KR101240733B1 - 음향 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

마이크로폰들 사이의 간격들의 주파수 의존성을 해결하면서 마이크로폰들의 수를 감소시킬 수 있는 음향 측정 장치가 제공된다. 음향 측정 장치는 수음부 (10) 및 계산부 (20) 를 포함한다. 수음부에는 복수의 단일지향성 마이크로폰들이 제공된다. 수음부 (10) 의 복수의 마이크로폰들은 최대 감도 방향을 향하는 단위 벡터들의 합이 0 이도록 배열된다. 계산부 (20) 는 단위 벡터들의 각각을 복수의 마이크로폰들의 측정 값들의 각각과 승산하고, 벡터 합성을 사용함으로써 입자 속도 벡터들 또는 음향 인텐시티를 계산한다.

Description

음향 측정 장치{ACOUSTIC MEASUREMENT DEVICE}
본 발명은 음향 측정 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 단일지향성 마이크로폰들을 사용하여 음향 인텐시티와 같은 음향 정보를 계산하는 음향 측정 장치에 관한 것이다.
잡음의 평가 또는 콘서트 홀에서의 음의 전파의 해석에 대해 음향 인텐시티의 측정이 수행되어 왔다. 스칼라 양인 음압과 다르게, 음향 인텐시티는 벡터 양이고, 음원으로부터의 음의 볼륨, 주파수, 및 파형과 같은 정보 뿐만 아니라 음의 방향에 관한 정보도 포함한다. 즉, 음의 볼륨 뿐만 아니라 어떤 방향으로부터 음이 도달하는지에 대한 정보도 음향 인텐시티에 기초하여 측정될 수 있다.
음향 인텐시티는 음압과 입자 속도의 곱에 의해 표현된다. 음압 레벨은 쉽게 측정될 수 있지만, 입자 속도는 쉽게 측정되지 않을 수 있다. 따라서, 일반적으로, 서로 대향 배열되거나 또는 서로 배향 배열된 위상-정합된 2 개의 무지향성 마이크로폰들을 사용하여 유한 차분 근사를 통해 입자 속도를 결정하는 방법 (P-P 방법) 이 사용되어 왔다. 그러나, P-P 방법이 2 개의 마이크로폰들 사이의 감도 또는 위상에서의 차이에 민감하고 마이크로폰들 사이의 간격에 대한 엄밀한 관리가 요구되기 때문에, P-P 방법의 취급은 쉽지 않다. 또한, P-P 방법에서, 마이크로폰들 사이의 간격은 음원으로부터의 음의 주파수에 따라 변경될 필요가 있다.
상기 문제들을 해결하기 위해, 본 발명자는, 지향성에 관련하여 180 도 반대 방향으로 배열된 복수의 단일지향성 마이크로폰들을 사용하여, 마이크로폰들의 지향성 정보를 사용함으로써 음향 인텐시티를 측정하는 방법 (C-C 방법) 을 채용하는 음향 측정 장치의 다양한 타입들을 개발하였다. 예컨대, 특허 문헌 1 은 180 도 반대 방향으로 배열된 마이크로폰들 사이의 레벨 차이의 데이터베이스를 사용하여 음원 방향 및 음원 레벨을 계산할 수 있는 디바이스를 개시한다.
또한, 본 발명자는, 직교 좌표계의 각각의 축들 상에 180 도 반대 방향으로 배열된 단일지향성 마이크로폰들의 쌍을 포함하는 수신부를 사용하여 미리 결정된 계산을 수행함으로써 데이터베이스 등을 사용하지 않으면서 음원으로부터 방출된 음의 방향을 검출하는 C-C 방법의 음향 측정 장치를 또한 개발하였다 (일본 공개공보 제 2007-054909 호).
C-C 방법의 그러한 음향 측정 장치는 마이크로폰들 사이에 존재하는 위상 특성들에서의 고유의 불일치 또는 주파수에 대한 마이크로폰들 사이의 간격의 의존성을 해결할 수 있다.
