KR20110109271A

KR20110109271A - 실감 음원 구현 시스템

Info

Publication number: KR20110109271A
Application number: KR1020100028916A
Authority: KR
Inventors: 이정권; 조완호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06
Also published as: KR101098563B1

Abstract

본 발명은 실감 음원 구현 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 임의의 방사 특성을 갖는 실제 음원을 단일 시스템으로 정밀하게 모사하는 실감 음원 구현 시스템에 관한 것이다.

Description

실감 음원 구현 시스템{IDEALIZED SOUND SOURCE SYSTEM FOR THE VIRTUAL ACOUSTIC SOURCE}

음장의 모사에 있어서, 실제 음원 (악기, 소음원 등)의 방사특성을 실감 있게 입체적으로 재현하는 것은 그 궁극적인 목표에 해당하는 매우 중요한 일로 간주된다. 음원에서의 음향 방사 특성을 모델링하여 이를 제어하고자 할 때에는, 음원에 대한 정확한 수학적, 물리적 표현이 필요한데, 이를 위해서 잘 알려진 구면 조화함수(spherical harmonics)를 이용할 수 있다.

이 구면 조화함수는 저차부터 무한대에 이르는 수많은 차수의 전개항으로 구성되는데, 주어진 음원에서의 음향방사를 모사하기 위해 적절한 차수까지만을 고려함으로써 전개항들이 각각 단극, 쌍극 및 고차 극성의 특정한 방사 형태를 갖는 이상화된 음원들이 된다. 각 전개항에 대하여 실제 음원의 행태와 가장 근사하도록 가중치가 되는 상수값을 찾아주는 방법을 추구하게 된다. 그러므로, 이렇게 이상화된 음원의 방사 특성이 실제 음원에 거의 유사하게 모사될 수 있다면, 마치 실제 음원에서 소리가 방사되는 듯한 느낌을 가지도록 하는 실감 음장 형성에 있어 유용하게 사용될 수 있다.

종래의 기존의 구형(spherical) 라우드 스피커는 주로 무지향성의 음향 방사 특성을 갖도록 설계되었고, 또 다른 음장 재현 시도에 있어서는 선형으로 구성된 라우드 스피커 어레이를 이용하여 실제 음장을 재현하는 방식이 존재하고 있다.

하지만, 이러한 방법은 원래의 음장 내에 다수의 음원이 포함되어 있었을 경우에는 그 영향을 분리하는 것이 어렵다는 한계가 있다. 또한, 미리 수많은 어레이를 준비하여 음장을 형성할 벽을 따라 배치하는 불편함이나, 다수의 큰 스피커를 음장의 곳곳에 배치해야 하는 불편함이 존재하였다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 기반으로 실제 음원에서 방사되는 음향의 지향성과 소리의 강도 등을 입체적으로 재현하는 것을 목적으로 한다.

또한, 구형으로 형성된 하나의 음원으로 작은 입체 구역 컴팩트하게 구성되기 때문에, 한 개의 시스템에 하나의 실제 음원을 배정하는 방식 등 실제 음원의 상황과 거의 유사하게 구성하여 실감 음장을 형성시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 설치의 단순함을 통해 미리 수많은 어레이를 음장을 형성할 벽을 따라 배치해야 하는 불편함이나, 다수의 큰 스피커를 음장의 곳곳에 배치하는 불편함을 제거하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 포함한다.

다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원과 저주파수용 음원이 제공되는 하단 음원부와, 상기 하단 음원부에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부를 포함하고, 상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공된다.

다른 실시예로서, 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서, 고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원과 저주파수용 음원이 제공되는 하단 음원부와, 상기 하단 음원부에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부를 포함하고, 상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공된다.

또 다른 실시예로서, 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서, 고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원이 제공되는 음원 적재부와, 저주파수용 음원이 제공되는 저음용 우퍼부와, 상기 중주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하는 도파관과, 상기 저주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부를 포함하고, 상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공된다.

또 다른 실시예로서, 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서, 고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원과 저주파수용 음원이 제공되는 하단 음원부와, 상기 하단 음원부에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부와, 상기 음원들의 상대적 위상과 크기를 제어하는 음원 처리기를 포함하고, 상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공된다.

