KR101948570B1 - 반사계수를 탑재한 일체형 구조의 능동 반향음 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

반사계수를 탑재한 일체형 구조의 능동 반향음 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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엄원석
박영철
노응휘
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 적응 필터 알고리즘을 적용한 능동 반향음 제어 방법 및 이러한 기법이 적용된 일체형 제어 장치에 관한 것으로, 타일 기질와 상기 타일 기질의 외면에 부착되며, 음향 신호를 센싱하도록 형성된 센싱부와 상기 타일 기질의 내면에 배치되며, 상기 음향 신호 중 반사파 신호를 상쇄하는 제어음 신호를 출력하도록 형성된 출력부; 및 상기 제어음 신호가 출력부에서 발생되도록 적응 필터 알고리즘에 기반하여, 제어 신호를 생성하고, 상기 생성된 제어 신호를 상기 출력부에 전송하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 음향 신호의 반사 계수 및 제어 경로를 사전에 계산한 후, 상기 계산된 반사 계수 및 제어 경로를 적응 필터 알고리즘에 적용하여, 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

반사계수를 탑재한 일체형 구조의 능동 반향음 제어 장치 및 그 방법{ALL-IN-ONE DEVICE EQUIPPED WITH REFLECTION COEFFICIENTS AND ITS METHOD FOR ACTIVE ECHO REDUCTION}
본 발명은 적응 필터 알고리즘을 적용한 능동 반향음 제어 방법 및 이러한 기법이 적용된 일체형 제어 장치에 관한 것이다.
수중 혹은 해양 환경에서 물체의 음향 반사 효과를 감소시키기 위하여, 초기에는 반사면에 수동 무반향 타일을 부착하는 방법이 사용되어 왔다. 수동 무반향 타일은 해수와 음향 임피던스가 유사한 재질로 구성되어 음향 반사를 최소화하며, 타일 기질(matrix) 내 미세 기공이나 금속성 분말을 이용해 투과된 음파를 흡수시킨다. 수동 무반향 타일의 흡음 성능은 파장 대비 두께에 비례하며, 실질적 효과를 위해서는 최소한 한 파장 이상의 두께가 요구된다. 한편, 수 kHz 이하의 저주파 영역에서 필요한 수동 무반향 타일의 두께는 수십 cm에 육박하여 잠수함에 부착 시, 그 두께가 너무 비대하기 때문에, 활용에 어려움이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 저주파 영역에서는 주로 능동 반향음 제어 방식을 택하고 있다. 능동 반향음 제어 방식은 추가적인 제어음을 통해 반향음을 감소시키는 방식으로, 특정 지점에서의 상쇄 간섭을 유발하는 전통적인 능동 소음 제어 기법과는 달리, 액츄에이터 표면에서의 임피던스를 능동적으로 변화시키는 능동 임피던스 정합(Active Impedance Matching) 기법을 사용한다. 이 경우, 센서에서 감지되는 신호로부터 제어 신호를 만들고, 제어음이 반사파의 반대 위상이 되도록 액츄에이터를 작동시키면, 반사면에서의 임피던스는 해수의 임피던스와 같아지면서 반사가 일어나지 않게 된다.
이러한 능동 반향음 제어 기법을 실제 적용하기 위해서는, 몇 가지 조건이 필요하다. 우선, 구조 안정성을 위하여 제어 장치는 센서와 액츄에이터를 함께 포함하는 일체형 타일의 구조가 되어야 하고, 부착의 용이성 혹은 부착 시 부력의 영향을 고려하여 타일의 두께는 최대 10 cm 이내가 되어야 하며, 해양 환경 및 운용 조건에 따른 수온 및 수압 등의 변화에도 일정한 제어 성능을 유지해야 한다.
한편, 종래의 능동 반향음 제어 기술에서는 센서에 감지되는 입사파와 반사파 및 제어음을 구분하기 위하여 두 개의 인접한 센서 사이의 시간 지연을 보상하여 특정 방향성을 갖는 신호를 추출하는 빔포밍 기법을 적용하였다. 하지만 두 개의 센서를 사용할 경우 제어 장치의 두께가 두꺼워지므로 일체형 타일로 구성하는데 문제가 있다.
