KR101403372B1 - 정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법 - Google Patents

정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 3차원 소음원 위치 측정에 있어서 구형 어레이에 상응하는 정도의 정확도 및 정밀도를 얻을 수 있으면서도, 종래의 구형 어레이에 비하여 제작이 훨씬 간편하고 가격이 저렴하여 산업성이 높은, 정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법을 제공함에 있다.

Description

정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법 {Regular Polyhedron Microphone Array System and Sound Source Localization in Three-dimensional Space with the Microphone Array}
본 발명은 정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법에 관한 것이다.
소음원 위치 파악 기술과 음장 측정 기술의 발달로 산업 현장 및 일상 생활에서 발생하는 소음 문제를 현장에서 해결하기 위해 관련 기술을 활용하려는 시도가 늘고 있다. 예를 들어 항공기, 자동차, 선박 등 수송체의 실내에 있는 탑승객들은 구동 장치나 기계 부품들로부터 발생하는 소음에 항상 노출되며, 따라서 이러한 소음 공해에 의한 피해 사례의 증가에 따라 소음 공해 피해를 저감하기 위한 규제가 강화되고 있다. 이러한 경향에 따라 개발자들과 제작 업체들은, 이런 기계 발생 진동과 소음으로 인한 청각 스트레스와 피로도를 낮추며 시장을 확보하기 위하여, 수송체 내의 소음원 위치를 파악하여 제거하거나 저감하려는 노력을 기울이고 있다. 이처럼 소음원 위치 파악 기술은 위 예시에서처럼 소음 공해 피해 저감을 위해 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 예시로 컨퍼런스나 발표장에서 화자의 위치를 찾거나 실내에서 도우미 로봇이 시각장애인의 위치를 파악하는 등 다양한 요구에도 해법으로 활용될 수 있다.
한편, 통신 기술의 발달과 영상 처리 및 음향 관련 종합 미디어 기술의 발전으로 현장감 있는 3차원 음장 재현에 대한 관심이 증가하고 있다. 이런 기술 발전과 더불어 음향 분야에서는 시청자 주변에서 발생하는 소리 환경을 현장감 있게 재현할 수 있도록 하는 음향 신호를 3차원으로 측정하는 기술이 개발되고 있다. 3차원 음향 측정 기술은 모든 방향에서 전달되는 음파의 형태를 청자의 위치에서 정확히 재현하기 위해서 마이크로폰 어레이를 이용한 3차원 음향 측정 장치와 어레이 센서로부터 입력되는 많은 양의 음향 신호를 효과적으로 처리하는 기술이 요구된다.
마이크로폰 어레이 음향 신호 처리 기술은 앞서 언급된 분야에서 음원의 위치를 파악하거나 음장을 측정하는데 이용된다. 마이크로폰 어레이 신호 처리 기술은 하드웨어적인 부분과 소프트웨어적인 부분으로 나눌 수 있다. 다수의 음향 센서들로 구성된 어레이는 중요한 측정 수단이며 기술의 적용 환경에 따라 어레이 형상이나 신호 처리 방법이 결정된다. 음향 신호의 측정은 대부분 마이크로폰을 이용하게 되며 취득하는 신호 대 잡음 비를 높이도록 많은 센서로 어레이가 구성된다. 소프트웨어적인 부분인 음향 신호 처리 알고리즘은 수집된 음향 어레이 신호를 처리하는 기술로서, 필요에 맞는 최적의 계산 결과를 산출하게 된다. 어레이로부터 입력되는 신호는 많은 양의 음향 정보를 가지고 있으므로 빠른 처리 기술이 필요하며, 이러한 처리 속도를 향상시키고자 하는 방향으로의 연구도 활발히 진행되고 있다.
소음원 위치 파악에 이용되는 마이크로폰 어레이는 응용 분야와 목적에 맞게 다양한 형태의 어레이로 구성할 수 있다. 특히 실내 공간 측정과 같은 경우 모든 방향에 대하여 어레이의 방향성이 있어야 하므로 3차원 형태의 어레이 구성이 적합하다. 한국특허공개 제2009-0060845호("3차원 마이크로폰 어레이 구조")에는 동일 수평면 상에 원 형태로 다수 개의 수평형 마이크로폰이 배열되고, 중심축을 따라 서로 다른 높이로 다수 개의 수직형 마이크로폰이 배열되는 구조가 개시된다. 일본특허공개 제2011-122854호("소리의 도래 방향 판정 시스템 및 프로그램")에도, 동일 수평면 상에 다수 개의 마이크로폰이 배열되고, 이러한 평면이 다수 개 수직 방향으로 적층된 형태의 구조가 개시된다.