특허 문헌 1: 국제 공개공보 제 2006/054599 팜플렛
그러나, C-C 방법의 종래의 음향 측정 디바이스에서, 2 차원의 방향 검출이 수행되는 경우에, 적어도 4 개의 (4 개의 채널들) 단일지향성 마이크로폰들이 사용되고, 180 도 반대 방향으로 배열된 마이크로폰들의 각각의 쌍들은 마이크로폰들의 각각의 쌍들을 연결하는 선들이 좌표의 원점을 중심으로 x 축 방향 및 y 축 방향으로 서로 교차하도록 배열된다. 또한, 3 차원 방향 검출이 수행되는 경우에, 적어도 6 개의 (6 개의 채널들) 단일지향성 마이크로폰들이 사용되고, 180 도 반대 방향으로 배열된 마이크로폰들의 각각의 쌍들은 마이크로폰들의 각각의 쌍들을 연결하는 선들이 좌표의 원점을 중심으로 x 축 방향, y 축 방향, 및 z 축 방향으로 서로 교차하도록 배열된다. 그 후, 마이크로폰들의 각각의 쌍 사이의 차이 및 그 사이의 합산에 기초하여 각각의 축 방향들에서의 음향 인텐시티 성분들이 각각 계산된 후, 각각의 축 방향들에서의 계산된 인텐시티 성분들을 합성함으로써, 음향 인텐시티가 계산된다. 상술된 바와 같이, C-C 방법의 종래의 음향 측정 장치에서, 2 차원 방향 검출에 대해 적어도 4 개의 마이크로폰들이 요구되고, 3 차원 방향 검출에 대해 적어도 6 개의 마이크로폰들이 요구된다.
예컨대 완구로 하여금 음원의 방향으로 이동하거나 또는 회전하도록 허용하는 완구 내에 음향 방향 측정이 통합된 애플리케이션이 개발되는 경우에, 최저의 가능한 비용으로 달성될 수 있는 구성이 요구된다. 또한, 그러한 애플리케이션에서, 측정 정확도보다 소형화에 대해 더 우선적일 수도 있다. 그러한 경우에, 마이크로폰들의 수가 적은 것이 바람직하지만; 상술된 바와 같이, 2 차원 방향 검출에 대해 적어도 4 개의 마이크로폰들이 요구되고, 3 차원 방향 검출에 대해 적어도 6 개의 마이크로폰들이 요구된다. 그러한 상황 하에서, 더 단순한 구성을 갖는 음향 측정 디바이스의 개발이 요구되어 왔다.
또한, 180 도 반대 방향으로 배열된 마이크로폰들의 쌍에 기초한 구성을 갖는 종래의 음향 측정 디바이스에서, 1 개의 마이크로폰들이 어떠한 고장으로 인해 기능하지 못하게 된 경우에, 음향 측정 장치의 기능이 완전히 상실될 수도 있다. 따라서, 로버스트성을 요구하는 사용에 대한 종래의 음향 측정 장치의 적용은 어려웠었다.
상기 상황을 고려하여, 본 발명의 목적은, 주파수에 대한 마이크로폰들 사이의 간격의 의존성의 문제를 해결하면서 마이크로폰들의 수를 감소시킬 수 있는 음향 측정 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 마이크로폰들의 수를 증가시킴으로써 로버스트성을 향상시킬 수 있는 음향 측정 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 양태에 따르면, 음향 측정 장치가 제공되고, 그 음향 측정 장치는: 복수의 단일지향성 마이크로폰들을 포함하는 수음부로서, 복수의 마이크로폰들은 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들의 총 합이 0 이도록 배열되는, 상기 수음부; 및 각각의 단위 벡터들을 수음부의 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값들과 승산하고 그 결과들을 벡터-합성함으로써 음향 정보를 계산하는 계산부를 포함한다.
수음부의 복수의 마이크로폰들은 복수의 마이크로폰들의 각각의 단위 벡터의 성분의 제곱의 총 합이 복수의 마이크로폰들 사이에서 동등하도록 배열될 수도 있다.
수음부의 복수의 마이크로폰들의 수는 계산될 음향 정보의 공간 차원들의 수보다 더 클 수도 있다.
수음부의 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값은 음압일 수도 있으며, 계산부는 각각의 단위 벡터들을 복수의 마이크로폰들의 각각의 음압 값들과 승산하여 그 결과들을 벡터-합성함으로써 입자 속도 벡터를 계산할 수도 있다.
수음부의 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값은 음압일 수도 있으며, 계산부는 복수의 마이크로폰들의 각각의 음압 값들의 총 합인 무지향성 음압을 계산할 수도 있다.
계산부는 입자 속도 벡터와 무지향성 음압을 승산하여 음향 인텐시티를 계산할 수도 있다.
수음부의 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값은 음압일 수도 있으며, 계산부는 각각의 단위 벡터들을 각각의 마이크로폰들의 음압 값들의 제곱과 승산하여 그 결과들을 벡터-합성함으로써 음향 인텐시티를 계산할 수도 있다.