이후 단일 음향 센서와 액츄에이터를 적층 및 몰딩한 일체형 구조의 능동흡음재와 피드백 제어를 적용한 반향음 제어 기술이 제시되었다. 하지만 피드백 제어 알고리즘에서는 사전에 설계된 전달함수를 갖는 제어기를 이용하기 때문에, 수온 및 수압 등의 환경 변화에 따른 제어 성능을 보장할 수 없다는 문제가 있다.
한편, 단일 센서에 대해 filtered-x LMS 기반의 적응 알고리즘을 적용하여 운용 조건의 변화에 대처할 수 있는 능동 반향음 제어 시스템이 제시되었다. 그러나 이 또한 사전에 궤환 경로를 추정함에 있어서, 외부 스피커로 백색 잡음을 출력하여 센서에 감지되는 신호를 이용하는데, 이때 직접 경로와 궤환 경로가 임펄스와 유사한 특성을 가져, 시간의 중첩이 발생하지 않는다는 가정이 요구된다. 이는 센서의 위치가 반사가 일어나는 구조물들과 분리되어 있어야 함을 의미하며, 주파수에 따라 달라지는 반사 특성 및 타일 기질의 분산(dispersion) 효과 등을 고려하면 중첩을 피하기 위해서 센서의 위치가 타일 및 구조물들부터 더욱 멀어져야 하기 때문에 일체형 구조를 구현할 수 없다는 문제가 발생하였다.
본 발명의 일 목적은 주위 환경 변화에 대응할 수 있는 능동 반향음 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 센서 및 액츄에이터가 하나의 기질에 포함된 일체형 구조를 갖는 능동 반향음 제어 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 타일 기질과 상기 타일 기질의 외면에 부착되며, 음향 신호를 센싱하도록 형성된 센싱부와 상기 타일 기질의 내면에 배치되며, 상기 음향 신호를 상쇄하는 제어음 신호를 출력하도록 형성된 출력부 및 상기 음향 신호를 상쇄하는 제어음 신호가 출력부에서 발생되도록 적응 필터 알고리즘에 기반하여, 제어 신호를 생성하고, 상기 생성된 제어 신호를 상기 출력부에 전송하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 음향 신호의 반사 계수 및 제어 경로를 사전에 계산한 후, 상기 계산된 반사 계수 및 제어 경로를 적응 필터 알고리즘에 적용하여, 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 음향 신호를 센싱하기 전, 기 설정된 펄스 혹은 주파수 sweep 신호를 이용하여, 반사 계수 및 제어 경로를 계산하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 외부에 위치한 두 개의 하이드로폰을 이용하여 상기 기 설정된 펄스 혹은 주파수 sweep 신호와 관련된 제1음파 신호 및 제2음파 신호를 감지하고, 상기 감지된 제1음파 신호 및 제2음파 신호를 이용하여 반사 계수 및 제어 경로를 계산하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 사전에 계산된 반사 계수 및 제어 경로를 이용하여, 음향 신호로부터 입사파 신호, 반사파 신호 및 제어음 신호 중 적어도 하나를 분리하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 출력부는, 상기 타일 기질의 내면 중 상기 센싱부가 부착된 위치와 마주보는 위치에 장착되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 센싱부에서 센싱되는 제어음 신호와 반사파 신호의 합인 오차 신호가 최소화되도록 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 타일 기질은, rho-c 고무 혹은 폴리우레탄 재질인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 사전에 반사 계수를 미리 측정하고, 미리 측정된 반사계수를 이용하여 Filtered-x LMS 기반의 적응 필터 알고리즘을 수행함으로써, 주위 환경 변화에 강건한 제어를 수행할 수 있다.
또한 본 발명은 사전에 반사 계수를 미리 측정하기 때문에, 센서와 액츄에이터 사이의 거리를 좁힐 수 있어, 능동 반향음 제어 장치의 일체형 구조를 가능하게 한다. 이에, 능동 반향음 제어 장치의 두께가 얇아져, 소형화, 경량화를 이룰 수 있다. 따라서, 잠수함과 같은 반사체에 부착이 용이할 뿐만 아니라, 부착 시의 부력의 영향도 줄어들게 된다.
도 1a는 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치의 구성 요소를 도시한 블록도이다.
도 2는 반사 계수를 측정하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 2의 장치를 이용하여 반사 계수를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 적응 필터 알고리즘을 활용하여, 제어음 신호를 발생시키는 흐름을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하의 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 수단일 뿐이다.
