KR20090115450A

KR20090115450A - 피드백 제어를 갖는 주파수 특성 보상형 능동형 소음 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090115450A
Application number: KR1020080041321A
Authority: KR
Inventors: 민훈
Original assignee: 소리젠 주식회사
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05
Also published as: WO2009134107A2; KR100935769B1; WO2009134107A3

Abstract

이어폰을 사용하는 각종 휴대용 기기에서 공기 중으로 전파(傳播)된 소음 및 각종 매체를 통한 진동으로 전파되는 소음의 주파수 특성을 고려하여 외부로부터 전달되는 소음을 능동적으로 제어하는 장치 및 방법을 개시한다.

이어폰을 귀에 꽂은 상태에서는 공기 중으로 전파되는 소음과는 달리 이어폰 몸체 및 인체의 뼈와 살을 통해 진동으로 전파되는 과정을 통하여 소음의 주파수 특성이 변이(變異)되는바 이 변이된 주파수 특성을 보상한 소음 상쇄 신호를 생성하여 소음을 제거토록 하며, 소음 상쇄 신호 출력 후 발생하는 잔여 신호를 피드백 제어를 통해 최저 가청 음압 준위(最低可聽音壓準位) 이하로 상쇄시키도록 적응형 필터를 적용한다.

본 발명은 이를 위하여 공기 중으로 전파되는 소음을 수집하는 소음 집음(集音)용 마이크로폰과 잔여 신호 집음용 마이크로폰 그리고 스피커 유닛으로 구성되는 이어폰부와 각각의 마이크로폰으로부터 입력된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 ADC, 스피커 유닛으로 출력하기 위해 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DAC, 입력된 소음 신호의 위상을 180° 반전시킨 후 이를 변이된 주파수 특성을 고려하여 보상하는 변이 특성 보정 필터와 입력된 잔여 신호를 감소시키는 적응형 신호 처리부 그리고 적정 음량으로 증폭하여 출력하는 증폭부를 구비한다.

능동 소음 제어, 피드백 제어, 주파수 특성 보상, 적응형 필터

Description

피드백 제어를 갖는 주파수 특성 보상형 능동형 소음 제어 장치 및 방법 { Varied characteristic compansated active noise cancelling with feedback control }

전자공학, 소프트웨어 공학, 음향공학, 음성 신호 처리

음성 신호 처리, 디지털 신호 처리, 디지털 필터 알고리즘, 회로 기술, 소프트웨어 공학, 음향공학

소음원으로부터 발생한 소음은 공기의 진동으로 전달되고 사람 귓속의 고막을 진동시켜 소리를 들을 수 있게 한다.

현재까지 연구되고 개발된 능동 소음 제어 기술은 이렇게 공기 중으로 전파되는 소음의 위상을 180°반전하여 이를 원래의 소음과 중첩시킴으로써 원래의 소음을 상쇄시키는 원리에 기반하였다.

그러나 이어폰을 꽂은 상태에서는 소음원으로부터 공기 중으로 전파된 소음이 이어폰 몸체 및 인체의 뼈와 살 등에 부딪쳤을 때 소음의 일부 성분은 반사 또는 회절되어 공기 중으로 사라져버리고, 소음의 다른 일부 성분은 이어폰 몸체 및 인체의 뼈와 살 등에 흡수되거나 투과하게 된다.

즉 공기 중으로 전파되는 소음의 전파 경로가 차단된 상태에서 외이도(外耳道) 안에서 고막을 진동시키는 소음은 이어폰 몸체 및 인체의 뼈와 살을 매질(媒質)로 하는 진동으로 전파됨으로써 그 주파수 특성이 원래의 소음과 다르게 변이되어 들리게 된다.

따라서 본 발명에서는 원래의 소음 신호에 변이되는 주파수 특성을 반영하여 이를 보상하고 그 위상을 180° 반전하여 외이도에서 소음 신호와 중첩시킴으로써 효과적으로 소음을 상쇄시킬 수 있다.

그러나 현실적으로는 이렇게 원래의 소음 신호와 소음 상쇄 신호를 중첩시킨다 하더라도 완벽하게 원래의 소음 신호가 상쇄되지 못하고 잔여 신호가 남게 되며 이 잔여 신호는 새로운 소음원으로 작용하기도 한다.