소음원의 위치를 3차원적으로 정확하게 파악하기 위해서는, 3차원 마이크로폰 어레이의 구성이 구 형태인 것이 이상적이라 할 수 있으며 관련 연구와 개발제품들이 소개되고 있다. (참고문헌: Jens Meyer, Gary Elko, "a highly scalable spherical microphone array based on an orthonormal decomposition of the soundield", Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), 2002 IEEE International Conference) 이러한 구형 어레이를 제작하기 위해서는, 단단한 구형 구조물을 제작한 뒤 구 표면에 센서 위치에 홈을 낸 후 센서를 설치하는 방식으로 만들 수 있다. 최근 구형 마이크로폰 어레이를 이용한 측정 장치들이 개발되고 있으며 차량 실내 음장 측정 및 소음원 위치 판별에 적용되고 있다. 앞서의 선행특허들의 구조는 실질적으로 3차원 소음원 위치 측정에 이상적인 배치 형태라고 하기 어려우며, 위치 측정의 정확성이나 효율상 구형 마이크로폰 어레이 형태가 가장 이상적이다. 이에 따라 최근 실내 음장 측정을 위한 마이크로폰 어레이는 구형으로 개발되어 온 경향이 있다.
그런데 이와 같은 구형 마이크로폰 어레이의 경우 구형 구조물을 제작하고 구조물 표면의 미리 결정된 위치에 홈을 내어 센서를 설치하는 등의 제작 과정이 복잡하고 난해하여 대량 생산이 어려울 만큼 생산 효율이 떨어지고, 또한 구형 구조물용 재료 등과 같은 재료비가 상당히 높아지게 되어 제품 가격이 상승하게 되는 문제가 있다.
한편, 미국특허공개 제2012/0275621호("Surface-mounted microphone arrays on flexible printed circuit boards", 이하 선행문헌)에는, 유연한(flexible) PCB를 이용한 마이크로폰 어레이 구조를 개시하고 있다. 상기 선행문헌에서는, 3차원 어레이에서 각 PCB 판이 서로 연결되어 있으며 연결면이 접을 수 있도록 고안되어 있어 구조물을 이룰 수 있도록 제안되어 있다. 이는 어레이의 형태를 자유롭게 바꿀 수 있도록 하면서 사용자가 원하는 환경에 맞추어 음향 측정이 가능하도록 한 개념이다.
그런데 상기 선행문헌에 개시된 유연 기판 상에 형성된 3차원 어레이는 운용 과정에 문제가 발생할 경우 대체하는 것이 매우 어렵다. 도면에서 공개된 3차원 어레이에서 확인할 수 있듯이 유연 PCB로 제작되기 때문에 신호선과 전원선 등이 어레이를 구성하는 면과 면을 연결하는 모서리를 통해 연결되어 있다. 만일 중간에 있는 PCB에 문제가 생기게 되면 그 문제가 있는 부분의 회로나 마이크로폰만 교체하는 것이 불가능하다는 것이다. 실제 교체가 가능하다 하더라도 구조물을 해체해야 하는 번거로움을 피할 수 없다.
이와 더불어, 3차원 어레이의 경우에는 각 면에 디자인된 어레이 형태와 센서의 수에 따라 각 면에 필요한 전원선과 신호선의 수가 결정된다. 통일된 형태의 PCB가 아닌 경우 크기와 선의 개수를 통일하기 힘들기 때문에 제작 시 불편을 야기할 수 있다.
또한 상기 선행문헌의 어레이 형태는 구조적인 형태가 안정적으로 유지될 수 있도록 고정 장치가 고안되어 있지 않다. 이 때문에 센서의 위치 정보가 매우 중요한 빔형성 방법이나 그 밖의 음향 신호 처리 기법 적용에 문제가 될 수 있고 위치 판별 성능에 있어서 정확도가 낮아질 수 있다. 각 센서의 정확한 좌표 정보를 얻기 위해서는 부가적인 구조물이 필수적이다. 이는 조립 및 부품 교체가 필요한 경우 매우 효율적이다. 심지어 유연 PCB의 경우 지지하는 구조물이 없이 면 자체가 완전히 편평하지 않을 가능성이 있어 위치 정보에 오차가 존재할 가능성이 있다. 결국 상기 선행문헌의 구조를 적용하기 위해서는 종래의 구형 어레이와 마찬가지로 지지용 구조물이 별도 제작되어야 하는 것을 피할 수 없다.
