KR101691078B1 - 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰 - Google Patents

초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰 Download PDF

Info

Publication number
KR101691078B1
KR101691078B1 KR1020150186081A KR20150186081A KR101691078B1 KR 101691078 B1 KR101691078 B1 KR 101691078B1 KR 1020150186081 A KR1020150186081 A KR 1020150186081A KR 20150186081 A KR20150186081 A KR 20150186081A KR 101691078 B1 KR101691078 B1 KR 101691078B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ultrasonic
microphone
signal
audible
sound
Prior art date
Application number
KR1020150186081A
Other languages
English (en)
Inventor
박홍준
여동희
조성은
장영재
정경원
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020150186081A priority Critical patent/KR101691078B1/ko
Priority to US15/149,113 priority patent/US9843867B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101691078B1 publication Critical patent/KR101691078B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/08—Mouthpieces; Microphones; Attachments therefor
    • H04R1/083—Special constructions of mouthpieces
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/326—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only for microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
    • H04R3/06—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response of electrostatic transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2217/00—Details of magnetostrictive, piezoelectric, or electrostrictive transducers covered by H04R15/00 or H04R17/00 but not provided for in any of their subgroups
    • H04R2217/03—Parametric transducers where sound is generated or captured by the acoustic demodulation of amplitude modulated ultrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception
    • H04R25/50—Customised settings for obtaining desired overall acoustical characteristics

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)

Abstract

본 발명은 초음파 변환기를 이용하여 원하는 방향과 원하는 거리 이내의 특정구역 내에 위치한 음원을 향하여 초음파를 발사하고, 상기 음원에서 반사되어 수신된 초음파 신호로부터 상기 음원에서 발생한 가청 주파수 대역의 음파신호에 해당하는 전기신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰에 의하면 가청구역을 상기 마이크로폰으로부터 특정각도 이내와 특정거리 이내로 제한함으로써 주변이 소란스러운 환경에서도 원하는 소리만을 선택적으로 잘 들을 수 있는 효과가 있으며, 이를 보청기에 적용하는 경우 주변잡음은 제거하고 보청기 사용자의 바로 앞에 있는 상대방의 음성만을 잘 들을 수 있는 장점이 있다.

