KR101292206B1 - 어레이 스피커 시스템 및 그 구현 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어레이 스피커 시스템 및 그 구현 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 어레이 스피커 시스템은 미리 설정된 조절 인자에 따라 어레이에 포함된 복수 개의 스피커들의 조합들을 각각 하나의 그룹으로 설정하는 그룹 설정부, 조절 인자에 따라 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 설정된 그룹에 선택적으로 할당하는 신호 할당부, 그룹의 음원 특성에 따라 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 출력할 음원 신호를 조절하는 음원 조절부 및 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 조절된 음원 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함함으로써, 광대역 주파수의 출력시 주파수 대역별로 최적화된 음 조절과 출력이 가능하고, 출력 음원 신호가 왜곡되는 근접장 효과의 발생을 방지하고, 스테레오 및 멀티 채널 효과를 얻을 수 있으며, 어레이 스피커의 지향성을 향상시킬 수 있다.

Description

어레이 스피커 시스템 및 그 구현 방법{Array speaker system and the implementing method thereof}

본 발명은 복수 개의 스피커들을 포함하는 어레이 스피커 시스템 및 그 구현 방법에 관한 발명으로서, 음원 신호의 방사 방향 및 목표로 하는 방사 위치 등의 지향성 특성, 음원 신호의 포커싱 개수 등 어레이 스피커의 출력 음원 신호를 조절하기 위한 어레이 스피커 시스템 및 그 구현 방법에 관한 것이다.

어레이 스피커는 다수의 스피커를 조합하여 재생하려는 음의 방향을 조절하거나, 특정 지역으로 음을 보내고자 할 때 사용된다. 목적으로 하는 위치나 방향으로 음을 조절하기 위해서는 다수의 음원 신호를 포함하는 어레이가 필요하다. 일반적으로 지향성(directivity)라고 불리는 음의 전달 원리는 다수의 음원 신호들의 위상 차이를 이용하여 특정 방향으로 신호의 세기가 커지도록 신호를 중첩시킴으로써 신호를 특정 방향으로 전달하게 된다. 따라서, 다수의 스피커들을 특정 위치에 따라 배치하고 어레이를 구성하는 각각의 스피커들을 통해 출력되는 음원 신호를 조절함으로써 이러한 지향성을 구현하게 된다.

최근 다양한 휴대용 디지털 기기가 상용화됨에 따라 음향 신호를 재생할 수 있는 스피커들의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 휴대용 디지털 기기에 구현된 음향 재생 기능에 대한 사용자들의 기대 수준과 욕구도 점차 증가하고 있다. 예를 들어, 종래의 단순한 모노(mono) 스피커에서 스테레오(stereo) 스피커로, 또한 스테레오 스피커에서 다채널의 어레이 스피커로 점차 고도화된 스피커 기술을 요구하고 있는 것이다. 그러나, 휴대용 디지털 기기에서는 작은 크기, 가벼운 무게 등의 기본적인 제약 조건에 의해 어레이의 사이즈나 음원 소스(어레이를 구성하는 스피커를 의미한다.)의 개수에 물리적인 제약이 가해진다. 따라서, 이러한 물리적인 하드웨어 상의 제약으로 인해 소형 디지털 기기에서는 출력 음원의 주파수에 따라 특정 방향이나 영역에서 음의 조절 성능이 떨어지게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 어레이 스피커 장치에서 고정된 간격의 스피커들로 인해 광대역 주파수 출력시 음 조절이 어려웠던 문제점을 해결하고, 청취자가 어레이 스피커의 가까이에 접근할 때 출력 음원 신호가 왜곡되는 근접장 효과가 발생하던 한계를 극복하며, 소형 음향 기기에서 음의 조절 성능이 떨어지는 문제점을 해결하는 어레이 스피커 시스템 및 그 구현 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 어레이 스피커 시스템은 소정의 조절 인자에 따라 어레이에 포함된 복수 개의 스피커들의 조합들을 각각 하나의 그룹으로 설정하는 그룹 설정부; 상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 상기 설정된 그룹에 선택적으로 할당하는 신호 할당부; 상기 그룹의 음원 특성에 따라 상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 출력할 음원 신호를 조절하는 음원 조절부; 및 상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 상기 조절된 음원 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 어레이 스피커 시스템의 구현 방법은 소정의 조절 인자에 따라 어레이에 포함된 복수 개의 스피커들의 조합들을 각각 하나의 그룹으로 설정하는 단계; 상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 상기 설정된 그룹에 선택적으로 할당하는 단 계; 상기 그룹의 음원 특성에 따라 상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 출력할 음원 신호를 조절하는 단계; 및 상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 상기 조절된 음원 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 기재된 어레이 스피커 시스템의 구현 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

