KR101911638B1 - 광음향 기반 음향 전달 시스템 - Google Patents

Abstract

광음향 기반 음향 전달 시스템이 개시된다. 광음향 기반 음향 전달 시스템은 전기적 신호로 생성하는 신호 발생부; 상기 전기적 신호를 전달하고자 하는 음의 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 상기 전달하고자 하는 음의 전기적 신호와 반송 주파수를 중첩시켜 변조 신호를 생성하는 신호 변조부; 상기 변조 신호를 증폭시키는 신호 증폭부; 및 증폭된 상기 변조 신호의 입력에 따라 빛을 발산하는 광원부를 포함한다.

Description

광음향 기반 음향 전달 시스템{Photoacoustic sound delivery system}

본 발명은 광음향 기반 음향 전달 시스템에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 빛을 이용하여 음향을 전달하는 광음향 기반 음향 전달 시스템에 관한 것이다.

개인화된 스피커를 이용해서, 웅장한 소리를 남들에게 들리지 않고, 본인만 듣고 싶다는 수요가 많아지고 있지만, 기술적 문제가 있어 이를 위한 궁극적인 해결 방안이 제시되지 않고 있다. 또한 현대 생활에서 소음이 증가하고, 이에 대한 문제 또한 많아지고 있는데, 개인화된 스피커의 경우 전반적인 소음의 양이 감소될 수 있다.

개인화된 스피커가 개발 될 경우, 박물관, 미술관, 공연장과 같은 전시 공간에서의 활용뿐만 아니라, 역사와 같은 공공장소 등에서의 소음 감소를 위해, 그리고 궁극적으로는 개인 휴대 전자기기에서의 활용 등 다양한 용도를 기대할 수 있다.

공기 중에서 지향성 음향을 전달하는 방법으로 다음과 같은 세 가지 방법이 있다.

돔형식 지향성 스피커는 포물면 반사판을 사용해서 소리를 특정 부분에 집중시킨다. 그러나 반사판의 크기가 크고, 높은 천장 공간이 필요하며, 소리가 들리는 위치가 고정되는 단점 때문에 그 사용이 극히 제한된다. 또한 소리를 들을 수 있는 지점이 포물면의 기하학적 초점면에 고정되므로, 이동하는 청취자를 위해서는 기계적으로 스피커를 이동시켜야 하는 한계가 있다.

위상 배열 스피커 (Phased Array Spekaer)는 돔형식의 지향성 스피커의 단점이 고정된 초점위치라는 점을 극복하기 위해서 여러 스피커를 배열로 만든 후, 위상차가 있는 가진 신호를 적용해서, 전기적으로 초점면을 제어한다. 그러나 충분한 지향성을 갖추기 위해서 배열의 크기가 음파의 파장의 수 배가 되어야 하며, “도 (Middle C, 260 Hz)”음을 기준으로 최소 6.5m (5λ)이상의 크기를 가져야 하는 하므로, 개인화된 스피커 수단과는 거리가 멀다.

초음파 파라메트릭 스피커는 강한 지향성으로 초음파를 발신한 후, 음파의 비선형성을 통해서 가청주파수를 발신하는 방식이다. 이미 1980년대에 공기 중 파라메트릭 스피커가 개발된 이후, 최근까지 Holosonic사 및 LRAD사 등에서 소형 파라메트릭 스피커를 제조, 판매 하고 있다. 주로 정보 전달이나 경보용으로 사용된다. 초음파 파라메트릭 스피커는 지향성을 바꾸기 위해서 기계적인 구동을 해야 하며, 초음파의 비선형성을 일으키기 위해 큰 전력이 요구된다. 그리고 저주파 신호의 발생이 매우 어려우며, 발생된 저주파의 경우도 음의 왜곡이 발생한다. F. Pompei (Ph.D Thesis, MIT, 2002)의 연구에 따르면, 40kHz의 주파수 및 50%의 비대역폭을 가지는 트렌스듀서를 통해서 1kHz를 방출할 경우 약 15%의 THD (Third Harmonic Distortion)이 발생한다.

