KR20170072132A

KR20170072132A - 헬멧의 능동적 잡음 제어를 이용한 사운드 재현

Info

Publication number: KR20170072132A
Application number: KR1020160166452A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠스 크리스토프; 파울 주코브스키; 마티아스 크론라흐너
Original assignee: 하만 베커 오토모티브 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2017-06-26
Also published as: CN107039029B; CN107039029A; US20170193981A1; EP3182406A1; US10453437B2; EP3182406B1

Abstract

예시적인 사운드 재현, 잡음 감소 방법 및 시스템은 재현될 사운드를 나타내는 유용한 신호와, 대응하는 스피커에 의해 재현될 때, 대응하는 마이크로폰 인근의 잡음을 감소시키는 잡음 억제 신호를, 대응하는 스피커에 공급하는 단계를 포함한다. 상기 방법 및 시스템은, 상기 유용한 신호가 오디오 입력 신호보다 헬멧을 착용한 청자를 위해 더 현실적인 사운드 인상을 제공하도록, 오디오 입력 신호를 수신하여 상기 유용한 신호를 제공하도록 상기 오디오입력 신호를 처리하는 단계를 더 포함한다.

Description

헬멧의 능동적 잡음 제어를 이용한 사운드 재현 {SOUND REPRODUCTION WITH ACTIVE NOISE CONTROL IN A HELMET}

본 발명은 헬멧에서의 사운드 재현 및 능동적 잡음 제어를 위한 시스템 및 방법(일반적으로 "시스템"으로 불림)에 관한 것이다.

불행하게도, 오토바이 운전자의 다른 것들 중에서도, 엔진 잡음, 풍잡음, 및 헬멧 설계에 의해 방해받을 수 있다. 오토바이 운전자가 겪는 것과 같은 높은 잡음 레벨은 헬멧에서 음악 또는 말소리 청취를 불쾌하게 하거나 심지어 불가능하게 한다. 더욱이, 만족스런 청취 경험을 위해 높은 세기의 말소리 및 음악 신호를 요구하게 되는 높은 세기의 잡음은, 오토바이 운전자의 가청 능력에 장기적인 결과를 가질 수 있다. 오토바이 운전자에게 영향을 미치는 잡음은 엔진 잡음, 도로 잡음, 타차량 잡음, 및 풍잡음과 같은, 여러 소스들을 가질 수 있다. 오토바이 속도가 증가하면, 통상적으로 가장 지배적인 잡음 소스는 풍잡음이다. 이 효과는 속도 증가에 따라 급격하게 커진다. 고속도로 속도에서, 잡음 레벨은 종래의 헬멧 착용시 100dB을 쉽게 넘을 수 있다. 이는 경찰관과 같은 직업적 오토바이 운전자 및 매일 타는 오토바이 운전자에게 특히나 문제가 된다. 잡음에 대항하기 위해, 일부 오토바이 헬멧은 귀 영역 주위로 방음(sound deadening) 물질을 이용한다. 다른 오토바이 운전자들은 잡음 감소 및 잡음 유도 가청 손실 방지를 위해 이어플러그 이용을 선택할 수 있다. 잡음 감소를 위한 다른 방식은 내장형 능동적 잡음 소거 시스템이며, 그러나 이는 목소리 또는 음악에 대해 해로운 효과를 가질 수 있다.

예시적인 사운드 재현, 잡음 감소 시스템은 헬멧과, 서로 대향된 위치로 헬멧 내에 배치되는 2개의 스피커(라우드스피커; loudspeaker)와, 2개의 스피커 인근의 위치에 배치되는 2개의 마이크로폰을 포함한다. 시스템은 2개의 스피커에 연결되는 2개의 능동적 잡음 제어 모듈을 더 포함한다. 능동적 잡음 제어 모듈은 재현될 소리를 나타내는 유용한 신호와, 대응하는 스피커에 의해 재현될 때, 대응하는 마이크로폰 인근의 잡음을 감소시키는 잡음-억제 신호를 대응하는 스피커에 공급하도록 구성된다. 시스템은 능동적 잡음 제어 모듈의 상류에 연결되는 오디오 신호 향상 모듈을 더 포함하며, 상기 오디오 신호 향상 모듈은 오디오 입력 신호를 수신하여 유용한 신호를 제공하도록 오디오 입력 신호를 처리하도록 구성되어, 상기 유용한 신호가 오디오 입력 신호보다 헬멧을 착용하고 있는 청취자에게 더 현실적인 사운드 인상(sound impression)을 제공할 수 있게 된다.