본 발명은 어레이에 포함된 복수 개의 스피커들의 조합들을 각각 하나의 논리적인 그룹으로 설정하고 설정된 그룹에 하나 이상의 음원 신호들을 선택적으로 할당하여 그룹의 음원 특성에 따라 음원 신호를 조절함으로써 광대역 주파수의 출력시 주파수 대역별로 최적화된 음 조절과 출력이 가능하고, 청취자가 어레이 스피커의 가까이에 접근할 경우에도 설정된 그룹을 이용하여 어레이의 크기를 줄여줌으로써 출력 음원 신호가 왜곡되는 근접장 효과의 발생을 방지하고, 포커싱의 개수 및 위치에 따라 설정된 그룹을 통해 음원 신호를 조절함으로써 소형 음향 기기에서 스테레오 및 멀티 채널 효과를 얻을 수 있으며, 어레이 스피커의 지향성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 주파수 대역에 따른 어레이 스피커의 빔 패턴(beam pattern)을 예시한 도면으로서, 각각의 빔 패턴은 저주파 및 고주파 지향 특성을 도시한 것이다. 여기서 빔 패턴이라 함은 스피커 및 안테나 등의 신호 출력 장치에서 360도의 전방향으로 방사되는 전자기파의 전계강도(electric field strength)를 측정하여 그래프로 표시한 것을 말한다. 이러한 빔 패턴은 출력 신호를 측정하는 측정기를 이용하여 측정하고자 하는 스피커의 360도 전방향에서 신호를 수신하여 각각의 측정 각도별로 수신된 전계강도를 폴라 차트(polar chart)상에 파형으로 도시함으로써 얻어진다. 따라서, 폴라 차트의 중심으로부터 멀리 떨어져 있을수록 전계강도가 크다는 것을 의미하고, 이는 해당 방향으로 지향성을 갖는다는 것을 의미한다.

도 1의 빔 패턴 110은 저주파의 경우를 예시한 도면이고, 빔 패턴 120은 고주파의 경우를 예시한 도면이다. 일반적으로 어레이 스피커를 사용하는 경우 주파수에 따라 음 조절 성능이 변화하는데, 저주파수에서는 어레이 스피커의 사이즈보다 파장이 크면 빔 폭이 커져서 특정 위치로 소리를 포커싱(focusing)하는데에 어려움이 발생한다. 반대로 고주파수에서는 빔 폭이 좁아지거나 불필요한 사이드 로브(side robes)가 발생하는 문제점이 나타난다. 사이드 로브란 어레이 스피커의 빔 패턴에서 불균일하게 발생하는 방사 패턴을 의미하는 것으로, 도 1의 120에서는 중앙의 빔을 제외한 양 쪽으로 작고 가늘게 형성된 불균일한 빔 패턴으로 나타난다. 이상과 같은 문제점들은 특히 소형 음향 기기 등에서 어레이의 사이즈가 너무 작은 경우에 음 조절이 용이하지 않기 때문에 두드러지게 발생하게 된다.

도 2는 어레이 스피커에서 나타나는 근접장 효과를 도시한 도면이다. 근접장효과란 어레이 스피커의 가까이에서 음이 왜곡되는 현상을 말하는 것으로, 도 2의 210은 어레이의 스피커로부터의 거리에 따라 음원의 방사 특성이 어떻게 변화하는 지를 예시한 방사 패턴이다. 방사 패턴 210에서 원으로 표시한 부분, 즉 어레이 스피커로부터 0.5m 이내의 지점을 살펴보면 다수의 출력 음원들이 상호 간섭에 의해 음의 왜곡을 일으키고 있는 것을 볼 수 있다. 도 2의 220은 어레이 스피커로부터의 거리에 따라 음압 레벨(sound pressure level)이 어떻게 변화하는 지를 예시한 그래프이다. 마찬가지로 그래프 220에서도 원으로 표시한 부분에서 음압 레벨이 불규칙하게 왜곡되는 것을 알 수 있다. 즉, 도 2는 출력 음원이 왜곡을 일으키는 특정 거리 이내에서는 청취자가 음원을 제대로 청취하기 어렵다는 것을 나타낸다.

특히, 일반 가정에서 사용하는 오디오 기기와는 달리 사용자가 휴대하며 동영상을 감상할 수 있는 휴대폰이나 DMB 플레이어(digital multimedia broadcasting player) , PMP(portable multimedia player)와 같은 소형 음향 기기 등에서는 음향 기기로부터 사용자 간의 거리가 짧기 때문에 이러한 근접장 효과가 발생할 우려가 커진다. 따라서, 어레이 스피커와 사용자 간의 거리가 짧을 경우에도 근접장 효과 발생을 억제하며 음원 신호를 제대로 출력할 수 있는 어레이 스피커 시스템이 필요하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커 시스템을 도시한 블럭도로서, 신호 입력부(310), 신호 할당부(320), 음원 조절부(330), 신호 출력부(340) 및 그룹 설정부(315)로 구성된다.

신호 입력부(310)는 어레이 스피커에서 출력하려는 음원(sound source)을 공급받는다. 이러한 음원 신호는 모노(mono) 신호 또는 스테레오(stereo)를 포함한 다채널 신호가 될 수 있다.

