KR101890534B1 - 단일 채널 입력을 이용한 음장의 지향성 제어 방법 및 장치 - Google Patents

단일 채널 입력을 이용한 음장의 지향성 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

단일 채널 입력을 이용한 음장의 지향성 제어 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 음장 지향성 제어 방법은, 공간 가중치 함수를 변조하는 단계와, 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 음향 픽셀 어레이에 포함된 적어도 하나의 픽셀의 신호 전송 경로를 제어함으로써, 단일 채널 입력 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

Description

단일 채널 입력을 이용한 음장의 지향성 제어 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLING DIRECTIVITY OF SOUND FIELD USING SINGLE CHANNEL INPUT}
아래 실시예들은 음장의 지향성을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 지향성 제어 방법은 각 스피커에 인가되는 입력들이 독립적으로 제어되기 때문에, 다중 채널 오디오 장비가 필수적이다. 일반 적으로 다중 채널 오디오 장비는 전체 시스템의 부피나 가격을 증가시키고, 채널의 제한이 있기 때문에 스피커의 총 개수를 결정하는데 제한이 될 수 있다.
실시예들은 단일 채널 입력만으로 음장의 지향성을 제어하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 음장 지향성 제어 방법은, 공간 가중치 함수를 변조하는 단계와, 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 음향 픽셀 어레이에 포함된 적어도 하나의 픽셀의 신호 전송 경로를 제어함으로써, 단일 채널 입력 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 적어도 하나의 픽셀은, 열 음향 변환기(thermo-acoustic transducer)로 구현될 수 있다.
상기 열 음향 변환기는, 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 스피커를 포함할 수 있다.
상기 출력하는 단계는, 상기 공간 가중치 함수에 응답하여 상기 음향 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀과 연결된 스위치를 제어함으로써, 상기 적어도 하나의 픽셀을 온 또는 오프 하여 상기 신호 전송 경로를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변조하는 단계는, 상기 공간 가중치 함수를 이진 신호(binary signal)로 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이진 신호로 변조하는 단계는, 델타-시그마(delta-sigma) 변조 기법을 이용하여 상기 공간 가중치 함수를 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음장 지향성 제어 방법은, 상기 단일 채널 입력 신호에 대응하는 음장의 지향성을 제어하기 위해서 상기 공간 가중치 함수를 조절(adjust)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 음장 지향성 제어 장치는, 음향 픽셀 어레이와, 공간 가중치 함수를 변조하고, 변조된 공간 가중치 함수를 출력하는 컨트롤러와, 상기 음향 픽셀 어레이가 단일 채널 입력 신호를 출력하도록, 상기 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 상기 음향 픽셀 어레이에 포함된 적어도 하나의 픽셀의 신호 전송 경로를 제어하는 스위치 회로를 포함한다.
상기 적어도 하나의 픽셀은, 열 음향 변환기(thermo-acoustic transducer)로 구현될 수 있다.
상기 열 음향 변환기는, 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 스피커를 포함할 수 있다.
상기 스위치 회로는, 상기 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 상기 음향 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀과 연결된 스위치를 제어함으로써, 상기 적어도 하나의 픽셀을 온 또는 오프 하여 상기 신호 전송 경로를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 공간 가중치 함수를 이진 신호(binary signal)로 변조할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 델타-시그마(delta-sigma) 변조 기법을 이용하여 상기 공간 가중치 함수를 변조할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 단일 채널 입력 신호에 대응하는 음장의 지향성을 제어하기 위해서 상기 공간 가중치 함수를 조절(adjust)할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배열형 스피커의 지향성 제어 구조의 예를 나타낸다.
도 2는 배열형 스피커에서 각도와 거리에 따라 발생하는 음압을 설명하기 위한 예시이다.
도 3은 일 실시예에 따른 음장 지향성 제어 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 음장 지향성 제어 장치의 구조의 예시를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 픽셀 구현의 예를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 음향 픽셀 어레이의 구현의 예를 나타낸다.
