KR20170008037A

KR20170008037A - 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법

Info

Publication number: KR20170008037A
Application number: KR1020150099260A
Authority: KR
Inventors: 양기동; 박영진; 양종렬; 이상화
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-01-23

Abstract

인가되는 소리의 세기에 따라 상하 진동하는 제 1 멤브레인; 제 1 멤브레인과 이격되어 위치되며, 인가되는 소리의 방향에 따라 중심 축을 중심으로 굽힘 진동 및 비틀림 진동 중 적어도 하나를 하는 제 2 멤브레인; 제 1 멤브레인과 제 2 멤브레인 간의 정전 용량을 측정하는 측정부; 및 측정된 정전 용량에 기초하여, 인가되는 소리의 세기 및 방향을 결정하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크가 개시된다.

Description

정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법 {ELECTROSTATIC MICROPHONE AND METHOD FOR DETERMINING DIRECTION OF SOUND THEREBY}

본 발명은 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 Ormia ochracea를 모사한 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법에 관한 것이다.

인간의 오감 중 청각은 인간의 언어 능력과 함께 의사를 전달하고 전달받는데 중요한 역할을 수행하나, 선천적 이상 또는 후천적인 노후 등에 의해 그 기능이 떨어지는 경우가 많다. 더욱이, 난청은 세계적으로 증가하는 추세이며, 전 세계 70세 이상 인구 중 대략 54%에 해당하는 인구가 청각 장애가 있으며, 그 미만의 연령대라 할지라도 50대 이후부터는 청각 장애 비율이 급격히 증가하므로, 소리를 증폭시켜 줄 수 있는 마이크(microphone)에 대한 필요성이 요구되고 있다.

마이크의 가장 중요한 특징은 소리를 증폭시켜 주는 기능과 소리의 방향을 측정하는 기능이다. 소리를 증폭시켜 주는 기능에 대해서는 이전부터 많은 연구가 진행되고 있어 큰 문제가 없으나, 소리의 방향을 측정하는 기능에 대해서 살펴보면, 종래의 기술로는 소리 방향 감지 기능이 없는 2개의 독립적인 마이크를 일정 거리 이격시켜 음파가 오는 방향에 따른 음압의 차이 및 음파의 위상차를 측정하여 소리의 방향을 측정하였다. 이때, 2개의 마이크 사이의 거리가 매우 근접하면, 이들의 신호가 매우 유사하게 되어 소리의 방향성을 찾는 것이 거의 불가능해진다는 문제점이 있다. 이러한 이유로 방향성의 기능을 가지되 마이크를 소형화시키는 것에는 한계가 있었다.

다만, 최근 연구에 따르면 Orima ochracea라는 파리는 두 귀 사이의 이격거리가 0.2 mm 정도이나 상당히 높은 정밀도로 소리의 방향을 감지할 수 있는 것으로 알려졌으며, Orima ochracea의 청각 시스템을 모사하여 마이크에 적용하려는 많은 연구가 진행되고 있다.

Orima ochracea를 모사한 종래의 마이크(US 6,788,796)는, 중심축을 중심으로 회전하는 다이어프램(diaphragm)과 고정된 백플레이트(back plate) 사이의 정전 용량의 측정을 통해 소리의 방향을 감지한다. 그러나, 이러한 구조에 의하면, 소리의 세기에 대한 민감도(sensitivity)가 악화되고, 다이어프램의 표면에 다양한 구조물을 형성시키므로, 그 제조가 어려운 점이 있다.