수음부는 3 개의 마이크로폰들을 포함할 수도 있으며, 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각형의 무게중심으로부터 그 삼각형의 정점들까지 연장하거나 또는 삼각형의 정점들로부터 그 삼각형의 무게중심까지 연장하도록 배열된다.
수음부는 4 개의 마이크로폰들을 포함할 수도 있으며, 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각뿔의 무게중심으로부터 그 삼각뿔의 정점들까지 연장하거나 또는 삼각뿔의 정점들로부터 그 삼각뿔의 무게중심까지 연장하도록 배열될 수도 있다.
수음부의 복수의 마이크로폰들은 카디오이드 (cardioid) 마이크로폰, 수퍼 카디오이드 마이크로폰, 하이퍼 카디오이드 마이크로폰, 및 울트라 카디오이드 마이크로폰 중 임의의 것일 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 음향 측정 장치가 제공되고, 그 음향 측정 장치는, 복수의 단일지향성 마이크로폰들을 포함하는 수음부로서, 복수의 마이크로폰들은 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들의 총 합이 0 이도록 배열되는, 상기 수음부; 및 수음부의 각각의 마이크로폰들의 측정 값들을 합계하여 음향 정보를 계산하는 계산부를 포함한다.
본 발명의 음향 측정 장치는 주파수에 대한 마이크로폰들 사이의 간격의 의존성의 문제를 해결하면서 마이크로폰들의 수를 감소시킬 수 있다. 또한, 그 음향 측정 장치는 마이크로폰들의 수를 증가시킴으로써 로버스트성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 단일 평면파가 수음부에 도달하는 음장을 가시화하는 개념도이다.
도 2는 단일 평면파가 수음부에 도달하는 음장이 벡터 기반 접근법으로 해석된 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 음향 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 음향 측정 장치의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 음원으로부터의 음의 도달 방향이 수평각에 대하여 변화되는 경우에서의 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태에서의 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 도달 방향이 앙각에 대하여 변화되는 경우에서의 본 발명의 제 2 실시형태에서의 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태에서의 음향 인텐시티의 절대값이 계산된 시뮬레이션 결과이다.
참조 부호들의 설명
1, 2: 마이크로폰 (지향성 마이크로폰)
10: 수음부
11 내지 13: 마이크로폰 (지향성 마이크로폰)
20: 계산부
21 내지 24: 마이크로폰 (지향성 마이크로폰)
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
먼저, C-C 방법의 음향 측정 장치의 개념이 설명될 것이다. 도 1은 단일 평면파가 수음부에 도달하는 음장을 가시화하는 개념도이다. 단일 평면파 (P(t)) 가 x 방향에 대하여 각도 (θ) 로 도달하는 예시된 음장에서, 음장 진행 방향에서의 입자 속도 (u(t)) 는 다음의 수학식으로 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112010058129505-pct00001
여기서 ρc 는 음향 임피던스이다.
x 방향의 입자 속도 (ux(t)) 는 다음의 수학식으로 표현된다.
[수학식 2]
Figure 112010058129505-pct00002
따라서, 음향 인텐시티의 x 방향 성분은 다음의 수학식으로 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112010058129505-pct00003
다음으로, 이 음장이 단일지향성 마이크로폰들의 쌍에 의해 측정된다고 가정한다. 단일지향성 마이크로폰으로서 카디오이드 마이크로폰이 사용되는 경우에, 마이크로폰들 (1 및 2) 에 의해 측정된 응답들 (P1(t) 및 P2(t)) 은 다음의 수학식들로 각각 표현된다.
[수학식 4]
Figure 112010058129505-pct00004
[수학식 5]
Figure 112010058129505-pct00005
P1(t) 와 P2(t) 가 합산됨으로써 다음의 수학식으로 표현되는 바와 같이 무지향성 음압을 획득한다.
[수학식 6]
Figure 112010058129505-pct00006
P1(t) 와 P2(t) 사이의 차이는 다음의 수학식으로 표현된다.
[수학식 7]
Figure 112010058129505-pct00007
수학식 7 과 수학식 2 사이의 비교로부터 명확한 바와 같이, x 방향의 입자 속도 (ux(t)) 는 다음의 수학식으로 표현되는 바와 같이 마이크로폰들 (1 및 2) 의 응답들 사이의 차이로부터 계산될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112010058129505-pct00008
따라서, x 방향의 음향 인텐시티 성분은 다음의 수학식으로 표현된다.