1. 한국특허공개 제2009-0060845호("3차원 마이크로폰 어레이 구조") 2. 일본특허공개 제2011-122854호("소리의 도래 방향 판정 시스템 및 프로그램") 3. 미국특허공개 제2012/0275621호("Surface-mounted microphone arrays on flexible printed circuit boards")
1. Jens Meyer, Gary Elko, "a highly scalable spherical microphone array based on an orthonormal decomposition of the soundield", Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), 2002 IEEE International Conference
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 소음원 위치 측정에 있어서 구형 어레이에 상응하는 정도의 정확도 및 정밀도를 얻을 수 있으면서도, 종래의 구형 어레이에 비하여 제작이 훨씬 간편하고 가격이 저렴하여 산업성이 높은, 정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치는, 정삼각형, 정사각형, 정오각형 중 선택되는 어느 하나의 정다각형 평판 형상의 강체 재질로 되는 다수 개의 기판(110); 상기 기판(110) 상에 구비되되, 하나의 상기 기판(110) 당 다수 개가 상기 기판(110) 상의 중심점 및 방사상의 위치에 배치되도록 서로 이격 배치되어 구비되는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로폰(111); 상기 기판(110)의 내측에 구비되어 신호 및 전력을 전송하는 연결선(112); 다수 개의 상기 기판(110)들을 서로 연결하는 힌지부(113); 를 포함하여 이루어져, 다수 개의 상기 기판(110)들이 상기 힌지부(113)에 의하여 결합되어 상기 힌지부(113)가 접힘으로써, 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체 중 선택되는 어느 하나의 정다면체 형상을 고정적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
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또한 상기 기판(110)은 PCB(printed circuit board)일 수 있다.
또한 상기 기판(110)은 웹캠을 더 구비할 수 있다.
또한 상기 기판(110)은 다수 개의 상기 MEMS 마이크로폰(111) 및 상기 연결선(112)을 포함하여 모듈화되어 이루어질 수 있다.
삭제
또한 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)는 상기 기판(110)들로 이루어지는 정다면체 형상의 일측에 연결 구비되어 상기 정다면체 형상을 지지하는 지지부(120); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 지지부(120)는 다수 개의 상기 연결선(112)들을 그 내부에 수용할 수 있다.
또한 본 발명의 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법은, 상술한 바와 같은 마이크로폰 어레이 장치(100) 및 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에서 전송되는 신호를 분석하는 분석부(200)를 이용한 3차원 공간에서의 소음원을 측정하는 방법에 있어서, a) 상기 분석부(200)에 의하여, 3차원 공간 상 기준 좌표가 설정되고, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 기준 방위각이 결정되는 단계; b) 상기 분석부(200)에 의하여, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 3차원 공간 좌표가 확인되고 식별 가능한 인덱스(i, j)가 부여되는 단계; c) 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정되는 음압 신호(xi, xj)들이 상기 연결선(112)을 통해 상기 분석부(200)로 전달되는 단계; d) 상기 분석부(200)에 의하여, 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 음압 신호(xi, xj)들이 동기화되는 단계; e) 상기 분석부(200)에 의하여, 상기 d) 단계에서 동기화된 모든 음압 신호들이 빔 형성 기법에 의하여 합성되어 소음원의 3차원 공간상에서의 위치가 산출되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 d) 단계에서, 상기 분석부(200)에 의하여, 사용자에 의해 선택된 특정 시각에 측정된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 음압 신호(xi)를 기준으로 다른 음압 신호(xj)와의 상호 스펙트럼(Gij(f)) 값이 산출되고, 산출된 상호 스펙트럼 값으로부터 위상차(τ0)가 산출되어, 상기 위상차 값을 사용하여 음압 신호의 동기화가 이루어질 수 있다.
또한 상기 e) 단계에서, 음압 신호들의 합성은 하기의 수학식에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112013031363194-pat00001
(M은 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에 구성된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 개수, m(=0, 1, 2, …, M-1)은 m번째 상기 MEMS 마이크로폰(111)을 의미하는 인덱스, wm는 가중함수, xm(t)는 m번째 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 신호)
본 발명에 의하면, 3차원 공간 상에 있는 소음원의 위치를 추적하거나 음장을 측정할 수 있는 마이크로폰 어레이 구조에 있어서, 기본 형상이 정다면체 형태로 됨으로써 구형에 가까운 이상적인 형태를 갖추어, 3차원 소음원 위치 측정 시의 높은 정확도 및 정밀도를 획득하면서도, 그 제작 및 조립이 훨씬 간편하여 생산 효율을 높일 수 있는 큰 효과가 있다. 특히 본 발명에서는 기존의 고가의 측정용 마이크로폰 대신 MEMS 마이크로폰을 이용함으로써 재료비를 훨씬 절감하여 제품 가격을 대폭 낮출 수 있는 큰 효과가 있다.