그룹 설정부(315)는 특정 조절 인자에 따라 어레이(array)에 포함된 복수 개의 스피커들의 논리적인 조합들을 각각 하나의 그룹으로 설정한다. 여기서 특정 조절 인자는 음원의 주파수 대역, 음원의 방사 방향, 음원의 포커싱(focusing) 위치 및 음원의 포커싱 개수 등 음원의 지향성 내지 음장 특성을 결정하는 요소들을 고려하여 미리 설정된 값을 의미한다. 이러한 조절 인자는 어레이 크기, 어레이를 구성하는 스피커의 개수, 스피커의 음압 특성 등 어레이 스피커를 구성하는 하드웨어 정보를 이용하여 해당 어레이 스피커를 통해 출력하고자 하는 음향 신호에 적합하도록 미리 스피커들의 논리적인 조합들을 산출해놓은 설정값이다. 따라서, 상기 설정값(미리 산출된 특정 조절 인자를 의미합니다.)은 특정 저장 장치에 저장되어 있다가 사용자가 어레이 스피커의 음장을 변경하고자 할 때, 호출하여 적용할 수도 있을 것이고, 직접 사용자 또는 자동화된 음향 시스템으로부터 설정값을 입력받을 수도 있을 것이다. 즉, 그룹 설정부(315)는 어레이 스피커 시스템에서 사용자가 목적하는 방향 및 위치 등의 음 조절 특성에 맞도록 음원 신호를 조절할 수 있는 설정값을 입력받아 어레이 스피커를 통해 출력할 수 있도록 어레이 스피커를 구성하는 스피커들의 논리적인 조합을 재구성하는 역할을 수행한다.

한편, 스피커들의 논리적인 조합들을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 일반적인 어레이 스피커 장치에서는 고정된 크기의 스피커들 각각이 고정되어 어레이를 구성한다. 즉, 어레이를 구성하는 스피커들이 물리적으로 고정되어 있다. 그 결과 어레이 스피커 장치는 하드웨어 상의 제약을 극복하고 음 조절을 하는 것이 용이하지 않았다. 이에 반해, 본 실시예의 그룹 설정부(315)는 물리적으로 고정되 어 있는 스피커들에 대해 하나 이상의 논리적인 그룹들로 설정한다. 예를 들어, 어레이를 구성하는 10 개의 스피커들이 구비되어 있을 경우, 이들 중 5 개는 1 그룹, 나머지 5 개는 2 그룹으로 설정할 수 있을 것이다. 그리고, 이렇게 분류된 2 개의 그룹에 각각 좌/우의 신호를 분리하여 할당할 경우 하나의 어레이로 스테레오 음향을 구현할 수 있다. 마찬가지 방법으로, 사용자가 음원 신호에 대해 주파수별로 다른 신호 처리를 하기를 원할 경우, 필요한 주파수의 대역별로 그룹을 설정하고 각각의 그룹에 대하여 음원 신호를 할당함으로써 어레이를 구성하는 고정된 스피커들을 동적으로 활용할 수 있다. 상기와 같이 스피커들의 논리적인 조합을 통해 하나의 어레이를 마치 2 개 이상의 어레이가 존재하는 것처럼 활용할 수가 있는 효과가 나타난다.

신호 할당부(320)는 상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 그룹 설정부(315)를 통해 설정된 그룹에 선택적으로 할당한다. 보다 상세하게 설명하면, 우선 신호 할당부(320)는 신호 입력부(310)로부터 입력된 입력 음원 신호를 출력에 필요한 채널의 개수만큼 복사한다. 이어서, 신호 할당부(320)는 복사된 입력 음원 신호를 조절 인자에 따라 하나 이상의 음원 신호로 분리한다. 음원 신호를 분리하는 기준은 상기 조절 인자에 따라 달라질 수 있으며, 분리 신호의 개수는 그룹 설정부(315)에서 설정된 그룹에 개수와 동일할 것이다. 마지막으로 신호 할당부(320)는 분리된 음원 신호들을 각각 대응하는 그룹에 할당한다. 여기서 음원 신호들을 그룹에 할당한다 함은 그룹 설정부(315)를 통해 설정된 그룹에 해당하는 스피커들에 신호를 할당한다는 것을 의미한다. 또한, 선택 적으로 신호를 할당한다 함은 분리된 음원 신호들이 조절 인자에 따라 특정 그룹에 할당될 수도 있고, 할당되지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 입력 음원을 좌/우의 스테레오 신호로 분리하였다면, 왼쪽 음원 신호를 출력하려는 스피커들의 조합으로 설정된 그룹에 오른쪽 음원 신호를 할당하여서는 안 될 것이다.

상기와 같이 입력 음원 신호를 분리하여 설정된 그룹에 할당하는 것은 멀티플렉서(multiplexer)와 같은 하드웨어를 이용하여 연결된 각각의 스피커들에 신호를 공급 또는 차단하거나, 설정된 그룹 정보에 기초하여 윈도우 펑션(window function)과 같은 알고리즘을 이용하여 스피커들에 신호를 공급 또는 차단할 수 있을 것이다. 예를 들어, 음원 신호의 분리 기준이 주파수 대역이라고 가정하면, 신호 할당부(320)는 우선 신호 입력부(310)에 입력된 음원 신호를 필요한 채널의 수만큼 복사하고, 각각의 주파수 대역에 맞는 필터를 이용하여 복사된 신호를 하나 이상의 주파수 대역 신호로 분리한 다음, 분리된 신호에 대응하는 그룹에 각각의 분리된 신호들을 할당할 수 있다.

