KR102562305B1 - 공진 구조물을 갖는 근거리 오디오 디바이스 - Google Patents

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Abstract

라우드스피커 장치는 제2 위치(P2)보다 제1 위치(P1)에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각은 복수의 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303)에 음향적으로 결합된다. 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된 개구(40, 401, 402, 403)를 포함하고, 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각으로부터 소리를 수신하고 상기 각각의 개구(40, 401, 402, 403)를 통해 소리를 방출하도록 구성된다. 상기 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303) 각각은 각 다른 제1 관형 구조물의 길이와는 다른 길이(l301, l302, l303)를 갖는다.

Description

공진 구조물을 갖는 근거리 오디오 디바이스
본 발명은 공진 구조물을 갖는 근거리 오디오 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향 공진기의 역효과를 완화하고 근거리 오디오 디바이스에 음향 공진 구조물을 적용하는 것에 관한 것이다.
사용자의 신체, 예를 들어, 사용자의 머리, 사용자의 어깨, 또는 사용자의 몸통 어디에나 착용되는 상이한 디바이스들이 알려져 있다. 이러한 디바이스는 소리 재생 수단 또는 소리 재생을 위한 서브 조립체를 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 라우드스피커는 사용자가 디바이스를 착용할 때 사용자의 적어도 한쪽 귀에 가깝게 배열된다. 이러한 오디오 기능으로 인해 이러한 디바이스는 이하에서 오디오 디바이스로 지칭되지만, 디바이스 유형에 따라 이러한 오디오 기능은 디바이스의 주요 기능이 아닐 수 있으며 따라서 디바이스는 종종 오디오 디바이스로 언급되지 않을 수도 있다. 이러한 오디오 디바이스는 사용자의 신체에 착용하도록 설계될 수 있으므로 이 디바이스는 일반적으로 웨어러블(wearable)이라고 지칭될 수 있다. 그러나 사용자가 오디오 디바이스를 사용할 때 이러한 오디오 디바이스에 포함된 적어도 하나의 라우드스피커가 사용자의 신체에 착용되지 않고 사용자의 적어도 한쪽 귀에 가깝게 위치되는 방식으로 여전히 구성된 다른 디바이스들이 알려져 있다. 본 문서의 맥락에서, 사용자의 귀에 가깝게 (예를 들어, 0.5m 미만) 적어도 하나의 라우드스피커를 배치하는 오디오 디바이스는 근거리 오디오 디바이스라고 지칭된다. 특히 이러한 근거리 오디오 디바이스가 외이도의 입구를 포함하여 귀를 벗어나 적어도 부분적으로 열려 있는(가려져 있지 않은) 경우, 저주파 소리를 생성하려면 상대적으로 높은 공기 체적 변위가 필요하다. 이는 일반적으로 적절한 크기와 구성의 라우드스피커로 가능하지만, 이러한 라우드스피커를 포함하는 오디오 디바이스의 전체 크기는 상당히 클 수 있다. 작은 크기의 오디오 디바이스가 필요한 경우 특히 오디오 디바이스가 다루는 소리 주파수 스펙트럼의 특히 저주파 단부에서 음압(sound pressure)을 높이기 위해 다른 조치를 취할 수 있다. 음원(sound source)(예를 들어, 라우드스피커)에 의해 처음 생성된 음압을 증가시킬 수 있는 음향 공진 구조물이 알려져 있다. 예를 들어, 이러한 구조물은 저음 반사형(bass reflex) 라우드스피커, 전송 라인형 라우드스피커 또는 혼(horn) 라우드스피커로 알려진 라우드스피커 시스템의 인클로저에 통합될 수 있다. 유사한 공진 구조물이 적어도 하나의 라우드스피커와 공진 구조물의 적어도 하나의 출력을 사용자의 적어도 한쪽 귀에 가깝게 배치하며 근거리 오디오 디바이스에 통합될 수 있다. 이러한 근접 배치로부터 공진 구조물을 갖는 근거리 오디오 디바이스의 특정 유리하지만 또한 불리한 특성이 발생할 수 있다. 이하에서는 불리한 측면을 완화하면서 유리한 특성을 활용할 수 있는 해결책이 개시된다.
라우드스피커 장치는 제2 위치보다 제1 위치에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커 각각은 복수의 제1 관형 구조물에 음향적으로 결합된다. 상기 제1 관형 구조물 각각은 상기 제1 위치보다 상기 제2 위치에 더 가깝게 배열된 개구를 포함하고, 상기 제1 관형 구조물 각각은 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커 각각으로부터 소리를 수신하고, 대응하는 상기 개구를 통해 소리를 방출하도록 구성된다. 상기 제1 관형 구조물 각각은 각 다른 제1 관형 구조물의 길이와는 다른 길이를 갖는다.
방법은 제2 위치보다 제1 위치에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커로 소리를 방출하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커 각각은 복수의 제1 관형 구조물에 음향적으로 결합된다. 상기 방법은 상기 제1 관형 구조물 각각에서 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커에 의해 방출된 소리를 수신하고, 상기 제1 위치보다 상기 제2 위치에 더 가깝게 배열된 개구를 통해 상기 제1 관형 구조물 각각으로부터 소리를 방출하는 단계를 더 포함한다. 상기 제1 관형 구조물 각각은 각 다른 제1 관형 구조물의 길이와는 다른 길이를 갖는다.
라우드스피커 장치는 제2 위치보다 제1 위치에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커는 적어도 하나의 제1 관형 구조물에 음향적으로 결합되고, 상기 적어도 하나의 제1 관형 구조물은 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커로부터 소리를 수신하고, 상기 제1 위치보다 상기 제2 위치에 더 가깝게 배열된 개구에서 소리를 방출하도록 구성된다. 상기 라우드스피커 장치는 상기 제1 위치보다 상기 제2 위치에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제2 라우드스피커를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커는 적어도 하나의 제1 상쇄 주파수 범위 내에서 상기 적어도 하나의 제1 관형 구조물에 의해 방출되는 적어도 소리의 레벨을 상기 제2 위치에서 감쇠시키는 소리를 방사하도록 구성된다.
방법은 제2 위치보다 제1 위치에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커로 소리를 방출하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커는 적어도 하나의 제1 관형 구조물에 음향적으로 결합된다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 제1 관형 구조물 각각에서 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커에 의해 방출된 소리를 수신하고, 상기 제1 위치보다 상기 제2 위치에 더 가깝게 배열된 개구를 통해 상기 적어도 하나의 제1 관형 구조물 각각으로부터 소리를 방출하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 상기 제1 위치보다 상기 제2 위치에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제2 라우드스피커로 소리를 방출하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커에 의해 방출된 소리는 적어도 하나의 제1 상쇄 주파수 범위 내에서 상기 적어도 하나의 제1 관형 구조물에 의해 방출되는 적어도 소리의 레벨을 상기 제2 위치에서 감쇠시키도록 구성된다.
다른 시스템, 방법, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 도면을 검토할 때 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 추가 시스템, 방법, 특징 및 장점은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있으며, 이하의 청구 범위에 의해 보호되도록 의도된다.
본 방법은 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조하면 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 도면의 구성 요소는 반드시 축척에 맞게 그려진 것은 아니며, 대신 본 발명의 원리를 예시하는 데 강조점이 있다. 더욱이, 도면에서, 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c를 포함하는 도 1은 라우드스피커 장치의 예를 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 도 2d를 포함하는 도 2는 다른 라우드스피커 장치의 예를 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3g를 포함하는 도 3은 또 다른 라우드스피커 장치의 예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 라우드스피커 장치의 성분의 전달 함수(transfer function)의 예시적인 보드 플롯(bode plot)을 개략적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5d를 포함하는 도 5는 예시적인 라우드스피커 장치를 개략적으로 도시한다.
도 6은 라우드스피커 장치의 성분의 상이한 버전의 예시적인 크기 전달 함수를 개략적으로 도시한다.
도 7은 일례에 따른 라우드스피커 장치를 개략적으로 도시한다.
도 8은 다른 예에 따른 라우드스피커 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 다른 예에 따른 라우드스피커 장치를 개략적으로 도시한다.
도 10은 다른 예에 따른 라우드스피커 장치를 개략적으로 도시한다.
도 11은 개별 라우드스피커에 대해 상이한 구동 신호를 갖는 예시적인 라우드스피커 장치의 성분의 전달 함수의 보드 플롯을 개략적으로 도시한다.
도 12는 개별 라우드스피커에 대해 상이한 구동 신호 및 상이한 구동 신호 간의 상대적인 위상 편이를 갖는 예시적인 라우드스피커 장치의 성분의 전달 함수의 보드 플롯을 개략적으로 도시한다.
도 13은 일례에 따른 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 14는 도 13과 동일한 예에 따른 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 15는 필터 전달 함수 및 대역 통과 필터 진폭의 보드 플롯을 개략적으로 도시한다.
도 16은 상이한 라우드스피커 구동 신호를 갖는 라우드스피커 장치의 성분의 예시적인 크기 전달 함수를 개략적으로 도시한다.
도 17은 60° 및 0° 고도에서 HRTF에 대해 직접 소리와 간접 소리 사이의 평균 진폭 차이를 개략적으로 도시한다.
도 18은 일례에 따른 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 19는 다른 예에 따른 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 20은 다른 예에 따른 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 21은 상이한 라우드스피커 구동 신호에 대해 2개의 위치에서 라우드스피커 장치의 예시적인 크기 전달 함수를 개략적으로 도시한다.
도 22는 라우드스피커 구동 신호를 생성하기 위한 제1 필터 및 제1 필터의 전달 함수를 결정하는 데 사용되는 제2 필터의 크기 전달 함수의 보드 플롯을 개략적으로 도시한다.
도 23은 다른 예에 따른 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 24는 사용자가 착용한 헤드폰 장치를 개략적으로 도시한다.
도 25는 헤드폰 장치를 개략적으로 도시한다.
도 26은 일례에 따른 라우드스피커 장치를 개략적으로 도시한다.
도 27은 사용자의 목에 착용될 수 있는 예시적인 근거리 오디오 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 28은 사용자의 목에 착용될 수 있는 예시적인 근거리 오디오 디바이스를 개략적으로 도시한다.
진동하는 (공기) 덩어리(moving mass)에 의해 자유 (외부) 공기에 결합된 부분적으로 밀폐된 공기 체적은 종종 포트형, 통기형 또는 저음 반사형 인클로저로 알려진 인클로저의 라우드스피커용으로 사용된다. 이러한 인클로저의 하나의 동작 이론에 따르면, 진동하는 덩어리는 내부 인클로저 체적을 외부에 결합시키는 임의의 단면 형상을 갖는 관형 구조물 내부의 공기 덩어리이다. 내부 인클로저 체적은 포트 내부의 공기 덩어리와 공진하는 공기 스프링을 제공한다. 저음 반사형 인클로저 구조물을 포함하는 라우드스피커 장치의 개략적인 예가 도 1에 도시되어 있다. 라우드스피커(10)는 인클로저(20) 내에 배열된다. 라우드스피커(10)는 멤브레인(도시되지 않음)을 포함한다. 라우드스피커(10)는 멤브레인의 일측이 인클로저(20)의 내부를 향하고 멤브레인의 타측이 외부를 향하도록 인클로저(20)의 벽에 배열된다. 인클로저(20)는 튜브(30)를 포함한다. 튜브(30)는 또한 저음 반사 포트, 소리 가이드 또는 도파로라고 지칭될 수 있다. 저음 반사 포트(30)는 인클로저(20)의 개구를 형성한다. 저음 반사 포트(30)는 소리 개구(40)를 포함하고, 여기서 소리는 최종적으로 저음 반사 포트(30)로부터 자유 공기로 빠져나간다. 저음 반사 포트(30)는 인클로저(20) 내부에 배열될 수 있고(예를 들어, 도 1a 참조), 또는 인클로저(20) 외부에 배열될 수 있다(예를 들어, 도 1b, 도 1c 참조). 저음 반사 포트(30)는 도 1b에 예시적으로 도시된 바와 같이 비교적 작은 길이(l1)를 가질 수 있다. 그러나, 또한 저음 반사 포트(30)는 인클로저(20)의 치수에 비해 비교적 큰 길이(l2)를 가질 수도 있고, 따라서 이는 인클로저(20)에 거의 맞지 않을 수 있다(예를 들어, 도 1c 참조). 일반적으로 개구를 갖는 인클로저에서 밀폐된 공기 체적의 음향 공진은 헬름홀쯔-응답(Helmholtz-Resonance)이라고 알려져 있다. 포트(30)가 인클로저(20) 내로 돌출되면, 포트(30) 내의 공기는 공기 스프링 대신에 공기 덩어리의 일부로 간주될 수 있다. 따라서, 긴 포트(30)는 공기 스프링을 제공하는 공기 체적의 심각한 감소 없이 인클로저(20)에 통합될 수 없다.
대안적으로 소위 수동 방사기는 진동하는 덩어리를 제공할 수 있다. 수동 방사기는 일반적으로 탄성 또는 탄력 있는 기계 구조물에 의해 내부 공기 체적의 인클로저에 기계적으로 결합된 특정 질량을 갖는 멤브레인을 포함한다. 밀폐된 공기 체적을 외부에 결합하거나 또는 다른 밀폐된 공기 체적에 결합하기 위한 하나 이상의 밀폐된 공기 체적과 하나 이상의 진동하는 덩어리가 있는 라우드스피커의 공진 구조물은 다른 유형의 대역 통과 인클로저로 알려져 있다. 도 2의 개략도에서 알 수 있는 바와 같이, 대역 통과 인클로저(20) 내의 라우드스피커(10)는 자유 공기로 직접 방사되지 않는다. 4차 대역 통과 인클로저(예를 들어, 도 2a 및 도 2b 참조)의 경우, 라우드스피커(10)는 하나의 폐쇄 챔버(20) 및 하나의 통기 챔버(21)에 장착된다. 즉, 라우드스피커 멤브레인의 일측은 폐쇄 인클로저(20)를 향하고, 라우드스피커 멤브레인의 다른 측면은 적어도 하나의 개구(40)를 갖는 인클로저(21)를 향한다. 도 2a에 도시된 예에서, 저음 반사 포트(31)는 인클로저(21) 내로 연장되고, 외부로 개구(41)를 제공한다. 도 2b에 도시된 예에서, 인클로저(21) 외부로 연장되고 외부로 개구(41)를 제공하는 저음 반사 포트(31)가 제공된다. 6차 대역 통과 인클로저(예를 들어, 도 2c 및 도 2d 참조)는, 예를 들어, 2개의 통기 챔버(ventilated chamber)(20, 21)를 제공한다. 이 문맥에서 "통기 챔버"는 적어도 하나의 개구(40, 41)를 갖는 인클로저를 지칭한다. 도 2c에 도시된 예에서, 라우드스피커 멤브레인의 일측은 인클로저(20) 내부로 연장되는 저음 반사 포트(30)를 갖는 인클로저(20)를 향한다. 라우드스피커 멤브레인의 타측은 인클로저(21) 내부로 연장되는 저음 반사 포트(31)를 갖는 제2 인클로저(21)를 향한다. 도 2d에 도시된 예에서, 저음 반사 포트(30, 31)는 각각의 인클로저(20, 21) 외부로 연장되고, 저음 반사 포트의 길이(l30, l31)는 반드시 동일할 필요는 없다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 하나의 저음 반사 포트(30)는 다른 저음 반사 포트(31)의 길이(l31)보다 짧은 길이(l30)를 가질 수 있다. 그러나 이것은 단지 일례일 뿐이다. 저음 반사 포트(30, 31)는 또한 동일한 길이를 가질 수 있다(l30 = l31). 저음 반사형 인클로저와 유사하게 대역 통과 인클로저의 포트 챔버는 인클로저 체적 및 포트 치수에 의해 주로 정해지는 각각의 헬름홀쯔 공진을 포함한다.
