KR100835295B1 - 제어가능한 방향성 특성을 갖는 사운드 변환기들의 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대중 연설 시스템과 (팝; pop) 콘서트에서 사용되는 확성기(loudspeaker) 시스템들 또는 확성기 컬럼들에 관한 것이다. 지금까지 상기 시스템들은 주파수-의존 커버리지(coverage) 각도와 강한 2차 및 3차 사이드 로브들(side lobes)을 갖는다. 본 발명은 확성기 컬럼의 개별 확성기들에 인가되는 전압 공식들을 개시하는데, 상기 전압 공식은 전체 주파수 범위에 걸쳐 상수 커버리지 각도를 실현하는 것과 상기 사이드 로브들을 폭넓은 범위까지 억제하는 것을 가능하게 한다.

Description

제어가능한 방향성 특성을 갖는 사운드 변환기들의 시스템{A system of sound transducers with controllable directional properties}

본 발명은 사운드 변환기들(transducers)의 시스템에 관한 것으로서, 특히 컬럼(기둥)-모양(column-shaped)의 하우징에서 한 선(line)을 따라 규칙적인 패턴에 따라 배열된 n개의 확성기들(loudspeakers)(n=2 ... x)을 포함하는 확성기들로서, 상기 사운드 변환기들에는 각각 연관된 필터가 마련되고, 동작중인 상기 사운드 변환기들이 소정의 특성을 갖는 신호 패턴을 갖도록 하기 위해, 상기 필터 모두는 필터 입력에서 오디오 신호를 수신하여 필터 출력에서 연관된 사운드 변환기에 신호를 전달하는 확성기들에 관한 것이다.

본 발명은 사운드 변환기들, 즉 확성기들 및 마이크로폰들에 관한 것이지만, 이하에서는 본 발명의 명확한 이해를 위해 확성기들을 언급할 것이다.

상기와 같은 컬럼 형태의 확성기 시스템들은 특히 대중 연설 시스템들, (팝; pop) 콘서트들 및 이와 유사한 곳에서 사용되고, 단일 시스템으로 넓은 장소를 커버할 수 있도록, 많은 수의 병렬-접속 확성기들의 사용을 통해 매우 높은 파워(power)가 제공될 수 있는 장점을 가진다.

상기와 같은 확성기 컬럼들의 단점은, 수직 방향의 견지에서, 방향에 매우 민감하다는 것이다.

도 1은 종래 확성기 컬럼의 방향성 특성을 나타내는데, 도 1에서 고주파수에서는 커버리지(coverage) 각도가 작고 낮은 주파수에서는 커버리지 각도가 큰 것을 알 수 있고, 반면에 메인 로브(main lobe)의 반대편에 있는 사이드 로브들(side lobes)이 훨씬 가시적이다. 도시된 예에 있어서 메인 로브에 관하여 제1차 사이드 로브들은 약 -13dB 레벨을 가지고, 제2차 사이드 로브들은 약 -18dB 레벨을 가지고, 그리고 제3차 사이드 로브들은 약 -21dB 레벨을 가지는 등이다.

변하는 커버리지 각도 및 사이드 로브들은 많은 경우에 바람직하지 않은데, 이는 이들이 일반적인 시스템의 사운드 품질 및 특별한 시스템의 사운드 명료도에 매우 나쁜 영향을 가질 수 있기 때문이다. 특히 강한 반사면들이 있는 공간과 환경에 따라 많은 또는 적은 사람들이 있을 수 있는 공간에서, 상기 변하는 커버리지 각도 및 사이드 로브들로 인해 만족스러운 사운드 패턴을 얻는 것이 거의 가능하지 않다. 상기에서 약술된 문제들의 상세한 논의를 위한 참고가, 1994년 2월 26일 - 3월 1, 암스테르담, 96번째 AES 컨벤션, 제이. 반데르 베르프에 의한, "예외적 특성을 갖는 사운드 컬럼의 디자인 및 구현"("Design and Implementation of a Sound Column with Exceptional Properties" by J. van der Werff, 96^th AES Convention, 26 February - 1 March 1994, Amsterdam)에 언급되어 있다.

