KR101842930B1 - 인이어 마이크로폰 - Google Patents

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KR101842930B1
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이우석
유철재
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래드손(주)
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Abstract

본 실시예에 의한 인이어 마이크로 폰은, 외이도에 삽입되어 소리를 수집하고 전기적 신호로 출력하는 마이크 부(microphone unit)와, 전기적 신호를 제공받아 제1 차단 주파수 이하 대역의 신호를 차단시켜 제1 경로로 출력하고, 제2 차단 주파수 이상 대역의 신호를 통과시켜 제2 경로로 출력하는 주파수 선택부 및 제1 경로로 신호를 제공받아 제1 이득으로 증폭하여 출력하고, 제2 경로로 신호를 제공받아 제2 이득으로 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하며, 제2 차단 주파수는 제1 차단 주파수에 비하여 높은 주파수를 가진다.

Description

인이어 마이크로폰{In-ear Microphone}
본 발명은 인이어 마이크로폰에 관한 것이다.
마이크로폰은 소리를 집음(集音)하여 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 마이크로폰은 커패시터의 커패시턴스 변화를 이용하거나, 전자기 유도를 이용하여 집음된 소리에 상응하는 전기적 신호를 형성하여 출력한다. 인이어 마이크로폰은 외이도(外耳道)에 삽입된 마이크로폰으로, 성대(聲帶)에서 생성된 목소리는 구강, 고막 등을 거쳐 외이도로 전달되고, 인이어 마이크로폰은 이를 집음하여 전기적 신호로 변환한다.
인이어 마이크로폰은 구강, 고막 등을 거쳐 외이도로 전달된 소리를 집음하여 전기적 신호로 변환한다. 구강, 고막 등을 거쳐 외이도로 전달된 소리는 저역이부스트(boost)되고, 고역이 감쇠된(attenuate) 주파수 특성을 가진다. 따라서, 외이도로 전달된 목소리를 집음하면 목소리의 낮은 대역은 크게 울리고, 높은 대역은 감쇠(attenuate)되어 전달하고자 하는 소리가 명확하게 분리되지 않아 전달하고자 하는 내용을 명확히 파악할 수 없다.
본 실시예는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 낮은 주파수 대역의 소리가 부스트 되고 높은 주파수 대역의 소리가 감쇠되는 소리 전달 특성으로부터 발생하는 영향을 극복할 수 있는 인이어 마이크로폰을 제공하는 것이 주된 목적 중 하나이다.
본 실시예에 의한 인이어 마이크로 폰은, 외이도에 삽입되어 소리를 수집하고 전기적 신호로 출력하는 마이크 부(microphone unit)와, 전기적 신호를 제공받아 제1차단 주파수 이하 대역의 신호를 차단시켜 제1 경로로 출력하고, 제2 차단 주파수 이상 대역의 신호를 통과시켜 제2 경로로 출력하는 주파수 선택부 및 제1 경로로 신호를 제공받아 제1 이득으로 증폭하여 출력하고, 제2 경로로 신호를 제공받아 제2이득으로 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하며, 제2 차단 주파수는 제1 차단 주파수에 비하여 높은 주파수를 가진다.
본 실시예에 의한 인이어 마이크로폰에 의하면 소리 전달 과정에서 발생하는 주파수 특성 변화에도 불구하고 사람의 목소리에 충실한 신호를 복원할 수 있다는 장점이 제공되며, 마이크부(100)의 집음 유닛(110)이 외이도에 삽입되어 집음하므로, 외부의 노이즈를 집음하지 않아 마이크부가 외부에 노출된 마이크에 비하여 노이즈 특성이 향상된다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 인이어 마이크로폰의 개요적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2(a)와 도 2(b)는 마이크부의 개요적 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 외이도에서 집음한 소리의 주파수 특징을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 의한 주파수 선택부의 개요적 구성과, 출력하는 신호 주파수 특성의 개요를 도시한 도면이다.
