KR101520618B1 - 어레이 스피커를 통해 음향을 포커싱하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어레이 스피커를 통해 음향을 포커싱하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법은 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과하고, 여과된 고주파 신호를 특정 위치로 포커싱하는 고주파 포커싱 신호를 획득하고, 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 한계 주파수 이하로 제어하여 조화파 포커싱 신호를 획득하며, 획득된 고주파 포커싱 신호와 조화파 포커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성함으로써, 어레이 스피커를 통해 저주파 신호에 대응하는 조화파 신호를 포커싱시킬 수 있고, 그 결과 어레이 스피커로부터 특정 방향 및 거리에 위치한 청취자가 저주파 영역의 신호를 명료하게 지각하는 것이 가능하다.

어레이 스피커, 저주파 포커싱, 조화파

Description

어레이 스피커를 통해 음향을 포커싱하는 방법 및 장치{Method and apparatus for focusing the sound through the array speaker}

본 발명은 출력하고자 하는 음향을 특정 위치로 집중시키는 포커싱 방법 및 장치에 관한 발명으로서, 복수 개의 스피커들로 구성된 어레이 스피커를 통해 음향 신호를 조절하여 어레이 스피커로부터 특정 거리 및 방향에 위치한 지점으로 음향을 포커싱하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

어레이 스피커는 다수의 스피커들을 조합하여 재생하려는 음의 방향을 조절하거나, 특정 지역으로 음을 보내고자 할 때 사용된다. 이와 관련하여, 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. 특히, 최근 DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 기기, PMP(Portable Multimedia Player) 및 화상 통화 휴대 전화와 같이 소형화된 디지털 기기과 같이 사용자가 휴대하며 사운드를 청취할 수 있는 장치들이 대중화됨에 따라 사운드 청취에 있어서도 어레이 스피커를 이용하여 사용자가 원하는 특정 위치로 음향을 집중시키는 포커싱 기술이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 물리적으로 고정된 크기의 어레이 스피커로 인해 저주파수 영역의 음향 신호가 제대로 포커싱되지 않는 한계를 극복하고, 이러한 문제점으로 인해 사용자가 어레이 스피커로부터 특정 거리만큼 떨어진 위치에서 음향을 청취할 때 저주파 영역의 신호를 명료하게 청취할 수 없는 문제점을 해결하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법은 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 상기 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과하는 단계; 상기 여과된 고주파 신호를 소정 위치로 포커싱하는 고주파 포커싱 신호를 획득하는 단계; 상기 여과된 저주파 신호로부터 상기 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 생성하여 상기 소정 위치로 포커싱이 가능한 한계 주파수 이하로 제어함으로써 조화파 포커싱 신호를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 고주파 포커싱 신호와 상기 획득된 조화파 포커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치는 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 상 기 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과하는 여과부; 상기 여과된 고주파 신호를 소정 위치로 포커싱하는 고주파 포커싱 신호를 획득하는 고주파 포커싱 신호 생성부; 상기 여과된 저주파 신호로부터 상기 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 생성하여 상기 소정 위치로 포커싱이 가능한 한계 주파수 이하로 제어함으로써 조화파 포커싱 신호를 획득하는 조화파 포커싱 신호 생성부; 및 상기 획득된 고주파 포커싱 신호와 상기 획득된 조화파 포커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 실시예들을 설명함에 있어서, 음압(sound pressure)이란, 음향 에너지가 미치는 힘을 압력의 물리량을 사용하여 표현한 것이고, 음장(sound field)이란 음원을 중심으로 음압이 미치는 영역을 개념적으로 표현한 것이다.

도 1은 본 발명이 해결하고자 하는 문제 상황을 설명하기 위해 어레이 스피커를 통해 사운드를 포커싱할 때 나타나는 음장을 주파수에 따라 예시한 빔 패턴(beam pattern)이다. 여기서, 빔 패턴이라 함은 스피커 및 안테나 등의 신호 출력 장치를 통해 방사되는 음향이 형성하는 음장을 패턴으로 표시한 것을 말한다. 이러한 빔 패턴은 출력 신호를 측정하는 측정기를 이용하여 어레이 스피커로부터 떨어진 거리에 따라 방사되는 음향 신호를 수신하여 각각의 측정 거리별로 수신된 음향 신호의 강도를 그래프상에 시각적으로 도시함으로써 얻어진다.