예시적인 사운드 재현, 잡음 제거 방법은 재현될 사운드를 나타내는 유용한 신호와, 대응하는 스피커에 의해 재현될 때, 대응하는 마이크로폰 인근의 잡음을 감소시키는 잡음 억제 신호를 대응하는 스피커에 공급하는 단계를 포함한다. 이 방법은 유용한 신호가 오디오 입력 신호보다 헬멧을 착용한 청취자에게 더 현실적인 사운드 인상을 제공하도록, 오디오 입력 신호를 수신 및 처리하여 유용한 신호를 제공할 수 있는 단계를 더 포함한다.

다른 시스템, 방법, 특징 및 장점들은 다음의 도면 및 상세한 설명을 살펴본 후 당 업자에게 명백하거나 명백해질 것이다.

시스템은 다음의 도면 및 설명을 참조할 때 더 잘 이해될 수 있다. 도면의 구성요소들은 반드시 축적에 맞게 그려진 것은 아니며, 대신에 발명의 원리를 설명할 때 강조되었다. 더욱이, 도면에서, 유사한 도면 부호들은 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분들을 표시한다.
도 1은 능동적 잡음 제어 시스템을 갖춘 오토바이 헬멧의 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시되는 헬멧에서의 신호 흐름을 예시하는 신호 흐름도이며,
도 3은 스피커 신호 경로에 유용한 신호가 공급되도록 하는 범용 피드백-형 능동적 잡음 감소 시스템의 신호 흐름도이고,
도 4는 마이크로폰 신호 경로에 유용한 신호가 공급되도록 하는 범용 피드백-형 능동적 잡음 감소 시스템의 신호 흐름도이며,
도 5는 스피커 및 마이크로폰 신호 경로에 유용한 신호가 공급되도록 하는, 범용 피드백-형 능동적 잡음 감소 시스템의 신호 흐름도이고,
도 6은 스펙트럼 성형 필터를 통해 스피커 경로에 유용한 신호가 공급되도록 하는, 도 5의 능동적 잡음 감소 시스템의 신호 흐름도이며,
도 7은 도 5의 능동적 잡음 감소 시스템의 신호 흐름도로서, 유용한 신호가 스펙트럼 성형 필터를 통해 마이크로폰 경로에 공급되고,
도 8은 도 7의 능동적 잡음 감소 시스템의 신호 흐름도로서, 유용한 신호가 2개의 스펙트럼 성형 필터를 통해 마이크로폰 경로에 공급되며,
도 9는 직접 경로 및 교차 경로를 가진 스테레오 와이드닝의 범용 구조를 예시하는 신호 흐름도이고,
도 10은 직접 경로에서 필터의 적절한 응답 특성의 예를 나타내는 크기-주파수도와, 교차 경로에서 필터의 적절한 응답 특성의 예를 나타내는 크기-주파수도를 도시하며,
도 11은 지각 오디오 인코더 및 디코더와 연계하여 사용되는 일례의 신호 인핸서(signal enhancer)를 포함하는 신호 흐름도이고,
도 12는 신호 인핸서 시스템에 통합되는 지각 오디오 디코더의 한 예를 포함하는 신호 흐름도이며,
도 13은 신호 인핸서 시스템의 한 예의 신호 흐름도이고,
도 14는 멀티-채널 사운드 스테이징 모듈의 한 예의 신호 흐름도다.

예시의 헬멧은 쉘, 충격-흡수층, 및 컴포트층(comfort layer)을 포함한, 여러개의 층들을 포함할 수 있다. 헬멧의 쉘은 최외곽층이고, 플라스틱 및 합성 섬유와 같은 탄성 방수 물질로 제조되는 것이 일반적이다. 헬멧의, 주 안전층인, 충격흡수층은 팽창가능한 폴리스티렌 폼과 같은, 강체형의, 충격 흡수 물질로 만들어질 수 있다. 더욱이, 이 층은 방음 및 단열 성질을 가질 수 있고, 달리 음향층으로 불릴 수 있다. 마지막으로, 헬멧의 컴포트층은 당 분야에 알려진 바와 같이 면 또는 기타 직물 혼방물과 같은, 오토바이 운전자의 피부와 접촉하도록 만들어진 매끄러운 물질로 제조될 수 있다. 다른 층이 또한 존재할 수 있고, 기언급한 층들 중 일부가 생략되거나 조합될 수 있다.