음원 조절부(330)는 그룹 설정부(315)에서 설정한 그룹의 음원 특성에 따라 신호 할당부(320)로부터 입력된 음원 신호를 조절한다. 보다 상세하게 설명하면, 음원 조절부(330)는 신호 할당부(320)로부터 입력된 음원 신호에 음원 특성에 따라 신호를 증폭하는 이득(gain), 신호를 일정 시간 늦추는 지연(delay) 및 FIR 형태의 필터 등의 다양한 신호 처리를 함으로써 음원 신호를 조절한다. 이러한 이득 내지 지연 값은 목적하는 음원의 방사 방향 및 빔(beam) 폭 등의 음장을 형성하기 위한 값으로 계산된 값이다. 예를 들어, 그룹 설정부(315)를 통해 설정된 그룹이 2 개이 고 각각의 그룹이 다른 방향으로 음원을 포커싱(focusing)하려 할 경우, 음원 조절부(330)는 각 그룹에 포함된 스피커들의 지향성을 조절하기 위해 양 그룹에 포함된 스피커들에 대한 지연값들을 계산하여 각각의 스피커에 공급된 음원 신호를 계산된 값만큼 지연시킬 것이다.

신호 출력부(340)는 어레이를 구성하는 스피커들 각각을 통해 음원 조절부(330)에서 조절된 음원 신호를 출력한다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 신호 출력부(340)를 어레이를 구성하는 스피커들로 예시하고 있으나 이러한 신호 출력부(340)는 사운드 웨이브를 출력할 수 있는 모든 음원 신호 출력 수단을 포함한다.

이하에서는 그룹 설정부(315)에서 설정한 그룹에 대하여 음원 조절부(330)에서 어떠한 처리를 하는지를 보다 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커의 음원 조절부를 구체적으로 도시한 도면으로서, 신호 입력부에서 입력된 입력 신호(410), 음원 조절부 및 출력 신호(430)만을 도시하였다. 본 실시예는 그룹 설정부(미도시)에 의해 음원 신호와 음원 신호를 출력할 스피커들을 2 개의 그룹으로 설정한 경우를 가정한다.

우선, 입력 신호 x(n)(410)은 그룹 설정부(미도시)에 의해 설정된 그룹 1(441) 및 그룹 2(442)에 할당되어 각각에 대해 음원 조절이 수행된다. 입력 신호 x(n)(410)를 양 그룹(441, 442)에 분리하여 할당하기 위해서는 상기 도 3에서 설명한 신호 할당부가 필요할 것이나 본 실시예에서는 편의상 생략하여 도시하였다. 도 4에서 양 그룹(441, 442)은 각각 P개, M-P개의 음원 신호들로 구성되며, 음원 신호 들의 출력을 위해 y₁(n), y₂(n), y_P(n) 및 y_{P +1}(n), y_{P +2}(n), y_M(n) 등의 스피커들을 포함하도록 논리적으로 설정되었다. 이러한 음원 신호들은 어레이 스피커가 출력하고자하는 음원 신호의 특성에 따라 단순히 입력 신호 x(n)(410)을 복사한 것일 수도 있고, 주파수 대역별로 분리하여 하나의 주파수 대역에 하나의 출력 신호가 대응되도록 연결될 것일 수도 있다. 각각의 음원 신호는 이득(421) 또는 필터 및 지연(422) 등의 처리를 거쳐 음원 조절이 수행되는데, 이러한 음원 조절은 그룹 설정부(미도시)에 입력되는 조절 인자들에 의해 제어된다. 앞서 설명한 바와 같이 조절 인자들은 사용자가 원하는 방향이나 빔 폭 등을 제어하기 위해 미리 설정된 값을 의미한다. 이렇게 조절된 음원 신호들은 각각의 그룹에 포함되는 스피커들에 전달되어 출력된다.

이하에서는 물리적으로 고정되어 있는 하드웨어인 스피커들을 논리적인 그룹으로 설정함으로써 음원을 조절하는 방법에 관해 다양한 실시예들을 제공한다.

일반적으로 어레이 스피커에서 사용자가 원하는 방향으로의 음 조절에 적합한 스피커 간의 간격은 파장의 절반인 경우에 최적인 된다고 알려져 있다. 최적이라는 의미는 어레이 스피커에서 방사하는 음원 신호의 지향성 특성이 가장 좋다는 것을 의미한다. 따라서, 어레이 스피커에서 출력하려는 음원 신호의 특성을 파악하여 해당 음원의 파장에 절반의 길이를 산출한 후, 어레이를 구성하는 스피커들 간의 간격을 산출된 길이로 조절하면 최적의 성능을 갖는 어레이 스피커 시스템을 구현할 수 있을 것이다. 어레이 스피커를 통해 출력하려는 신호는 음파의 형태로 전 달되므로 소리의 전달 속도인 음속에 따르므로, 음속이 일정할 경우 주파수(frequency)와 파장(wavelength)은 반비례한다. 예를 들어, 저주파 신호에서 주파수가 낮으면 파장은 길어질 것이고, 파장이 길어지면 최적 스피커 간의 간격 또한 길어질 것이다. 즉, 어레이를 구성함에 있어서 스피커 간의 간격이 멀어져야 한다는 것을 의미한다. 반대로 고주파 신호를 출력할 경우에는 스피커 간의 간격이 좁을때 최적의 방사 특성을 나타낼 것이다.