도 1에서 각각의 그래프의 가로축은 어레이 스피커로부터의 전방 거리를 나 타내고, 그래프의 세로축은 어레이 스피커를 중심으로 한 거리를 나타낸다. 각각의 그래프에서는 세로축의 좌측 중심에 어레이 스피커가 위치해 있다고 가정한다. 즉, 세로축 상에 위치한 어레이 스피커로부터 우측 방향으로 음향이 방사되어 나오는 상황을 가정한다. 빔 패턴 110은 어레이 스피커를 통해 방사되어 나오는 음향 신호의 주파수가 630 Hz인 경우를 예시하고 있고, 빔 패턴 120 및 빔 패턴 130은 각각 1.6 kHz와 4 kHz인 경우를 예시하고 있다.

각각의 빔 패턴들을 비교하여 보면, 방사되는 음향 신호의 주파수가 높을수록 빔 패턴의 중앙부에 음장이 잘 형성되는 것을 알 수 있다. 도 1에서 빔 패턴 130의 중앙부에 어두운 색깔로 음장이 뚜렷하게 형성되어 있는데 반해, 빔 패턴 120에는 보다 흐리게, 또한 빔 패턴 110에는 그 보다 더욱 흐리게 음장이 형성된 것을 볼 수 있다. 특히, 빔 패턴 110의 경우 A 부분을 참조할 때, 어레이 스피커의 가장자리로부터 방사된 음향 신호는 거의 음장을 형성하지 못하고 있는 것을 볼 수 있다.

일반적으로 어레이 스피커를 사용하는 경우 주파수에 따라 음 조절 성능이 변화하는데, 저주파수 영역에서는 어레이 스피커의 사이즈보다 파장이 크면 빔 폭이 커져서 특정 위치로 소리를 포커싱(focusing)하는데 어려움이 발생한다고 알려져 있다. 도 1의 예들을 통해 볼 때, 어레이 스피커를 통해 방사되는 음향 신호의 주파수가 낮을수록 음장이 형성되기 어렵다는 것을 확인할 수 있고, 그 결과 어레이 스피커로부터 특정 위치에 떨어져 위치한 지점으로 음향을 집중시키는 음향 포커싱이 제대로 이루어지지 않는다는 사실을 알 수 있다. 이상과 같은 문제점들은 특히 소형 음향 기기 등에서 어레이 스피커의 사이즈가 너무 작은 경우에 음 조절이 용이하지 않기 때문에 두드러지게 발생하게 된다. 따라서, 이하에서는 어레이 스피커를 통해 음향 신호를 출력함에 있어서, 저주파 영역에서 음향 포커싱이 제대로 이루어지지 않는 문제점을 해결할 수 있는 구체적인 수단을 설명하겠다.

도 2는 심리 음향을 이용하여 저주파 음향을 지각하는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 음향 포커싱 장치 및 방법에 사용되는 기본적인 원리를 도시하고 있다. 도 2의 그래프에서 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 음의 크기를 나타낸다.

음향을 학술적으로 분류할 때, 인간의 심리적인 측면에서 음에 관한 성질을 다루는 학문을 심리 음향학(Psycho Acoustics)이라고 하며, 그 대상이 되는 음향을 심리 음향이라고 한다. 이러한 심리 음향은 인간의 청각이 갖는 특성이나 한계로 인해 청취자가 인지한 음향을 물리적으로 측정되는 음의 성질과는 다르게 인식한다는 특성에 기초하고 있다. 여기서는 이러한 심리 음향의 다양한 성질들 중에서 인간이 저주파 음향을 지각하는 원리에 관하여 조화파(harmonics)를 중심으로 설명하겠다.

조화파란, 기본 주파수가 되는 기본 신호로부터 기본 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 음향 신호를 말한다. 도 2에서 기본 주파수를 f라고 할 때, 조화파는 2f, 3f 및 4f 등과 같은 주파수를 갖는 음향 신호를 말한다. 조화파는 고조파 또는 배음(over tone)이라고도 부른다. 한편, 조화파는 기본 신호(210)와 동일한 크기를 갖는 것이 아니라 감쇠 함수(230)에 따라 감쇠된 신호가 된다. 또한, 조화파는 주 파수의 증가에 따라 신호의 크기가 감쇠하는 적어도 하나 이상의 조화파들이 혼합된 신호일 수 있다. 여기서, 감쇠 함수는 지수형 감쇠(exponential decay)나 자연 감쇠와 같이 주파수가 증가할수록 신호의 크기가 작아지는 형태의 함수가 될 수 있으며, 이러한 감쇠 함수를 정의하는 다양한 방법들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 파악할 수 있는 것이다.