한편, 음향신호의 인식은 달팽이관(Cochlear) 내의 유모세포가 진동해서 발생하는 전기 신호로 이루어지며, 달팽이관내의 림프액의 진동은 두 가지 경로로 이루어진다(H. Sohmer, Hearing Research, 146, 2000). 1차 경로는 고막과 귓속뼈를 통한 전달이며 (Air Conduction), 2차 경로는 두개골을 통해서 달팽이관 내의 림프액으로 소리가 전달되는 경로이다. 이러한 2차 경로를 골전도(Bone Conduction)방식이라고 하는데, 골전도 방식은 2000년대에는 Jawbone 회사 등이 상용 이어폰으로 개발하고, 이후 Google Glass등에도 사용하고 있다.

상술한 음향을 전달하는 방법은 개인화된 음향 전달 수단으로 한계가 있다. 구체적으로, 돔 형식의 지향성 스피커는 고정된 초점을 가지고 있으므로, 사람의 위치가 이동할 경우 추적이 불가능하다. 위상배열 스피커는 지향성을 갖추기 위해 스피커 배열의 크기가 수 미터 급으로 구성되어야 한다. 파라메트릭 스피커는 초음파를 통한 가청 주파수를 생성하기 때문에 생성된 음향 신호의 왜곡이 심하고, 저주파의 구현에 어려움이 있다. 그리고 골전도 이어폰은 추가적인 하드웨어를 인체에 부착하여야 하므로, 관련 장치를 가지고 있는 사용자만이 이용할 수 있다.

본 발명은 개인화된 음향을 전달할 수 있는 광음향 기반 음향 전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 지향성이 향상된 광음향 기반 음향 전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 대상의 움직임을 추적하며 개인화된 음향을 음향을 전달할 수 있는 광음향 기반 음향 전달 시스템을 제공한다.

또한, 음향을 전달받는 대상이 추가적인 하드웨어를 가지지 않더라도 음향을 전달할 수 있는 광음향 기반 음향 전달 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 광음향 기반 음향 전달 시스템은 전기적 신호로 생성하는 신호 발생부; 상기 전기적 신호를 전달하고자 하는 음의 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 상기 전달하고자 하는 음의 전기적 신호와 반송 주파수를 중첩시켜 변조 신호를 생성하는 신호 변조부; 상기 변조 신호를 증폭시키는 신호 증폭부; 및 증폭된 상기 변조 신호의 입력에 따라 빛을 발산하는 광원부를 포함한다.

또한, 상기 광원부에서는 발산되는 빛은 시간에 따라 밝기가 변화할 수 있다.

또한, 상기 광원부에서 발산되는 빛의 방향을 조절하는 방향 조절부를 포함할 수 있다.

또한, 물체의 움직임을 감지하는 센서부를 더 포함하되, 상기 방향 조절부는 상기 센서부에서 전달된 상기 물체의 움직임을 따라 상기 광원부에서 발산되는 빛의 방향을 조절할 수 있다.

또한, 상기 광원부에서 발산되는 빛은 점 또는 면의 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 빛은 물체에 수신되어 상기 변조 신호에 따른 진동을 발생시키며, 상기 진동의 발생으로 상기 전달하고자 하는 음이 발생될 수 있다.

