KR20140087926A - 개인적 위치 방향 스피커 시스템 및 제공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가청주파수대역의 음향을 초음파대역의 소리로 변조하는 것으로 주파수 변조가 아닌 공기 중에서 실재 가청주파수의 음향이 생성되도록 하는 원리를 이용한 특정 구간으로의 시프트를 통해 기존의 초지향성 스피커의 대중화를 막는 변조기술과는 다른 새로운 기술을 적용한 초지향성 스피커를 제공하기 위한 것으로서, 오디오 신호가 주파수 변조된 반송파를 퓨리에 변환한 후, 가청 주파수 대역보다도 높은 초음파 대역의 제 1 초음파 대역으로 시프트하는 초음파 변조기와, 상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수를 생성하여 삽입하는 대칭 주파수 생성부와, 상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스를 생성하는 초음파 생성부와, 상기 초음파 변조기에서 변조된 초음파 변조신호와 대칭 주파수 사이에 초음파 생성부에서 생성된 초음파 펄스를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환하여 발진시키는 초음파 발생기를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

개인적 위치 방향 스피커 시스템 및 제공방법{System and Method for Personal Position Directed Speaker}

본 발명은 초음파를 이용한 지향성을 향상시킨 스피커로서, 기존의 스피커는 출력되는 소리가 모든 방향으로 퍼지지만, 본 발명의 스피커는 소리가 퍼지지 않고 한 방향으로만 소리를 전달하여 큰 소리가 멀리까지 보낼 수 있고, 또한 오직 사용자 자신만 소리를 들을 수 있도록 할 수 있어 같은 공간에 있는 다른 사람들에게는 소리가 전달되지 않도록 제공할 수 있는 초지향성 스피커인 개인적 위치 방향 스피커(Personal Position Directed Speaker : PPDS)에 관한 것이다.

현대의 인간 생활에서 집이나, 직장, 야외, 건물, 가계 등 모든 장소에 스피커가 설치되어 쓰여지고 있으며, 핸드폰, 모바일 기기, 노트북, 컴퓨터, MP3 등 소형 가전기기부터 TV, 오디오, 자동차 등 소리를 출력시켜야 하는 모든 전자기기에 스피커와 이어폰이 쓰이고 있다. 이는 소비자들이 자신이 원하는 음악과 영상의 음향을 즐기려는 경향이 늘어나면서 사용되는 스피커와 이어폰의 수요도 증가하고 있는 추세에 있다.

하지만 소비자들이 스피커와 이어폰을 통해 음악과 소리를 즐기려는 욕구가 늘어남과 동시에 기존의 다이나믹(진동판) 스피커나 이어폰은 여러 상황과 함께 사용함에 있어 제약과 불편함이 존재한다.

첫 번째로 가장 많이 쓰이고 있는 다이나믹(진동판) 스피커의 경우 스피커에서 출력되는 소리는 전기신호를 진동으로 변환하여 공기 중에 전달함으로써 소리를 생성하게 된다. 즉, 공기 중에 진동을 전달할 때 등방성을 가지며 전달하게 됨에 따라 동일한 공간의 모든 방향으로 소리가 퍼져나가게 된다. 이는 스피커의 소리를 원하지 않는 동일한 공간에 있는 다른 사람들에게 소음공해를 발생시키게 되고 사용자의 경우는 의도치 않게 자신의 스피커 소리를 다른 사람들에게 유출시킬 수밖에 없게 된다.

두 번째로 이어폰의 경우 초소형 스피커를 귀에 꽂아 사용하므로 첫 번째와 같이 다른 사람들에게 소리를 유출시키지 않으면서도 자신만이 자유롭게 스피커에서 나오는 음향을 청취할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이어폰이 사용자의 귀를 막으므로 사용자는 외부 소리를 들을 수 없게 되고, 이어폰을 이용하여 음향을 오랫동안 청취할 경우 청각에 문제가 발생할 수 있는 문제가 있다.