US 6,788,796

본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법이 이루고자 하는 일부의 기술적 과제는 다음과 같다.

i) 하나의 마이크를 이용하여 소리의 방향을 감지한다.

ii) 인가되는 소리의 세기를 정확히 측정한다.

iii) 간단한 구조로 마이크의 주파수 응답을 개선한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크는,

인가되는 소리의 세기에 따라 상하 진동하는 제 1 멤브레인; 상기 제 1 멤브레인과 이격되어 위치되며, 상기 인가되는 소리의 방향에 따라 중심 축을 중심으로 굽힘 진동 및 비틀림 진동 중 적어도 하나를 하는 제 2 멤브레인; 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 정전 용량을 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 정전 용량에 기초하여, 상기 인가되는 소리의 세기 및 방향을 결정하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

상기 제 1 멤브레인 또는 상기 제 2 멤브레인에는, 상기 인가되는 소리에 대한 주파수 응답을 개선하기 위한 복수의 관통 홀이 형성될 수 있다.

상기 복수의 관통 홀 각각의 지름은, 5um 내지 30um이고, 상기 복수의 관통 홀 각각의 간격은, 50um 내지 300um일 수 있다.

상기 측정부는, 상기 중심 축의 좌측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 1 정전 용량을 측정하고, 상기 중심 축의 우측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 2 정전 용량을 측정할 수 있다.

상기 신호 처리부는,

[수학식]

cos(δ) = (Vdir / Vomni) / (Vdir / Vomni)_δ=0

(상기 Vdir 상기 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차, 상기 Vomni는 상기 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 상기 δ는 기준 축과 소리가 인가되는 방향 사이의 각도)

상기 수학식에 따라 상기 소리의 인가 방향을 결정할 수 있다.

상기 신호 처리부는, 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 합과, 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 차 각각에 소정 가중치를 적용한 후 이들을 합하여, 상기 정전형 마이크의 방향성(directivity)을 조절할 수 있다.

상기 제 1 멤브레인의 두께는, 상기 제 2 멤브레인의 두께보다 얇을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 정전형 마이크는,

제 1 멤브레인; 상기 제 1 멤브레인과 이격되어 위치되는 제 2 멤브레인; 상기 제 1 멤브레인 또는 상기 제 2 멤브레인의 중심 축의 좌측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 1 정전 용량을 측정하고, 상기 중심 축의 우측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 2 정전 용량을 측정하는 측정부; 및

상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 합과, 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 차에 기초하여, 상기 제 1 멤브레인과 제 2 멤브레인으로 인가되는 소리의 인가 방향을 결정하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

상기 신호 처리부는,

[수학식]

cos(δ) = (Vdir / Vomni) / (Vdir / Vomni)_δ=0

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전형 마이크에 의한 소리 방향 결정 방법은,

정전형 마이크에 의한 소리 방향 결정 방법에 있어서, 인가되는 소리의 세기에 따라 상하 진동하는 제 1 멤브레인과, 상기 인가되는 소리의 방향에 따라 중심 축을 중심으로 굽힘 진동 및 비틀림 진동 중 적어도 하나를 하는 제 2 멤브레인 간의 정전 용량을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 정전 용량에 기초하여, 상기 인가되는 소리의 세기 및 방향을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법은 하나의 마이크를 이용하여 소리의 방향을 감지하고, 인가되는 소리의 세기를 정확히 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법은 간단한 구조로 마이크의 주파수 응답을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제 1 멤브레인과 제 2 멤브레인의 진동 운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 도 1에 도시된 제 2 멤브레인의 비틀림 진동을 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 도 1에 도시된 제 2 멤브레인의 굽힘 진동을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 제 1 멤브레인의 상하 진동을 위한 예시적인 지지 구조를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전형 마이크를 도시하는 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 신호 처리부에 의해 조절되는 정전형 마이크의 방향성 패턴을 나타내는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전형 마이크를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 방향 결정 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 '~부(유닛)', '모듈' 등으로 표현되는 구성요소는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 이 구성요소는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만, 구성 요소는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 구성요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있다. 또한, 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크(100)를 도시하는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(130)의 진동 운동을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 3(a)는 도 1에 도시된 제 2 멤브레인(130)의 비틀림 진동을 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 도 1에 도시된 제 2 멤브레인(130)의 굽힘 진동을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크(100)는 제 1 멤브레인(110), 제 1 멤브레인(110)과 이격되어 위치되는 제 2 멤브레인(130)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인(110)은 인가되는 소리(10)에 따라 상하 방향(a)으로 진동한다. 제 1 멤브레인(110)의 상하 진동폭은 인가되는 소리(10)의 세기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 소리(10)의 세기가 클수록, 제 1 멤브레인(110)은 좀더 큰 폭으로 상하 진동을 할 것이다.