심리 음향 분야의 연구에 따르면, 일반적으로 인간에게 기본 주파수 f의 정수배의 주파수에 해당하는 조화파를 듣려주거나, 또는 기본 주파수 f인 음의 f 성분을 제외하고 이들의 정수배의 주파수에 해당하는 조화파만을 들려주어도, 청취자는 이들 조화파로부터 기존 주파수 f에 해당하는 기본음(210)을 느끼게 된다고 한다. 이와 같이 실제 물리적인 주파수는 높은 주파수에 해당하는 음향 신호인데도 불구하고 청취자가 조화파의 기본 신호가 되는 낮은 주파수의 음향 신호로 인지하는 효과를 가상 피치(virtual pitch) 또는 사라진 기본 주파수(missing fundamental frequency)라고 칭한다.

이러한, 원리를 이용하면 물리적으로 낮은 주파수의 기본 신호를 출력하기 어려운 경우에 기본 신호의 정수배의 주파수를 갖는 조화파를 출력함으로써 청취자로 하여금 마치 낮은 주파수의 기본 신호를 청취하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 이하에서 설명할 본 발명의 다양한 실시예들은 이러한 원리에 기초하여 지향성을 통해 음향 신호를 특정 위치에 집중시키는 포커싱이 구현되기 어려운 저주파 영역의 음향 신호에 대해 저주파 신호를 조화파로 대체하고, 대체된 조화파를 통해 포커싱을 구현하고자 한다. 이러한 포커싱을 구현함에 있어서 고주파 영역 의 신호에 대해서는 조화파를 사용할 필요가 없으므로, 이하의 실시예들은 입력 신호들의 주파수 대역을 고려하여, 입력 신호들을 고주파 대역과 저주파 대역으로 분리한 후, 저주파 대역의 입력 신호들에 대해서만 조화파로 대체하여 포커싱하는 장치 및 방법을 제시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커에서 음향을 포커싱하는 장치를 도시한 블럭도로서, 고역 통과 필터(HPF: High-Pass Filter)(311)와 저역 통과 필터(LPF: Low-Pass Filter)(312)로 구성된 여과부(310), 고주파 포커싱 신호 생성부(321), 조화파 포커싱 신호 생성부(322), 출력 신호 생성부(330) 및 복수 개의 개별 스피커들로 구성된 어레이 스피커(340)를 포함한다.

여과부(310)는 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과한다. 여기서, 기준 주파수란 입력 신호들을 각각 고주파 신호와 저주파 신호로 여과하기 위해 기준이 되는 주파수로서, 컷-오프(cut-off) 주파수라고도 한다. 고주파 또는 저주파라는 표현은 매우 상대적인 개념으로서, 입력 음원 신호 전체 중 어느 주파수를 기준으로 고주파와 저주파를 분리할 것인지를 결정하여야 할 필요성이 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서 입력 신호를 주파수 대역에 따라 분리하는 것은 저주파 대역에서 입력 신호의 포커싱이 제대로 되지 않기 때문이다. 따라서, 기준 주파수를 결정하는 것은 입력 신호의 포커싱이 제대로 되지 않는 주파수의 시작 지점을 찾아 적어도 이러한 시작 지점보다 높거나 같아야 할 것이다. 또한, 저주파수 영역에서는 어레이 스피커의 사이즈보다 파장이 크면 빔 폭 이 커져서 특정 위치로 소리가 잘 포커싱되지 않는다고 설명하였다. 따라서, 이상의 기준 주파수는 어레이의 크기를 고려하여 입력 신호가 특정 위치로 포커싱되지 않는 주파수보다 더 높거나 적어도 같은 주파수로 설정되어야 할 것이다.

이러한 기준 주파수는 본 발명의 실시예들이 구현되는 실제 제품이나 환경에 따라 적절한 값으로 조절될 수 있을 것이며, 통상적으로 실험을 통하여 특정 값으로 미리 산출할 수도 있을 것이다. 또는, 이러한 기준 주파수를 미리 고정된 값으로 설정하지 않고, 어레이 스피커의 크기를 고려하여 기준 주파수를 별도의 장치를 통해 설정할 수도 있을 것이다.

앞서 설명한 도 2를 참조하면, 기준 주파수는 주파수 f와 주파수 2f 사이에서 점선(220)으로 도시되었다. 도 2에서 기본파(210)의 주파수 f는 기준 주파수보다 작다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 도 3의 실시예에서는 기준 주파수보다 작은 저주파 신호들에 대해 기준 주파수보다 주파수가 큰 조화파를 이용하여 포커싱을 구현하게 된다.