따라서 본 발명에서는 이 잔여 신호를 집음하여 인간의 청력으로는 들을 수 없는 최저 가청 음압 준위 이하로 낮추기 위해 소음 상쇄 신호를 최적화하도록 적응형 필터를 적용하여 효과적으로 소음을 상쇄시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 이어폰 또는 헤드폰을 사용하는 각종 휴대용 기기를 청취할 때 외부 소음을 효과적으로 상쇄시켜 주므로 듣고자 하는 오디오 신호만을 재생하여 들을 수 있으며, 외부 소음에 대응하여 고음량으로 청취할 필요가 없으므로 청력을 보호할 수 있어 소음성 난청을 예방할 수 있고 또한 음량을 높이지 않고도 휴대용 기기를 청취할 수 있으므로 휴대용 기기의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

또한 오디오 신호를 청취하지 않고 외부 소음만을 상쇄시킨 상태에서는 주변 소음 환경으로부터 영향을 받지 않고 업무, 학습 등에 대한 집중력을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시를 위한 장치는 도 1에서 보는 바와 같이 이어폰부(100)와 회로부(200)로 구성되어 있다.

이어폰부(100)는 공기 중으로 전파되는 소음 Na(t)를 집음하는 제 1 마이크로폰(110)과 외부로부터 전달되는 과정 중에 위상, 진폭, 지연, 주파수 특성 등이 변이된 소음 신호 Na'(t)와 스피커 유닛(130)이 출력하는 합산 신호 O(t)가 더해진 신호를 외이도 안에서 집음하는 제 2 마이크로폰(120) 그리고 합산 신호를 출력하 는 스피커 유닛(130)으로 구성되어 있다.

도 2에서 보는 바와 같이 제 1 마이크로폰(110)은 주변으로부터 전달되는 소음을 집음하기에 적절하도록 스피커 유닛(130)과 근접한 위치에서 반대되는 방향으로 배치하며, 제 2 마이크로폰(120)은 스피커 유닛(130)의 전면에 위치하여 스피커 유닛(130)이 출력하는 합산 신호 O(t)와 외부로부터 외이도 안으로 전달되는 소음 신호 Na'(t)를 집음하기에 적절한 형태로 배치된다.

이때 스피커 유닛(130)으로부터 출력되는 합산 신호 O(t)가 제 1 마이크로폰(110)의 입력에 영향을 주는 것을 최소화하기 위하여 스피커 유닛(130)과 제 1 마이크로폰(110) 사이에 공기의 흐름을 차단하는 차단벽(150)을 설치하여 스피커 유닛(130)이 출력하는 합산 신호 O(t)가 공기를 매개로 하여 제 1 마이크로폰(110)으로 전파되는 것을 차단한다.

또한 스피커 유닛(130)에서 출력되는 합산 신호 O(t)가 이어폰 몸체(140)와 차단벽(150)을 통하여 일으키는 진동에 의해 제 1 마이크로폰(110)으로 전달되는 신호를 최소화하기 위하여 진동을 감소시켜주는 흡진재(吸振材) 또는 흡진 모듈(160)로 제 1 마이크로폰(110)을 격리시키도록 한다.

아울러 외부로부터 입사되는 바람, 접촉 등의 비 음성 신호를 차단하기 위한 흡음재(吸音材) 또는 흡음 모듈(170)이 이어폰 몸체(140)의 바깥쪽에서 제 1 마이크로폰(110)을 감싸는 구조를 취하고 있다.

도 6에서 보는 바와 같이 각각의 주파수 대역에서의 주파수 스펙트럼을 관찰해보면 공기 중으로 전파된 소음 신호 Na(t)와 이어폰의 착용 정도에 따른 외이도 안에서의 소음 신호 Na'(t)는 서로 다른 주파수 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

즉 이어폰 몸체(140)와 인간의 뼈와 살을 통해 진동으로 전파된 소음 신호 Na'(t)는 공기 중으로 전파된 소음 신호 Na(t)에 비하여 저주파수 대역은 진폭이 커지고 고주파수 대역은 진폭이 작아지는 특성을 보이고 있다.

또한 도 6에서 보는 바와 같이 각각의 경우의 주파수 스펙트럼 포락선(Envelope)을 비교해 보면 이어폰을 느슨하게 착용한 경우와 밀착하여 착용한 경우의 이어폰의 착용 정도에 따라 저주파수와 고주파수 대역의 진폭의 가감 정도가 달리 나타난다는 것을 알 수 있다.