제 2 멤브레인(130)에는 힌지 구조(135)가 연결되어 있어, 중심 축(p)를 중심으로 굽힘(bending) 진동 및 비틀림(rocking) 진동 중 적어도 하나를 할 수 있다. 구체적으로, 제 2 멤브레인(130)은 중심 축(p)을 기준으로, 좌측의 제 2 멤브레인(131)과 우측의 제 2 멤브레인(133)으로 구분할 수 있는데, 좌측의 제 2 멤브레인(131)은 b 방향을 따라 회전 운동을 할 수 있고, 우측의 제 2 멤브레인(133)은 c 방향을 따라 회전 운동을 할 수 있다.

도 3(a)는 비틀림 진동을 나타내고 있는데, 비틀림 진동은 좌측의 제 2 멤브레인(131)과 우측의 제 2 멤브레인(133)이 힌지 구조(135)의 중심 축(p)을 기준으로 동일한 방향으로 동일한 각도만큼 회전한 것을 나타낸다.

또한, 도 3(b)는 굽힘 진동을 나타내고 있는데, 굽힘 진동은 좌측의 제 2 멤브레인(131)과 우측의 제 2 멤브레인(133)이 힌지 구조(135)의 중심 축(p)을 기준으로 서로 상이한 방향으로 회전하거나, 동일한 방향이라도 서로 상이한 각도만큼 회전한 것을 나타낸다. 제 2 멤브레인(130)의 진동 운동은 Orima ochracea의 귀를 모사한 것으로서, 인가되는 소리(10)의 방향에 따른 제 2 멤브레인(130)의 진동 운동에 대해서는 공지된 사항인바, 상세한 설명을 생략한다.

도 1에 도시된 정전형 마이크(100)는 제 1 멤브레인(110) 또는 제 2 멤브레인(130)의 장축(x축)을 기준으로 하여 소리(10)가 어느 방향에서 인가되고 있는지를 각도(δ)로서 판단할 수 있다. 어느 축을 기준 축으로 할지는 당업자에 의해 다양하게 결정될 수 있다.

또한, 제 1 멤브레인(110)의 두께(t1)는 제 2 멤브레인(130)의 두께(t2)보다 얇을 수 있다. 이는, 제 1 멤브레인(110)이 외부에서 인가되는 소리(10)의 세기를 검출하는 역할을 주로 수행하므로, 정전형 마이크(100)에서 출력되는 전기 신호의 크기를 극대화하기 위해, 제 1 멤브레인(110)은 외부에서 인가되는 소리(10)에 대해 가능한 큰 진폭을 갖고 진동할 수 있도록 얇은 멤브레인으로 구성할 수 있는 것이다. 또한, 제 2 멤브레인(130)은 외부에서 인가되는 소리(10)의 방향을 검출하는 역할을 주로 수행하며, 효과적인 방향의 검출을 위해 적절한 굽힘 진동과 비틀림 진동을 갖도록 제작되어야 하고, 이에 따라, 제 2 멤브레인(130)의 두께(t2)는 소재가 갖는 영률을 고려하여 적절한 강성을 갖도록 결정될 수 있다. MEMS 공정에서 주로 사용되는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 및 기타 금속 박막 재질, 그리고 상기 소재들이 적층된 멤브레인에 대해, 제 1 멤브레인(110)의 두께(t1)는 0 초과 2.5um 이하로 하고, 제 2 멤브레인 (130)의 두께(t2)는 5um 내지는 30um 범위를 가질 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 제 1 멤브레인(110)의 상하 진동을 위한 예시적인 지지 구조를 도시하는 도면으로서, 도시된 바와 같이, 제 1 멤브레인(110)을 상하 진동 시키기 위한 지지 구조는 지지대(112)와 연결 부재(114)를 포함할 수 있다.