도 3에서 입력 신호는 고역 통과 필터(311)와 저역 통과 필터(312)를 통해 여과되고, 양 필터(311, 312)들은 각각 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 통과시키게 된다. 다음으로, 여과된 고주파 신호와 저주파 신호로부터 사용자가 목표로 하는 위치로 음원 신호를 집중시키는 포커싱 과정을 차례로 설명한다.

고주파 포커싱 신호 생성부(321)는 고역 통과 필터(311)를 통해 여과된 고주파 신호를 특정 위치로 포커싱하는 고주파 포커싱 신호를 생성한다. 이를 위해, 고 주파 포커싱 신호 생성부(321)는 여과된 고주파 신호의 이득값 또는 지연값을 조절함으로써 어레이 스피커로부터 특정 방향으로 지향성을 나타내도록 한다. 즉, 고주파 포커싱 신호 생성부(321)는 어레이 스피커를 구성하는 다수의 개별 스피커들을 통해 출력하려는 음향 신호들의 위상 차이를 이용하여 특정 방향으로 신호의 세기가 커지도록 음향 신호를 중첩시킴으로써 음향 신호를 특정 방향으로 전달하게 된다. 이상의 과정을 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 고주파 포커싱 신호 생성부(400)를 상세하게 도시한 블럭도로서, 복제부(410), 이득 조절부(420) 및 지연부(430)를 포함한다.

복제부(410)는 하나의 음원 신호가 입력되면 이를 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커의 개수(또는 출력하고자 하는 채널의 수가 될 수 있다.)만큼 복제한다. 다음으로, 이득 조절부(420)는 복제부(410)를 통해 복제된 신호들 각각에 대하여 필터를 이용하여 이득(gain)을 조절한다. 즉, 포커싱하고자 하는 방향을 고려하여 개별 스피커에 인가될 음원 신호들의 이득을 조절하게 된다. 이어서, 지연부(430)는 포커싱하고자 하는 방향 또는 거리에 따라 각각의 음원 신호들을 지연시킨다. 어레이 스피커를 통해 출력되는 음향 신호의 지향성 조절은 다음의 수학식 1에 따라 산출된다.

여기서 Δ는 지연값이고, λ는 출력하려는 음원 신호의 파장이고, d는 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커 간의 간격이며, θ는 어레이 스피커와 음원 신호의 방사 방향이 이루는 각도이다. 즉, 지연부(430)에서는 개별 스피커 간의 거리 d와 같은 어레이 스피커의 물리적인 특징과 파장 λ와 같은 출력하려는 음원의 성질, 그리고 출력하려는 방향이나 포커싱 위치 등의 다양한 변수들을 고려하여 각 채널별 지연값을 결정하게 된다. 이러한 이득 내지 지연 값은 목적하는 포커싱 위치 및 빔 폭 등의 음장을 형성하기 위해 산출된 값이다.

이상에서 도 4를 참조하여 도 3의 고주파 포커싱 신호 생성부(321)에서 고주파 포커싱 신호를 생성하는 과정을 설명하였다. 이상에서 설명한 실시예는 입력된 음원 신호에 음원 특성에 따라 이득을 조절하거나, 특정 채널에 인가되는 신호를 지연하거나, FIR 형태의 필터를 통해 여과하는 등의 다양한 신호 처리를 함으로써 음원 신호를 조절할 수 있다. 또한, 이상과 같은 고주파 신호를 포커싱하는 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 기능상의 동일성이 인정되는 한도 내에서 그 일부 구성을 적절하게 수정하여 구현할 수 있을 것이다.

다시 도 3으로 돌아와서, 조화파 포커싱 신호 생성부(322)를 설명한다.

조화파 포커싱 신호 생성부(322)는 저역 통과 필터(312)를 통해 여과된 저주파 신호로부터 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 생성하고, 특정 위치로 포커싱이 가능한 한계 주파수 이하로 제어함으로써 조화파 포커싱 신호를 생성한다. 여기서, 한계 주파수란 어레이 스피커를 통해 음향 신호를 출력하였을 때, 특정 위치로 포커싱이 가능한 최대 주파수를 의미한다. 이러한 한계 주파수는 어레이 스피커 를 구성하는 개별 스피커들 간의 간격에 의해 결정된다고 알려져 있다.

이하에서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 조화파 포커싱 신호 생성부(322)에서 조화파 포커싱 신호를 생성하는 과정을 보다 상세하게 설명한다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 조화파 포커싱 신호 생성부를 상세하게 도시한 블럭도로서, 조화파 신호 생성부(510), 왜곡 제어부(520) 및 포커싱 처리부(530)를 포함한다.

