KR20080098385A

KR20080098385A - 주변 노이즈 감소 장치

Info

Publication number: KR20080098385A
Application number: KR1020087020936A
Authority: KR
Inventors: 알라스테어 시브발드
Original assignee: 울프손 마이크로일렉트로닉스 피엘씨
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-11-07
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: US9786264B2; US20210383785A1; WO2007085796A1; KR101285857B1; CN101375328B; US10460718B2; US11127390B2; EP1979892A1; GB2434708B; US20140003613A1; GB2434708A; DK1979892T3; US20200020312A1; GB0601536D0; JP2009535655A; HK1124680A1; US20180033422A1; US11620975B2; US20100195842A1; EP1979892B1

Abstract

피드포워드 주변 노이즈 감소 장치(10)는 하우징 내에서 소리 에너지를 청취자의 귀로 향하게 하는 라우드스피커 디바이스를 포함한다. 복수의 마이크로폰 디바이스들(21-15)이 하우징 외부에 배치되고 아울러 청취자의 귀로 향하는 주변 노이즈를 감지하도록 위치하며, 그리고 감지된 주변 노이즈를 전기적 신호로 변환시킬 수 있으며, 이러한 전기적 신호는 라우드스피커에 인가되어 주변 노이즈에 대항하는 음향 신호가 발생된다. 중요한 것은, 이러한 구성 전체에서, 상기 음향 신호가 청취자의 귀에서의 상기 주변 노이즈의 도달에 실질적으로 시간상 맞추어져 상기 라우드스피커 수단에 의해 발생된다는 것이다.

Description

주변 노이즈 감소 장치{AMBIENT NOISE REDUCTION ARRANGEMENTS}

본 발명은 이어폰을 사용하는 청취자에 의해 인식된 주면 노이즈를 감소 혹은 제거하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 출원에서, 용어 "이어폰"은 청취자의 귀 외부에 배치되는 라우드스피터가 통합된 디바이스에 관한 것이다. 예를 들어, "패드형(pad-on-ear)" 혹은 "쉘형(shell-on-ear)" 봉입체의 일부이고 또는 모바일 폰과 같은 조립체의 일부이며, 이것은 귀에 가깝게 위치된다.

이어폰의 라우드스피커는 주변 노이즈와 구별되어야 하는 음성 혹은 다른 소리의 소스와 연결될 수 있고, 또는 라우드스피커는 주변 노이즈를 감소시키기 위해 단독으로 제공될 수 있지만, 본 발명은 개인용 뮤직 플레이어 및 셀률러 폰과 같은 모바일 전자 디바이스와 함께 사용되는 이어폰에 특히 응용가능한 발명이다.

현재, 일부 이어폰은 짧은 리드 및 커넥터를 통해 음원과 직접 와이어링되어 있고, 그리고 일부는 "블루투스" 포맷과 같은 무선 링크를 통해 개인 뮤직 플레이어 혹은 셀폰과 같은 로컬 사운드 발생 디바이스에 연결되어 있다. 본 발명은 유선 및 무선 포맷 모두와 함께 사용될 수 있다.

이어폰에 대한 기존 주변 노이즈 제거 시스템은 두 개의 전적으로 다른 원리, 즉 "피드백" 방법 및 "피드포워드" 방법 중 하나 혹은 나머지 하나에 근거하고 있다.

피드백 방법은, 귀와 이어폰 쉘의 안쪽 사이에 형성되는 캐버티 내부에서, 이어폰 라우드스피커의 전면에 직접적으로 놓이는 초소형 마이크로폰의 사용에 근거를 두고 있다. 마이크로폰으로터 나온 신호는 네거티브 피드백 루프(반전 증폭기)를 통해 라우드스피커에 다시 연결되어, 간단한 서보 시스템(servo system)을 형성하고, 여기서 라우드스피커는 마이크로폰에서 널 사운드 압력 레벨(null sound pressure level)을 계속 만들고자 한다. 이러한 원리가 간단할지라도, 이것을 구현하고자 할 때 동작의 위쪽 주파수가 약 1 kHz 혹은 이보다 낮은 주파수로 한정되는 문제에 직면하게 된다. 더욱이, 효과적인 수동적 음향 감쇄가 이러한 1 kHz 리미트보다 큰 주변 노이즈의 진입을 막기 위해 제공되어야만 하고, 그리고 이것은 이러한 주파수를 차단하도록 설계된 귀를 둘러싸는 귀덮개형 밀봉체를 제공함으로써 행해진다. 최근의 피드백 시스템의 성능을 개선하려는 시도가 문헌 US 2005/0249355 A1에서 설명되고 있다.

또한, 만약 음악 혹은 음성이 사용자의 이어폰에 제공되어야 한다면, 이러한 신호가 피드백 시스템에 의해 제거되는 것을 막을 수 있는 방법이 제공되어야 하며, 그리고 이 프로세스는 이어폰의 음향 특성에서의 바람직하지 못한 스펙트럼 트로우(spectral troughs) 및 피크를 일으킬 수 있다. 더욱이, 이러한 타입의 피드백 시스템은 동작 캐버티가 실질적으로 주위로부터 분리될 것으로 요구하며, 그리고 비록 "패드형" 피드백 디바이스가 대략 이십 년 전에 제안되었지만, 이러한 타입의 이어폰은 아직까지 상업적으로 가용하지 않는 상태이다. 피드백 시스템은 스위치가 온인 경우 혹은 동작 조건이 변경되는 경우에 오실레이션 주위의 "하울(howl)"로 진입하기 쉽다.

따라서, 본 발명에 따른 장치는 피드포워드 원리를 전적으로 사용하며, 이것은 도 1에서 기본적인 형태로 나타나 있다.

피드포워드 동작에서, 마이크로폰(A)은 주변 노이즈 신호를 검출하기 위해 이어폰 쉘(B)의 외부에 위치한다. 마이크로폰(A)에 의해 검출된 신호는 C에서 반전되고 그리고 드라이브 신호에 부가되어 라우드스피커(D)에 인가되며, 따라서 "제거 신호(cancellation signal)"가 생성된다. 의도하는 것은, 이어폰 쉘(B)과 청취자의 바깥쪽 귀(E) 사이의 캐버티 내에서의 이어폰 라우드스피커 출구 포트에 인접하여, 제거 신호와 들어오는 주변 음향 노이즈 신호 간의 소멸파 제거가 일어나도록 하는 것이다. 이러한 것이 일어나도록 하기 위해, 제거 신호의 크기는 들어오는 노이즈 신호의 크기와 실질적으로 동일해야만 하고 극성은 반대이어야 한다(즉, 노이즈 신호에 관하여 위상이 반전되거나 혹은 180도 시프팅되어야 함).

이어폰 쉘(B)은, 청취자의 바깥쪽 귀(E)에 평안한 착용감을 제공하기 위해 그리고/또는 청취자의 귀에 도달하는 주변 노이즈 감소에 도움을 주기 위해, 전형적으로 포움 패드(foam pad) 혹은 유사한 디바이스를 지니고 있다.

원리적으로 볼 때, 피드포워드 주변 노이즈 제거를 구현하는 것은 간단하다. 통상의 이어폰과 함께 사용하기 위한 기본적인 동작 시스템은 간단한 일렉트릿 마이크로폰 캡슐(electret microphone capsule) 및 연산 증폭기들의 쌍을 사용하여 저렴하게 조립될 수 있어, 이어폰 오디오 드라이브 신호와 혼합되기 전에 아날로그 신호는 증폭되고 반전된다. 이것은, 제거 신호의 크기를 주변 노이즈의 크기와 동일하게 하기 위해, 전위차계와 같은 이득 조정가능 디바이스를 통해 수행된다. 노이지 제거의 일부 측정이 본 발명으로 달성될 수 있지만 완전하지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 피드포워드 원리는 현재 상업적으로 이용가능한 많은 이어폰들의 기초를 형성하고 있다. 그러나, 제거 신호가 최적으로 조정되고 균형을 유지할지라도 상당한 양의 잔여 노이즈 신호가 여전히 남아 있게 되고, 그래서 일반적으로, 대부분의 상업적으로 가용한 시스템은 단지 약 1 kHz보다 낮은 주파수에서 동작하도록 요구되며, 그래서 피드백 방법의 대역폭보다 약간 더 큰 대역폭만이 제공된다. 음성 스펙트럼이 3.4 kHz까지 확장하는 것을 고려하면, 예를 들어 원격통신 링크를 통해 대화의 명료성을 크게 개선하기 위해, 임의의 관련 노이즈 제거 시스템은 현재 가용한 시스템의 성능을 초과하는 대역폭을 요구하고 있다.

본 발명의 목적은 적어도 3 kHz까지 상당한 양의 주변 노이즈를 감소시킬 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 주변 노이즈를 감소시키는 장치가 제공되며, 상기 장치는 하우징(housing)과, 상기 하우징 내에 지지되어, 청취자의 귀의 이도(auditory canal)의 진입 위치에 인접하여 배치되는 경우, 소리 에너지를 상기 청취자의 귀로 향하게 하는 라우드스피커 수단(louderspeak means)과, 상기 하우징의 외부에 위치하고 아울러 상기 진입 위치에 접근하는 주변 노이즈를 감지하도록 배치되는 복수의 마이크로폰 수단(microphone means)과, 그리고 상기 감지된 주변 노이즈를 전기적 신호로 변환하는 수단을 포함하여 구성되며, 상기 전기적 신호는 상기 라우드스피커 수단에 인가되어 상기 주변 노이즈에 대항하는 음향 신호가 발생되며, 상기 음향 신호는 상기 진입 위치에서의 상기 주변 노이즈의 도달에 실질적으로 시간상 맞추어져 상기 라우드스피커 수단에 의해 발생된다.

이러한 수단에 의해, 얻을 수 있는 장점은 마이크로폰 수단에서의 주변 노이즈의 감지와 청취자의 이어 커낼(ear canal)에 대한 진입 위치에서의 주변 노이즈의 도착 간의 시간 차이를 이용하여, 진입 포인트에 도착한 주변 노이즈와 실질적으로 시간상 맞추어진 노이즈 감소 혹은 제거 신호가 발생된다는 것이다.