지지대(112)는 예를 들어, 지면과 접촉함으로써, 제 1 멤브레인(110)이 지면에 대해 공중에 떠있게 한다. 연결 부재(114)는 지지대(112)와 제 1 멤브레인(110)을 연결하며, 연결 부재(114)는 스프링, 고무 등의 탄성 특성을 가질 수 있다. 연결 부재(114)의 탄성 특성에 의해 제 1 멤브레인(110)은 상하 방향으로 진동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크(100)는 Orima ochracea를 모사한 제 2 멤브레인(130) 뿐만 아니라, 상하 방향으로 이동하는 제 1 멤브레인(110)을 채용함으로써, 소리(10)의 세기를 보다 정확히 감지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전형 마이크(500)를 도시하는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전형 마이크(500)는 도 1에 도시된 정전형 마이크(100)에 대해 추가적으로, 제 1 단자(501), 제 2 단자(503), 제 1 증폭기(511), 제 2 증폭기(513), 합산기(521), 감산기(523) 및 신호 처리부(540)를 더 포함할 수 있다. 구현예에 따라서는 제 1 증폭기(511)와 제 2 증폭기(513)는 정전형 마이크(500)에서 생략될 수도 있다.

제 1 단자(501)와 제 2 단자(503)는 측정부를 구성하는데, 측정부는 제 1 단자(501), 제 2 단자(503)와 함께, 합산기(521)와 감산기(523)를 더 포함할 수 있다.

제 1 단자(501)는 중심 축(p)의 좌측에서 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(131) 사이의 제 1 정전 용량을 측정하기 위해, 중심 축(p)의 좌측에서 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(131)에 연결된다. 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(131)에 연결된 제 1 단자(501) 중 제 1 멤브레인(110) 또는 제 2 멤브레인(131)에 연결된 하나의 제 1 단자(501)는 접지 연결될 수 있다.

제 2 단자(503)는 중심 축(p)의 우측에서 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(133) 사이의 제 2 정전 용량을 측정하기 위해, 중심 축(p)의 우측에서 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(133)에 연결된다. 제 1 멤브레인(110)과 제 2 멤브레인(133)에 연결된 제 2 단자(503) 중 제 1 멤브레인(110) 또는 제 2 멤브레인(133)에 연결된 하나의 제 2 단자(503)는 접지 연결될 수 있다.

제 1 증폭기(511) 및 제 2 증폭기(513) 각각은 제 1 정전 용량 및 제 2 정전 용량을 증폭한다.

합산기(521)는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량을 합하여 신호 처리부(540)로 전달하고, 감산기(523)는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량 사이의 차를 신호 처리부(540)로 전달한다.

신호 처리부(540)는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 및 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차를 이용하여, 인가되는 소리(10)의 방향을 결정할 수 있다. 구체적으로, 신호 처리부(540)는 δ가 0도 일 때, 즉, 도 1의 좌표축의 양의 x 축 방향에서 소리(10)가 인가될 때의 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 그리고 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차 사이의 비율 값을 미리 획득한 후, 이를 실제 측정되는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 그리고 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차 사이의 비율 값과 비교하여, 인가되는 소리(10)의 방향을 결정할 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 하기와 같다. 하기의 수학식에서 Vdir은 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차이고, Vomni는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합을 의미하며, δ는 기준 축인 양의 x 축과, 소리(10)가 인가되는 방향 사이의 각도를 의미한다.

[수학식]

cos(δ) = (Vdir / Vomni) / (Vdir / Vomni)_δ=0

도 6(a) 내지 도 6(e)는 신호 처리부(540)에 의해 조절되는 정전형 마이크(500)의 방향성 패턴을 나타내는 도면들이다.