음향 공진은 관형 또는 파이프 구조물에서도 발생할 수 있다. 일 단부에서 폐쇄된 임의의 단면 형상을 가진 관형 구조물 또는 파이프가 음향적으로 여기되면, 이는 관형 구조물의 길이의 4배의 파장을 갖는 기본 공진 주파수에서 공진하고(1/4 파장 공진) 기본 공진 주파수의 홀수 정수배에서 공진한다(홀수 차수 고조파). 라우드스피커에서 생성되는 음압 레벨을 증폭하기 위해 특히 기본 공진을 특히 활용하는 라우드스피커 인클로저는 전송 라인형 또는 1/4 파장 라우드스피커 인클로저로 널리 알려져 있다. 이상적인 전송 라인은 어떤 공진도 포함하지 않을 수 있지만 실제 전송 라인은 다수의 공진을 포함하고, 최저 공진은 일반적으로 방사된 소리 에너지를 상승시키는 데 사용된다. 따라서 관형 구조물의 1/4 파장 공진에 의존하는 라우드스피커 인클로저 또는 시스템은 이하에서 전송 라인형 인클로저 또는 라우드스피커라고 지칭된다.
전송 라인형 인클로저의 다른 예시적인 변형이 도 3에 도시되어 있다. 전송 라인형 인클로저는, 예를 들어, 전체 길이(l20)에 걸쳐 일정한 단면적을 갖고, 하나의 개방 단부(개구)(40) 및 하나의 폐쇄 단부를 갖고, 인클로저(20)의 벽에, 예를 들어, 폐쇄 단부에 또는 폐쇄 단부 부근에 장착된 라우드스피커(10)를 갖는 튜브 또는 파이프로 구현될 수 있다(예를 들어, 도 3a 참조). 도 3a에 도시된 예에서, 인클로저(20)는 상부 벽, 하부 벽 및 전방 벽을 포함한다. 상부 벽과 하부 벽은 서로 평행하게 배열되고, 전방 벽은 상부 벽 및 하부 벽에 수직으로 배열되고, 인클로저(20)의 일 단부를 폐쇄한다. 또한 인클로저(20)는 도 3a에 구체적으로 도시되지 않는 측벽을 포함한다. 인클로저(20)는 제2 단부에서 개방되어 있으며, 즉 인클로저(20)는 후방 벽을 포함하지 않는다. 테이퍼진 변형은 단면적을 인클로저(20)(파이프)의 개방 단부(40)(예를 들어, 도 3b 참조) 쪽으로 또는 폐쇄 단부(예를 들어, 도 3c 참조) 쪽으로 좁힐 수 있다. 도 3b에 도시된 예에서 상부 벽과 하부 벽은 서로 평행하게 배열되지 않는다. 폐쇄 단부에서 상부 벽과 하부 벽 사이의 거리는 인클로저(20)의 개방 단부(40)에서 상부 벽과 하부 벽 사이의 거리보다 크다. 도 3c에 도시된 예에서, 인클로저(20)는 상부 벽과 하부 벽을 포함하지만 전방 벽을 포함하지는 않는다. 상부 벽과 하부 벽은 서로 평행하게 배열되지 않는다. 폐쇄 단부에서 상부 벽과 하부 벽 사이의 거리는 인클로저(20)의 개방 단부(40)에서 상부 벽과 하부 벽 사이의 거리보다 작다. 특히 상부 벽과 하부 벽은 인클로저(20)의 폐쇄 단부에 직접 서로 연결될 수 있다. 도 3d에 도시된 예는 도 3a의 예와 유사하며, 라우드스피커(10)는 전방 벽 대신 상부 벽에 배열된다.
적어도 하나의 라우드스피커(10)는 파이프(인클로저)(20)의 폐쇄 단부에 또는 폐쇄 단부 근처에 장착될 수 있고 또는 파이프의 길이방향 축을 따라 어딘가에 장착될 수 있다(예를 들어, 도 3c 및 도 3d 참조). 도 3a 및 도 3b에 도시된 예에서, 하나의 라우드스피커(10)가 인클로저(20)의 전방 벽에 배열된다. 도 3c 및 도 3d에 도시된 예에서, 예를 들어, 하나의 라우드스피커(10)가 인클로저(20)의 상부 벽에 배열된다. 그러나 이들은 단지 일례일 뿐이다. 적어도 하나의 라우드스피커(10)는 인클로저(20)의 상부 벽, 하부 벽, 전방 벽 또는 측벽에 장착될 수 있다.
통기형 파이프의 기하 형상은 전송 라인의 제한된 출력을 제공하고(예를 들어, 도 3e 참조), 이에 의해 또한 파이프의 기본 1/4 파장 공진보다 낮을 수 있는 헬름홀츠 공진을 도입한다. 도 3e의 예에서, 인클로저(20)는 개구를 갖는 후방 벽, 및 인클로저(20)의 후방 벽의 개구에 결합된 저음 반사 포트(30)를 포함한다. 소리는 저음 반사 포트(30)의 개구(40)를 통해 인클로저(20)를 떠날 수 있다. 이는 도 3f에 도시된 바와 같이 전송 라인 파이프 앞에 비교적 작은 결합 챔버를 갖는 경우에도 동일하게 적용된다. 도 3e의 예에서 인클로저(20)의 길이(l20)는 저음 반사 포트(30)의 길이(l30)에 비해 크지만, 인클로저(20)의 길이(l20)는 도 3f에 도시된 예에서 저음 반사 포트(30)의 길이(l30)에 비해 비교적 작다. 도 3g는 고차 파이프 공진을 댐핑시킬 수 있는 결합 챔버(저음 반사 포트(30)) 및 중간 챔버(제2 인클로저(22))를 갖는 전송 라인(인클로저(20))을 도시한다. 도 1 내지 도 3은 매우 일반적으로 매우 간단한 방식으로 다양한 인클로저 원리를 보여준다. 인클로저, 포트 및 파이프의 단면적은 일반적으로 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 인클로저는 특정 벽 구획을 포함하지 않을 수 있고, 적어도 부분적으로 연속 벽 형상(예를 들어, 원통형, 구형)을 가질 수 있다.
도 3e 및 도 3f의 예시적인 전송 라인형 인클로저를 도 1c의 저음 반사형 인클로저와 비교하면, 이러한 모든 예는 전송 라인형 인클로저 또는 저음 반사형 인클로저로 설명될 수 있는 것으로 보인다. 전송 라인형 인클로저와 저음 반사형 인클로저 사이의 경계는 일반적으로 유동적이다. 최저 공진은 일반적으로 저주파를 향상시키는 데 사용되므로 하나의 가능한 구별은 이 공진 특성일 수 있다. 헬름홀쯔 공진은 저음 반사형 인클로저를 특징짓는 것으로 볼 수 있으며, 1/4 파장 공진은 전송 라인형 인클로저를 특징짓는 것으로 볼 수 있다. 종종, 포트 또는 파이프 길이, 또는 일반적으로 인클로저 내 최대 내부 치수에 따라 적어도 1/4 파장 공진이 제외될 수 있다. 그러나 이러한 공진이 겹치도록 기하 형상을 선택할 수 있다. 추가적으로 2가지 공진 유형은 결합 체적이 있는 상대적으로 긴 포트 또는 파이프의 조합에 의해 영향을 받는다. 2가지 공진 유형의 경우 일반적인 공진 주파수(각각 1/4 파장 또는 헬름홀쯔)는 라우드스피커 뒤의 결합 체적 또는 긴 포트 길이에 의해 각각 상당히 편이될 수 있다. 그 결과 공진 주파수를 계산하기 위한 표준 수식은 정확한 결과를 제공하지 못할 수 있다. 상대적으로 긴 포트 또는 파이프와 결합된 라우드스피커 뒤의 후방 체적에 대한 실제 공진 주파수는 일반적으로 표준 헬름홀츠 공진 수식 또는 파이프의 1/4 파장 공진에 의해 예측된 것보다 낮다. 이는 긴 포트 또는 큰 인클로저 체적을 위한 공간이 제한된 근거리 오디오 디바이스에 유리할 수 있다. 그러나 이것은 전송 라인형 또는 저음 반사형 인클로저로서 인클로저의 분류를 복잡하게 할 수 있다.
저음 반사 포트의 모든 관형 공진과 전송 라인의 기본 공진 주파수를 초과하는 관형 공진은 각각의 인클로저에서 라우드스피커에서 방출되는 전방 소리를 방해하므로 일반적으로 포트형 및 전송 라인형 라우드스피커에서 불리하다. 또한 이러한 공진은 감쇠 시간(decay time)이 길어 음질을 저하시킬 수 있다. 마지막으로, 이러한 공진은 저조파 주파수(subharmonic frequency)에 의해 여기되어 고조파 왜곡을 유발할 수 있다. 따라서 이러한 공진을 줄이거나 댐핑시키는 다수의 기술이 알려져 있다. 전송 라인형 라우드스피커의 경우, 기본 전송 라인 공진 주파수는 음압 증폭에 사용되기 때문에 일반적으로 댐핑되지 않거나 더 높은 공진 주파수만큼 댐핑되지 않는다. 저음 반사형 라우드스피커의 경우 헬름홀쯔 공진은 일반적으로 댐핑되지 않는 반면, 포트 공진은 다른 한편으로 댐핑된다. 대부분의 댐핑 기술은 이러한 모든 공진에 영향을 미치는 반면, 다른 기술은 특정 주파수 영역으로 제한된다. 모든 공진을 댐핑시키는 기술 중에는, 정도의 차이는 있지만, 예를 들어, 인클로저 및/또는 포트 또는 파이프에 댐핑 재료를 적용하는 것, 파이프 또는 포트의 길이 방향 축을 따른 단면적 변화, 및 길이방향 축을 따라 파이프 또는 포트의 굽힘 또는 접힘 등이 있다. 전송 라인에서 파이프의 길이 방향 축을 따라 특정 상대 위치에 하나 이상의 라우드스피커를 배치하면 라우드스피커 위치에 따라 특정 주파수 영역에서 공진을 피하거나 댐핑시킬 수 있다. 특정 공진 주파수를 댐핑하기 위해, 예를 들어, 스터브 파이프, 헬름홀쯔 흡수기 또는 다른 공진 구조물이 예를 들어 포트 또는 파이프 내의 압력 노드에 적용될 수 있다.
예로서, 도 4는 라우드스피커(10)(예를 들어, 도 3f 참조)의 후면에서 4.2㎤의 작은 체적(인클로저(20))에 결합된 4㎜ 직경을 갖는 19.5㎝ 길이 튜브(저음 반사 포트(30))로부터의 출력(튜브, 점선)뿐만 아니라, 라우드스피커(10)로부터의 직접 출력(SPK, 파선), 및 이 둘 모두의 음향 합(합, 실선)을 도시한다. 186Hz에서 라우드스피커 출력(SPK)의 국소 최소값은 튜브(30)와 후방 체적(20)의 조합이 이 주파수에 동조된 헬름홀츠 공진기로 작용하는 것을 나타낸다. 주어진 챔버 체적 및 포트 파라미터를 사용하여 다음 수식을 사용하여 헬름홀츠 공진 주파수를 대략적으로 계산할 수 있다:
(2.1)
수식 2.1은 주어진 예에서 약 212Hz의 결과를 초래하고, 여기서 S는 튜브의 단면적이고, L'는 단부 보정을 갖는 튜브의 길이(l30)(L'= L + 1.7*r)이고, V는 스피커 챔버(20)의 체적이고, r은 튜브(30)의 직경이다. 측정된 헬름홀츠 공진 주파수는 계산된 주파수보다 약 14% 낮고, 이는 최종 보정이 적절히 작용하지 않거나 또는 상대적으로 긴 저음 반사 포트의 경우 공진 주파수를 계산하는 데 일반적으로 충분치 않다는 것을 시사한다. 또한 튜브 출력에서 다수의 포트 공진을 대략적으로 볼 수 있다:
f = n * c/((2 * L)) (2.2),
여기서 n은 양의 정수이고, c는 음속이고, L은 튜브(30)의 길이(l30)이다. 이것은 튜브(30)가 대략적으로 양쪽 단부에서 개방된 원통형 (관형) 공진기로 작용하는 것을 의미한다. 라우드스피커 출력은 기본 튜브 공진 주파수(λ/2)뿐만 아니라 헬름홀츠 공진 주파수에서 국소 최소값을 포함하지만, 고차 튜브 공진의 효과는 무시할 수 있다는 것을 보여준다. 그러나 튜브와 라우드스피커 출력의 음향 합은 처음 5개 포트 공진에 의해 심하게 변조되는데, 이는 폐쇄형 라우드스피커에 비해 명백한 단점이며 양호한 오디오 성능을 위해 해결되어야 한다.
튜브 출력(40)과 직접 라우드스피커 출력 사이의 위상 반전으로 인해, 음향 합은 약 165Hz에서 튜브 출력 레벨 아래로 떨어져, 주파수가 감소함에 따라 신속히 감소한다. 크기 응답의 이러한 가파른 저주파 롤오프(frequency roll-off)는 폐쇄형 라우드스피커에 비해 저음 반사형 라우드스피커의 또 다른 단점이다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 가파른 롤오프는 귀에 가까운 라우드스피커 및 공진기 출력 위치의 특정 특성으로 인해 완화될 수 있다. 헬름홀쯔 공진 주파수 주변에서 포트 출력은 라우드스피커 출력보다 훨씬 높고, 이는 라우드스피커 편위가 폐쇄형 라우드스피커에서보다 포트형 라우드스피커 및 임의의 주어진 음압 레벨에서 훨씬 낮다는 것을 의미한다. 따라서 포트 공진 및 가파른 저주파 진폭 롤오프의 불리한 효과를 적어도 완화하면서 헬름홀쯔 공진 주파수 주변의 저음 레벨을 상승시키는 것이 바람직하다.
포트 공진뿐만 아니라 포트를 통한 일반적인 고주파 누설은 포트 대신 수동 방사기를 사용함으로써 피할 수 있다. 그러나 수동 방사기에는 몇 가지 단점도 있다. 능동 라우드스피커보다 더 큰 소리 출력을 제공하려면 공기 체적 변위가 더 높아야 하므로 더 큰 멤브레인 및/또는 더 높은 멤브레인 편위가 필요하다. 따라서 수동 방사기의 결과적인 치수는 특히 웨어러블 디바이스의 경우 엄청날 수 있다. 또한, 수동 방사기는 종종 원하는 공진 주파수와 편위를 달성하기 위해 상대적으로 높은 멤브레인 무게를 필요로 한다. 움직이는 덩어리의 충격으로 일반적으로 가벼운 웨어러블 디바이스는 사용자의 눈에 띄게 진동할 수 있다. 이 진동은 사용자에게 방해가 될 수 있으며 음원 위치를 드러낼 수 있으며, 이는 가상 음원이 적절한 신호 처리 방법에 의해 합성되어 사용자가 오디오 디바이스에서 먼 것으로 인식하는 경우 바람직하지 않을 수 있다.
전송 라인형 라우드스피커는 일반적으로 원하지 않는 고차 파이프 공진에 관한 저음 반사 포트와 유사한 문제를 겪는다. 이러한 파이프 또는 포트 공진을 댐핑시키는 다수의 방법이 알려져 있다. 일반적으로 이러한 댐핑 기술은 원하는 공진(예를 들어, 헬름홀쯔 공진 또는 1/4 파장 공진 중 더 낮은 쪽)에는 거의 영향을 주지 않으면서 원하지 않는 공진을 댐핑시키는 데 필요하다. 대부분의 댐핑 기술은 이러한 모든 공진에 영향을 미치며, 일부는 특정 협대역 주파수 영역으로 제한된다. 아래에 제안된 수동 댐핑 방법은 일반적으로 헬름홀쯔 공진에 거의 영향을 주지 않으면서 포트 또는 파이프 공진을 댐핑시키는 데 매우 효과적이다. 따라서 이는 최저 공진이 헬름홀츠 공진인 임의의 공진기 구현에 사용될 수 있다. 예를 들어 100Hz 아래의 1/4 파장 공진에는 상당한 파이프 길이가 필요하며, 포트 길이가 더 짧아서 더 낮은 주파수에 동조될 수 있는 헬름홀쯔 공진은 대부분의 실제 사례에서 가장 낮다(예를 들어, 포트, 파이프 또는 인클로저의 최저 1/4 파장 공진보다 낮다). 따라서 새로운 댐핑 방법은 웨어러블 근거리 오디오 디바이스에서 대다수의 사용 가능한 공진 구조물에 적용될 수 있다.