이러한 문제들을 해결하기 위하여 특정 방향에서만 소리를 들을 수 있도록 출력할 수 있는 초지향성 스피커가 등장하게 되었다.

이러한 초지향성 스피커의 발명은 2차 세계대전 이후 잠수함의 레이더 기술인 소나(sonar)에 대한 연구가 발전하면서 1970년대에 공기 중에서도 소나를 이용하면 소리를 빔처럼 쏘아 보낼 수 있다는 것을 발견하면서부터 시작되었다. 그 이후 많은 과학자들이 초지향성 스피커에 대한 물리적 원리와 기존의 음성(가청영역의 소리)을 스피커에 실어 보낼 방법을 연구하였다. 그러나 초지향성 스피커의 원리는 공기의 물리적 비선형성 때문이라는 것은 쉽게 이해할 수 있지만 기존의 음성을 스피커에 쓰일 수 있도록 변조하는 기술은 20세기의 기술로는 어려웠다. 그러다가 2000년도에 들어서 스피커의 핵심기술인 변조기술을 미국의 ATC(American Technology Corporation), Holosonics, 일본의 MITSUBISHI 그리고 한국의 소니캐스트가 발명하여 각자의 기술을 적용시킨 초지향성 스피커로 상품화되었다.

그러나 이러한 초지향성 스피커가 기존의 스피커가 갖지 못하는 강력한 기능을 가지고 있으면서도 대중적으로 쓰이지 않고 잘 알려지지 않고 있다.

그 첫 번째 이유는 변조기술을 위에 기재된 4개의 기업이 기술독점하고 있기 때문이다. 즉, 일반적으로 쓰이는 진동판 스피커(다이나믹 스피커)는 1925년도에 발명되어 지금까지 그때의 방법으로 기술의 큰 변화 없이 쓰이고 있다. 이 때문에 진동판 스피커는 특별한 기술 없이 만들 수 있고 저렴하게 구입할 수 있다. 그러나 초지향성 스피커는 변조기술이 필수적으로 있어야만 스피커의 기능을 실현할 수 있어 4개의 기업 이외에는 스피커를 만들 수 없다. 그래서 4개의 기업은 일반적인 진동판 스피커 가격의 10배에서 20배에 해당하는 가격으로 기술 독점적 전략을 하고 있어 일반 소비자들은 초지향성 스피커를 구입하기 어렵게 하고 있다.

또 하나의 다른 이유는 변조기술이 복잡하고 어렵다는데 있다. 40년의 역사를 가진 초지향성 스피커를 4개의 기업밖에 못 만드는 이유가 바로 여기에 있다. 그래서 스피커의 초음파 발생기보다 변조회로가 훨씬 복잡하고 크다. 이러한 변조기술을 구현하는 변조회로가 복잡하고 만들기 어렵기 때문에 제작비용이 비싸고 대량생산이 어려운 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 가청주파수대역의 음향을 초음파대역의 소리로 변조하는 것으로 주파수 변조가 아닌 공기 중에서 실재 가청주파수의 음향이 생성되도록 하는 원리를 이용한 특정 구간으로의 시프트를 통해 기존의 초지향성 스피커의 대중화를 막는 변조기술과는 다른 새로운 기술을 적용한 초지향성 스피커를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 크고 복잡한 변조회로를 저가 및 소형화시켜 휴대가 가능한 휴대용 제품에 적용 가능한 개인적 위치 방향 스피커 시스템 및 그 제공방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 특징은 오디오 신호가 주파수 변조된 반송파를 퓨리에 변환한 후, 가청 주파수 대역보다도 높은 초음파 대역의 제 1 초음파 대역으로 시프트하는 초음파 변조기와, 상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수를 생성하여 삽입하는 대칭 주파수 생성부와, 상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스를 생성하는 초음파 생성부와, 상기 초음파 변조기에서 변조된 초음파 변조신호와 대칭 주파수 사이에 초음파 생성부에서 생성된 초음파 펄스를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환하여 발진시키는 초음파 발생기를 포함하여 구성되는데 있다.