특히 본 발명의 마이크로폰 어레이 구조는, 정다면체의 각 면을 이루는 PCB상에 MEMS 마이크로폰 어레이가 배치되도록 하여 모듈화를 이룸으로써, 조립이 용이할 뿐만 아니라 고장 시 교체 또한 매우 편리한 장점이 있다. 뿐만 아니라 PCB에 조립되는 MEMS 마이크로폰 어레이는 사용자가 원하는 수만큼 센서를 조립할 수 있으며, 좋은 성능을 위해 각 면을 구성하는 MEMS 마이크로폰 어레이의 형태도 사용자가 원하는 방식으로 결정할 수 있는 등, 사용자의 목적에 따른 설계 자유도를 훨씬 향상시켜 주는 장점 또한 있다.
도 1은 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 한 실시예.
도 2는 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 여러 실시예.
도 3은 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 한 면 내부 구조.
도 4는 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 각 면 연결 구조.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 정다면체 마이크로폰 어레이 장치 및 상기 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
기본적으로, 본 발명에서 제안하는 마이크로폰 어레이 측정방법은 3차원 공간에서 많은 수의 마이크로폰을 이용하여 어레이를 구성하고, 수집된 어레이 신호를 계산하여 관찰하고자 하는 소음원의 위치를 찾아내는 기법이다. 마이크로폰 어레이는 공간 상에서 소음이 발생하는 위치를 정밀하게 찾기에 적합한 실용적인 측정 장치로서, 여러 센서로부터 측정된 신호의 위상차를 이용하여 합하면 잡음 신호는 서로 상쇄되고 추적하고자 하는 음압 신호는 증폭되는 원리를 이용한 것이다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이 보다 정확하고 정밀한 3차원 위치 측정을 위해서는 마이크로폰들이 구형으로 배치되는 것이 바람직하여, 종래에는 구형 구조물을 이용한 마이크로폰 어레이 장치가 개시되어 왔으나, 생산이 어렵거나 제작 단가가 높아지는 등의 여러 문제가 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해소할 수 있도록, 기본적으로 종래 구형 어레이의 경우 제작을 난해하게 했던 가장 큰 문제인 형태적인 문제에 있어서, 마이크로폰 어레이가 기본적으로 정다면체 형상을 형성하게 함으로써 제작 상의 편리함을 향상하고 생산 효율을 높인다. 또한 종래에 사용되던 고가의 측정용 마이크로폰 대신 MEMS 마이크로폰을 사용함으로써, 제작비를 훨씬 더 절감할 수 있도록 한다. 이하 본 발명의 정다면체 형태의 MEMS 마이크로폰 어레이 장치와 그 제작 방법, 또한 이를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법을 구체적으로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 한 실시예이고, 도 2는 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 여러 실시예이며, 도 3은 본 발명의 정다면체 마이크로폰 어레이 장치의 한 면 내부 구조이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 마이크로폰 어레이 장치(100)는, 기본적으로 기판(110), MEMS 마이크로폰(111), 연결선(112, 도 3 참조), 힌지부(113, 도 3 참조)를 포함하여 이루어진다. 여기에 도 1에 도시된 바와 같이 지지부(120)가 더 구비될 수 있다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 기판(110)은 정다각형 평판 형상의 강체 재질로 이루어지며, 하나의 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에 대하여 다수 개가 구비된다. 상기 기판(110)이 강체 재질로 이루어짐으로써 형상 유지를 위한 별도의 구조물 등이 전혀 필요하지 않게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 종래의 구형 어레이의 경우 별도의 구형 구조물을 필요로 하였으며, 또는 상기 선행문헌에 개시되었던 유연 기판을 사용한 마이크로폰 어레이의 경우 기판 자체가 유연하여 자중 또는 외력 때문에 형상을 견고하게 유지하기 어려우며, 이에 따라 마이크로폰의 좌표가 변경되어 측정의 부정확성을 유발시킬 우려가 있어, 실제 현장에서의 적용을 위해서는 형태 유지를 위한 지지 구조물이 필수적이어야 한다는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는 상기 기판(110)이 유연하지 않고 단단한 재질로 이루어져 있음으로써 자중이나 외력 등에 의하여 형상이 변경될 우려가 전혀 없으며, 또한 상기 기판(110) 자체에 의하여 전체 조립 형상이 구성되므로 별도의 지지용 구조물 등이 전혀 필요하지 않다.