제안된 댐핑 기술의 기본 개념은 도 5에 도시되어 있고, 도 5a 내지 도 5d에서 4개의 예시적인 구현 변형을 도시한다. 단일 포트 또는 파이프(30)(예를 들어, 도 1 및 도 2 참조) 대신, 길이가 다른 다수의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)가 제공된다. 도 5a 내지 도 5d의 예는 인클로저(20)마다 3개의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)를 도시하지만, 임의의 개수(m)의 포트 또는 파이프가 적용될 수 있고, 여기서 m ≥ 2이다. 즉, 각각의 인클로저(20)는 적어도 하나의 개구를 갖고, 하나 이상의 저음 반사 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 각각의 개구에 결합된다. 따라서 소리는 둘 이상의 상이한 포트 또는 파이프(301, 302, 303)를 통해 인클로저(20)를 떠날 수 있다. 각각의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 나머지 포트 또는 파이프(301, 302, 303) 각각의 길이와는 다른 길이(l301, l302, l303)를 갖는다. 즉, l301 ≠ l302 ≠ l303이다. 길이(l30m)의 차이는 다른 방식으로 달성될 수 있다. 다수의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 다양한 기계적 정렬이 도 5에 예시적으로 도시되어 있다. 포트 또는 파이프 입력뿐만 아니라 포트 또는 파이프 출력(401, 402, 403)은 각각의 평면 내에 정렬되고/되거나 서로 근접하게 위치될 수 있다. 이들 출력은 하나의 공통 입력 또는 출력에서 결합될 수 있고 또는 별도의 입력 또는 출력을 포함할 수 있다. 포트 또는 파이프 입력 및 포트 또는 파이프 출력(401, 402, 403)의 상대적 배치는 특히 더 높은 주파수 쪽 포트 또는 파이프 공진의 댐핑에 영향을 미칠 수 있다. 주어진 라우드스피커 시스템에서 원하는 댐핑 결과의 적절한 배치는 예를 들어 경험적으로 선택되거나 음향 시뮬레이션에 기초할 수 있다.
도 5a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 상이한 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 각각의 길이방향 축을 따라 상이한 곡률 또는 경사를 포함할 수 있다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 입력이 서로 가깝게, 예를 들어, 서로 인접하게 위치되고, 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 출력(401, 402, 403)이 서로 가깝게, 예를 들어, 서로 인접하게 위치되면, 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 상이한 곡률 또는 경사는 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 상이한 길이(l301, l302, l303)를 초래할 수 있다. 도 5a에 도시된 예에서, 포트 또는 파이프(302) 중 하나는 직선 튜브로 도시되어 있다. 이것은 단지 설명을 위한 것일 뿐이다. 일반적으로, 모든 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 만곡된 튜브일 수 있다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 헤드폰 장치와 같은 라우드스피커 디바이스에 통합되거나 또는 예를 들어, 사용자의 상체 어디에서나 착용될 수 있는 라우드스피커 디바이스에 통합될 수 있으며, 상이한 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 곡률은 적어도 부분적으로 각각의 라우드스피커 디바이스의 기하 형상에 의존할 수 있다. 예를 들어, 상이한 포트 또는 파이프가 상이한 곡률 또는 경사로 서로 나선형으로 연장될 수도 있다.
도 5b에 도시된 예에서, 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 출력(401, 402, 403)은 서로 인접하게 배열된다. 모든 포트(301, 302, 303)는 수평 방향으로 축을 따라 서로 평행하게 연장된다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)가 다시 직선 튜브로 구현되는 것은 일례일 뿐이다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 대안적으로 동일한 곡률 또는 경사를 갖는 서로 평행하게 연장되는 만곡된 또는 각진 튜브로 구현될 수 있다. 그러나 인클로저(20) 내의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 입력은 서로 바로 인접하게 배열되지 않는다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 다른 각도로 인클로저(20) 내로 연장된다. 그 결과 포트(301, 302, 303)의 길이가 달라진다.
도 5c에 도시된 예에서, 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 입력은 서로 인접하게 배열된다. 모든 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 수평 방향으로 축을 따라 서로 평행하게 연장된다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)가 다시 직선 튜브로 구현되는 것은 일례일 뿐이다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 대안적으로 동일한 곡률 또는 경사로 서로 평행하게 연장되는 만곡된 또는 각진 튜브로 구현될 수 있다. 그러나 인클로저(20) 외부의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 출력(401, 402, 403)은 서로 바로 인접하게 배열되지 않는다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 다른 각도로 인클로저(20) 외부로 연장된다. 이는 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 다른 길이를 초래한다.
도 5d에 도시된 예에서, 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 입력 및 출력(401, 402, 403)은 모두 서로 바로 인접하게 배열되지 않아서 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 길이(l301, l302, l303)가 다르다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)가 다시 직선 튜브로 구현되는 것은 단지 일례일 뿐이다. 포트 또는 파이프(301, 302, 303)는 대안적으로 동일한 곡률 또는 경사로 서로 평행하게 연장되는 만곡된 또는 각진 튜브로 구현될 수 있다. 분명히, 다른 곡률 또는 경사를 가진 포트 또는 파이프는 공간적으로 분산된 입력 및/또는 출력을 추가로 포함할 수 있으며, 따라서 길이 방향 축을 따라 다른 길이를 가질 수 있다.
다수의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 단면적 및 길이의 조합에 일반적인 제한은 없지만, 다중 포트 설정을 위해 특정 후면 인클로저 체적과 함께 단일 포트에서 제공하는 헬름홀쯔 공진을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이는 단일 포트에서 헬름홀쯔 주파수를 동조시키고 이 헬름홀쯔 주파수와는 독립적으로 후속 포트 공진을 댐핑시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 특정 유형의 전송 라인형 인클로저 및 저음 반사형 인클로저는 모두 각각 파이프 또는 포트에 의해 자유 공기에 결합된, 하나 이상의 라우드스피커(들) 뒤의 공기 체적을 특징으로 할 수 있다. 이는 또한 다수의 포트 또는 파이프가 결합되는 공통 체적을 포함하는 다중 포트 또는 다중 파이프 설정의 경우일 수 있다. 후자의 경우, 인클로저의 최저 공진은 포트(들) 또는 파이프(들)를 포함하는 인클로저의 치수에 기초하여 최저 가능한 1/4 파장 주파수에서 발생하는 주파수보다 낮은 주파수에서 발생할 수 있다. 다른 한편으로, 적어도 하나의 라우드스피커와 하나 이상의 상대적으로 긴 포트(들) 뒤에 후면 체적이 있는 인클로저 구조물의 최저 공진 주파수는 심지어 순수 헬름홀츠 공진의 경우일 수 있는 주파수보다도 낮을 수 있고, 여기서 포트 내 공기는 하나의 진동하는 덩어리로 간주된다. 따라서 이러한 특정 공진 유형 중 그 어느 것도 인클로저 구조물 내의 실제 공진에 완벽하게 적용되지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고 헬름홀츠 공진이라는 용어는 이하에서 하나 이상의 라우드스피커 뒤 및 이 라우드스피커에 연결된 모든 파이프 또는 포트 내 공기 체적의 공통 공진을 위해 적용된다. 이 공진은 인클로저 구조물의 최저 음향 공진일 수 있다.
단일 포트 또는 파이프(30)에서 얻어진 것과 거의 동일한 헬름홀츠 공진 주파수를 유지하기 위해, 다수의 포트 또는 파이프(301, 302, 303) 각각의 (평균) 포트 단면적은 동일할 수 있고 그 합은 단일 포트 또는 파이프(30)의 (평균) 단면적과 동일할 수 있다. 또한, 다수의 포트 또는 파이프(301, 302, 303)의 평균 길이는 단일 포트 또는 파이프(30)의 길이(l30)와 동일할 수 있다. 예로서, 도 6은 각각 동일한 단면적과 상이한 길이(l30m)의 1개의 포트(D7 L33), 3개의 포트(D4 L28/33/38) 및 6개의 포트(D3 L28/30/32/34/36/38)를 사용한 포트 공진 댐핑 결과를 보여준다. 도 6은 앞서 언급한 포트 조합의 출력에 대해 측정된 크기 응답을 보여준다. 포트 조합마다 각 단면적의 합과 포트 조합마다 모든 결합된 포트의 평균 길이는 거의 동일하다. 볼 수 있는 바와 같이 이 경우 약 90Hz에서 헬름홀쯔 공진인 최저 공진 주변의 크기 응답은 영향을 받지 않는다. 단일 포트(30)에 존재하는 정수배뿐만 아니라 약 485Hz에서 기본 포트 공진은 약 2425Hz에서 최대 5차 고조파까지 두 다중 포트 설정에 의해 댐핑된다.
일반적으로, 포트 길이(l30m)가 변하는 범위는 단일 포트(30)에 비해 댐핑되는 각 포트 공진 주변의 주파수 범위에 영향을 미친다. 전체 길이 변동 범위에 걸쳐 포트 수(m)와 길이(l30m)의 분포는 댐핑된 주파수 영역의 크기 리플(ripple)에 영향을 미칠 수 있다. 도 6에 도시된 예의 경우, 포트 길이(l30m)는 전체 길이 변동 범위에 걸쳐 선형으로 이격되었고, 이는 두 다중 포트 설정에 대해 동일하였다. 그 결과, 6개의 포트(m = 6)가 있는 변형은 3개의 포트(m = 3)가 있는 예보다 단일 포트(30)(m = 1)의 포트 공진 주변 댐핑 영역에서 더 낮은 리플을 보여준다. 댐핑된 주파수 범위 내에서 약간 낮은 리플의 경우 로그 포트 길이 간격을 선택할 수 있다. 개별 포트 길이는 예를 들어 평균 포트 길이의 ±5%와 ±35% 사이에서 변할 수 있다.
전송 라인 파이프의 길이(l30m)와 저음 반사 포트(30m)가 각각의 공진 구조물의 공진 주파수에 영향을 미치기 때문에, 이러한 길이(l30m)는 원하는 최저 공진 주파수를 위해 적절히 선택될 수 있다. 일반적으로, 포트 또는 파이프 길이(l30m)는 최저 공진 주파수가 낮아질수록 길어진다. 저음 반사형 인클로저 및 다양한 전송 라인형 인클로저, 예를 들어, 도 3f에 도시된 결합 챔버가 있는 전송 라인형 인클로저의 경우, 포트 또는 파이프(30m)의 단면적은 최저 공진 주파수가 헬름홀쯔 공진으로 구성되는 경우 최저 공진 주파수에 영향을 또한 미친다. 이러한 경우, 저음 반사 포트 또는 파이프의 단면적이 작아질수록 최저 공진 주파수가 낮아진다. 과도한 왜곡 및 공기 잡음을 피하기 위해 이러한 경우 중 임의의 경우에 특정 최소 단면적이 필요하므로 필요한 포트 또는 전송 라인 길이(l30m)는 원하는 공진 주파수에 대해 상대적으로 클 수 있다.
전송 라인형 라우드스피커 인클로저의 파이프 및 포트형 인클로저의 포트는 원하는 인클로저 형상에 맞추기 위해 길이방향 축을 따라 종종 구부러지거나 접힌다. 두 경우 모두 단면 형상과 면적은 일정하거나 또는 길이 방향 축을 따라 변할 수 있다. 긴 파이프 또는 포트가 있는 라우드스피커 인클로저를 오디오 디바이스의 형상에 통합하기 위해 포트 또는 파이프는 이 디바이스 내에서 구부려지거나 접힐 수 있다. 예를 들어 사용자의 목이나 머리에 착용하도록 설계될 수 있는 웨어러블 오디오 디바이스의 경우, 자연스러운 선택은 포트나 파이프를 구부리거나 접어서 사용자의 목이나 머리 부분을 감싸도록 하는 것일 수 있다. 이것은 공진 구조물을 구동하는 임의의 라우드스피커(10)뿐만 아니라 포트 또는 파이프 출력(40m)이 동일한 귀에 가깝게 위치되도록 구현될 수 있다. 그 결과, 주로 한쪽 귀에 소리를 공급하는 일반적인 저음 반사형 또는 전송 라인형 시스템이 얻어진다. 이것은 라우드스피커(10) 뒤의 인클로저(20) 내의 후방 체적을 자유 공기에 결합시키는 접힌 관형 구조물(30)을 도시하는 도 7에 예시적으로 도시되어 있다. 자유 공기를 향한 튜브(30)의 개구(40)는 라우드스피커(10)에 가깝거나 인접하게 위치된다. 라우드스피커(10) 및 자유 공기를 향한 튜브 개구(40)는 모두 주로 제2 위치(P2)보다 라우드스피커(10) 및 개구(40)에 더 가까운 제1 위치(P1)에 소리를 공급한다. 도 7의 치수는 축척에 맞게 그려진 것이 아니고, 도 7은 주로 원칙적으로 2차원 도면에 의한 3차원 배열을 나타내지만 거리(d11 및 d12)는 이것을 상징적으로 나타낸다. 라우드스피커(10)와 제1 위치(P1) 사이 또는 튜브(30)의 출력(40)과 제1 위치(P1) 사이의 거리(d11)는 라우드스피커(10) 또는 튜브(30)의 출력(40)과 제2 위치(P2) 사이의 거리(d12)보다 상당히 짧다. 튜브(30)의 출력(40)과 제1 위치(P1) 사이의 거리와 라우드스피커(10)와 제1 위치(P1) 사이의 거리는 반드시 동일할 필요는 없다. 그러나, 두 거리는 모두 제2 위치(P2)까지의 각각의 거리보다 상당히 짧을 수 있다. 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2)는 사용자가 도 7에 도시된 인클로저 구조물을 포함하는 오디오 디바이스를 착용하고 있을 때 사용자의 귀의 일반적인 위치일 수 있다.
다른 예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 라우드스피커(10)는 사용자의 제1 귀(제1 위치(P1))에 가깝게 배열될 수 있고, 포트 또는 파이프 출력(40)은 사용자의 제2 귀(제2 위치(P2))에 가깝게 배열될 수 있다. 즉, 포트(30)의 개구(40)는 라우드스피커(10)로부터 멀리 배열된다. 라우드스피커(10)와 제1 위치(P1) 사이의 거리(d11)는 라우드스피커(10)와 제2 위치(P2) 사이의 거리(d12)보다 상당히 짧을 수 있다. 포트(30)의 출력(40)과 제2 위치(P2) 사이의 거리(d22)는 포트(30)의 출력(40)과 제1 위치(P1) 사이의 거리(d21)보다 상당히 짧을 수 있다. 이것은 튜브(30)의 접힘이 필요하지 않을 수 있기 때문에 비교적 긴 관형 구조물, 특히 웨어러블 오디오 디바이스에 기계적으로 통합하는 데 이점을 제공할 수 있다. 추가적으로 포트와 라우드스피커의 위상이 어긋난 신호가 각 귀에서 음향적으로 상쇄되지 않으므로 일반적인 저음 반사형 인클로저와 전송 라인형 인클로저의 가파른 저주파 크기 롤오프를 피할 수 있다. 대신 이러한 신호는 각각의 귀에 의해 개별적으로 인식되고, 사용자의 청각 시스템에서 결합된다. 좌측 귀와 우측 귀의 음량 레벨은 사용자에 의해 수신된 더 높은 바이노럴 음량 레벨(binaural loudness level)에 유리하게 추가될 수 있다. 그러나 좌측 귀와 우측 귀 사이의 위상 반전은 사용자가 인식하는 음질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 원거리 스피커(10) 및 포트 출력(40)을 갖는 포트형 라우드스피커에 추가하여, 제2 음원(14), 예를 들어, 폐쇄형 라우드스피커는 예시적으로 도 9에 도시된 바와 같이 포트 출력(40)에 가깝게 추가될 수 있다. 도 9의 실시형태는 본질적으로 도 8에 도시된 실시형태와 유사하다. 그러나, 도 9의 배열은 제2 라우드스피커(14)가 내부에 장착된 제2 인클로저(24)를 포함한다. 제2 인클로저(24)는 어떠한 개구도 포함하지 않는다. 제2 라우드스피커(14)는 포트(30)의 개구(40)에 인접한 위치로부터 소리를 방사한다. 포트(30)의 개구(40) 및 제2 라우드스피커(14)는 제1 위치(P1)보다 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된다. 튜브 출력(40)의 위상 및 추가 제2 라우드스피커(14)는 개별적으로 제어될 수 있기 때문에, 라우드스피커 신호 및 포트 출력은 포트형 라우드스피커(10)의 최저 공진보다 훨씬 낮게 음향적으로 합산되도록 제어될 수 있다. 더욱이, 이러한 설정은 제2 라우드스피커(14)가 이러한 공진에 대한 보상 또는 상쇄 신호를 제공하도록 제어될 수 있기 때문에 포트 또는 파이프 공진의 더 나은 제어를 잠재적으로 제공한다. 포트 출력(40)에서 공진 피크를 억제하는 임의의 등화는 라우드스피커 출력에 원치 않는 노치를 초래할 수 있기 때문에 포트형 라우드스피커(10) 단독으로는 공진이 불가능하다. 이것은 별도의 제2 라우드스피커(14)의 경우는 아니다. 더욱이, 도 9의 배열은 또한 제2 라우드스피커(14)가 다루는 적어도 주파수 범위에 걸쳐 스테레오 신호의 재생을 허용한다. 그러나, 포트형 라우드스피커(10)로부터의 포트 누출의 단점이 있으며, 이는 이 라우드스피커(10)로부터 다른 귀(P2)로의 누화를 증가시켜 스테레오 분리를 감소시킨다. 좌측 귀(P1)와 우측 귀(P2) 사이의 위상 반전은 사용자의 음질 인식에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다.