또한, 상기 신호 변조부는 상기 변조 신호를 펄스 신호로 생성하고, 상기 펄스 신호 발생 주기에 따라 상기 광원부에서 발산되는 빛의 방향을 변경하는 방향 조절부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전달하고자 하는 음을 빛의 신호로 전달하며, 전달된 빛의 신호에 따라 물체를 진동시켜 고주파의 소리 및 음향 신호를 발생시키므로, 추가적인 하드웨어를 가지지 않더라도 개인화된 음향을 전달할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 빛을 이용하여 음향을 전달하므로, 지향성이 비약적으로 증가될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 대상의 움직임을 따라 빛의 발산 방향이 변경되므로, 움직이는 대상에 개인화된 음향을 지속적으로 전달할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광음향 기반 음향 전달 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 신호 변조부에서 변조 신호가 생성되는 과정을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

본 발명에 따른 광음향 기반 음향 전달 시스템은 전달하고자 하는 음을 빛을 이용하여 전달하며, 전달된 빛은 주파수에 따라 물체를 진동시켜 고주파의 소리 및 음향 신호를 발생시킨다. 여기서 물체는 빛의 신호에 의해 진동이 발생할 수 있는 모든 대상을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 광음향 기반 음향 전달 시스템이 인체의 머리에 빛을 조사하여 두개골을 통해 음향 신호를 전달하는 것을 예를 들어 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광음향 기반 음향 전달 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 광음향 기반 음향 전달 시스템(100)은 신호 발생부(110), 신호 변환부(120), 신호 변조부(130), 신호 증폭부(140), 광원부(150), 센서부(160), 그리고 방향 조절부(170)를 포함한다.

신호 발생부(110)는 전기적 신호를 생성한다. 상기 전기적 신호는 가청주파수 영역으로, 40Hz~20kHz 내의 저주파 신호이다. 상기 전기적 신호는 디지털 신호 또는 아날로그 신호일 수 있다.

신호 변환부(120)는 신호 발생부(110)에서 생성된 전기적 신호가 수신되며, 수신된 전기적 신호를 전달하고자 하는 음의 전기적 신호로 변환한다. 빛이 두개골에 조사되면, 빛의 주파수에 따라 특정한 형태의 소리가 발생되는데, 여기서 발생되는 소리가 상기 전달하고자 하는 음에 해당한다. 두개골에서 발생되는 소리는 두개골에 입력되는 빛의 함수와 전달 함수(Transfer Function)를 통해 계산 가능하다. 그리고 전달 함수를 알면, 전달함수의 역함수(Inverse Function) 계산이 가능하고, 상기 전달함수의 역함수에 전달하고자 하는 음을 입력하면 음의 발생에 요구되는 빛의 함수를 계산할 수 있다. 신호 변환부(120)는 전달하고자 하는 음의 신호를 만들기 위해 신호 발생부(110)에서 전달된 전기적 신호를 어떠한 전기적 신호로 변환해야 하는지 연산한다.

신호 변조부(modulation, 130)는 신호 변환부(120)에서 전달된 음의 전기적 신호와 반송 주파수 발생부(carrier frequency generator)에서 발생된 반송 주파수(carrier frequency)를 중첩시켜 변조 신호를 생성한다. 상기 반송 주파수는 사인파(sine wave)이며, 100kHz 내지 수 MHz의 주파수를 가질 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 신호 변조부에서 변조 신호가 생성되는 과정을 나타내는 그래프이다.

도 2를 참조하면, (1)과 같이 저주파의 사인파가 입력되면 신호 변조부(130)는 반송 주파수 신호의 주파수는 변화시키지 않고 반송 주파수의 진폭만을 변화시킬 수 있다.

이와 달리 (2)와 같이, 신호 변조부(130)는 반송 주파수의 진폭은 변화시키지 않고 반송 주파수 신호의 주파수를 입력되는 입력되는 사인파에 비례하여 변화시킬 수 있다.

또한, (3)과 같이 신호 변조부(130)는 입력 신호를 펄스 신호로 출력할 수 있으며, 펄스 신호 생성 속도를 조절할 수 있다.

신호 변조부(130)는 상술한 변조 신호 생성 과정을 회로로 구현할 수 있으며(아날로그 방식), 또한 전기적인 연산으로 구현 가능하다(디지털 방식).