일부 바람직한 실시예들에서, 마이크로폰 수단의 어레이가 라우드스피커에대한 하우징의 일부를 형성하는 이어 패드의 둘레에 제공되며, 라우드스피커 수단은, 라우드스피커 수단으로부터 각각의 마이크로폰 수단까지 알려진 방사방향 거리(radial distance)가 존재하도록 상기 하우징 내에 배치된다. 다른 바람직한 실시예에서, 마이크로폰 수단의 어레이가 모바일 전화기 핸드셋(mobile telephone handset)의 라우드스피커 개구(loudspeaker aperture) 둘레로 그리고 라우드스피커 개구로부터 방사방향으로 이격되어 제공된다. 이중 어느 하나의 경우, 이후 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이, 상기 마이크로폰 수단으로부터 상기 라우드스피커 근처까지 주변 노이즈가 따르는 방사방향 경로(radial path)는 노이즈를 감소시키는 상기 음향 신호가 발생되기에 충분한 시간을 제공하여 필요한 시간 정렬이 달성되도록 한다.

특히 바람직한 실시예에서, 들어오는 주변 노이즈에 대한 상기 마이크로폰 수단 및 상기 라우드스피커 수단의 상대적 위치 및 배치가 라우드스피커 수단의 성능 특성을 고려하도록 선택되어 필요한 시간 정렬이 확실하게 되도록 한다.

마이크로폰 수단이 상당한 각도 범위로부터의 입사되는 주변 소리에 대해 실질적으로 균일하게 전체적으로 응답하도록 위치하는 것이 특히 바람직하다.

일부 바람직한 실시예에서, 적어도 세 개, 바람직하게는 적어도 다섯 개의 마이크로폰 수단이 들어오는 주변 노이즈를 감지하기 위해 제공된다. 더욱이, 상기와 같은 개수의 마이크로폰 수단이 제공되는 경우, 이들은 공통의 궤적(locus) 둘레로 실질적으로 동일한 각도로 배치되는 것이 바람직하다.

이러한 궤적은 마이크로폰 수단을 서로 연결하도록 구성되고 그리고/또는 프로세싱을 위해 공통 위치로 출력을 운반하도록 구성되는 전기적 컴포넌트(electrical componentry)의 요소들을 편리하게 지닐 수 있다.

이러한 전기적 컴포넌트는 인쇄 회로(printed circuit)로서 제공될 수 있으며, 그리고 상기 프로세싱은 콤비네이션(combination), 위상 반전 및 진폭 조정을 포함할 수 있다.

이러한 마이크로폰 수단 중 어느 하나 혹은 모두는 개구 및 도관(conduit)을 거쳐 주변 노이즈에 노출될 수 있고, 이것은 하나 또는 그 이상의 선택된 주변 노이즈 특성에 튜닝되어 하나 또는 그 이상의 특정 특성에 관하여 강화된 노이즈 감소를 제공하게 하는 어떤 음향 요소들을 더 포함할 수 있다.

상기 언급된 바와 같은 이러한 음향 요소들은 헤름홀츠 공명기(Helmholz resonator)들 및/또는 사분의일 공명 도관(quarter-wave resonant conduit)들로 구성될 수 있거나 또는 헤름홀츠 공명기들 및/또는 사분의일 공명 도관들을 포함할 수 있다.

이러한 모든 실시예들에서, 라우드스피커 수단의 음향 투사 축(acoustic projection axis)은 청취자의 이어 커낼의 길이방향 축(longitudinal axis)에 실질적으로 맞추어져 있는 것이 바람직하다.

본 발명을 명확히 이해하고 본 발명의 효과를 손쉽게 달성하기 위해서, 본 발명의 일부 실시예들이 단지 예로서 도면을 참조하여 설명된다.

도 1은 피드포워드 노이즈 감소 장치(feedforward noise-reduction arrangement)의 요소를 기본적인 형태로 나타낸 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 종류의 종래 기술에 있어서의 피드포워드 시스템을 그 관련 음향 경로와 함께 개략적으로 도시한 것이다.

도 3은 도 2에 도시된 음향 경로의 길이에서의 차이로 인한 타이밍 변화를 나타내는 곡선을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노이즈 감소 장치를 나타낸다.

도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 실시예의 동작을 설명하는 음향 경로를 나타낸다.

도 6은 이어폰 장치 주변의 음향 누설 경로를 개략적으로 나타낸다.

도 7은 도 5에 도시된 음향 경로의 길이에서의 차이로 인한 타이밍 변화를 나타내는 곡선을 나타낸다.

도 8은 상업적으로 가용한 노이즈 감소 이어폰 장치의 성능을 나타내는 곡선이다.

도 9는 도 8과 비교되는 곡선이고 아울러 도 4에 도시된 본 발명의 실시예의 성능을 나타내는 곡선이다.

도 10은 일렉트릿 마이크로폰에 대한 등가 회로를 나타내고, 그리고 그 동작 특성 곡선을 나타낸다.

도 11은 집적화된 일렉트릿 마이크로폰 어레이 및 버퍼 증폭기 회로를 나타낸다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 이어폰을 나타낸다.

도 13은 본 발명의 일 예에 따른, 무선 이어폰과 함께 사용되도록 구성된 장치를 나타낸다.

도 14는 본 발명의 일 예에 따른, 셀률러 폰과 함께 사용되도록 구성된 장치를 나타낸다.

도 15는 진폭 및 위상에서의 변화에 대한 노이즈 감소 효과의 감도를 나타내는 삼차원 도면이다.

도 16은 서로 다른 시간 지연 에러를 갖는 가용한 최대 노이즈 감소를 나타낸 곡선을 도시한다.

본 발명의 상세한 설명을 하기 전에, 일반적인 설명으로, 도 2를 참조하면, 도 1에 관하여 설명된 종류의 종래의 피드포워드 장치를 사용하는 것과 관련된 중 요한 문제가 설명된다. 도 2는 도 1에서의 대응하는 컴포넌트들에 적용된 참조 부화와 동일한 부호를 사용한다.

도 2a는 간단한 피드포워드 주변 노이즈 제거 시스템을 보여주고 있으며, 여기서 마이크로폰(A)은 중앙 위치에서 이어폰 쉘(B) 상에 장착되며, 이것은 이어 커널 평면을 통해 이어폰을 착용한 청취자의 단면의 간단한 평면도로 도시되어 있고, 도면의 상부에서 전면 방향(방위각 0도)으로 도시되어 있다.

사운드 웨이브(sound wave)(SF)가 전면 방향으로부터 입사될 때, 웨이브 프런트(wave-front)는 마이크로폰(A)에 도달하는 것보다 약간 더 늦게 청취자의 고막(G)에 도달하는데, 왜냐하면, 음향 경로 길이가 도시된 바와 같이 다르기 때문이다. 길이 X의 경로를 통해 마이크로폰으로 진행하고, 또한 이도(H)의 길이방향 축과 교차하는 이어폰 아래의 포인트(P)(여기서 포인트는 이도의 진입 위치에 놓이고)까지 진행한 이후에, 웨이브는 고막(G)에 도달하기 위해 거리 Y를 추가적으로 진행해야만 한다. 경로 길이 Y는 대략 이도(H)의 길이(전형적으로 22 mm)와 외이(J)의 깊이(전형적으로 17 mm)와 약 5 mm의 귀 위쪽의 작은 에어 갭(air gap)의 합으로, 총 44 mm이며, 대응하는 전이 시간(transit time)은 128 ㎲이다.

그러나, 도 2b에 도시된 바와 같이, 만약 입사의 방향이 측면 위치(즉, 방위각 90도)로부터라면, 웨이브 프런트(SL)는 마이크로폰(A)에 먼저 도달하지만, 앞서 언급된 진입 위치(P)까지 그리고 고막(G)까지의 추가적인 경로 거리가 전보다 훨씬 더 커진다. 여기서, 마이크로폰 자체 및 이어폰 쉘(B)의 테두리와 일직선 상의 평행 위치 양쪽 모두로 경로 X를 통해 진행한 이후에, 웨이브(SL)는 고막(G)에 도달 하기 전에, 추가적인 거리 Z뿐만 아니라 Y를 진행해야만 한다.

결과적으로, 마이크로폰(A)과 포인트(P)(그리고 결과적으로 고막(G))에서의 웨이브 프런트들(SF 및 SL)의 상대적 도달 시간에서 상당한 차이가 존재한다는 것을 고려할 수 있으며, 이것은 청취자에 대한 음원의 방향에 따라 달라지고, 이러한 도달 시간 차이는 두 개의 경로들 간의 차이 Z로 인한 것이다.

이러한 도달 시간 변화는 인간의 머리와 귀의 청각적 성질을 모방하고 있는 "인공 헤드(artificial head)" 시스템을 사용하여 측정될 수 있고, 여기에는 적당한 이어 커낼 시뮬레이터 혹은 그 등가물이 고막 위치까지의 정확한 전파 지연 측정이 가능하도록 청각 구조에 통합될 수 있다. 예를 들어, 공개 문헌 US 6,643,375에서는 본 발명자에 의해 개발된 하나의 가능한 측정 시스템을 설명하고 있다. 측정들은 인공 헤드로부터 약 1 미터의 거리에서 기준 라우드스피커를 장착함으로써 행해지는데, 이것은 이어폰 및 마이크로폰 시스템을 지니고 있으며, 귀와 동일한 수평 평면에 있고, 선택된 방위각에 위치하며, 그리고 8 Hz 주파수로 반복되는 1 ms 직사각형 펄스와 같은 고속 전이 웨이브를 라우드스피커에 인가한다. 이것은 (a) 인공 헤드의 이어 커낼에서의 마이크로폰과 (b) 이어폰 쉘 상에서 외부적으로 장착된 마이크로폰으로부터의 신호를 동기적으로 그리고 동시에 기록함으로써 웨이브프런트들의 도착이 정확하게 식별되도록 한다.