마지막으로, 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 포트형 인클로저(20)의 포트는 제2 포트형 인클로저(24)의 라우드스피커(14)에서 끝날 수 있고 그 반대로 될 수도 있다. 제1 인클로저(20)의 라우드스피커(10) 및 제2 인클로저(24)의 포트(44)는 제1 위치(P1)에 가깝게 위치될 수 있고, 제2 인클로저(24)의 라우드스피커(14) 및 제1 인클로저(20)의 포트(40)는 제2 위치(P2)에 가깝게 위치될 수 있다. 도 7 내지 도 9의 예에서와 같이, 위치(P1 및 P2)는 도 10의 라우드스피커 시스템을 포함하는 근거리 오디오 디바이스를 사용하는 동안 사용자 귀의 일반적인 위치일 수 있다. 도 10의 라우드스피커 장치를 사용하면, 라우드스피커 신호와 각각의 인접한 포트 출력 신호의 상대 위상은 최저 인클로저 공진 아래에서 더 나은 합산을 위해 제어될 수 있다. 그러나, 도 9의 배열과 반대로, 도 10의 배열은 라우드스피커(10, 14) 및 포트(30, 34)의 교차 결합을 포함하며, 이는 라우드스피커 신호의 임의의 위상 변화가 각 인클로저(20, 24)의 포트 출력(40, 44)의 위상 변화를 포함하는 것을 의미한다. 따라서, 단일 라우드스피커의 위상 변화는 두 위치(P1 및 P2)에서 각각의 라우드스피커와 포트 출력 신호의 신호 합산에 영향을 미친다. 이것은 라우드스피커 간의 상대 위상을 조작하는 데 제한을 부과할 수 있다.
도 7 내지 도 10에서, 인클로저(20, 24) 각각에 대해 단 하나의 포트 또는 파이프(30, 34)만이 도시되어 있다. 그러나 이것은 단지 일례일 뿐이다. 또한, 각각의 인클로저(20, 24)는 상기 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이, 2개 이상의 포트 또는 파이프(301, 302, 303, 341, 342, 343)로 구현될 수 있다.
도 10의 교차 결합 공진 인클로저 배열의 한 가지 이점은, 라우드스피커와 인클로저가 본질적으로 음향적으로 동일한 경우, 두 위치(P1 및 P2)에서 일반적으로 동일한 동적 헤드룸 또는 최대 음압 레벨을 이용 가능하다는 것이다. 원칙적으로, 이는 두 위치(P1, P2)에서 동일한 소리 신호 레벨을 생성할 수 있게 하지만, 두 인클로저(20, 24)의 라우드스피커(10, 14) 사이의 상대 위상의 변화는 양쪽에서 라우드스피커와 포트 출력 신호의 불균일한 음향 합산을 초래할 수 있다. 더욱이, 도 9의 배열과 유사하게, 도 10의 배열은 또한 제2 라우드스피커(14)가 이러한 공진에 대한 보상 또는 상쇄 신호를 제공하도록 제어될 수 있기 때문에 포트 또는 파이프 공진의 스테레오 재생 및 잠재적으로 더 나은 제어를 위한 잠재력을 제공한다. 그러나 포트 공진, 포트 누설 및 위상 반전은 적절한 조치로 해결되지 않거나 적어도 완화되지 않는 경우 사용자의 음질 인식에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
사용자의 원거리에 배열된 저음 반사형 또는 전송 라인형 라우드스피커의 경우, 포트 또는 파이프 출력(40)과 라우드스피커 멤브레인 사이의 거리는 일반적으로 사용자의 귀까지 포트 또는 파이프 출력의 거리보다 또는 라우드스피커 멤브레인과 사용자의 귀 사이의 거리보다 훨씬 더 작다. 그 결과, 사용자는 양쪽 귀에서 직접 라우드스피커 신호와 포트 출력 신호의 음향 합을 경험할 수 있다. 전술한 특성을 갖는 이러한 음향 합 신호는 도 4에 예시적으로 도시되어 있다. 그러나 소리 디바이스가 라우드스피커(10, 14) 및 포트 또는 파이프 출력(40, 44)을 사용자의 귀에 가깝게 배치하면, 포트 또는 파이프 출력(40, 44)은 한쪽 귀에 더 가까울 수 있고, 대응하는 라우드스피커(들)(10, 14)는 사용자의 다른 귀에 더 가까울 수 있다. 따라서, 포트 또는 파이프 출력(40, 44)과 대응하는 라우드스피커(들)(10, 14) 사이의 거리는 포트 또는 파이프 출력(40, 44)과 각각의 귀 사이의 거리보다 또는 라우드스피커(10, 14)와 각각의 귀 사이의 거리보다 상당히 더 클 수 있다. 이는 사용자가 주로 한쪽 귀에 인클로저(20, 24)의 라우드스피커(10, 14)로부터 직접 라우드스피커 출력을 경험하면서 다른 쪽 귀에서 각각의 인클로저(20, 24)에 연결된 포트 또는 파이프(30, 34)의 출력을 본질적으로 수신할 수 있다는 것을 의미한다. 두 신호는 모두 인클로저마다 단일 포트 또는 파이프가 있는 라우드스피커 장치의 경우 도 4에 예시적으로 도시되어 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 음향 합(합)에서 볼 수 있는 바와 같이 일반적인 저음 반사형 라우드스피커의 헬름홀츠 공진 주파수 영역 아래 또는 전송 라인형 라우드스피커의 최저 공진 주파수 영역(예를 들어, λ/4 공진) 아래에서 가파른 저주파 롤오프가 사용자의 귀에 발생하지 않을 수 있다. 대신에, 이 주파수 범위(도 4에서 약 100Hz 미만)에서 사용자의 귀에서 수신되는 튜브 출력 소리와 직접 라우드스피커 소리 사이에는 본질적으로 180°의 위상 편이가 있다. 또한 포트 또는 파이프 출력과 직접 라우드스피커 출력 간의 소리 레벨 차이는 특히 최저 인클로저 공진(예를 들어, 헬름홀쯔 또는 λ/4)에 가깝게 존재할 수 있다.
위상 반전은 디바이스의 원거리의 음압 레벨뿐만 아니라 디바이스의 근거리에 위치된 사용자의 소리 인식에 영향을 미친다. 디바이스의 원거리에서, 포트 또는 파이프 출력(40, 44) 및 라우드스피커(10, 14)로부터 역위상 신호는 음압 레벨이 동일하면 서로 상쇄되어 최저 공진기 공진 미만의 주파수 범위 내에서 디바이스 외부의 소리 레벨을 감소시킨다. 이는 디바이스의 원거리에서 낮은 소리 레벨이 사용자 근처에 있는 다른 사람에 대한 방해를 줄일 수 있기 때문에 장점으로 간주될 수 있지만, 이 위상 반전은 개별 라우드스피커를 사용자의 양쪽 귀에 가깝게 배치하는 폐쇄형 라우드스피커 시스템에서도 가능하므로 통기형 라우드스피커 시스템에서는 특별한 장점이 없다는 것이 주목된다. 더욱이, 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이, 포트 또는 파이프 출력(40, 44)과 직접 라우드스피커 출력 사이의 상대 위상은 주파수에 따라 변할 수 있으며, 이는 위상이 실제로 반전되는 주파수 범위를 제한한다. 이와 달리, 폐쇄형 라우드스피커는 최소 신호 처리 노력으로 오디오 디바이스의 전체 주파수 스펙트럼에 비해 상대 위상의 반전을 허용한다. 이런 점에서, 통기형 인클로저 유형은 원거리 소리 레벨 감소 가능성과 관련하여 불리한 것으로 볼 수 있다.
사용자의 각 귀에 역 위상 신호를 제공하는 오디오 디바이스의 사용자의 경우, 관련 주파수 범위의 인식된 소리 이미지가 영향을 받아 적어도 부분적으로 외부화된다(사용자의 머리 외부에 있는 것으로 인식된다). 소리는 각각이 한쪽 귀에 가까이 있는 두 개의 음원에서 유래하는 것으로 인식될 수 있다. 또한, 저음의 역 위상에 의해 발생하고 귀 신호가 본질적으로 동위상에 있을 때 사라지는 진동 감각이 귓바퀴에서 느껴질 수 있다. 또한 저음은 공진인 것으로 인식되거나 또는 시간적으로 명확한 선명도가 부족한 것으로 인식될 수 있다. 사용자, 특히 숙련된 청취자라면 이러한 효과를 싫어할 수 있지만 이러한 효과는 경험이 없는 다른 사용자에게는 실제로 눈에 띄지 않을 수 있다. 오디오 디바이스의 유형에 따라, 사용자의 각각의 귀로부터 포트 또는 파이프 출력(40, 44) 사이 및 대응하는 라우드스피커(10, 14) 사이의 상대 거리는 본질적으로 고정되거나 안정화될 수 있고(예를 들어, 헤드 장착 디바이스) 또는 머리의 움직임(예를 들어, 어깨 장착 디바이스)에 따라 변할 수 있다. 이러한 거리가 사용자의 머리의 움직임에 따라 변하면, 귀의 음압 레벨은 포트 또는 파이프 출력(40, 44)에 대해 및 (머리의 움직임으로 인해) 대응하는 라우드스피커(10, 14)에 대한 사용자의 머리 위치에 따라 상당히 변해서, 이에 오디오 디바이스의 전송 범위의 저주파 단부가 특정 귀 위치(포트 또는 파이프 출력(40, 44)에 대해 및 대응하는 라우드스피커(10, 14)에 대해 사용자의 귀의 위치)에서 완전히 사라질 수 있다. 특히 소리가 머리의 양측(예를 들어, 어깨)에서 위상이 어긋난 상태로 방사되는 경우, 이러한 위상이 어긋난 상태의 신호는 머리의 각 측에서 방사 라우드스피커와 포트 또는 파이프 사이의 위치에서 (예를 들어, 사용자가 어깨 사이의 축에 수직인 전방 방향을 향한 상태에서 머리 앞, 뒤 및 위에서) 서로 상쇄된다.
귀 위치 또는 일반적인 귀 위치(P1, P2) 사이의 상대 위상 반전의 이러한 부정적인 영향은 도 10에 도시된 배열과 같은 교차 결합 라우드스피커 시스템으로 완화되거나 완전히 보상될 수 있다. 두 라우드스피커 시스템(10, 40/14, 44)은 본질적으로 동일하고 동일한 신호로 구동될 뿐만 아니라 위치(P1 및 P2)(귀 위치 또는 일반적인 귀 위치)에 대해 대칭적으로 위치되는 경우, 두 위치(P1 및 P2)의 결과 신호는 (예를 들어, 도 7의 위치(P1)에서와 같이 또는 합 신호로서 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이) 단일 인클로저(20, 24)로부터의 라우드스피커(10, 14) 및 포트 출력(40, 44)의 음향 합산 신호와 유사하고, 이에 따라 동위상이다. 그러나 이것은 또한 라우드스피커 인클로저의 최저 공진 아래로 가파른 저주파 롤오프를 되돌린다. 기본적으로 사용자의 좌측 귀와 우측 귀 사이 또는 적어도 일반적인 귀 위치(P1 및 P2) 사이의 상대 위상 편이의 부정적인 영향과 오디오 디바이스의 저주파 확장 사이에는 상충 관계가 있다.
도 11은 도 8에 도시된 바와 같이 공진 구조물 및 원격 포트 출력을 갖는 예시적인 단일 라우드스피커 시스템의 측정된 임펄스 응답을 기반으로 한다. 측정은 좌측 귀(P1)에 가까운 라우드스피커(10)와 우측 귀(P2)에 가까운 대응하는 포트 출력(40)을 갖는 더미 헤드의 귀 위치(P1, P2)에서 수행되었다. 위치(P1 및 P2)에 대해 대칭 배치를 사용하여 도 10에 도시된 것과 같이 완전히 대칭적인 교차 결합 라우드스피커 시스템을 시뮬레이션하기 위해, 두 위치(P1, P2)에 대해 시뮬레이션된 합 신호를 수신하기 위해 측정된 신호 및 선택적으로 위상 편이 또는 반전된 신호의 시간 도메인 합산이 수행되었다. 따라서, 도 11은 원격 제1 포트 개구(40)를 갖는 제1 공진 인클로저 구조물을 구동하는 제1 라우드스피커(10)(파선)의 개별 출력 신호의 제1 위치(P1)(예를 들어, 사용자의 좌측 귀)에서 측정되거나 시뮬레이션된 임펄스 응답, 동일한 원격 제2 라우드스피커(14)에 의해 구동되는 제2 동일한 공진 인클로저 구조물의 포트 출력(점선)뿐만 아니라, 두 스피커(10, 14)가 동일한 신호(굵은 실선) 또는 동일한 진폭의 반전된 신호(가는 실선)로 구동될 때 처음 두 개의 플롯된 신호의 시간 도메인 합의 크기 및 위상 플롯을 보여준다. 설명된 측정 및 시뮬레이션으로 얻어진 플롯은 두 위치(P1 및 P2)에 대해 동일하므로, 도 11에서 위치들 중 하나의 위치(P1)(예를 들어, 사용자의 좌측 귀 위치)에 대해서만 표시된다.
플롯은 더 낮은 주파수 범위를 더 큰 맥락에 두기 위해 최대 1kHz의 주파수 범위를 나타내지만, 120Hz 미만의 주파수 범위는 다음과 같은 고려 사항에서 특히 중요하다. 측정된 라우드스피커 시스템은 80Hz에 가까운 헬름홀츠 공진과 400Hz 주변의 분산된 반파장 포트 공진을 보여준다. 후자는 길이가 다르지만 단면적이 동일한 3개의 포트(301, 302, 303)의 조합에 의해 달성되며, 이는 도 5를 참조하여 위에서 설명한 배열과 유사하다. 저주파 확장과 관련하여, 플롯은 라우드스피커 신호가 위상이 어긋난(180°의 위상 편이, 위상 또는 신호 반전) 경우 라우드스피커와 포트 출력의 음향 합산은 약 80Hz 미만에서 더 높은 진폭 레벨을 초래하는 반면, 구동 신호가 동위상에 있는 경우 음향 합산은 80Hz 내지 약 450Hz에서 더 높은 출력 레벨을 초래함을 보여준다. 좌측과 우측 라우드스피커 구동 신호 사이의 위상 반전(정확히 180°의 위상 편이)의 경우, 제1 및 제2 위치(P1 및 P2)에서의 음향 합산은 일반적으로 동일하므로 도 11의 위치들 중 하나의 위치(P1)(좌측 귀)에 대해서만 도시된다. 그러나, 라우드스피커 구동 신호 사이, 이에 따라 본질적으로 또한 좌측 및 우측 귀 신호 사이의 상대 위상 편이가 180°가 아닌 경우, 귀 위치(P1 및 P2)에 대한 음향 합산은 공진 구조물에 의해 포트 출력 신호에 적용되는 위상 편이에 따라 이들 각각의 위치(P1, P2)에서 상이한 신호 진폭을 실제로 유발할 수 있다. 그 이유는 라우드스피커(10, 14)와 각각의 포트 출력(40, 44) 사이에 앞서 언급된 교차 결합 때문이며, 이는 각각의 공동 배치된 스피커(10, 14)와 각각의 위치(P1, P2)에 가까운 포트 출력(40, 44) 사이에 상이한 상대 위상 편이를 초래한다. 관련 예외는 공진 구조물이 각각의 후면 라우드스피커 신호에 더 이상 위상 편이를 적용하지 않는 상황이다. 이것은 본질적으로 최저 인클로저 공진의 유효 주파수 영역 아래의 경우이다. 각각의 라우드스피커에서 동일한 진폭을 가진 동일하거나 위상이 어긋난 상태의 구동 신호(180°의 상대 위상 편이 또는 반전)는 일반적으로 공진 구조물의 위상 편이가 90°와 같지 않은 경우 두 위치 모두에 대해 가능한 가장 높은 동일한 진폭의 음향 합을 생성한다. 공진 구조물의 위상 편이가 90°인 경우 동위상 및 위상이 어긋난 상태의 라우드스피커 구동 신호는 두 위치(P1, P2)에서 동일한 음향 합 진폭을 초래한다.
