]
다음에 각 진동자에 있어서, 공진 주파수를, 소리의 크기를 나타내는 심리적 속성인 바크 스케일에서 선형으로 분포시키도록 한 제3실시예에 대하여 설명한다. 이 제3실시예의 음파검출장치의 구성은 전술한 제1실시예의 구성과 같지만, 제3실시예에서는 각 공진자(25)에 있어서 공진 주파수를 수학적으로 선형 스케일로 분포시키는 것이 아닌 바크 스케일로 분포시키도록 함과 아울러 각 공진자(25)에 있어서 공진 주파수의 대역폭을 임계대역폭이 되도록 한다.
도2에서 나타내는 바크 스케일과 실제 주파수와의 대응관계에 의거하여 각 공진자(25)의 공진 주파수가 결정된다. 그리고 각 공진자(25)의 공진 주파수는 상기 (4)식에서 정해지는데, 본 예에서는 모든 공진자(25)의 두께(H)는 일정하게 하고 그 길이(L)를 달리 함으로써 바크 스케일에서의 임의의 공진 주파수를 각 공진자(25)에 할당시킨다.
각 공진자(25)의 공진 주파수 대역폭은 인접하는 공진자(25)와의 상호작용에 의존한다. 즉 인접하는 공진자(25)의 공진 주파수의 변화율, 인접하는 공진자(25)까지의 거리와 같은 구조상의 설계값 및 인접하는 공진자(25)간의 매체 점성(粘 性) 등에 의하여 그 대역폭이 결정되는데, 본예에서는 인접하는 공진자(25)간의 거리를 변화시킴으로써 각 공진자(25)의 공진 주파수 대역폭을 제어한다.
도7은 공진 주파수가 3kHz인 단결정 실리콘제(單結晶 silicon製)의 공진자(25)에 대하여 인접하는 공진자(25)간의 거리(D)(가로축)를 변화시킨 경우의 대역폭(세로축) 변화를 나타내는 그래프이다. 도8은 공진자(25)에 있어서 길이(L), 두께(H), 폭(W) 및 거리(D)의 관계를 나타내는 도면으로서, 이 공진자(25)의 설계값은 길이(L) = 1706㎛, 두께(H) = 10㎛, 폭(W) = 80㎛로서 인접하는 공진자(25)간의 기체는 공기이다. 인접하는 공진자(25)간의 거리(D)를 조정함으로써 원하는 대역폭을 설정할 수 있는 것이 도7에서 이해된다. 따라서 이것을 고려하여 본 예에서는 각 공진자(25)의 대역폭이 도2에 나타내는 임계대역폭이 되도록 인접하는 공진자(25)간의 거리(D)를 결정한다.
제3실시예에서는 각 공진자(25)의 공진 주파수를 바크 스케일로 분포하도록 하였으므로, 인간의 청력(聽力)에 맞는 주파수 특성과 대역폭을 갖게 할 수 있어, 잡음속에 숨겨져 있는 음향신호를 선별하는 것이 쉬워지고 잡음이 많은 상황속에서의 음성인식의 판별률을 향상시킬 수 있다. 또한 인간의 청각에 보다 가까운 센서를 제공할 수 있다.
[실시예4]
각 공진자(25)에 있어서 공진 주파수를 멜 스케일에서 선형으로 분포시키도록 한 상기의 제2실시예에 있어서도 제3실시예와 마찬가지로 각 공진자(25)에 있어서 공진 주파수의 대역폭을 임계대역폭이 되도록 하는 것이 효율적이다.
또한 상기의 각 실시예에서는 복수의 공진자(25)에서의 특정 공진 주파수의 대역을 15Hz ~ 20kHz의 범위로 하였으나, 이것은 예시로서 다른 주파수 범위라도 무방한 것은 당연하다. 단, 음파이므로 그 주파수 범위는 수 Hz~50kHz(최대라도 100kHz까지)이다.
이상과 같이 본 발명의 음파검출장치에서는 전기신호로 변환시키기 전에 음파가 각 주파수 대역마다 기계적으로 분해되므로, 종래와 같은 소프트웨어를 사용한 전기적 필터링(filtering)처리는 필요치 않으므로 처리속도가 빨라진다. 또한 반도체 기판상에 용이하게 제작할 수 있음으로써 종래의 시스템과 비교하여 점유면적을 축소시킬 수 있으므로 저코스트화도 도모할 수 있다. 또한 원하는 주파수마다 소리의 세기를 검지할 수 있으므로 분석을 처리하는 일 없이 음향 스펙트럼을 리얼 타임으로 얻을 수 있고 또한 일정시간마다 각 주파수의 음향 데이터를 얻을 수 있으므로 시간의 경과에 맞추어 각 주파수 강도의 추이를 확인할 수 있고 음성의 시간적 변화의 판별을 보다 정확하게 하여 음성인식의 판별률을 높이는 것에 기여할 수 있다.
또한 본 발명의 음파검출장치는 멜 스케일로 분포하는 공진 주파수를 갖는 복수의 공진자 집합체 또는 공진 주파수가 바크 스케일로 분포되어 임계대역폭을 갖는 복수의 공진자 집합체를 가지므로, 인간의 청각에 근접시킨 상태로 음성을 인식할 수 있어 음성인식시에 음성의 특징을 효율적으로 추출할 수 있다.