도 5(a)와 도 5(b)는 본 실시예에 의한 저역 차단 필터와 고역 통과 필터의 구현예를 개요적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 명세서는 신호 선로의 종류를 구분하지 않는다. 따라서, 데이터 버스는 단일단 신호(single ended signal)를 전송하는 단일 선로일 수 있으며, 차동 신호(differential signal)를 전송할 수 있는 선로쌍일 수 있다. 또한 도면으로 도시된 각 선로는 단일 신호 또는 하나 이상의 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 구성된 버스 신호로 해석될 수 있으며, 필요한 경우에는 그 설명을 부가할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예에 의한 인이어 마이크로폰(1)을 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 인이어 마이크로폰의 개요적 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 인이어 마이크로폰은 외이도에 장착되어 소리를 수집하여 전기적 신호로 출력하는 마이크 부(microphone unit, 100)와, 전기적 신호를 제공받아 제1 차단 주파수 이하 대역의 신호를 차단하여 제1 경로(L1)로 출력하고, 제2 차단 주파수 이상 대역의 신호를 통과시켜 제2 경로(L2)로 출력하는 주파수 선택부(200)와, 제1 경로(L1)로 신호를 제공받아 제1 이득으로 증폭하여 출력하고, 제2 경로(L2)로 신호를 제공받아 제2 이득으로 증폭하여 출력하는 증폭부(300)및 제1 경로와 제2 경로로 이득 조절부가 출력한 신호들을 제공받아 디지털 신호로 변환하여 각각의 경로로 출력하는 아날로그 디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter, 400)를 포함하며, 제2 주파수는 제1 차단 주파수에 비하여 높은 주파수를 가진다.
일 실시예로, 인이어 마이크로폰(1)은 디지털 신호로 변환되어 제1 경로(L1)로 출력된 신호와 디지털 신호로 변환되어 제2 경로(L2)로 출력된 신호를 합산하는 합산부(summation unit, 500)와, 합산부(500)가 출력한 신호를 무선으로 전송하는 무선 통신부(600)를 더 포함한다.
도 2(a)와 도 2(b)는 마이크부(100)의 개요적 회로를 도시한 도면이다. 도 2(a)로 도시된 실시예에서, 마이크부(100)는 하나의 집음 유닛(110)을 포함한다. 집음 유닛(110)은 외이도로부터 전달된 소리를 집음하여 상응하는 전기적 신호를 형성한다. 집음 유닛(110)이 출력한 전기적 신호에 대하여 필터(L1, C1)로 필터링을 수행하고, R를 이용하여 차동신호를 형성하여 주파수 선택부(200)에 제공한다.
도 2(b)를 참조하면, 마이크부(100)는 두 개의 집음 유닛(110a, 110b)들을 포함한다. 일 예에서 각 집음 유닛(110a, 110b)은 외이도로부터 전달된 소리를 집음할 수 있다. 다른 예로, 어느 한 집음 유닛(110a)은 외이도로 전달된 소리를 집음하고, 다른 집음 유닛(110b)은 외이도 외부에 위치하여 집음할 수 있다. 각 집음 유닛들은 집음한 소리에 상응하는 전기적 신호를 형성하여 주파수 선택부(200)에 제공한다.
도 2(a), 도2(b)로 도시된 실시예에서, L1과 C1을 포함하는 필터는 예시일 따름이며, 일차 또는 이차 이상의 필터로 구현된 쉘빙(shelving) 필터, 대역 통과 필터, 대역 저지 필터, 고역 통과 필터, 저역 통과 필터 등의 필터일 수 있다. 본 실시예에서, L1a, C1a로 이루어진 필터의 차단 주파수와 기능은 L1b, C1b로 이루어진 필터의 차단 주파수와 기능이 상이할 수 있다. 또한, 차동 신호를 형성하는 저항 Ra와 Rb는 저항값이 서로 상이할 수 있다.