Description

초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰{A microphone with specific audible area using ultrasound}
본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 변환기를 이용하여 원하는 방향과 원하는 거리 이내의 특정구역 내에 위치한 음원을 향하여 초음파를 발사하고, 상기 음원에서 반사되어 수신된 초음파 신호로부터 상기 음원에서 발생한 가청 주파수 대역의 음파신호를 추출함으로써 주변이 소란스러운 환경에서도 원하는 소리를 선택적으로 잘 들을 수 있는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰에 관한 것이다.
초음파는 가청대역의 음파에 비해, 그 전송 속도는 같지만 파장이 훨씬 짧아서 일정한 방향으로만 전파하는 직진성이 우수하여 에너지가 일정방향으로만 집중됨으로 먼 거리까지 전송할 수 있다. 또 초음파는 비선형 전파특성을 가진다. 이 두 현상을 이용하여 지향성 스피커가 개발되었다.
즉, 가청대역의 음파신호로 초음파 신호를 변조(modulation)하고, 이 변조된 초음파를 특정방향으로 전송하면 해당방향에서는 음파의 비선형 성질에 의해 먼 거리에서 원래의 가청대역 음파신호를 직접 귀로 들을 수 있다.
그러나 이 기술은 스피커에만 적용할 수 있고 마이크로폰에는 적용할 수 없어서 주변이 소란스러운 환경에서 주변 잡음의 영향을 제거하고 원하는 소리만을 선택적으로 듣고자 하는 경우에는 사용할 수 없는 문제가 있다.
한국등록특허공보 제10-0622078호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 초음파 변환기를 이용하여 원하는 방향과 원하는 거리 이내의 특정구역 내에 위치한 음원을 향하여 초음파를 발사하고, 상기 음원에서 반사되어 수신된 초음파 신호로부터 상기 음원에서 발생한 가청 주파수 대역의 음파신호를 추출함으로써 주변이 소란스러운 환경에서도 원하는 소리만을 선택적으로 들을 수 있는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰을 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰은, 원하는 방향과 원하는 거리 이내의 구역을 특정 가청구역으로 설정하고, 상기 특정 가청구역내의 음원에 초음파를 전파하여 반사되는 초음파 신호로부터 상기 음원에서 발생한 가청 주파수대역의 음파에 해당하는 가청음파 전기신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰은, 구형파 전기신호를 입력으로 받아 증폭하여 출력하는 송신회로부; 상기 송신회로부의 출력신호를 입력받아 초음파를 발생시켜 음원을 향하여 상기 초음파를 전파하는 초음파 송신기; 상기 음원에서 반사된 초음파 신호를 입력받아 전기신호를 출력하는 초음파 수신기; 및 상기 초음파 수신기의 출력신호와 상기 구형파 전기신호를 입력으로 받아 상기 가청음파 전기신호를 추출하는 수신회로부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰은 가청구역을 상기 마이크로폰으로부터 특정각도 이내와 특정거리 이내로 제한함으로써 주변이 소란스러운 환경에서도 원하는 소리만을 선택적으로 잘 들을 수 있는 효과가 있으며, 이를 보청기에 적용하는 경우 주변잡음은 제거하고 보청기 사용자의 바로 앞에 있는 상대방의 음성만을 잘 들을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 가청구역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 초음파 수신기 출력신호의 주파수 성분을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 음원에서 반사된 초음파와 음원에서 발생된 가청음파의 비선형 전파특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 상세 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 수신회로부의 복조기 출력신호를 종래의 마이크로폰 출력신호와 비교한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 상세 회로를 나타낸 도면이다. 한편, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 가청구역을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 구성을 살펴보기 전에 먼저, 본 발명에 있어서 초음파를 이용하는 과정과 가청구역을 제한하는 방법을 설명하기로 한다.
본 발명은 마이크로폰을 구현하기 위하여 초음파를 이용하고 가청구역을 특정한 구역으로 한정하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에서는 마이크로폰의 가청구역을 특정한 방향과 특정한 거리 이내로 제한하기 위해 초음파를 사용한다. 초음파 송신기를 이용하여 시간에 대해 연속적인(CW: continuous wave) 초음파를 음원을 향하여 발사하고 음원에서 반사된 초음파를 초음파 수신기를 이용하여 수신한다.
상기 음원에서 반사된 초음파와 상기 음원에서 발생된 가청 주파수대역 음파는 서로 같은 전파경로를 통하여 같은 전파속도로 상기 초음파 수신기까지 전파하면서 음파의 비선형 성질에 의하여 변조(modulation) 현상이 발생된다.