또한 진동파를 음파로 한 음파검출장치를 본 발명의 예로서 설명하였으나, 음파 이외의 진동파에 대해서도 같은 구성으로 그 진동파의 주파수 스펙트럼을 분석할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명은 그 근본정신을 이탈하지 않고 다양한 형태로 실시될 수 있으므로 각 실시예는 예시적이지 제한적인 것이 아니다. 발명의 범위가 상세한 설명에 의해서가 아니라 특허청구범위에 의하여 결정되므로 특허청구범위에 속하는 모든 변형 및 그 등가물은 본 특허청구범위에 속한다.

Claims (21)

  1. 매질(媒質)속을 전파하는 진동파(振動波)를 수파기로 수신받고, 유지봉의 일단에서 타단으로 상기 진동파를 전파시키고, 각각 다른 특정 주파수에 공진(共振)하는 길이를 갖는 복수의 외팔보 공진자에 상기 진동파를 전파시키고, 상기 각 공진자(共振子)의 상기 특정 주파수마다 진동강도(桭動强度)를 검출하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전동파는 음파(音波)인 것을 특징으로 하는 진동파 검출방법.
  3. 매질속을 전파하는 진동파를 수신받고, 각각 다른 특정 주파수에 공진하는 길이를 갖는 복수의 외팔보 공진자에 상기의 진동파를 전파시키고, 상기 각 공진자의 상기 특정 주파수마다 진동강도를 검출하고, 검출된 상기 특정 주파수마다 진동강도를 전기신호로 변환시키고, 변환된 전기신호를 임의로 설정한 시간에 걸쳐 적산(積算)하고, 그 임의로 설정된 시간이 경과한 후 적산된 결과를 상기 특정 주파수마다 출력시키는 것을 특징으로 하는 진동파 검출방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 진동파는 음파인 것을 특징으로 하는 진동파 검출방법.
  5. 매질속을 전파하는 진동파를 수신받는 수파기(受波器)와, 각각 다른 특정 주파수에 공진하는 길이를 지닌 복수의 외팔보의 공진자를 갖는 공진기(共振器)와, 그 공진기를 유지하고 그 일단에 상기 수파기가 접속되어 있는 유지봉(維持俸)과, 상기 각 공진자의 특정 주파수마다 진동강도를 검출하는 진동강도 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  6. 제5항에 있어서, 인접하는 두 개의 상기 공진자간의 거리가 다른 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  7. 제5항에 있어서, 인접하는 두 개의 상기 공진자간의 거리를 달리하여, 상기 각 공진자에 있어서 공진 주파수의 대역폭을 소정값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 수파기, 공진기, 유지봉 및 진동강도 검출기가 반도체 기판상에 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  9. 매질속을 전파하는 진동파를 수신받는 수파기와, 각각 다른 특정 주파수에 공진하는 길이를 지닌 복수의 외팔보의 공진자를 갖는 공진기와, 그 공진기를 유지하는 유지봉과, 상기 수파기에서 수신되어 상기 유지봉을 거쳐 상기 공진기에 전파하는 상기 진동파에 의한 상기 각 공진자의 특정 주파수마다 진동강도를 검출하는 진동강도 검출기와, 검출된 상기 특정 주파수마다 진동강도를 전기신호로 변환시키는 변환수단과, 변환된 전기신호를 임의로 설정된 시간에 걸쳐 적산하는 적산수단(積算手段)을 구비하여, 그 임의로 설정된 시간이 경과한 후 상기 적산수단으로 적산된 결과를 상기 특정 주파수마다 출력시키는 출력수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  10. 제9항에 있어서, 인접하는 두 개의 공진자간의 거리가 다른 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  11. 제9항에 있어서, 인접하는 두 개의 공진자간의 거리를 달리하여, 상기 각 공진자에 있어서 공진 주파수의 대역폭을 소정값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 수파기, 공진기, 유지봉 및 진동강도 검출기, 변환수단, 적산수단 및 출력수단이 반도체 기판상에 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 진동파는 음파인 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 공진자에 있어서, 공진 주파수가 멜 스케일(mel scale)로 분포되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  15. 제14항에 있어서, 음악을 인식하기 위한 음악 입력용 마이크로폰(microphone)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 복수의 공진자에 있어서, 공진 주파수가 멜 스케일로 분포되도록 설정되어 있으며, 각 공진 주파수에 대응하는 대역폭이 임계대역폭(臨界 帶域幅)인 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 복수의 공진자에 있어서, 공진 주파수가 바크 스케일(bark scale)로 분포되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 복수의 공진자에 있어서, 공진 주파수가 바크 스케일로 분포되도록 설정되어 있으며, 각 공진 주파수에 대응하는 대역폭이 임계대역폭인 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  19. 제13항에 있어서, 음성을 인식하기 위한 음성 입력용 마이크로폰을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  20. 제13항에 있어서, 상기 출력수단은 임의로 선택한 적어도 하나의 특정 주파수에 있어서, 적산결과를 출력시키는 필터(filter)를 갖는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
  21. 제20항에 있어서, 특정 주파수의 이상음을 검출하기 위한 이상음 입력용 마이크로폰을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 진동파 검출장치.
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