도 7은 도 3에 도시된 음장 지향성 제어 장치의 제어 성능을 측정하기 위한 실험 구조의 예를 나타낸다.
도 8은 도 3에 도시된 음장 지향성 제어 장치의 성능을 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 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 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 배열형 스피커의 지향성 제어 구조의 예를 나타내고, 도 2는 배열형 스피커에서 각도와 거리에 따라 발생하는 음압을 설명하기 위한 예시이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배열형 스피커는 선형 배열 형태로 배열될 수 있다. 입력 음향 신호(s(t))는 배열형 스피커와 배열형 스피커 사이에 배치된 다중 채널 오디오(multi-channel audio) 장비를 통과할 수 있다.
다중 채널 오디오 장비는 배열형 스피커에 포함된 각각의 스피커들에 적용되는 가중치(w)와 위상(Φ)을 조절하여 공간 가중치 함수 q(xs)를 구성할 수 있다. xs의 위치에 있는 스피커에 인가되는 입력 신호는 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00001
이때, 원거리 음장에 대한 가정을 적용하는 경우, 배열형 스피커의 중심에서 거리 r, 각도 θ에 위치한 임의의 점에서 음압(P(r, θ))은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00002
수학식 2에서 우항 뒷부분의 적분은 공간 가중치 함수에 대한 공간 푸리에 변환과 동일할 수 있고, 푸리에 변환을 이용한 음압은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00003
여기서, H(θ)는 모든 각도에 대하여 배열형 스피커가 발생시키는 음압의 변화를 의미하는 지향성 인자로 정의할 수 있다. 지향성 인자를 디자인(또는 설계)함으로써, 배열형 스피커는 소리를 한 방향으로 집중시키거나, 한 방향으로 소리가 진행하는 것을 억제할 수 있다.
기존의 지향성 제어 방법은 배열형 스피커에 포함된 각 스피커에 인가되는 입력들이 독립적으로 제어되기 때문에, 다중 채널 오디오 장비가 필수적이라는 단점이 있을 수 있다.
일반적으로 다중 채널 오디오 장비는 전체 시스템의 부피와 가격을 증가시키고, 채널의 제한으로 인해 스피커의 총 개수를 결정하는데 제한이 될 수 있다.
이하에서는 단일 채널 입력만을 이용하여 음장의 지향성을 제어하는 방법에 대해서 설명하도록 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 음장 지향성 제어 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 음장 지향성 제어 장치(10)는 단일 채널 입력만을 이용하여 단일 채널 입력에 대응하는 음장의 지향성을 제어할 수 있다.
음장 지향성 제어 장치(10)는 아주 작은 스피커 유닛의 개별적인 극성(polarity) 제어를 통해 극성을 전환시킴으로써, 지정된 빔 패턴을 합성하는 단순화된 지향성 제어 방법을 제공할 수 있다.
음장 지향성 제어 장치(10)의 소형 스피커는 디스플레이 패널의 픽셀처럼 작동할 수 있다. 각 픽셀에 배정된 극성의 분포로 구성되는 이진 함수의 공간 푸리에 변환이 어레이 빔 패턴에 대응될 수 있다. 음장 지향성 제어 장치(10)는 공간 이진 패턴(spatial binary pattern)을 사용하는 복수의 픽셀의 조합을 통해 지정된 빔 패턴을 생성할 수 있다.
음장 지향성 제어 장치(10)는 공간 델타-시그마 변조 기술을 사용하여 연속 공간 여기 패턴(continuous space excitation pattern)을 이진 패턴(binary pattern)으로 변환할 수 있다.
음장 지향성 제어 장치(10)는 음향 픽셀의 온/오프 스위칭을 통해 빔패턴을 제어할 수 있다. 음장 지향성 제어 장치(10)는 다중 채널 시스템을 사용하지 않기 때문에, 복잡성(complexity)와 시스템 구축 비용(system construction cost)을 줄일 수 있다.