조화파 신호 생성부(510)는 저역 통과 필터(미도시)를 통해 여과된 저주파 신호로부터 저주파 신호의 주파수의 배수에 해당하고 기준 주파수 이상의 주파수를 갖는 조화파 신호를 생성하여 저주파 신호를 대체한다. 이러한 조화파 신호는 주파수의 증가에 따라 신호의 크기가 감쇠하는 적어도 하나 이상의 조화파 신호들의 합으로 구성될 수 있다. 또한, 기준 주파수 이하에서는 음향 신호의 포커싱이 제대로 이루어지지 않으므로, 조화파 신호가 기준 주파수 이상이어야 함은 당연하다. 앞서 설명한 바와 같이 조화파 신호 생성부(510)를 통해 생성된 조화파 신호는 물리적으로 기준 주파수 이상의 고주파 신호임에도 불구하고, 청취자로 하여금 마치 저주파 신호를 청취하는 것처럼 느끼게 한다.

왜곡 제어부(520)는 조화파 신호 생성부(510)를 통해 생성된 조화파 신호를 한계 주파수 이하로 제한함으로써 조화파 신호의 왜곡을 제어한다. 이하에서는 왜곡 제어부(520)가 조화파 신호의 왜곡을 제어하는 보다 상세한 과정을 도 5b를 참조하여 설명한다.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 조화파 포커싱 신호 생성부에 포함되는 왜곡 제어부(520)를 보다 상세하게 도시한 블럭도로서, 한계 주파수 설정부(522), 비교부(523) 및 주파수 제한부(524)를 포함한다.

우선, 왜곡 제어부(522)는 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들 간의 간격을 고려하여 한계 주파수를 설정한다. 다음으로, 비교부(523)는 조화파 신호의 최고차 주파수(521)와 한계 주파수를 입력받아 양자를 비교한다. 최고차 주파수란 조화파에 포함된 다수의 신호들의 주파수 중에서 가장 높은 주파수를 나타낸다. 마지막으로, 주파수 제한부(524)는 생성된 조화파 신호의 주파수가 설정된 한계 주파수를 초과하지 않도록 조화파 신호의 주파수를 제한하여 최고차 주파수가 조절된 조화파 신호(525)를 출력한다.

이상의 과정을 통해서, 만약 조화파 신호의 최고차 주파수(521)가 한계 주파수보다 작다면 입력된 최고차 주파수(521)에 해당하는 조화파 신호를 포커싱에 사용할 수 있을 것이다. 반면, 입력된 최고차 주파수(521)가 한계 주파수보다 크다면 포커싱에 사용할 수 없을 것이다. 왜냐하면, 이러한 차수의 주파수 성분이 포함된 조화파를 포커싱에 사용할 경우, 조화파 첨가에 따른 음질 저하가 발생할 우려가 있기 때문이다. 따라서, 왜곡 제어부(520)를 통해 출력되는 조화파 신호는 다음의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

여기서, G(n)은 조화파 신호를 나타내고, x(n)은 최고차 주파수를 나타내고, n은 기본 주파수의 정수배인 차수를 나타내며, F_h는 한계 주파수를 나타낸다. 즉, 수학식 2는 최고차 주파수가 한계 주파수보다 작은 조화파 신호를 포커싱에 사용하겠다는 것을 의미한다.

앞서 설명한 도 2를 참조하면, 한계 주파수는 주파수 3f와 주파수 4f 사이에서 1점 쇄선(240)으로 도시되었다. 도 2에 따르면 최고차 주파수는 3f가 될 것이며, 주파수 4f는 한계 주파수(240)를 초과하는 값으로서, 왜곡 제어부(522)에 의해 제한될 것이다. 따라서, 조화파 신호는 주파수 2f와 주파수 3f만으로 구성될 것이다.

도 5a의 포커싱 처리부(530)는 왜곡 제어부(520)를 통해 제한된 조화파 신호를 특정 위치로 포커싱시킨다. 이 과정은 앞서 도 4의 실시예를 통해 설명한 고주파수 포커싱 신호 생성 과정과 동일하다. 일단, 조화파 신호 생성부(510) 및 왜곡 제어부(520)를 통해 생성된 조화파 신호는 더 이상 기준 주파수 이하의 저주파수 신호가 아니며, 실질적으로는 고주파수 신호에 해당한다. 따라서, 앞서 설명한 고주파수 포커싱 신호 생성 과정과 같이 이득을 조절하거나, 특정 채널에 인가되는 신호를 지연하거나, 필터를 통해 여과하는 등의 다양한 신호 처리를 함으로써 조화파 신호를 특정 방향 및 거리로 포커싱하게 된다. 이상에서 도 5a 및 도 5b를 참조하여 도 3의 조화파 포커싱 신호 생성부(322)에서 조화파 포커싱 신호를 생성하는 과정을 설명하였다.