상기 논문은 "상수 λ컬럼"의 이름으로 확성기 컬럼을 설명하는데, 그것은 모든 주파수에 대해 같은 커버리지 각도 및 같은 레벨의 사이드 로브들을 갖는다. 이것은, 확성기가 컬럼의 음향 중간에서 더 멀리 위치됨에 따라 필터링은 저 주파 수에서 시작한다는 방법으로, 확성기들에 인가된 신호의 하이-오프(high-off) 필터링에 의해 달성된다.

도 2는 상기 상수 λ컬럼의 방향성 특성을 나타낸다. 그러나, 도 2는 상기 방향성 특성이 도 1의 방향성 특성에 비해 개선되었지만, 사이드 로브들이 여전히 존재한다는 것을 나타낸다.

본 발명은 사이드 로브들이, 상수 커버리지 각도가 모든 관련 오디오 주파수에 대해 유지되는 동안, 필수적으로 완벽하게 또는 적어도 원하는 매우 낮은 레벨까지 억제될 수 있게 하는 확성기 시스템 및 더 일반적으로 사운드 변환기들의 시스템을 제공하는 것을 의도한다.

또한, 본 발명은 메인 로브의 확장을 가능하게 하는 전술한 타입의 시스템을 제공하는 것을 의도한다.

그리고, 본 발명은 소위 그레이팅(grating) 로브들이 삭제되거나, 또는 적어도 멀리까지 미치는 범위까지 억제되게 할 수 있는 전술한 종류의 시스템을 제공하는 것을 의도한다.

끝으로, 본 발명은 컬럼의 각 확성기 n에 아래 공식 (1)처럼 정의되는 전압 V_n을 인가하기 위한 수단이 제공되는 점에 특징이 있는 전술한 종류의 사운드 변환기들의 시스템을 제공한다:

(1)

상기 공식 (1)에서:

V_n : 확성기 n의 단자들 전압;

V : 컬럼의 음향 중심에 있는 확성기들의 단자들 전압;

dls_n : 컬럼의 음향 중심까지의 확성기 n의 미터로 표시된 거리;

dls_max : 음향 중심에서 가장 멀리 이동된 확성기의 음향 중심까지의 미터로 표시된 거리;

α : 아래 공식에 따른 커버리지 각도, 주파수 및 어레이 디멘션(dimension)에 의존하는 매개변수:

상기 공식에서:

β : 특별한 디자인을 위해 확정적으로 선택되는, 도(degree)로 표시되는 수직 커버리지 각도;

f : Hz로 표시되는 주파수;

l_array : 미터로 표시되는 어레이 길이;

k : β, f 및 l_array를 위해 언급된 단위들로 주어진 상수 = 14.10³.

본 발명에 따르면, 놀랍게도 만일 컬럼의 확성기에 인가된 파워가 상기 관계를 만족하면, 사이드 로브들은 완벽하게 제거되고 커버리지 각도는 일정하게 되는 것이 계속적으로 발견되어 오고 있다.

도 3은 본 발명의 원리에 따라 구성된 확성기 컬럼의 방향성 다이어그램을 나타내는데, 상기 원리로부터 이것은 명확히 명백하다.

도 3에 따른 예에 있어서, 시작점은 43 확성기들과 직경 13.5cm를 가지고, 컬럼의 종축 중간에 위치한 음향 중심을 가지는 컬럼이고, 이는 소위 대칭 어레이로 불린다. 그러나, 본 발명의 원리는 또한 비대칭적으로 놓인 음향 중심을 가지는 어레이들에서 직접적으로 적용가능하다.

