KR100921368B1

KR100921368B1 - 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별정밀도 개선 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100921368B1
Application number: KR1020070102220A
Authority: KR
Inventors: 최종수; 이욱
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-10-14
Also published as: EP2201564A1; WO2009048291A1; KR20090036919A; EP2201564B1; EP2201564A4

Abstract

본 발명은 이동하는 마이크로폰 어레이와 이와 관련된 해석 알고리즘을 적용함으로서, 기존의 정지된 마이크로폰 어레이를 사용한 빔 형성 기법의 한계를 극복하여, 좀 더 정확히 소음원의 위치를 측정하는 기술에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 제한된 개수의 마이크로폰으로 구성된 어레이를 이동해 가며 발생 소음을 측정하고, 이를 동기화할 수 있는 신호처리 기법을 적용하여 측정 정밀도를 향상시키는, 이동하는 마이크로폰 어레이 빔 형성법을 이용한 소음 측정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명에 의하면, 제한된 개수의 마이크로폰을 이동해 가며 발생 소음을 측정함으로써, 요구되는 측정 정밀도 범위 내의 측정값을 구하기 위하여 반드시 필요한 센서의 개수를 크게 줄일 수 있으며 따라서 당연히 측정 비용이 크게 절감되는 큰 효과가 있다.

소음원 위치, 소음 측정, 마이크로폰 어레이 빔 형성 방법, 이동, 동기화

Description

이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템 및 방법 {Enhanced sound source localization system and method by using a movable microphone array}

본 발명은 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템 및 방법에 관한 것이다.

자동차, 가전제품 등 각종 제품의 소음특성이 주요한 성능지표로 인지되기 시작함에 따라 개발단계에서부터 보다 낮은 소음을 지니는 제품을 만들기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 제품의 소음을 낮추기 위해서는 우선 소음이 어디에서 발생하며, 이의 원인이 무엇인지를 알아내고 이에 대한 설계변경을 통하여 발생 소음을 감소시키는 방법이 사용되고 있는데, 이를 위해서는 일차적으로 소음원의 위치를 찾아내는 측정 방법을 필요로 하게 된다.

현재 일반적으로 인텐시티 프로브를 이용한 음압 인텐시티의 측정방법과 마이크로폰 어레이 빔 형성 기법(Microphone Array Beamforming Method)을 이용한 소음원 위치 가시화 기법이 활용되어지고 있는 추세이다. 도 1은 각종 연구개발에 적용된 마이크로폰 어레이 측정기법 적용사례를 나타낸 것으로, 비교적 최근에 개발 이 된 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 측정에서는 여러 개의 소음측정 센서인 마이크로폰을 이용하고, 소음원과 측정 센서의 거리 차에 따른 측정신호의 위상 차이를 이용한 신호처리를 통하여 공간상의 소음원 강도 분포를 계산하고, 이의 강/약에 따라 소음원의 위치를 추정하는 기법을 활용한다. 이러한 빔 형성 기법에서 측정 정밀도는 사용 센서의 개수에 따라 결정되는데, 일반적으로 많은 개수의 센서를 사용할수록 그 성능이 향상되는 것으로 알려져 있다.

종래의 마이크로폰 어레이 빔 형성 기법에서 소음원 위치측정의 절차는 다음과 같다.

1) 다수의 마이크로폰을 이용하여 소음원에서 발생하는 음파,

를 측정하고, 하기의 수학식 1과 같이 정의되는

와

번째 마이크로폰 사이의 교차 스펙트럼(Cross Spectrum),

로 구성되어지는 교차 스펙트럼 행렬을 주파수 분석기법을 활용하여 계산한다. 이 때 측정 정밀도의 향상을 위해서 조화평균을 취하게 되는데, 이렇게 구해진 교차 스펙트럼 행렬을

라 한다.

2) 빔 형성 기법의 적용을 위해서는 대상 소음원의 전파특성을 따라 다르게 정의할 수 있는 조향벡터(Steering Vector)를 활용하게 되는데, 이는 소음원의 위치와 측정센서의 위치로부터 계산되어 진다. 일반적인 구면파 형태의 전파특성을 지니는 소음원에 대해서는

번째의 소음원과

번째의 측정센서간의 조향 벡터는 하기의 수학식 2와 같이 적용한다. 이렇게 계산된

번째 소음원에서의 모든 센서의 조향벡터로 구성된 행렬을 조향벡터 행렬,

로 표시한다.

3) 측정을 통하여 얻어진 교차스펙트럼과 조향벡터행렬을 이용하여 공간상의 소음원의 강도분포를 의미하는 빔 파워 맵(Beam Power Map)은 다음과 같이 구할 수 있다. 공간상의 특정 장소에 있는

번째의 소음원에 대한 빔 파워,

은 하기의 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.

이 때

는 조향벡터의 에르미트 공액(hermitian conjugate)이다. 따라서 공간상의 소음원의 강도 분포의 계산을 위해서는 소음원이 존재할 것으로 예상되어 지는 위치에 가상 소음원의 위치를 결정하고, 각각의 위치에서의 빔 파워를 계산한 후 이를 공간상에 도시하면 빔 파워 맵을 얻을 수 있다.

이러한 빔 파워 맵의 계산을 통하여 이루어지는 마이크로폰 어레이 측정 시스템의 측정 정밀도는 사용되는 센서의 개수와 공간상의 위치에 따라서 결정되어 지며, 수치적으로는 빔 폭(Beam Width)과 부엽 저감(Side-lobe Rejection)에 의하여 평가되는데, 이는 다음과 같이 정의된다. 공간상에 임의의 단일 소음원이 존재할 경우 측정에 사용되는 마이크로폰의 배치에 의하여 도 2와 같은 빔 파워맵을 얻을 수 있다. 이 때 소음원 위치에 해당하는 주엽(Main-lobe)에서 -3dB의 레벨에 해당하는 지점의 공간상의 폭을 빔폭으로 정의하며, 소음원이 존재하지 않는 위치에 나타나는 부엽(Side-lobe)과 주엽의 레벨 차이를 부엽 저감으로 정의한다. 이에 의하여 빔폭은 좁으면서 부엽저감이 큰 경우가 측정 정밀도가 높은 것으로 판단하게 된다. 도 2는 사용 센서개수 차이에 따른 마이크로폰 어레이 측정의 정밀도 차이를 도시한 것으로, 특정한 형태의 마이크로폰 배치에서 도 2(a)는 센서 31개, 도 2(b)는 센서 121개 사용한 경우이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 사용 센서의 개수가 많을수록 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.

종래의 측정방법에서 많은 수의 센서가 필요했던 것은 서로 다른 위치에서 측정된 신호가 많을수록 이의 합에 의하여 잡음신호가 더 많이 감쇠하고, 이에 따 라 성능이 개선되기 때문이었다. 서로 다른 위치에서의 소음신호의 측정은 제한된 소수의 센서를 활용하여 이를 이동시키는 방법으로 얼마든지 많이 취득할 수 있다. 하지만 이를 빔 형성 기법에 적용할 경우 특성 상 각 측정신호간의 위상차, 즉 음파신호의 센서 도달시간의 차이를 활용하는 것이기 때문에 동시에 측정된 신호를 활용하여야만 빔 파워 맵을 얻을 수 있다.

따라서 종래의 빔 형성 기법을 이용한 측정 방법에서는 성능의 개선을 위해 센서의 개수를 늘릴 수밖에 없었는데, 측정센서 및 자료취득 장치의 가격이 매우 고가이기 때문에 센서 개수를 늘리는 데에는 한계가 있었다. 따라서 측정성능을 개선하면서도 비용을 절감할 수 있는 측정 방법에 대한 요구가 당업자들 사이에서 꾸준히 있어 왔다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 제한된 개수의 마이크로폰을 이동해 가며 발생 소음을 측정하고, 이를 동기화할 수 있는 신호처리 기법을 적용하여 측정 정밀도를 향상시키는, 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템 및 방법을 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 하나의 고정된 센서를 활용하고, 나머지 센서를 이동하며 측정하여 보다 많은 측정점의 소음 데이터를 취득하고, 고정된 센서 신호에 의한 동기화 기법을 적용하여 독립적으로 측정된 신호를 동시에 측정된 신호와 같이 보정하는, 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템은, 마이크로폰 어레이 빔 형성 방법을 이용한 소음원 위치 측정 시스템에 있어서, 고정점에서 소음을 측정하는 1개의 고정 센서; 상기 고정 센서로부터 소정 거리 이격되어 상기 고정 센서를 기준으로 미리 알려진 경로를 따라 이동하면서 다수 개의 측정점에서 소음을 측정하는 다수 개의 이동 센서; 및 상기 고정 센서 및 상기 이동 센서들로부터 측정된 소음 데이터를 전송받아 데이터 분석을 수행하는 분석부; 를 포함하여 이루어지며, 상기 고정 센서에서 측정된 소음 데이터를 기준으로 상기 다수 개의 이동 센서들에서 측정된 소음 데이터를 동기화하여 소음 측정 결과를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 방법은, 상술한 바와 같은 소음 측정 시스템을 사용하는 소음 측정 방법에 있어서, a) 상기 분석부가 상기 1개의 고정 센서 및 상기 다수 개의 이동 센서들에서 측정된 소음 데이터를 사용하여 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬을 구하는 단계; b) 상기 분석부가 상기 이동 센서들을 새로운 위치로 이동시킨 후 다시 소음 데이터를 측정하고 이를 사용하여 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬(

)을 구하는 단계를 소정 횟수(

)만큼 반복하는 단계; c) 상기 분석부가 상기 얻어진 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬(

)들의 위상 정보를 보정하여 동기화된 상관 스펙트럼 행렬(

)들을 산출하는 단계; d) 상기 분석부가 상기 얻어진 동기화된 상관 스펙트럼 행렬(

)들을 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(

)로 재배열하는 단계; e) 상기 분석부가 상기 얻어진 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(

)의 미지항을 상관 스펙트럼 행렬의 특성을 사용하여 산출하는 단계; f) 상기 분석부가 상기 완전히 구해진 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(

) 및 동기화된 조향벡터 행렬(

)을 사용하여 하나의 동기화된 빔 파워(

)를 산출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 c) 단계에서 상기 분석부는 동기화된 상관 스펙트럼 행렬을 산출하기 위해 하기의 수학식을 사용하는 것을 특징으로 한다.

(

,

: 센서 번호를 나타내며, 상기 1개의 고정 센서(1번 센서) 및 상기 다수 개의 이동 센서들의 전체 개수를

이라 할 때 1~

사이의 정수값을 가지는 변수,

: 측정 횟수를 나타내며, 1~

사이의 정수값을 가지는 변수)

또한, 상기 e) 단계에서 상기 분석부는 상기 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(

)의 미지항을 산출하기 위해 하기의 수학식을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 f) 단계에서 상기 분석부는 상기 동기화된 빔 파워(

)를 산출하기 위해 하기의 수학식을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래에 마이크로폰 어레이 빔 형성 방법을 이용하여 소음을 측정할 때, 매우 고가의 측정센서 즉 마이크로폰의 개수에 의하여 성능이 결정되었기 때문에, 측정 성능을 높이기 위해서는 측정센서의 개수를 증가시켜야만 하였던 문제점을 해결하여, 제한된 개수의 마이크로폰을 이동해 가며 발생 소음을 측정함으로써 측정 정밀도를 향상시키는 큰 효과가 있다. 특히, 마이크로폰 어레이 빔 형성 방법에서는 반드시 동시에 측정이 이루어져야 하기 때문에 센서를 이동시켜 가면서 측정하는 방법을 적용할 수 없었던 문제점을 해결하여, 마이크로폰들을 이동시켜 가면서 발생 소음을 측정하되 이를 동기화할 수 있는 신호처리 기법을 적용하여 측정 결과를 산출할 수 있게 하는 효과가 있다.

물론 이에 따라, 요구되는 측정 정밀도 범위 내의 측정값을 구하기 위하여 반드시 필요한 센서의 개수를 크게 줄일 수 있으며 따라서 당연히 측정 비용이 크게 절감되는 큰 효과가 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

1) 먼저, 종래의 마이크로폰 어레이 측정에서와 마찬가지로 임의의 소음원에 대하여 서로 다른 곳에 위치한

개의 마이크로폰을 이용하여 발생 음파신호를 측정하고 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬을 구한다. 그리고 사용 센서 중 1개만 고정된 위치에 두고, 나머지 센서는 새로운 위치로 이동시킨 상태에서 위의 측정을

번 반복한다. 여기서 고정된 센서를 1번이라 하고, 얻어진 상관 스펙트럼을

이라 하는데, 이는

,

번째 센서에 대하여

번째 측정에서 얻어진 조화 평균된 상관 스펙트럼을 의미한다.

2) 이렇게 얻어진 상관 스펙트럼은 동시에 취득된 데이터가 아니므로 위상 정보의 차이를 지니게 되는데, 이의 보정을 위해서 다음과 같은 위상정보의 보정을 실시 실시하여 동기화된 상관 스펙트럼,

를 다음과 같이 계산한다.

이 때

와

는 1번째와

번째 측정에서의 1번째 마이크로폰의 자기 스펙트럼(Auto Spectrum)이다. 상기 수학식 4의 과정을 통하여, 각각의 서로 다른 측정 시각에 따른 위상차를 보정할 수 있다.

3) 동기화된

의 3차원 행렬인

은 이동하지 않은 1번째 마이크로폰을 제외하고는 서로 다른 위치에서 측정된 데이터 이므로 하기의 수학식 5와 같이 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬로 재배열 할 수 있으며 이는

의 2차원 행렬이 된다.

동기화된 3차원의

를 2차원의

으로 재배열 할 때 행렬의 일부 항, 즉

,

, … 등은 미지수로 남게 되는데, 이는 상관 스펙트럼의 특성을 이용하면 알고 있는 항인 대각항과 1행, 1열에서부터 다음과 같이 계산할 수 있다. 여기에서, X_j는 j-번째 센서신호의 스펙트럼을 나타내며 X_j ^*는 j-번째 센서신호의 스펙트럼에 대한 complex conjugate를 나타낸다.

4) 이렇게 구해진 상관 스펙트럼 행렬은 서로 다른 위치의

개의 센서로부터 얻어진 것과 동일한 결과를 지니게 되며 이에 의하여 다음과 같이

번의 독립된 측정에서 얻어진 측정 결과를 이용, 하나의 동기화된 빔 파워,

을 계산할 수 있다. 이 때 동기화된 조향벡터 행렬,

은 이동된 마이크로폰의 위치들로부터 계산될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 측정 방법을 사용하여 이동하는 마이크로폰 어레이를 활용할 경우, 제한된 개수의 센서로도 고비용을 요구로 하는 다수 센서를 사용하여 측정하였을 때와 같은 측정 정밀도를 얻을 수 있다. 본 발명의 측정 방법의 성능이 종래보다 개선되었음을 검증하기 위하여, 수치적 기법에 의한 시뮬레이션을 통하여 본 발명의 측정 방법 및 종래 측정 방법의 성능을 비교하였다.

도 3은 검증에서의 센서의 배치를 도시한 것으로, 도 3(a)는 도 2(a)와 같이 31개의 센서를, 도 3(b)는 도 2(b)와 같이 121개의 센서를 배치하여 종래의 빔 형성 방법으로 측정하기 위한 센서 배치도이며, 도 3(c)는 본 발명의 측정 방법을 사용하여 31개의 센서를 이동시키면서 측정하기 위한 센서 배치도이다.

도 4는 상기 도 3에서의 각 조건에 따른 각 측정 방법별 빔 파워 맵의 수치적 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 사용 센서 개수의 증가에 따라 부엽저감이 현저하게 개선됨을 볼 수 있으며, 본 발명에 의한 측정 방법을 사용하는 경우 실질적으로는 31개의 마이크로폰만을 사용한 것이지만 121개의 센서를 사용한 경우와 거의 유사한 경향을 나타냄을 볼 수 있다.

도 5는 각 측정 방법별 주파수에 따른 성능특성 비교 그래프로서, 상술한 바와 같은 성능개선 효과의 수치적 비교를 위하여 빔폭과 부엽저감을 수치적으로 비교하여 도시하였다. 측정 소음의 전 주파수 영역에 대하여 본 발명에 의한 측정 결과는 단지 31개의 센서만을 사용하였음에도 불구하고 121개의 센서를 이용한 경우에 근접하는 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 의한 이동하는 마이크로폰 어레이를 이용한 마이크로폰 어레이 측정 방법을 활용할 경우, 소수의 측정 센서만을 활용하여 복수의 센서를 사용한 것과 동일 효과를 얻을 수 있으면서 저비용의 측정이 가능하며, 이에 따라 소음저감기법 적용의 확대에 따라 환경소음 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 발명의 측정 방법은 측정 조건에 따른 조향벡터의 변경을 통하여 다양한 분야로의 확장이 가능하며, 공기 중에서 전파되는 경우뿐만 아니라 수중에서 전파되는 소음원의 위치 추정에도 적용될 수 있다.

도 1은 각종 연구개발에 적용된 마이크로폰 어레이 측정기법 적용사례

도 2는 사용 센서개수 차이에 따른 마이크로폰 어레이 측정의 정밀도 차이

도 3은 수치적 시뮬레이션을 통한 검증에서의 센서의 배치

도 4는 각 측정 방법별 빔 파워 맵의 비교

도 5는 각 측정 방법별 주파수에 따른 성능특성 비교

Claims

마이크로폰 어레이 빔 형성 방법(Microphone Array Beamforming Method)을 이용한 소음원 위치 측정 시스템에 있어서,

고정점에서 소음을 측정하는 1개의 고정 센서;

상기 고정 센서로부터 소정 거리 이격되어 상기 고정 센서를 기준으로 미리 알려진 경로를 따라 이동하면서 다수 개의 측정점에서 소음을 측정하는 다수 개의 이동 센서; 및

상기 고정 센서 및 상기 이동 센서들로부터 측정된 소음 데이터를 전송받아 데이터 분석을 수행하는 분석부;

를 포함하여 이루어지며, 상기 고정 센서에서 측정된 소음 데이터를 기준으로 상기 다수 개의 이동 센서들에서 측정된 소음 데이터를 동기화하여 소음 측정 결과를 산출하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 시스템.
제 1항에 의한 소음 측정 시스템을 사용하는 소음 측정 방법에 있어서,

a) 상기 분석부가 상기 1개의 고정 센서 및 상기 다수 개의 이동 센서들에서 측정된 소음 데이터를 사용하여 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬을 구하는 단계;

b) 상기 분석부가 상기 이동 센서들을 새로운 위치로 이동시킨 후 다시 소음 데이터를 측정하고 이를 사용하여 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬(
)을 구하는 단계를 소정 횟수(
)만큼 반복하는 단계;

c) 상기 분석부가 상기 얻어진 조화 평균된 상관 스펙트럼 행렬(
)들의 위상 정보를 보정하여 동기화된 상관 스펙트럼 행렬(
)들을 산출하는 단계;

d) 상기 분석부가 상기 얻어진 동기화된 상관 스펙트럼 행렬(
)들을 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(
)로 재배열하는 단계;

e) 상기 분석부가 상기 얻어진 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(
)의 미지항을 상관 스펙트럼 행렬의 특성을 사용하여 산출하는 단계;

f) 상기 분석부가 상기 완전히 구해진 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(
) 및 동기화된 조향벡터 행렬(
)을 사용하여 하나의 동기화된 빔 파워(
)를 산출하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 방법.
제 2항에 있어서, 상기 c) 단계에서 상기 분석부는

동기화된 상관 스펙트럼 행렬을 산출하기 위해 하기의 수학식을 사용하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 방법.

(
,
: 센서 번호를 나타내며, 상기 1개의 고정 센서 및 상기 다수 개의 이동 센서들의 전체 개수를
이라 할 때 1~
사이의 정수값을 가지는 변수,
: 측정 횟수를 나타내며, 1~
사이의 정수값을 가지는 변수, 1: 상기 고정 센서의 번호, <A_1,1,1>: 상기 고정 센서의 상관 스펙트럼)
제 2항에 있어서, 상기 e) 단계에서 상기 분석부는

상기 독립적 위치에서의 상관 스펙트럼 행렬(
)의 미지항을 산출하기 위해 하기의 수학식을 사용하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 방법.
제 2항에 있어서, 상기 f) 단계에서 상기 분석부는

상기 동기화된 빔 파워(
)를 산출하기 위해 하기의 수학식을 사용하는 것을 특징으로 하는 이동형 마이크로폰 어레이를 이용한 소음원 위치 판별 정밀도 개선 방법.