도 7에서 도 13까지를 살펴보면 측정 원음의 주파수 스펙트럼과 이어폰을 탈착한 각각의 경우의 주파수 스펙트럼을 비교 관찰할 수 있도록 도시하였다.

도 1에서 보는 바와 같이 제 1 마이크로폰(110)에 의해 집음된 공기 중으로 전파된 소음 신호 Na(t)는 제 1 필터(210)에 입력하게 된다.

제 1 필터(210)는 20 Hz에서 20 KHz에 이르는 가청 주파수 대역 중 소음 신호 Na(t)의 에너지가 집중된 대역의 신호만을 통과시킨다.

제 1 필터(210)에 의해 걸러진 소음 신호는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 제 1 ADC(Analog To Digital Converter)(220)를 통해 디지털 시스템에서 그 신호의 처리가 용이한 형태의 디지털 신호 Na(n)으로 변환되어 변이 특성 보 정 필터(230)에 입력되게 된다.

제 2 마이크로폰(120)은 외부에서 발생한 외부 소음 Na(t)가 이어폰 몸체(140)와 인간의 뼈와 살 등의 매체를 통해 진동으로 전달되는 과정에서 위상, 지연, 진폭, 주파수 특성 등이 변이된 소음 신호 Na'(t)와 스피커 유닛(130)이 출력한 합산 신호 O(n)이 도 14에서 보는 바와 같이 귓바퀴에서 고막에 이르기까지의 한정된 공간인 외이도 안에서 더해지고 외이도의 구조에 따른 음향학적 특성 H_ear(t)에 의해 발생하는 회절, 반사, 공명(共鳴), 중첩 등과 스피커 유닛(130)의 특성 H_SPK(t)에 의해 변이된 신호 Nm(t)를 집음하여 제 2 필터(240)에 입력하게 된다.

아날로그 시스템에서 시간축을 중심으로 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

Nm(t) = [ O(t) * H_SPK(t) + Na'(t) ] * H_ear(t)

H_ear(t)는 외이도에서의 음향 전달 함수

H_SPK(t)는 스피커 유닛의 전달 함수

Na'(t)은 아날로그 영역에서의 변이된 소음 신호

제 2 필터(240)는 20 Hz에서 20 KHz에 이르는 가청주파수 대역을 제외한 나머지 신호를 차단하여 통과시킨 가청 주파수 대역의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 제 2 ADC(250)를 통해 디지털 시스템에서 그 신호의 처리가 용이한 형태의 디지털 신호 Nm(n)으로 변환하여 적응형 신호 처리부(260)에 입력하게 된다.

변이 특성 보정 필터(230)는 변이된 소음 신호 Na'(n)으로부터 위상차, 지연 정도, 진폭 변동분, 주파수 특성 등의 정보를 적응형 신호 처리부(260)로부터 제공받아 공기 중으로 전파된 소음 신호 Na(n)의 위상과 지연, 진폭 및 주파수 특성을 보정하고 피드백 제어를 통해 소음 상쇄 신호(anti-noise signal) O₁(n)을 생성한다.

도 3에서 보는 바와 같이 변이 특성 보정 필터(230)는 적응형 신호 처리부(260)로부터 제공받은 위상 계수 Pm(n)을 위상 보정부(231)에 적용하여 제 1 마이크로폰(110)을 통해 집음된 공기 중으로 전파된 외부 소음 신호 Na(n)의 위상을 보정하고, 역시 적응형 신호 처리부(260)로부터 제공받은 지연 계수 Dm(n)을 지연 보상부(232)에 적용하여 Na(n)의 위상을 보정한 신호의 지연을 보상하며, 역시 적응형 신호 처리부(260)로부터 제공받은 진폭 계수 Am(n)을 진폭 보정부(233)에 적용하여 Na(n)의 위상과 지연이 보정된 신호의 진폭을 보정하며, 역시 적응형 신호 처리부(260)로부터 제공받은 주파수 스펙트럼 계수 Fm(n)을 대역 통과 필터 뱅 크(234)와 각 대역별 증폭기(235)에 적용하여 Na(n)의 위상과 지연과 진폭이 보정된 신호를 각각의 주파수 대역별로 각기 다른 진폭을 가지도록 처리하여 이들 신호들을 가산기(236)에서 모두 가산하고, Na(n)의 위상과 지연과 진폭 그리고 주파수 특성이 보정된 신호의 위상을 180° 반전시킨 소음 상쇄 신호 O₁(n)을 생성하여 출력한다.