도 1은 오토바이 헬멧(100)의 사시도다. 헬멧(100)은 외곽 쉘(101), 음향층(102), 폼층(103), 컴포트층(140), 및 선택적으로 수동적인 잡음 감소 시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 헬멧(100)은 헬멧(100)의 각 내측 상에 장착되는 이어-컵(105, 106)을 더 포함하며, 사용자의 귀는 사용자가 헬멧(100)을 착용할 때 여기에 위치할 것이다. 도 1에서는 하나의 이어-컵(105)만이 시각적으로 보인다. 그러나, 파선으로 도시되는 동일한 이어-컵(106)이 헬멧(100)의 반대층 상에 또한 존재한다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 이어-컵(105)(그리고 이어-컵(106))은 분리 마운트(isolation mount)(107)에 의해 헬멧(100)의 쉘(101)로부터 분리된다. 분리 마운트(107)는 진동 감쇠 물질로 제조될 수 있다. 진동 감쇠 물질은 쉘 진동이 사용자 귀에 도달하는 것을 방지할 수 있고, 따라서, 잡음으로 이러한 진동의 사용자 지각을 감소시킬 수 있다. 따라서, 헬멧의 쉘(101)과는 다른 것에 이어-컵(105)을 장착함으로써, 그리고 이를 진동을 쉽게 전달하는 강체형 물질로부터 분리시킴으로써, 이어-컵(105)에 전달되는 잡음이 감소할 수 있다.

각각의 이어-컵(105, 106)은 이어-컵(105, 106) 내에 설비된, 예를 들어, 스피커(108, 109) 또는 다른 유형의 사운드 드라이버 또는 전계-음향 트랜스듀서 또는 일 그룹의 스피커를 수용한다. 추가적으로, 헬멧(100)은 각각의 이어-컵(105, 106) 내 스피커(108, 109)와 연계하여 잡음을 감지 및 잡음을 능동적으로 감소 또는 소거시키는 마이크로폰(110, 111)과 같은 음향 센서를 포함할 수 있다. 마이크로폰(110, 111)은 (가령, 이어-컵(105, 106) 내) 스피커(108, 109)(인근에 배치되고, 이는 본 예에서, 스피커(108, 109)가 헬멧(100) 내부의 대향 위치에 배치되기 때문에, 마이크로폰이 각자의 스피커(108, 109)와 헬멧(100)의 동일 측 상에 배치됨을 의미한다. 마이크로폰(110, 111)은 스피커(108, 109)와 같은 2차 소스(secondary source)로 헬멧(100) 내부의 동일 곡면에 배치될 수 있다.

스피커(108, 109) 및 마이크로폰(110, 111)은 오디오 신호 처리 모듈(112)에 연결된다. 오디오 신호 처리 모듈(112)은 헬멧(100)의 쉘(101) 내에 부분적으로 또는 완전하게 장착될 수 있고, 진동 감쇄 물질에 의해 쉘(101)로부터 분리될 수 있다. 대안으로서, 오디오 신호 처리 모듈(112)은 헬멧(100) 외부에 부분적으로 또는 완전히 배치되며, 스피커(108, 109) 및 마이크로폰(110, 111)은 유선 또는 무선 연결을 통해 오디오 신호 처리 모듈(112)에 연결된다. 더욱이, 오디오 신호 처리 모듈(112)은, 배치 위치에 관계없이, 유선 또는 무선 연결을 통해 오디오 신호 버스 시스템 및/또는 데이터 버스 시스템에 연결될 수 있다(두 경우 모두 도 1에 도시되지 않음).

도 2는 도 1에 도시되는 헬멧(100)에 사용되는 오디오 신호 처리 모듈(112)을 도시한다. 마이크로폰(110, 111)은 각자의 위치에서 마이크로폰(110, 111)에 의해 수득되는 사운드를 표현하는 전기 신호를 오디오 신호 처리 모듈(112)에 제공한다. 오디오 신호 처리 모듈(112)은 마이크로폰(110, 111)으로부터의 신호를 처리하여, 스피커(108, 109)에 공급되는 신호들을 생성한다. 오디오 신호 처리 모듈(112)은 오디오 신호 소스(203)로부터 (가령, 스테레오 또는 다른 멀티-채널) (유용한 신호라고도 불리는) 오디오 신호(201, 202)를 수신한다. 예시적인 오디오 신호 처리 모듈(112)은 오디오 신호(201, 202)를 수신하는, 그리고, 2개의 향상된 스테레오 신호(205, 206)를 출력하는, 투-채널 오디오 향상 (서브-)모듈(204)을 포함할 수 있다. 향상된 스테레오 신호(205, 206) 각각은 자동 잡음 제어(ANC) (서브-)모듈(207, 208)에 공급된다. ANC (서브-)모듈(207, 208)은 스피커(108, 109)를 구동하는 출력 신호(209, 210)를 제공하고, 마이크로폰(110, 111)으로부터 마이크로폰 출력 신호(211, 212)를 추가로 수신한다.