도 5에 도시된 신호 처리부(540)는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합과, 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차 각각에 소정 가중치를 적용한 후 이들을 합하여, 정전형 마이크(500)의 방향성(directivity)을 조절할 수 있다. 마이크의 방향성이란, 마이크가 어느 방향으로 인가되는 소리(10)에 대해 수음력이 좋은가를 나타낸다.

도 6(a)는 양의 x 축, 음의 x 축, 양의 y 축 및 음의 y 축 모두에 대해 일정한 수음력을 갖는 전방향성을 나타내고, 도 6(b)는 음의 x 축에서 가장 큰 수음력을 갖고, 양의 y 축과 음의 y 축에서 음의 x 축에 비해 상대적으로 작은 수음력을 갖고, 양의 x 축에서 가장 작은 수음력을 갖는 방향성을 나타낸다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전정 마이크는 하나의 소자(단일의 제 1 멤브레인(110)과 단일의 제 2 멤브레인(130))만으로 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합과, 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차를 이용하여 도 6(a) 내지 도 6(e) 등과 같이 다양한 형태의 방향성 패턴을 설정할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전형 마이크(700)를 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전형 마이크(700)의 제 1 멤브레인(710)에는 복수의 관통 홀(715)이 형성될 수 있다. 복수의 관통 홀(715)은 인가되는 소리(10)에 대한 주파수 응답을 개선하기 위한 것이다. 즉, 복수의 관통 홀(715)을 통해, 정전형 마이크(700)가 소리(10)의 특정 주파수에 대해서만 민감하게 반응하게 하는 것이 아니라, 소리(10)의 전체 주파수 대역에 대해 고르게 반응하게 하는 것이다. 도 7은 제 1 멤브레인(710)에 복수의 관통 홀(715)이 형성된 것으로 도시하고 있지만, 복수의 관통 홀(715)은 제 1 멤브레인(710) 대신 제 2 멤브레인(730)에 형성될 수도 있다.

복수의 관통 홀(715) 각각의 지름은, 5um 내지 30um이고, 복수의 관통 홀(715) 각각의 간격은, 50um 내지 300um일 수 있다. 복수의 관통 홀 각각의 단면의 형상은 원형, 삼각형 또는 사각형일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전형 마이크(700)에 따르면, US 6,788,796과 같이 스티프터(stiffener), 매스(mass)를 다이어프램에 설치하는 대신, 단순히 구멍(715)을 뚫는 것만으로 주파수 응답을 개선시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 방향 결정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소리 방향 결정 방법은 도 1, 도 5 및 도 7에 도시된 정전형 마이크(100, 500, 700) 중 어느 하나에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 1, 도 5 및 도 7에 도시된 정전형 마이크(100, 500, 700)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 8의 소리 방향 결정 방법에도 적용됨을 알 수 있다.

S810 단계에서, 정전형 마이크(100, 500, 700)는, 인가되는 소리(10)의 세기에 따라 상하 진동하는 제 1 멤브레인(110, 710)과, 인가되는 소리(10)의 방향에 따라 중심 축(p)을 중심으로 굽힘 진동 및 비틀림 진동 중 적어도 하나를 하는 제 2 멤브레인(130, 730) 간의 정전 용량을 측정한다. 정전형 마이크(100, 500, 700)는 중심 축(p)의 좌측에서 제 1 멤브레인(110, 710)과 제 2 멤브레인(130, 730) 사이의 제 1 정전 용량, 중심 축(p)의 우측에서 제 1 멤브레인(110, 710)과 제 2 멤브레인(130, 730)의 제 2 정전 용량을 측정할 수 있다.

S820 단계에서, 정전형 마이크(100, 500, 700)는 측정된 정전 용량에 기초하여, 인가되는 소리(10)의 세기 및 방향을 결정할 수 있다.