공기 중으로 전파된 소음 신호 Na(n)과 변이 특성 보정 필터(230)를 통해 생성된 소음 상쇄 신호 O₁(n)은 다음과 같은 관계가 있다.

O₁(n) = Na(n) * H_PDAF(n)

H_PDAF(n)은 변이 특성 보정 필터의 전달 함수

제 2 마이크로폰(120)에 의해 집음된 신호 Nm(n)은 변이된 외부 소음 Na'(n)과 스피커 유닛(130)이 출력하는 합산 신호 O(n)가 더해진 후 스피커 유닛(130)의 특성 H_SPK(n)과 외이도의 음향학적 특성 H_ear(n)에 의해 변이된 특성을 지니고 있다.

디지털 시스템에서 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

Nm(n) = [ O(n) * H_SPK(n) + Na'(n) ] * H_ear(n)

H_ear(n)은 외이도에서의 음향 전달 함수

H_SPK(n)은 스피커 유닛의 전달 함수

Na'(n)은 디지털 영역에서의 변이된 소음 신호

스피커 유닛(130)은 변이 특성 보정 필터(230)가 생성한 소음 상쇄 신호 O₁(n)을 적응형 필터(265)에 적용하여 생성된 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)과 오디오 신호 s(n)를 합산한 신호 O(n)를 출력하며 외이도에서는 스피커 유닛(130)의 특성에 따른 전달 함수 H_SPK(n)에 의해 변이된 음향이 들리게 된다.

이를 다시 상기 수식과 병행하여 표현하면 다음과 같다.

O(n) = O₂(n) + s(n)

Nm(n) = [ O(n) * H_SPK(n) + Na'(n) ] * H_ear(n)

= { [ O₂(n) + s(n) ] * H_SPK(n) + Na'(n) } * H_ear(n)

도 4에서 보는 바와 같이 적응형 신호 처리부(260)로 입력되는 신호 Nm(n)에서 s(n)을 증폭기(2661)에 의해 적절한 값으로 음량을 조정하여 감산기(2660)를 통해 감산하고, 이렇게 감산된 신호에서 적응형 필터(265)를 통과한 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)을 시간 선행/지연부(266)에 의해 시간 선행 또는 지연 보상시킨 신호를 증폭기(2665)에 의해 적절한 값으로 음량을 조정하여 다시 감산기(2664)를 통 해 감산한 신호가 최종적으로 목적하는 소음을 상쇄시키고 남은 잔여 신호 e(n)이 된다.

이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

e(n) = Nm(n) - A₁ * s(n) - A₂ * O₂(n) * H_T(n)

A₁, A₂는 증폭기 각각의 증폭도

H_T(n)은 O₂(n)의 시간 선행/지연 함수

적응형 필터(265)는 변이 특성 보정 필터(230)로부터 입력받은 소음 상쇄 신호 O₁(n)으로부터 소음을 상쇄시키고 남는 잔여 신호 e(n)을 인간이 들을 수 없는 최저 가청 음압 준위(건강한 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리로써 1 KHz 순음의 경우 2 x 10^-5 N/m² 또는 10^-6 W/Cm²) 이하로 최소화하기 위한 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)을 생성한다.

이를 위해 LMS(Least Mean Square) 알고리즘이나 이를 개선 또는 변형한 각종 알고리즘들을 적용하여 잔여 신호 e(n)의 값을 최소화하도록 적응시키는 선형 피드백 제어(Linear Feedback Control) 또는 선형 피드포워드 제어(Linear Feedforward Contel)를 수행한다.

이 과정을 통해 외이도 안에서 들리는 소음 즉 잔여 신호 e(n)이 인간이 들 을 수 없는 최저 가청 음압 준위 이하로 감쇄되도록 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)을 생성할 수 있다.

최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

O₂(n) = O₁(n) * H_AP(n) + e(n)

H_AP(n)은 적응형 필터의 전달 함수

s(n)이 '0'이라고 가정을 하면 O(n)은 O₂(n)과 같게 된다.

위와 같은 가정하에 외이도 안에서의 여러 신호들이 더해지는 과정을 보면 다음과 같다.