이어서, 출력 신호 생성부(330)는 고주파 포커싱 신호 생성부(321) 및 조화파 포커싱 신호 생성부(322)를 통해 각각 획득한 고주파 포커싱 신호와 조화파 포 커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성한다. 생성된 출력 신호는 어레이 스피커(340)에 인가되어 출력된다. 이러한 출력 신호는 어레이 스피커(340)에서 포커싱 가능한 기준 주파수 이상의 고주파 신호들로 구성되어 있으며, 포커싱 처리 과정에 의해 사용자가 원하는 특정 위치로 정확하게 방사될 것이다.

도 6을 참조하여 이러한 출력 신호 생성부(330)를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 출력 신호 생성부를 상세하게 도시한 블럭도로서, 신호 합성부(610) 및 증폭기(620)를 포함한다. 신호 합성부(610)는 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커별로 고주파 포커싱 신호와 조화파 포커싱 신호를 합성한다. 이어서, 증폭기(620)는 어레이 스피커를 구성성하는 개별 스피커들의 위치와 출력 신호의 주파수를 고려하여 스피커별로 합성된 신호들을 증폭시킨다. 증폭된 출력 신호는 어레이 스피커(640)에 인가되어 출력된다.

이상에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커에서 음향을 포커싱하는 장치를 상세하게 설명하였다. 본 실시예에 따르면 기준 주파수에 따라 고주파 신호와 저주파 신호를 분리하고, 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 생성하여 포커싱 신호를 생성함으로써, 어레이 스피커에서 저주파 신호에 대응하는 조화파 신호를 포커싱시킬 수 있고, 그 결과 어레이 스피커로부터 특정 방향 및 거리에 위치한 청취자가 저주파 영역의 포커싱 신호를 명료하게 지각하는 것이 가능하다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 어레이 스피커에 출력 신호를 인가하는 다양한 방법들을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 7a는 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 고주파 포커싱 신호 생성부(721)를 통해 생성된 고주파 포커싱 신호와 조화파 포커싱 신호 생성부(722)를 통해 생성된 조화파 포커싱 신호를 하나의 출력 신호 생성부(730)를 통해 합성한 후, 증폭하여 어레이 스피커(740)에 인가하는 과정을 도시하고 있다.

이와 달리, 도 7b의 출력 신호 생성부(730)는 다수의 신호 합성부와 증폭기를 포함한다. 또한, 각각의 증폭기를 통해 증폭된 출력 신호들은 어레이 스피커(740)를 구성하는 복수 개의 개별 스피커들에 차별적으로 인가된다. 도 7b의 어레이 스피커(740)는 N 개의 개별 스피커들로 구성된 것을 가정하고 있으며, 이들 각각에 대해 출력 신호 생성부(730)로부터 차별화된 출력 신호를 공급받게 된다.

출력 신호를 차별화하는 것은 어레이 스피커(740)를 구성하는 개별 스피커들의 위치를 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 고주파 신호의 경우에는 직진성이 강하고 포커싱이 잘 이루어지는 특성이 있으므로, 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들 중 어레이 스피커의 중앙부에 위치한 스피커들을 통해 출력하는 것이 효과적일 수 있다. 반면, 저주파 신호의 경우에는 고주파 신호에 비해 상대적으로 직진성이 약하고 포커싱이 잘 이루어지지 않는 특성이 있으므로, 어레이 스피커의 말단부(어레이 스피커의 양쪽 가장자리를 의미한다.)를 통해 출력하는 것이 효과적일 수 있다.

이와 같이 고주파 포커싱 신호 생성부(721) 및 조화파 포커싱 신호 생성부(722)를 통해 생성된 양 신호를 합성함에 있어서, 각각의 신호들의 주파수 특성과 어레이 스피커의 사용 위치를 고려하여 합성된 신호들을 개별 스피커들에 분배할 수 있다. 또한, 각각 합성된 출력 신호들에 대해 차별적으로 신호의 크기를 증폭시킬 수도 있다. 예를 들어, 포커싱하고자 하는 방향에 따라 특정 스피커에 인가될 출력 신호를 증폭시킬 수 있을 것이다. 이러한 신호 합성, 신호 증폭 및 개별 스피커에 인가하는 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 실시예의 다양한 구현 환경에 따라 적절하게 구성할 수 있는 것이다.