도 12는 위치(P1)(최상부 플롯) 및 위치(P2)(중간 플롯))에서 라우드스피커와 포트 출력의 음향 합산에 대한 라우드스피커 구동 신호 사이의 상이한 상대 위상 편이(최하부 플롯)의 효과를 도시한다. 전술한 바에 기초하여, 동위상 라우드스피커 구동 신호(도 12에서 좌측 마이크 합, 각각 우측 마이크 합(굵은 실선))에 대한 합 신호, 또는 반전 구동 신호(도 12에서 좌측 마이크 합 전체범위 반전, 각각 우측 마이크 합 전체범위 반전(가는 실선))에 대한 합 신호의 더 높은 레벨 크기는 두 위치(P1, P2)에서 동일한 레벨로 얻어질 수 있는 가장 높은 진폭을 표시한다.
하나의 위치(예를 들어, P1)가 임의의 주파수에서 가장 높은 가능한 동일한 진폭 레벨을 초과하는 경우, 다른 위치(예를 들어, P2)는 이 주파수에서 가장 높은 가능한 동일한 진폭 레벨보다 낮은 진폭 레벨을 가질 수 있다. 또한 두 위치(P1 및 P2)에서 절대 신호의 가장 높은 합을 산출하는 라우드스피커 구동 신호 사이의 상대 위상 편이는 두 위치(P1, P2)에서 동일한 신호 레벨을 항상 생성하는 것을 볼 수 있다. 인간 청각 시스템에서 바이노럴 음량 합산은 상대 위상에 관계없이 좌측 귀와 우측 귀의 절대 신호 레벨 합산과 비슷하다고 가정하면, 두 위치(P1, P2)에서 절대 신호의 합은 사용자가 인식하는 디바이스의 음량과 관련이 있다. 따라서 두 위치에서 절대 신호 레벨은 바람직하게는 동일할 수 있다. 이것은 또한 사용자가 인식하는 소리 이미지 위치가 더 높은 음량을 가진 쪽으로 편이하는 것을 방지하기 위해 좌측 귀와 우측 귀의 음량 간에 대칭인 것이 바람직하다.
시뮬레이션된 라우드스피커 구동 신호 사이의 상대 위상 편이는 이러한 신호에 적용된 모든 통과 필터에 의해 유도되었다. 도 12의 최하부 플롯에서 볼 수 있는 바와 같이 40Hz 내지 50Hz 사이에 도달된 최대 위상 편이가 적용된 주파수에 걸친 가변 상대 위상 편이는 약 90°(도 12에서 상대위상 90, 최하부 플롯, 파선), 약 120°(도 12에서 상대위상 120, 최하부 플롯, 점선) 또는 약 180°(도 12에서 상대위상 180, 최하부 플롯, 파선)이다. 위치(P1) 또는 좌측 마이크(최상부 플롯) 및 P2 또는 우측 마이크(최하부 플롯)에 대한 라우드스피커(10, 14) 및 포트 출력(40, 44)의 대응하는 시간 도메인 합 신호 진폭은 라우드스피커 구동 신호의 상대 위상에 대한 각 플롯과 동일한 라인 스타일로 도 12에 플롯되었으며, 대응하는 위상 편이 플롯(예를 들어, 좌측 마이크 합 90도 위상 편이는 상대위상 90에 대응함)의 최대 위상 편이에 따라 명명되었다. 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 시뮬레이션된 라우드스피커 설정의 경우 약 180°의 최대 편이(상대위상 180, 파선)가 있는 상대 위상 편이 곡선은 진폭 레벨이 제1 위치(좌측 또는 P1)에 대해 가능한 최대 레벨(두 위치에서 동일한 레벨) 아래에 가까이 있고 제2 위치(우측 또는 P2)의 경우 이 레벨(80Hz)에서 또는 이 레벨보다 약간 높은 주파수에 걸쳐 합 신호를 초래한다. 최대 출력 레벨과 관련하여 라우드스피커 구동 신호에 대한 최적의 상대 위상은 약 80Hz 아래에서 180°이고, 동일한 주파수를 넘어서 0°이므로, 0° 내지 180°의 상대 위상 전이 주파수 범위는 비 최적 신호 합산을 초래한다. 신호 합산을 개선하기 위해 위상에 대한 전이 주파수 범위는 상대 위상 플롯에서 가파른 경사로 더 좁아질 수 있다. 그러나 이러한 가파른 상대 위상 경사의 실제 구현은 위상 제어에 적용된 필터의 과도한 공진 거동과 같은 다른 불리한 효과를 초래할 수 있다. 궁극적으로, 직접 라우드스피커 출력과 튜브 출력의 합산이 최적이 아닌 좁아서 위치(P1 및 P2)에서의 신호 레벨이 달라질 수 있는 주파수 영역이 항상 존재한다. 영향을 받는 주파수 영역의 확장과 독립적으로, 이러한 신호 레벨 차이는 예를 들어 사용자의 두 위치(P1, P2) 또는 양쪽 귀가 동일한 소리 레벨을 수신하도록 라우드스피커 신호를 역레벨 보상하는 것에 의해 보상될 수 있다. 이를 위해, 주파수에 따라 일정하거나 가변적인 라우드스피커 신호 간의 상대 레벨 차이가 도출될 수 있다. 도 12의 진폭 플롯 사이의 신호 레벨 변화는 라우드스피커 구동 신호 사이의 상대 위상 편이에 의해 완전히 도출되기 때문에 라우드스피커 시스템으로 재생할 수 있는 최대 음압은 이에 따라 달라진다. 따라서 귀 신호 레벨(예를 들어, 도 12에서 좌측 및 우측 마이크 신호)의 임의의 차이는 제1 및 제2 라우드스피커와 인클로저가 본질적으로 동일하고 사용자의 양쪽 (일반적인) 귀 위치(P1, P2)에 대해 대칭으로 위치되면, 이들 위치에서 최대 가능한 음압 레벨의 차이를 의미한다.
위에서 언급된 바와 같이, 좌측 귀 위치와 우측 귀 위치 사이에 또는 보다 일반적으로 실제 귀 위치이거나 또는 단지 근거리 오디오 디바이스의 사용자의 일반적인 또는 예상된 귀 위치일 수 있는 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2) 사이에 위상 반전의 부정적인 영향도 있다. 따라서, 라우드스피커 구동 신호와 궁극적으로 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2) 사이의 상대 위상 편이가 더 적은 것이 일부 응용에서 바람직할 수 있다. 따라서 120° 및 90°의 상대 최대 위상 편이도 시뮬레이션되었으며 그 결과는 도 12에 도시된다. 상대 위상 편이가 90°이고 동일한 레벨을 갖는 신호는 최대 +3dB 상대 신호 레벨을 추가하는 반면, 상대 위상 편이가 120°인 신호는 초기 신호와 같은 레벨을 추가한다. (예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이) 교차 결합된 라우드스피커 시스템이 있는 근거리 오디오 디바이스는 예를 들어, 사용자의 귀 아래에 어깨에 라우드스피커(10, 14) 및 포트 출력(40, 44)을 위치시킬 수 있다. 사용자가 머리를 돌리면 사용자의 귀와 각 라우드스피커 및 포트 출력의 상대적 위치가 달라질 수 있다. 사용자 귀의 일반적인 귀 위치에서 귀 신호들이 위상이 어긋난 상태(반전 또는 180°의 위상 편이)이고 동일한 신호 레벨에 있는 경우, 이들 신호는 두 일반적인 귀 위치로부터 동일한 자유 공기 거리를 갖는 임의의 위치에서 서로 완전히 상쇄될 수 있다. 일반적인 귀 위치로부터 멀리 떨어진 임의의 귀 위치에서의 실제 상쇄 정도는 다른 요인들 중에서도 이 위치로부터 라우드스피커와 포트 출력의 거리, 신호 주파수, 및 사용자 머리의 크기와 형상에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 사용자의 머리의 치수에 비해 파장이 큰 임의의 신호 주파수에서 일반적인 귀 위치에서 신호 레벨은 사용자가 정면으로 수평 방향을 향하고 있는 상태에서 정중면(median plane)과 사용자의 머리가 교차하는 부분을 따르는 것보다 다수 배 더 높다. 정중 시상면(midsagittal plane)이라고도 하는 정중면은 사용자의 귀 사이 중간에서 사용자의 머리를 가로질러 머리를 본질적으로 거울 대칭인 좌측과 우측 절반으로 나눈다. 이는, 사용자의 머리를 윗부분과 아랫부분으로 나누고 지면과 평행한, 횡단면이라고도 하는 수평면과 직각을 이룬다. 이로 인해, 오디오 디바이스가 동일한 위치에 유지되는 동안 사용자가 머리를 돌리면 사용자의 실제 귀 위치에서의 신호 레벨이 급격히 감소할 수 있다. 귀 위치에서 상대 위상이 120° 또는 90°이면 이러한 신호가 상쇄되지 않는다. 따라서, 머리의 움직임으로 인한 신호 레벨 변동은 훨씬 더 낮을 수 있다. 예를 들어, 180° 대신 90°의 상대 위상 편이는 사용자가 인식하는 소리 이미지에 덜 영향을 미치므로 적어도 일부 사용자는 선호할 수 있다. 일반적으로, 상대 위상 편이에 따른 소리 이미지에 대한 영향은 감소한다.
사용자의 귀 사이의 상대 위상 편이가 더 낮다는 잠재적 장점으로 인해, 라우드스피커 구동 신호 사이의 최대 위상 편이가 약 120° 및 90°인 것을 시뮬레이션하고 각각의 직접 라우드스피커 및 포트 출력의 시간 도메인 신호 합산의 결과 진폭을 도 12에 표시하였다. 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 라우드스피커 구동 신호의 상대 위상 편이가 180°에서 벗어날수록 합 신호 진폭이 낮아지고 80Hz 미만에서 귀 위치들 간의 레벨 차이가 커진다. 그러나 상대 위상 편이가 없는 경우에 대해 가능한 최대 레벨 개선에 비해, 특히 120° 최대 위상 편이가 있는 경우는 라우드스피커 신호 사이의 상대 위상 편이 방향(예를 들어, 포지티브 또는 네거티브 상대 위상 편이)으로 인해 일반적으로 우측 귀 위치(우측 마이크 또는 P2)보다 낮은 레벨을 나타내는 좌측 귀 위치(좌측 마이크 또는 P1)에서도 여전히 상당한 레벨 증가를 제공한다. 심지어 90° 위상 편이도 좌측 귀에서 50% 초과하는 최대 레벨 증가를 보존한다. 따라서, 주어진 응용에서 근거리 오디오 디바이스의 종속 특성의 우선 순위에 따라 두 가지 대안이 모두 유리한 것으로 간주될 수 있다. 위치(P1 및 P2) 또는 사용자 귀의 일반적인 위치 사이의 레벨 차이는 예를 들어, 각각의 위치(P1, P2)에 더 가까운 라우드스피커(10, 14)에 적용되는 상이한 구동 신호 레벨에 의해 보상될 수 있다. 라우드스피커 구동 신호 사이의 상대적인 레벨 차이는 일정하거나 주파수에 따라 가변적일 수 있다.
양쪽 귀에 가깝게 개별적으로 제어 가능한 라우드스피커를 제공하는 근거리 오디오 디바이스(예를 들어, 도 9 및 도 10의 배열)에서, 유해한 포트 또는 파이프 공진을 능동적으로 상쇄시킬 수 있다. 포트 또는 파이프(예를 들어, 도 8)를 가진 공진 인클로저에서 라우드스피커의 구동 신호는 임의의 포트 공진이 포트 출력에서 등화되도록 필터링될 수 있지만, 직접 라우드스피커 출력 신호는 포트 출력에서 등화된 피크에 대응하는 노치를 포함할 수 있다. 포트 공진 등화의 이러한 역효과를 피하기 위해, 포트 공진은 대신 제2 독립적인 라우드스피커에 의해 방사된 상쇄 신호에 의해 음향적으로 상쇄될 수 있다.
도 9 및 도 10의 예 중 하나의 포트(40, 44)에 대한 포트 공진 상쇄는 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이 신호 흐름에 기초하여 적용될 수 있다. 도 13의 전달 함수(H)는 제1 라우드스피커(10)로부터 제1 위치로의 전달 함수(P1에 대해 H11) 및 제2 위치로의 전달 함수(P2에 대해 H12)를 나타낼 뿐만 아니라 제2 라우드스피커로부터 제1 위치로의 전달 함수(P1에 대해 H21) 및 제2 위치로의 전달 함수(P2에 대해 H22)를 나타낸다. 이들 전달 함수는 라우드스피커 전달 함수를 포함할 수 있고 또는 두 라우드스피커(10, 14)의 전달 함수가 동일하다면 라우드스피커(10, 14)로부터 각각의 위치(P1 및 P2)로의 단순 음향 전달 함수를 포함할 수 있다. 위치(P1 및 P2)에서 마이크로폰 기호는 음향 합산 지점을 나타낸다. 도 13의 적어도 상부 (제1) 라우드스피커(10)가 제1 위치(P1)에 가깝게 위치되고 도 9 및 도 10에 예시적으로 도시된 바와 같이 제2 위치(P2)에 가깝게 포트 출력(40)을 갖는 공진 인클로저 구조물(20, 30)에 장착된 경우, 전달 함수(H11)는 주로 제1 위치(P1)에 가까이 위치된 제1 라우드스피커(10)로부터 제1 위치(P1)를 향한 직접 신호에 의해 영향을 받는 반면, 제1 위치(P1)에 가깝게 위치된 제1 라우드스피커(10)로부터 제2 위치(P2)를 향한 전달 함수(H12)는 주로 제2 위치(P2)에 가까이에 포트 개구를 갖는 인클로저(20, 30)의 음향 전달 함수와 라우드스피커(10)에 의해 정해진다. 따라서 H12는 포트 공진을 포함할 수 있다.
포트 공진을 포함하는 주파수 범위에서 적어도 부분적으로 포트 출력을 상쇄하기 위해, 상쇄 신호는 도 13의 예시적인 신호 흐름에서 하부 라우드스피커인 제2 라우드스피커(14)를 통해 방사될 수 있다. 상쇄 신호는, 입력 신호(S1)(이는 도 13에 도시된 신호 흐름의 경우 제1 라우드스피커(10)의 입력 신호이기도 함)로부터, 예를 들어, 전달 함수(C12)를 갖는 필터에 의해 도출될 수 있고, 이 필터는 제2 라우드스피커(14)에 인가되는 교차 공급 신호를 생성한다. 따라서 다음 수식(수식 6.1)은 각 주파수 대역에서 전달 함수(H12)를 억제하는 제한된 주파수 대역에서 특정 감쇠를 갖는 대역 저지 필터를 나타내는 HBS를 사용하여 도 13의 신호 흐름으로부터 도출될 수 있다.