Nm(n) = [ O₂(n) * H_SPK(n) + Na'(n) ] * H_ear(n) = e(n)

= { [ O₁(n) * H_AP(n) + e(n) ] * H_SPK(n) + Na'(n) } * H_ear(n) = e(n)

여기에서 수식을 간략화하기 위해 각각의 전달 함수 H_AP(n), H_SPK(n), H_ear(n)을 모두 '1'이라고 가정해 보면 상기 수식은 다음과 같은 표현이 가능해진다.

e(n) = [ O₁(n) + e(n) ] + Na'(n)

e(n) - e(n) = 0 = O₁(n) + Na'(n)

즉 상기 수식에서 볼 수 있는 바와 같이 소음 상쇄 신호 O₁(n)과 변이된 소음 신호 Na(n)이 더해지면 '0'이 된다는 것을 알 수가 있다.

그러나 현실적으로는 스피커 유닛(130)의 전달 함수 H_SPK(n)과 외이도의 음향학적 특성에 따른 전달 함수 H_ear(n)에 의해 e(n)이 '0'이 되지는 않는다.

이러한 이유로 인해 적응형 필터(265)의 전달 함수 H_AP(n)은 스피커 유닛(130)의 전달 함수 H_SPK(n)과 외이도의 음향학적 특성에 따른 전달 함수 H_ear(n)에 의해 남게 되는 잔여 신호 e(n)이 '0'이 되도록 설정되어야 한다.

또한 변이된 소음 신호 Na'(n)이 시간에 따라 계속하여 변하는 신호이므로 이에 직접적인 영향을 받는 잔여 신호 e(n)도 시간에 따라 계속하여 변하게 되어 적응형 필터(265)는 시간에 따라 계속하여 변하는 잔여 신호 e(n)이 '0' 또는 최저 가청 음압 준위 이하가 되도록 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)도 시간에 따라 계속해서 변화시켜 생성해주어야 하며, 적응형 필터(265)의 전달 함수 H_AP(n)은 잔여 신호 e(n)의 변화에 적응하여 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)이 생성될 수 있도록 만들어져야 한다.

적응형 신호 처리부(260)에서는 변이 특성 보정 필터(230)가 피드백 제어를 수행할 수 있도록 소음 상쇄 신호 O₁(n)의 위상, 지연, 진폭, 주파수 특성을 보정하기 위한 위상 계수 Pm(n), 지연 계수 Dm(n), 진폭 계수 Am(n), 주파수 특성 계수 Fm(n) 등을 생성하여 변이 특성 보정 필터(230)에게 제공한다.

이를 위해 오디오 신호 s(n)용 증폭기(2661)와 소음 상쇄 신호 O₂(n)용 증폭기(2665)의 증폭도를 '0'으로 지정하게 되면 오디오 신호 s(n)용 감산기(2660)와 소음 상쇄 신호 O₂(n)용 감산기(2664)를 통해 출력된 잔여 신호 e(n)은 Nm(n)과 같게 된다.

이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

e(n) = Nm(n) - 0 * s(n) - 0 * O₂(n) * H_T(n) = Nm(n)

이 잔여 신호 e(n)으로부터 위상차 검출부(261)를 통해 위상 계수 Pm(n)을 산출하고, 지연 계수 검출부(262)를 통해 지연 계수 Dm(n)을 산출한다.

또한 구간 진폭 변동분 검출부(263)를 통해 지정된 구간의 진폭 변동분 Am(n)을 산출하고, 대역별 주파수 스펙트럼 분석부(264)를 통해 주파수 특성 계수인 각각의 주파수 대역별 스펙트럼 Fm(n)을 산출한다.

적응형 신호 처리부(260)에서 출력된 최적화된 소음 상쇄 신호 O₂(n)과 오디오 신호 s(n)은 가산기(270)에서 더해져 합산 신호 O(n)을 생성한다.

이렇게 만들어진 합산 신호 O(n)은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환해주는 DAC(Digital To Analog Converter)(280)를 통해 아날로그 신호로 변환되어 종단 증폭기(290)에서 증폭도가 조정되어 스피커 유닛(130)으로 출력된다.

소음이 전혀 없는 환경에서 외이도 안에서의 합산 신호 O(n)과 제 2 마이크로폰을 통해 집음된 Nm(n)을 살펴보면 다음과 같은 관계가 있다.