상기 변조현상에 의하여 상기 초음파 주파수(
Figure 112015126877089-pat00001
)와 상기 가청 음파 주파수(
Figure 112015126877089-pat00002
)의 합(合) 주파수(
Figure 112015126877089-pat00003
)와 차(差) 주파수(
Figure 112015126877089-pat00004
)를 가지는 초음파 신호도 상기 초음파 수신기에 수신된다. 이후, 수신 회로부에서 복조(demodulation)회로를 이용하여 상기 합 주파수와 차 주파수의 초음파 전기신호로부터 가청음파 전기신호를 추출한다.
초음파는 특정 방향으로 전파하는 직진성이 우수함으로, 상기 마이크로폰 가청구역의 방향을 쉽게 제한할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 특정 가청구역 마이크로폰(100)에서 출발하는 한 개의 반직선을 중심으로 좌우 동일한 특정 각도 이내의 구역과 마이크로폰으로부터의 거리가 특정 값 이내인 구역을 특정 가청구역으로 한정한다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰은 상기 특정 가청구역에서 발생하는 가청(audible) 주파수 대역의 음파에 대해서만 이에 해당되는 전기신호를 추출한다. 이를 위해, 초음파의 세 가지 성질인 직진성, 감쇄 현상및 비선형 전파특성을 이용한다.
초음파와 가청 음파(가청 주파수 대역의 음파)는 음파라는 점에서는 서로 같아서 전파속도가 동일하고 주파수만 서로 다르다. 가청 음파의 주파수는 보통 20Hz~20kHz 범위인데 비해 초음파 주파수는 20kHz 이상이다. 거리 센싱에 흔히 사용되는 초음파 변환기의 중심주파수는 보통 40kHz이다. 음파의 파장은 주파수에 반비례하므로 초음파의 파장은 가청 음파에 비해 매우 짧아서, 음파가 전파할 때 직진성이 매우 좋다. 즉, 파장이 짧으므로 음파의 전파각도(빔 폭)가 보통 50도(
Figure 112015126877089-pat00005
) 이내로 유지된다.
반면에 가청 음파는 파장이 길어서 전파각도가 매우 크다. 또, 음파가 전파될 때 감쇄상수는 음파의 주파수에 비례하여 증가하므로, 초음파의 감쇄상수가 가청 음파에 비해 매우 크다. 공기 중에서 음파의 kHz당 감쇄상수는 0.164 dB/(kHzㅇmeter)이다. 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰은 초음파의 직진성을 이용하여 가청구역의 각도를 제한하고 초음파의 감쇄성질을 이용하여 가청구역의 거리를 제한한다.
이어서, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 구성 및 동작을 설명하기로 한다.
도 1 및 도 5를 참고하면 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰(100)은, 송신회로부(110), 초음파 송신기(120), 초음파 수신기(130) 및 수신회로부(140)를 구비한다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰(100)은, 음원(200)을 향하여 초음파를 발사하고 음원(200)으로부터 반사된 초음파를 수신하고, 수신된 초음파신호로부터 음원(200)에서 발생한 가청 주파수대역의 음파(가청 음파)에 해당하는 전기신호(가청음파 전기신호)를 추출하는 것을 특징으로 한다.
송신회로부(110)는 일정한 주파수의 구형파(square wave) 전기신호를 입력으로 받아 전압을 증폭시켜서 초음파 송신기(120)를 구동한다. 구형파 전기신호는 펄스 전기신호이다.
초음파 송신기(120)로는 Q값이 비교적 큰 초음파 변환기(ultrasound transducer)를 사용하는 것이 바람직하며, 중심주파수가 25kHz부터 250kHz까지의 범위 내에 있고 값이 비교적 싼 기존의 상용 초음파 변환기를 사용할 수 있다.
중심주파수가 250kHz 이상인 초음파 변환기는 초음파가 공기 중으로 전파될 때의 감쇄상수가 41dB/meter 이상으로 너무 커서 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰에는 사용하기가 어렵다. 초음파 변환기의 Q값은 중심주파수를 대역폭으로 나눈 값으로, 중심주파수가 40kHz이고 주파수 대역폭이 40
Figure 112015126877089-pat00006
1.25 kHz인 초음파 변환기의 Q값은 16(=40/2.5)이다.
초음파 수신기(130)는 초음파 송신기(120)로 사용되는 초음파 변환기의 중심주파수와 가까운 주파수 대역의 초음파만 잘 검출하고 그 외의 주파수 대역 음파에 대해서는 반응하지 않아야 상기 초음파 수신기의 출력 전기신호의 신호 대 잡음비(SNR)가 증가한다.
따라서, 초음파 변환기를 상기 초음파 수신기(130)로 사용하는 것이 좋은데, 보통 흔히 사용하는 초음파 변환기는 주파수 대역폭이 작아서 본 발명의 마이크로폰 출력신호의 주파수 대역폭이 제한되어 음질이 떨어진다.
중심주파수가 40kHz이고 전파 각도(빔폭)가 50도(
Figure 112015126877089-pat00007
)인 초음파 변환기의 경우는 주파수 대역폭이 40
Figure 112015126877089-pat00008
1.25 kHz이므로, 이 초음파 변환기를 상기 초음파 수신기로 사용하면 상기 마이크로폰 출력신호의 주파수 대역폭이 0~1.25kHz의 좁은 범위로 제한된다. 따라서 주파수 대역폭이 중심주파수