중앙 장착형 주변 노이즈 마이크로폰(이것은 (커낼을 구비한) 인공 헤드 및 이어 시스템에 장착되는 50 mm 직경의 이어폰 모듈에 부착됨)으로부터의 전형적인 측정치 쌍이 두 개의 파형 쌍의 형태로 도 3에 도시되어 있고, 각각의 쌍은 동기적 으로 오실로스코프로부터 동시에 기록된다. 각각의 파형 쌍은 MC에서 이어 커낼 위치에 위치한 인공 헤드 마이크로폰으로부터의 신호를 나타내고, ME에서 외부의 주변 노이즈 기록 마이크로폰을 나타낸다. 도 3은 전면 방향(방위각 0도, 예를 들어 도 2a에서 SF)에 음원이 있을 때 사운드 웨이브 프런트가 고막에 도달하기 전 161 ㎲에 외부 마이크로폰에 도달하는 것을 나타낸다. 그러나, 음원이 방위각 90도(예를 들어, 도 2b에서 SL)에 있을 때, 시간 차이는 훨씬 크며, 즉 300 ㎲이며, 그리고 중간 방향에서, 도달 시간 차이는 이러한 두 개의 극단적인 값들 사이에 있고, 따라서, 약 140 ㎲만큼 변한다.

도달 시간 차이는 음원의 방향에 따라 크게 변하기 때문에, 임의 종류의 어떤 시간 정렬이 이러한 구성 타입에 맞춰 달성되어야 하는지를 아는 것은 어렵다. 시스템이 하나의 특정 방향에 대해 동작하도록 만들어질지라도 다른 방향 모두에서는 비효과적일 수 있다.

도 1에 도시된 종류의 간단한 피드포워드 장치를 구현하는 데 있어 추가적인 문제점은 전형적인 라우드스피커의 유한한 응답 시간 특성으로 인해 발생하는데, 이것은 포함된 임계 타이밍 인자(critical timing factors)에 관해 중요한 것으로 본 발명자에 의해 발견되었다. 이러한 문제는 이후 더 상세히 설명된다.

이제 본 발명의 특정 예들을 살펴보면, 이제 개시될 본 발명의 일부 실시예들에 따른 구성은 분포형 마이크로폰 어레이를 사용하는 데, 이것은 이어폰 관련 주변 노이즈 제거를 위해 피드포워드 시스템과 함께, 이어폰 쉘, 또는 케이싱(casing) 또는 패드(pad)의 둘레에 형성된다.

이러한 구성은 고막에서 주변 노이즈 신호에 대한 제거 신호의 개선된 시간 정렬이 가능하게 하는데, 이것은 종래 피드포워드 시스템과 함께 앞서 언급된 두 개의 문제점(즉, (a) 음원 방향의 변화로 인한 고막 경로 길이에 대한 주변 노이즈에서의 상당한 변화 및 (b) 전기음향 트랜스듀서(electroacoustic transducer)와 관련된 시간 지연)을 적절히 처리함으로써 가능하다. 결과적으로, 본 발명은 지금까지 가능한 것보다 더 높은 주파수까지 동작하는 피드포워드 기반의 구성을 제공하고, 이것은 실질적으로 또한 사실상 전방향성(omnidirectional)이다.

제 1 단계로서, 복수의 마이크로폰들이 주변 노이즈를 검출하기 위해 사용되고, 그리고 이러한 마이크로폰들은 사운드 프런트 방향을 갖는 음향 경로 길이에서의 변화를 감소시키도록 위치한다. 실제로, 단지 두 개의 마이크로폰을 사용함으로써 종래 기술에서 사용된 단일 마이크로폰 구성을 개선하지만, 바람직하게는 세 개 또는 그 이상의 마이크로폰이 사용된다. 본 발명의 바람직한 실시예의 바로 다음의 설명에서, 균일하게 분포된 다섯 개 마이크로폰의 어레이가 사용되는 데, 이어폰 테두리 둘레에 72도 간격으로 이격되어 있다.

도 4는 본 발명의 기본적 일 실시예를 나타낸 세 개의 간략 도면이다. 도 4a는 이어폰(10)이 바깥쪽 귀에 있을 때의 바라본 평면도이고, 다섯 개의 마이크로폰 위치들 중 하나를 통과하는 있는 방사방향 단면 축 A-A'를 나타내고 있으며, 그리고 도 4b는 축 A-A'를 통한 단면의 전면 입면도이다. 본 발명의 이러한 실시예는, 이어폰 캡슐(10)의 테두리(20) 둘레에 가깝게 있는 하우징에 장착되는 분포형 다섯 개 초소형 일렉트릿 마이크로폰(21, 22, 23, 24 및 25)의 어레이를 포함하도록 나 타나 있다. 마이크로폰 장착 구성의 상세한 부분이 도 4c에 도시된다. 21과 같은 각각의 마이크로폰은 그 입구 포트(inlet port)(26)가 짧은 도관(27)을 통해 주변 공기에 노출되도록 장착되는데, 이 도관은 전형적으로 마이크로폰과 대략 동일한 폭을 가지며, 높이는 0.5 mm, 그리고 길이는 몇 mm이다. 이러한 치수는 임계적이지 않으며, 도관은 도 4a에서 평면으로 도시된다. 각각의 마이크로폰의 후면은 또한, 마이크로폰 다이어프램(microphone diaphram) 전체에 걸쳐 내부 압력의 평형을 유지시키기 위해, 누설 경로(미도시)를 통해 주변에 노출된다. 바람직하게는 21과 같은 각각의 마이크로폰은, 전기적 리드-아웃 연결(electrical lead-out connections)을 간단히 하기 위해, 공통 인쇄 회로 기판(Printed-Circuit Board, PCB)(28) 상에 견고하게 장착되고, 그리고 이후에 설명되는 바와 같이 관련 전자 회로를 간단히 하기 위해 마이크로폰들을 병렬로 구성하는 것이 바람직하다. 마이크로폰은 가능한 한 라우드스피커로부터 음향적으로 분리된다. 바람직하게는, 마이크로폰 입구 포트들은 이어폰의 테두리 둘레에 정렬되지만, 바람직하다면 이들은 가장 바깥쪽 표면 상에 정렬될 수 있다.

이어폰 캡슐(10)은 다양한 컴포넌트들에 대하 샤시로서 동작하는 케이싱(11)을 포함하며, 이 안에는 전형적으로 직경 34 mm의 컴플라이어스(compliance)가 높은 마이크로스피커(12)가 장착되는데, 그 다이어프램은 밑바닥 에지에서 보호 그릴(protective grille)(13)을 통해 노출되고, 여기에 포움 패드(14)가 청취자의 바깥쪽 귀에 편안함을 주도록 부착된다. 대안적으로, 더 높은 주파수(>4 kHz)에서 개선된 음향 분리를 위해, 이들 대신 종래의 포움으로 채워진 가죽 환형 링들이 사용 될 수 있다. 라우드스피커에는 컴플라이언스가 높은 로딩을 제공하기 위해 전형적으로 몇 ml의 부피를 갖는 후면 캐버티(rear cavity)(15)가 제공되고, 그리고 바람직하게는 이것은 라우드스피커(12)의 기본 공진(fundamental resonance)을 최소화하기 위해, 음향 포움(acoustic foam)을 사용하여 댐핑(damping)된다. 또한, 바람직하게는, 후면 체적은, 후면 로딩 컴플라이언스를 최대화하기 위해, 16과 같은 하나 또는 그 이상의 개구를 통해 주변 노출된다. 이러한 구멍들은 26과 같은 마이크로폰 입구 포트들로부터 10 mm 혹은 그 이상 이격된다.

패드형 이어폰에 있어서, 이어폰 유닛들은 음향적으로 비투과적이고, 그래서 각각의 이어폰 조립체는 청취자의 귓바퀴에 인접하여 접촉하고 있는 음향 방해물(acoustic baffle)로서 동작한다. 전형적으로 두께 3 mm와 6 mm 사이의 얇은 포움-고무 패드(14)는, 청취자에게 편안한 표면을 제공하기 위해 그리고 바깥쪽 귀와 주변 간의 어떤 작은 정도의 음향적 밀봉을 제공하기 위해, 이어폰의 표면을 덮는데 사용된다. 후자는, 비록 약 4 kHz보다 낮은 저주파수에서 효과가 덜할지라도, 세 가지 목적(즉, (a) 이어폰의 저주파 응답을 증가시키는 것, (b) 이어폰으로부터 주변으로의 바깥쪽 방향 음향 방출을 제한하는 것, 그리고 (c) 주위 환경으로부터 주변 노이즈의 진입을 감소시키는 것)을 충족시킨다.

본 발명의 이러한 실시예에 따른 중요한 특징은 다음과 같다. 이어폰(10)이 방해물로서 동작하기 때문에, 주변으로부터 고막까지의 음향 누설 경로는 이도에 대한 축 상의 진입 위치에 도달하기 이전에, 이어폰 조립체의 직경의 반을 진행해야만 한다. 따라서, 마이크로폰(21 내지 25)을 이어폰의 테두리(20)에 혹은 이어폰 의 테두리(20) 가까이에 위치시킴으로써, 주변 노이즈 신호는 고막에 도달하기 전에 획득되어 전기음향 트랜스듀서(12)에 인가될 수 있고, 따라서 전기음향 트랜스듀서(12)의 내재적 응답 시간을 보상할 수 있다. 더욱이, 이것은 모든 방향으로부터 도달하는 웨이브프런트들에 대해 적용된다.

예를 들어, 도 4를 참조하여 설명된 것과 같은 구성에 있어서, 도 5는 (도 2에서와 같이) 방위각 0도(도 5a)에서의 전면 노이즈 소스(NF)로부터 고막까지의 음향 경로를 나타내고, 그리고 방위각 90도(더 5b)에서의 측면 노이즈 소스(NL)로부터 고막까지의 음향 경로를 나타낸다. 음향 경로는 단순화되어 있고, 이러한 특정을 설명하기 위해 개념적으로 세 개의 섹션(X', Y' 및 Z')으로 나누어져 있다.