정전형 마이크(100, 500, 700)는 측정된 정전 용량의 크기에 따라 인가되는 소리(10)의 세기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 소리(10)의 세기가 큰 경우, 제 1 멤브레인(110, 710)과 제 2 멤브레인(130, 730) 사이의 간격은 좁아지고, 정전 용량과 두 전극 사이의 거리는 반비례 관계에 있으므로, 이에 따라 정전 용량의 크기는 증가할 것이다.

또한, 정전형 마이크(100, 500, 700)는 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 그리고, 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차를 이용하여 소리(10)의 인가 방향을 결정할 수 있는데, 이에 대해서는 전술하였는 바 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법은 하나의 마이크를 이용하여 소리의 방향을 감지할 수 있고, 상하로 진동하는 멤브레인을 통해 소리의 세기를 정확히 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크 및 이에 의한 소리 방향 결정 방법은 관통 홀을 형성하는 것으로 주파수 응답을 개선할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크(100, 500, 700)는 보청기, 개인용 증폭장치, 또는 청력보조장치(이하, 보청기로 통칭함)에 적용될 수 있다. 보청기는 크게 귀 안에 위치하는 귓속형 보청기와 귀 뒤에 걸치는 형태의 보청기로 나뉘며, 착용자의 편의성과 미관상의 이유로 크기와 무게가 매우 제한된다. 보청기를 사용하는 경우, 사용자의 가장 큰 불만 사항 중 하나는 원하는 곳에서 발생하는 음성 혹은 소리 신호 이외의 다른 잡음 역시 증폭되어 크게 들린다는 점이며, 이러한 불만을 해결하기 위해 기존에는 두 개 이상의 마이크를 일정 간격으로 배치하여 해당 위치에서 입사되는 소리 신호의 시간 차 혹은 위상 차를 이용하여 원하는 방향성 패턴을 형성하였다.

이러한 기존 기술에서는 소리 신호의 시간 차 혹은 위상 차를 획득하기 위해 반드시 일정 간격으로 이격된 복수의 마이크가 필요하므로, 이를 위해 일정 이상의 공간적인 크기가 필요하다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크(100, 500, 700)를 사용하는 경우, 하나의 마이크로 동일한 작업을 수행할 수 있으므로 공간적인 제약이 크게 줄어드는 이점이 있다. 기존 기술에서는 외부에서 완전히 보이지 않는 형태의 보청기인 CIC(Completely-In-the-Canal)형 보청기에 방향성 패턴을 갖는 마이크를 적용하는 것이 불가능하였으나, 본 발명의 마이크를 이용하면 이러한 초소형 보청기도 방향성 패턴을 갖도록 제작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전형 마이크(100, 500, 700)를 이용하는 경우의 또 다른 장점으로는, 윈드 노이즈(Wind noise)에 대한 영향의 감소가 있다. 윈드 노이즈는 귓바퀴와 같이 공기의 흐름을 방해하는 구조물 주변에서 공기의 흐름이 일정 속도 이상이 될 때 나타나는 난류에 의한 잡음이다. 서로 떨어진 두 지점에서 난류에 의한 잡음은 상관성이 매우 낮으며, 따라서 두 지점간의 신호의 시간 차 혹은 위상 차를 획득함으로써 방향성 패턴을 얻는 기존 방식의 경우, 난류에 의한 각 마이크로부터의 잡음 파워가 합산되는 결과를 낳으므로, 윈드 노이즈가 존재하는 경우 전체적인 잡음 크기가 비약적으로 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 하나의 마이크를 이용하여 방향성 패턴을 획득하기 때문에, 윈드 노이즈가 존재하는 상황에서도 부가적인 잡음의 증가 없이 방향성 패턴을 획득할 수 있는 장점이 있다.

이는, 보청기뿐만 아니라, 방향성 마이크를 배치하기에 공간적 제약이 있으면서 다양한 환경 하에서 사용될 수 있는 각종 휴대용 기기 또는 웨어러블 기기, 예를 들면 스마트폰, 스마트 시계, 핸즈프리, 휴대용 녹음기, 음성인식 장치 등에 사용되어 공간을 최소화하고, 윈드 노이즈를 최소화하면서 방향성 패턴을 제공하는 용도로 사용될 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 작성된 프로그램은 매체에 저장될 수 있다.