도 3은 외이도에서 집음한 소리의 주파수 특징을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 일점 쇄선은 성대에서 생성된 소리의 주파수 특성을 도시하며, 직선은 외이도에서 집음한 소리의 주파수 특성을 도시한다. 도시된 바와 같이 성대에서 생성된 소리가 전 대역에서 평탄한 특성을 가진다고 가정하면, 구강, 고막 등을 거쳐, 외이도에서 집음된 소리는 도 3의 실선으로 도시된 바와 같이 저역대가 부스트 되고, 고역대가 감쇠된 형태를 가진다.
부스트 특성을 보이는 저역과 중간 대역의 경계 주파수를 f1 이라 하고, 감쇠 특성을 보이는 고역과 중간 대역의 경계 주파수를f2라 하면, f1은 100Hz ~500Hz의 범위에 있으며, f2는 1KHz~5KHz범위에 있다. 각 주파수는 개인별로 편차를 보이나, 저역대가 부스트 되고, 고역대가 감쇠되는 특징은 동일하다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여 f1 이하의 주파수 대역을 저역(low range), 주파수가 f1을 초과하여 f2 미만인 대역을 중역(middle range), 주파수가 f2 이상 f3 까지 대역을 고역(high range)이라 한다. 일 예로, 고역에서 음성 신호의 크기가 급격하게 감쇠하는 주파수는 개인별로 편차가 있으나 8KHz 가량이다.
도 4는 본 실시예에 의한 주파수 선택부(200)의 개요적 구성과, 출력하는 신호 주파수 특성의 개요를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 주파수 선택부(200)는 마이크부(100)로부터 신호를 제공받고 저역의 부스트 부분을 컷하여 제1 경로로 출력하는 로우 컷 필터(210)와 제공된 신호에서 고역을 통과시켜 제2 경로로 출력하는 하이 패스 필터(220)를 포함한다.
마이크부(100)가 제공한 신호는 로우 컷 필터(210)와 하이 패스 필터(220)로 제공된다. 로우 컷 필터(210)는 입력된 신호에서 주파수 f1 이하의 저역을 컷(cut)하여 출력한다. 로우 컷 필터(210)가 출력한 신호의 주파수 특징을 살펴보면 도 4로 도시된 바와 같이 저역의 크기가 중역의 크기보다 더 작도록 로우 컷 필터(210)를 설계하는 것이 가능하다. 또한, 하이 패스 필터(220)는 제공된 신호에서 주파수 f2 이상의 고역만을 통과시킨다.
도 5(a)와 도 5(b)는 본 실시예에 의한 로우 컷 필터(210)와 하이 패스 필터(220)의 구현예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 5(a)를 참조하면, 로우 컷 필터(210)와 하이 패스 필터(220)는 모두 커패시터(capacitor)로 구현할 수 있으며, 커패시터의 커패시턴스를 조절하여 차단 주파수를 조절할 수 있다. 일 예로, 로우 컷 필터(210)를 구현하는 커패시터의 커패시턴스 값은 하이 패스 필터(220)를 구현하는 커패시터의 커패시턴스 값보다 더 크게 구현한다.
도 5(b)는 로우 컷 필터(210)와 하이 패스 필터(220)를 모두 1차 RC 필터로 구현한 예를 도시한 도면이다. 로우 컷 필터(210)의 차단 주파수는 부스트되는 저역의 경계주파수인 f1에 근접하도록 설계하고, 하이 패스 필터(220)의 차단 주파수는 감쇠되는 고역의 경계주파수인 f2에 근접하도록 설계할 수 있다.
