KR20050064629A

KR20050064629A - 다수의 마이크로폰을 이용한 지향성 제어 가능 스피커시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20050064629A
Application number: KR1020030096197A
Authority: KR
Inventors: 김종배
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-06-29
Also published as: KR101086398B1; US7936886B2; JP4750408B2; US20050141735A1; JP2005192212A

Abstract

다수의 마이크로폰을 이용한 지향성 제어 가능 스피커 시스템 및 그 방법이 개시되어 있다. 본 발명은 채널별로 복수개 스피커 어레이로 구성된 스피크 유니트의 지향성 제어 방법에 있어서, 각 채널별 청취 위치에서 임펄스 형태로 발생된 충격음을 감지하여 각 채널 사이 신호의 딜레이값을 계측하고, 계측된 신호의 딜레이값을 바탕으로 미리 설정된 청취자 위치 보상 필터 계수를 독출하고, 독출된 보상 필터 계수를 입력되는 오디오 신호에 부여하여 스피커의 지향성을 조정하는 과정을 포함한다.

Description

다수의 마이크로폰을 이용한 지향성 제어 가능 스피커 시스템 및 그 방법{ Speaker system for controlling directivity of speaker using a plurality of microphone and method thereof}

본 발명은 음향 재생 시스템에 관한 것이며, 특히 다수의 마이크로폰을 이용한 지향성 제어 가능 스피커 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

통상적으로 라우드 스피커의 성능을 결정하는 특성중의 하나는 지향성(directivity)이다.

지향성은 스피커의 방향에 따라서 음압의 주파수 특성이 달라지는 성질이다. 그러나 넓은 지향성은 스피커의 성능을 자동적으로 보장하지 않는다. 오히려 스피커의 목적 및 라우드 스피커가 소리를 전달할 영역의 크기에 따라 지향성 패턴을 결정해야한다. 예를 들면, 오디오 시스템에 대해서는 넓은 지향성이 요구된다. 그리고 퍼블릭-어드레스 시스템에 대해서는 하울링(howling)을 방지하기 위해 소리가 특정방향으로만 전파되는 좁은 지향성이 요구된다. 한편, 라우드 스피커의 지향성을 결정할 때 고려 되어야 할 몇 가지 요소들이 있다. 단일 스피커 유니트를 채용하는 스피커 시스템에서, 지향성은 그 유니트의 구조 즉, 콘 스피커(corn speaker) 또는 혼 스피커(horn speaker)에 따라 결정된다. 또한 복수개의 스피커 유니트가 직선 배열로 배치되어 있는 라인 소스 스피커 시스템에서, 각각의 스피커 유니트는 물리적 구조와 위치에 따라 결정된 방향으로만 소리를 방사하기 위해 장착된다. 따라서 어떤 구조의 스피커 시스템이라도 그 지향성은 해당 스피커 유니트 자체의 물리적 구조 혹은 배치에 따라서 결정된다. 그러나 청취자의 위치에 따라서 스피커의 지향성을 변경해야할 상황이 종종 발생한다.

종래의 지향성을 제어하는 스피커 시스템은 "미국 특허 US 5,953,432(U.S. App. No. 08/911,183 filed 14 Aug. 14 1997 to Yanagawa et al, LINE SOURCE SPEAKER SYSTEM)에 제시되어 있다.

도 1a, 도 1b를 참조하여 종래 기술을 설명하면, 스피커 시스템은 디지털 필터 어레이(22), 앰플리파이어 어레이(A1 - Am)(24) 및 스피커 유니트 어레이(SP1 - SPm)(26)를 구비한다. 디지털 필터 어레이(22)는 복수개의 디지털 오디오 신호 프로세서(DASP)(DF₁- DF_m)를 갖는다. 각각의 디지털 오디오 신호 프로세서(DASP)는 각각 제1신호 입력 단자(IN1) 및 제2신호 입력 단자(IN2)를 통해 입력되는 오디오 신호를 정해진 디지털 필터 계수에 따라 필터링한다. 앰플리파이어 어레이(24)는 디지털 오디오 신호 프로세서(DASP)에서 제어된 오디오 신호를 증폭한다. 스피커 유니트 어레이(26)는 라인 소스 형태로서 앰플리파이어 어레이(24)에서 증폭된 오디오 신호를 재생한다. 따라서 도 1a와 같은 스피커 시스템을 이용하여 도 1b와 같이 신호의 지향성을 S1과 S2 방향으로 나눈다. 결과적으로 제1신호 입력 단자(IN1) 및 제2신호 입력 단자(IN2)를 통해 입력되는 오디오 신호는 각각 S1 방향 및 S2 방향으로 재생된다.