바람직하게 개인적 위치 방향 스피커 시스템은 일정주파수의 반송파를 출력하는 반송파 발진기와, 오디오 신호를 출력하는 오디오 신호원과, 상기 반송파 발진기로부터의 반송파를 오디오 신호원으로부터의 오디오 신호로 주파수 변조하는 주파수 변조기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 초음파 생성부는 생성된 초음파 펄스와 상기 제 1 초음파 대역의 2n배만큼의 sin파를 함께 방사시키고, 이때, 상기 n은 자연수인 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 제 1 초음파 대역은 20KHz 이상의 초음파 대역인 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 초음파 발생기는 적어도 1개의 초음파 발생 소자로 이루어지고, 초음파 발생기가 향한 방향으로 초지향성을 가지고 방출하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 초음파 발생기는 상기 제 1 초음파 변조신호를 출력하는 제 1 초음파 발생기와, 상기 제 1 초음파 발생기와 마주보는 방향으로 180도 이내의 각도로 상기 제 2 초음파 변조신호를 출력하는 제 2 초음파 발생기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 제 1 초음파 발생기 및 제 2 초음파 발생기는 서로 이웃하게 붙여서 마주보는 방향으로 소정의 각도로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 제 1 초음파 발생기 및 제 2 초음파 발생기는 각각 서로 소정의 거리로 떨어지게 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 제 1 초음파 발생기 및 제 2 초음파 발생기는 각각 적어도 2개 이상의 초음파 발생기를 서로 마주보는 방향으로 180도 이내의 각도로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 제공 방법의 특징은 (A) 오디오 신호가 주파수 변조된 반송파를 퓨리에 변환한 후, 가청 주파수 대역보다도 높은 초음파 대역의 제 1 초음파 대역으로 시프트하는 단계와, (B) 상기 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수를 생성하여 삽입하는 단계와, (C) 상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스를 생성하는 단계와, (D) 상기 변조된 초음파 변조신호와 대칭 주파수 사이에 초음파 생성부에서 생성된 초음파 펄스를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환하여 발진시키는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

바람직하게 상기 (D) 단계는 혼변조 왜곡의 일종인 차주파수 왜곡을 통해 주파수의 차에 상당하는 주파수 성분(차음)이 발생되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 발생되는 주파수 성분(차음)은 가청 주파수 대역인 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 (D) 단계는 상기 생성된 초음파 펄스와 상기 제 1 초음파 대역의 2n배만큼의 sin파를 함께 방사시키고, 이때, n은 자연수인 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 (D) 단계는 초음파 발생기와 마주보는 방향으로 180도 이내의 각도로 상기 제 2 초음파 변조신호를 출력하여, 상기 제 1 초음파 변조신호와 상기 제 2 초음파 변조신호가 서로 겹쳐지는 영역에 상기 제 3 초음파 변조신호를 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템 및 그 제공방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기술실현이 단순하고 간단하여 경쟁제품보다 제작비용이 매우 낮고 대량생산에 용이하여 판매가격을 경쟁제품에 비하여 대폭 낮출 수 있어 일반 진동판 스피커와 비슷한 가격으로 제품을 제작 및 판매할 수 있어, 일반 소비자들이 저렴한 가격에 초지향성 스피커의 기능을 이용할 수 있고 진동판 스피커와 이어폰에 이어 대중적으로 쓰이는 스피커로 발전할 수 있다.