도시되지 않은 실시예에 의하면 로우 컷 필터(210)와 하이 패스 필터(220)는 2차 이상의 필터로 구현할 수 있으며, 다른 실시예에 의하면 로우 컷 필터(210)와 하이 패스 필터(220)는 액티브 필터를 이용하여 구현될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 증폭부(300)는 제1 경로(L1)와 제2 경로(L2)로 입력된 신호를 각각 증폭기로 증폭한다. 증폭부(300)에 포함된 각 증폭기는 이들을 아날로그 디지털 변환기(ADC, 400)의 입력 다이내믹 레인지에 부합하도록 증폭하고, 제1 경로(L1)과 제2 경로(L2)를 따라 아날로그 디지털 변환기(ADC, 400)에 출력한다. 증폭부(300)는 제1 경로(L1)로 제공된 신호와 제2 경로(L2)로 제공된 신호가 아날로그 디지털 변환기(ADC, 400)의 입력 다이내믹 레인지에 부합하는 신호 레벨을 가지도록 서로 다른 이득으로 증폭하여 출력한다. 일 실시예로, 증폭부는 제1 경로(L1)로 출력된 신호와 제2 경로(L2)로 출력된 신호의 주파수 대역별 진폭이 일정하도록 이득이 조절된다.
증폭부(300)에 포함된 증폭기의 이득(gain)을 증가시키면 인이어 스피커가 제공한 소리가 외이도에서 반사되어 형성된 에코(echo)를 집음하여 사용자에게 불량한 사용감을 제공하므로 이득을 증가시키는 것은 한계가 있다. 이득을 감소시키면 소리 전달 과정에서 감쇠된 고역이 아날로그 디지털 변환기(ADC, 400)의 입력 다이내믹 레인지에 부합하도록 스윙하지 않아 높은 해상도를 가지는 디지털 신호로 변환되지 않는다. 나아가, 디지털 영역에서 제2 경로(L2)로 제공된 신호를 증폭할 수 있으나, 상술한 바와 같이 충분하지 않은 해상도를 가지는 고역 신호에 형성되는 양자화 잡음(Quantization Noise)까지 증폭된다. 따라서, 본 실시예와 같이 주파수 선택부(200)가 출력한 신호를 증폭한 후, 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하여 높은 해상도를 가지는 디지털 신호로 변환할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 경로(L1), 제2 경로(L2) 및 마이크부(100)와 주파수 선택부(200)을 연결하는 선로는 차동 선로이다. 또한, 증폭부(300)에 포함된 각 증폭기들은 차동증폭기이다. 따라서, 증폭부(300)로 제공되는 신호에 부가되는 노이즈는 증폭과정에서 배제된다.
다른 실시예에서, 제1 경로(L1), 제2 경로(L2) 및 마이크부(100)와 주파수 선택부(200)에 제공되는 신호는 단일단 신호(single ended signal)로, 부가되는 노이즈는 주파수 선택부(200)의 필터링 과정에서 제거될 수 있다.
합산부(500)는 아날로그 디지털 변환기(ADC, 400)가 출력한 디지털 신호들을 필터링 후 합산하여 신호를 형성한다. 아날로그 디지털 변환기(ADC, 400)가 제1 경로(L1)로 출력한 신호는 낮은 주파수 대역, 중간 주파수 대역 신호에 관한 정보를 가지며, 제2 경로(L2)로 출력한 신호는 높은 주파수 대역 신호에 관한 정보를 포함한다.
일 실시예로, 합산부(500)는 제1 경로(L1)로 제공된 신호를 차단 주파수가 f2인 저역 통과 필터로 필터링하고, 제2 경로(L2)로 제공된 신호를 차단 주파수가 f2인 하이 패스 필터로 필터링한 후, 두 필터의 출력 신호를 합산하여 원 신호를 복원할 수 있다.
무선 통신부(600)는 합산부(500)가 출력한 디지털 신호를 미리 설정된 무선 통신 방법을 이용하여 출력한다. 일 실시예로, 무선 통신부(600)는 블루투스(blue tooth), 와이파이(wifi), 지그비(zigbee) 중 어느 하나의 무선 통신 방법을 이용하여 디지털 신호를 송신한다.