C12 * H22 + H12 = H12 * HBS (6.1).
교차 공급 전달 함수(C12)에 대해 수식 6.1을 풀면 수식 6.2가 된다:
C12 = H12/H22 *(HBS-1) (6.2).
이 수식 6.2에 의해 설명된 신호 흐름은 도 14에 도시되어 있다.
실제 구현에서 H12/H22는 예를 들어 디지털 유한 임펄스 응답(finite impulse response: FIR) 필터에 의해 제공될 수 있는 반면, HBS는 디지털 무한 임펄스 응답(infinite impulse response: IIR) 필터에 의해 수행될 수 있다. HBS 전달 함수를 제공하는 필터는 포트 공진을 포함하는 적어도 하나의 주파수 영역을 원하는 바에 따라 억제하기 위해 동조될 수 있다. 그러나 HBS의 위상 응답은 나머지 누화 신호(H12 * HBS)에도 영향을 미친다는 점에 유의해야 한다. 따라서, HBS의 위상이 제1 라우드스피커(10)의 인클로저의 적어도 헬름홀츠 공진 주변의 주파수 영역에서 본질적으로 0°가 되도록 주의해야 한다. 만약 그렇지 않으면, 제2 라우드스피커(14)는 제1 라우드스피커(10)의 인클로저(20, 30)의 포트(40)의 고출력 신호 레벨에서 위상 편이를 야기하는 높은 상쇄 신호 진폭으로 충전될 수 있다.
포트 공진을 포함하는 주파수 영역을 상쇄시키는 것의 일례로서, 도 13의 신호 흐름에 기초한 시뮬레이션이 수행되었다. 도 10에 도시된 바와 같이 완전히 대칭인 교차 결합된 라우드스피커 시스템을 얻기 위해, 도 8에 도시된 공진 구조물(30) 및 원격 포트 출력(40)을 갖는 예시적인 라우드스피커 장치의 측정된 임펄스 응답이 사용되었다. 측정은 도 13에서 P1로 표시되는 좌측 귀에 가까이 위치된 라우드스피커(10)와 도 13에서 P2로 표시되는 우측 귀에 가까이 위치된 대응하는 포트 출력(40)이 있는 더미 헤드의 귀 위치에서 수행되었다. 도 13의 H11에 대응하는 P1(좌측 귀) 및 도 13의 H12에 대응하는 P2(우측 귀)에서 측정된 임펄스 응답은 또한 제2 라우드스피커(14)의 대응하는 전달 함수(H22 = H11 및 H21 = H12)를 위해 사용되었으며, 이는 완전히 대칭적인 교차 결합된 라우드스피커 시스템의 전술한 시뮬레이션을 생성한다.
교차 공급 전달 함수(C12)는 대역 통과 함수를 나타내는 HBP가 있는 수식 6.3에 따라 FxLMS(Filtered x Least Mean Square) 알고리즘을 사용하여 FIR 필터로 근사화되었다.
C12 =(-1) * H12/H22 * HBP (6.3).
수식 6.3의 초기 네거티브 1의 계수로 표시되는 신호 반전은 근사의 일부가 아니므로 결과 교차 공급 필터(XF 필터, 굵은 실선)의 도 15의 위상 플롯에 포함되지 않는다. 포트 공진 상쇄의 시뮬레이션에서 반전은 독립적인 처리 단계로 수행되었다.
도 15는 수식 6.3의 HBP에 따른 대역 통과의 진폭 응답뿐만 아니라 근사 교차 공급 필터(XF 필터, 굵은 실선)의 진폭 응답을 추가로 도시한다. 최대 대역 통과 진폭은 상쇄가 적용될 때 포트 전달 함수에서 깊은 노치가 발생하지 않도록 관련 주파수 범위의 상쇄를 제한하기 위해 1 미만으로 선택되었다. 수식 6.3에 따라 C12를 근사시키기 위한 FxLMS 알고리즘은 대역 통과 함수(HBP)의 목표 위상이 본질적으로 0이 되도록 설정되어 나머지 교차 결합 신호에 불필요한 위상 변화가 일어나는 것을 방지한다. 포트 공진 상쇄가 적용된 경우 동일한 측정 위치(상쇄가 있는 우측 마이크 포트, 굵은 파선 및 상쇄가 있는 좌측 마이크 SPK, 가는 파선)에 대해 시뮬레이션된 신호와 비교하여 포트 공진 상쇄가 없는 경우 라우드스피커의 측정된 진폭 전달 함수(도 13의 H11에 대응) 및 포트의 측정된 진폭 전달 함수(우측 마이크 포트, 굵은 실선, 도 13의 H12에 대응)가 도 16에 도시되어 있다. 이 예에서, 400Hz 주변의 분산된 반파장 포트 공진 주변의 주파수 영역은 적절히 감쇠된다. 앞서 언급한 바와 같이, 분산 포트 공진은 이전에 도 6을 참조하여 설명한 바와 유사하게 길이가 다르지만 단면적이 동일한 3개의 포트(301, 302, 303)를 조합하는 것에 의해 수동 댐핑을 통해 달성되었다. 포트 공진을 단순히 등화하는 것과는 달리, 직접 라우드스피커 신호(상쇄가 있는 좌측 마이크 SPK, 가는 파선)는 상쇄 주파수 범위에서 뚜렷한 노치를 나타내지 않는다. 대신에, 주로 제2 라우드스피커(14)의 포트(44)를 통한 교차 결합은 직접 라우드스피커 진폭 응답을 약간 변조시키는 데, 이는 교차 공급 신호 탭의 상류에서 도 13의 입력 신호(S1)에 대한 필터를 등화시킴으로써 간단히 보상될 수 있다. 최저 포트 공진 주변의 원하는 상쇄 주파수 범위 밖에서는, 본 예시적인 시뮬레이션에서는 미미한 상쇄 효과만이 발생한다.
도 16은 측정된 포트(우측 마이크 포트, 굵은 실선) 및 라우드스피커(좌측 마이크 SPK, 가는 실선) 진폭 전달 함수, 및 포트 공진 상쇄가 적용된 경우 이러한 진폭 전달 함수(상쇄가 있는 우측 마이크 포트, 굵은 파선 및 상쇄가 있는 좌측 마이크 SPK, 가는 파선)의 시뮬레이션 버전을 예시적으로 도시한다.
위에서 언급된 바와 같이, 시뮬레이션된 예를 위해 적절한 포트 공진 상쇄가 의도적으로 선택되었다. 적어도 하나의 포트 공진 주변의 상쇄 주파수 범위는 포트 공진 상쇄에 의해 감쇠될 수 있다. 예를 들어, 주파수 범위는 fres/k 내지 fres*k이고, 여기서 fres는 포트 공진 주파수이고 k>1.1 또는 k>1.2이다. 원하는 경우, 포트 공진 주파수 영역은 도 16에 도시된 것보다 더 낮은 잔류 레벨로 상쇄될 수 있다. 상쇄 범위는 대역 제한 누화 상쇄를 위해 확장될 수도 있다.
각각의 인클로저의 포트를 통한 라우드스피커 신호의 포트 공진 및 일반적인 누설은, 교차 결합 공진 구조물이 없는 라우드스피커 장치에 비해, 도 10에 예시적으로 도시된, 교차 결합된 라우드스피커 장치의 경우 사용자의 좌측 귀 위치와 우측 귀 위치 사이의 누화를 크게 증가시킬 수 있다. 소리 이미지 제어를 위한 몇 가지 알려진 방법은 바이노럴 위치 파악 단서(binaural localization cue)에 의존한다. 이러한 방법은 인식된 스테레오 이미지의 폭과 거리를 제어하는 단순한 스테레오 효과부터 서라운드 소리 또는 3D 오디오 적용을 위해 사용자가 인식하는 다수의 가상 음원을 합성하는 것에 이르기까지 모든 것을 지원할 수 있다. 따라서 이러한 방법의 실제 적용은 예를 들어 사용자의 어깨나 머리에 착용하거나 자동차 시트의 머리 받침에 통합된 근거리 오디오 디바이스를 사용하여 단순히 스테레오로 소리를 재생하는 것을 포함한다. 스테레오 재생은 소리 이미지가 사용자의 머리 내부 위치에서 인식되는 것이 아니라, 예를 들어 사용자의 전방 위치 쪽으로 소리 이미지를 외부화하는 것에 의해 향상될 수 있다. 물리적 라우드스피커 위치와 일치하지 않는 다른 위치에서 사용자가 인식하는 다수의 가상 음원이 합성될 수 있다. 상이한 채널의 서라운드 소리 형식이 이러한 가상 음원을 통해 재생될 수 있다. 가상 현실 헤드셋은 근거리 오디오 디바이스에 의해 보존되는 바이노럴 위치 파악 단서를 포함하는 바이노럴 오디오 신호를 제공할 수 있다.
소리 이미지 제어 방법에 의해 사용되는 바이노럴 위치 파악 단서는 귀간 시간차(interaural time difference: ITD) 및 귀간 레벨차(interaural level difference: ILD)이다. ITD는 각각의 귀에 소리가 도착하는 시간 차이를 나타낸다. ILD는 각 귀의 음압 레벨의 차이를 나타낸다. ILD와 ITD는 사람 주변의 임의의 음원 위치로부터 사람의 양쪽 귀를 향하는 전달 함수를 나타내는 소위 머리 관련 전달 함수(head-related transfer function: HRTF)의 일부이므로 주파수에 의존한다. 근거리 오디오 디바이스의 사용자 주변의 가상 음원을 합성하기 위해서는 ILD 및 ITD 제어가 필요하다. 좌측 귀 위치와 우측 귀 위치 사이의 과도한 누화는 한쪽 귀에서 재생된 임의의 신호가 다른 쪽 귀에서 특정 상대 진폭 응답과 시간 지연을 갖는 누화 신호를 생성하므로 유해한 바이노럴 단서를 유발한다. 이러한 의사 바이노럴 단서는 소리 이미지 제어 방법의 의도적으로 제공된 단서를 방해하므로 이러한 방법을 부분적으로 또는 전체적으로 비효과적으로 만든다. 이것은 교차 결합 공진 구조물을 가진 근거리 오디오 디바이스의 적용을 심각하게 제한할 수 있다.
일례로서, 도 17은 음원측 귀(동일측 귀)에 대한 직접 음향과 타측 귀(반대측 귀)에 대한 간접 음향 간의 평균 레벨 차이(ILD)를 도시한다. 도 17에 도시된 레벨 차이는 60° 방위각 및 0° 고도에서 50명의 음원에 대해 개별 측정된 HRTF에 걸쳐 평균화되었다. 약 70Hz 미만에서 측정값이 측정 잡음으로 인해 손상되어 신뢰할 수 없었다. 이 평균 ILD 곡선보다 더 높은 누화 진폭을 가진 근거리 오디오 디바이스는 현실적인 방향 단서를 제공할 수 없고, 적어도 대응하는 음원 방향에 대해서는 제공할 수 없다. 그러나 각각의 HRTF에서 ILD가 더 적은 음원 방향을 합성한 것이라도 소위 우선 순위 효과를 겪을 수 있다. 인식된 공간 방향은 이후에 더 높은 소리 레벨이 수신되더라도 귀에 도착하는 제1 소리에 의해 좌우될 수 있다. 따라서 특정 누화 지연이 있는 근거리 오디오 디바이스는 각 방향에 대해 귀간 레벨 차이가 시스템의 누화 진폭보다 낮더라도 더 긴 귀간 시간 지연(ITD)이 필요한 방향 합성을 손상시키거나 심지어 막을 수 있다. 선행 효과는 후속 소리에 비해 처음 도착하는 소리의 진폭이 낮을수록 약해진다. 이는 근거리 오디오 디바이스의 누화가 감소하면 디바이스의 잠재적인 가상 음원 합성 성능이 향상됨을 의미한다.
예를 들어, 누화는 도 18에 개략적으로 도시된 바와 같이 신호 흐름으로 상쇄될 수 있다. 도 13의 단일 입력 신호 흐름에서 시작하여 제2 입력(S2) 및 교차 공급 전달 함수(C21)가 도 18의 시스템에 추가되었다. 도 13과 관련하여 이전에 설명된 바와 같이, 전달 함수(H)는 각각의 라우드스피커(10, 14)로부터 위치(P1 및 P2)로의 전달 함수를 나타내고, 이 위치는 예를 들어 도 10에 따른 라우드스피커 장치를 포함하는 근거리 오디오 디바이스의 사용자의 귀 위치일 수 있다. 전달 함수(H)는 각각의 인클로저(20, 24)를 포함하는 라우드스피커 전달 함수를 포함할 수 있지만, 이것은 라우드스피커(10, 14)와 인클로저(20, 24)가 본질적으로 동일한 경우에는 필요치 않다. P1 및 P2 위치에서 마이크로폰 기호는 이러한 각 위치에서 음향 합산 지점을 상징한다. 마이크로폰은 대응하는 전달 함수를 측정하고 음향 신호를 전기 신호로 변환하기 위해 이러한 위치에 배치될 수 있다. 도 18에 도시된 라우드스피커(10, 14)는 또한 음향 도메인으로 합산 지점 및 트랜스듀서를 의미한다.
S1 입력으로부터 P2 위치로 누화를 상쇄하기 위해 다음 수식을 적용할 수 있다.
C12 * H22 + H12 = 0 (7.1).
C12에 대해 수식 7.1을 풀면 결과는 다음과 같이 된다:
C12 = -H12/H22 (7.2).
따라서 다음 수식이 성립하는 경우 S2 입력으로부터 제1 위치(P1)로 누화가 상쇄될 수 있다:
C21 * H11 + H21 = 0 (7.3).
따라서:
C21 = -H21/H11 (7.4).
최저 인클로저 공진의 주파수 영역에서의 누화는 저주파 출력 레벨을 증가시키기 위해 교차 결합 공진 구조물의 이전에 설명된 동작 원리에 고유하다. 저음은 종종 모노로 표현되기 때문에 저주파 누화는 대부분의 공간 오디오 응용이 아니라면 많은 경우에 허용된다. 따라서 저주파 누화가 허용될 수 있지만 스테레오 소리를 포함한 임의의 공간 오디오 응용에서는 가능한 최저 주파수 범위로 제한되어야 한다. 또한 교차 결합 공진 구조물을 가진 주어진 근거리 오디오 디바이스에 대한 누화는 부분적으로 인클로저 구조물(예를 들어, 저음 반사 포트)에 의해 발생하고, 부분적으로 라우드스피커로부터 반대쪽 귀로 자유 공기 누화에 의해 발생할 수 있다. 특히 고주파 영역의 경우 공진 구조물이 저역 통과 특성을 가질 수 있으므로 누화가 자유 공기 경로에 의해 지배될 수 있다. 이러한 자유 공기 경로의 전달 함수는 예를 들어 사용자의 머리의 움직임에 따라 또는 이 경로 내에 이물체(예를 들어, 사용자의 손, 옷 등)가 있는 경우 크게 달라질 수 있다. 따라서 누화 상쇄 범위를 더 높은 주파수로 제한하는 것도 도움이 될 수 있다. 누화 상쇄가 적용되는 주파수 범위를 제어하기 위해 다음과 같은 제어 전달 함수(HSHP)가 도입될 수 있다:
C12 =(-H12/H22) * HSHP (7.5),
C21 =(-H21/H11) * HSHP (7.6).
HSHP는 예를 들어, 크기 응답에 관한 대역 통과 특성을 포함할 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이 신호 흐름에서 수식(7.5 및 7.6)에 따라 적용되는 경우 HSHP는 제로 위상이어야 하므로 주파수에 대한 가변 제어 인자로 이해될 수 있다. 그러나, 이것은, 도 19에 도시된 바와 같이, 지연 유닛(D11 및 D22)으로 교차 공급 신호 탭과 라우드스피커(10, 14) 사이에 대응하는 지연이 삽입되는 경우 선형 위상일 수 있다. 대안적으로, 지연이 일반적으로 HSHP와 동일한 위상 응답을 갖는 모든 통과 특성을 가질 수 있는 전달 함수(D11 및 D22)에 의해 보상되는 한, HSHP는 임의의 위상 응답을 가질 수 있다. 그러나, 이는 누화 상쇄에 적합한 신호 흐름 토폴로지의 일례일 뿐이다.