그러나, 일반적인 어레이 장치에서는 스피커 간의 간격이 고정되어 있고 또한 출력하려는 음원 신호의 파장이 늘 일정한 것이 아니기 때문에 모든 주파수에 대해 파장의 절반이 되는 간격을 유지하도록 스피커들을 배치하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서, 본 실시예에서는 물리적으로 일정 간격으로 고정된 스피커 간의 간격이 갖는 한계점을 극복하기 위해 어레이를 구성하는 고정된 스피커들을 동시에 모두 사용하는 것이 아니라, 일부 스피커들만을 사용함으로써 출력에 사용되는 스피커들 간의 간격을 변화시키는 방법을 제공한다. 즉, 어레이를 구성하는 고정된 간격의 스피커들 중에서 특정 간격으로 배치된 스피커들의 조합을 하나의 그룹으로 설정하고, 설정된 그룹을 통해서 이에 대응하는 주파수의 음원 신호를 출력하는 방법을 통해 광대역 주파수에 대한 방사 특성을 최적화할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스피커의 간격을 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.

도 5a는 어레이(510)를 구성하는 스피커(520)들이 일정 간격 d로 배치되어 있는 경우를 가정한다. 그룹 1(551)은 간격 d만큼 떨어져 위치한 스피커들을 포함 한 그룹이고, 그룹 2(552)는 스피커들을 하나씩 거르며 선택된 그룹으로서 선택된 스피커들 간의 간격은 2d이다. 양 그룹(551, 552)을 비교할 때, 그룹 1은 그룹 2에 비해 고주파 신호에 적합할 것이고, 반대로 그룹 2는 그룹 1에 비해 상대적으로 저주파 신호에 적합할 것이다. 이와 같이 어레이를 구성하는 스피커들을 입력되는 음원 신호의 특성에 따라 특정 간격을 갖는 스피커들의 논리적인 그룹으로 설정하고, 음원 신호를 출력함에 있어서 설정된 그룹에 해당하는 스피커들만을 사용함으로써 고정된 간격을 갖는 어레이 스피커의 물리적인 한계를 극복할 수 있으며 보다 용이한 음 조절이 가능하다.

도 5b는 도 5a에서 도시한 그룹 설정 과정을 보다 일반화하여 도시한 것으로, 도 5a와 마찬가지로 어레이(510)를 구성하는 스피커(520)들 간의 간격 d는 일정한 경우를 가정한다. 입력 신호(560)들이 다양한 파장을 갖는 광대역 신호이고, 조절 인자가 음원의 주파수 대역에 따른 설정값일 경우, 그룹 설정부(미도시)는 어레이(510)를 구성하는 스피커(520)들의 간격이 파장의 절반(540)이 되도록 스피커들(520)을 G₁, G₂ 및 G_m을 비롯한 논리적인 그룹으로서 설정한다. 즉, 고주파에서 저주파로 그룹에 포함되는 스피커 간의 간격을 점점 더 넓게 하여 대응시키게 된다. 도 5b에는 스피커들 간의 간격이 파장의 절반이 되도록 스피커들을 구성하는 수식(540)과 계산된 수식에 대응되는 그룹들(550)이 도시되어 있다. 한편, 신호 할당부(미도시)는 입력 신호들(560)을 각각의 주파수 대역별로 분리하여 G₁, G₂ 및 G_m을 비롯한 대응되는 그룹들(550)에 할당한다. 이상에서와 같이 비록 입력 신호(560)들이 다양한 파장을 갖더라도 각각의 입력 신호에 대응되는 최적의 스피커 간의 간격을 산출하여 이에 해당하는 스피커들을 논리적인 그룹으로 설정함으로써 광대역 신호에서의 방사 특성을 최적화하여 출력할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스피커의 위치에 따라 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.

앞서 설명한 바와 같이 소형 음향 기기 등에서는 음향 기기로부터 사용자 간의 거리가 짧기 때문에 어레이 스피커에 가까워질 때에 음이 왜곡되는 근접장 효과가 발생할 우려가 크다. 특히, 이러한 근접장 효과는 음원 신호의 주파수와 어레이 크기에 영향을 받는데, 일반적으로 어레이 크기가 작을수록 근접장 효과가 나타나는 영역과 거리가 감소하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 일반적인 어레이 스피커의 경우 어레이를 구성하는 스피커들의 물리적인 크기가 고정되어 있기 때문에 어레이 스피커에서 발생하는 근접장 효과를 제거하는데 어려움이 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 출력하려는 음원 신호들의 주파수 및 어레이의 크기를 조절함으로써 상기된 바와 같은 근접장 효과를 억제하려 한다. 간격과 크기가 고정되어 있는 어레이에서는 어레이를 구성하는 스피커들 중 일부를 사용하지 않는 방법을 통해 가상적으로 어레이의 크기를 줄일 수 있다. 예를 들어, 고주파의 경우 음원을 출력하는 어레이의 크기를 감소시키면 근접장 효과가 감소하게 되므로, 고주파 음원을 출력하기 위해 사용되는 어레이에서 가장 바깥쪽에 위치한 스피커들을 사용하지 않고 어레이의 중앙부에 위치한 스피커들만을 사용함으로써 어레이의 크기를 줄일 수 있다.