이러한 상기 기판(110)은 일반적으로 단단한 재질의 기판으로 널리 사용되는 PCB(printed circuit board, 인쇄 회로 기판)일 수 있으며, 유연하지 않고 단단하여 자중이나 외력 등에 의하여 형상이 변경되지 않을 수 있는 재질이라면 그 외에 어떤 재질이어도 무방하다. 상기 기판(110)이 단단한 재질로 됨으로써 별도의 지지용 구조물을 만드는데 드는 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 기판(110)이 이처럼 일반적으로 널리 사용되어 생산 가격이 저렴하게 형성된 PCB 형태가 되도록 함으로써 재료비를 더욱 절감할 수 있음은 물론이다.
도 2의 여러 실시예들에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)이 정삼각형, 정사각형, 정오각형 중 선택되는 어느 하나이며, 상기 기판(110)들이 결합되어 이루는 정다면체 형상이 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체 중 선택되는 어느 하나가 될 수 있다. 상기 기판(110)이 정삼각형일 경우 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)가 형성하는 정다면체는 정사면체(도 2(A)), 정팔면체(도 2(C)), 정이십면체(도 2(E)) 중 어느 하나가 될 수 있으며, 상기 기판(110)이 정사각형일 경우 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)가 형성하는 정다면체는 정육면체(도 2(B))가 되고, 상기 기판(110)이 정오각형일 경우 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)가 형성하는 정다면체는 정십이면체(도 2(D))가 된다.
다면체에는 여러 형태가 있으나, 이 중 정다면체를 선택한 이유는 앞서 설명한 바와 같이 3차원 음장을 측정하기에 가장 이상적인 형태인 구형에 가장 가까울뿐만 아니라, 한 면의 모양이 각각 동일하게 설계될 수 있다는 점이다. 또한 충분히 넓은 면적을 가지면서 그 면 위에 사용자가 원하는 형태의 어레이 설계 가능성을 지닌 장점을 가지고 있기 때문이다. 이처럼 상기 기판(110)이 정다각형 형태로 이루어져 서로 결합 조립되어 정다면체를 이루도록 할 때, 상기 기판(110) 각각의 형태는 모두 통일된 형태로 제작될 수 있으며, 따라서 기존 구형 어레이에 비하여 제작과 조립이 용이해진다. 또한 형태의 통일성으로 인해 측정 장비의 대량 생산이 가능해지며 어레이 제작 가격을 획기적으로 낮추어 음향 측정 시장에 적용 범위를 확대할 수 있다.
상기 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로폰(111)은 상기 기판(110) 상에 구비되되, 도시된 바와 같이 하나의 상기 기판(110) 당 다수 개가 서로 이격 배치되어 구비된다. 본 발명에 적용되는 상기 MEMS 마이크로폰(111)은 주로 핸드폰에 이용되어 온 센서로서, 소재와 제작 기술 발전으로 음향 측정 성능이 계속 향상되고 있다. 상기 MEMS 마이크로폰(111)을 이용하여 그 동안 기존 구형 어레이에 이용되어 온 측정용 마이크로폰을 대체하게 되면 가격 대비 높은 성능을 얻을 수 있다. 또한 상기 MEMS 마이크로폰(111)은 일반적으로 종래에 사용되던 측정용 마이크로폰에 비하여 주파수 응답 특성에 크게 차이가 없으며 어레이 제작 가격을 수십 분의 일 이하로 낮출 수 있다.
또한 상기 MEMS 마이크로폰(111)은 그 자체의 크기와 부피가 작으므로 어레이 크기도 사용자가 원하는 대로 설계하기 용이하다. 상기 MEMS 마이크로폰(111)을 이용할 경우 본 발명에서 구성된 정다면체의 한 면에 상기 MEMS 마이크로폰(111)들이 사용자가 디자인한 형태의 어레이로 구성된다. 종래의 일반 측정용 마이크로폰을 이용할 경우 센서(마이크로폰)의 부피 때문에 설치와 제작이 용이하지 않았으나, 상기 MEMS 마이크로폰(111)을 이용할 경우 센서(마이크로폰) 자체의 부피와 중량이 작기 때문에 사용자가 원하는 어떤 형태의 어레이로든 설치와 제작이 용이하며, 따라서 사용자가 시뮬레이션을 통해 최적의 성능을 낼 수 있는 형태의 어레이로 설계할 수 있다. 한 예로 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 MEMS 마이크로폰(111)은 상기 기판(110) 상의 중심점 및 방사상의 위치에 배치되도록 할 수 있다. 물론 도면 상의 형태로 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(110)의 중심점을 중심으로 하는 서로 다른 반경의 다수 개의 동심원 원주 상에 방사상으로 배치되도록 할 수도 있고, 그 외의 다른 점대칭 형태로 배치되도록 할 수도 있는 등, 사용자가 원하는 어떤 형태로든 배치 형태를 변경 설계할 수 있다.