이 단계에서, 명확한 초기 설명을 위해, 그리고 포함된 시간 지연을 대략적으로 설명하고 정량화하기 위해, 마이크로폰들 중 단지 하나(21)를 경유하는 신호 경로만을 고려한다.

도 5a를 참조하면, 전면 소스 웨이브 프런트(NF)가 먼저 이어폰의 테두리(20)에 도달하고, 여기서 이것은 마이크로폰(21)에 의해 검출되는데, 그 경로는 경로(X')를 따른다. 웨이브 프런트(NF)는 그 다음으로, 고막(G)에 도달하기 위해, 이어폰의 반경을 진행해야만 하고, 이후 외이(J)의 깊이를 진행하고, 그리고 이도(H)의 길이를 진행해야만 한다(여기서는 결합된 경로(Y')로 나타남). 그러나, 제거 신호는 경로(Z')를 바이패스(by-pass)한다. 결과적으로, 피드포워드 전자 회로에서 시간 지연이 없다고 한다면, 제거 신호는 이도의 중앙 축에서의 진입 위치(P)(즉, 경로(Y')와 경로(Z')의 접합점)에서 주변 노이즈 신호의 도달 이전에 이 어폰의 라우드스피커에 보내질 수 있다. 이어폰의 라우드스피커의 응답 시간에 방사방향 경로 길이(Z')의 비행 시간을 정합시킴으로써, 실질적으로 정확한 시간 정렬이 달성될 수 있다. 편리하게는, 이것은 실제로 이어폰 직경으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 60 mm 직경의 이어폰은 30 mm의 방사방향 경로 거리를 가지며, 이것은 87 ㎲의 비행 시간에 대응하고, 이것은 많은 작은 이어폰 라우드스피커의 내재적 응답 시간에 잘 정합된다.

이제 도 5b를 참조하면, 방위각 90도에서 측면 소스로부터 도달하는 노이즈 웨이브 프러트(NL)에 대해 유사한 프로세스가 일어나는 것을 알 수 있다. 이어폰(10)의 존재는 웨이브(NL)가 직접 귀까지 진행하는 것을 막고 있으며, 따라서, 도 5a의 전면으로부터의 웨이브 프런트(NF)의 경로와 유사한 경로를 따라, 구조체의 둘레로 진행해야 한다. 이어폰의 테두리(20)에 도달한 이후에, 웨이브 프런트(NL)는 21과 같은 하나 또는 그 이상의 마이크로폰들에 의해 검출되고, 그 다음으로, 고막(G)에 도달하기 위해, 이어폰의 반경(경로(Z'))을 따라 진행해야만 하고, 이후 외이의 깊이 및 이도의 길이(경로(Y'))를 진행해야만 한다. 그래서, 이전과 마찬가지로, 라우드스피커는, 이도의 중앙 축 상의 진입 위치(P)에서의 노이즈 신호의 도달 이전에, 테두리 마이크로폰들로부터 획득된 제거 신호로 구동될 수 있다.

앞서의 설명에서, 포함된 시간 지연을 대략적으로 정량화하기 위해 그리고 설명을 간단하게 하기 위해, 단지 단일 마이크로폰(21)만의 영향이 고려되었다. 그러나, 프로세스는 약간 더 복잡해진다는 것을 알아야 한다. 본 발명자는, 웨이브 프런트가 이어폰 유닛에 도달하고 그 다음에 진행할 때, 계속적인 회절 프로세스가 도 6에 도시된 바와 같이 이어폰의 테두리 아래에서 일어난다는 것을 관측했고, 웨이브 프런트가 이어폰 조립체를 통해 완전히 통과할 때까지, 바깥쪽 귀와 이어폰 사이의 캐버티로의 후속적 음향 누설이 있게 된다.

도 6은 이러한 프로세스가 전면 원점(frontal origin)의 웨이브 프런트(NF')에 대해 일어나는 것을 나타내며, 여기서 상호작용 프로세스가 가장 길어진다. 도 6a는 이어폰 케이싱(11)의 리딩 에지(leading edge)(전면 에지)의 웨이브 프런트(NF')의 도달을 나타내며, 여기서 누설 경로(L1)는 이어폰 아래에 있다. 웨이브(NF')가 이어폰을 진행하여 중간 위치에 도달할 때(도 6b), 진입 누설 경로가 이어폰 테두리(20) 둘레 및 아래에서 회절을 통해 일어난다. 웨이브 프런트(NF')가 이어폰(10)에서의 진행을 완료하고 후면(후방) 에지(도 6c)를 떠날 때, 웨이브 프런트는 이어폰 테두리(20) 둘레 및 아래 뒤쪽에서 회절되고, 따라서 이어폰(10)과 바깥쪽 귀 사이의 사운드 압력 레벨에 기여한다.

이러한 현상은 방향에 따라 다르다. 만약 웨이브 프런트가 전면 노이즈 소스로부터 온다면, 음향 에너지는, 즉 60 mm 이어폰 쉘을 진행하기 위해 웨이브 프런트가 소비하는 기간(이것은 약 175 ㎲)에 관해 시간적으로 알맞게 분포된다. 그러나, 만약 들어오는 웨이브 프런트가 이어폰에 수직 입사(즉, 방위각 90도)한다면, 에너지가 한꺼번에 도달하고, 그리고 시간적으로 알맞게 분포되지 않는다.

따라서, 주변으로부터 고막까지의 임펄스 응답(및 관련 전달 함수)은 도 3에 이미 도시된 바와 같이, 음원 방향에 따라 크게 변한다. 전면 임펄스 응답은 측면 임펄스 응답보다 (a) 훨씬 더 작은 피크 진폭 및 (b) 더 긴 지속시간을 갖는다. 그러나, 본 발명에 따른 구성은 이러한 것을 자동으로 고려하고 있는데, 왜냐하면, 효과적으로 이들은 이어폰의 테두리 둘레의 사운드 압력 레벨을 통합하고 그리고 시간의 함수로서 전체 동적 누설-드라이빙 SPL을 나타내는 신호를 발생시키기 때문이다.

5개의 마이크로폰이 분포된 어레이(이것은 (커낼을 구비한) 인공 헤드 및 이어 시스템에 장착되는 50 mm 직경의 이어폰 모듈에 통합됨)로부터의 측정치들의 전형적인 쌍이 두 개의 파형 쌍의 형태로 도 7에 도시되어 있으며, 각각의 쌍은 동기적으로 오실로스코프로부터 동시에 기록된다. 각각의 파형 쌍은 인공 헤드 마이크로폰으로부터의 신호(MC)를 나타내고, 5개의 마이크로폰이 분포된 어레이로부터의 신호(MA)를 나타낸다. 도 7은 음원이 전면 방향(방위각 0도)에 있을 때, 사운드 웨이브 프런트가 고막에 도달하기 전 200 ㎲에서 외부 마이크로폰(200)에 도달하는 것을 나타낸다. 그러나, 음원이 방위각 90도에 있을 때, 이 시간 차이는 단지 약간 더 크다(즉, 250 ㎲). 중간 방향에서, 도달 시간 차이는 두 개의 값들 사이에 있을 수 있고, 따라서 (단일 마이크로폰의 140 ㎲ 변화와 비교하여) 전체 50 ㎲만큼만 변한다. 이러한 ±25 ㎲ 변화는, 2 kHz에서 -10 dB 제거를 달성하기에 충분한 것으로 본 발명자가 보여줄 수 있는 시간 정렬도를 제공한다.

유의해야만 하는 것으로 주변 누설 대 고막(ambient leakage-to-eardrum)의 임펄스 응답(도 3)과 주변 대 마이크로폰 어레이(ambient-to-microphone array)의 임펄스 응답(도 7)은 직접적으로 서로 비교가능하지 않다는 것인데, 왜냐하면, 전 자는 이어폰 아래의 음향 경로 및 이동의 영향을 포함하고 있지만, 후자는 그렇지 않기 때문이다. 이러한 도면들은 단지 둘 간의 크기 및 지속시간에서의 변화의 유사성 및 이들이 유사하게 방향에 의존적임을 단지 설명하기 위해 제공되는 것이다.

개념적으로, 이어폰/바깥쪽 귀 캐버티로의 전체 주변 노이즈 누설은, 많은 요소적 방사방향 누설 경로들의 합으로 고려될 수 있는데, 이것은 이도를 통과하는 길이방향 축 상에 그 중심이 있는 중앙 노드를 포함하는 진입 위치에 모인다. 따라서, 방사방향의 요소적 누설 경로들의 개념적인 중앙에서의 주변 노이즈 신호는, 이어폰(10)의 테두리(20)로부터 위치(P)까지 전파한 이후의 요소적 기여들의 시간에 따른 합이다.

만약, 요소적 누설 경로가 유사한 음향 임피던스를 가진다면, 방사방향의 요소적 누설 경로들의 개념적 중앙(P)에서의 주변 노이즈(SPL)는, 방사방향 전파 지연 이후에, 이어폰의 테두리(20) 둘레에서 요소적 누설 경로들의 바깥쪽 포인트들에서의 각각의 SPL의 시간에 따른 합을 나타낸다. 이러한 개념적 중앙의 주변 노이즈 SPL은 바깥쪽 귀와 이도를 드리이빙 하는 것이고, 그리고 본 발명의 원리에 따른, 분포된 링형 마이크로폰 어레이(21 내지 25)가 검출하고 그 발생 전에 등록하는 것이 바로 이러한 신호이다.