다시 도 1을 참조하면, 신호 증폭부(150)는 신호 변조부(130)에서 전달된 변조 신호를 증폭시킨다. 신호 변조부(130)에서 아날로그 방식으로 변조 신호가 생성될 경우, 신호 증폭부(150)는 변조 신호의 전기적 출력을 높인다. 이와 달리, 디지털 방식으로 변조 신호가 생성될 경우, 신호 증폭부(130)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 변환된 아날로그 신호의 출력을 높인다.

광원부(160)는 신호 증폭부(150)에서 전달된 증폭된 변조 신호에 따라 빛을 발산한다. 증폭된 변조 신호는 시간에 따라 주파수 또는 진폭이 변화되는 신호이므로, 이에 비례하여 빛의 발산 주기와 빛의 세기가 시간에 따라 변화한다. 광원부(160)는 엘이디, 레이저, 텅스텐 등 다양한 광원이 사용될 수 있으며, 가시광선 또는 적외선 등 다양한 파장의 빛을 발산할 수 있다. 빛은 점의 형태(light 1) 또는 면의 형태(light 2, light 3)로 발산될 수 있다. 광원부(160)에서 발산된 빛은 신체의 머리에 조사된다. 빛은 머리의 피부에 직접 조사될 수 있다. 이와 달리, 빛은 모발에 조사될 수 있다. 모발은 머리에서 넓은 영역에 걸쳐 제공되므로, 면 형태의 빛이 조사될 수 있다.

센서부(170)는 음을 전달하고자 하는 대상의 움직임을 감지한다. 센서부(170)는 영상분석, 열화상 분석, 음파 분석, 광학 분석 등 다양한 방법으로 대상의 움직임을 감지할 수 있다.

방향 조절부(180)는 센서부(170)에서 감지된 대상의 움직임을 따라 광원부(160)에서 발산되는 빛의 방향을 조절한다. 이에 따라, 광원부(160)에서 발산되는 빛은 대상의 움직임을 추적하면서 지속적으로 빛을 전달할 수 있다.

또한, 방향 조절부(180)는 광원부(160)에서의 빛의 발산 주기와 동기화되어 빛의 방향을 조절할 수 있다. 실시 예에 의하면, 신호 변조부(130)에서 펄스 신호가 출력되는 경우, 펄스 신호의 발생 주기에 따라 광원부(160)에서 빛이 발산한다. 이러한 빛의 발산 주기에 맞춰 방향 조절부(180)는 빛의 방향을 조절할 수 있다.

빛이 신체의 머리에 조사되면, 빛의 신호에 따라 두개골이 진동하며, 두개골의 진동으로 발생된 음향신호가 골전도를 통해 달팽이관에 전달된다. 이에 의해 사람은 음향 인식이 가능하다.

상술한 실시 예에서는 인체에 빛을 조사하여 광음향을 전달하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 빛의 조사 대상은 다양하게 변경될 수 있다. 일 예에 의하면, 차량이나 배의 판재에 빛을 조사하여 광음향을 전달할 수 있다.

이와 같이, 빛의 형태로 소리 신호를 전달하는 방법은 음파로 소리 신호를 전달하는 방법에 비해 아래와 같은 장점을 기대할 수 있다.

첫째, 다기능 음향 공간 구현이 가능하다. 빛의 지향 특성을 고려하여 광 펄스 발생 장치를 각각의 청중에게 집중시키는 방법을 통해서, 불필요한 음의 발생을 감소시킬 수 있다. 그리고 광 펄스의 펄스 주기와 빛의 조향 시스템의 조향 속도를 동기화시키면, 하나의 광 펄스 발생장치로도, 수명의 청중에게 독립적인 음의 전달이 가능하다. 이를 통해서, 하나의 공간 내에 다양한 음을 전달하는 다기능 음향 공간의 구축이 가능해진다.