상기 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100, 500, 700: 정전형 마이크 110, 710: 제 1 멤브레인
112: 지지대 114: 연결 부재
130, 730: 제 2 멤브레인 131: 좌측 제 2 멤브레인
133: 우측 제 2 멤브레인 135, 735: 힌지 구조
501: 제 1 단자 503: 제 2 단자
511: 제 1 증폭기 513: 제 2 증폭기
521: 합산기 523: 감산기
540: 신호 처리부 715: 관통 홀

Claims

인가되는 소리의 세기에 따라 상하 진동하는 제 1 멤브레인;
상기 제 1 멤브레인과 이격되어 위치되며, 상기 인가되는 소리의 방향에 따라 중심 축을 중심으로 굽힘 진동 및 비틀림 진동 중 적어도 하나를 하는 제 2 멤브레인;
상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 정전 용량을 측정하는 측정부; 및
상기 측정된 정전 용량에 기초하여, 상기 인가되는 소리의 세기 및 방향을 결정하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제1항에 있어서,
상기 제 1 멤브레인 또는 상기 제 2 멤브레인에는,
상기 인가되는 소리에 대한 주파수 응답을 개선하기 위한 복수의 관통 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제2항에 있어서,
상기 복수의 관통 홀 각각의 지름은,
5um 내지 30um이고,
상기 복수의 관통 홀 각각의 간격은,
50um 내지 300um인 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 중심 축의 좌측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 1 정전 용량을 측정하고,
상기 중심 축의 우측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 2 정전 용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제4항에 있어서,
상기 신호 처리부는,

[수학식]
cos(δ) = (Vdir / Vomni) / (Vdir / Vomni)_δ=0
(상기 Vdir 상기 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차, 상기 Vomni는 상기 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 상기 δ는 기준 축과 소리가 인가되는 방향 사이의 각도)

상기 수학식에 따라 상기 소리의 인가 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제4항에 있어서,
상기 신호 처리부는,
상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 합과, 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 차 각각에 소정 가중치를 적용한 후 이들을 합하여, 상기 정전형 마이크의 방향성(directivity)을 조절하는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제1항에 있어서,
상기 제 1 멤브레인의 두께는,
상기 제 2 멤브레인의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제 1 멤브레인;
상기 제 1 멤브레인과 이격되어 위치되는 제 2 멤브레인;
상기 제 1 멤브레인 또는 상기 제 2 멤브레인의 중심 축의 좌측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 1 정전 용량을 측정하고, 상기 중심 축의 우측에서 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 간의 제 2 정전 용량을 측정하는 측정부; 및
상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 합과, 상기 제 1 정전 용량과 상기 제 2 정전 용량의 차에 기초하여, 상기 제 1 멤브레인과 제 2 멤브레인으로 인가되는 소리의 인가 방향을 결정하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
제8항에 있어서,
상기 신호 처리부는,

[수학식]
cos(δ) = (Vdir / Vomni) / (Vdir / Vomni)_δ=0
(상기 Vdir 상기 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 차, 상기 Vomni는 상기 제 1 정전 용량과 제 2 정전 용량의 합, 상기 δ는 기준 축과 소리가 인가되는 방향 사이의 각도)

상기 수학식에 따라 상기 소리의 인가 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 정전형 마이크.
정전형 마이크에 의한 소리 방향 결정 방법에 있어서,
인가되는 소리의 세기에 따라 상하 진동하는 제 1 멤브레인과, 상기 인가되는 소리의 방향에 따라 중심 축을 중심으로 굽힘 진동 및 비틀림 진동 중 적어도 하나를 하는 제 2 멤브레인 간의 정전 용량을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 정전 용량에 기초하여, 상기 인가되는 소리의 세기 및 방향을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소리 방향 결정 방법.