특별한 경우들에 있어서, 음향 필요의 견지에서, 확성기 어레이가 여전히 제한된 강도의 사이드 로브들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기의 경우에 있어서, 어레이의 확성기에 인가된 전압은 아래와 같은 코사인 윈도우 공식과 관련된 곡선에 의해 결정될 수 있다:

(2)

상기 공식에서:

a, b 및 c는 아래와 같이 윈도우를 정의하는 상수들이다:

해닝(Hanning) : a = 0.5; b = 0.5; c = 0

해밍(Hamming) : a = 0.54; b = 0.46; c = 0

블랙맨(Blackman) : a = 0.42; b = 0.5; c = 0.08

m : 아래 공식에 따르는 단위 원(방사상의 원들의) m번째 분수(m^th fraction):

상기 공식에서:

nls : 아래 공식의 관계에 따른 커버리지 각도 및 주파수에 의존하는 동작중인 어레이 확성기들의 개수:

상기 공식에서:

: 도(degree)로 표시된 원하는 커버리지 각도

f : Hz로 표시된 주파수

c : 사운드 속도(약(ca). 공기중 340 m/sec)

d : 미터로 표시된 변환기들 중심간의 거리

k : 윈도우 타입에 의존하는 소정 범위까지의 상수

해닝(Hanning) : 11.5.10⁶(사이드 로브 억제 ca. 30dB)

해밍(Hamming) : 11.5.10⁶(사이드 로브 억제 ca. 40dB)

블랙맨(Blackman) : 15.10⁶(사이드 로브 억제 ca. 60dB)

이들 모든 윈도우들과 관련한, 사이드 로브 억제는 실제적인 응용들을 위해 대부분이 충분하게 실현될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 공식 (1)에 따른 곡선 A와, 공식 (2)에 따른 곡선 B, C 및 D를 나타내는데, 여기서 곡선 B는 해닝 곡선이고, 곡선 C는 해밍 곡선이고, 그리고 곡선 D는 블랙맨 곡선이다. 도 4b에서 수직축은 dB로 표시된 전압을 표시하고; 수평축은 예로서 n=0-45를 갖는 확성기들 n를 표시한다. 확성기 번호 23(No. 23)은 컬럼에서 음향 중심이 된다.

이상적인 곡선에서 벗어나면, 원리상 무한히 많은 가능한 곡선들이 실현될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다수의 확성기들(1)이 구비된 확성기 시스템을 대칭적으로 나타내는데, 상기 확성기들에는 증폭기(2)의 출력 신호가 인가된다. 상기 증폭기의 출력과 확성기들 사이에는, 연속으로 접속된 조정가능한 감쇠기들(3)과 조정가능한 저역통과필터들(4)이 포함된다. 상기 감쇠기들은 공식 (1)에 따라 설정되고, 상기 저역통과필터들은 상수 λ컬럼의 원리에 따라 설정된다.

공식 (1)은 또한 컬럼의 여러가지 확성기들에 시간 가중을 부여하는 이점을 가지고 사용될 수 있다. 시간 가중을 가짐으로써, 컬럼의 방향성 특성이, 특히 메인 로브의 폭이 영향을 받을 수 있다.

컬럼의 확성기 n에 인가된 신호의 시간 지연에 대해 기록된 공식 (1)은 아래 공식과 같다:

(3)

상기 공식 (3)에서:

t_n : 변환기 n의 시간 지연

maxt : 변환기들 사이의 최대 시간 차이

(주파수에 의존함, 확장의 범위)

dls_n : 음향 중심까지의 확성기 n의 거리;

dls_max : 음향 중심에서 가장 멀리 이동된 확성기의 거리;

α : 찾아진 효과를 적합시키는 매개변수, 정상적으로는 약 3.

공식 (3)을 가짐으로써, 선택적으로 메인 로브는 또한 2개의 메인 로브들로 분할될 수 있고, 분할된 2개의 메인 로브들은 메인 축에서 같은 각을 만든다. 이것은, 예를 들어 2줄의 특별 관람석들에 방사하기 위한 경기장에서 특히 유용하다. 시간 가중은 공식 (1)에 따른 레벨 가중과는 독립적으로 인가될 수 있고, 그러나 또한 공식 (1)에 따른 레벨 가중과의 조합으로 인가될 수도 있다.