[수학식 9]
Figure 112010058129505-pct00009
수학식 9 는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112010058129505-pct00010
y 방향 및 z 방향의 음향 인텐시티 성분은 상기 이론에 따라 계산될 수 있다. x 방향, y 방향, 및 z 방향의 음향 인텐시티 성분들을 합성함으로써, 음향 인텐시티 (I(t)) 가 계산될 수 있다.
수학식 9 로부터 명확한 바와 같이, C-C 방법에서, 각각의 차원의 음향 인텐시티 성분은 각각의 차원의 마이크로폰 쌍 사이의 차이 및 그 사이의 합산에 기초하여 계산될 수 있다. 본 발명자와 동일한 발명자에 의해 출원된 일본 공개공보 제 2007-054909 호에서, 음향 인텐시티는 그러한 이론에 기초하여 계산된다.
다음으로, C-C 방법에서 음향 인텐시티를 계산하는 원리는 벡터 기반 접근법으로 해석될 것이다. 도 2는 단일 평면파가 수음부에 도달하는 음장이 벡터 기반 접근법으로 해석되는 개념도이다. 도 2에 예시된 바와 같이, 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들 (e1 내지 e4) 이 가정된다. 예컨대, 예시된 바와 같이 직교 좌표의 x 축에 대한 마이크로폰의 최대 감도 방향을 향하는 단위 벡터 (e1) 는 (1,0) 의 성분을 갖는다.
단일 평면파 (P(t)) 가 도달하는 음장이 가정되는 경우에, 단일지향성 음압 (P(t)), 입자 속도 벡터 (u(t)), 및 음향 인텐시티 (I(t)) 는 각각 다음의 수학식들로 표현된다.
[수학식 11]
Figure 112010058129505-pct00011
[수학식 12]
Figure 112010058129505-pct00012
[수학식 13]
Figure 112010058129505-pct00013
여기서, n 은 마이크로폰들 (채널들) 의 수이고, K 는 채널들의 수 또는 마이크로폰의 타입에 따라 변화하는 입자 속도 정규화의 계수이다.
상기 수학식들로부터 명확한 바와 같이, 음장이 벡터 기반 접근법으로 해석되는 경우에, 입자 속도 벡터는, 각각의 단위 벡터들을 각각의 마이크로폰들의 측정 값들과 승산 (가중화) 하고 그 결과들을 벡터-합성함으로써 획득된 것으로서 표현된다. 즉, 입자 속도 벡터가 음향 정보로서 계산되는 경우에, 단위 벡터들은 각각의 마이크로폰들의 음압 값들과 승산되고 그 후 그 결과들이 벡터-합성된다.
또한, 무지향성 음압은 각각의 마이크로폰들의 음압 값들의 총 합으로 획득되는 것으로서 표현된다. 즉, 무지향성 음압이 음향 정보로서 계산되는 경우에, 각각의 마이크로폰들의 음압 값들의 총 합이 계산된다.
음향 인텐시티는 그렇게 계산된 입자 속도 벡터와 무지향성 음압의 곱으로 표현된다. 즉, 음향 인텐시티가 음향 정보로서 계산되는 경우에, 입자 속도 벡터와 무지향성 음압이 승산된다.
또한, 음압의 제곱인 제곱된 음압이 고려되는 경우에, 음향 인텐시티 (I(t)) 는 다음의 수학식으로 표현된다.
[수학식 14]
Figure 112010058129505-pct00014
여기서, G 는 채널들의 수 또는 마이크로폰의 타입들에 기초하여 변화하는 정규화 계수이다.
상기 수학식들로부터 명확한 바와 같이, 음장의 벡터 기반 해석에서 제곱된 음압이 고려되는 경우에, 입자 속도 벡터를 계산하지 않으면서 음향 인텐시티를 직접 계산하는 것이 가능하다. 즉, 음향 인텐시티가 음향 정보로서 계산되는 경우에, 단위 벡터들이 제곱된 음압과 승산되고 그 후 그 결과들이 벡터-합성된다.
C-C 방법의 음향 측정 디바이스에서 사용되는 벡터-합성 방법은 상술된 바와 같은 이론에 따라 수행될 수도 있다. 벡터-합성은 벡터들의 합산 뿐만 아니라 역방향으로부터 보면 벡터들 사이의 감산도 포함한다.
본 발명에 따른 음향 측정 장치의 벡터-합성 방법이 채용되는 경우에, 마이크로폰의 최대 감도 방향을 향하는 단위 벡터에 다음의 조건들이 부과된다.