Nm(n) = O(n) * H_ear(n) * H_SPK(n)

소음이 존재하는 환경에서 외이도 안에서의 합산 신호 O(n)과 변이된 소음 신호 Nm(n)이 중첩되고 남는 잔여 신호 e(n)을 살펴보면 다음과 같은 관계가 있다.

e(n) = Nm(n) + Na'(n)

= [O(n) * H_ear(n) * H_SPK(n)] + Na'(n)

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

또한 본 발명은 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 판독할 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하며, 컴퓨터가 판독할 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의해 판독될 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 판독할 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, 플래시 메모리, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치, USB 버스 기반 디스크 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것을 포함한다.

또한 컴퓨터가 판독할 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 판독할 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

또한 본 발명은 디지털 또는 아날로그 회로로 구현하는 것이 가능하며, 반도체 칩을 포함한 모든 형태의 논리 회로로서 집적하여 구현되는 것을 포함하며, 마이크로 프로세서, 마이크로 콘트롤러, 디지털 신호 처리 프로세서 등이 판독할 수 있는 코드로 저장되고 구현되는 것을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 이어폰부의 구성도이다.

도 3은 도 1의 변이 특성 보정 필터의 상세 구성도이다.

도 4는 도 1의 적응형 신호 처리부의 상세 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따르는 피드백 특성을 갖는 주파수 특성 보상형 능동 소음 제거 방법을 보이는 흐름도이다.

도 6은 측정 음원과 이어폰의 착탈 상태에 따른 주파수 스펙트럼의 포락선을 비교한 도면이다.

도 7은 측정 음원의 주파수 스펙트럼을 보이고 있는 도면이다.

도 8은 이어폰없이 외이도 안에서 측정한 측정 음원의 주파수 스펙트럼을 보이고 있는 도면이다.

도 9는 도 7의 도면과 도 8의 도면을 비교하기 위해 합한 도면이다.

도 10은 이어폰을 느슨하게 착용한 상태에서 외이도 안에서 측정한 측정 음원의 주파수 스펙트럼을 보이고 있는 도면이다.

도 11은 도 7의 도면과 도 10의 도면을 비교하기 위해 합한 도면이다.

도 12는 이어폰을 완전 밀착 착용한 상태에서 외이도 안에서 측정한 측정 음원의 주파수 스펙트럼을 보이고 있는 도면이다.

도 13은 도 7의 도면과 도 12의 도면을 비교하기 위해 합한 도면이다.

도 14는 인간의 귀의 구조를 보이는 도면이다. (출처 encyber.com)

Claims

능동 소음 제어 방법에 있어서,

공기 중으로 전파된 소음 신호의 외이도 안에서의 위상차, 지연, 진폭 변동, 주파수 특성 변동 등 변이된 특성들을 반영하여 이를 보정한 역 위상의 소음 상쇄 신호를 생성하는 과정;

상기 생성된 소음 상쇄 신호로 소음 상쇄 후 남는 잔여 신호를 최저 가청 음압 준위 이하로 최소화하기 위해 잔여 신호의 최소화에 적응하도록 최적화된 소음 상쇄 신호를 생성하는 과정;

상기 생성된 최적화된 소음 상쇄 신호를 오디오 신호와 가산하는 과정;

상기 가산된 신호를 스피커 유닛으로 출력함으로써 스피커 유닛으로 출력된 최적화된 소음 상쇄 신호에 의해 외이도 안에서의 변이된 소음 신호가 제거되는 과정을 포함하는 능동 소음 제어 방법.
제 1항에 있어서,

오디오 신호와 가산한 최적화된 소음 상쇄 신호를 스피커 유닛으로 출력하는 과정;

상기 출력된 최적화된 소음 상쇄 신호로 외이도 안에서의 변이된 소음 신호를 상쇄하고 남는 음향을 집음하는 과정;

상기 외이도 안에서 집음된 음향 신호 중 소음을 상쇄하고 남는 잔여 신호를 여타 신호와 분리하여 검출하는 과정;

상기 분리된 잔여 신호로부터 위상 계수와 지연 계수, 구간 진폭 변동 계수와 대역별 주파수 특성 계수를 산출하는 과정;

상기 산출된 여러 특성 계수들로 변이된 소음 신호의 특성을 반영하여 역 위상의 소음 상쇄 신호를 생성하는 과정을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
제 1항에 있어서,

외이도에서 집음되는 공기 중으로 전파되는 소음 신호로부터 변이된 소음 신호의 변이된 특성을 역 위상 특성을 갖는 소음 상쇄 신호의 생성에 반영하는 피드백 제어를 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
능동 소음 제어 장치에 있어서,