도 7c는 도 7b의 출력 신호 생성부(730)에서 어레이 스피커(740)에 차별적으로 출력 신호를 공급하는 방법을 예시한 도면으로서, N 개의 개별 스피커들로 구성된 어레이 스피커(740)의 위치별로 인가될 출력 신호를 주파수에 따라 표시한 것이다. 도 7c에서는 어레이 스피커의 중앙부로부터 말단부로 갈수록 중앙부를 통해 출력하는 신호보다 상대적으로 주파수가 낮은 신호를 출력하는 것을 볼 수 있다.

본 실시예에 따르면, 출력 신호를 어레이 스피커의 위치에 따라 차별적으로 합성하고, 증폭하고, 인가함으로써 어레이 스피커의 포커싱 성능을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이 스피커에서 음향을 포커싱하는 방법을 도시한 흐름도로서, 다음과 단계들을 포함한다.

810 단계에서 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과한다. 이러한 기준 주파수는 어레이 스피커의 크기를 고려하여 상기 입력 신호가 포커싱되지 않는 주파수보다 더 높거나 같은 주파수로 설정될 수 있다.

820 단계에서 810 단계를 통해 여과된 고주파 신호를 특정 위치로 포커싱하 는 고주파 포커싱 신호를 획득한다. 이 과정은 고주파 신호의 이득값 또는 지연값을 조절함으로써 이루어진다.

830 단계에서 810 단계를 통해 여과된 저주파 신호로부터 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 생성하여 특정 위치로 포커싱이 가능한 한계 주파수 이하로 제어함으로써 조화파 포커싱 신호를 획득한다. 우선, 810 단계를 통해 여과된 저주파 신호로부터 저주파 신호의 주파수의 배수에 해당하고 기준 주파수 이상의 주파수를 갖는 조화파 신호를 생성하여 상기 저주파 신호를 대체한다. 다음으로, 생성된 조화파 신호를 한계 주파수 이하로 제한함으로써 조화파 신호의 왜곡을 제어한 다음, 제한된 조화파 신호를 포커싱하게 된다.

840 단계에서 820 단계 및 830 단계를 통해 획득한 고주파 포커싱 신호와 조화파 포커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성한다. 출력 신호를 생성함에 있어서, 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커별로 이상의 단계를 통해 생성된 고주파 포커싱 신호와 조화파 포커싱 신호를 합성하고, 개별 스피커들의 위치와 출력 신호의 주파수를 고려하여 개별 스피커별로 합성된 신호들을 증폭시킬 수도 있을 것이다.

본 실시예에 따르면, 어레이 스피커에서 저주파 신호에 대응하는 조화파 신호를 포커싱시킬 수 있고, 그 결과 어레이 스피커로부터 특정 방향 및 거리에 위치한 청취자가 저주파 영역의 포커싱 신호를 명료하게 지각하는 것이 가능하다.

한편, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스 템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 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 본 발명이 해결하고자 하는 문제 상황을 설명하기 위해 어레이 스피커를 통해 사운드를 포커싱할 때 나타나는 음장을 주파수에 따라 예시한 빔 패턴이다.

도 2는 심리 음향을 이용하여 저주파 음향을 지각하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이 스피커에서 음향을 포커싱하는 장치를 도시한 블럭도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 고주파 포커싱 신호 생성부를 상세하게 도시한 블럭도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 조화파 포커싱 신호 생성부를 상세하게 도시한 블럭도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 출력 신호 생성부를 상세하게 도시한 블럭도이다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향 포커싱 장치에서 어레이 스피커에 출력 신호를 인가하는 다양한 방법들을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 어레이 스피커에서 음향을 포커싱하는 방법을 도시한 흐름도이다.