또한, 공연장, 종교시설, 강당 등 음향 보강 장치(sound reinforcement system)를 사용하는 실내 공간에서는 음성과 음악 전달에 있어서 명료도가 중요하다. 따라서 잔향이 많은 실내에서 명료도를 높이기 위해서는 광 음향 기반으로 소리를 전달할 수 있다.

둘째, 광고 및 안내 방송에 활용가능하다. 영화관이나 일반 광고물 등의 음향신호 발생영역을 지나가는 행인들에게 광의 조사 및 조향을 수행할 수 있다. 이를 통해서 개개인 별로 맞춤으로 준비된 특수한 광고를 내보내는 등 다기능 광고 기능을 구현할 수 있다.

또한, 대중교통(버스, 지하철 등)이나 터널에 있는 스피커는 기타 외부 소음이나 울림현상이 심하기 때문에 음파가 명확하게 전달이 되기 어려움이 있다. 이러한 환경에서 광 신호는 다수인에게 맞추어 집중적으로 소리를 전달할 수 있으므로, 안내방송 또는 대피방송 등에 유용하게 사용될 수 있다.

셋째, 장거리 음향 전달이 가능하다. 전파를 이용한 통신이 제한되는 경우, 빛에 의한 장거리 음향 전달이 가능하다. 빛을 대상물의 표면 (벽면, 판재)등에 직접 조사하여, 장거리 지점에 소리 신호를 발생시킬 수 있다. 이 경우, 전파 방해가 있는 환경, 또는 전파 수신이 되지 않는 위급한 상황에서 비상 연락 방법으로 이용될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100: 광음향 기반 음향 전달 시스템
110: 신호 발생부
120: 신호 변환부
130: 신호 변조부
140: 신호 증폭부
150: 광원부
160: 센서부
170: 방향 조절부

Claims (7)

100kHz 내지 수 MHz의 주파수를 갖는 사인파형의 반송 주파수 신호를 발생시키는 반송 주파수 발생부;
가청주파수 영역인 40Hz 내지 20kHz의 주파수를 갖는 전기적 신호와 상기 반송 주파수 신호를 수신하고, 상기 전기적 신호와 상기 반송 주파수 신호를 중첩시켜 변조 신호를 생성하는 신호 변조부;
상기 변조 신호를 증폭시키는 신호 증폭부;
증폭된 상기 변조 신호가 수신되고, 증폭된 상기 변조 신호의 주파수 또는 진폭 변화에 따라 발산 주기와 세기가 변화되는 빛을 발산하는 광원부;
물체의 움직임을 감지하는 센서부; 및
상기 센서부에서 감지된 상기 물체의 움직임을 따라 상기 광원부에서 발산되는 빛이 상기 물체에 직접 조사되도록 빛의 방향을 조절하는 방향 조절부를 포함하는 광음향 기반 음향 전달 시스템.

제 1 항에 있어서,
상기 광원부에서는 발산되는 빛은 시간에 따라 밝기가 변화하는 광음향 기반 음향 전달 시스템.

제 1 항에 있어서,
상기 신호 변조부는 상기 반송 주파수 신호의 진폭과 주파수 중 어느 하나를 변조하는 다른 하나는 변조하지 않는 광음향 기반 음향 전달 시스템.

삭제

제 1 항에 있어서,
상기 광원부에서 발산되는 빛은 점 또는 면의 형태를 갖는 광음향 기반 음향 전달 시스템.

제 1 항에 있어서,
상기 빛은 상기 물체에 수신되어 상기 변조 신호에 따른 진동을 발생시키며, 상기 진동의 발생으로 전달하고자 하는 음이 생성되는 광음향 기반 음향 전달 시스템.

제 1 항에 있어서,
상기 신호 변조부는 상기 변조 신호를 펄스 신호로 생성하고,
상기 방향 조절부는 상기 펄스 신호 발생 주기에 따라 빛의 방향을 변경하는 광음향 기반 음향 전달 시스템.

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