누화 상쇄를 지원하는 다른 예시적인 신호 흐름이 도 20에 도시되어 있다. 이 배열에서, 누화 상쇄를 위한 교차 공급 신호는 반복 구조물에 적용된다. 이는 고차 누화를 보상할 수 있으며, 만약 그렇지 않은 경우 누화 상쇄 신호 자체도 누화를 나타내므로 라우드스피커 시스템의 직접 전달 함수를 변경할 수 있다. 수식(7.1 내지 7.6)은 도 20의 이 신호 흐름에도 적용된다. 이 신호 흐름의 재귀적 특성으로 인해 C12 및 C21의 크기는 일반적으로 1 이하여야 한다. 만약 그렇지 않으면 재귀 교차 공급 구조물이 불안정해질 수 있다. 이는 수식(7.2 및 7.4)에 따라 오디오 시스템의 직접 전달 함수의 크기가 대응하는 간접 전달 함수의 크기보다 낮은 주파수에 대해서만 누화 상쇄를 적용할 수 있음을 의미한다. 수식(7.5 및 7.6)의 제어 함수(HSHP)를 사용하면, 교차 공급 전달 함수(C12 및 C21)는 크기 응답이 1 미만이 되도록 제어될 수 있다. 이것은 교차 결합 공진 인클로저 구조물의 공진 주파수에서 필요할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 최저 공진 주파수는 저음 향상에 도움이 되므로 일반적으로 상쇄가 필요치 않다. 그러나 반파장 튜브 공진은 직접 신호 경로 크기를 초과하는 크기 피크를 방지하기 위해 수동 댐핑이 필요할 수 있다. 이러한 경우에 재귀적 누화 상쇄를 가능하게 하기 위해 위에서 설명한 수동 공진 댐핑 방법이 적용될 수 있다.
근거리 오디오 디바이스가 사용자의 각 귀에 대해 다수의 라우드스피커를 포함하는 경우, 이러한 라우드스피커의 일부 또는 전부에 대해 개별적으로 또는 조합으로 누화 상쇄가 적용될 수 있다. 일반적으로, 도 13 및 도 18 내지 도 20에서 라우드스피커 기호(10, 14)는 각각 궁극적으로 단일 음원 신호(S1, S2)에 의해 구동되는 라우드스피커 그룹을 나타낼 수 있으며, 이는 각각의 라우드스피커 기호(10, 14)의 입력 신호 또는 입력 신호의 합이다. 라우드스피커 그룹을 형성하는 개별 라우드스피커는 병렬로 또는 직렬로 서로 또는 개별 구동 증폭기에 연결될 수 있다. 그룹으로 배열된 라우드스피커는 동일한 또는 개별 라우드스피커 입력 신호에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 크로스오버 필터(crossover filter)는 라우드스피커 그룹의 개별 라우드스피커에 공급되는 주파수 범위를 제어할 수 있다. 라우드스피커는 공진 인클로저 구조물 내의 다른 위치에 위치될 수 있다. 배열이 라우드스피커 그룹을 포함하는 경우, 전달 함수(H)는 라우드스피커 그룹의 입력으로부터 각각의 위치(P1, P2)로의 전달 함수로 이해되어야 한다.
유사하게, 도 13 및 도 18 내지 도 20에서 마이크로폰 기호는 라우드스피커 전달 함수(H)를 측정하는 동안 출력 신호가 적절한 방식으로 결합되는 마이크로폰 그룹을 각각 나타낼 수 있다. 마이크로폰 그룹 내의 개별 마이크로폰은 전달 함수를 측정하는 동안 공간 평균화를 가능하게 하기 위해 다른 위치에 위치될 수 있다. 따라서, 위치(P1, P2)는 다수의 위치의 평균 위치로 이해될 수 있다. 공간 평균 전달 함수로부터 도출된 누화 상쇄 신호는 단일 위치에 대한 전달 함수로부터 도출된 필터보다 더 큰 공간에 대해 더 나은 상쇄를 제공할 수 있다.
실제 구현을 위해, 도 13 및 도 18 내지 도 20의 유닛(C12 및/또는 C21)은 필요한 전달 함수에 따라 필터 계수를 분석적으로 도출할 수 있는 FIR 필터로 구현될 수 있다. 다른 옵션은 원하는 전달 함수 또는 상쇄 범위에 대해 이러한 필터의 계수를 근사화하는 것이다. 대역 제한된 누화 상쇄의 예로서, 도 18과 수식(7.5 및 7.6)에 따른 교차 공급 필터 계수는 도 10에 도시된 바와 같이 교차 결합 라우드스피커 장치의 측정된 전달 함수(H)에 대한 FxLMS 알고리즘으로 근사화되었다. 교차 공급 필터는 FIR 필터로 구현되었다. 측정된 라우드스피커 장치는 가깝게 배치된 라우드스피커(10, 14)와 각 귀 아래 마네킹의 어깨에 있는 포트 출력(40, 44)으로 구성되었다. 더욱이, 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이 길이가 다른 3개의 포트(301, 302, 303)에 의한 수동 포트 공진 댐핑은 누화 경로에서 직접 경로 크기보다 높은 피크를 피했다. 전달 함수는 마네킹의 귀 위치에서 단일 마이크로폰으로 측정되었다.
이 예시적인 라우드스피커 및 제어 신호 흐름 배열에 대해 측정된 누화 상쇄 성능은 하나의 입력 신호(예를 들어, S1)에 대해 도 21에 도시되어 있다. 도 21은 누화 상쇄가 적용되지 않은 (위쪽 플롯) 및 적용된 (아래쪽 플롯) 직접(굵은 선) 및 누화(가는 선) 신호 크기를 보여준다. 이 예에서 약 120Hz와 6kHz 사이의 감소된 누화가 달성되었다. 주어진 예에서 누화 상쇄는 누화를 200Hz와 20kHz 사이에서 -10dB 미만으로 줄인다. 누화 상쇄가 없으면 누화가 -10dB 미만인 옥타브를 넘어 걸쳐 있는 유일한 연속 주파수 범위는 5kHz 내지 20kHz이다. 그러나 이것은 단지 일례일 뿐이다. -10dB 미만의 누화 제어를 위한 개시된 능동(신호 처리) 및 수동(음향) 측정의 임의의 조합을 통합하는 디바이스에 대한 누화는 300Hz 내지 3kHz이거나 또는 200Hz 내지 16kHz일 수 있다. 라우드스피커의 직접 전달 함수에 대한 누화 상쇄의 효과는 보상되지 않았다. 이러한 보상은 일반적으로 입력 신호(예를 들어, S1)에 간단한 등화 필터를 적용하는 것에 의해 달성될 수 있다.
적용된 교차 공급 필터의 전달 함수(C12)의 보드 플롯은 도 22에 도시되어 있다. 누화 상쇄를 위한 교차 공급 필터의 크기 및 위상(실선)에 더하여, 교차 공급된 필터의 계수를 근사화하는 동안 전개된 형상 필터(HSHP)의 크기(파선)가 도시되어 있다. 물론 근사된 교차 공급 필터는 수식 7.5에 따라 이상적인 전달 함수를 정확히 구현하는 것은 아니지만 이는 측정된 누화 상쇄에서 알 수 있는 바와 같이 충분히 가까이 있다.
이전에 설명된 신호 처리 단계는, 예를 들어, 도 23에 도시된 바와 같이 신호 흐름에서 결합될 수 있다. 도 23에 도시된 신호 흐름은 구획(B1 내지 B4)으로 분할되고, 각 구획(B1 내지 B4)은 다른 목적으로 기능한다. 구획(B3 및 B4)은 도 18에 도시된 배열과 동일하며, 위의 도 18을 참조하여 설명되었다. 제1 구획(B1)에서, 입력 신호(S1 및 S2)는 나가는 신호 라인에 걸쳐 분배될 수 있다. 순방향 경로에서 전달 함수(F11 및 F22)는 예를 들어 고역 통과 특성을 가질 수 있는 반면, 전달 함수(F12 및 F21)는 저역 통과 거동을 포함할 수 있다. 이러한 고역 통과 및 저역 통과 전달 함수는 서로 상보적일 수 있고, 이에 의해 병렬로 연결하면 1의 이득으로 합산될 수 있다. 이 경우 특정 주파수 미만의 입력 신호는 계수(d)에 따라 순방향 공급되고 계수(i)에 따라 교차 결합될 수 있다. d = i = 0.5인 경우, 각각의 입력 신호(S1, S2)의 저주파 부분이 나가는 신호 라인에 걸쳐 균등하게 분포될 수 있다. 도 23의 신호 흐름의 다음 구획에서의 신호 처리에 따라, 이것은 라우드스피커(10, 14)를 통한 저주파 신호 내용을 본질적으로 동일하게 분포시킬 수 있고, 궁극적으로 제1 및 제2 위치(P1, P2)에서 동일한 신호 레벨을 초래할 수 있다. d = 1이고 i = 0이면, 전체 입력 신호는 순방향으로 공급될 수 있으며, 다시 하류 신호 처리에 따라 순방향 경로에서 각각의 라우드스피커(10, 14)에 주로 적용될 수 있다. 구획(B4)의 음향 누화 전달 함수(H12, H21)가 직접 전달 함수(H11, H22)보다 (예를 들어, 인클로저 공진 주파수 주변) 더 낮은 주파수 범위의 더 큰 크기를 나타내는 경우, 입력 신호(S1 및 S2)의 낮은 주파수 부분은 주로 반대 위치와 교차 결합될 수 있다(P2에 대해 S1 및 P1에 대해 S2). 이것은 예를 들어, 인클로저의 헬름홀쯔 공진으로 인해 직접 라우드스피커 신호 레벨보다 더 높은 포트 출력 신호 레벨을 보여주는 도 16 및 도 21을 참조하여 설명된 예의 경우이다. 계수 d = 0이고 i = 1이면, 입력 신호(S1, S2)의 전체 저주파 부분이 구획(B1)에서 교차 결합된다. 이 경우, 라우드스피커 장치 내의 후속 음향 누화는 B1의 역 교차 결합에 의해 부분적으로 보상될 수 있고 이에 의해 인클로저의 헬름홀쯔 공진 주변 주파수 영역에서 더 높은 신호 레벨이 각 입력 신호에 대응하는 위치에 가까이에서 방사되고(P1에 가까이에서 S1 및 P2에 가까이에서 S2), 여기서 입력 신호(S1, S2)의 고주파 부분이 또한 방사된다. 이를 위해, 고역 통과 전달 함수(F11 및 F22)와 저역 통과 전달 함수(F12 및 F21) 사이의 크로스오버 주파수(crossover frequency)는 직접 신호와 누화 신호의 크기가 동일한 경우 최저 인클로저 공진보다 높은 최저 주파수(예를 들어, 도 16의 경우 140Hz, 도 21의 경우 115Hz)로 선택될 수 있다. 그 결과, 크로스오버 주파수 주변의 좁은 주파수 영역만이 높은 누화 레벨을 포함할 수 있다. 이 주파수 범위 위와 아래에서는 교차 결합 인클로저 구조물에도 불구하고 누화가 상대적으로 낮을 수 있다.
신호 흐름 구획(B2)에서, 전달 함수(P11 및 P22)는 2개의 신호 라인 간에 원하는 상대 위상 편이가 달성되도록 위상 편이를 적용할 수 있다. 이는 도 11 및 도 12를 참조하여 설명된 바와 같이 직접 라우드스피커(10, 14)와 교차 결합된 포트 출력(40, 44) 사이의 신호 합산을 향상시킬 수 있다. 상대 위상 편이가 0°와 180° 사이에 있으면(이들 지점은 제외), 위치(P1 및 P2) 또는 사용자 귀의 일반적인 위치에서 발생하는 다른 신호 레벨은 구획(B1)에서 다른 계수(d, i)에 의해 보상될 수 있다. 이는 계수(d 또는 i)가 도 23에서 F11 또는 F22 전달 함수 또는 처리 블록의 출력에 추가된 신호에 대해서는 다르다는 것을 의미한다. 또는, 다시 말해, F12는 F21과 같을 수 있지만 다른 신호 흐름 분기에서는 계수(d)가 다르기 때문에 F12*d는 F21*d와 다를 수 있다. 이는 계수(i)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으며, 이에 의해 B2 구획은 각 입력 모두에서 서로 다른 저주파 신호 레벨을 수신할 수 있다. 구획(B3)에서, 누화 상쇄 신호는, 제어된 주파수 범위에 걸쳐 구획(B4)의 전달 함수(H12 및 H21)에 의해 표현되는 음향 누화를 상쇄하기 위해, 도 18 내지 도 22를 참조하여 이전에 설명된 바와 같이 직접 신호로부터 도출될 수 있다.
전술된 바와 같이 교차 결합된 라우드스피커 장치를 포함할 수 있는 근거리 오디오 디바이스는 사용자(2)의 신체에 착용할 수 있는 웨어러블 디바이스를 포함할 수 있지만 이로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 이러한 디바이스는 사용자(2)의 머리, 목 또는 어깨에 장착될 수 있다. 머리 장착 디바이스는 예를 들어, 가상 현실 헤드셋, 헤드폰, 또는 머리에 착용할 수 있고 사용자(2)의 귀에 가까운 어딘가에 라우드스피커를 배치하는 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 예시적인 개방형 헤드폰은 도 24 및 도 25에 도시되어 있다.
도 24 및 도 25의 예시적인 헤드폰은 사용자의 귀의 측면을 덮지 않는다는 의미에서 개방되어 있다. 링형 귀 컵(52)은 귀를 완전히 덮는 것이 아니라 단순히 귀 주위를 둘러싼다. 따라서, 사용자(2)의 우측 귀는 도 24의 측면도에서 볼 수 있다. 귀 컵(52)은 헤드밴드(54)에 결합될 수 있다. 그러나 다른 유형의 개방형 헤드폰은 사용자(2)의 앞, 뒤, 위 및/또는 아래 방향으로 개방될 수 있다. 개방형 헤드폰은 귀 주변에 밀폐된 챔버를 제공하지 않으므로, 충분한 음압 레벨을 갖는 저주파 소리를 생성하는 것은 작은 폼 팩터를 가진 디바이스에서는 어렵고, 따라서 본 명세서에 개시된 저주파 음압 개선을 위한 솔루션은 이러한 디바이스에 유익할 수 있다.
도 25의 개방형 헤드폰의 개략도에서, 타원형 멤브레인 형상을 각각 포함하는 2개의 라우드스피커(10F, 10R)가 우측 귀 컵(52)에 대해 도시되어 있다. 도 24에 도시된 바와 같이 사용자가 착용하는 경우 다른 귀 컵이 정중면에 대해 우측 귀 컵과 본질적으로 대칭일 수 있기 때문에, 단 하나의 귀 컵(52)만이 더 상세히 도시된다. 더욱이, 대략 직사각형 포트 출력(44)이 정면 라우드스피커(10F) 위에 도시되어 있다. 도 25의 파선은 예시적인 내부 라우드스피커 챔버(20) 및 포트(30) 라우팅을 개략적으로 나타낸다. 우측 귀 컵(52)의 두 라우드스피커(10F, 10R)는 공통 후방 챔버(20)를 공유하거나 개별 후방 챔버를 가질 수 있으며, 각각의 후방 챔버는 공유 포트(30)에 연결되어 있다. 단 하나의 포트(30)만이 도시되어 있지만, 포트(30)는 동일하거나 상이한 길이 및/또는 단면적 또는 형상의 다수의 관형 구조물을 포함할 수 있다. 포트(30)는 귀 컵(52)을 연결하는 헤드 밴드(54)를 통해 사용자의 머리에 걸쳐 이어질 수 있다. 좌측 귀 컵으로부터 나오는 동일하게 구성된 포트는 우측 귀 컵(52)의 전방 라우드스피커(10F) 위에 개구(44)를 포함할 수 있다. 두 포트는 각각의 귀 컵(52)의 전방 영역에서 빠져나가기 위해 각각의 후방 라우드스피커 챔버와의 연결부에서 헤드 밴드(54)의 후방 지향 부분으로부터 헤드 밴드(54)의 전방 지향 부분으로 위치를 뒤집을 수 있다. 도 25에서, 이러한 위치 변화는 사용자의 머리 위의 헤드 밴드(54)의 중심 부분에 도시되어 있다.