공기 중으로 전파되는 소음 신호를 집음하는 제 1 마이크로폰과 외이도 안에서의 음향 신호를 집음하는 제 2 마이크로폰, 그리고 음향 신호를 출력하는 스피커 유닛으로 구성된 이어폰부;

상기 이어폰부의 제 1 마이크로폰으로부터 출력되는 공기 중으로 전파되는 소음 신호 중 원하는 대역의 신호만을 추출하는 제 1 필터와 추출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 제 1 ADC;

상기 이어폰부의 제 2 마이크로폰으로부터 출력되는 음향 신호 중 가청 주파수 대역의 신호만을 추출하는 제 2 필터와 추출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 제 2 ADC;

상기 제 2 ADC로부터 출력되는 신호로부터 변이된 소음 신호의 위상 계수, 지연 계수, 구간 진폭 변동분 계수와 대역별 주파수 특성 계수를 산출하여 출력하고, 상기 제 2 ADC로부터 출력되는 신호로부터 잔여 신호를 분리하여 검출하고, 잔여 신호에 적응하여 최적화된 소음 상쇄 신호를 출력하는 적응형 신호 처리부;

상기 적응형 신호 처리부로터 변이된 소음 신호의 위상 계수, 지연 계수, 구간 진폭 변동분 계수와 대역별 주파수 특성 계수를 제공받아 공기 중으로 전파된 소음 신호의 특성들을 보정하여 역 위상의 소음 상쇄 신호를 생성하는 변이 특성 보정 필터;

상기 적응형 신호 처리부로부터 출력되는 최적화된 소음 상쇄 신호와 오디오 신호를 가산하여 이를 아날로그 신호로 변환하는 DAC 그리고 변환된 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하는 능동 소음 제어 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 변이 특성 보정 필터는

상기 적응형 신호 처리부로부터 제공받은 위상 계수로 공기 중으로 전파된 소음 신호의 위상차를 보정하는 위상 보정부;

상기 적응형 신호 처리부로부터 제공받은 지연 계수로 상기 위상 보정부로부터 출력된 신호의 지연을 보상하는 지연 보상부;

상기 적응형 신호 처리부로부터 제공받은 구간 진폭 변동 계수로 상기 지연 보상부로부터 출력된 신호의 진폭을 보정하는 진폭 보정부;

상기 적응형 신호 처리부로부터 제공받은 대역별 주파수 특성 계수로 상기 진폭 보정부로부터 출력된 신호의 각 대역별 주파수 특성을 보정하는 대역 통과 필터 뱅크와 각 대역별 증폭단 그리고 각 대역별 증폭단의 출력을 모두 더하여 출력하는 가산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 적응형 신호 처리부는

상기 이어폰부의 제 2 마이크로폰으로부터 집음된 신호로부터 잔여 신호를 분리하여 검출하기 위한 증폭기와 시간 선행/지연부 및 감산기로 구성된 잔여 신호 검출부;

상기 잔여 신호 검출부로부터 출력되는 잔여 신호의 위상 계수를 산출하는 위상차 검출부;

상기 잔여 신호 검출부로부터 출력되는 잔여 신호의 지연 계수를 산출하는 지연 계수 검출부;

상기 잔여 신호 검출부로부터 출력되는 잔여 신호의 구간 진폭 변동 계수를 산출하는 구간 진폭 변동분 검출부;

상기 잔여 신호 검출부로부터 출력되는 잔여 신호의 대역별 주파수 특성 계수를 산출하는 대역별 주파수 스펙트럼 분석부;

상기 잔여 신호 검출부로부터 출력되는 잔여 신호를 최저 가청 음압 준위 이하로 최소화하기 위하여 잔여 신호의 변화에 적응하여 상기 변이 특성 보정 필터로부터 출력된 소음 상쇄 신호를 최적화하는 적응형 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 이어폰부는

상기 스피커 유닛에서 출력되는 음향이 상기 이어폰부 안의 공기를 매질로 하여 상기 제 1 마이크로폰으로 전달되는 것을 차단하는 차단벽;

상기 스피커 유닛에서 출력되는 음향이 이어폰 몸체와 상기 차단벽을 매질로 하여 진동으로 상기 제 1 마이크로폰으로 전달되는 것을 차단하는 흡진재 또는 흡진 모듈;

외부로부터 입사되는 바람, 접촉 등 비 음성 신호가 상기 제 1 마이크로폰에 영향을 주는 것을 감소시키는 흡음재 또는 흡음 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 장치.