그러나 도 1a와 같이 구성되는 종래의 스피커 시스템은 스피커 구동을 위한 정확한 청취자의 계측 방법이 제공되지 않아 청취자의 위치에 따른 지향성을 얻을 수 없으며, 각각의 스피커 유니트에 필터와 앰플리파이어가 각각 부착되어 있어 별도로 히트 싱크 소자를 구비해야하는 문제점이 있다.

또한 멀티 채널 구동기를 채용한 스피커 시스템은 파워 핸들링에 대한 장점이 있지만 고주파를 재생시킬 경우 재생 주파수 대역의 파장과 채널 구동기간의 거리에 의해 동일 음압을 나타내는 선으로 연결된 로우브(lobe)가 여러 갈래로 나뉘게 된다. 따라서 도 2a에 도시된바와 같이 청취자에 따라 주파수 특성이 평탄한 위치와 그렇지 않은 위치가 발생하게 된다. 도 2b는 스위트 스폿(Sweet Spot) 영역과 오프 액시스(Off Axis)에서의 스피커 주파수 특성을 도시한 예이다. 지향성 로우브가 존재하는 최적 위치인 스위트 스폿에서의 주파수 특성은 전 주파수 대역에서 고른(flat) 반면 오프 액시스에서의 주파수 특성은 특정 대역에서 음압이 고르지 않는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 다수의 마이크로 폰으로 청취자의 위치를 계측하여 복수개 스피커 어레이로 구성된 두 개 채널의 스피커의 지향성을 조절하는 지향성 제어 가능 스피커 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 채널별로 복수개 스피커 어레이로 구성된 스피크 유니트의 지향성 제어 방법에 있어서,

(a) 각 채널별 청취 위치에서 임펄스 형태로 발생된 충격음을 감지하여 각 채널 사이 신호의 딜레이값을 계측하는 과정;

(b) 상기 계측된 신호의 딜레이값을 바탕으로 미리 설정된 청취자 위치 보상 필터 계수를 독출하는 과정;

(c) 상기 독출된 보상 필터 계수를 입력되는 오디오 신호에 부여하여 스피커의 지향성을 조정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 채널별로 복수개 스피커 어레이로 구성된 스피커 시스템에 있어서,

채널별 청취자의 위치에서 임펄스 형태로 발생된 충격음을 감지하는 청취 위치 감지부;

상기 청취 위치 감지부에서 감지된 각 채널 사이의 음 지연 정보를 바탕으로 미리 설정된 청취자 위치 보상 필터 계수를 독출하고, 입력되는 오디오 신호를 상기 보상 필터 계수로 지연 보상하여 PWM 오디오 신호로 변환하는 제어부;

상기 제어부에 의해 변환된 PWM 오디오 신호를 증폭하여 상기 복수개의 스피커로 출력하는 파워 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 스피커 시스템의 외관도이다.

도 3을 참조하면, 스피커 시스템은 좌, 우 채널별로 복수개의 스피커 어레이유니트(310, 320)로 구성된다. 좌, 우 채널별 스피커 어레이 유니트는 각각 상, 하 마이크로 폰(LM1 - LM2, RM1 - RM2) 및 좌, 우 스피커 어레이(LSP1 - LSPm, RSP1 - RSPm)으로 구성된다. 여기서 상, 하 마이크로 폰(LM1 - LM2, RM1 - RM2)은 좌, 우 채널별로 사용자가 청취 위치에서 발생시킨 임펄스 형태의 충격음을 감지한다.

도 4는 본 발명에 따른 스피커 시스템의 전체 블록도이다.

도 4의 스피커 시스템은 제어부(410), 롬(ROM:416), 좌, 우 청취위치 감지부(LM1 - LM2, RM1 - RM2), 4채널 ADC부(420), 좌, 우 채널 신호 재생부(440, 440-1)로 구성된다. 제어부(410)는 디지털 신호 처리부(414) 및 롬(416)으로 이루어진다. 좌, 우 청취위치 감지부(LM1 - LM2, RM1 - RM2)는 마이크로 폰(mocro-phone)을 이용한다. 좌, 우 채널 신호 재생부(440, 440-1)는 파워 스위칭 회로부(442, 442-1), LPF(Low Pass Filter)어레이부(444, 444-1), 스피커 어레이부(446, 446-1)로 이루어진다.

먼저, 좌, 우 청취 위치 감지부(LM1 - LM2, RM1 - RM2)는 좌, 우 스피커 어레이부((446, 446-1)의 상, 하 위치에 4개의 마이크로 폰 형태로 장착되어 임펄스 로 발생되는 충격음을 감지한다.