둘째, 음의 변조를 복잡한 회로를 사용하지 않고 연산 알고리즘 어플리케이션으로 구현함에 따라 기존의 4개 기업이 만드는 크고 복잡한 변조회로를 소형화시킬 수 있어, 오디오, 컴퓨터용 스피커나 노트북, 스마트폰, 태블릿 등에 적용 가능한 휴대용 스피커로 제품화가 가능하다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 구성을 나타낸 구성도
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템에서 변조되는 주파수의 각 파형을 나타낸 그래프
도 3 은 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커의 음질향상을 위한 다른 실시예를 나타낸 도면
도 4 는 일반 스피커와 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 소리 전달에 따른 지향성을 설명하기 위한 도면
도 5a 내지 도 5c, 도 6 는 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 다른 실시예를 나타낸 구성도

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템 및 그 제공방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.

도 1과 같이, 개인적 위치 방향 스피커 시스템은 일정주파수의 반송파를 출력하는 반송파 발진기(10)와, 오디오 신호를 출력하는 오디오 신호원(20)과, 상기 반송파 발진기(10)로부터의 반송파를 오디오 신호원(20)으로부터의 오디오 신호로 주파수 변조하는 주파수 변조기(30)와, 상기 주파수 변조기(30)에서 출력되는 주파수 변조된 반송파를 퓨리에 변환한 후, 특정 초음파 대역으로 시프트하는 초음파 변조기(50)와, 상기 초음파 변조기(50)에서 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수를 생성하여 삽입하는 대칭 주파수 생성부(60)와, 상기 초음파 변조기(50)에서 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스를 생성하는 초음파 생성부(70)와, 상기 초음파 변조기(50)에서 변조된 초음파 변조신호와 대칭 주파수 사이에 초음파 생성부(70)에서 생성된 초음파 펄스를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환을 하여 발진시키는 초음파 발생기(80)로 구성된다.

이때, 반송파 발진기(10)는 일정 주파수의 반송파, 예를 들면 20KHz 이상의 반송파를 주파수 변조기(30)에 공급한다. 그리고 오디오 신호원(20)은, 예를 들면 MP3, PC, 스마트폰, TV 등 소리를 출력하는 모든 기기로 이루어지고 오디오 신호를 변조신호로서 주파수 변조기(30)에 공급한다.

이에 주파수 변조기(30)는 도 2a에서 도시하고 있는 것과 같이, 오디오 신호원(20)으로부터의 변조신호로 반송파 발진기(10)에서 입력되는 반송파를 주파수 변조한다. 그리고 주파수 변조 신호(100)는 증폭기(40)를 거쳐서 초음파 변조기(50)로 입력된다. 그러면 초음파 변조기(50)는 도 2b에서 도시하고 있는 것과 같이, 입력된 주파수 변조된 반송파를 미리 정의된 초음파 대역으로 이동시켜 초음파 대역으로 변조한다. 이때 초음파 변조기(50)는 퓨리에 변환(transform)을 이용하여 소리를 주파수에 대한 정보로 전환한 다음 이를 초음파 대역으로 단순 이동시켜 초음파 대역의 오디오 신호로 변조하는 것으로, 일반적인 주파수 변조가 아닌 공기 중에서 실재 가청주파수의 오디오 신호가 생성되도록 원리에 맞게 변조돼야 한다. 즉, 초음파 변조기(50)에서 변조된 초음파 변조신호들은 2차원 평면 그래프로 나타낼 수 있는데, x축 성분의 값이 주파수 값이고, y축의 값이 상대적인 소리의 세기이다. 다시 말하면, 기존의 음원을 퓨리에 변환을 하면 다수의 (x, y) 좌표를 얻을 수 있다, 이를 초음파 대역으로 특정주파수 만큼 시프트한다는 것인 (x+특정주파수, y)로 얻은 모든 좌표값에 x축 값이 똑같은 값의 특정주파수를 더하면 된다.