음장 지향성 제어 장치(10)는 컨트롤러(100), 음향 픽셀 어레이(acoustic pixel array, 200) 및 스위치 회로(300)를 포함한다.
컨트롤러(100)는 공간 가중치 함수를 변조하고, 변조된 공간 가중치 함수를 스위치 회로(300)로 출력할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(100)는 공간 가중치 함수를 이진 신호(binary signal)로 변조할 수 있다. 컨트롤러(100)는 델타-시그마 변조(Delta Sigma Modulation, DSM) 기법을 이용하여 공간 가중치 함수를 변조할 수 있다.
또한, 컨트롤러(100)는 음장의 지향성을 제어하기 위해서 공간 가중치 함수를 조절(adjust)할 수 있다.
음향 픽셀 어레이(200)는 스위치 회로(300)의 제어에 따라 단일 채널 입력 신호를 출력할 수 있다.
음향 픽셀 어레이(200)에 포함된 적어도 하나의 픽셀은 열 음향 변환기(thermo-acoustic transducer, TA transducer)로 구현될 수 있다. 열 음향 변환기는 탄소 나노 튜브(carbon nanotube) 스피커를 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀은 수직 배향 탄소 나노 튜브로 구현될 수 있다.
스위치 회로(300)는 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 음향 픽셀 어레이(200)에 포함된 적어도 하나의 픽셀의 신호 전송 경로를 제어할 수 있다.
스위치 회로(300)는 복수의 스위치들을 포함할 수 있다. 각 스위치는 음향픽 픽셀 어레이(200)에 포함된 각 픽셀에 접속할 수 있다.
각 스위치는 변조된 공간 가중치 함수, 예를 들어 이진 신호(예를 들어, 로직 1 또는 로직 0)에 응답하여 각 픽셀로의 신호 전송을 제어할 수 있다. 또한, 각 스위치는 대응하는 각 픽셀의 온/오프를 제어할 수 있다.
즉, 스위치 회로(300)는 음향 픽셀 어레이(200)와 단일 채널 입력 신호를 전송하기 위한 각 스위치의 신호 전송 경로를 접속시키거나 단락 시킴으로써, 음향 픽셀 어레이(200)에 포함된 픽셀들을 온 또는 오프 시킬 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 음장 지향성 제어 장치의 구조의 예시를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 음향 픽셀 어레이(200)는 수직 배향 탄소 나노 튜브 스피커로 구현될 수 있다. 단일 채널 입력(400)은 스위치 회로(300)를 거쳐 음향 픽셀 어레이(200)로 입력될 수 있다.
컨트롤러(100)는 각각의 픽셀에 대응하는 스피커를 키거나 끄는 것 만으로 음장의 지향성을 제어할 수 있다. 공간 상에서 스피커를 끄는 것은 공간 가중치 함수 q(xs)가 0이 되는 것을 의미할 수 있고, 스피커를 켜는 것은 q(xs)가 1이 되는 것을 의미할 수 있다.
컨트롤러(100)는 공간 가중치 함수 q(xs)를 0과 1로 이루어진 디지털 신호로 변조하여 스피커를 키거나 끄는 것으로 음장의 지향성을 제어할 수 있다.
컨트롤러(100)가 q(xs)를 변조하는 방법은 DSM 기법일 수 있다. DSM 기법은 공간 DSM(spatial DSM) 기법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(100)는 공간 DSM을 통해 공간 가중치 함수를 변조할 수 있다. DSM은 디지털화에 의한 양자화 오차를 효과적으로 제거할 수 있으나, 공간 상의 오버 샘플링을 필요로 할 수 있다.
DSM은 대역 제한된(band-limited) 아날로그 신호를 1 비트 양자화(quantization)를 통해 이진 신호로 변환할 수 있다. 1 비트 양자화 과정 중에 발생하는 양자화 잡음(quantization noise)은 오버 샘플링 및 노이즈 쉐이핑(noise shaping)을 통해 억제될 수 있다.