Figure 112015126877089-pat00009
5 kHz 이상인 초음파 변환기를 본 발명의 초음파 수신기(130)로 사용하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 마이크로폰 출력신호의 주파수 대역폭이 0~5kHz가 되어 상기 마이크로폰을 보청기 등의 응용에 사용할 수 있다. 상기 초음파 수신기(130)로 사용하는 초음파 변환기의 중심 주파수는 상기 초음파 송신기(120)로 사용하는 초음파 변환기의 중심 주파수와 같아야 한다. 상기 초음파 송신기(120)로 사용하는 초음파 변환기의 중심 주파수가 25kHz 이하가 되면, 전파 감쇄가 작아 먼 거리까지 초음파 전송은 가능하지만 초음파 수신기에서 5kHz의 주파수 대역폭을 확보하기가 어렵다.
초음파 송신기(120)는 시간에 대해 연속인 초음파를 음원을 향하여 발사한다. 이때, 음원에서 초음파가 반사되는데 이 반사된 초음파 중에서 일부는 상기 마이크로폰의 초음파 수신기(130)를 향하여 되돌아오는 방향으로 전파된다. 음원에서 발생한 가청 음파 중에서 일부도 상기 초음파 수신기(130)를 향하여 전파된다. 그리하여, 음원에서 반사된 초음파의 일부와 음원에서 발생한 가청 음파의 일부가 서로 같은 경로를 통하여 같은 속도로 전파하게 된다.
이 과정에서 음파의 비선형 전파특성에 의하여 변조현상이 발생하며, 도 3에 도시된 바와 같이 초음파 주파수(
Figure 112015126877089-pat00010
)와 가청 음파 주파수(
Figure 112015126877089-pat00011
)의 합(合) 주파수(
Figure 112015126877089-pat00012
)와 차(差) 주파수(
Figure 112015126877089-pat00013
)를 가지는 초음파 신호가 생겨나게 된다.
수신회로부(140)는 복조기를 이용하여 초음파 수신기(130)의 출력 전기신호 중에서 상기 합 주파수와 차 주파수에 해당하는 초음파 전기신호로부터 상기 음원에서 발생한 가청 음파신호에 대응하는 가청음파 전기신호를 추출한다. 음원의 물리적 움직임에 의한 도플러 효과 때문에 비교적 저주파(20~150Hz)의 신호도 상기 복조기 출력에 나타나는데, 주파수 대역이 가청 주파수 대역보다 비교적 낮으므로 수신회로부에서 필터를 이용하여 쉽게 제거할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 음원에서 반사된 초음파와 음원에서 발생된 가청음파의 비선형 전파특성을 설명하기 위한 도면이다.
즉, 음원에서 반사되어 되돌아오는 방향으로 전파되는 초음파(
Figure 112015126877089-pat00014
)와 음원에서 발생된 가청음파(
Figure 112015126877089-pat00015
)가 같은 방향으로 같은 속도로 전파되면서 비선형 전파특성에 의해 변조된 초음파(
Figure 112015126877089-pat00016
)가 생겨나게 된다.
음파의 비선형 전파특성은 잘 알려진 웨스터벨트(Westervelt) 방정식으로 기술할 수 있다. 음파의 비선형 전파특성을 지향성 스피커에 이용하기 위하여 웨스터벨트(Westervelt) 방정식을 간략화시키면 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 본 발명에서는 한 개의 초음파와 한 개의 가청 음파의 상호작용을 다루기로 한다.
[수학식 1]
Figure 112015126877089-pat00017
여기서,
Figure 112015126877089-pat00018
는 음원으로부터의 거리,
Figure 112015126877089-pat00019
는 시간,
Figure 112015126877089-pat00020
는 변조된 초음파 압력,
Figure 112015126877089-pat00021
는 반사된 초음파 압력,
Figure 112015126877089-pat00022
는 가청 음파 압력,
Figure 112015126877089-pat00023
는 공기 중에서 음파의 전파속도,
Figure 112015126877089-pat00024
는 공기의 비선형 계수(약 1.2),
Figure 112015126877089-pat00025
는 공기의 밀도이다. 수학식 1의 오른쪽 끝의 제곱 항 때문에 비선형 전파 특성에 의한 변조 현상이 발생한다. 초음파의 주파수를
Figure 112015126877089-pat00026
, 감쇄상수를
Figure 112015126877089-pat00027
, 진폭을
Figure 112015126877089-pat00028
라고 하고 가청 음파의 주파수를
Figure 112015126877089-pat00029
, 진폭을 라고
Figure 112015126877089-pat00030
하면,
Figure 112015126877089-pat00031
와
Figure 112015126877089-pat00032
는 각각 수학식 2와 수학식 3으로 표시된다.
[수학식 2]
Figure 112015126877089-pat00033
[수학식 3]
Figure 112015126877089-pat00034
가청 음파
Figure 112015126877089-pat00035
는 주파수가 낮아서 감쇄현상을 무시하였다. 수학식 2와 수학식 3을 수학식 1에 대입하여 정리하면 초음파 수신기(130)에 도달하는 변조된 초음파 압력
Figure 112015126877089-pat00036
는 아래의 수학식 4로 구해진다. 여기서,