4채널 ADC부(420)는 좌, 우 청취 위치 감지부(LM1 - LM2, RM1 - RM2)에서 4채널로 감지된 아날로그 형태의 충격음을 디지털 신호로 변환한다.

제어부(410)는 4채널 ADC부(420)로부터 디지털로 변환된 충격음 신호를 이용하여 각 채널 사이의 신호의 딜레이값을 계산하고, 그 딜레이값을 바탕으로 ROM(416)에 저장된 청취자 위치 보상 필터 계수를 리드하여, 입력되는 PCM 오디오 신호를 할당된 m개의 보상 필터 계수들과 콘볼루션시켜 m채널로 분리시킨 뒤, 그 보상 필터 계수들을 통해 지연 보상된 m개 채널의 오디오 신호를 PWM(pulse Width Modulation) 오디오 신호로 변환한다. 특히, 제어부(410)는 입력되는 두 채널의 PCM 오디오 신호를 위치 보상 필터 계수를 통해 m개 채널로 병렬 처리함으로써 스피커 유니트들이 현재 청취자 위치에서 최적의 지향 특성을 갖도록 한다.

롬(416)에는 룩-업 테이블(look-up table) 형태로 복수개 딜레이 값에 대응하는 최적의 청취자 위치 보상 필터 계수를 저장하고 있다.

파워 스위칭 회로부(442, 442-1)는 제어부(410)에서 m개 채널별로 입력되는 소 출력(low power)의 PWM 오디오 신호를 각각 대출력의 오디오 PWM 신호로 증폭한다. 이때 소 출력(low power)의 PWM 오디오 신호는 FET(Field Effect Transistor)와 같은 스위칭 소자들을 온/오프시킴으로서 대출력의 PWM 오디오 신호로 변환된다.

LPF어레이부(444, 444-1)는 파워 스위칭 회로부(442, 442-1)에서 m개 채널별로 입력되는 대출력의 PWM 오디오 신호를 로우패스 필터링하여 가청 오디오 대역의 신호로 변환한다.

스피커 어레이부(446, 446-1)는 LPF어레이부(444, 444-1)에서 m개 채널별로 입력되는 각각의 오디오 신호를 재생한다.

도 5는 도 4의 제어부(414)에서 신호의 딜레이를 계측하는 방법을 보이는 흐름도이다.

먼저, 시스템이 온(ON)되면 청취자 위치에서 발생하는 임펄스 신호를 대기한다(510 과정).

이어서, 청취자 위치에서 각 채널별 마이크로 폰을 이용하여 도 6과 같은 사용자가 발생시킨 임펄스 신호를 감지하면, 각 채널별로 발생된 임펄스 신호의 음압의 크기(I)가 임계치(I_th)를 초과하는지를 체크한다(520 과정). 도 6에 청취자의 위치로 부터 스피커 인클로우져의 상, 하에 위치한 마이크로 폰으로 손뼉과 같은 임펄스 신호를 발생하는 방법을 도시하고 있다.

이어서, 각 채널별 임펄스 신호의 음압의 크기(I)가 임계치(I_th)를 초과할 때 마다 각 채널 사이의 신호 딜레이값(d1- d3)을 시간 도메인상에서 계측한다(530 과정).

이어서, 구해진 신호 시간 도메인에서의 딜레이값(d1 - d3)으로부터 경로 차이를 계산한다(540 과정). 즉, 도 7을 참조하면, 채널별로 스피커의 인클로우져에 장착된 다수개의 마이크로 폰(LM1-LM2, RM1-RM2)을 이용하여 한 채널의 상,하 높이 차이에 따라 발생하는 딜레이값(d1 또는 d2)과 좌, 우 채널간의 거리차이에 따라 발생하는 딜레이값(d3)을 구한다. 이때 이상적으로 동작하는 스피커 시스템을 이용할 경우 딜레이값(d1 및 d2)은 거의 동일하다.