일반적으로 DSM은 시간 영역 신호를 처리하지만 공간 DSM 구조는 공간 상에서 원하는 빔 패턴을 합성할 수 있는 공간 이진 패턴을 생성할 수 있다.
연속 라인 어레이(continuous line array)가 x축을 따라서 배열되고, 연속 여기 함수(continuous excitation function) q(x)에 의해서 구동된다고 가정하면, q(x)의 파수(wave number) 스펙트럼 Q(kx)는 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00004
여기서, 빔 패턴 H(θ) 및 파수(wave number) kx는 각각 수학식 5 및 수학식 6과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00005
Figure 112017096281626-pat00006
여기서, v는 소리의 속도를 의미하고, θ는 측면 방향(broadside direction) 각도를 의미할 수 있다.
빔패턴은
Figure 112017096281626-pat00007
의 제한된 범위에서 파수 스펙트럼의 일부에 의해 생성되기 때문에q(x)는 파수 영역(wave number domain)에서 대역제한이 있다고 가정할 수 있다.
연속 함수는
Figure 112017096281626-pat00008
과 같이 공간적으로 샘플링될 수 있고, 어레이 요소의 이산 배열(discrete arrangment)은 q[n]에 의해 구동될 수 있다. 공간 DSM은 여기 함수 q[n]을 이진 신호로 변환하여, 이진 신호가 원하는 빔 패턴을 생성할 수 있도록 할 수 있다.
오버 샘플링을 위해서는 음향 픽셀 어레이의 픽셀 간격이 매우 작아져야 할 필요가 있고, 이에 따라 사용되는 스피커의 크기가 작아져야 할 수 있다.
일반적으로 사용되는 다이나믹 스피커의 경우, 면적이 감소할수록 방사 효율이 떨어질 수 있기 때문에, 면적과 음압이 독립적으로 결정되는 탄소 나노 튜브 스피커가 사용될 수 있다.
탄소 나노 튜브 스피커는 스피커의 크기가 음압에 미치는 영향이 적고, 낮은 면적당 열용량을 가지고 높은 효율을 가질 수 있다.
열 음향 라우드스피커는(thermo-acoustic loudspeaker)는 주변 매질(surrounding medium) 과의 열 교환(heat exchange)을 통해 소리를 생성할 수 있다. 교류 신호가 도체에 인가될 때, 열 파동이 매질을 둘러싼 얇은 공기층을 통해 전파될 수 있다. 열 파동의 순 효과(net effect)는 매질의 팽창과 수축을 일으키며 체적 속도(volume velocity)의 변화를 소리로 변환(convert)시킬 수 있습니다.
100kHz 주파수에서 RMS(root mean square) 음압 prms는 입력 전력 Win, 거리 r, 주파수 f에 대하여 수학식 7과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00009
여기서, T0는 상온을 의미하고, cp는 대기 가스(ambient gas)의 단위 질량당 열 용량을 의미할 수 있다.
수학식 7의 모델은 체적 속도와 결과 압력(resultant pressure)가 방사 면적이 아닌 입력 전력에 의존함을 의미할 수 있다. 이는, 열 음향 변환기의 열 집중도가 높지 않으면 공간 오버샘플링을 수행하는 소형 변환기가 소리를 생성할 수 있어 공간 DSM을 구현하는데 큰 장점이 될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 픽셀 구현의 예를 나타내고, 도 6은 일 실시예에 따른 음향 픽셀 어레이의 구현의 예를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 음향 픽셀 어레이는 열 음향 변환기(TA trasnsducer)의 고역 투과 특성을 고려하여, 5~8KHz의 고주파 영역을 커버할 수 있도록 디자인될 수 있다. 파장 λ를 가지고, 균일하게 인가되는 사운드 빔은 수학식 8과 같은 반전력 빔 폭(half power beamwidth, θhpbw)을 가질 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00010
여기서 L은 개구 길이(aperture length)를 의미할 수 있다.