또 다른 실시예로서, 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서, 고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원이 제공되는 음원 적재부와, 저주파수용 음원이 제공되는 저음용 우퍼부와, 상기 중주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하는 도파관과, 상기 저주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부와, 상기 음원들의 상대적 위상과 크기를 제어하는 음원 처리기를 포함하고, 상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 기반으로 실제 음원에서 방사되는 음향의 지향성과 소리의 강도 등을 입체적으로 재현하는 효과를 제공한다.

또한, 구형으로 형성된 하나의 음원으로 작은 입체 구역 컴팩트하게 구성되기 때문에, 한 개의 시스템에 하나의 실제 음원을 배정하는 방식 등 실제 음원의 상황과 거의 유사하게 구성하여 실감 음장을 형성시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 설치의 단순함을 통해 미리 수많은 어레이를 음장을 형성할 벽을 따라 배치해야 하는 불편함이나, 다수의 큰 스피커를 음장의 곳곳에 배치하는 불편함을 제거하는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 의해 구현된 실감 음원 구현을 위한 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명에 의해 구현된 실감 음원 구현을 위한 시스템의 상세 구성도.
도 3은 본 발명에 의해 구현된 음원 처리기의 기본 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 실감 음원 구현 시스템의 구조도이다. 본 발명에 의한 다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템은 음향을 외부로 방사하는 방사체(14)와, 중주파수용 음원(121)과 저주파수용 음원(111)이 제공되는 하단 음원부(11, 12)와, 하단 음원부(11, 12)에서 생성된 음향에너지를 방사체(14)로 전달하고, 방사체(14)를 지지하는 스탠드부(13)를 포함한다.

하단 음원부(11, 12)는 중주파수용 음원(121)이 제공되는 음원 적재부(12)와, 저주파수용 음원(111)이 제공되는 저음용 우퍼부(11)를 포함한다.

이하 각 구성요소의 구조 및 기능을 구체적으로 설명하기로 한다.

방사체(14)는 구형인 것이 바람직하다. 방사체에는 고주파수용 음원(141)에 적어도 하나 이상 제공되고, 중주파수용 음원(121)에 연결된 도파관(15)의 토출구(151)가 적어도 하나 이상 제공된다.

도 2의 (a)는 스탠드부(13) 내부를 통해 도파관(15)이 제공되고, 도파관이 방사형으로 방사체(14)에 제공되는 단면을 보여준다.

방사체(14)의 음원에서의 음향 방사는 구면 조화 함수의 고차 전개항을 이용하여 표현하는데, 각 전개항은 단극, 쌍극 및 고차 극성의 방사특성을 갖도록 하여 이상화된 음원을 실현한다.

가능한 작은 음원 어레이 시스템을 만들기 위해, 소리를 토출하는 도파관의 토출구(151) 및 고주파수를 담당하는 구형 어레이는 도관의 조합으로 이루어진 스탠드부(13)에 의해 일정 높이의 상부에서 지지되는 것이 바람직하다.

중주파수용 음원(121)은 음원 적재부(12)에 제공된다. 도 2의 (b)는 음원 적재부(12)의 평면도이다. 중주파수용 음원(121)은 도파관(15)과 연결되어 제공된다.

저주파수용 음원(111)은 저음용 우퍼부(11)에 제공된다. 도 2의 (c)는 저음용 우퍼부(11)의 평면도이다. 저주파수용 음원(111)은 음향에너지의 방사 방향이 위로 향하는 것이 바람직하고, 중공부 형상의 스탠드부(13)를 통해 방사체로 음향에너지를 전달하게 된다. 일반적으로 고주파 음파는 직진성이 강하고, 저주파 음파는 직진성이 약하다. 따라서 스탠드부(13)를 통해 상부에 위치한 방사체(14)로 음향에너지를 전달하더라도 음향 에너지의 손실은 크게 문제되지 않는다.

각 음원은 도면에 표시된 바와 같이 스피커(122, 112)와 결합되는 것이 일반적이다.