그리고 대칭 주파수 생성부(60)는 도 2c에서 도시하고 있는 것과 같이, 초음파 변조기(50)에서 변조된 초음파 변조신호(100)의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수(200)를 생성하여 삽입한다. 이는 음질향상을 위한 것으로, 초음파 변조기(50)에서 얻은 음원좌표에 또 다른 (특정주파수-x, y)으로 다수의 좌표를 만드는 것이다. 이는 단순히 기존의 다수의 좌표(x, y)를 (x+특정주파수, y)와 대칭되는 (특정주파수-x, y)를 추가하여 기존의 좌표 데이터를 2배 늘어나게 된다. 이렇게 초음파 변조신호(100)와 대칭되는 대칭 주파수(200)를 추가하면 대칭 주파수가 없는 경우보다 음질향상을 기대할 수 있고, 특히 저음에 대한 출력을 높일 수 있다.

또한 초음파 생성부(70)는 상기 초음파 변조기(50)에서 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스(300)를 생성한다.

그리고 초음파 발생기(80)는 도 2d에서 도시하고 있는 것과 같이, 상기 초음파 변조기(50)에서 변조된 초음파 변조신호(100)와 대칭 주파수(200) 사이에 초음파 생성부(70)에서 생성된 초음파 펄스(300)를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환을 하여 발진한다. 이때, 초음파 발생기(80)는 예를 들면 적어도 1개의 초음파 발생 소자로 이루어지고, 상당히 높은 지향성(이하, 초지향성이라 칭함)을 가지며, 증폭기(40)에서 증폭된 주파수 변조 신호에 의거해 초음파 발생기(80)가 향한 방향으로 초지향성을 가지고 방출한다. 그리고 이용자는 초음파 발생기(80)가 향해지면 오디오 신호원(20)으로부터의 오디오 신호에 대응한 음을 들을 수 있고, 초음파 발생기(80)가 향하고 있지 않은 주변에는 오디오 신호에 대응한 음이 들리지 않게 된다.

여기서, 오디오 신호원(20)으로부터의 오디오 신호로 주파수 변조된 주파수 변조신호에 의거하여 초음파를 방출하면, 원래의 오디오 신호에 대응한 음이 들리는 기본적인 원리에 대하여 간단히 설명한다.

수학식 1에 나타내는 바와 같이, 계통에 우수 다음의 비선형성이 존재하고, 그 계통에 수학식 2에 나타내는 바와 같이, 2개의 주파수(

)성분을 포함하는 신호를 입력하면, 수학식 3에서 나타내는 바와 같이, 혼변조 왜곡의 일종인 차주파수 왜곡이 생긴다. 즉, 계통의 출력에는 주파수의 차

에 상당하는 주파수 성분(차음)이 나타난다.

여기서, x는 계통의 입력신호이며, y는 계통의 출력신호이다.

상기 수학식 1에 수학식 2를 입력하면 다음에 나타내는 수학식 3이 얻어진다.

이와 같이, 초음파 발생기(80)에서 초음파 변조신호(40KHz)(F2) 앞단에 초음파 펄스(예를 들어 42KHz)(F1)가 결합된 초음파 변조신호를 발생시키면, 그 차주파수 왜곡에 상당하는 2KHz의 차음이 들리게 된다. 참고로, 차음인 2KHz는 가청 주파수대이므로 들리게 되는 것이다. 그리고 널리 알려져 있는 바와 같이, 주파수 변조에서는 주파수 변조 신호로 반송파를 중심으로 하여 무수의 측대파가 포함된다. 따라서 공기가 초음파에 대하여 상술한 바와 같은 우수 다음의 비선형성을 가지며, 원래의 오디오 신호가 재생되어 이용자가 그것에 대응한 오디오 신호를 들을 수 있다.

아울러, 대칭 주파수 생성부(60)를 통해 초음파 변조기(50)에서 변조된 초음파 변조신호(100)의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수(200)를 생성하여 삽입함으로써 음질향상을 제공할 수 있는데, 그 이유를 예로서 설명하면 다음과 같다. 특정주파수가 40KHz이고 음원의 주파수가 1KHz일 때, 대칭 주파수가 없는 경우에 변조하게 되면 특정주파수 40KHz와 변조된 주파수 41KHz가 공기 중에서 간섭에 의해 1KHz가 출력되지만, 대칭 주파수가 있는 경우에는 특정주파수 40KHz와 변조주파수 41KHz, 39KHz가 각각 만들어져 41KHz-40KHz=1KHz가 만들어지고, 다시 40KHz-39KHz=1KHz가 만들어져 두 가지 간섭에 의해 1KHz가 출력되므로 더 높은 출력을 얻을 수 있고 또 더 나은 음질을 기대할 수 있게 된다.