최대 θhpbw의 값은 L=174mm가 되도록, 20°로 설정될 수 있다. 공간 엘리어싱(spatial aliasing)을 피하기 위하여 DSM을 적용하기 전 픽셀간 간격은 최대 구동 주파수에서 수학식 9의 조건을 만족시킬 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00011
여기서, Δx는 픽셀간 간격을 의미할 수 있고, θbeam은 측면 방향(broadside direction)에서 측정한 조향각(streering angle)을 의미할 수 있다.
엔드 파이어 빔 패턴(end fire beampattern)의 경우에 Δx는 8KHz에서 파장의 절반보다 작아야 하므로, 픽셀간의 간격은 Δx=20.3 mm 로 결정될 수 있다. 이러한 간격을 가지는 경우, 어레이 개구(array aperture)를 샘플링하기 위하여, 8 개의 어레이 소자들이 요구될 수 있다.
OSR(OverSampling Ratio)이 8.5인 경우에, 오버 샘플링된 픽셀 간격(Δxos)은 수학식 10에 따라 2.54mm가 될 수 있다.
Figure 112017096281626-pat00012
도 6의 예시와 같이 음향 픽셀 어레이의 픽셀의 수는 68일 수 있다. 단일 카본 나노 튜브 픽셀은 2.54 mm 피치(pitch)를 가진 2핀 점퍼 헤더로 구현된 수직 배향 카본 나노 튜브일 수 있다. 단일 픽셀의 크기는 2.54 mm × 3.00 mm 일 수 있다.
68 개의 픽셀들은 멀티 핀 소켓(multi-pin socket)에 배열될 수 있다. 각각의 픽셀은 스위치에 연결되어 온 또는 오프될 수 있다.
각각의 픽셀은 제조상의 차이로 인하여 동일하지 않을 수 있다. 모든 픽셀들은 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 음장 지향성 제어 장치의 제어 성능을 측정하기 위한 실험 구조의 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 음장의 지향성 제어 성능은 무반향실(anechoic chamber)에서 측정될 수 있다. 관심 주파수 영역(frequency range of interest)을 포함하는 모든 주파수 영역에서의 지향성을 측정하기 위해서 음향 분석기(acoustic analyser)와 동기화된(synchronized) 자동 정밀 턴테이블(automatic precision turntable)을 이용하여 매 2도의 각도마다 주파수 응답 특성이 측정될 수 있다.
픽셀을 구동하기 위해 증폭기에 의해 증폭된 대수 처프 신호(logarithm chirp signal)이 사용될 수 있다. 음향 픽셀 어레이(200)와 마이크로폰 간의 거리는 주어진 픽셀 크기에 레일리 거리(Rayleigh distance)를 고려하여 0.5m로 설정할 수 있다.
TA 변환기의 비선형적 특성을 고려하면, 대수 처프 측정에서 오직 2차 고조파 신호(second harmonic signal)만이 입력 신호와 연관될 수 있다. 따라서, 임펄스 응답(impulse response)에 시간 윈도우(temporal window)를 적용하여 2차 고조파 성분이 추출되어 검사될 수 있다.
TA 변환기의 단위 면적당 최대 허용 입력 전력(maximum allowable input power per unit area)을 고려하여 각각의 픽셀에 입력되는 입력 전력이 제어될 수 있다.