상기 연결선(112)은 상기 기판(110)의 내측에 구비되어 신호 및 전력을 전송하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 기판(110)에는 다수 개의 상기 MEMS 마이크로폰(111)이 구비되는데, 일반적인 PCB 구성과 마찬가지로 주요 부품(본 발명의 경우에는 상기 MEMS 마이크로폰(111))의 작동을 위한 컨덴서 등의 여러 전자 부품들이 더 구비될 수 있다. 여기에 더하여 상기 연결선(112)이 상기 기판(110)에 연결됨으로써, 외부 전력 공급원으로부터 상기 MEMS 마이크로폰(111)으로 구동 전력을 전송하거나, 또는 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 음압 신호를 외부로 전송할 수 있다. 물론 상기 기판(110)은 이와 같이 상기 MEMS 마이크로폰(111) 및 상기 연결선(112), 그리고 앞서 설명한 컨덴서 등과 같은 보조 전자 부품들을 모두 포함하여 모듈화되도록 한다. 더불어, 상기 기판(110)에는 웹캠을 장착하여 촬영과 함께 처리된 음압 신호의 분포를 웹캠으로 촬영한 영상 위에 도시할 수 있다. 물론 이 경우 상기 기판(110)은 상기 웹캠까지 함께 모듈화되어 구성되면 된다.
이와 같이 상기 기판(110)이 모듈화되어 구성됨으로써, 상기 MEMS 마이크로폰(111) 중 어느 하나가 불량이거나 파손되었을 경우 이를 교체하는 것이 종래에 비해 훨씬 용이하게 된다. 예를 들어 종래의 구형 어레이의 경우 구형 구조물에 마이크로폰을 고정 구비시키기 때문에 어느 하나의 마이크로폰이 고장나면 구형 어레이 자체를 교체하여야 했다. 다른 예로는 상기 선행문헌에 개시된 유연 기판을 이용한 마이크로폰 어레이의 경우에도 어느 하나의 마이크로폰이 불량이거나 파손되었을 때 이 하나의 마이크로폰만을 교체하는 것이 역시 불가능하거나, 또는 교체하더라도 (유연 기판이 가지는 유연함이라는 재질적 특성 때문에) 전체적인 형상이 변경되어 기준 위치를 다시 잡아야 하는 등 매우 불편한 문제가 있다. 그러나 본 발명의 경우 앞서 설명한 바와 같이 상기 기판(110) 자체가 단단한 재질로 이루어지기 때문에 교체를 위한 분해 및 재조립 시에 형상 변경의 문제가 발생하지 않을 뿐 아니라, 상술한 바와 같이 상기 MEMS 마이크로폰(111), 상기 연결선(112), 컨덴서 등과 같은 보조 전자 부품, 필요에 따라 더 구비되는 웹캠 등과 같은 부품 등이 모듈화되어 상기 기판(110) 상에 구비되므로, 문제가 발생한 기판 하나만 교체하면 된다. 특히 앞서 설명했듯이 상기 기판(110)은 정다각형 형태의 통일된 형태로 이루어지기 때문에 어느 위치의 기판을 교체해야 되든 동일한 방식으로 교체가 이루어질 수 있어 작업 편의성이 향상된다. 즉 이와 같은 구성에 의하여, 종래에 어느 하나의 마이크로폰만 고장나더라도 마이크로폰 어레이 자체를 교체해야 했던 것에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 수리가 가능하게 된다.
상기 힌지부(113)는 도 4의 예시로 보이는 바와 같이 다수 개의 상기 기판(110)들을 서로 연결하는 역할을 한다. 즉 다수 개의 상기 기판(110)들이 상기 힌지부(113)에 의하여 결합되어 정다면체 형상을 형성하게 되는 것이다. 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 조립 및 결합 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다. 상기 힌지부(113)가 펼쳐진 상태로 다수 개의 상기 기판(110)들을 연결하고, 그 후 상기 힌지부(113)를 적당한 각도로 접어주기만 하면 조립 및 결합이 완료된다. 이처럼 본 발명의 마이크로폰 어레이 장치(100)는 다수 개의 정다각형 경질 기판(110)이 상기 힌지부(113)에 의해 결합되어 적당한 각도로 접기만 하면 제작이 완료되므로, 제작 용이성 및 편의성이 종래에 비하여 훨씬 향상된다.
더불어 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)는, 상기 기판(110)들로 이루어지는 정다면체 형상의 일측에 연결 구비되어 상기 정다면체 형상을 지지하는 지지부(120)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이 정다면체 형상으로 이루어지는 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)를 사용자가 원하는 특정 위치에 고정 구비시키기 위해서는 이를 지지할 수 있는 것이 필요한데, 상기 지지부(120)가 그 역할을 하게 된다.