도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이 헤드폰에서 구현될 수 있는 예시적인 교차 결합 공진 인클로저 구조물이 도 26에 도시되어 있다. 도 26의 a)에서, 측면(또는 귀 컵(52))마다 2개의 라우드스피커(10, 102, 14, 142)는 공통 후방 챔버(20, 24)를 공유하고, 포트(30, 34)는 반대쪽(다른 귀 컵(52))으로 라우팅된다. 앞서 언급된 바와 같이, 포트(30, 34)는 단일 관형 구조물을 포함하거나 또는 도 5에 예시적으로 도시된 바와 같이 상이한 길이를 갖는 다수의 관형 구조물을 포함할 수 있다.
도 26의 b)는 포트(30, 34)의 길이방향 축을 따라 상이한 위치에서 공통 포트(30, 34)에 결합된 개별 후방 챔버(20, 202, 24, 242) 내의 측면(또는 귀 컵(52))마다 2개의 라우드스피커(10, 102, 14, 142)를 도시한다. 이 경우에도 반대쪽(또는 귀 컵(52))의 각각의 개구(40, 44)에서 빠져나가는 포트(30, 34)는 상이한 길이를 가진 다수의 관형 구조물(예를 들어, 도 5 참조) 또는 단지 단일 관형 구조물을 각각 포함할 수 있다. 포트(30, 34)의 길이 방향 축을 따라 각 포트(30, 34)에 결합된 하나 이상의 라우드스피커에서, 포트(30, 34)의 길이로 이해될 수 있는 다수의 길이 방향 치수가 있다. 한편으로, 이것은 (예를 들어, 도 26의 b)에서 개구(40, 44)로부터 포트의 각각의 폐쇄된 단부까지) 포트의 전체 또는 최대 길이일 수 있다. 다른 한편으로, 이것은 라우드스피커 또는 라우드스피커 인클로저가 포트(30, 34)에 결합되는 임의의 위치와 포트의 각각의 개구(40, 44) 사이의 길이일 수 있다. 설명된 길이 중 하나 이상은 동일한 라우드스피커에 연결된 다수의 상이한 포트에 걸쳐 변할 수 있다. 그러나, 길이 또는 길이 변화에 대한 임의의 사양(예를 들어, 전체 길이 변동 범위 또는 전체 길이 변동 범위에 대한 길이 분포)은 동일한 라우드스피커에 결합된 모든 포트에 대해 적어도 하나의 균일하게 정해진 길이에 적용된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 도 24 내지 도 26에 도시된 것과 같은 비교 가능한 인클로저 구조물은 교차 결합된 라우드스피커 장치를 제공하기 위해 임의의 종류의 헤드 장착 디바이스에 통합될 수 있다.
교차 결합된 라우드스피커 장치는 또한 사용자(2)의 목 및/또는 어깨에 착용할 수 있는 근거리 오디오 디바이스에 통합될 수 있다. 예시적인 디바이스가 도 27에 도시되어 있다. 디바이스는, 중간 구획에 의해 결합된 제1 단부와 제2 단부를 갖는 U자형일 수 있다. 제1 단부는 사용자의 한쪽 귀에 가깝게 배열될 수 있고, 제2 단부는 사용자의 다른 귀에 가깝게 배열될 수 있다. 디바이스는 각 귀 아래에 하나의 라우드스피커(10, 14)를 포함할 수 있으며, 각각의 라우드스피커(10, 14)는 포트 출력(40, 44)에 인접하여 위치된다. 즉, 하나의 라우드스피커(10)는 디바이스의 제1 단부에 배열될 수 있고, 제2 라우드스피커(14)는 디바이스의 제2 단부에 배열될 수 있다. 포트(30, 34)는 포트 개구(40, 44)가 대응하는 라우드스피커(10, 14)와 반대 단부에 배열되도록 디바이스를 통과할 수 있다. 사용자의 측면마다 단 하나의 라우드스피커(10, 14)만이 도시되어 있지만, 이러한 디바이스는 일반적으로 측면마다 다수의 라우드스피커를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 27의 중간 도면의 사시도에서와 같이 위에서 볼 경우 측면마다 하나의 라우드스피커(10, 14)가 앞쪽에 위치되고, 측면마다 하나의 라우드스피커가 각 귓바퀴 뒤에 위치된다. 사용자(2)가 착용할 때 디바이스는 목의 일부를 둘러싸고 어깨에 놓일 수 있다.
도 28은 각 라우드스피커(10, 14) 뒤의 각각의 후방 또는 결합 챔버(20, 24)로부터 다른 측면의 라우드스피커로 이어지는 교차 결합된 포트(30, 34)를 예시적으로 도시하고, 포트는 개구(40, 44)를 통해 자유 공기로 빠져나간다. 이 포트(30, 34)는 다시 단일 포트 또는 개별 치수를 갖는 다수의 포트(예를 들어, 도 28에 도시되어 있지 않고, 도 5에 도시된 3개의 포트(301, 302, 303))로 이해될 수 있다. 도시된 디바이스의 인클로저 구조물은 도 10의 구조물과 유사할 수 있지만, 다른 공진 인클로저 배열, 예를 들어, 도 26에 도시된 공진 인클로저 배열도 이러한 디바이스에 통합될 수도 있다.
도시된 근거리 오디오 디바이스는 단지 예시인 것으로 이해될 수 있다. 다른 근거리 오디오 디바이스는 예를 들어, 자동차 또는 다른 운송 차량의 좌석의 머리 받침에 통합될 수 있다. 예를 들어, 라운지 의자 또는 유사한 좌석 배열은 교차 결합된 인클로저 구조물을 가진 근거리 오디오 디바이스를 포함할 수도 있다. 근거리 오디오 디바이스는 소리 가이드가 있거나 없는 추가 라우드스피커를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 추가 고주파 라우드스피커가 근거리 오디오 디바이스에 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태가 설명되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 본 발명의 범위 내에서 많은 다른 실시형태 및 구현이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 특히, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 상이한 실시형태로부터 다양한 특징의 상호 교환 가능성을 인식할 수 있을 것이다. 이러한 기술 및 시스템이 특정 실시형태 및 예시의 맥락에서 개시되었지만, 이들 기술 및 시스템은 구체적으로 개시된 실시형태를 넘어 다른 실시형태 및/또는 사용 및 명백한 변형으로 확장될 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위 및 그 균등 범위를 제외하고는 제한되지 않는다.
실시형태의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 실시형태에 대한 적절한 수정 및 변경은 위의 설명에 비추어 수행될 수 있거나 방법을 실시함으로써 획득될 수 있다. 설명된 배열은 본질적으로 예시적이며 추가 요소를 포함하고/하거나 요소를 생략할 수 있다. 본 출원에서 사용된 바와 같이, 단수형으로 언급된 요소는 복수의 요소를 배제한다는 것을 언급하지 않는 한, 복수의 존재를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 "일 실시형태"또는 "일 실시예"라는 언급은 언급된 특징을 또한 포함하는 추가 실시형태의 존재를 배제하는 것으로 해석되도록 의도되지 않는다. "제1", "제2" 및 "제3" 등의 용어는 단순히 명명으로 사용된 것일 뿐, 개체에 숫자 요구 사항이나 특정 위치 순서를 부과하려고 의도된 것이 아니다. 설명된 시스템은 본질적으로 예시적이며 추가 요소를 포함하고/하거나 요소를 생략할 수 있다. 본 발명의 주제는 개시된 다양한 시스템 및 구성, 및 다른 특징, 기능 및/또는 속성의 모든 신규하고 비자명한 조합 및 하위 조합을 포함한다. 다음의 청구 범위는 특히 새롭고 비자명한 것으로 간주되는 본 발명의 주제를 제시한다.

Claims (40)

  1. 라우드스피커 장치로서,
    제2 위치(P2)보다 제1 위치(P1)에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102); 및
    상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각은 복수의 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303)에 음향적으로 결합되고,
    상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된 개구(40, 401, 402, 403)를 포함하고, 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각으로부터 소리를 수신하고, 대응하는 상기 개구(40, 401, 402, 403)를 통해 소리를 방출하도록 구성되고,
    상기 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303) 각각은 각 다른 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303)의 길이와는 다른 길이(l301, l302, l303)를 가지며,
    상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)는 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)의 최저 공진에 대한 보상 또는 상쇄 신호를 제공하도록 제어되는, 라우드스피커 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)의 라우드스피커 신호 및 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)의 포트형 라우드스피커의 포트 출력은 상기 포트형 라우드스피커의 최저 공진보다 낮게 음향적으로 합산되도록 제어되는, 라우드스피커 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142) 각각은 복수의 제2 관형 구조물(34)에 음향적으로 결합되고,
    상기 제2 관형 구조물(341, 342, 343) 각각은 상기 제2 위치(P2)보다 상기 제1 위치(P1)에 더 가깝게 배열된 개구(44)를 포함하고, 상기 제2 관형 구조물(34) 각각은 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)로부터 소리를 수신하고 대응하는 상기 개구(44)를 통해 소리를 방출하도록 구성되고,
    상기 제2 관형 구조물(341, 342, 343) 각각은 각 다른 제2 관형 구조물(341, 342, 343)의 길이와는 다른 길이(l34)를 갖는, 라우드스피커 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)는 적어도 하나의 제1 상쇄 주파수 범위 내에서 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)에 의해 방출되는 소리의 레벨을 상기 제2 위치(P2)에서 감쇠시키는 소리를 방사하도록 구성된, 라우드스피커 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(14, 142)는 적어도 하나의 제2 상쇄 주파수 범위 내에서 상기 제2 관형 구조물(341, 342, 343)에 의해 방출되는 소리의 레벨을 상기 제1 위치(P1)에서 감쇠시키는 소리를 방사하도록 구성된, 라우드스피커 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 최대 길이(l301, l302, l303) 및 모든 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 최단 길이(l301, l302, l303)는 모든 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 평균 길이로부터 모든 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 평균 길이의 5% 초과 35% 미만만큼 각각 벗어나는, 라우드스피커 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 각각의 길이(l301, l302, l303)는 선형 또는 로그 스케일로 균등하게 분포되는, 라우드스피커 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 대응하는 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 길이방향 축에 수직인 각각의 대응하는 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 모든 단면의 평균 면적은 모든 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303))에 대해 동일한, 라우드스피커 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)로부터 소리를 수신하고 상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가까이에서 소리를 방출하도록 구성된 적어도 3개의 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 또는 적어도 5개의 제1 관형 구조물(301, 302, 303)을 포함하는, 라우드스피커 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 공진 주파수가 각 다른 제1 관형 구조물(301, 302, 303)에 대해서와는 상이한 적어도 하나의 음향 튜브 공진을 포함하는, 라우드스피커 장치.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)은 상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된 인접한 위치에서 소리를 방출하도록 구성된, 라우드스피커 장치.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각은 상기 라우드스피커(10, 102)의 각각의 두 측면으로부터 반전된 극성으로 소리를 방사하도록 구성되고, 상기 라우드스피커 장치는,
    적어도 하나의 제1 인클로저(20, 202)를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각은 상기 제1 인클로저(20, 202) 내부 및 외부에서 반전된 각각의 극성으로 소리를 방사하도록 상기 적어도 하나의 제1 인클로저(20, 202) 중 하나의 인클로저의 벽에 장착되고;
    상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 상기 적어도 하나의 제1 인클로저(20, 202) 각각의 내부에서 생성된 소리를 상기 각각의 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 일 단부에 배열된 상기 개구(40, 44)를 통해 외부로 안내하도록 구성된, 라우드스피커 장치.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)은 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)에 인접한 위치에서 소리를 방출하도록 구성된, 라우드스피커 장치.
  14. 제4항에 있어서, 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)에 의해 방출된 소리의 레벨이 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)에 의해 방사된 소리에 의해 상기 제2 위치(P2)에서 감쇠되는 연속 주파수 범위는 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각의 적어도 하나의 음향 튜브 공진 주파수를 포함하는, 라우드스피커 장치.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 신호(S1)는 적어도 하나의 제1 상쇄 신호를 수신하기 위해 적어도 하나의 제1 필터(C12)로 처리되고,
    상기 제1 신호(S1)는 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)에 직접 제공되거나 또는 지연 및/또는 필터링된 후 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)에 제공되고, 이에 의해 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)의 라우드스피커 입력 신호의 적어도 성분이 되고,
    상기 적어도 하나의 제1 상쇄 신호는 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142) 중 적어도 하나에 제공되고, 상기 제1 상쇄 신호는 이에 의해 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142) 중 적어도 하나의 라우드스피커 입력 신호의 적어도 성분이 되는, 라우드스피커 장치.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)의 입력 신호는 적어도 하나의 제1 상쇄 신호를 수신하기 위해 적어도 하나의 제1 필터(C12)로 처리되고, 상기 적어도 하나의 제1 상쇄 신호는 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142) 중 적어도 하나에 제공되고, 상기 제1 상쇄 신호는 이에 의해 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142) 중 적어도 하나의 라우드스피커 입력 신호의 적어도 성분이 되는, 라우드스피커 장치.
  17. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 상쇄 주파수 범위는 상기 적어도 하나의 제2 상쇄 주파수 범위와 실질적으로 동일한, 라우드스피커 장치.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 주파수 범위에 걸쳐 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)와 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)는 적어도 90°의 상대 위상 편이를 두고 소리를 방사하도록 구성된, 라우드스피커 장치.
  19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 주파수 범위에 걸쳐 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)와 상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)는 90°와 180° 사이의 상대 위상 편이 및 일정하거나 주파수 의존적인 상대 레벨 차이를 두고 소리를 방사하도록 구성되고, 상기 상대 레벨 차이는 상기 상대 위상 편이에 의해 도출된 상기 제1 위치(P1)와 상기 제2 위치(P2) 사이의 소리 레벨 차이를 적어도 부분적으로 보상하는, 라우드스피커 장치.
  20. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라우드스피커 장치는 헤드폰, 가상 현실 또는 증강 현실 헤드셋, 사용자(2)의 신체에 착용된 개인용 오디오 디바이스, 및 머리 받침 중 적어도 하나인 디바이스에 통합된, 라우드스피커 장치.
  21. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 위치(P1)는 상기 라우드스피커 장치의 사용자(2)의 제1 귀의 위치에 대응하고, 상기 제2 위치(P2)는 상기 사용자(2)의 제2 귀의 위치에 대응하는, 라우드스피커 장치.
  22. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 라우드스피커 장치는 근거리 디바이스에 통합되고, 상기 근거리 디바이스는 상기 근거리 디바이스의 사용자(2)의 머리, 목 또는 어깨 상에 배열되거나 또는 가까이에 배열되도록 구성된, 라우드스피커 장치.
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  36. 방법으로서,
    제2 위치(P2)보다 제1 위치(P1)에 가깝게 배열된 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)로 소리를 방출하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102) 각각은 복수의 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303)에 음향적으로 결합된, 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커로 소리를 방출하는 단계,
    상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)로 소리를 방출하는 단계, 및
    상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커에 의해 방출된 소리를 상기 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303) 각각에서 수신하고, 상기 제1 관형 구조물(30, 301, 302, 303) 각각으로부터 상기 제1 위치(P1)보다 상기 제2 위치(P2)에 더 가깝게 배열된 개구(40, 401, 402, 403)를 통해 소리를 방출하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303) 각각은 각 다른 제1 관형 구조물(301, 302, 303)의 길이와는 다른 길이(l301, l302, l303)를 가지며,
    상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)는 상기 적어도 하나의 제1 라우드스피커(10, 102)의 최저 공진에 대한 보상 또는 상쇄 신호를 제공하도록 제어되는, 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 라우드스피커(14, 142)에 의해 방출된 소리는 적어도 하나의 제1 상쇄 주파수 범위 내에서 상기 제1 관형 구조물(301, 302, 303)에 의해 방출되는 적어도 소리의 레벨을 상기 제2 위치(P2)에서 감쇠시키도록 구성된, 방법.
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DE3843050A1 (de) * 1987-12-25 1989-07-06 Yamaha Corp Elektrischer akustikwandler

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