도 6a에서 G₁, G₂ 및 G_m은 각각 어레이(610)를 구성하는 스피커들의 크기에 따라 설정된 논리적인 그룹들(620)이다. 출력할 음원 신호들이 주파수별로 분리되어 입력된 경우 고주파에 해당하는 음원 신호들에 어레이 크기가 작은 그룹 G₁을 대응시키고, 저주파에 해당하는 음원 신호들에는 어레이 크기가 큰 그룹 G_m를 대응시킬 수 있을 것이다. 또한, 도 6b에서는 중앙부에 위치한 스피커들을 포함하는 그룹 G₂, 어레이(610)의 바깥쪽에 위치한 스피커들을 포함하는 그룹 G₁ 및 G₃, 어레이(610) 전체를 사용하는 그룹 G₄와 같이 그룹(630)들을 설정할 수도 있을 것이다. 이와 같은 주파수 대역에 따른 그룹 설정 방법은 미리 음원 신호의 특성과 물리적인 하드웨어 스피커의 특성에 따라 산출되어 저장해놓고 그룹 설정부(미도시)가 어레이를 구성하는 스피커들을 그룹으로 설정할 때 추출해서 적용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주파수 대역별로 분리된 음원 신호와 어레이를 연결하는 구성을 도시한 블럭도로서, 이상에서 설명한 입력 신호들이 어떻게 설정된 그룹과 대응되도록 연결할 수 있는지는 도시한 실시예이다. 본 실시예에서는 도 5b에서와 같이 입력 신호가 주파수 대역별로 분리되어 처리되는 경우를 가정한다. 도 7에서 신호 할당부(미도시)를 통해 필요한 수만큼 복제된 입력 신호들(710)은 각각 고주파 통과 필터(high pass filter)(711), 대역 통과 필터(band pass filter)(712) 및 저주파 통과 필터(low pass filter)(713) 등으로 입력되고, 각각의 필터들을 통해 해당 주파수 대역의 신호들로 분리된다. 이렇게 분리된 신호 들은 조절 인자에 따라 그룹 설정부(미도시)에서 설정된 각각의 그룹 G₁, G₂ 및 G_m에 할당된다.

한편, 하드웨어 상에서 어레이를 구성하는 스피커들을 위치나 크기에 따라 그룹으로 설정하는 방법과 달리 필터를 이용함으로써 그룹을 설정할 수도 있다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 블럭도로서 미리 산출된 그룹 필터(815)를 채널 신호에 처리함으로써 자동적으로 입력 신호 x(n)을 그룹으로 분리하는 효과를 얻을 수 있다. 이렇게 분리된 입력 신호들을 각각 그룹별로 이득(821) 및 지연(822) 처리를 함으로써 원하는 음 조절을 수행하게 된다. 여기서 그룹 필터(815)는 이득(821)이나 지연(822)과 같이 음원 조절을 목적으로 하는 것이 아니라, 그룹 설정부(미도시)와 유사한 역할을 수행하는 것을 목적으로 한다. 즉, 음원 신호를 물리적으로 분리하는 것이라 윈도우 형태나 주파수 필터와 같은 알고리즘을 통해 음원 신호를 분리한다. 그 결과 음원 신호들이 그룹 필터를 통과하면서 선택적으로 분리되게 되고, 분리된 음원 신호들은 각각의 특성이 서로 다른 그룹을 형성하게 된다. 이하에서는 그룹 필터를 통해 음원 신호를 그룹으로 분리하여 출력하는 다양한 실시예들을 설명한다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이의 크기에 대응하는 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법과 실험예를 도시한 도면으로서 어레이 스피커(910)에 접근하는 청취자(920)와 그룹 필터에 의한 근접장 효과 영역(930)을 도시하였다. 여기서 근접장 효과 영역(930)이란 어레이(910)에 근접한 거리에서 음 의 왜곡이 일어나는 근접장이 나타나기 시작하는 영역으로서, 청취자(920)가 이 영역 내에 들어오면 음원의 포커싱이 안되고 출력 신호가 주파수에 따라 왜곡을 일으켜서 음원을 제대로 청취할 수 없게 된다. 예를 들어, 고주파수에서 나타나는 근접장 효과를 감소시키기 위해서는 어레이 스피커(910)와 청취자(920) 간의 거리가 가까워질수록 어레이 크기를 줄여야만 근접장 효과 영역(930)이 감소하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 음원의 포커싱 위치와 주파수에 따라서 음원 신호를 출력하는 어레이의 크기를 동적으로 변화시킴으로써 포커싱 성능을 떨어뜨리지 않으면서도 근접장 효과 영역을 제어할 수 있게 된다. 즉, 청취자(920)가 어레이(910)에 접근할수록, 또한 출력 음원 신호가 고주파일수록 근접장 효과 영역(930)을 작게 만들어야만 한다.