본 발명의 효과는 최고의 상업적 귀덮개형 노이즈 제거 이어폰들 중 하나의 성능과 본 발명의 일 실시예에 따르고 도 4에 도시된 종류의 5개의 마이크로폰이 분포된 어레이를 갖는 것의 성능을 비교함으로써 가장 잘 증명될 수 있다. 주요 제조자로부터의 상업적 이어폰은, 평가된 네 개의 서로 다른 세트들 중 최상의 것을 수행하는 것으로 선택되었다. 5개의 마이크로폰이 분포된 어레이 신호는 간단한 피드포워드 노이즈 제거 구성에서 사용되었고, 이때 이러한 효과를 보여주기 위해 어떠한 임의의 필터링 혹은 (증폭 및 반전 이외의) 다른 신호 처리는 없었다. 이도를 갖는 인공 이어 디바이스의 특징을 가지고 있는 인공 헤드 시스템 상에서 측정이 행해진다. 이어폰이 인공 헤드 상에 놓이고, 노이즈 제거는 스위치 오프되어 있으며, 그리고 인공 헤드로의 주파수 응답은, 표준 방법(MLS 시퀀스 및 스위핑된 정형파(swept sinusoidal) 양쪽 모두)을 사용하여, 수평 평면에서 1 미터 거리 그리고 방위각 45도에서 작은 라우드스피커로부터 측정된다. 다음으로, 피드포워드 노이즈 제거가 스위치 온 되고, 측정이 반복된다. 결과는, 기준 마이크로폰(B&k 4003)으로 수행된 이전의 기준 측정치를 공제함으로써 라우드스피커 음색 변환 효과(loudspeaker coloration)를 제거하도록 처리되고, 그리고 이들은 도 8에서 상업적으로 이용가능한 이어폰에 대해 나타나고 있으며, 그리고 도 9에서 본 발명의 일 실시예에 따른 5개 마이크로폰 어레이를 포함하고 있는 이어폰에 대해 나타나고 있다.

도 8은 상업적으로 이용가능한 귀덮개형 노이즈 제거 이어폰으로부터 얻어진 측정치들을, 인공 헤드에서의 이어 커낼 마이크로폰으로부터 획득된 세 개의 주파수 응답 그래프의 형태로 보여주고 있다. 제 1 그래프(A)는 기준 역할을 하도록 이어폰의 적절한 배치 없이 이어 커낼 마이크로폰의 응답을 보여 주고 있다. 제 2 그래프(B)는 이어폰이 적절히 배치되고 노이즈 제거가 스위치 오프 되었을 때의 응답을 보여주며, 그리고 제 3 그래프(C)는 노이즈 제거가 스위치 온 되었을 때의 응답 을 보여준다.

기준 응답(A)의 모양은 바깥쪽 귀와 이어 커낼의 공진 특성에 의해 야기되는 것으로, 대략 2.6 kHz에서 그 최대 피크를 갖는다. 이어폰이 적절히 배치된 경우(그래프(B)), 2 kHz 이상의 들어오는 주변 주파수는 도 1b에 도시된 바와 같이 바깥쪽 귀에 이어폰을 부분적으로 밀봉시키는 포움 큐션에 의해 수동적 감쇄(passive attenuation) 하에 놓인다. 그러나, 400 Hz 내지 1.5 kHz 범위에서, 이어폰 상에 인가되는 동작은, 각각의 이어폰과 그 각각의 바깥쪽 귀 사이의 현재 존재하는 캐버티로 인해, 1 kHz에서 +6 dB만큼 고막에서 주변 노이즈 레벨을 실제로 증가시킨다. 그래프(C)는 노이즈 제거 회로를 스위치 온 시킨 경우의 결과이다. 이로부터 알 수 있는 것은, 300 Hz 내지 상한값인 1.5 kHz 범위에서 기껏해야 단지 -6dB 만큼만 약간 감소한다는 것이다. 1 kHz에서의 감소는 단지 -3 dB이다.

도 9는 분포형 5개 마이크로폰 어레이를 포함하는 이어폰에 대한 응답들의 유사한 그리고 직접적인 비교 세트를 보여주고 있으며, 편의상 귀덮개형 구성이 아닌 패드형 구성이며, 결과적으로 주변으로부터 귀까지 더 큰 음향 누설이 있게 된다. 이어폰이 적절하게 배치되는 경우(그래프(B)), 4 kHz 이상의 응답은 수동적 감쇄에 의해 감소되고, 그리고 피크 응답은 전에 언급한 바와 같이 공진으로 인해 약 3 dB 만큼 약간 증간된다. 그러나, 노이즈 제거가 스위치 온 될 때(그래프(C)), 응답은 300 Hz 내지 3.5 kHz 범위 내에서 크게 감소하게 되고, 그리고 300 Hz 내지 1 kHz 범위에서 약 -10 dB만큼 감소하게 된다. 1 kHz에서의 감소는 대략 -12 dB이고, 그리고 이제 상한은 3.5 kHz이다. 아래의 표 1은, 고품질의 상업적으로 이용가능한 이어폰과 비교된, 분포형 5개 마이크로폰 어레이에 의해 제공되는 노이즈 제거에서의 개선 사항을 요약하고 있다.

실질적으로, 본 발명에 따른 구성에서, 비용 및 복잡도 면에서 볼 때, (제거 신호와 노이즈 신호 간의) 신호 정합의 정확성과 마이크로폰의 개수 선택 간에 상충관계가 존재한다. 또한 마이크로폰으로부터 요구되는 필요한 신호 "리드 타임(lead time)" 및 이어폰 조립체의 물리적 직경에 있어 추구되어야 할 균형점이 있는데, 왜냐하면, 이러한 리드 타임을 결정하는 것이 바로 분포형 마이크로폰의 직경이기 때문이다. 다음의 설명은 이러한 관점에서 본 발명의 실제적 구현을 안내한다.

정확한 시간 정렬을 달성하기 위해, 주변 마이크로폰(들)과 이어 커낼 마이크로폰 간의 도달 시간의 차이는 전기음향 트랜스듀서(즉, 이어폰의 라우드스피커)로부터 이어 커낼 마이크로폰까지의 시스템 응답 시간과 동일(실질적으로 유사)해야만 한다.

명심할 것으로, 각각의 음향 경로는 외이 그리고 이도 그리고 고막까지 공통 경로 요소(도 5에서 Y'로 도시됨)를 공유하기 때문에, 첫 번째 해결법은, 분포된 원주분포형 어레이에 대해 적절한 반경을 선택함으로써, 나머지 경로 요소(도 5에서 Z'로 도시됨)와 관련된 시간 지연이 트랜스듀서 응답 시간과 동일하도록 만드는 것이다.

제 1 단계는 이어폰 구동 모듈에 대해 선택된 전기음향 트랜스듀서의 응답 시간을 측정하는 것이다. 만약 트랜스듀서 응답 시간이, 예를 들어 70 ㎲(전형적인 값)라면, 이것은 약 24 mm의 음향 경로 길이에 대응하고, 그래서 분포형 마이크로폰 어레이의 음향 중심이 대략 48 mm 직경 혹은 그 근방의 직경을 갖는 원의 중심이 되어야 한다.

그러나, 음향 경로는 이처럼 직선적이지 않고 간단하지 않으며, 따라서 가장 좋은 정확도를 얻기 위해서는 도달 시간의 차이를 측정하여 이에 따라 반경을 조절하는 것이 가장 좋다. 실제로, 이러한 목적에 적합한 대부분의 트랜스듀서는 70 ㎲ 내지 100 ㎲ 범위의 응답 시간을 갖으며, 그래서 40 mm 내지 60 mm 범위의 분포형 마이크로폰 어레이 직경이 이러한 값들에 매우 적합하다.

다음으로, 어레이 내에서 사용될 마이크로폰의 개수가 선택되어야만 한다. 물론 이상적으로는 적은 수보다 많은 수가 더 좋은데, 왜냐하면 만약 너무 작은 개수가 사용된다면, 어떤 양자 효과(quantization effects)의 위험이 있을 수 있기 때문이다. 만약 40 ㎲(대응하는 전파 거리는 약 14 mm)보다 더 좋은 시간 정렬이 바람직하다는 합리적 기준을 제시하고자 한다면, 반경(R)인 원형 마이크로폰 어레이를 통해 지나가는 웨이브의 기하학적 구조를 조사하고, 다음과 같은 식처럼, 이들의 각거리(angular separation)(

)에 따른 개별 마이크로폰들 간의 횡 파(transverse wave)가 통과하는 유효 거리(D)에 대해 간단하고 근사적인 관계를 조사하는 것이 가능하다.

이식을 통해, 40 ㎲(D = 14 mm)보다 작은 마이크로폰 대 마이크로폰 시간 간격을 위해서, 만약 R = 30 mm라면,

= ~60도이어야 함을 알 수 있고, 따라서 6개의 마이크로폰이 사용되어야 한다. 그러나, 이것은 단지 개략적인 가이드라인이다.

이어폰이 청취자의 귀에 착용될 때 이어폰이 약간 다른 위치에 배치되는 경우, 음향 누설 성질 및 다양한 음향 경로 길이에서의 상당한 가변적 성질이 존재하는 것은 이러한 종류의 시스템에서 피할 수 없는 것이다. 이러한 것은, 이미 행해진 임의의 작은 설계시의 절충의 영향과 함께, 시스템의 성능을 제한하는 경향이 있으며, 그래서 노이즈 억제 특성은 여전히 "유한한" 억제 크로스오버 포인트를 갖는 특징이 있다. 그러나, 이것은, 종래 기술의 디바이스들에서 측정된 서브 1 kHz 크로스오버 주파수(crossover frequencies)와는 대조적으로, 일반적으로 3 kHz 이상에서 잘 관측된다.

개별 마이크로폰의 정확한 배향이 중요하지만 필수적인 사항은 아니다. 누설 경로로의 진입구에서 SPL을 가장 잘 나타내기 위해, 마이크로폰 입구(예를 들어, 26)는 청취자의 머리에 인접한 테두리 에지(20)에 가깝게 위치해야만 한다. 예를 들어, 이것은 이어폰(도 6)의 후면 에지에서 뒤로 회절되는 웨이브가 정확히 등록되는 것을 확실하게 한다. 만약 26과 같은 마이크로폰 입구 포트가 청취자의 머리 로부터 멀리 떨어지게 된다면, 이것은 이어폰 둘레 및 이어폰 아래 후면에서의 회절 이전에 진행하는 웨이브 프런트를 등록하고, 그리고 고막에 도달하는 주변 노이즈보다 더 높은 주파수에서 훨씬 더 많은 에너지를 포함하는데, 왜냐하면, 후자는 후면 회절을 겪기 때문이다.