그레이팅 로드들은 어레이 내의 변환기들 사이의 불연속성의 결과이다. 각각의 실제적인 어레이는 소정의 방향성 효과를 갖는 한정된 수의 변환기들로 이루어진다. 개별적인 변환기들의 방향성 효과가 임계 효과 보다 더 작을 때, 그레이팅 로브들이 발생한다. 이들 그레이팅 로브들은 아래와 같은 공식 관계에 따른 것 보다 더 낮지 않은 방향성 효과를 선택함으로써 방지될 수 있다:

상기 공식에서:

P : 파스칼의 사운드 압력(메인 축의 주파수 및 각도에서).

: 어레이의 방향(0은 메인 축이다)에서, 변환기의 메인 축과 관련한 각도(-π와 π사이의 방사상의 것들에서)

f : 방향성 효과가 결정되는 주파수

α : 아래 공식과 같은 관계에 따른 주파수 및 변환기 디멘션에 의존하는 매개변수:

상기 공식에서:

d : 변환기들 사이의 중심간의 거리

k : 상수. 최적으로, 상수는 18이다; 실제적인 값들은 18과 약 25 사이에 존재한다.

상기 관계는 각각 어레이의 변환기의 폴라(polar) 방사 및 민감도를 설명한다. 상기 폴라 동작은 종래 방법으로 실현될 수 있다.

도 6은 K = 18, d = 13.5cm인 250Hz - 5KHz 주파수에서 전형적인 곡선들을 나타낸다.

Claims (10)

1. 컬럼-모양(column-shaped)의 하우징에서 한 선(line)을 따라 규칙적인 패턴으로 배열된 n개의 확성기들(n=2 ... x)을 포함하는 사운드 변환기들, 특히 확성기들의 시스템으로서, 상기 사운드 변환기들 각각에는 각각의 사운드 변환기에 연결되는 필터가 마련되고, 동작중인 상기 사운드 변환기들이 방향성 특성을 갖는 신호 패턴을 갖도록 하기 위해, 상기 필터 모두는 필터 입력에서 오디오 신호를 수신하여 필터 출력에서 이 필터에 연결되어 있는 사운드 변환기에 신호를 전달하는 시스템에 있어서,

   상기 컬럼의 각 확성기 n에 아래 공식에 따르는 전압 V_n을 인가하기 위한 수단이 마련되고:

   

   상기 공식에서:

   V_n : 확성기 n의 단자들 전압;

   V : 컬럼의 음향 중심에 있는 확성기들의 단자들 전압;

   dls_n : 컬럼의 음향 중심까지의 확성기 n의 미터로 표시된 거리;

   dls_max : 음향 중심에서 가장 멀리 이동된 확성기의 음향 중심까지의 미터로 표시된 거리;

   α : 아래 공식에 따른 커버리지 각도, 주파수 및 어레이 디멘션(dimension)에 의존하는 매개변수:

   e : 지수함수의 밑수로서 자연로그의 밑인 무리수(e=2.7182818...):

   

   상기 공식에서:

   β : 특별한 디자인을 위해 확정적으로 선택되는, 도(degree)로 표시되는 수직 커버리지 각도;

   f : Hz로 표시되는 주파수;

   l_array : 미터로 표시되는 어레이 길이;

   k : β, f 및 l_array를 위해 언급된 단위들로 주어진 상수 = 14.10³ 인 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 컬럼-모양(column-shaped)의 하우징에서 한 선(line)을 따라 규칙적인 패턴으로 배열된 n개의 확성기들(n=2 ... x)을 포함하는 사운드 변환기들, 특히 확성기들의 시스템으로서, 상기 사운드 변환기들 각각에는 각각의 사운드 변환기에 연결되는 필터가 마련되고, 동작중인 상기 사운드 변환기들이 방향성 특성을 갖는 신호 패턴을 갖도록 하기 위해, 상기 필터 모두는 필터 입력에서 오디오 신호를 수신하여 필터 출력에서 이 필터에 연결되어 있는 사운드 변환기에 신호를 전달하는 시스템에 있어서,

   상기 컬럼의 각 확성기에 아래 공식에 따르는 전압 V을 인가하기 위한 수단이 마련되고:

   

   (2)