본 실시예에 의한 인이어 마이크로폰에 의하면 소리 전달 과정에서 발생하는 주파수 특성 변화에도 불구하고 사람의 목소리에 충실한 신호를 복원할 수 있다는 장점이 제공되며, 마이크부의 집음 유닛이외이도에 삽입되어 집음하므로, 외부의 노이즈를 집음하지 않아 마이크부가 외부에 노출된 마이크에 비하여 노이즈 특성이 향상된다는 장점이 제공된다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 마이크부 110: 집음 유닛
200: 주파수 선택부 210: 로우 컷 필터
220: 하이 패스 필터 300: 증폭부
400: 아날로그 디지털 변환기 500: 합산부
600: 무선 통신부

Claims (10)

  1. 외이도에 삽입되고, 상기 외이도 내부를 지향하여 상기 외이도를 통하여 제공된 소리를 수집하고 전기적 신호로 출력하는 마이크 부(microphone unit);
    상기 전기적 신호를 제공받아 제1 차단 주파수 이하 대역의 신호를 차단시켜제1 경로로 출력하고, 제2 차단 주파수 이상 대역의 신호를 통과시켜 제2 경로로 출력하는 주파수 선택부; 및
    상기 제1 경로로 신호를 제공받아 제1 이득으로 증폭하여 출력하고, 상기 제2 경로로 신호를 제공받아 제2 이득으로 증폭하되, 상기 소리의 전달 경로 특성에 의하여 형성되는 대역별 감쇠 특성을 보상하도록 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하며,
    상기 제2 차단 주파수는 상기 제1 차단 주파수에 비하여 높은 주파수를 가지는 인이어 마이크로폰.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크 부는
    상기 외이도에 삽입되는 제2 마이크를 더 포함하는 인이어 마이크로폰.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크 부는
    외부에 노출된 제2 마이크를 더 포함하는 인이어 마이크로폰.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 선택부는,
    상기 전기적 신호를 제공받아 상기 제1 차단 주파수 이하 대역의 신호를 차단시켜 제1 경로로 출력하는 로우 컷 필터(Low Cut Filter) 및
    상기 전기적 신호를 제공받아 상기 제2 차단 주파수 이상 대역의 신호를 통과시켜 제2 경로로 출력하는 하이 패스필터(High Pass Filter)를 포함하는 인이어 마이크로폰.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 차단 주파수는 100Hz 내지 500Hz 중 어느 하나의 주파수이며,
    상기 제2 차단 주파수는 1KHz 내지 5KHz 중 어느 하나의 주파수인 인이어 마이크로폰.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 선택부는,
    액티브 필터, 패시브 필터로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 인이어 마이크로폰.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인이어 마이크로폰은
    상기 제1 경로로 출력된 신호와 상기 제2 경로로 출력된 신호를 합산하는 합산부(summation unit)와,
    상기 합산부가 출력한 신호를 무선으로 전송하는 무선 통신부를 더 포함하는 인이어 마이크로폰.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 이득과 상기 제2 이득은
    상기 소리의 전달 경로 특성에 의하여 형성되는 대역별 감쇠 특성을 보상하도록 조절되는 인이어 마이크로폰.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인이어 마이크로폰은,
    상기 제1 경로와 상기 제2 경로로 증폭부가 출력한 신호들을 제공받아 디지털 신호로 변환하여 각각의 경로로 출력하는 아날로그 디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter)를 더 포함하는 인이어 마이크로폰.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101209126B1 (ko) * 2011-06-27 2012-12-06 경북대학교 산학협력단 액티브 지연방법 및 이를 이용한 개선된 무선 양이 보청기
KR101248125B1 (ko) * 2012-10-15 2013-03-27 (주)알고코리아 주변소음 소거와 주파수 채널별 압축 기능을 가진 보청기

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