Claims (14)

1. 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 상기 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과하는 단계;

   상기 여과된 고주파 신호를 소정 위치로 포커싱하는 고주파 포커싱 신호를 획득하는 단계;

   상기 여과된 저주파 신호로부터 상기 저주파 신호를 대체하는 조화파(harmonic) 신호를 생성하여 상기 소정 위치로 포커싱이 가능한 한계 주파수 이하로 제어함으로써 조화파 포커싱 신호를 획득하는 단계; 및

   상기 획득된 고주파 포커싱 신호와 상기 획득된 조화파 포커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커(array speaker)의 음향 포커싱(focusing) 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조화파 포커싱 신호를 획득하는 단계는

   상기 여과된 저주파 신호로부터 상기 저주파 신호의 주파수의 소정의 배수에 해당하고 상기 기준 주파수 이상의 주파수를 갖는 조화파 신호를 생성하여 상기 저주파 신호를 대체하는 단계;

   상기 생성된 조화파 신호를 상기 한계 주파수 이하로 제한함으로써 상기 조화파 신호의 왜곡을 제어하는 단계; 및

   상기 제한된 조화파 신호를 상기 소정 위치로 포커싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 조화파 신호의 왜곡을 제어하는 단계는

   상기 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들 간의 간격을 고려하여 상기 한계 주파수를 설정하는 단계; 및

   상기 생성된 조화파 신호의 주파수가 상기 설정된 한계 주파수를 초과하지 않도록 상기 조화파 신호의 주파수를 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 출력 신호를 생성하는 단계는

   상기 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커별로 상기 고주파 포커싱 신호와 상기 조화파 포커싱 신호를 합성하는 단계; 및

   상기 스피커들의 위치와 상기 출력 신호의 주파수를 고려하여 상기 스피커별로 합성된 신호들을 증폭시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 어레이 스피커의 크기(size)를 고려하여 상기 입력 신호가 포커싱되지 않는 주파수보다 더 높은 주파수를 상기 기준 주파수로 설정하는 단계를 더 포함하고,

   상기 고주파 신호와 상기 저주파 신호를 각각 여과하는 단계는 상기 설정된 기준 주파수에 따라 여과하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 고주파 포커싱 신호를 획득하는 단계는 상기 여과된 고주파 신호의 이득값 또는 지연값을 조절함으로써 상기 소정 위치로 포커싱하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
8. 입력 신호로부터 기준 주파수보다 주파수가 높은 고주파 신호와 상기 기준 주파수보다 주파수가 낮은 저주파 신호를 각각 여과하는 여과부;

   상기 여과된 고주파 신호를 소정 위치로 포커싱하는 고주파 포커싱 신호를 획득하는 고주파 포커싱 신호 생성부;

   상기 여과된 저주파 신호로부터 상기 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호를 생성하여 상기 소정 위치로 포커싱이 가능한 한계 주파수 이하로 제어함으로써 조화파 포커싱 신호를 획득하는 조화파 포커싱 신호 생성부; 및

   상기 획득된 고주파 포커싱 신호와 상기 획득된 조화파 포커싱 신호를 합성하여 출력 신호를 생성하는 출력 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 조화파 포커싱 신호 생성부는

   상기 여과된 저주파 신호로부터 상기 저주파 신호의 주파수의 소정의 배수에 해당하고 상기 기준 주파수 이상의 주파수를 갖는 조화파 신호를 생성하여 상기 저주파 신호를 대체하는 조화파 신호 생성부;

   상기 생성된 조화파 신호를 상기 한계 주파수 이하로 제한함으로써 상기 조화파 신호의 왜곡을 제어하는 왜곡 제어부; 및

   상기 제한된 조화파 신호를 상기 소정 위치로 포커싱하는 포커싱 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 왜곡 제어부는

    상기 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들 간의 간격을 고려하여 상기 한계 주파수를 설정하는 한계 주파수 설정부; 및

    상기 생성된 조화파 신호의 주파수가 상기 설정된 한계 주파수를 초과하지 않도록 상기 조화파 신호의 주파수를 제한하는 주파수 제한부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 출력 신호 생성부는

    상기 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커별로 상기 고주파 포커싱 신호와 상기 조화파 포커싱 신호를 합성하는 신호 합성부; 및

    상기 스피커들의 위치와 상기 출력 신호의 주파수를 고려하여 상기 스피커별로 합성된 신호들을 증폭시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 어레이 스피커의 크기(size)를 고려하여 상기 입력 신호가 포커싱되지 않는 주파수보다 더 높은 주파수를 상기 기준 주파수로 설정하는 기준 주파수 설정부를 더 포함하고,

    상기 여과부는 상기 설정된 기준 주파수에 따라 여과하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 고주파 포커싱 신호 획득부는 상기 여과된 고주파 신호의 이득값 또는 지연값을 조절함으로써 상기 소정 위치로 포커싱하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.
14. 제 8 항에 있어서,

    상기 어레이 스피커의 중앙부로부터 말단부로 갈수록 상기 중앙부를 통해 출력하는 신호보다 상대적으로 주파수가 낮은 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 어레이 스피커의 음향 포커싱 장치.

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