마이크로폰 어레이를 정하는 경우에, 가장 적절한 트랜스듀서는, 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 자들에게 잘 알려진 바와 같이, 초소형 일렉트릿 마이크로폰이다. 본 발명자는 그 크기가 직경 6 mm × 길이 5 mm 내지 직경 3 mm × 길이 1.5 mm 범위에 있는, 다양한 제조자들로부터의 다양한 서브 초소형 일렉트릿 마이크로폰을 사용했다. 마이크로폰은 상대적으로 평탄한 주파수 응답(200 Hz와 10 kHz 사이에서 ±3dB)을 가져야 하며, 그리고 마이크로폰들 간의 감도 변화는 1 kHz에서 ±3 dB보다 더 작아야만 한다. (이러한 사양은 본 발명자에 의해 사용된 직경 3 mm × 길이 1.5 mm의 마이크로폰에 있어 전형적인 것이다)

마이크로폰 어레이를 전기적으로 구성하는 것에 관하여, 각각의 마이크로폰은 인테그랄 FET 버퍼 증폭기(integral FET buffer amplifier)를 포함하고, 따라서 출력 임피던스는 단지 몇 kΩ이다. 도 10a는 전형적인 마이크로폰 캡슐의 간단한 등가 회로를 나타내고, 여기서 일렉트릿 필름은 약 100pF의 작은 커패시턴스(C1)와, 전형적으로 100 MΩ의 높은 병렬 누설 저항(R2)으로 나타내지고 있으며, 이것은 n-채널 JFET(Junction Field-Effect Transistor)(J1)의 게이트와 그라운드 사이에 연결되어 있다. 사용시, JFET 드레인 접속부는 부하 저항기(R1)를 통해 전형적으로 +3 V인 저전압 소스(V1)에 연결된다. 전형적인 JFET 마이크로폰 캡슐의 전달 특성은, I_D/V_DS 특성의 형태로, 도 10b에 도시되어 있다. 드레인-소스 전압이 약 +1 V보다 더 큰 포화 영역이 존재한다는 것을 알 수 있고, 관련 포화 전류는 약 250 ㎂이다. 이 영역에서, JFET의 전도성은 V_DS와는 크게 독립되어 있고, 그리고 게이트-소스 전압 차이(즉, 일렉트릿 양단의 전압에서의 오디오에 따른 변화(간결한 설명을 위해 여기서는 포함되지 않음))에 의해 주로 제어된다. 도 10a는 6 kΩ의 전형적인 부하 저항기를 보여주고 있으며, 이것은 +3 V 바이어스 전압과 결합되어 결과적으로 250 ㎂의 디바이스 전류, 1.5 V의 V_DS 값, 및 출력 노드 상에서 +1.5 V의 DC 출력 전압 레벨을 일으킨다.

그러나, 마이크로폰 신호는 상대적으로 작고(크기에 있어 몇 mV), 따라서 여전히 증폭을 필요로 한다. 각각의 마이크로폰에 대해 개별적인 전치 증폭 스테이지를 사용하고 이후 전압 합산 스테이지를 사용하는 것보다 오히려 마이크로폰 모두에 동시에 적용되는 단일 증폭 스테이지를 구성하는 것이 편리하다. 이러한 것을 달성하는 한가지 방법은 병렬로 마이크로폰 모두를 연결하는 것이다. 그러나, 이러한 특정 타입의 구성에서 중요한 것은, 마이크로폰 모두가 그들의 포화 영역에서 동작된다는 것이고, 만약 그렇지 않다면 상호 변조가 발생하는데, 왜냐하면 하나의 마이크로폰에서의 전류 변화가 공통 노드 전압을 변경시키고, 이것은 또한 다른 마이크로폰의 인테그랄 FET들에서의 전류를 변경시키기 때문이다. 예를 들어, 도 10a에서, 만약 네 개의 추가적인 마이크로폰 캡슐이, 본래 6 kΩ의 부하 저항(R1)을 사용하는 본래 것과 병렬로 간단히 연결된다면, 출력 전압(V_DS)은 단지 200 mV로 감 소되고, 각각의 마이크로폰 JFET에 흐르는 전류는 단지 90 ㎂이다. 이것은 포화 아래에 있고, 여기서 V_DS에서의 임의의 변화는 디바이스 전류에서의 큰 변화를 일으키고, 따라서 오디오 신호를 변조한다.

이러한 상호 변조 현상을 피하기 위해, 선택된 마이크로폰 타입의 I_D/V_DS 특성이, 도 10b에 도시된 바와 같이, 측정되어야 하고, 그 다음에 마이크로폰의 포화 영역 및 전류 그리고 인테그랄 FET가 결정될 수 있다. 이로 인해 단일의 적절한 바이어스 저항기가 전체 마이크로폰 어레이에 대해 선택될 수 있어, 상호 변조 영향이 없이 안전하게 동작될 수 있다. 예를 들어, 만약 앞서의 특징들에 따라 병렬로 5개 마이크로폰 어레이를 형성할 필요가 있다면, 부하 저항기(R1)는 실질적으로 이 경우에 1.2 kΩ으로 감소되어야 한다. 이것은 결과적으로 다섯 개의 디바이스들 각각에 흐르는 전류가 250 ㎂의 만족스러운 포화 전류가 되도록 하고(전체적으로 1.25 mA), 이전과 마찬가지로 V_DS 값은 1.5 V이다.

도 11은 다섯 개의 마이크로폰들이 병렬로 적절한 버퍼 증폭기(X1A)(이 경우, 이득 인자는 28임)에 연결된 바람직한 회로 구성을 보여주고 있다. 이러한 스테이이지의 출력은, 증폭을 트리밍(trimming)하기 위해 이득 조정가능 스테이지를 통해 라우드스피커 구동 스테이지에 공급됨으로써, 그리고 만약 필요하다면 그 다음의 회로 및 스피커 연결부에서의 임의의 극성 변화에 따라 인버터에 공급됨으로써, 도 1에 도시된 일반적인 종류의 피드포워드 시스템을 구동하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 간단한 기본적 실시예가 도 4를 참조하여 이미 설명되었고, 여기서 마이크로폰의 원형 어레이는 이어폰의 테두리 둘레에 정렬된다. 도 12는 이러한 구성이 헤드밴드에 장착된 것을 나타내고 있으며, 참조 번호는 도 4의 것에 대응한다. 이러한 실시예들의 변형은 이어폰 케이싱의 구조체에 통합되는 내부 인쇄 회로 기판(PCB) 상의 관련 전자적 컴포넌트(파워 서플라이, 전치 증폭기, 인버터 및 오디오 구동기)를 포함하는 것이다. 이것은 외부 케이블링을 감소시키는 데 편리하고, 전체 디바이스에 추가되는 부피 및 중량에 소비되는 비용을 줄여준다. 이것은 또한 제조시에 예를 들어 마이크로폰이 원형 PCB의 에지 둘레에 직접 장착될 수 있는 편의성을 제공하며, 여기에 라우드스피커가 스프링 접촉을 통해 전기적으로 연결되고, 따라서 "스냅형(snap-together)" 구성이 가능하게 된다. 음향 파티션은, 테두리 둘레의 하나 또는 그 이상의 적절한 근접 셀 포움 폴리우레탄 개스킷(closed-cell foam polyurethane gaskets)을 사용하여, 마이크로폰과 라우드스피커의 후면 체적 사이에서 유지될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실제 실시예가 도 13에 도시되며, 무선 이어폰 (블루투스) 구성(30)으로 되어있다. 이 예에서, 세 개의 마이크로폰(각각의 입력 포트(31, 32, 및 33)를 가짐)이 중앙 배치 라우드스피커(미도시되어 있으며, 하우징의 바깥쪽 표면(34)에 의해 감추어져 있음) 둘레에 분포된다. 이어폰(30)은 또한 종래 방식으로 이어크립(earclip)(35)과 립 마이크로폰 붐(lip microphone boom)(36)을 갖도록 형성된다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실제적 실시예를 보여주고 있으며,여기서 분포형 마이크로폰 어레이는 셀률러 폰 핸드셋 유닛(40)에 설계되어 있고, 또한 세 개 마이크로폰 어레이의 형태로 설계되어 있다. 어레이의 세 개의 마이크로폰에 대한 개별 입력 포트들이 각각 41, 42, 및 43에서 보이고 있다. 종래 마이크로스피커 출구 포트는 44에서 보인다.

일반적으로, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 종래의 피드포워드 개념으로부터 본 발명이 출발점을 고려하면, 오늘날까지 실행되고 있는 피드포워드 방법의 비효율성에 대한 이유가 충분히 설명되지 못하고 있다는 것을 알 수 있으며, 이것은 비록 관련 전자적 필터링을 사용함으로써 또는 주기적 노이즈를 "튜닝제거(tune out)"하기 위해 적응성 필터를 사용함으로써 많은 개선의 노력이 있었음에도 그러하다.

피드포워드 구성에 대한 이전의 제안들은 들어오는 주변 노이즈 신호와 이어폰 라우드스피커를 통해 구동되는 신호 양쪽 모두가 예를 들어 이어폰 쉘 캐버티 내의 음향 공직에 의해 다양한 변형을 겪게 된다는 원리에 그 근거를 두고 있는 것 같다. 이러한 변형은 신호의 진폭 응답을 변형시키고, 전체 제거가 일어나는 것을 막는 것으로 고려되고 있다. 그러나, 두 개의 신호의 위상으로 인한 것이라는 고려는 없으며, 그리고 만약 이러한 다양한 전달 함수가 수학적으로 결합되어야 한다면, 이상적인 전자적 필터가 이러한 영향 모두를 고려하고 예측하기 위해 생성되야 한다고 제안되고 있다.