(1) 다음의 수학식으로 표현되는 바와 같이, 각각의 마이크로폰의 최대 감도 방향을 향하는 단위 벡터가 공간적으로 밸런스되는 조건. 즉, 복수의 마이크로폰들은 단위 벡터들의 총 합이 0 이도록 배열되어야 한다.
[수학식 16]
Figure 112010058129505-pct00015
(2) 다음의 수학식으로 표현되는 바와 같이, 각각의 차원들의 기여들이 동등한 조건. 즉, 복수의 마이크로폰들은 복수의 마이크로폰들의 각각의 단위 벡터의 성분의 제곱의 총 합이 복수의 마이크로폰들 사이에서 동등하도록 배열되어야 한다.
[수학식 17]
Figure 112010058129505-pct00016
(3) 마이크로폰들의 수가 계산될 음향 정보의 벡터의 공간 차원들의 수보다 더 큰 조건.
복수의 마이크로폰들이 상기 조건들을 만족시키는 경우에, 본 발명에 따른 음향 측정 장치의 벡터-합성 방법을 채용하는 것이 가능하다. 그러나, (2) 의 조건은 필수적이지 않고, 각각의 차원들의 기여들이 동등하지 않도록 마이크로폰들이 배열되더라도, (1) 의 조건이 만족되는 한, 적절한 정정을 행함으로써 심각한 문제들이 발생하지는 않는다.
실시형태들
이하, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시형태들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도 3은 본 발명에 따른 음향 측정 장치를 설명하기 위한 블록도이다. 예시된 바와 같이, 본 발명의 음향 측정 장치는 주로 수음부 (10) 및 계산부 (20) 를 포함한다. 수음부 (10) 는 복수의 마이크로폰들을 가지며, 그 각각은 단일지향성을 갖는다. 복수의 마이크로폰들은, 상기 조건들 (1) 내지 (3) 이 만족되도록, 즉 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들의 총 합이 0 이고, 복수의 마이크로폰들의 각각의 단위 벡터의 성분의 제곱의 총 합이 복수의 마이크로폰들 사이에서 동등하도록 배열된다. 마이크로폰들의 배열 위치는 나중에 설명될 것이다.
사용될 마이크로폰은 단일지향성을 갖는 마이크로폰이다. 더 구체적으로, 사용될 마이크로폰의 예들은 카디오이드 마이크로폰, 수퍼 카디오이드 마이크로폰, 하이퍼 카디오이드 마이크로폰, 및 울트라 카디오이드 마이크로폰을 포함한다. 각각의 마이크로폰에 의해 측정되는 응답 (음압) 특성들은 사용될 마이크로폰의 지향성에 따라 적절하게 변경된다.
수음부에 의해 측정된 정보는 계산부 (20) 에 공급된다. 계산부 (20) 는 예컨대 개인용 컴퓨터 또는 디지털 신호 프로세서 (DSP) 와 같은 계산 유닛에 의해 실현된다. 계산부 (20) 는 음향 측정 장치의 사용의 목적 등에 따라 무지향성 음압, 입자 속도 벡터, 또는 음향 인텐시티를 계산한다. 예컨대, 무지향성 음압이 계산되는 경우에, 각각의 마이크로폰들의 음압 값들을 합계하기 위해 수학식 11 이 사용된다. 입자 속도 벡터가 계산되는 경우에, 각각의 단위 벡터들을 각각의 마이크로폰들의 음압 값들과 승산하기 위해 수학식 12 가 사용되고, 그 후 그 결과들이 벡터-합성된다. 또한, 음향 인텐시티가 계산되는 경우에, 입자 속도 벡터와 무지향성 음압이 승산된다. 이들 계산들은 적절하게 조합될 수도 있다.
또한, 계산부 (20) 는, 마이크로폰들의 각각의 음압 값들을 제곱하고, 각각의 단위 벡터들을 제곱된 음압 값들과 승산하며, 그 결과들을 벡터-합성함으로써, 수학식 14 에 따라 음향 인텐시티를 계산할 수도 있다.