Figure 112015126877089-pat00037
은 음원으로부터 상기 마이크로폰까지의 거리이다.
[수학식 4]
Figure 112015126877089-pat00038
여기서
Figure 112015126877089-pat00039
은 반사되는 초음파 빔 폭의 반경이다. 수학식 4의 변조된 초음파 신호
Figure 112015126877089-pat00040
로부터 가청 음파신호
Figure 112015126877089-pat00041
를 추출하기 위해, 상기 초음파 수신기(130)의 출력신호를 수신회로부(140)의 복조기( demodulator, 142)를 통과시킨다.
도 5를 참고하면 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 수신회로부(140)는 적분기(141), 복조기(142) 및 가변이득증폭기(143)를 구비한다.
복조기(142)는 쵸퍼(chopper) 회로(142a)와 필터(142b)로 구성된다. 쵸퍼 회로(142a)는 상기
Figure 112015126877089-pat00042
에
Figure 112015126877089-pat00043
와 주파수와 위상이 동일한 구형파 신호, 즉 펄스신호를 곱한다.
초음파 수신기(130)의 출력신호에는 수학식 4에 보인
Figure 112015126877089-pat00044
와
Figure 112015126877089-pat00045
성분 외에도
Figure 112015126877089-pat00046
,
Figure 112015126877089-pat00047
,
Figure 112015126877089-pat00048
, 와 0(DC) 주파수 성분도 존재하는데, 상기 쵸퍼 회로(142a)와 대역통과필터(142b)를 통과시키면
Figure 112015126877089-pat00049
와
Figure 112015126877089-pat00050
성분만 가청 주파수 대역으로 변환되어 출력되고 다른 주파수 성분은 모두 제거된다.
수신회로부(140)에서
Figure 112015126877089-pat00051
에 곱할
Figure 112015126877089-pat00052
와 주파수와 위상이 동일한 구형파 신호(펄스 신호)를 생성하려면 송신회로부(110)에 입력되는 펄스 전기신호를 적당시간 지연시켜야 한다. 이를 위해서 상기 초음파 수신기(130)에 의해 수신된 초음파 신호로부터 필요한 지연시간을 추출한다.
수학식 4에 보인
Figure 112015126877089-pat00053
는 시간에 대한 2차 미분항을 포함하고 있어서, 이를 보상하기 위해 수신회로부(140) 초단에 아날로그 적분기(141)를 배치한다. 이때, 2개의 아날로그 적분기를 직렬로 배치하는 것이 바람직하지만, 초음파 수신기(130)의 주파수 특성에 따라 그 개수를 조정할 수 있다.
가변이득증폭기(143)는 복조기(142)의 출력을 증폭하여 가청음파 전기신호를 출력한다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 수신회로부의 복조기 출력신호를 종래의 마이크로폰 출력신호와 비교한 도면이다.
본 발명에 따른 특정 가청구역 마이크로폰의 동작 가능성을 확인하기 위해, 도 5에 도시된 회로를 구현하고, 50cm 거리에서 사람이 목소리로"아…(Aaah)" 소리를 냈을 때의 본 발명에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 수신회로부의 복조기 출력신호와 종래의 마이크로폰 출력신호의 주파수 스펙트럼을 비교하였다.
도 6을 참고하면 모음 "아"에 의한 주파수 포만트(formant)가 두 스펙트럼에서 서로 동일함을 확인할 수 있다. 다만, 음원(사람 입술)의 물리적 움직임에 의한 도플러 효과 때문에 본 발명에 따른 복조기 출력신호에 저주파 대역(대략 20Hz~150Hz)에서 잡음이 생겨난다. 이 잡음은 상기 음원에서 발생한 가청 음파신호와 무관하다.
상기 도플러 효과에 의한 저주파 잡음을 제거하기 위해 상기 복조기(142)의 대역통과필터(142b)의 낮은 쪽 통과주파수가 150Hz 정도 되도록 한다. 상기 대역통과필터(142b)는 대략 150Hz~5kHz 정도의 주파수를 통과시킨다.
도 6에 보인 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰의 초음파 송신기(120)와 초음파 수신기(130)는 모두 중심주파수가 40kHz이고 주파수 대역폭이 40
Figure 112015126877089-pat00054
1.25kHz이고, 전파 각도(빔 폭)가 50도(
Figure 112015126877089-pat00055
) 정도인 상용 초음파 변환기를 사용하였다.
본 발명의 마이크로폰의 초음파 송신기(120)에서, 상기 전파각도가 10도(
Figure 112015126877089-pat00056
5o) 이하인 경우에는 음원이 조금만 움직여도 가청구역을 벗어나므로 상기 마이크로폰을 사용하기가 불편하고, 상기 전파각도가 90도(
Figure 112015126877089-pat00057
45o) 이상인 경우에는 상기 마이크로폰의 출력신호에 주변잡음이 많이 포함되므로 역시 사용하기가 불편하다. 따라서, 본 발명의 초음파 송신기(120)의 상기 전파각도는 10도(
Figure 112015126877089-pat00058
5o) 내지 90도(
Figure 112015126877089-pat00059
45o) 인 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (14)