고주파수용 음원(141)은 고음용 트위터 혹은 고음용 스피커인 것이 바람직하나 이에 권리범위를 한정하는 것은 아니다. 와, 중주파수용 음원(121)에서 생성된 음향에너지를 방사체(14)로 전달하는 도파관(15)과, 저주파수용 음원(111)에서 생성된 음향에너지를 방사체(14)로 전달하고, 방사체(14)를 지지하는 스탠드부(13)와, 를 포함한다.

본 발명에서 사용하는 도파관은(15) 전송로로 사용하는 도체로 만든 속이 빈 도관이다. 표면에서 음향 에너지의 손실을 최소화하기 위하여 금속 또는 폴리머로 형성되는 것이 바람직하다.

스탠드부(13)는 중공(中空) 형상이고, 도파관(15)은 중주파수용 음원(121)에 밀봉되어 연결된 후, 스탠드부(13) 내부를 통해 방사체(14)로 연결되는 구조가 바람직하다. 하지만, 도파관(15)이 스탠드부(13)의 외부로 제공된다고 하더라도 그 원리가 동일한 이상 본 발명의 권리범위에 속한다.

스탠드부(13)는 방사체(14)를 일정높이의 상부에서 지지하고 있으며, 하단 음원부(11, 12)에 의해 바닥에 대해 지지된다. 하단 음원부(11, 12)는 바닥에 설치되는 구조인 것이 바람직하다. 대부분의 중주파수 및 저주파수를 담당하는 실제 음원들은 하단에 위치되고, 도파관(15) 및 스탠드부(13)를 거쳐 방사체를 통해 외부로 방사되는 것이 바람직하다.

저음용 우퍼부(11)는 저주파수용 음원(111)을 둘러싸는 흡음재(20)가 더 제공되는 것이 바람직하다. 저주파수용 음원(111)은 방사체(14)를 통해 외부로 방사되어야 실감 음원의 구현에 더욱 효과가 있다.

음원 적재부(12)는 흠음재(20)를 더 포함하여 음원 적재부(12)를 통해 외부로 음향 에너지가 방사되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

본 발명은 저주파수부터 고주파수를 망라하는 스피커의 조합으로 이루어진 구형의 음원 어레이(방사체)를 이용하여 주파수별로 다양한 형태의 방사특성을 갖는 음원 모듈을 구현하고, 이를 이용하여 임의의 크기와 위상의 방사 특성을 갖는 실제 음원을 세밀히 모사하여 실감나는 음장을 구현할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

따라서 시스템에서 각 음원의 제어를 위해 이상화된 음원의 특성을 갖기 위해 가져야 할 실제 음원들의 상대적 위상과 크기를 정의하는 음원 처리기와, 이상화된 음원 각각의 상대적 크기를 정해주는 제어기를 더 포함할 수 있다.

각 음원의 상대적인 위상과 크기는 도 3과 같이 제어된다. 우선 각 n차의 이상적인 음원 방사 행태를 표현하기 위하여, 각 실제 음원이 가져야 하는 상대적인 위상Gn과 크기 Tn은 아래의 음원 요소의 중첩을 나타내는 관계식에 의해 결정된다.

위 식에서

은 n차의 제1종 구면 한켈 함수이고,

는 구면 방사 함수이고, k는 파수, r은 음원과 관찰점간의 거리,

와

는 평면각과 양각을 의미한다.

실제 음원의 방사특성이

라고 하면, 이는 아래 식과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 음원의 강도,

은 실제음원과 m번째 관찰점 사이의 공간 벡터,

는 m번째 관찰점과 e번째 등가음원간의 공간 벡터,

는 구면 조화 함수,

는 각 주파수를 의미한다. 그러므로, 위의 식에서 C만 결정이 된다고 하면, 사전에 구해진 Tn에 추을 곱해 줌으로써 쉽게 방사 특성을 모사할 수 있다.

따라서, 음원 처리기는 실제 음원들의 상대적인 위상과 크기를 정의하는 기능을 수행하고, 제어기는 이상화된 음원의 각각의 상대적 크기를 정해주는 기능을 수행하게 된다.