도 8은 도 3에 도시된 음장 지향성 제어 장치의 성능을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 음장 지향성 제어 장치(10)는 5000Hz 및 8440Hz 주파수에서 오차 범위 내로 음장의 지향성을 제공함을 확인할 수 있다. 음장 지향성 제어 장치(10)는 기존의 다중 채널 오디오를 사용하지 않고 효과적으로 지향성을 제어할 수 있어, 경제적이고 간소화된, 사용자 친화적인 사용환경을 제공할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 공간 가중치 함수를 변조하는 단계; 및
    변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 음향 픽셀 어레이에 포함된 적어도 하나의 픽셀의 신호 전송 경로를 제어함으로써, 단일 채널 입력 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 음장 지향성 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 픽셀은,
    열 음향 변환기(thermo-acoustic transducer)로 구현되는
    음장 지향성 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열 음향 변환기는,
    탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 스피커
    를 포함하는 음장 지향성 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력하는 단계는,
    상기 공간 가중치 함수에 응답하여 상기 음향 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀과 연결된 스위치를 제어함으로써, 상기 적어도 하나의 픽셀을 온 또는 오프 하여 상기 신호 전송 경로를 제어하는 단계
    를 포함하는 음장 지향성 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변조하는 단계는,
    상기 공간 가중치 함수를 이진 신호(binary signal)로 변조하는 단계
    를 포함하는 음장 지향성 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이진 신호로 변조하는 단계는,
    델타-시그마(delta-sigma) 변조 기법을 이용하여 상기 공간 가중치 함수를 변조하는 단계
    를 포함하는 음장 지향성 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단일 채널 입력 신호에 대응하는 음장의 지향성을 제어하기 위해서 상기 공간 가중치 함수를 조절(adjust)하는 단계
    를 더 포함하는 음장 지향성 제어 방법.
  8. 음향 픽셀 어레이;
    공간 가중치 함수를 변조하고, 변조된 공간 가중치 함수를 출력하는 컨트롤러; 및
    상기 음향 픽셀 어레이가 단일 채널 입력 신호를 출력하도록, 상기 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 상기 음향 픽셀 어레이에 포함된 적어도 하나의 픽셀의 신호 전송 경로를 제어하는 스위치 회로
    를 포함하는 음장 지향성 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 픽셀은,
    열 음향 변환기(thermo-acoustic transducer)로 구현되는
    음장 지향성 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열 음향 변환기는,
    탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 스피커
    를 포함하는 음장 지향성 제어 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 회로는,
    상기 변조된 공간 가중치 함수에 응답하여 상기 음향 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀과 연결된 스위치를 제어함으로써, 상기 적어도 하나의 픽셀을 온 또는 오프 하여 상기 신호 전송 경로를 제어하는
    음장 지향성 제어 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 공간 가중치 함수를 이진 신호(binary signal)로 변조하는
    음장 지향성 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    델타-시그마(delta-sigma) 변조 기법을 이용하여 상기 공간 가중치 함수를 변조하는
    음장 지향성 제어 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 단일 채널 입력 신호에 대응하는 음장의 지향성을 제어하기 위해서 상기 공간 가중치 함수를 조절(adjust)하는
    음장 지향성 제어 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006319535A (ja) * 2005-05-11 2006-11-24 Yamaha Corp 音響再生装置
KR20080097399A (ko) * 2006-07-18 2008-11-05 지에스 아이피 리미티드 라이어빌러티 컴퍼니 디바운싱 회로
KR20090127061A (ko) * 2008-06-04 2009-12-09 칭화 유니버시티 음향발생장치와, 이 음향발생장치를 이용한 음향전송시스템, 전자기파신호 검출방법 및, 검출장치
KR20120055179A (ko) * 2010-11-23 2012-05-31 한국전자통신연구원 디스플레이 장치와 결합된 투명 음향 픽셀 트랜스듀서 및 그 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006319535A (ja) * 2005-05-11 2006-11-24 Yamaha Corp 音響再生装置
KR20080097399A (ko) * 2006-07-18 2008-11-05 지에스 아이피 리미티드 라이어빌러티 컴퍼니 디바운싱 회로
KR20090127061A (ko) * 2008-06-04 2009-12-09 칭화 유니버시티 음향발생장치와, 이 음향발생장치를 이용한 음향전송시스템, 전자기파신호 검출방법 및, 검출장치
KR20120055179A (ko) * 2010-11-23 2012-05-31 한국전자통신연구원 디스플레이 장치와 결합된 투명 음향 픽셀 트랜스듀서 및 그 제조 방법

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