  1. 마이크로폰에 있어서,
    원하는 방향과 원하는 거리 이내의 구역을 특정 가청구역으로 설정하고, 상기 특정 가청구역내의 음원에 초음파를 전파하여 반사되는 초음파 신호로부터 상기 음원에서 발생한 가청 주파수대역의 음파에 해당하는 가청음파 전기신호를 추출하며,
    상기 마이크로폰은
    상기 음원에서 반사되는 초음파신호와 상기 가청 주파수대역의 음파신호가 같은 전파경로를 통하여 전파하는 과정에서 도플러 효과와는 다른 비선형 전파 특성에 의한 변조(modulation) 현상을 이용하여 상기 가청음파 전기신호를 추출하며,
    상기 음원에서 반사되는 초음파신호의 주파수와 상기 가청 주파수대역 음파신호의 주파수의 합(合)주파수와 차(差)주파수에 해당하는 신호로부터 상기 가청음파 전기신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서,
    구형파 전기신호를 입력으로 받아 증폭하여 출력하는 송신회로부;
    상기 송신회로부의 출력신호를 입력받아 초음파를 발생시켜 음원을 향하여 상기 초음파를 전파하는 초음파 송신기;
    상기 음원에서 반사된 초음파 신호를 입력받아 전기신호를 출력하는 초음파 수신기; 및
    상기 초음파 수신기의 출력신호와 상기 구형파 전기신호를 입력으로 받아 상기 가청음파 전기신호를 추출하는 수신회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서, 상기 수신회로부는
    상기 초음파 수신기의 출력신호를 처리하여 변조된 초음파 전기신호를 출력하는 적분기;
    상기 적분기의 출력신호와 상기 구형파 전기신호를 입력받아 상기 가청음파 전기신호를 추출하는 복조기; 및
    상기 복조기의 출력신호를 증폭하는 가변이득증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 적분기는
    적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 복조기는
    상기 적분기 출력신호와 상기 구형파 전기신호를 곱하여 처리하는 쵸퍼회로; 및
    상기 음원의 물리적 움직임에 의한 도플러효과에 의해 발생하는 신호성분과 가청 주파수대역보다 높은 주파수의 신호성분을 상기 쵸퍼회로의 출력신호에서 제거하는 필터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 필터는
    대역통과필터인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 특정 가청구역은
    상기 마이크로폰에서 출발하는 한 개의 반직선을 중심으로 좌우로 동일한 소정의 각도 이내의 구역이며, 상기 마이크로폰으로부터의 거리가 일정한 값 이내의 구역인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 소정의 각도는
    5 내지 45도인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 복조기는
    비선형 전파 특성에 의해 변조된 초음파 전기신호를 복조(demodulation)하여 상기 가청음파 전기신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  12. 제 2항에 있어서, 상기 송신회로부는
    출력전압을 조정하여 가청구역의 거리를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  13. 제 2항에 있어서, 상기 초음파 수신기는
    주파수 대역폭이 중심주파수
    Figure 112015126877089-pat00060
    5 kHz 이상인 초음파 변환기인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
  14. 제 2항에 있어서, 상기 초음파 송신기는
    중심주파수가 25 ~ 250kHz인 초음파 변환기인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰.
KR1020150186081A 2015-12-24 2015-12-24 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰 KR101691078B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150186081A KR101691078B1 (ko) 2015-12-24 2015-12-24 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰
US15/149,113 US9843867B2 (en) 2015-12-24 2016-05-07 Microphone with specific audible area using ultrasound wave