본 시스템을 이용하여 임의의 방사특성을 갖는 실제 음원을 단일 시스템으로 상당히 정밀하게 모사하는 것이 가능하므로, 이를 이용하면, 공간 내에서의 위치 등을 실제로 구성하는 것이 가능해져, 본래의 음원을 충실히 재현하는 것이 가능하다. 예를 들어 오케스트라의 연주를 재현하는 경우, 악기의 수와 동일한 수의 시스템을 같은 위치에 설치하여 한 개 시스템이 한 개의 악기를 재생하도록 할 수 있다. 이런 방식을 이용하면, 녹음을 하여 재생하는 것 뿐만 아니라, 악보를 입력하는 방식에 의해서도 디코더 및 간단한 프로세서를 통해서도 구현이 가능하다. 또한, 신축된 공연장 등에서 악기의 소리를 듣고 평가하는 데 있어서도 실제 악기를 연주하지 않고 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 사람이 여러 번에 걸쳐 연주하는 것이 아니기 때문에 동일한 신호로 공정한 평가를 가능하게 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.

11 : 저음용 우퍼부, 12 : 음원 적재부, 13 : 스탠드,
14 : 방사체, 141 : 고주파수용 스피커, 151 : 도파관 토출구,
121 : 중주파수용 음원, 122 : 중주파수용 스피커,
111 : 저주파수용 스피커, 112 : 저주파수용 스피커,
15 : 도파관, 20 : 흡음재

Claims

다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서,
음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원과 저주파수용 음원이 제공되는 하단 음원부와, 상기 하단 음원부에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부를 포함하고,
상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서,
고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원과 저주파수용 음원이 제공되는 하단 음원부와, 상기 하단 음원부에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부를 포함하고,
상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서,
고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원이 제공되는 음원 적재부와, 저주파수용 음원이 제공되는 저음용 우퍼부와, 상기 중주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하는 도파관과, 상기 저주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부를 포함하고,
상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서,
고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원과 저주파수용 음원이 제공되는 하단 음원부와, 상기 하단 음원부에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부와, 상기 음원들의 상대적 위상과 크기를 제어하는 음원 처리기를 포함하고,
상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
다양한 극성의 이상화된 음원의 방사특성을 이용하는 실감 음원 구현 시스템에 있어서,
고주파수용 음원이 제공되고, 음향을 외부로 방사하는 방사체와, 중주파수용 음원이 제공되는 음원 적재부와, 저주파수용 음원이 제공되는 저음용 우퍼부와, 상기 중주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하는 도파관과, 상기 저주파수용 음원에서 생성된 음향에너지를 상기 방사체로 전달하고, 상기 방사체를 지지하는 스탠드부와, 상기 음원들의 상대적 위상과 크기를 제어하는 음원 처리기를 포함하고,
상기 중주파수용 음원은 도파관에 연결되고, 상기 도파관의 토출구는 상기 방사체에 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 고주파수용 음원은 트위터인,,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 저주파수용 음원을 둘러싸는 흡음재가 더 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 3 또는 청구항 5에 있어서,
상기 음원 적재부는 흡음재를 더 포함하여, 외부로 음향에너지가 방사되지 못하도록 방지하는,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 3 또는 청구항 5에 있어서,
상기 스탠드부는 중공(中空) 형상인,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 도파관은 상기 스탠드부의 내부에 제공되는,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 도파관은 상기 중주파수용 음원에 밀봉되어 연결되는,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 음원 처리기에 의해 제어되는 각 음원의 상대적인 위상
과 크기
은 아래의 음원 요소의 중첩을 나타내는 관계식을 만족하는,

,

: n차 제1종 구면 한켈 함수(spherical Hankel function),

: 구면 방사 함수(spherical radiation function),
k : 파수(wave number),
r : 음원과 관찰점간의 거리,

: 평면각(horizontal angle),

: 양각(elevation angle),
실감 음원 구현 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 음원 처리기를 통한 음원 각각의 상대적 크기를 제어하는 제어기를 더 포함하는,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 13에 있어서,
상기 제어기는 아래의 식에서 C를 제어하여 실제 음원의 방사 특성
를 모사하는,

,

,

: 음원 강도,

: 실제음원과 m번째 관찰점 사이의 공간 벡터,

: m번째 관찰점과 e번째 등가음원간의 공간 벡터,

: 구면 조화 함수,

: 각 주파수,
실감 음원 구현 시스템.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
상기 방사체는 구형인,
실감 음원 구현 시스템.