본 발명에 따르면, 주변 노이즈 신호에 대한 제거 신호의 상대적 위상은 두 신호의 상대적 진폭과 적어도 동일한 중요성을 가지는 것으로 고려된다는 것을 이 해해야 한다.

주변 노이즈 제거에 관한 다양한 종래의 공개 문헌들이 진폭 응답을 수정하기 위해 전자적 필터들을 사용하는 것을 언급하고 있지만, 타이밍 혹은 위상 응답을 다룬 것에 관한 어떠한 명확한 설명도 존재하지 않는다. 예를 들어, US 6,069,959는 피드포워드 노이즈 제거 시스템과의 사용을 위한 복합 필터링 구성을 설명하고 있으며, 그리고 진폭 응답을 도시한 많은 그래프를 개시하고 있지만, 타이밍 혹은 위상 응답에 대한 어떠한 설명이나 참조사항은 없다.

다양한 전달 함수들을 측정하고 그 다음에 필수적 필터 함수를 형성하기 위해 이들을 결합함에 있어 앞서의 방법들을 구현하는데 있어서의 어떤 중요한 실제적 어려움이 존재한다.

본 발명의 발명자는 앞서의 전달 함수들의 방향성이 중요하다는 것을 고려하고 있으며, 그리고 이러한 인자는 이전에는 관측되지 않았던 것으로 알고 있다.

본 발명의 발명자는 또한 매일 사용되는 바와 같은 확산 사운드 필드(diffuse sound-field)에서의 사용을 위해 단일 각도 측정으로부터 얻어진 전달 함수를 사용하는 것은 적절하지 못하다고 고려하고 있다.

주변 노이즈 제거 시스템 개선하려는 종래의 여러 시도들의 취약한 결과의 관점에서 보면, 적응성 필터의 사용과 같은 매우 정교한 방법에 의지하고 있다. 최신 기술을 요약한 논문(제목: "Adaptive feedback active noise control headset: implementation, evaluation and its extensions", 저자: W S Gan, S Mitra 및 S M Kuo, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 51, (3), August 2005)이 발간 되어 있다. 이러한 방법은, 디지털 신호 처리기(Digital Signal-Processor, DSP)를 사용하여 주로 반복적인 노이즈들에 대해, 들어오는 노이즈의 다양한 성분들을 분석 및 식별하려 하고, 그 다음에 실시간으로 전자적 필터를 수정하여 최적의 제거 신호를 제공하려 한다. 그러나, 상당한 수학적 및 공학적 노력에도 불구하고, 이러한 방법은 제한적 성공을 거두고 있다. 예를 들어, 논문(제목: "Analogue active noise control", 저자: M Pawelczyk, Applied Acoustics, 63, (2002), pp. 1193-1213)은 본 발명의 기술분야에서의 최신 기술의 개관을 포함하고 있다. 이러한 논문의 도 15로부터, 최신 적응성 시스템의 제거 대역폭은 약 500 Hz 이하의 주파수에 한정된다는 것을 알 수 있다. 또한, Pawelczyk는 이러한 시스템이 임펄스적 비반복성의 노이즈를 억제할 수 없다고 한다.

따라서, 종래의 기술 공개 문헌들은 들어오는 주변 노이즈 신호에 대한 제거 신호의 위상 응답의 중요성을 빠뜨리고 있거나 무시하고 있다는 것이 명백하다. 더욱이, 두 신호의 진폭을 부정확하게 정합시켜 나오는 결과는 정량화되지 않는다.

노이즈 제거 프로세스가 최적 값 이상 및 이하에서 동시에 진폭 및 위상에서의 변화에 얼마나 민감한지 알아내기 위해, 본 발명자는, 비율(퍼센트)적 형식의 (제거되지 않은) 노이즈 잔존 양("잔여" 신호)에 관해, 그리고 dB 단위의 노이즈 사운드 압력 레벨(Sound Pressure Level, SPL)의 대수적 감소에 관해, 노이즈 제거 프로세스의 유효성을 정의하기 위한 분석을 수행했다.

약간 놀라운 결과는 공차가 매우 빡빡하다는 것이고, 이것은 심지어 알맞은 양의 노이즈 제거를 위해서 필요하다는 것이다. 만약 65% 제거(-9 dB)가 달성되어 야 한다면(잔여 신호 = 35%), 제거 신호의 진폭은 노이즈 신호의 진폭과 ±3 dB 내에서 정합되어야만 하고, 그리고 동시에 신호의 위상은 ±20도(0.35 라디안) 내에 있어야만 한다.

도 15는 완벽한 정합으로부터 진폭 및 위상 편차의 함수로서 잔여 노이즈 비율를 나타낸 삼차원 표면을 보여주고, 이로부터 임계적 성질의 관계가 명백해진다. >50% 제거 신호(-6 dB 혹은 더 좋은)가 그래프의 바닥의 중앙으로 하강하는 매우 좁은 깔때기 모양의 최저 회색 영역으로 나타내지고 있다. 이러한 이상적 영역으로부터 임의의 이탈은 시스템의 유효성을 크게 떨어뜨린다.

본 발명은 이어폰 사용자에 대한 개선된 주변 노이즈 제거 구성을 제공하고, 이것은 현재 이용가능한 상업적 제품의 서브 1 kHz 한계와 대조적으로, 최대 3 kHz 및 그 이상의 주파수에 대해 유효하다. 더욱이, 본 발명의 장점은 사용시 편안하고 그리고 노이즈 제거의 양이 전기적으로 제어가능하다는 것이고, 이러한 특징 모두는 모바일 전자 디바이스들과의 사용에 있어 매우 바람직한 것이다.

주파수의 함수로서 신호의 진폭 응답만을 강조하는 다양한 종래의 피드포워드 신호 처리 공개 문헌들과 대조적으로, 본 발명은 신호의 상대적 위상의 임계적 중요성을 고려한다.

다양한 고정된 전달 함수들(각각이 단일의 선택된 공간 방향으로부터 측정되며, 여기서 이러한 것이 확산 사운드 필드(전방향성)에서의 사용에 대해 유효한 것으로 가정됨)에 근거하는 신호 처리를 포함하고 있는 다양한 종래의 방법과 대조적으로, 본 발명에 다른 구성은 음원 방향에 따라 전달 함수에서의 변화를 수용하고 있으며, 그럼으로써 전방향성의 확산 사운드 필드 노이즈 감소 혹은 노이즈 제거 수단을 제공한다.

본 발명은, 제거 신호가 청취자의 고막에서의 들어오는 주변 노이즈 신호에 맞춰 실질적으로 "시간 정렬"되도록 정렬되어야만 하는 새로운 원리에 근거하고 있으며, 그리고 청취자의 고막에서의 신호들의 올바른 시간 정렬을 확실하게 할 뿐만 아니라 두 신호의 진폭의 방향 독립적 정합을 확실하게 하는 구성을 제공한다.

노이즈 신호 및 제거 신호의 진폭 및 상대적 위상에 관한 잔여 신호의 감도에 대한 본 발명자에 의해 수행된 이전에 언급된 분석 이후, 다음과 같은 결론이 나왔는데, 그것은, 정확한 위상 관계가 전자적인 필터링에 의해 또는 적응성 피드백 혹은 적응성 필터링 수단에 의해 획득될 수 없고 또는 조정될 수 없다는 것이고, 그리고 정확한 위상 관계를 달성하기 위한 유일한 수단은 "시간-정렬" 시스템을 제공하는 것이라는 것이다. 이것이 의미하는 것은, 들어오는 주변 노이즈 신호에 실질적으로 시간 정렬되도록 제거 신호가 설계되어야 한다는 것이다.

그러나, 이것은 직접적이지는 않은데, 왜냐하면 주변 노이즈 신호 자체는 음향적인 것이지 전자적인 것이 아니기 때문이며, 따라서 신호 처리 수단을 사용하여 수정하는 데 있어서는 가용하지 않다.

도 16은 포화에 대한 주파수의 함수로서 dB 단위의 잔여 노이즈 레벨을 도시한 두 개의 그래프를 포함하고 있으며, 여기서 주변 노이즈와 제거 신호는 크기에 있어 동일하지만 각각 단지 80 ㎲ 및 40 ㎲ 만큼 시간 도메인에서 잘못 정렬되어 있다. 80 ㎲ 기간은 표준 실내 환경 하의 공기 내에서 약 27 mm 진행한 사운드 웨 이브가 소모한 시간을 나타낸다. 최대 1 kHz인 저주파수에서, 적당한 양의 제거가 존재하지만(-6 dB), 이러한 제거 양은, "크로스오버" 포인트(여기서는 2 kHz)에 도달할 때까지, 노이즈 주파수가 더 증가함에 따라 감소한다. 이러한 크로스오버 주파수는 시간 오정렬(time-misalignment)이 노이즈 신호의 주기의 육분의 일(π/3 라디안)에 해당하는 포인트를 나타낸다. 크로스오버 포인트 이상의 이러한 주파수들에서, 시간 오정렬로 제거 신호는 노이즈 신호와 역위상(out-of-phase)이라기보다는 동위상(in-phase)이고, 그래서 소멸파 제거의 발생 대신에 보강파 간섭이 발생하고, 따라서 결과적인 신호는 본래 노이즈 신호보다 더 커지게 된다. 최대 포인트는 시간 오정렬 값이 웨이브 주기의 이분의 일과 동일하게 될 때 발생하고, 이때 잔여 신호는 본래 노이즈 신호보다 6 dB 더 크다.

현재, 그리고 앞서 언급된 바와 같이, 다양한 상업적으로 이용가능한 능동 노이즈 제거 시스템은 기껏해야 1 kHz 이상에서 효과적이지 않으며, 그리고 1 kHz 이상의 노이즈 진입을 감소시키기 위해 이어 패드에 의한 수동적 감쇄에 의지하고 있다. 도 16의 제 2 그래프(실선)는 2 kHz에서 -6 dB의 노이즈 제거 기준을 달성하기 위해 주변 노이즈와 제거 신호의 시간 정렬이 40 ㎲의 정확도 혹은 이보다 더 좋은 정확도로 달성되어야만 함을 보여주고 있으며, 이것은 공기에서 단지 14 mm의 사운드 웨이브 경로 길이 거리에 대응하는 것이다. 2 kHz에서 -10 dB의 더 실질적인 노이즈 제거 기준을 위해, 시간 정렬 정확도는 25 ㎲보다 더 좋아야만(더 작아야만) 한다.