그리고 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여, 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략하였다. 또한, 본 발명의 도면에서는, 명세서 전체를 통하여 동일한 구성 요소에 대하여, 동일한 도면 부호를 붙여 설명한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)' 또는 모듈이란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 일체형 구조를 갖는 능동 반향음 제어 장치 및 일체형 구조를 이루기 위한 능동 반향음 제어 장치의 적응 필터 알고리즘에 대하여 도면과 함께 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치를 모식적으로 나타낸 개념도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치의 구성 요소를 도시한 블록도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치(100)는 타일 기질(110)과 출력부(120) 및 센싱부(130)를 포함할 수 있다.
타일 기질(110)은 음파를 흡수할 수 있는 재질을 가질 수 있다. 또한, 타일 기질(110)은 주변 환경과 음향 임피던스가 유사한 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 능동 반향음 제어 장치(100)가 해저 환경에서 사용될 경우, 타일 기질은 해수와 음향 임피던스가 유사한 재료로써, rho-c 고무 혹은 폴리우레탄 등이 사용될 수 있다. 한편, 타일 기질(110)의 경우, 두께가 두꺼워질수록 음파의 흡수 효과는 강해지나, 능동 반향음 제어 장치가 장착되는 수중 물체에 대한 부착성이 떨어지고, 무게와 부피로 인한 부력의 영향이 커지며, 주위 유동에 위한 추가 소음이 발생하는 문제점이 있다. 이에, 바람직하게는 타일의 총 두께는, 10cm 이내로 제작될 수 있다.
출력부(120)는 외부에서 발생하는 음파에 대한 반사파를 상쇄시키기 위한 제어음 신호를 출력하는 역할을 수행하는 것으로, 액츄에이터(actuator) 등이 사용될 수 있다. 상기 출력부(120)는 압전체 및 후면판(backing plate)로 구성될 수 있으며, 타일 기질의 내면에 위치할 수 있다. 이때, 상기 출력부(120)는 센싱부(130)가 배치된 위치와 가장 멀리 떨어진 타일 내면에 배치될 수 있다.
한편, 도 1a에서는, 출력부(120)가 단일로 구성된 경우를 도시하였지만, 본 발명은 복수의 출력부(120)를 구비한 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 상기 출력부(120)는, 압전(piezoelectric), 전기 변형(electrostrictive), 자왜(magnetostrictive), 가동 코일(moving coil) 등 다양한 종류의 트랜스듀서(transducer)를 이용할 수 있다.
센싱부(130)는 외부에서 발생하는 입사파 및 출력부(120)에서 발생하는 제어음 신호 나아가, 타일의 표면, 타일 내면의 출력부(120) 및 타일이 부착된 수중 물체의 표면에서 반사된 반사파를 센싱하도록 형성될 수 있다. 여기에서, 입사파는, 외부에서 발생하여, 능동 반향음 제어 장치로 입사되는 모든 신호를 의미하는 것으로, 음파 등이 될 수 있다.
센싱부(130)는 입사파, 제어음 신호 및 반사파 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. 센싱부(130)는, 압전성을 가진 재료로 만들어진 구형, 원통형, 평면형, 박막형 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 센싱부(130)는 외부에서 발생하는 입사파를 감지하기 위하여, 타일 표면에 접하도록 위치할 수 있다. 상기 센싱부(130)는 능동 반향음 제어 장치의 전체 두께를 고려하여, 단일로 구성될 수 있다.
한편, 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치(100)는, 타일 기질 상에 출력부(120) 및 센싱부(130)가 모두 삽입되어 있는 일체형 구조를 가질 수 있다. 이에, 본 발명에서는, 수중 환경에 대비하여, 능동 반향음 제어 장치의 구조적 안정성 및 수밀을 보장할 수 있다.
이하에서는 이러한 구조를 갖는 능동 반향음 제어 장치의 구성 요소들에 대하여 설명한다. 도 1b를 참조하면, 능동 반향음 제어 장치(100)는 출력부(120), 센싱부(130) 및 제어부(140)을 포함할 수 있다. 한편, 능동 반향음 제어 장치(100)는 도 1b에서 도시한 구성 요소 이외의 추가적인 구성 요소들을 더 포함할 수 있으나, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여, 추가적인 구성 요소들을 생략한다.
이하, 출력부(120) 및 센싱부(130)의 설명은 도 1a의 설명으로 대체하고, 제어부(140)에 대하여 설명한다.
제어부(140)는 출력부(120) 및 센싱부(130)를 제어하여, 외부에서 발생한 입사파에 의한 반사파를 상쇄시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 외부에서 발생한 음파 신호에 대하여, 사전에 추정된 반사 계수와 제어 경로를 활용한 적응 필터 알고리즘을 이용하여, 제어 신호를 생성하고, 이를 출력부(120)를 통하여 출력함으로써, 상기 음파 신호가 반사되어 생성된 반사파를 상쇄시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 이러한 일체형 구조를 가짐으로 인하여, 출력부(120)와 센싱부(130) 사이의 거리가 가까워졌고, 이로 인하여, 음파 신호의 입사파와 반사파 및 제어음 신호를 서로 분리하기 어렵다는 문제점이 발생하였다. 여기에서, 제어음 신호는 반사파를 상쇄하기 위하여 출력부(120)에서 출력되는 음파 신호를 나타낸다.
이에, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 사전에 반사 계수와 제어 경로를 추정하여, filtered-x LMS(least mean square) 적응 필터 알고리즘에 활용하는 방법을 제안한다.
이하에서는, 반사 계수를 측정하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 2는 반사 계수를 측정하는 방법을 나타낸 개념도이고, 도 3은 도 2의 장치를 이용하여 반사 계수를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서는, 능동 반향음 제어 장치(100)의 전면에 2개의 하이드로폰(210, 220)을 배치할 수 있다. 하이드로폰(210, 220)은 음파 신호를 측정하는 장치로서, 타일(110)의 표면으로부터 임의의 간격(d)를 가지며 서로 이격하여 배치될 수 있다. 이때, 상기 간격(d)은, 기준 파장의 1/4 이상의 간격일 수 있다. 도 2와 같이, 타일(110)의 표면, 2개의 하이드로폰(210, 220) 사이의 간격이 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
기준 파장은 사용자에 의하여 설정될 수 있으며, 일반적으로 사용되는 탐지 신호의 파장일 수 있다.
이하에서는, 2개의 하이드로폰 중 타일(110)의 표면과 더 멀리 배치된 것을 제1하이드로폰(210), 타일(110)의 표면과 가깝게 배치된 것을 제2하이드로폰(220)으로 명명하도록 한다.
능동 반향음 제어 장치(100)는 반사체(300)의 외면 상에 부착될 수 있다. 상기 반사체(300)는 수중 구조물이나, 수중 운동체와 같이 외부에서 발생한 탐지 신호에 대한 반사파의 상쇄가 필요한 물체일 수 있다.
우선, 도 3을 참조하면, 제어부(140)는 두 개의 하이드로폰을 이용하여, 외부에서 발생한 입사파 및 그로 인한 반사파가 중첩되어 있는 제1음파 신호와 제2음파 신호를 감지할 수 있다(S310).
상기 외부에서 발생한 입사파 신호는 능동 반향음 제어 장치 이외의 외부 장치에 의하여 발생될 수 있다. 입사파 신호는 주파수 sweep 신호 혹은 펄스 신호일 수 있으며, 평면파임을 가정하여 설명한다.
상기 제1 및 제2하이드로폰(210, 220)은 외부에서 입사하는 음파에 대하여, 각 위치에서의 음압 신호를 측정할 수 있다. 여기에서, 제1하이드로폰(210)에서 감지된 음파 신호를 제1음파신호(
Figure 112017101137195-pat00001
), 제2하이드로폰(220)에서 감지된 음파 신호를 제2음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00002
)로 명명한다.
제1음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00003
)와 제2음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00004
)는 다음과 같은 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017101137195-pat00005
Figure 112017101137195-pat00006
여기에서,
Figure 112017101137195-pat00007
는 타일 기질(110)의 표면에서 뿐만 아니라, 타일 기질(110)이 부착된 반사체(300) 전체에 대한 반사 특성을 나타낸 반사 계수이다. 또한,
Figure 112017101137195-pat00008
는 센싱부(130)가 위치한 타일(110) 기질의 표면에서 입사하는 방향으로 전파된 모든 입사파를 나타내며,
Figure 112017101137195-pat00009
는 센싱부(130)가 위치한 타일 표면에서 입사파(
Figure 112017101137195-pat00010
)와 반대 방향으로 전파하는 모든 반사파를 나타낸다. 즉, 반사파(
Figure 112017101137195-pat00011
)는 타일 표면에서의 반사파뿐만 아니라, 타일 내부에서의 음향 신호의 전파에 의한 감쇠 및 분산(dispersion) 효과를 모두 포함하여, 액츄에이터를 비롯한 내부 구조물과 능동 반향음 제어 장치가 부착된 반사체(300)에서 발생한 반사파가 모두 중첩된 것을 의미한다.
제어부(140)는, 상기 제1음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00012
)와 제2음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00013
)를 이용하여, 타일 표면의 위치를 기준으로 입사파 및 반사파 성분을 계산할 수 있다(S320). 그 후, 제어부(140)는, 상기 계산된 입사파와 반사파를 이용하여 반사 계수를 측정할 수 있다(S330).
제어부(140)는 상기 수학식 1을 이용하여, 제1음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00014
)와 제2음파 신호(
Figure 112017101137195-pat00015
)를 사용하여 입사파(
Figure 112017101137195-pat00016
)와 반사파(
Figure 112017101137195-pat00017
)를 계산할 수 있다. 그리고, 수학식 2와 같이, 반사 계수를 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017101137195-pat00018
Figure 112017101137195-pat00019
Figure 112017101137195-pat00020
또한, 이와 유사한 방법으로, 제어 경로(
Figure 112017101137195-pat00021
)도 사전에 추정할 수 있다. 제어 경로(
Figure 112017101137195-pat00022
)는 출력부(120)에 인가되는 제어 신호와 센싱부(130)에서 감지되는 감지 신호 사이의 임펄스 응답이다. 제어 경로(
Figure 112017101137195-pat00023
)는 반사 계수와 같이 펄스 혹은 주파수 sweep 신호를 액츄에이터에 인가한 후, 센싱부(130)에서 감지된 신호를 이용하여, 사전에 측정할 수 있다.
이상에서는, 반사 계수와 제어 경로를 사전에 계산하는 방법에 대하여 설명하였다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 능동 반향음 제어 장치는 미리 계산된 반사 계수와 제어 경로를 이용하여, 최종적으로 출력부(120)를 통한 제어음 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 능동 반향음 제어 장치는, 출력부(120)와 센싱부(130) 사이의 거리를 좁힐 수 있어, 일체형 구조를 이룰 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3에서 계산한 반사 계수 및 제어 경로를 활용한 적응 필터 알고리즘을 이용하여 반향음을 제어하는 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 적응 필터 알고리즘을 활용하여, 제어음 신호를 발생시키는 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 우선 제어부(140)는 센싱부(130)를 통하여 음향 신호(
Figure 112017101137195-pat00024
)를 감지할 수 있다(S410).
센싱부(130)에서 감지되는 음향 신호(
Figure 112017101137195-pat00025
)는 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00026
), 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00027
) 및 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00028
) 중 적어도 하나의 신호가 중첩된 신호일 수 있다. 보다 구체적으로, 센싱부(130)에서 처음 감지된 신호에는, 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00029
)가 생성되기 전, 센싱부(130)에서 감지된 신호에는, 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00030
) 및 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00031
)가 포함될 수 있고, 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00032
)가 생성된 이후에는, 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00033
), 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00034
) 및 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00035
)가 모두 포함될 수 있다.
이러한 음향 신호(
Figure 112017101137195-pat00036
)는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017101137195-pat00037
여기에서, 반사파 신호는, 미리 계산된 반사 계수(
Figure 112017101137195-pat00038
) 및 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00039
)를 이용하여,
Figure 112017101137195-pat00040
로 표현될 수 있다.
상기 제어부(140)는 상기 수학식 3을 하기의 수학식 4와 같이 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00041
)와 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00042
)로 변환할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017101137195-pat00043
이때, 실시간 제어를 위한 이산 시간 영역에서의 반사파 신호로 표현하기 위하여, 콘볼루션 연산을 이용하여 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017101137195-pat00044
(
Figure 112017101137195-pat00045
: 이산 시간 영역에서의 반사파 신호,
Figure 112017101137195-pat00046
: 이산 시간 영역에서의 음향 신호,
Figure 112017101137195-pat00047
: 이산 시간 영역에서의 제어음 신호,
Figure 112017101137195-pat00048
: 이산 시간 영역에서의 반사 계수)
한편, 반사 계수
Figure 112017101137195-pat00049
는 시간 지연 특성이 있으므로, 이를 고려하여 첫번째 계수를 0으로 가정할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 첫번째 계수를 0으로 가정한 반사 계수를
Figure 112017101137195-pat00050
으로 정의할 수 있으며, 이를 반영하면 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112017101137195-pat00051
제어부(140)는 상기 측정된 음향 신호가 첫번째(n=1) 신호인지 여부를 판단(S420)하고, 판단 결과, 음향 신호가 첫번째 신호인 경우, 센싱부(130)에서 센싱된 음향 신호(
Figure 112017101137195-pat00052
)로부터 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00053
) 및 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00054
)를 각각 분리할 수 있다(S430).
이때, 첫번째 신호에는, 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00055
)가 포함되어 있지 않아, 입사파 신호와 반사파 신호의 분리가 가능하다.
제어부(140)는 상기 추정된 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00056
)를 기반으로, 초기 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00057
)을 생성하고, 이를 이용하여 출력부(120)가 제어음 신호를 출력하게 할 수 있다(S440).
보다 구체적으로, 제어부(140)는 상기 추정된 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00058
)를 특정한 초기 값으로서, 계수 벡터
Figure 112017101137195-pat00059
를 갖는 필터에 입력하여 초기 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00060
)을 생성하고, 상기 초기 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00061
)에 근거하여, 출력부(120)를 통하여 제어음 신호를 생성할 수 있다. 여기에서, 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00062
)는 출력부(120)에서 생성되는 음파 신호인 제어음 신호와 구별되는 것으로, 출력부(120)에서 제어음 신호를 생성하도록 제어부(140)가 생성한 제어 명령(또는 전기 신호)이다. 보다 구체적으로, 상기 제어부(140)는 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00063
)를 출력부(120)로 전송하고, 출력부(120)는 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00064
)를 기반으로 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00065
)를 생성할 수 있다. 그 후, 출력부(120)는 상기 생성된 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00066
)를 출력할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 판단 결과, 첫 번째로 센싱된 신호가 아닌 경우, 사전에 측정된 제어 경로(
Figure 112017101137195-pat00067
)를 이용하여, 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00068
)과 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00069
)을 추정하고, 이를 이용하여, 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00070
)을 계산할 수 있다(S450).
보다 구체적으로, 제어부(140)는 수학식 7과 같이, 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00071
)을 추정할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112017101137195-pat00072
그리고, 제어부(140)는 앞선 수학식 6을 이용하여, 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00073
)를 추정할 수 있다. 따라서, 상기 제어부(140)는 상기 추정된 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00074
)와 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00075
)를 이용하여, 센싱부(130)에서 센싱된 음향 신호로부터 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00076
)을 계산할 수 있다.
상기 제어부(180)는 상기 계산된 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00077
)를
Figure 112017101137195-pat00078
의 계수 벡터를 갖는 필터에 입력하여, 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00079
)를 계산하고, 이를 다시 출력부(120)의 입력으로 전달하여, 출력부(120)를 통하여 제어음 신호를 출력할 수 있다(S460).
보다 구체적으로, 제어부(140)는 제어음 신호(
Figure 112017101137195-pat00080
)과 반사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00081
)를 이용하여, 수학식 8과 같이, 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00082
)를 계산할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112017101137195-pat00083
그리고, 제어부(180)는 상기 계산된 입사파 신호(
Figure 112017101137195-pat00084
)를 기반으로, 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00085
)를 생성하며, 상기 생성된 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00086
)를 이용하여, 제어음 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명은 입사파 신호에 대응되는 반사파 신호를 제어음 신호를 통하여 상쇄시킬 수 있다.
상기 제어부(140)는 오차 신호의 자승 평균이 최소화되는 방향으로 동작할 수 있다. 여기에서, 오차 신호는, 반사파 신호와 제어음 신호가 합해진 신호로 최종적인 반향음 성분이라고 할 수 있으며, 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112017101137195-pat00087
한편, 상기 제어부(180)는 제어음 신호의 출력과 함께, 적응 필터 알고리즘의 필터 계수(
Figure 112017101137195-pat00088
)를 갱신할 수 있다(S470). 상기 S460 단계와 S470 단계는, 동시에 일어나거나, 그 순서에 상관없이 순차적으로 진행될 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는 상기 추정된 입사 신호(
Figure 112017101137195-pat00089
)를 참조 신호로 하여, 이를 제어 경로(
Figure 112017101137195-pat00090
) 혹은 이차 경로에 해당하는 필터에 입력하고, 이에 대한 결과로 생성된 이차 경로 보상 참조 신호(
Figure 112017101137195-pat00091
)를 이용하여, 필터 계수를 갱신할 수 있다.
제어부(140)는 하기의 수학식 10을 이용하여 갱신할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112017101137195-pat00092
(
Figure 112017101137195-pat00093
: 필터의 계수 벡터,
Figure 112017101137195-pat00094
: 수렴 계수,
Figure 112017101137195-pat00095
: 이차 경로 보상 참조 신호
Figure 112017101137195-pat00096
: 정규화를 위하여, 이차 경로 보상 참조 신호
Figure 112017101137195-pat00097
의 smoothing 인자
Figure 112017101137195-pat00098
를 갖는 IIR(Infinite Impulse Response) 필터를 통해 파워를 추정한 값)
갱신된 필터 계수(
Figure 112017101137195-pat00099
)는 다시 S410 단계로 돌아가 센싱부(130)에서 감지된 새로운 신호(
Figure 112017101137195-pat00100
)에 대한 새로운 제어 신호(
Figure 112017101137195-pat00101
)를 계산하는 과정 중에 사용될 수 있다.
본 발명은 사전에 반사 계수 및 제어 경로를 미리 측정하고, 미리 측정된 반사계수 및 제어 경로를 이용하여 Filtered-x LMS 기반의 적응 필터 알고리즘을 수행함으로써, 주위 환경 변화에 강건한 제어를 수행할 수 있다.
또한 본 발명은 사전에 반사 계수를 미리 측정하기 때문에, 센서와 액츄에이터 사이의 거리를 좁힐 수 있어, 능동 반향음 제어 장치의 일체형 구조를 가능하게 한다. 이에, 능동 반향음 제어 장치의 두께가 얇아져, 수중 구조물이나 수중 운동체와 같은 부착이 용이할 뿐만 아니라, 부착 시의 부력의 영향도 줄어들게 된다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 타일 기질;
    상기 타일 기질의 외면에 부착되며, 음향 신호를 센싱하도록 형성된 센싱부 ;
    상기 타일 기질의 내면에 배치되며, 상기 음향 신호에 대응되는 반사파 신호를 상쇄하는 제어음 신호를 출력하도록 형성된 출력부; 및
    상기 음향 신호를 상쇄하는 제어음 신호가 출력부에서 발생되도록 적응 필터 알고리즘에 기반하여, 제어 신호를 생성하고, 상기 생성된 제어 신호를 상기 출력부에 전송하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    음향 신호의 반사 계수 및 제어 경로를 사전에 계산한 후, 상기 계산된 반사 계수 및 제어 경로를 적응 필터 알고리즘에 적용하여, 필터 계수를 갱신하고, 제어 신호를 생성하고,
    상기 음향 신호를 센싱하기 전, 기 설정된 펄스 혹은 주파수 sweep 신호를 이용하여, 반사 계수 및 제어 경로를 계산하고,
    외부에 위치한 두 개의 하이드로폰을 이용하여 상기 기 설정된 펄스 혹은 주파수 sweep 신호와 관련된 제1음파 신호 및 제2음파 신호를 감지하고,
    상기 감지된 제1음파 신호 및 제2음파 신호를 이용하여 반사 계수 및 제어 경로를 계산하는 것을 특징으로 하는 능동 반향음 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 사전에 계산된 반사 계수 및 제어 경로를 이용하여, 음향 신호로부터 입사파 신호, 반사파 신호 및 제어음 신호 중 적어도 하나를 분리하는 것을 특징으로 하는 능동 반향음 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 타일 기질의 내면 중 상기 센싱부가 부착된 위치와 마주보는 위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 능동 반향음 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 센싱부에서 센싱되는 제어음 신호와 반사파 신호의 합인 오차 신호가 최소화되도록 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 능동 반향음 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 타일 기질은,
    rho-c 고무 혹은 폴리우레탄 재질인 것을 특징으로 하는 능동 반향음 제어 장치.
KR1020170133512A 2017-10-13 2017-10-13 반사계수를 탑재한 일체형 구조의 능동 반향음 제어 장치 및 그 방법 KR101948570B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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