이 때 상기 지지부(120)는 다수 개의 상기 연결선(112)들을 그 내부에 수용하도록 이루어짐으로써, 배선을 정리함과 동시에 상기 연결선(112)들을 외부로부터 보호하는 역할을 겸하게 할 수도 있다.
이하에서, 상술한 바와 같은 마이크로폰 어레이 장치(100) 및 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에서 전송되는 신호를 분석하는 분석부(200, 도 1 참조)를 이용한 3차원 공간에서의 소음원을 측정하는 방법을 설명한다. 전반적인 단계를 설명하자면 다음과 같다.
먼저 a) 상기 분석부(200)에 의하여, 3차원 공간 상 기준 좌표가 설정되고, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 기준 방위각이 결정된다.
다음으로 b) 상기 분석부(200)에 의하여, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 3차원 공간 좌표가 확인되고 식별 가능한 인덱스(i, j)가 부여된다.
다음으로 c) 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정되는 음압 신호(xi, xj)들이 상기 연결선(112)을 통해 상기 분석부(200)로 전달된다. 이렇게 하여 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에서의 측정이 이루어지며, 이하의 단계들에서는 분석이 이루어지게 된다.
다음으로 d) 상기 분석부(200)에 의하여, 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 음압 신호(xi, xj)들이 동기화된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 분석부(200)에 의하여, 사용자에 의해 선택된 특정 시각에 측정된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 음압 신호(xi)를 기준으로 다른 음압 신호(xj)와의 상호 스펙트럼(Gij(f)) 값이 산출되고, 산출된 상호 스펙트럼 값으로부터 위상차(τ0)가 산출되어, 상기 위상차 값을 사용하여 음압 신호의 동기화가 이루어지게 된다. 이에 대해서는 이하 빔 형성 기법의 설명에서 보다 상세히 설명한다.
마지막으로 e) 상기 분석부(200)에 의하여, 상기 d) 단계에서 동기화된 모든 음압 신호들이 빔 형성 기법에 의하여 합성되어 소음원의 3차원 공간상에서의 위치가 산출된다. 음압 신호들의 합성은 하기의 수학식에 의하여 산출될 수 있는데, 역시 이에 대해서는 이하 빔 형성 기법의 설명에서 보다 상세히 설명한다.
Figure 112013031363194-pat00002
(M은 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에 구성된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 개수, m(=0, 1, 2, …, M-1)은 m번째 상기 MEMS 마이크로폰(111)을 의미하는 인덱스, wm는 가중함수, xm(t)는 m번째 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 신호)
이제, 다수 개의 마이크로폰에서 측정된 음압 신호들을 사용하여 3차원 공간에서의 소음원 위치를 측정하는 방법인 빔 형성 기법에 대하여 구체적으로 설명한다. 시간을 t, i번째 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 음압 신호를 xi(t), j번째 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 음압 신호를 xj(t)라 할 때, 주기 T 동안 측정한 두 개의 데이터 xi(t)와 xj(t)가 있다면 푸리에 변환은 다음과 같다.
Figure 112013031363194-pat00003
Figure 112013031363194-pat00004
xi(t)와 xj(t)의 상호 스펙트럼은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112013031363194-pat00005
상기 수학식 3을 이산화된 형태로 표현하면 다음과 같이 된다.
Figure 112013031363194-pat00006
여기에서, N은 데이터에 있는 샘플 수, Δt는 샘플간 측정 시간 간격, fk는 k번째 인덱스의 주파수이다. 사용자에 의해 선택된 특정 시각에 측정된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 음압 신호(xi)를 기준으로 다른 음압 신호(xj)와의 상호 스펙트럼을 구하였을 때, 상호 스펙트럼은 다음과 같이 크기와 위상으로 표현할 수 있다.
Figure 112013031363194-pat00007
여기에서, |Gij(fk)|는 크기이고 θij(fk)는 위상이다. 위상은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013031363194-pat00008
여기에서, τ0는 fk에서의 시간 지연 혹은 위상차이다. τ0는 실제 위상차이어서 이를 이산적인 양으로 계산해야 한다. 수학식 6에서 계산된 시간 지연 τ0를 데이터 취득 주파수 간격 Δf로 나누면 보정해야 할 데이터 개수를 파악할 수 있다. 이를 이용하여 시간 영역에서 xi(t) 신호의 위상을 기준으로 xj(t)을 동기화할 수 있다.
상술한 바와 같은 방법을 이용하여 각 음압 신호들의 위상을 동기화할 수 있으며, 최종적으로는 모든 독립적으로 측정한 어레이 음압 신호와 기준 음압 신호들의 위상을 동기화할 수 있게 된다.