앞서 언급된 분석이 정현 파형에 근거를 두고 있지만, 정확한 시간 정렬로 인해 노이즈 신호의 전체적 제거가 일어날 수 있다는 점에서, 이것은 랜덤하고 비반복적 파형에도 직접적으로 적용가능하다는 것은 명백하다.

전기음향 트랜스듀서의 내재적 시간 지연을 무시한 결과로, 종래의 피드포워드 시스템에서 또한 문제가 발생한다. 음성 코일(voice coil)(및 다이어프램)의 가속은 코일을 흐르는 전류(인가된 전압에 따라 달라짐)에 비례하고, 따라서 사운드 압력 레벨(단위 면적당 힘)은 이것에 직접 비례한다는 점에서, 대부분 이어폰 애플리케이션에 대해 사용되는 전기음향 트랜스듀서의 응답 시간은 실제 무시가능하다고 가정하고 있다.

그러나, 실제, 다이어프램에 연결되는 공기는, 음향 관성, 음향 질량, 및 음향 저항에 관하여, 다이어프램에 복합적 음향 부하를 제공한다. 이로 인해 결과적으로 많은 인자들에 따라 달라지는 유한한 응답 시간이 발생한다. 본 발명자의 경험으로부터, 이것은 일반적으로 매우 작은 직경(16 mm)의 마이크로스피커에 대해 일반적으로 70 ㎲보다 더 크고, 그리고 전형적으로 직경 38 mm의 이어폰 타입의 라우드스피커에 대해 100 ㎲이다.

작은 라우드스피커의 응답 시간은 스피커를 방해물 플레이트 상에 장착시킴으로써 측정될 수 있고, 기준 등급 마이크로폰(B&K 타입 4003)이 스피커 다이어프램에 대해 동일축 상에 장착되고, 약 2 mm의 거리에서 매우 가깝게 장착되다. 앞서와 같이, 스피커를 직사각형의 파형으로 구동시킴으로서, 오실로스코프는 마이크로폰 신호를 관측하는데 사용될 수 있고, 그리고 신호를 동기적으로 그리고 동시에 구동시키는데 사용될 수 있고, 그리고 스피커의 상승 시간 및 응답 시간을 측정하 는데 사용될 수 있다. 2 mm 이격 거리를 통한 전파 지연은 약 6 ㎲이고, 그리고 이것은 측정치들로부터 공제될 수 있어 내재적 라우드스피커 응답 시간이 산출될 수 있다. 본 발명자에 의해 사용된 하나의 34 mm 라우드스피커에 대해, 측정된 응답 시간은 약 76 ㎲이고, 따라서, 내재적 응답 시간은 약 70 ㎲이며, 이것은 24 mm의 사운드 웨이브 경로 길이 거리에 대응하는 것이다.

이것은, 만약 정확한 시간 정렬이 달성되어야 한다면, 간단히 트랜스듀서 지연을 보상하기 위해, 마이크로폰이 실제로 신호를 검출하기 전 수백만 초에 제거 신호가 이어폰 라우드스피커에 전달되어야만 한다는 점에서, 도 1 및 도 2의 피드포워드 시스템에 대해 중요한 개념적 문제를 만들어 낸다.

일반적으로, 시스템 응답 시간은 (a) 내재적 라우드스피커 응답(앞서 설명됨)과 (b) 라우드스피커 다이어프램으로부터 에지 바깥쪽 외이, 그 다음에 외이 캐버티의 깊이, 마지막으로 고막 위치에서 마이크로폰에 대한 이어 커낼까지(도 2의 경로(Y))의 전파 시간의 합이다. 전형적인 응답 시간은 247 ㎲이다.

노이즈 신호에 대한 제거 신호의 진폭 정합에 관해서, 주변 노이즈 신호가 고막에 도달할 때까지 이어폰 패드와 바깥쪽 귀 사이의 다양한 누설 경로, 바깥쪽 귀 캐버티 및 이도로 나타나는 복합적인 음향 경로를 통해 진행하여 고막에 의해 끝난다. 도관 및 캐버티의 이러한 네트워크가 실제로 고막 도달 전에 노이즈 신호의 스펙트럼 성질을 변경시키는 음향 필터를 형성한다. 주파수 응답 및 위상 특성 양쪽 모두는 종래 기술에서 언급된 바와 같이 변경된다. 그러나, 본 발명자가 알아낸 것은, 이어폰/바깥쪽-귀 음향 구조가 고막에 대한 주변 노이즈 신호 경로와 고 막에 대한 이어폰 라우드스피커 양쪽 모두에 공통적이기 때문에, 양쪽 신호들 모두에 일어나는 스펙트럼 수정은 놀라울 정도로 유사하다는 것이다. 사실, 본 발명자가 알아낸 것은, 만약 마이크로폰이 알맞게 평탄한 주파수 응답을 보여주고, 그리고 이어폰 라우드스피커가 또한 상대적으로 평탄한 주파수 응답을 가진다면, 펄스 성형이 거의 필요 없거나 또는 전혀 필요 없다.

이러한 관측은, 다양한 주파수 도메인 전달 함수에 근거한 신호 처리가 사용되는 일부 종래 기술의 공개 문헌들과는 대조적인 것이다. 대신에 본 발명자는 시간 도메인 방법을 사용한다.

Claims

주변 노이즈 감소 장치로서,

하우징과;

상기 하우징 내에 지지되어, 청취자의 귀의 이도로의 진입 위치에 인접하여 배치되는 경우, 소리 에너지를 상기 청취자의 귀로 향하게 하는 라우드스피커 수단과;

상기 하우징의 외부에 위치하고 아울러 상기 진입 위치에 접근하는 주변 노이즈를 감지하도록 배치되는 복수의 마이크로폰 수단과; 그리고

상기 감지된 주변 노이즈를 전기적 신호로 변환하는 수단을 포함하여 구성되며, 상기 전기적 신호는 상기 라우드스피커 수단에 인가되어 상기 주변 노이즈에 대항하는 음향 신호가 발생되며,

상기 음향 신호는 상기 진입 위치에서의 상기 주변 노이즈의 도달에 실질적으로 시간상 맞추어져 상기 라우드스피커 수단에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제1항에 있어서,

상기 음향 신호 및 상기 주변 노이즈는 상기 진입 위치에서 40㎲ 혹은 이보다 작은 시간으로 시간 정렬되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제2항에 있어서,

상기 음향 신호 및 상기 주변 노이즈는 상기 진입 위치에서 25㎲ 혹은 이보다 작은 시간으로 시간 정렬되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로폰 수단은 상기 라우드스피커 수단에 대해 상기 하우징의 적어도 일부분을 형성하는 이어 패드의 둘레에 인접하여 어레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제4항에 있어서,

상기 라우드스피커 수단은 상기 라우드스피커 수단으로부터 각각의 마이크로폰 수단까지의 알려진 방사방향 거리가 존재하도록 상기 하우징 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단의 어레이는 상기 이어 패드의 주변 둘레로 확장하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제6항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단은 상기 주변 둘레로 실질적으로 동일한 각도로 분포되 는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 마이크로폰의 어레이는 모바일 전화기 핸드셋의 라우드스피커 개구 둘레로 그리고 상기 라우드스피커 개구로부터 방사방향으로 이격되어 제공되는 것을 징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단으로부터 상기 라우드스피커 근처까지 주변 노이즈가 따르는 경로는 노이즈를 감소시키는 상기 음향 신호가 발생되기에 충분한 시간을 제공하고 그래서 필요한 시간 정렬이 달성되도록 하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

들어오는 주변 노이즈에 대한 상기 마이크로폰 수단 및 상기 라우드스피커 수단의 상대적 위치 및 배치가 상기 라우드스피커 수단의 성능 특성을 고려하도록 선택되어 필요한 시간 정렬이 확실하게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단은 전체적으로 상당한 각도 범위로부터 상기 이어폰 상에 입사되는 주변 소리에 대해 실질적으로 균일하게 응답하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 복수의 마이크폰 수단은 공통의 실질적으로 원형 궤적을 따라 실질적으로 동일한 각도로 배치되는 적어도 세 개의 마이크로폰 디바이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제12항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단을 서로 연결하도록 구성되고 그리고/또는 프로세싱을 위해 공통 위치로 출력을 운반하도록 구성되는 전기적 컴포넌트의 상기 궤적의 요소들이 상기 궤적을 따라 분포되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제13항에 있어서,

상기 전기적 컴포넌트의 적어도 일부는 인쇄 회로로서 구성되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 프로세싱은 콤비네이션과, 위상 반전과, 그리고 진폭 조정 중 하나 또 는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단 각각은 각각의 개구 및 도관을 통해 상기 주변 노이즈에 노출되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제16항에 있어서,

각각의 상기 개구 및 도관과 관련되고, 아울러 하나 또는 그 이상의 선택된 주변 노이즈 특성에 튜닝되어 상기 하나 또는 그 이상의 특정 특징에 관하여 강화된 노이즈 감소를 제공하게 하는 하나 또는 그 이상의 음향 요소들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제17항에 있어서,

상기 음향 요소들은 헤름홀츠 공명기들과 사분의일 공명 도관들 중 하나 또는 그 이상으로 구성되거나 또는 헤름홀츠 공명기들과 사분의일 공명 도관들 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 라우드스피커 수단의 음향 투사 축은 청취자의 이어 커낼의 길이방향 축에 실질적으로 맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

각각의 상기 마이크로폰 수단은 일렉트릿 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
제20항에 있어서,

각각의 상기 일렉트릿 마이크로폰은 포화상태에서 동작하는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.
앞서의 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 마이크로폰 수단은 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 주변 노이즈 감소 장치.