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150186081A KR101691078B1 (ko) 2015-12-24 2015-12-24 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101691078B1 true KR101691078B1 (ko) 2016-12-29

Family

ID=57736430

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150186081A KR101691078B1 (ko) 2015-12-24 2015-12-24 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9843867B2 (ko)
KR (1) KR101691078B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11565365B2 (en) * 2017-11-13 2023-01-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. System and method for monitoring chemical mechanical polishing
US10830914B2 (en) * 2018-03-08 2020-11-10 Ford Global Technologies, Llc Passive sound source classification and localization
CN113997946B (zh) * 2020-07-28 2024-03-01 博泰车联网科技(上海)股份有限公司 辅助驾驶智能控制方法、车载终端以及存储介质
EP4311262A1 (en) * 2023-02-17 2024-01-24 Oticon A/s A hearing aid with ultrasonic transceiver
CN115938337B (zh) * 2023-03-10 2023-06-23 苏州清听声学科技有限公司 一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004212121A (ja) * 2002-12-27 2004-07-29 Kobayashi Rigaku Kenkyusho 対象音検出方法及びその装置
KR100622078B1 (ko) 2005-11-21 2006-09-13 주식회사 솔리토닉스 초지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법
KR20140140945A (ko) * 2013-05-30 2014-12-10 한국전자통신연구원 초음파를 이용한 보청 장치 및 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4337527A (en) * 1971-09-29 1982-06-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Acoustic Doppler detector
US5960089A (en) * 1996-11-08 1999-09-28 Nicolet Vascular, Inc. Ultrasound bell attachment for stethoscope
US7502481B2 (en) * 2004-08-31 2009-03-10 Microsoft Corporation Microphone with ultrasound/audible mixing chamber to secure audio path

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004212121A (ja) * 2002-12-27 2004-07-29 Kobayashi Rigaku Kenkyusho 対象音検出方法及びその装置
KR100622078B1 (ko) 2005-11-21 2006-09-13 주식회사 솔리토닉스 초지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법
KR20140140945A (ko) * 2013-05-30 2014-12-10 한국전자통신연구원 초음파를 이용한 보청 장치 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US9843867B2 (en) 2017-12-12
US20170188157A1 (en) 2017-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101691078B1 (ko) 초음파를 이용한 특정 가청구역 마이크로폰
KR890002504B1 (ko) 시각장애자용 초음파 탐지기와 탐지기의 신호 처리방법
Kamakura et al. Suitable modulation of the carrier ultrasound for a parametric loudspeaker
ES2092497T3 (es) Dispositivo electroacustico para necesidades de audicion que incluye cancelacion de ruido.
JP2007189627A (ja) 音響装置
KR101981575B1 (ko) 초지향성 초음파 스피커 장치의 음질개선 방법 및 이를 구비한 초음파 스피커 장치
KR20150002730U (ko) 음향파 초음파를 이용한 사운드 마스킹에 의한 녹음.도청 차단,방지방법 및 장치
JP5115818B2 (ja) 音声信号強調装置
GB2384413A (en) Sound reproduction systems
US10692483B1 (en) Active noise cancellation device and earphone having acoustic filter
JP2007159042A (ja) 音響装置
CN108806710B (zh) 一种语音增强增益调整方法、系统及耳机
JPS60201799A (ja) 電気音響変換装置
RU2538031C2 (ru) Способ остронаправленного приема звуковых волн
JP2000004500A (ja) 自動方位決めスピーカ装置
KR102428973B1 (ko) 능동 음압 조절이 가능한 초음파 스피커 시스템 및 이의 제어 방법
CN109640229A (zh) 一种减少定向扬声器噪音的方法及减少噪音的定向扬声器
JP2018182480A (ja) 騒音スペクトル分布検出方法と対騒音音量音質制御方法
JP2688051B2 (ja) 放送空間の限定装置
JP2017143459A (ja) 伝搬遅延特性の測定方法および装置
Kim et al. Generation of audible sound with ultrasonic signals through the human body
Gui et al. Black Hole of Sound: Constructing an Anti-eavesdropping Area Using Ultrasound
Hayasaka et al. Audibility of added ultrasonic modulation signal for speech jamming
TW200816162A (en) Audio transmission method and its instrumentation
TWI554943B (zh) 音訊處理方法及其系統

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant