KR102022962B1 - 하이브리드 초지향성 스피커 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르는 하이브리드 초음파 스피커는 상기 하이브리드 초지향성 스피커는 입력되는 오디오 신호를 초음파 변조하고 초음파 트랜듀서를 통하여 공기 중으로 출력하는 초음파 스피커 모듈과, 입력되는 오디오 신호를 일반스피커를 통하여 공기 중으로 출력하는 일반 스피커 모듈과 초음파 스피커 모듈,과 일반 스피커 모듈을 제어하는 모드 제어부를 포함하고, 모드 제어부는 초음파 스피커만 구동하여 초지향성 스피커로 동작시키는 초지향성 모드, 일반 스피커 모듈만을 구동하여 무지향성의 스피커로 동작시키는 일반 스피커 모드 또는 초음파 스피커와 일반 스피커를 동시에 구동하되 초음파 스피커와 일반 스피커의 음량 차이를 최적화하기 위하여 일반 스피커 모듈 및 초음파 스피커 모듈을 제어하는 하이브리드 모드를 선택할 수 있다.
Description
본 발명은 초음파 변조를 통해 음파 진행 방향에 초지향성을 부여하는 초음파 스피커와 일반 스피커를 결합한 하이브리드 초지향성 스피커에 관한 것으로 보다 구체적으로는 초음파 스피커와 일반스피커와 이들의 동작을 제어하는 모드제어부를 구비하는 하이브리드 초지향성 스피커에 관한 것이다.
라우드 스피커(Loud Speaker)를 포함하는 일반 스피커는 음파를 공기 중의 모든 방향으로 전달한다. 그러나 특정한 방향으로만 음파를 전달하려고 하는 경우가 있을 수 있다. 이 경우 파라볼릭 접시를 이용하는 방법이 있는데 접시의 초점에 일반 스피커를 설치하여 음향 출력이 접시에 반사되어 직진성을 갖도록 하는 것이다. 그러나 이러한 방식은 직경이 매우 큰 접시가 필요하고, 소리의 도달거리도 짧으며, 반사된 신호의 상호 간섭으로 인해 음질도 떨어지는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 초음파의 직진성과 공기 매질의 비선형 매질특성을 이용한 초지향성 초음파 스피커 기술이 구현되고 있다. 초지향성 초음파 스피커는 수중 레이더 기술인 소나(sonar)에 대한 연구가 발전하면서 공기 중에서도 초음파를 이용하면 소리를 빔처럼 쏘아 보낼 수 있다는 것을 발견하면서 본격적으로 연구되기 시작하였다. 이후 많은 과학자들이 초지향성 초음파 스피커에 대한 물리적 원리와 기존의 음성을 초음파 스피커에 실어 보낼 방법을 연구하였다. 그러나 초지향성 초음파 스피커의 상용화는 쉽게 이루어지지 않다가 2000년대 이후에 들어서야 초음파 변조기술을 적용한 초지향성 초음파 스피커가 상품화되기 시작하였다.
초지향성 초음파 스피커 시스템은 초음파가 공기 중에서 공기와 일으키는 비선형적인 간섭 현상을 이용한다. 이론적으로 공기 중에서 복조되는 가청신호는 진폭 변조된 신호의 포락선(envelope)의 제곱을 이차 시간 미분한 것에 비례한다. 이에 따라 종래의 초음파 스피커 시스템은 도 7을 참조하면, 진폭 변조 전에 이중적분한 입력 오디오 신호의 제곱근을 진폭변조하여 초음파 스피커를 통하여 공기중으로 내보내게 된다. 이 방법은 제곱근이라는 비선형적인 연산에 의해서 대역폭이 제한된 원래 오디오 신호의 주파수 스펙트럼이 거의 무한대의 대역폭 상에 나타나게 되기 때문에 왜곡을 줄이는데 한계가 있다. 한편 미국의 ATC사는 미국특허 US6,584,205에서 대역폭의 증가가 없는 반복적인 오차 보상방법을 제시한 바도 있다.
하지만 이들 선행문헌들은 초음파와 공기가 일으키는 비선형적인 간섭 현상을 해소하는 것에만 관심을 주었을 뿐이고 청취자의 입장에서 좀 더 명료한 음질을 제공하기 위한 신호처리 방안까지 제시하고 있지는 못하다. 특히 초지향성 초음파 스피커의 특성에 적합한 음질개선 방안이 적용되지 않는다면 초음파와 공기가 일으키는 비선형적인 간섭 현상으로 인하여 전달되는 오디오 신호는 청취자에게 부자연스러운 음질로 전달된다는 문제가 있다.
한편 초지향성 초음파 스피커는 특정 방향으로의 지향성으로 인하여 무지향성 스피커 특성이 필요한 경우 초지향성 초음파 스피커 주변에 별도의 일반 스피커를 설치할 필요성이 있으나 이럴 경우 초음파 스피커와 일반 스피커 간에 음량의 차이 또는 시간 지연이 발생할 경우 조절이 곤란하여 청취에 부자연스러운 경우가 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점에 착안하여 청취자에게 좀 더 명료한 음질을 제공하기 위한 신호처리 방안과 초음파 스피커와 일반 스피커를 동시에 제어할 수 있는 방안을 제시하기 위한 것으로서 초지향성 초음파 스피커와 일반 스피커를 결합함으로서 청취자에게 초지향성 모드와 무지향성 모드 및 하이브리드 모드로 오디오 신호를 전달할 수 있는 하이브리드 초지향성 스피커를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커는 입력되는 오디오 신호를 초음파 변조하고 초음파 트랜듀서를 통하여 공기 중으로 출력하는 초음파 스피커 모듈과, 입력되는 오디오 신호를 일반스피커를 통하여 공기 중으로 출력하는 일반 스피커 모듈과 초음파 스피커 모듈,과 일반 스피커 모듈을 제어하는 모드 제어부를 포함하고, 모드 제어부는 초음파 스피커만 구동하여 초지향성 스피커로 동작시키는 초지향성 모드, 일반 스피커 모듈만을 구동하여 무지향성의 스피커로 동작시키는 일반 스피커 모드 또는 초음파 스피커와 일반 스피커를 동시에 구동하되 초음파 스피커와 일반 스피커의 음량 차이를 최적화하기 위하여 일반 스피커 모듈 및 초음파 스피커 모듈을 제어하는 하이브리드 모드를 선택할 수 있다.
상기 초음파 스피커 모듈은 초음파 변조된 신호가 공기 중에서 복조될 때 발생하는 음질 저하를 사전에 보상하기 위하여 입력되는 오디오 신호를 신호처리하여 음질을 개선하는 음질 개선부와 음질 개선된 신호를 초음파 변조하는 초음파 변조부와 초음파 변조된 신호를 공기중으로 출력하는 초음파 트랜듀서를 포함한다. 상기 일반 스피커 모듈은 입력되는 오디오 신호를 모드 제어부의 제어신호에 따라 이득을 조절하는 이득 조절부와 이득 조절된 신호를 공기 중으로 출력하는 일반 스피커를 포함한다. 선택적으로 이득 조절부와 일반 스피커 사이에는 일반 스피커 증폭부를 더 포함하여 일반 스피커의 입력 특성에 맞는 오디오 신호를 공급할 수 있다.
상기 음질개선부는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 고역통과필터;와 고역통과필터를 통과하여 저주파 성분이 제거된 신호를 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 이퀄라이저;와 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부;와 이퀄라이저 및 음압레벨 보정부에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 리미터;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 초음파 스피커 모듈은 초음파 변조부와 초음파 트랜듀서를 포함하고, 상기 초음파 스피커는 초음파 변조를 통해 음파진행 방향에 초지향성을 부여한다. 상기 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 음압레벨 보정부는 신호 레벨이 제 1 레벨(dB) 이하는 재생하지 않도록 제거하고, 제 2레벨(dB) 이상은 압축하며, 그 외의 신호 레벨은 4dB 이상의 이득을 주는 것을 특징으로 한다.
상기 음질개선부를 이용한 음질개선 방법은 고역통과필터를 이용하여 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 제 1단계;, 저주파 성분이 제거된 신호를 이퀄라이저를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 2단계;, 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 제 3단계;, 제 2단계 및 제 3단계에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 리미터를 이용하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 제4단계를 포함한다. 상기 초음파 스피커 모듈은 초음파 변조부와 초음파 트랜듀서를 포함하고, 상기 초음파 스피커 모듈은 초음파 변조를 통해 음파진행 방향에 초지향성을 부여한다. 상기 제 1단계에서 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 음압레벨을 조절하는 제 3단계는 신호 레벨이 제 1 레벨(dB) 이하는 재생하지 않도록 제거하고, 제 2 레벨(dB) 이상은 압축하며, 그 외의 신호 레벨은 4dB 이상의 이득을 주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하이브리드 초지향성 스피커에 따르면 초음파 스피커의 특성에 적합한 음질개선 방안을 적용한 초지향성 특성의 초음파 스피커와 무지향성 특성의 일반 스피커를 결합함으로 청취자에게 개선되고 명료한 음질의 오디오 신호를 초지향성 모드와 무지향성 모드 또는 하이브리드 모드로 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음질개선 방법을 적용한 초지향성 초음파 스피커 모듈의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음질개선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고역통과필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이퀄라이저의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음압레벨 보정부의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리미터의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 종래의 초지향성 초음파 스피커 시스템을 보여주기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이퀄라이저의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 스피커 모듈과 일반 스피커 모듈을 결합한 하이브리드 초지향성 스피커의 전체적인 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음질개선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고역통과필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이퀄라이저의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음압레벨 보정부의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리미터의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 종래의 초지향성 초음파 스피커 시스템을 보여주기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이퀄라이저의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 스피커 모듈과 일반 스피커 모듈을 결합한 하이브리드 초지향성 스피커의 전체적인 구성을 보여주기 위한 도면이다.
본 명세서에서 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 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 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 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 용어를 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초지향성 초음파 스피커 장치의 음질개선 방법 및 이를 구비한 초지향성 초음파 스피커 장치에 관하여 살펴본다.
도 7에 도시된 바와 같이 종래의 초지향성 초음파 시스템은 진폭 변조 전에 이중적분한 입력 오디오 신호의 제곱근을 진폭변조하여 초음파 스피커를 통하여 공기 중으로 내보내게 된다. 이 방법은 제곱근이라는 비선형적인 연산에 의해서 대역폭이 제한된 원래 오디오 신호의 주파수 스펙트럼이 거의 무한대의 대역폭 상에 나타나게 되기 때문에 왜곡을 줄이는데 한계가 있다. 한편 미국의 ATC사는 미국특허 US6,584,205에서 대역폭의 증가가 없는 반복적인 오차 보상방법을 제시한 바가 있으나 이 경우에도 유사한 왜곡이 나타나게 된다.
하지만 실험 결과, 비선형 왜곡으로 발생하는 하모닉 성분의 크기가 원 신호에 비하여 20dB 정도로 작아서 일반적인 음성과 오디오 신호에서는 거의 들리지 않는다는 점을 발견하였다. 아울러 비선형 왜곡을 이를 보정하기 위해서는 모든 시스템의 선형왜곡을 완벽하게 측정해야 하며, 측정이 정확하지 않을 경우 오히려 왜곡이 증가하기 때문에 비선형 왜곡을 보정하기 보다는 선형 왜곡을 최대한 보정함과 동시에 명료도를 향상시키기 위한 음질개선 방법을 적용하는 것이 청취자의 입장에서 훨씬 유리하다는 것을 알게 되었다.
따라서 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커에 포함되는 초음파 스피커 모듈에 적용되는 음질개선 방법은 이러한 왜곡을 줄임과 아울러 청취자의 입장에서 보다 명료한 오디오 신호를 전달하기 위한 것이다.
한편 초지향성 초음파 스피커는 특정 방향으로의 지향성으로 인하여 무지향성 스피커 특성이 필요한 경우 초지향성 초음파 스피커 주변에 별도의 일반 스피커를 설치할 필요성이 있다. 이 경우 초음파 스피커와 일반 스피커 간에 음량의 차이 또는 시간 지연이 발생할 경우 조절이 곤란하여 청취에 부자연스러운 경우가 발생할 수 있는데 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커의 모드 제어부는 초음파 스피커 모듈과 일반 스피커 모듈을 초지향성 모드와 무지향성 모드 및 하이브리드 모드로 제어함으로서 이를 해결할 수 있다. 여기서 무지향성 특성의 스피커로는 일반적인 라우드 스피커를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
도 9를 참조하면 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커는 입력되는 오디오 신호를 초음파 변조하고 초음파 트랜듀서를 통하여 공기 중으로 출력하는 초음파 스피커 모듈(10)과, 입력되는 오디오 신호를 일반 스피커를 통하여 공기 중으로 출력하는 일반 스피커 모듈(20)과, 초음파 스피커 모듈과 일반 스피커 모듈을 제어하는 모드 제어부(400)를 포함한다.
상기 초음파 스피커 모듈(10)은 입력되는 오디오 신호를 초음파 변조하여 초음파 변조된 오디오 신호를 초음파 트랜듀서(110)를 통하여 공기 중으로 전달한다. 초음파 변조된 오디오 신호는 공기 중으로 전파되어 복조될 때 비선형 왜곡 현상으로 인하여 음질 저하가 발생된다. 이러한 음질 저하를 사전에 개선하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커의 초음파 스피커 모듈(10)은 음질개선부(200)를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 초음파 스피커 모듈은 초음파 변조된 신호가 공기 중에서 복조될 때 발생하는 음질 저하를 사전에 보상하기 위하여 입력되는 오디오 신호를 신호처리하여 음질을 개선하는 음질개선부(200)와 음질 개선된 신호를 초음파 변조하는 초음파 변조부(100)와 초음파 변조된 신호를 공기중으로 출력하는 초음파 트랜듀서(110)를 포함할 수 있다. 음질개선부(200)에 대하여 보다 자세한 설명은 후술토록 한다.
상기 일반스피커 모듈(20)은 입력되는 오디오 신호의 이득을 조절한 후 일반 스피커(430)를 통하여 음파를 공기 중으로 전달한다. 보다 구체적으로 상기 일반 스피커 모듈(20)은 입력되는 오디오 신호를 모드 제어부(400)의 제어신호에 따라 이득을 조절하는 이득조절부(410)와 이득 조절된 신호를 공기 중으로 출력하는 일반스피커(430)를 포함한다. 이득조절부(410)에서 일반스피커 구동에 필요한 전력을 출력할 수 있다면 추가적인 증폭기는 필요하지 않을 수 있으나 그렇지 않은 경우 선택적으로 이득조절부(410)와 일반스피커 사이에는 일반스피커 증폭부(420)를 더 포함하여 일반스피커의 입력 특성에 맞는 오디오 신호 전력을 공급할 수 있다. 여기서 일반스피커는 일반적인 스피커를 지칭하는 것으로서 오디오 신호를 그대로 공기 중으로 방출할 수 있는 스피커라면 어떤 것이든 적용 가능하며 라우드 스피커를 포함할 수 있다. 일반스피커 증폭부(420)는 일반적인 증폭기(AMP)로서 스피커를 구동하기 위한 전력 증폭 기능을 수행한다.
이득조절부(410)와 일반스피커 증폭부(420)는 모드 제어부(400)의 제어 신호에 따라 일반스피커로 입력되는 신호 전력의 크기를 조절할 수 있다. 모드 제어부(400)는 초지향성 모드에서 이득 조절부(410)의 출력을 최소화할 수 있고, 일반 스피커 모드에서 이득 조절부(410)의 출력을 최대화할 수 있으며, 하이브리드 모드에서는 초음파 스피커 모듈과의 음량 균형을 위하여 필요한 수준으로 음량으로 낮추기 위해 이득조절부(410)의 출력을 제어할 수 있다.
상기 모드 제어부(400)는 초음파 스피커 모듈과 일반 스피커 모듈을 제어한다. 보다 구체적으로 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커는 초음파 스피커만 구동하여 초지향성 스피커로 동작시키는 초지향성 모드와, 일반 스피커 모듈만을 구동하여 무지향성의 스피커로 동작시키는 일반 스피커 모드와, 초음파 스피커와 일반 스피커를 동시에 구동하되 초음파 스피커와 일반 스피커의 음량 차이를 최적화하기 위하여 일반 스피커 모듈 및 초음파 스피커 모듈을 제어하는 하이브리드 모드를 선택할 수 있도록 구성될 수 있다.
초지향성 모드에서 하이브리드 초지향성 스피커의 모드 제어부(400)는 초음파 스피커 모듈만 동작하도록 제어할 수 있다. 초지향성 모드에서 일반 스피커 모듈의 동작은 정지시킴으로서 하이브리드 초지향성 스피커는 초지향성 초음파 스피커처럼 동작하게 되며 하이브리드 초지향성 스피커의 초음파 트랜듀서가 향하는 방향에 있는 청취자만 소리를 들을 수 있게 된다.
일반 스피커 모드에서 하이브리드 초지향성 스피커의 모드 제어부(400)는 일반스피커 모듈만 동작하도록 제어할 수 있다. 일반 스피커 모드에서 초음파 스피커 모듈의 동작은 정지시킴으로서 하이브리드 초지향성 스피커는 일반 스피커처럼 동작하게 되며 하이브리드 초지향성 스피커의 주변의 전 방향에서 소리를 들을 수 있게 된다. 일반 스피커 모드에서 필요한 경우 초음파 스피커 모듈도 같이 동작할 수 있으나 일반 스피커 모드에서 일반 스피커 모듈의 음량은 초음파 스피커 모듈에 비하여 상대적으로 크게 조절될 수 있다. 이때 모드 제어부(400)는 일반 스피커 모듈(20)의 이득 조절부(410)를 제어함으로서 일반 스피커에서 전달되는 음량을 제어할 수 있다.
하이브리드 모드에서 하이브리드 초지향성 스피커의 모드 제어부(400)는 일반스피커 모듈(20)과 초음파 스피커 모듈(10) 둘 다 동시에 동작하도록 제어할 수 있다. 하이브리드 모드에서 초음파 스피커 모듈은 특정 방향에 있는 청취자에게만 음파가 전달되도록 동작하고 일반스피커 모듈은 보조적으로 동작할 수 있다. 또는 일반스피커 모듈은 무지향성으로 청취자에게 음파를 전달하고 보조적으로 초음파 스피커 모듈이 특정 방향에 있는 청취자에게만 음파가 전달되도록 동작할 수 있다. 일반 스피커 모듈과 초음파 스피커 모듈의 음량 차이에 대한 균형을 맞추기 위하여 모드 제어부(400)는 일반 스피커 모듈과 초음파 스피커 모듈의 이득을 제어할 수 있다. 모드 제어부(400)는 일반 스피커 모듈의 이득 제어부(410)를 제어하여 초음파 스피커 모듈과의 음량 균형을 맞추거나 초음파 스피커 모듈의 음질개선부(200) 또는 초음파 변조부를 제어하여 일반스피커 모듈과의 음량 균형을 맞추게 된다. 일반적으로 일반 스피커 모듈의 음량이 크기 때문에 이득 조절부(410)는 하이브리드 모드에서 일반 스피커에 공급되는 이득을 줄일 수 있다. 하이브리드 모드에서 초음파 스피커 모듈이 향하는 방향에 위치한 청취자는 초지향성으로 전달되는 소리를 청취함과 동시에 일반 스피커로부터의 소리도 청취하게 된다. 필요에 따라 모드 제어부(400)는 일반 스피커 모듈에 입력되는 오디오 신호를 저주파수 대역만 통과시켜 입력되도록 하여 초지향성 스피커 모듈이 상대적으로 취약한 저주파수 대역의 음질을 일반스피커 모듈이 보완하거나 보강하는 역할을 수행하도록 할 수 있다. 또한 일반 스피커 모듈 내에서 이퀄라이저 등으로 저주파수 대역을 강조함으로서 유사한 기능을 수행하도록 할 수도 있다. 이 경우 필요에 따라 모드 제어부(400)는 초음파 스피커 모듈에 입력되는 오디오 신호를 일정기준 이상의 주파수 대역만 통과시켜 입력되도록 하여 초지향성 스피커 모듈는 고주파수 대역을 재생하고 일반스피커 모듈은 저주파수 대역을 재생함으로서 상호 보완하거나 보강하는 역할을 수행하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 초지향성 초음파 스피커 모듈의 음질개선을 위한 음질개선부(200)를 보다 구체적으로 설명하기 위하여 도 1을 참조하면 본 발명에 따르는 초음파 스피커 모듈은 입력되는 오디오 신호의 음질을 변조 이전에 개선하기 위한 음질개선부(200)와 음질이 개선된 오디오 신호를 초음파 진폭변조하는 초음파변조부와, 초음파 변조된 신호를 공기 중으로 출력하는 초음파 트랜듀서를 포함한다. 필요에 따라 초음파 변조부와 초음파 트랜듀서 사이에는 초음파 증폭부(AMP)가 포함될 수 있다. 이는 초음파 변조부가 초음파 증폭부(AMP)를 이용하여 보다 높은 출력으로 초음파 트랜듀서를 구동시킬 수 있도록 하기 위함이다. 이를 통해 초음파 변조부를 보다 소출력으로 구성할 수 있도록 하여 초음파 스피커 모듈을 경제적으로 구성할 수 있도록 한다.
음질개선부(200)는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 고역통과필터(210);와 고역통과필터(210)를 통과하여 저주파 성분이 제거된 신호를 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 이퀄라이저(220);와 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부(230);와 이퀄라이저(220) 및 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 리미터(240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
고역통과필터(210)(High Pass Filter)는 입력 오디오신호에 포함된 저주파 성분을 제거하기 위한 것이다. 초음파 스피커는 초음파 트랜듀서의 물리적인 한계로 인하여 낮은 주파수 성분을 재생하기 어렵다. 따라서 가장 먼저 고역통과필터(HPF)를 통하여 초음파 스피커에서 재생하기 힘든 저주파 대역을 제거하는 것은 신호 증폭에 필요한 헤드룸(Head-Room)을 확보하고, 낮은 전력으로도 라우드니스(loudness)를 확보하기 위하여 필수적이다.
본 발명에서 사용한 고역통과필터(210)는 도 3에 도시한 바와 같이 2차 IIR 필터(Infinite Impulse Response Filter)로 구현되어 있으며, 컷오프 주파수(cutoff frequency)는 사용된 초음파 트랜듀서의 출력 성능을 기반으로 설정할 수 있다. 초음파 트랜듀서의 출력 성능은 단일 톤 신호를 재생한 가청주파수 신호를 확인함으로서 파악할 수 있다. 본 발명에서 초음파 트랜듀서는 약 150Hz부터 유효한 재생이 가능함을 확인하였으며, 이를 기반으로 컷오프 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 한다. 한편 본 발명에서 고역통과필터(210)는 구현의 용이성을 위하여 2차 IIR 필터 구조를 채용하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자라면 필요에 따라 다양한 구조의 고역통과필터를 채용할 수 있음은 자명하다.
고역통과필터(210)를 통해 저주파 성분이 제거된 신호는 주파수 대역별로 주파수 특성을 보정하기 위한 이퀄라이저(220)(Equalizer)로 입력된다. 이퀄라이저(220)는 초음파 트랜듀서, 초음파 증폭기(AMP) 및 공기중(air column)의 주파수 응답 특성을 보정함과 동시에 명료도 강화를 위하여 사용된다.
도 4에는 디폴트(Default) 값으로 설정된 IIR(Infinite Impulse Response) 이퀄라이저(Equalizer)의 특성곡선을 보여준다. 이퀄라이저는 공기중(Air column)과 초음파 트랜듀서 및 초음파 증폭기(AMP)의 주파수 응답을 평활화할 뿐만 아니라 음성 명료도에 중요한 4kHz 대역 이상을 증폭하도록 설계하였다. 명료도를 높이기 위하여 이퀄라이저 특성곡선은 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
도 8은 이퀄라이저를 적용한 주파수 응답특성을 보여주는 도면이다. 도 8의 좌측 도표는 원음 신호의 주파수 성분을 보여주며, 우측 도표는 원음 신호가 이퀄라이저를 통과한 신호의 주파수 성분을 보여준다. 이퀄라이저를 통하여 하모닉 왜곡을 감소 또는 제거하고 저음부분을 보상할 수 있는 효과가 있다.
이퀄라이저(220)에서 주파수 응답특성이 조정된 신호는 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부(230)로 입력된다. 초음파 스피커의 사용 목적상 특정 사용자에게만 소리를 들리게 하기 위한 높은 지향성뿐만 아니라 재생되는 소리의 레벨(level)을 원하는 목표값(target level)에서 유지하는 것이 필요하다. 음압레벨 보정부(230)는 이를 위하여 필요한 구성으로서 너무 높은 레벨(제 2 레벨)의 신호는 압축(Compressing)하고, 일정 구간 레벨의 신호는 명료도를 향상시키기 위한 메이크업 이득(Make-Up Gain)을 주며, 너무 낮은 레벨(제 1 레벨)의 신호는 재생하지 않도록 제거하는 기능을 수행한다.
도 5는 음압레벨 보정부의 입/출력 레벨에 대한 특성 그래프를 나타낸다. 도 5에 따르면 본 발명의 일실시예에서 음압레벨 보정부의 입/출력 특성은 너무 낮은 레벨의 입력은 재생하지 않도록 제 1 레벨은 약 -83dB 이하로 설정하였고, 너무 높은 레벨의 입력은 압축하도록 제 2 레벨을 -7dB 이상으로 설정하였으며, 그 외의 신호 레벨은 메이크업 이득(Make-up gain)으로 4dB를 적용하였다.
따라서 상기 음압레벨 보정부는 신호 레벨이 제 1 레벨(dB) 이하는 재생하지 않도록 제거하고, 제 2레벨(dB) 이상은 압축하며, 그 외의 신호 레벨은 4dB 이상의 이득을 주는 것을 특징으로 한다.
음압레벨 보정부(230)의 출력은 리미터(240)로 입력된다. 리미터(240)는 이퀄라이저(220) 및 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어한다. 이퀄라이저(220) 또는 음압레벨 보정부(230)에서 발생할 수 있는 시간 영역에서의 신호의 클리핑(clipping)은 주파수 영역에서 하모닉을 생성하여 소리를 왜곡시킬 수 있기 때문이다. 따라서 리미터(240)는 신호 레벨이 특정 임계값(threshold) 이상으로 커지지 않도록 하는데 사용된다.
도 6은 리미터(240)를 적용하기 이전의 파형과 리미터(240) 적용 이후의 파형을 보여준다. 도 6 좌측의 도표에서 0.5 레벨 이상의 신호가 리미터에 입력되면 우측의 도표와 같이 임계값 이상으로 커지지 않도록 조정되어 출력된다.
한편 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음질개선 방법의 흐름도를 보여준다. 본 발명에 따른 초지향성 초음파 스피커 모듈의 음질개선 방법은 고역통과필터(210)를 이용하여 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 제 1단계;, 저주파 성분이 제거된 신호를 이퀄라이저(220)를 이용하여 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 제 2단계;, 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 제 3단계;, 제 2단계 및 제 3단계에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 리미터(240)를 이용하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 제4단계를 포함한다. 상기 제 1단계에서 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 음압레벨을 조절하는 제 3단계는 신호 레벨이 제 1 레벨(dB) 이하는 재생하지 않도록 제거하고, 제 2 레벨(dB) 이상은 압축하며, 그 외의 신호 레벨은 4dB 이상의 이득을 주는 것을 특징한다.
음질개선 방법은 상술한 음질개선부(200)를 포함하는 초지향성 초음파 스피커 장치와 발명의 카테고리만을 달리하고 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
다만 음질개선 방법과 음질개선부는 DSP(Digital Signal Processor)에서 프로그램으로 구현된 수 있으며 PC와 같은 컴퓨터 장치 또는 휴대폰 등에서 앱과 같은 프로그램으로 구현될 수 있다. 이 경우 프로그램은 컴퓨터 판독가능 저장매체에 기록되어 저장되고 컴퓨터, 휴대폰 등과 같은 다양한 장치에서 실행될 수 있으며, 초음파 변조부 및 초음파 트랜듀서는 별도의 장치로 공급될 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명에 따른 하이브리드 초지향성 스피커에 대한 바람직한 실시예를 설명하였다. 전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술 될 특허청구범위에 의하여 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 초음파 스피커 모듈
20 : 일반 스피커 모듈
100 : 초음파 변조부
110 : 초음파 트랜듀서
200 : 음질개선부
210 : 고역통과필터
220 : 이퀄라이저
230 : 음압레벨 보정부
240 : 리미터
400 : 모드 제어부
410 : 이득 조절부
420 : 일반 스피커 증폭부
430 : 일반 스피커
20 : 일반 스피커 모듈
100 : 초음파 변조부
110 : 초음파 트랜듀서
200 : 음질개선부
210 : 고역통과필터
220 : 이퀄라이저
230 : 음압레벨 보정부
240 : 리미터
400 : 모드 제어부
410 : 이득 조절부
420 : 일반 스피커 증폭부
430 : 일반 스피커
Claims (6)
- 하이브리드 초지향성 스피커에 있어서,
상기 하이브리드 초지향성 스피커는 입력되는 오디오 신호를 초음파 변조하고 초음파 트랜듀서를 통하여 공기 중으로 출력하는 초음파 스피커 모듈과, 입력되는 오디오 신호를 일반 스피커를 통하여 공기 중으로 출력하는 일반 스피커 모듈과, 초음파 스피커 모듈과 일반 스피커 모듈을 제어하는 모드 제어부를 포함하고,
상기 모드 제어부는 초음파 스피커만 구동하여 초지향성 스피커로 동작시키는 초지향성 모드, 일반 스피커 모듈만을 구동하여 무지향성의 스피커로 동작시키는 일반 스피커 모드 또는 초음파 스피커와 일반 스피커를 동시에 구동하되 초음파 스피커와 일반 스피커의 음량 차이를 최적화하기 위하여 일반 스피커 모듈 및 초음파 스피커 모듈을 제어하는 하이브리드 모드를 선택할 수 있으며,
상기 초음파 스피커 모듈은 초음파 변조된 신호가 공기 중에서 복조될 때 발생하는 음질 저하를 사전에 보상하기 위하여 입력되는 오디오 신호를 신호처리하여 음질을 개선하는 음질 개선부를 포함하고,
상기 음질개선부는 입력되는 오디오 신호의 저주파 성분을 제거하는 고역통과필터;와 상기 고역통과필터를 통과하여 저주파 성분이 제거된 신호를 주파수 대역별로 응답특성을 보정하는 이퀄라이저;와 상기 주파수 대역별로 응답특성이 보정된 신호의 음압레벨를 조절하는 음압레벨 보정부;와 상기 이퀄라이저 및 상기 음압레벨 보정부에서 발생할 수 있는 신호의 클리핑을 방지하기 위하여 신호의 크기가 특정 레벨 이상 증가하지 않도록 제어하는 리미터;를 포함하며,
상기 고역통과필터에서 제거되는 저주파 성분은 150Hz 이하인 것을 특징으로 하는 하이브리드 초지향성 스피커.
- 청구항 1에 있어서,
상기 초음파 스피커 모듈은 상기 음질 개선된 신호를 초음파 변조하는 초음파 변조부;와
상기 초음파 변조된 신호를 공기중으로 출력하는 초음파 트랜듀서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 초지향성 스피커,
- 청구항 1에 있어서,
상기 일반 스피커 모듈은 입력되는 오디오 신호를 모드 제어부의 제어신호에 따라 이득을 조절하는 이득 조절부;와
상기 이득 조절된 신호를 공기 중으로 출력하는 일반 스피커를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 초지향성 스피커.
- 청구항 3에 있어서,
상기 이득 조절부와 일반 스피커 사이에는 이득 조절부의 출력 신호를 증폭하는 일반 스피커 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 초지향성 스피커.
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