이하, 복수의 마이크로폰들의 배열 위치가 상세히 설명될 것이다. 도 4는 본 발명의 음향 측정 장치의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 도면이다. 도 4가 각각의 마이크로폰의 외관을 표현하지 않고 각각의 마이크로폰의 지향성을 표현한다는 것이 주의되어야 한다. 제 1 실시형태의 음향 측정 장치는 2 차원 음향 정보를 측정하도록 구성된다. 예시된 바와 같이, 본 발명의 음향 측정 장치의 제 1 실시형태에서, 수음부는 3 개의 마이크로폰들, 즉 제 1 마이크로폰 (11), 제 2 마이크로폰 (12), 및 제 3 마이크로폰 (13) 으로 구성된다. 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 화살표들은 단위 벡터들을 표현한다. 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각형의 무게중심으로부터 그 삼각형의 정점들까지 연장하도록 배열된다. 단위 벡터들의 방향들은 반전될 수도 있다. 즉, 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각형의 정점들로부터 그 삼각형의 무게중심까지 연장하도록 배열된다. 상술된 바와 같이, 3 개의 마이크로폰들이 사용되는 경우에, 마이크로폰들이 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들의 총 합이 0 이고 복수의 마이크로폰들의 각각의 단위 벡터의 성분의 제곱의 총 합이 복수의 마이크로폰들 사이에서 동등하도록 배열되는 한, 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각형의 무게중심으로부터 그 삼각형의 정점들까지 연장하도록 배열된다.
본 발명의 음향 측정 장치에서, 마이크로폰들의 그러한 배열은 음장이 벡터 기반 접근법으로 해석되도록 허용한다. 이 구성으로, 본 발명의 음향 측정 장치에서, 2 차원 입자 속도 벡터 또는 2 차원 음향 인텐시티를 측정하기 위해 요구되는 마이크로폰들의 수를 종래의 구성에서의 적어도 4 개로부터 적어도 3 개로 감소시키는 것이 가능하다. 이 구성으로도, 수학식 12 또는 수학식 13 을 사용하여 입자 속도 벡터 또는 음향 인텐시티를 쉽게 계산하는 것이 가능하다.
2 차원 측정에서, 마이크로폰들의 수는 3 개로 한정되지 않고, 사용의 목적에 따라 4 개, 5 개 이상의 마이크로폰들을 사용하는 것이 가능하다. 4 개의 마이크로폰들이 사용되는 경우에 상기 조건들 (1) 내지 (3) 을 만족시키기 위해, 마이크로폰들의 각각의 쌍들을 연결하는 선들이 원점을 중심으로 x 방향 및 y 방향으로 서로 교차하도록, 180 도 반대 방향으로 배열된 마이크로폰들의 각각의 쌍들이 배열되도록, 4 개의 마이크로폰들이 배열된다.
2 차원의 C-C 방법의 음향 측정 장치에서, 4 개 이상의 마이크로폰들이 사용되는 경우에만, 마이크로폰들 사이에 존재하는 위상 특성들에서의 고유의 불일치를 무시하는 것이 가능하다. 따라서, 엄밀히 말하자면, 수음부가 3 개의 마이크로폰들에 의해 구성되는 경우에, 위상 특성들에서의 불일치로 인해 측정 오차가 발생할 수도 있다. 그러나, 이 경우에, 종래의 P-P 방법에서보다 더 만족스러운 효과를 획득하는 것이 가능하다.
마이크로폰들 사이의 간격은 단일 평면파 음장의 경우에 영향을 주지 않는다. 복수의 간섭 음장들의 경우에는, 간격을 감소시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 음향 측정 장치에서, 수음부를 구성하기 위해 다수의 마이크로폰들이 사용될 수도 있다. 이 경우에, 1 개의 마이크로폰이 적절하게 동작하는데 실패하더라도, 측정 정확도가 감소되지만 음향 측정 장치의 기능이 어느 정도까지 보장될 수 있다. 따라서, 본 발명의 음향 측정 장치는 로버스트성을 요구하는 사용에 적용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 음향 측정 장치의 제 2 실시형태가 설명될 것이다. 도 5는 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태의 수음부를 설명하기 위한 도면이다. 도 5가 각각의 마이크로폰의 외관을 표현하지 않고 각각의 마이크로폰의 지향성만을 표현한다는 것이 주의된다. 제 1 실시형태의 음향 측정 장치는 2 차원 음향 정보를 측정하도록 구성되지만, 제 2 실시형태의 음향 측정 장치는 3 차원 음향 정보를 측정하도록 구성된다. 예시된 바와 같이, 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태에서, 수음부는 4 개의 마이크로폰들, 즉 제 1 마이크로폰 (21), 제 2 마이크로폰 (22), 제 3 마이크로폰 (23), 및 제 4 마이크로폰 (24) 에 의해 구성된다. 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 화살표들은 단위 벡터들을 표현한다. 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각뿔 (사면체) 의 무게중심으로부터 그 삼각뿔의 정점들까지 연장하도록 배열된다. 단위 벡터들의 방향들은 반전될 수도 있다. 즉, 마이크로폰들은 단위 벡터들이 삼각뿔의 정점들로부터 그 삼각뿔의 무게중심까지 연장하도록 배열된다. 상술된 바와 같이, 4 개의 마이크로폰들이 사용되는 경우에, 마이크로폰들이 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들의 총 합이 0 이고 복수의 마이크로폰들의 각각의 단위 벡터의 성분의 제곱의 총 합이 복수의 마이크로폰들 사이에서 동등하도록 배열되는 한, 마이크로폰들은 단위 벡터들이 정사면체의 무게중심으로부터 정사면체의 정점들까지 연장하도록 배열된다.