도 9b는 필터 처리의 여부에 따라 고주파수 음원의 출력시에 방사 패턴이 변화하는 모습을 나타낸 실험예이다. 도 9b의 그림 940은 그룹 필터의 사용 없이 어레이 전체를 사용하여 음원 신호를 출력할 때의 방사 패턴을 나타낸 것으로, 특히 원으로 표시한 어레이의 중앙부에서 음의 왜곡이 심하게 발생하고 있는 것을 보여주고 있다. 반면, 도 9b의 그림 950은 어레이의 중앙부만을 이용하여 출력하도록 설정된 그룹 필터를 사용함으로써 어레이의 중앙부에서 음의 왜곡이 거의 없이 출력되고 있는 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이의 포커싱 개수에 대응하는 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면으로서, 어레이(1010), 청취자(1020) 및 그룹 필터에 의해 분리된 2 개의 그룹들(1031, 1032)을 나타내고 있다. 그룹 필터에 의해 어레이를 구성하는 스피커들을 2 개의 그룹(1031, 1032)으로 분리함으로써 각각을 청취자(1020)의 양쪽 귀(1041, 1042)에 포커싱할 수 있다. 이를 통해, 어레이 스피커 시스템은 그룹들(1031, 1132)에 2 개의 채널들을 각각 대응시킴으로써 스테레오 오디오 시스템을 구현할 수 있다. 이러한 그룹 필터는 사용자와 어레이 스피커 간의 간격을 미리 조사하여 분리된 채널을 통해 스테레오 음원을 출력할 수 있도록 미리 설정값을 특정 저장 장치 등에 저장해 놓고, 스테레오 기능이 필요할 경우 설정값을 읽어들여 그룹 필터에 적용함으로써 구현 가능하다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이의 크기 및 포커싱 개수에 대응하는 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면으로서, 가로축인 어레이 스피커의 위치에 따라 그룹 필터를 통과한 음원 신호들이 얼마만큼의 이득값을 갖고 출력되는지를 보여주고 있다.

도 11의 그래프 1110에서 전체 어레이의 크기를 L(1111)이라 할 때, 특정 그룹 필터를 통과한 음원 신호는 L(1111)만큼의 크기의 전체 어레이를 모두 사용하지 않고 어레이의 가장 바깥쪽의 스피커들을 제외한 크기 Bw(1112)에 해당하는 스피커들만을 사용하고 있다. 또한, 스피커의 중앙부에서 가장 많은 이득값을 갖고 스피커의 바깥쪽으로 갈수록 작은 이득값을 갖도록 출력되고 있음을 알 수 있다. 이러한 형태의 이득값을 갖는 그룹 필터를 통해 어레이 스피커의 중앙으로부터 특정 거리만큼 떨어진 위치에 있는 사용자는 어레이 스피커를 통해 출력되는 음원 신호를 잘 들을 수 있으며, 만약 출력 음원이 고주파 음원인 경우에는 근접장 효과가 감소함으로써 어레이 스피커에 좀 더 가까이에 접근하더라도 상대적으로 왜곡이 없는 소리를 들을 수 있다.

또한, 어레이 스피커 시스템에 입력되는 음원이 다채널이거나 포커싱하려는 위치가 다수 개인 경우 어레이 스피커를 다수의 그룹으로 분리하여 처리할 수도 있다. 도 11의 그래프 1120은 각 채널의 이득값을 이용하여 어레이를 2 개의 논리적인 그룹으로 설정하여 사용하는 그룹 필터의 형태를 나타내고 있다. 전체 어레이의 크기인 L(1121)이 아닌 Bw(1122)를 사용함으로써 고주파 음원을 근접장 효과 없이 출력할 수 있으며 어레이를 2 개의 그룹으로 분리하여 처리함으로써 2 채널 스테레오 효과를 구현할 수도 있다. 목적에 따라서는 이러한 채널을 완전히 분리하거나 또는 중첩된 형태로 구현할 수도 있으며, 다수의 청취자를 위해 다수의 포커싱 위치를 고려하여 각각 독립적인 그룹으로 분리할 수도 있을 것이다. 각각의 그룹은 스테레오 출력과 같이 각각 다른 채널들로 구현될 수도 있으며, 단순히 다수의 포커싱 처리를 위해 동일한 채널을 다수의 그룹으로 분리할 수도 있다. 이처럼 필터를 사용하여 어레이를 구성하는 것은 음원 신호를 처리하고자 하는 필요에 따라 어레이를 구성하는 스피커들을 다양한 형태의 논리적인 그룹으로 용이하게 설정할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 일반적으로 음원의 파장이 어레이의 크기보다 클 경우(즉, 저주파를 의미한다.) 음의 조절이 어렵기 때문에 대부분의 어레이에서는 한계 주파수를 어레이의 크기보다 높은 주파수로 설정하게 된다. 그러나, 이렇게 한계 주파수를 높게 설정하면 저주파 성분이 제대로 재생되지 않거나 음원의 포커싱이 되지 않아 의도하지 않았던 다른 방향 또는 위치로 음이 흩어져서 방사되게 된다. 특히, 소형 음 향 기기와 같이 출력하려는 음원의 파장보다 어레이 사이즈가 작은 경우 어레이는 하나의 음원처럼 작동하게 되어 포커싱 효과가 떨어지게 된다. 이 때, 어레이를 2 개의 음원 소스 그룹으로 분리하게 되면 2 개의 음원에서 방사되는 형태의 효과를 얻게 되어 포커싱 성능이 향상되게 된다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이 스피커에서 필터를 이용하여 어레이를 분리함으로써 출력 음원의 빔 폭을 조절하는 방법을 도시한 도면으로서, 이상에서 설명한 바와 같은 소형 음향 기기 등의 사용으로 인해 어레이 스피커(1210)과 청취자 간의 거리가 짧아 저주파 신호를 출력할 경우 청취자에게 음원 포커싱이 제대로 되지 않는 경우를 가정한다. 어레이(1210)에서 방사되는 음원 신호의 빔 폭(1241, 1342)은 필터의 적용 전(1241)과 후(1242)로 각각 나누어 표시하였다. 도 12에서 그룹 필터를 이용하여 어레이(1210)를 2 개의 그룹(1230)으로 분리하면 저주파 음원에서 필터의 적용이 없이 하나의 음원처럼 동작하였던 빔 폭(1241)에서 보다 빔 폭(1242)이 줄어들어 음 조절이 용이하게 된다.