한편, 주파수 변조기(30)에서 변조되는 주파수 변조신호(반송파)는 사람의 귀를 통해 들을 수 있는 가청 주파수(20Hz ~ 20KHz)대의 오디오 신호이고, 초음파 변조기(50)에서 변조되는 초음파 변조신호는 사람이 귀를 통해 듣지 못하는 20KHz이상의 초음파 대역의 오디오 신호이다. 따라서 본 발명에서는 초음파 변조신호를 20KHz이상의 초음파 대역으로 정의하여 초음파 변조신호를 변조시키며, 참고로 가장 높은 음압을 가지는 40KHz에서 가장 좋은 특성을 가진다.

이처럼, 본 발명은 초음파를 이용한 스피커의 물리적 개념은 특정주파수 sin파와 음원주파수를 특정주파수 만큼 이동시킨 초음파 음원을 공기 중으로 방사시켜 특정주파수와 초음파 음원의 차 항을 만들어 냄으로써 가청주파수의 소리를 만들어 내는 것이다. 그러나 더욱 정확하게는 초음파 음원과 특정 주파수를 공기 중으로 방사하면 초음파 음원의 주파수와 특정주파수의 차에 해당하는 주파수 소리와 합에 해당하는 주파수 소리가 만들어진다.

즉, 도 3을 참조하여 설명하면, 특정주파수(z)와 이동시킨 음원(x)을 공기 중에 방사시키면 만들어지는 소리의 주파수는 '특정주파수(z)-이동시킨 음원(z+x)=x'로 가청주파수 원 음원이 만들어진다. 그리고 또 더하기 주파수가 만들어진다. 즉, '특정주파수(z)+이동시킨 음원(z+x)=2z+x'로 높은 주파수의 소리가 만들어진다. 이 더하기 주파수는 높은 주파수의 초음파라 들리지 않는다. 따라서 상기 더하기 주파수는 가청음원을 만드는 데에 도움이 전혀 되지 않는다.

이러한 더하기 주파수를 이용하여 가청주파수를 만들기 위하여 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 특정주파수의 2배 주파수만큼의 sin파를 함께 출력시키는 방법이 있다. 이렇게 하면 '특정주파수(z)+이동시킨 음원(z+x)=2z+x'가 특정주파수 2배(2z)와 공기 중에서 다시 간섭이 일어난다. 그래서 2z+x주파수 소리와 2z주파수 sin파의 차 항이 발생하여 '(2z+x주파수)-(2z주파수)=x'인 가청주파수 원음이 발생된다.

따라서 앞에 설명된 방법에 특정주파수 2배만큼의 sin파를 함께 방사시키면 기존의 방법보다 더 큰 출력의 소리를 만들어 낼 수 있다. 아울러, 이와 같은 원리로서, 특정주파수 2배만큼의 sin파 뿐만 아니라 특정주파수의 2n 배수만큼의 sin파를 함께 방사시키면 동일한 효과를 나타내게 되는 것은 당연하다.

본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템은 이와 같은 구성을 통해 초음파를 이용한 지향성을 향상시킨 스피커로서, 도 4(a)에서 도시하고 있는 기존의 스피커는 출력되는 소리가 모든 방향으로 퍼지지만, 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템(Personal Position Directed Speaker : PPDS)의 소리는 도 4(b)에서 도시하고 있는 것과 같이, 퍼지지 않고 한 방향으로만 소리를 전달할 수 있고, 소리가 퍼지지 않으므로 큰 소리를 멀리까지 보낼 수 있다.