또한, 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태에서, 음장은 벡터 기반 접근법으로 해석될 수 있고, 3 차원 입자 속도 벡터 또는 3 차원 음향 인텐시티를 측정하기 위해 요구되는 마이크로폰들의 수를 종래의 구성에서의 적어도 6 개로부터 적어도 4 개로 감소시키는 것이 가능하다. 이 구성으로도, 수학식 12 또는 수학식 13 을 사용하여 입자 속도 벡터 또는 음향 인텐시티를 쉽게 계산하는 것이 가능하다.
여기서, 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태가 시뮬레이션에 의해 분석된다. 먼저, 단일 평면파로서 100 ㎐ 의 정현파가 도달하는 심플한 3 차원 음장이 가정된다. 그 후, 수음부로의 음장의 도달각이 0 도 와 350 도 사이에서 10 도 증분들로 변화되는 경우에 획득된 4 개의 마이크로폰들의 응답들이 계산되고, 4 개의 채널들에 대응하는 획득된 응답 파형들이 사용되어, 수학식 13 에 따른 음향 인텐시티들을 계산한다. 또한, 획득된 음향 인텐시티들이 평균되어 3 차원 평균 인텐시티 벡터를 계산함으로써, 음원으로부터의 음의 도달 방향 및 음향 인텐시티의 절대값이 계산된다. 획득된 결과들은 도 6 내지 도 8에서 예시된다.
도 6은 음원으로부터의 음의 도달 방향이 수평각에 대하여 변화되는 경우에서의 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태에서의 시뮬레이션 결과이다. 횡축은 음의 실제 도달 방향을 표현하고, 종축은 음의 계산된 도달 방향을 표현한다. 도 7은 도달 방향이 앙각에 대하여 변화되는 경우에서의 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태에서의 시뮬레이션 결과이다. 또한 이 경우에, 횡축은 음의 실제 도달 방향을 표현하고, 종축은 음의 계산된 도달 방향을 표현한다. 도 8은 음향 인텐시티의 절대값이 계산되는, 본 발명의 음향 측정 장치의 제 2 실시형태의 구성에서의 시뮬레이션 결과이다. 횡축은 음의 실제 도달 방향을 표현하고, 종축은 음향 인텐시티의 계산된 절대값을 표현한다.
도 6 내지 도 8로부터 명확한 바와 같이, 3 차원 도달 방향은 충분히 정확하게 분석되었다. 또한, 절대값은 음의 도달 방향과 무관하게 일정하게 유지되어, 음원의 방향에 대한 치우침 없이 분석이 이루어질 수 있다는 것을 나타낸다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 음향 측정 장치에서, C-C 방법에 기초한 측정 이론이 벡터 기반 접근법으로 해석되어, C-C 방법의 산물인, 주파수에 대한 마이크로폰들 사이의 간격의 의존성이 존재하지 않는다. 또한, 복수의 마이크로폰들이 직교 좌표계의 각각의 축들 상에 지향성에 관련하여 180 도 반대 방향으로 배열될 필요가 없어서, 사용되는 마이크로폰들의 수가 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 음향 측정 장치에서, 마이크로폰들이 지향성에 관련하여 180 도 반대 방향으로 배열될 필요가 없고, 마이크로폰들이 서로에 대하여 비스듬하게 배열될 수도 있어서, 마이크로폰들의 수음측들에 대향하는 위치들에 일반적으로 제공되는 단자들이 물리적으로 서로 간섭하기 어렵게 된다. 이는 마이크로폰들의 배열을 용이하게 하고 마이크로폰 사이즈의 감소를 허용한다.