이어서, 딜레이값(d1, d3)에 따른 최적의 청취자 위치 보상 필터 계수를 롬에서 리드한다(550 과정). 즉, 롬(416)에는 행렬 구조의 딜레이값(d1 및 d3)들 각각에 대응하는 최적의 위치 보상 필터 계수가 저장되어 있다. 이 행렬 구조의 딜레이값(d1 및 d3)들과 해당 위치 보상 필터 계수들은 룩-업 테이블로 구현할 수 있다. 따라서 계산된 딜레이값(d1, d3)에 해당하는 필터 계수를 룩-업 테이블을 통해 리드한다. 결국, 이 딜레이값에 대응되는 위치 보상 필터 계수들이 청취자의 위치를 보상하게 됨으로써 청취자에 현재 위치에서 최적의 지향 특성을 갖도록 스피커 지향성을 조절한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 계측된 신호의 딜레이 값을 이용하여 최적의 디지털 필터 계수 값을 설정함으로써 두 개 채널의 스피커의 지향성을 청취자에 최적으로 조정할 수 있다. 그리고 멀티 채널 구동기를 이용할 경우 복수개의 스피커는 각각 앰프를 따로 구비한다. 따라서 종래에는 앰프에서 발생되는 열(heat)로 인해 앰프와 스피커가 함께 장착하기 어렵지만, 본 발명에서는 PWM 증폭 방식의 디지털 앰프를 이용하여 열을 효과적으로 감소시킬 수 있어 스피커와 함께 장착할 수 있다.

도 1a, 도 1b는 종래의 스피커 시스템을 설명하는 도면이다.

도 2a 지향성에 따른 스위트 스폿의 위치를 도시한 것이다.

도 2b는 스위트 스폿과 오프 액시스에서의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 스피커 시스템의 외관도이다.

도 4는 본 발명에 따른 스피커 시스템의 전체 블록도이다.

도 5는 도 4의 제어부에서 신호의 딜레이를 계측하는 방법을 보이는 흐름도이다.

도 6은 청취 위치에서 각 마이크로 폰으로 임펄스를 발생하는 방법을 보이는 도면이다.

도 7은 마이크로 폰에서 감지된 임펄스를 이용하여 딜레이를 계측하는 도면이다.

Claims

채널별로 복수개 스피커 어레이로 구성된 스피크 유니트의 지향성 제어 방법에 있어서,

(a) 각 채널별 청취 위치에서 임펄스 형태로 발생된 충격음을 감지하여 각 채널 사이 신호의 딜레이값을 계측하는 과정;

(b) 상기 계측된 신호의 딜레이값을 바탕으로 미리 설정된 청취자 위치 보상 필터 계수를 독출하는 과정;

(c) 상기 독출된 보상 필터 계수를 입력되는 오디오 신호에 부여하여 스피커의 지향성을 조정하는 과정을 포함하는 스피커 시스템의 지향성 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 과정은

채널별로 상기 스피커 유니트에 장착된 다수개의 마이크로 폰을 통해 사용자에 의해 발생되는 임펄스 신호를 감지하는 과정;

상기 과정에서 감지된 채널별 임펄스 신호의 음압의 크기가 임계치를 초과할 때 마다 각 채널 사이의 신호 딜레이값을 계측하는 과정;

상기 과정에서 계측된 딜레이값을 바탕으로 채널간의 경로 차이를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 시스템의 지향성 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 과정은 한 채널의 상,하 높이 차이에서 발생하는 신호 딜레이값과 좌, 우 채널간의 거리차이에서 발생하는 신호 딜레이값을 이용하여 미리 저장된 딜레이값에 대한 특정 위치 보상 필터 계수를 리드하는 과정임을 특징으로 하는 스피커 시스템의 지향성 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (c) 과정에서 오디오 신호는 상기 필터 계수와 콘볼루션된 신호임을 특징으로 하는 스피커 유니트의 지향성 제어 방법.
채널별로 복수개 스피커 어레이로 구성된 스피커 시스템에 있어서,

채널별 청취자의 위치에서 임펄스 형태로 발생된 충격음을 감지하는 청취 위치 감지부;

상기 청취 위치 감지부에서 감지된 각 채널 사이의 음 지연 정보를 바탕으로 미리 설정된 청취자 위치 보상 필터 계수를 독출하고, 입력되는 오디오 신호를 상기 보상 필터 계수로 지연 보상하여 PWM 오디오 신호로 변환하는 제어부;

상기 제어부에 의해 변환된 PWM 오디오 신호를 증폭하여 상기 복수개의 스피커로 출력하는 파워 스위칭부를 포함하는 스피커 시스템.
제5항에 있어서, 상기 청취 위치 감지부는 사용자에 의해 임펄스 형태로 발생되는 충격음을 감지하는 다수개의 마이크로 폰;

상기 마이크로폰들로부터 감지된 충격음을 디지털 신호로 변화하는 아날로그-디지털 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 스피커 시스템.
제6항에 있어서, 상기 다수개의 마이크로 폰은 상기 채널별로 직선상으로 배열된 복수개의 스피커 유니트에 장착되는 것을 특징으로 하는 스피커 시스템.
제5항에 있어서, 상기 딜레이값에 대응하는 청취자 위치 보상 필터 계수를 룩-업 테이블로 저장하고 있는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스피커 시스템.