이에 따라, 사용자 자신만 소리를 들을 수 있는 개인 컴퓨터, 오디오용 스피커의 적용은 물론, 많은 사람이 함께 사용하는 사무실, 공공장소 등에서 주변 사람들에게 방해를 주지 않으면서도, 귀를 막지 않고 소리를 들을 수 있게 된다. 그러나 소리가 스피커 앞면으로 직진하여 멀리까지 전달되는 경우, 한정된 공간에서 개인용 또는 특정인원이 이용할 때에는 이렇게 멀리까지 소리를 전달할 필요가 없다. 심지어 원치 않은 장소에 소리를 전달하게 되어 불편을 야기할 수도 있다. 이를 해결하기 위해 다수의 스피커(초음파 발생기(80))를 이용하여 소리가 퍼지지 않으면서 한정된 거리까지만 소리가 진행하는 스피커를 구형할 수 있다.

도 5a는 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 구성을 나타낸 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

도 5a와 같이, 2개의 초음파 발생기(80)를 서로 이웃하게 붙여서 마주보는 방향으로 소정의 각도(θ)로 배열한 후, 제 2 초음파 발생기에는 특정 고정주파수(예를 들어 42KHz)(F1)만 발진하고, 또 다른 제 1 초음파 발생기에서는 변조된 초음파(40KHz, 39KHz)(F2)가 발진한다. 그리고 제 1, 2 초음파 발생기에서 발진되어 나온 초음파들이 만나는 특정영역(F1+F2)을 만들게 되고 그 공간 안에서만 주파수 차항을 만들어 낸다. 이 공간(F1+F2)을 벗어나게 되면 두 스피커에서 나온 초음파는 진행방향이 엇갈려서 더 이상 가청주파수를 만들어 내지 못한다. 즉, 제 1, 2 초음파 발생기에 PPDS의 고정주파수(F1)와 퓨리에 변환 주파수(F2)를 출력시키고, 두 초음파 발생기의 각이 180도 이내일 때 초음파 지향성 스피커는 퍼지지 않으면서 제 1, 2 초음파 발생기의 앞 특정거리 안에서만 소리가 진행하고 그 이상에서는 소리가 만들어지지 않으므로, 위와 같은 문제를 해결할 수 있다.

도 5b는 본 발명에 따른 개인적 위치 방향 스피커 시스템의 구성을 나타낸 또 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 도 5b는 도 5a의 구조에서 제 1, 2 초음파 발생기를 서로 이웃하게 붙여서 마주보는 방향으로 소정의 각도(θ)로 배열한 구성이 아니라, 제 1, 2 초음파 발생기를 각각 서로 소정의 거리로 떨어지게 구성하고, 도 4a와 마찬가지로 서로 마주보는 방향으로 소정의 각도(θ)로 배열한 구성을 나타내고 있다.

도 5b의 구성도 도 5a와 마찬가지로 역시, 어느 한 공간에서 만나게 함으로써 소리가 한 특정한 부분의 공간(F1+F2)에서만 소리가 생성되고, 그 외 모든 공간에서는 소리가 없는 상황을 만들게 된다.

한편, 도 5a, 도 5b와 같이 2개의 초음파 발생기로 구성하는 실시예로 설명하고 있지만, 도 5c와 같이 3개 이상의 초음파 발생기를 마주보는 방향으로 소정의 각도(180도 이내)로 배열하여 위에서 설명하고 있는 개념으로 개인적 위치 방향 스피커 시스템을 구성할 수 있다.