3 차원 측정에서, 마이크로폰들의 수는 4 개로 한정되지 않고, 사용의 목적에 따라 5 개, 6 개 이상의 마이크로폰들을 사용하는 것이 가능하다. 6 개의 마이크로폰들이 사용되는 경우에 상기 조건들 (1) 내지 (3) 을 만족시키기 위해, 마이크로폰들의 각각의 쌍들을 연결하는 선들이 원점을 중심으로 x 방향, y 방향, 및 z 방향으로 서로 교차하도록, 180 도 반대 방향으로 배열된 마이크로폰들의 각각의 쌍들이 배열되도록, 6 개의 마이크로폰들이 배열된다.
3 차원의 C-C 방법의 음향 측정 장치에서, 6 개 이상의 마이크로폰들이 사용되는 경우에만, 마이크로폰들 사이에 존재하는 위상 특성들에서의 고유의 불일치를 무시하는 것이 가능하다. 따라서, 엄밀히 말하자면, 수음부가 4 개의 마이크로폰들에 의해 구성되는 경우에, 위상 특성들에서의 불일치로 인해 측정 오차가 발생할 수도 있다. 그러나, 이 경우에, 종래의 P-P 방법에서보다 더 만족스러운 효과를 획득하는 것이 가능하다.
단일 평면파 음장의 경우에 마이크로폰들이 영향을 주지 않는다. 그러나, 복수의 간섭 음장들의 경우에, 간격을 감소시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 3 차원 음향 측정 장치에서, 수음부를 구성하기 위해 다수의 마이크로폰들이 사용될 수도 있다. 이 경우에, 1 개의 마이크로폰이 적절하게 동작하는데 실패하더라도, 측정 정확도가 감소되지만 음향 측정 장치의 기능은 어느 정도까지 보장될 수 있다. 따라서, 본 발명의 음향 측정 장치는 로버스트성을 요구하는 사용에 적용될 수 있다.
본 발명의 음향 측정 장치는 예시적인 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 변형들이 이루어질 수도 있다는 것은 당연하다.

Claims (11)

  1. 단일지향성의 복수의 마이크로폰들을 포함하는 수음부로서, 상기 복수의 마이크로폰들은 마이크로폰의 최대 감도 방향을 각각 향하는 단위 벡터들의 총 합이 0 이도록 배열되는, 상기 수음부; 및
    각각의 상기 단위 벡터들을 상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값들과 승산하고, 그 결과들을 벡터-합성함으로써 음향 정보를 계산하는 계산부를 포함하는, 음향 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들은 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 단위 벡터의 성분의 제곱의 총 합이 상기 복수의 마이크로폰들 사이에서 동등하도록 배열되는, 음향 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들의 수는 계산될 음향 정보의 공간 차원들의 수보다 더 큰, 음향 측정 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값은 음압이며,
    상기 계산부는 각각의 상기 단위 벡터들을 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 음압 값들과 승산하여 그 결과들을 벡터-합성함으로써 입자 속도 벡터를 계산하는, 음향 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값은 음압이며,
    상기 계산부는 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 음압 값들의 총 합인 무지향성 음압을 계산하는, 음향 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 계산부는 상기 입자 속도 벡터와 상기 무지향성 음압을 승산하여 음향 인텐시티를 계산하는, 음향 측정 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 측정 값은 음압이며,
    상기 계산부는 각각의 상기 단위 벡터들을 상기 복수의 마이크로폰들의 각각의 음압 값들의 제곱과 승산하여 그 결과들을 벡터-합성함으로써 음향 인텐시티를 계산하는, 음향 측정 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수음부는 3 개의 마이크로폰들을 포함하며, 상기 3 개의 마이크로폰들은 상기 단위 벡터들이 삼각형의 무게중심으로부터 상기 삼각형의 정점들로 또는 상기 삼각형의 정점들로부터 상기 삼각형의 무게중심으로 연장하도록 배열되는, 음향 측정 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수음부는 4 개의 마이크로폰들을 포함하며, 상기 4 개의 마이크로폰들은 상기 단위 벡터들이 삼각뿔의 무게중심으로부터 상기 삼각뿔의 정점들로 또는 상기 삼각뿔의 정점들로부터 상기 삼각뿔의 무게중심으로 연장하도록 배열되는, 음향 측정 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수음부의 상기 복수의 마이크로폰들은 카디오이드 마이크로폰, 수퍼 카디오이드 마이크로폰, 하이퍼 카디오이드 마이크로폰, 및 울트라 카디오이드 마이크로폰 중 어느 하나인, 음향 측정 장치.
  11. 삭제
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