이처럼 동기화된 어레이 측정 데이터 세트를 이용하여 음원의 위치를 찾기 위해 적용되는 방법인 빔 형성 기법을 설명한다. 빔 형성 기법의 파워는 다음과 같은 식으로 계산된다.
Figure 112013031363194-pat00009
M은 상기 마이크로폰 어레이(120)에 구성된 상기 이동 마이크로폰(121)의 개수, m(=0, 1, 2, …, M-1)은 m번째 상기 이동 마이크로폰(121)을 의미하는 인덱스, wm는 가중함수, xm(t)는 m번째 상기 이동 마이크로폰(121)에서 측정된 신호이다.
가상 평면은 빔 형성 기법 적용을 위해 2차원적 또는 3차원적으로 설정된 좌표들의 집합으로, 신호 분석의 편의를 위해 정다면체 마이크로폰 어레이 형상에 일치하도록 정의되며, 이 형상 위에 빔 형성 기법으로 계산된 빔 파워 결과가 표시된다.
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.
100: (본 발명의) 마이크로폰 어레이 장치
110: 기판 111: MEMS 마이크로폰
112: 연결선 113: 힌지부
120: 지지부

Claims (11)

  1. 정삼각형, 정사각형, 정오각형 중 선택되는 어느 하나의 정다각형 평판 형상의 강체 재질로 되는 다수 개의 기판(110);
    상기 기판(110) 상에 구비되되, 하나의 상기 기판(110) 당 다수 개가 상기 기판(110) 상의 중심점 및 방사상의 위치에 배치되도록 서로 이격 배치되어 구비되는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로폰(111);
    상기 기판(110)의 내측에 구비되어 신호 및 전력을 전송하는 연결선(112);
    다수 개의 상기 기판(110)들을 서로 연결하는 힌지부(113);
    를 포함하여 이루어져,
    다수 개의 상기 기판(110)들이 상기 힌지부(113)에 의하여 결합되어 상기 힌지부(113)가 접힘으로써, 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체 중 선택되는 어느 하나의 정다면체 형상을 고정적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기판(110)은
    PCB(printed circuit board)인 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 기판(110)은
    웹캠을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 기판(110)은
    다수 개의 상기 MEMS 마이크로폰(111) 및 상기 연결선(112)을 포함하여 모듈화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)는
    상기 기판(110)들로 이루어지는 정다면체 형상의 일측에 연결 구비되어 상기 정다면체 형상을 지지하는 지지부(120);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 지지부(120)는
    다수 개의 상기 연결선(112)들을 그 내부에 수용하는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치.
  9. 제 1, 3, 4, 5, 7, 8항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 마이크로폰 어레이 장치(100) 및 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에서 전송되는 신호를 분석하는 분석부(200)를 이용한 3차원 공간에서의 소음원을 측정하는 방법에 있어서,
    a) 상기 분석부(200)에 의하여, 3차원 공간 상 기준 좌표가 설정되고, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 기준 방위각이 결정되는 단계;
    b) 상기 분석부(200)에 의하여, 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)의 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 3차원 공간 좌표가 확인되고 식별 가능한 인덱스(i, j)가 부여되는 단계;
    c) 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정되는 음압 신호(xi, xj)들이 상기 연결선(112)을 통해 상기 분석부(200)로 전달되는 단계;
    d) 상기 분석부(200)에 의하여, 각각의 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 음압 신호(xi, xj)들이 동기화되는 단계;
    e) 상기 분석부(200)에 의하여, 상기 d) 단계에서 동기화된 모든 음압 신호들이 빔 형성 기법에 의하여 합성되어 소음원의 3차원 공간상에서의 위치가 산출되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 d) 단계에서
    상기 분석부(200)에 의하여, 사용자에 의해 선택된 특정 시각에 측정된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 음압 신호(xi)를 기준으로 다른 음압 신호(xj)와의 상호 스펙트럼(Gij(f)) 값이 산출되고, 산출된 상호 스펙트럼 값으로부터 위상차(τ0)가 산출되어,
    상기 위상차 값을 사용하여 음압 신호의 동기화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 e) 단계에서
    음압 신호들의 합성은 하기의 수학식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 정다면체 마이크로폰 어레이 장치를 이용한 3차원 공간에서의 소음원 측정 방법.
    Figure 112013031363194-pat00010

    (M은 상기 마이크로폰 어레이 장치(100)에 구성된 상기 MEMS 마이크로폰(111)의 개수, m(=0, 1, 2, …, M-1)은 m번째 상기 MEMS 마이크로폰(111)을 의미하는 인덱스, wm는 가중함수, xm(t)는 m번째 상기 MEMS 마이크로폰(111)에서 측정된 신호)
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