또한, 기존의 음원을 퓨리에 변환한 후 저음 주파수 부분을 높이는 식으로 베이스를 증강시킨 후 이를 PPDS 방법으로 특정주파수로 시프트시키면 초음파 초지향성 스피커가 되는 동시에 기존음원보다 베이스가 향상된 음원의 소리를 만들어 낼 수 있다. 즉, 기존의 이퀄라이저 기능을 접목할 경우 초음파 스피커도 되면서 음질을 변화시킬 수 있는 기능을 할 수도 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

1. 오디오 신호가 주파수 변조된 반송파를 퓨리에 변환한 후, 가청 주파수 대역보다도 높은 초음파 대역의 제 1 초음파 대역으로 시프트하는 초음파 변조기와,
   상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수를 생성하여 삽입하는 대칭 주파수 생성부와,
   상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스를 생성하는 초음파 생성부와,
   상기 초음파 변조기에서 변조된 초음파 변조신호와 대칭 주파수 사이에 초음파 생성부에서 생성된 초음파 펄스를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환하여 발진시키는 초음파 발생기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 개인적 위치 방향 스피커 시스템은
   일정주파수의 반송파를 출력하는 반송파 발진기와,
   오디오 신호를 출력하는 오디오 신호원과,
   상기 반송파 발진기로부터의 반송파를 오디오 신호원으로부터의 오디오 신호로 주파수 변조하는 주파수 변조기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 초음파 생성부는 생성된 초음파 펄스와 상기 제 1 초음파 대역의 2n배만큼의 sin파를 함께 방사시키고, 이때, 상기 n은 자연수인 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 초음파 대역은 20KHz 이상의 초음파 대역인 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 발생기는 적어도 1개의 초음파 발생 소자로 이루어지고, 초음파 발생기가 향한 방향으로 초지향성을 가지고 방출하는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 발생기는
   상기 제 1 초음파 변조신호를 출력하는 제 1 초음파 발생기와,
   상기 제 1 초음파 발생기와 마주보는 방향으로 180도 이내의 각도로 상기 제 2 초음파 변조신호를 출력하는 제 2 초음파 발생기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 1 초음파 발생기 및 제 2 초음파 발생기는 서로 이웃하게 붙여서 마주보는 방향으로 소정의 각도로 구성되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 1 초음파 발생기 및 제 2 초음파 발생기는 각각 서로 소정의 거리로 떨어지게 구성되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 시스템.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 1 초음파 발생기 및 제 2 초음파 발생기는 각각 적어도 2개 이상의 초음파 발생기를 서로 마주보는 방향으로 180도 이내의 각도로 구성되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 제공방법.
10. (A) 오디오 신호가 주파수 변조된 반송파를 퓨리에 변환한 후, 가청 주파수 대역보다도 높은 초음파 대역의 제 1 초음파 대역으로 시프트하는 단계와,
    (B) 상기 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호의 좌측 끝단 주파수를 기준으로 좌우 대칭되는 대칭 주파수를 생성하여 삽입하는 단계와,
    (C) 상기 초음파 변조기에서 제 1 초음파 대역으로 시프트된 초음파 변조신호에 기반하여 더 높은 출력 세기를 갖는 초음파 펄스를 생성하는 단계와,
    (D) 상기 변조된 초음파 변조신호와 대칭 주파수 사이에 초음파 생성부에서 생성된 초음파 펄스를 결합하여 대칭 주파수와 함께 변조된 값을 역 퓨리에 변환하여 발진시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 제공방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (D) 단계는 혼변조 왜곡의 일종인 차주파수 왜곡을 통해 주파수의 차에 상당하는 주파수 성분(차음)이 발생되는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 제공방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 발생되는 주파수 성분(차음)은 가청 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 제공방법.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 (D) 단계는
    상기 생성된 초음파 펄스와 상기 제 1 초음파 대역의 2n배만큼의 sin파를 함께 방사시키고, 이때, n은 자연수인 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 제공방법.
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 (D) 단계는 초음파 발생기와 마주보는 방향으로 180도 이내의 각도로 상기 제 2 초음파 변조신호를 출력하여, 상기 제 1 초음파 변조신호와 상기 제 2 초음파 변조신호가 서로 겹쳐지는 영역에 상기 제 3 초음파 변조신호를 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 개인적 위치 방향 스피커 제공방법.

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