이상에서 본 발명에 대한 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 주파수 대역에 따른 어레이 스피커의 빔 패턴(beam pattern)을 예시한 도면이다.

도 2는 어레이 스피커에서 나타나는 근접장 효과를 예시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커 시스템을 도시한 블럭도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커의 음원 조절부를 구체적으로 도시한 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스피커의 간격을 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스피커의 위치에 따라 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주파수 대역별로 분리된 음원 신호와 어레이를 연결하는 구성을 도시한 블럭도이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 블럭도이다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이의 크기에 대응하는 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법과 실험예를 도시한 도면이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이의 포커싱 개수에 대응하는 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이의 크기 및 포커싱 개수에 대응하는 필터를 이용하여 그룹을 설정하는 방법을 도시한 도면이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이 스피커에서 필터를 이용하여 어레이를 분리함으로써 출력 음원의 빔 폭을 조절하는 방법을 도시한 도면이다.

Claims (13)

1. 소정의 조절 인자에 따라 어레이(array)에 포함된 복수 개의 스피커들의 조합들을 각각 하나의 그룹으로 설정하는 그룹 설정부;

   상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 상기 설정된 그룹에 선택적으로 할당하는 신호 할당부;

   상기 그룹의 음원 특성에 따라 상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 출력할 음원 신호를 조절하는 음원 조절부; 및

   상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 상기 조절된 음원 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소정의 조절 인자는 음원의 주파수 대역, 음원의 방사 방향, 음원의 포커싱(focusing) 위치 및 음원의 포커싱 개수 중 적어도 하나를 고려하여 미리 설정된 값인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 조합들은 상기 어레이를 구성하는 복수 개의 스피커들 중 주파수 파장에 대응하는 소정의 간격으로 배치된 스피커들의 조합들인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 소정의 간격은 상기 주파수 파장의 1/2인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 조합들은 상기 어레이를 구성하는 복수 개의 스피커들 중 주파수 파장에 대응하는 어레이의 크기 및 어레이 상에서의 스피커의 위치 중 적어도 하나를 고려하여 선택된 스피커들의 조합들인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 신호 할당부는 상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 필터링하여 하나 이상의 음원 신호로 분리하는 그룹 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템.
7. 소정의 조절 인자에 따라 어레이에 포함된 복수 개의 스피커들의 조합들을 각각 하나의 그룹으로 설정하는 단계;

   상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 상기 설정된 그룹에 선택적으로 할당하는 단계;

   상기 그룹의 음원 특성에 따라 상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 출력 할 음원 신호를 조절하는 단계; 및

   상기 그룹에 해당하는 스피커들을 통해 상기 조절된 음원 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템의 구현 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 소정의 조절 인자는 음원의 주파수 대역, 음원의 방사 방향, 음원의 포커싱 위치 및 음원의 포커싱 개수 중 적어도 하나를 고려하여 미리 설정된 값인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템의 구현 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 조합들은 상기 어레이를 구성하는 복수 개의 스피커들 중 주파수 파장에 대응하는 소정의 간격으로 배치된 스피커들의 조합들인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템의 구현 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 소정의 간격은 상기 주파수 파장의 1/2인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템의 구현 방법.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 조합들은 상기 어레이를 구성하는 복수 개의 스피커들 중 주파수 파장 에 대응하는 어레이의 크기 및 어레이 상에서의 스피커의 위치 중 적어도 하나를 고려하여 선택된 스피커들의 조합들인 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템의 구현 방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 입력 신호를 하나 이상의 음원 신호로 분리하여 상기 설정된 그룹에 선택적으로 할당하는 단계는 상기 조절 인자에 따라 입력 신호를 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커 시스템의 구현 방법.
13. 제 7 항 내지 제 12 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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