   상기 공식에서:

   a, b 및 c는 윈도우를 정의하는 상수들이고:

   m : 아래 공식에 따르는 단위 원(방사상의 원들의)의 m번째 분수(m^th fraction)이고:

   

   상기 공식에서:

   nls : 아래와 같은 공식의 관계에 따른 커버리지 각도 및 주파수에 의존하는 동작중인 어레이 확성기들의 개수:

   

   상기 공식에서:

   

   : 도(degree)로 표시된 원하는 커버리지 각도

   f : Hz로 표시된 주파수

   c : 사운드 속도(공기중 340 m/sec)

   d : 미터로 표시된 변환기들 중심간의 거리

   k : 윈도우 타입에 의존하는 소정 범위까지의 상수 인 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서, a = 0.5, b = 0.5 및 c = 0 인 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제2항에 있어서, a = 0.54, b = 0.46 및 c = 0 인 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제2항에 있어서, a = 0.42, b = 0.5 및 c = 0.08 인 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 컬럼-모양(column-shaped)의 하우징에서 한 선(line)을 따라 규칙적인 패턴으로 배열된 n개의 확성기들(n=2 ... x)을 포함하는 사운드 변환기들, 특히 확성기들의 시스템으로서, 상기 사운드 변환기들 각각에는 각각의 사운드 변환기에 연결되는 필터가 마련되고, 동작중인 상기 사운드 변환기들이 방향성 특성을 갖는 신호 패턴을 갖도록 하기 위해, 상기 필터 모두는 필터 입력에서 오디오 신호를 수신하여 필터 출력에서 이 필터에 연결되어 있는 상기 사운드 변환기에 신호를 전달하는 시스템에 있어서,

   상기 컬럼의 확성기 n에 인가된 신호를 아래 공식에 따라 시간 지연시키기 위한 수단이 마련되고:

   

   상기 공식에서:

   t_n : 변환기 n의 지연 시간

   maxt : 변환기들 사이의 최대 시간 차이

   (주파수에 의존함, 확장의 범위)

   dls_n : 음향 중심까지의 확성기 n의 거리;

   dls_max : 음향 중심에서 가장 멀리 이동된 확성기의 거리;

   α : 찾아진 효과를 적합시키는 매개변수로서, 정상적으로는 3;

   e : 지수함수의 밑수로서 자연로그의 밑인 무리수(e=2.7182818...):인 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제6항에 있어서, α= 3인 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 컬럼-모양(column-shaped)의 하우징에서 한 선(line)을 따라 규칙적인 패턴으로 배열된 n개의 확성기들(n=2 ... x)을 포함하는 사운드 변환기들, 특히 확성기들의 시스템으로서, 상기 사운드 변환기들 각각에는 각각의 사운드 변환기에 연결되는 필터가 마련되고, 동작중인 상기 사운드 변환기들이 방향성 특성을 갖는 신호 패턴을 갖도록 하기 위해, 상기 필터 모두는 필터 입력에서 오디오 신호를 수신하여 필터 출력에서 이 필터에 연결되어 있는 상기 사운드 변환기에 신호를 전달하는 시스템에 있어서,

   상기 컬럼의 각 확성기 n에 아래 공식에 따른 전력

   

   을 인가하기 위한 수단이 마련되고:

   

   상기 공식에서:

   P : 파스칼의 사운드 압력(메인 축의 주파수 및 각도에서).

   

   : 어레이의 방향(0은 메인 축)에서, 변환기의 메인 축과 관련한 각도(-π와 π사이의 방사상의 것들에서)

   f : 방향성 효과가 결정되는 주파수

   α : 아래 공식과 같은 관계에 따른 주파수 및 변환기 디멘션에 의존하는 매개변수:

   e : 지수함수의 밑수로서 자연로그의 밑인 무리수(e=2.7182818...):

   

   상기 공식에서:

   d : 변환기들 사이의 중심간의 거리

   k : 상수 인 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제8항에 있어서, k의 값이 18과 25 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제9항에 있어서, k = 18인 것을 특징으로 하는 시스템.

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