이제, 도 2에 도시되는 오디오 신호 처리 모듈(112) 내 (서브-) 모듈(207, 208)로 이용될 수 있는 범용 피드백-형 ANC 모듈(300)을 예시하는 신호 흐름도인 도 3을 참조한다. ANC 모듈(300)에서, 잡음 신호로도 불리는 방해 신호(disturbing signal) d[n]이 주 경로(301)를 통해, 청취 사이트, 가령, 청자의 귀에 전달된다(복사된다). 주 경로(301)는 전달 특성 P(z)를 가진다. 추가적으로, 입력 신호 v[n]이 스피커(108, 109)로부터 보조 경로(2차 경로; secondary path)(302)를 통해 청취 사이트로 전달(복사)된다. 보조 경로(320)는 전달 특성 S(z)를 가진다. 청취 사이트에 또는 그 가까이에 위치하는 마이크로폰(110, 111)은 스피커(108 또는 109)로부터, 따라서, 보조 경로에 의해 필터링된 스피커 구동 신호 v[n]으로부터, 나타나는 신호를 주경로 필터링된 방해 신호 d[n]과 함께 수신한다. 마이크로폰(110 또는 111)은 이러한 수신된 신호들의 합을 나타내는 (도 2에 도시되는 오디오 신호 처리 모듈(112) 내 마이크로폰 출력 신호(211, 212)와 같은) 마이크로폰 출력 신호 y[n]을 제공한다. 마이크로폰 출력 신호 y[n]은 에러 신호 e[n]을 가산기(304)에 출력하는 ANC 필터(303)에 필터 입력 신호 u[n]으로 공급된다. ANC 필터(303) - 적응성 또는 비적응성 필터일 수 있음 - 는 W(z)의 전달 특성을 가진다. 가산기(304)는 가령, 스펙트럼 성형 필터(도면에 도시되지 않음)로, 선택적으로 사전-필터링된, 음악 또는 말소리와 같은 유용한 신호 x[n]을 또한 수신하고, 스피커(108 또는 109)에 입력 신호 v[n]을 제공한다.

신호 x[n], y[n], e[n], u[n] 및 v[n]은 예를 들어, 이산 시간 도메인(discrete time domain)에 있다. 다음의 사항의 경우에, 그 스펙트럼 표현 X(z), Y(z), E(z), U(z) 및 V(z)가 사용된다. 유용한 신호의 측면에서 도 3에 도시되는 시스템을 설명하는 차동 방정식이 다음과 같다:

Y(z) = S(z)·V(z) = S(z)·(E(z)+X(z)) (1)

E(z) = W(z)·U(z) = W(z)·Y(z) (2)

도 3의 시스템에서, 유용한 신호 전달 특성 M(z) = Y(z)/X(z) 는 다음과 같다:

M(z) = S(z)/(1-W(z)·S(z)) (3)

W(z) = 1 을 가정하면,

lim[S(z)->1]M(z) => M(z)->∞ (4)

lim[S(z)->±∞] M(z) => M(z)->1 (5)

lim[S(z)->0] M(z) => S(z) (6)

W(z) = ∞ 을 가정하면,

lim[S(z)->1]M(z) => M(z)->0. (7)

수식 (4)-(7)로부터 알 수 있듯이, 유용한 신호 전달 특성 M(z)는 ANC 필터(303)의 전달 특성 W(z)가 증가할 때 0에 접근하고, 보조 경로 전달 함수 S(z)는 중립으로, 즉, 1주위의 레벨로, 즉, 0dB로, 유지된다. 이러한 이유로, 유용한 신호 x[n]은 ANC가 온 또는 오프 상태일 때 유용한 신호 x[n]이 청자에 의해 동일하게 파악됨을 보장하기 위해 이에 따라 적응되어야 한다. 더욱이, 유용한 신호 전달 특성 M(z)는 보조 경로(302)의 전달 특성 S(z)에 또한 좌우되어, 유용한 신호 x[n]의 적응이 전달 특성 S(z)에, 그리고, 에이징, 온도, 청자 변경, 등으로 인한 그 변동에 또한 좌우되는 효과를 가져와서, "온"과 "오프" 사이에 소정의 차이가 나타나게 된다.

도 3에 도시되는 ANC 모듈(300)에서, 유용한 신호 x[n]이 스피커(108 또는 109)의 상류에 연결되는 가산기(304)에서 음향 서브-시스템(스피커, 룸, 마이크로폰)에 공급되지만, 도 4에 도시되는 ANC 모듈(400)에서는 유용한 신호 x[n]이 마이크로폰(110 또는 111)에서 음향 서브-시스템에 공급된다. 따라서, 도 4에 도시되는 ANC 모듈(400)에서, 가산기(304)가 생략되고(가령, 직접 연결로 대체가능), 가산기(401)가 마이크로폰(110 또는 111)의 하류에 연결되어, 가령, 사전 필터링된 유용한 신호 x[n]과 마이크로폰 출력 신호 y[n]을 합산하게 된다. 따라서, 스피커 입력 신호 v[n]은 에러 신호 [e]이고, 즉, v[n] = [e] 이고, 필터 입력 신호 u[n]은 유용한 신호 x[n] 및 마이크로폰 출력 신호 y[n]의 합이다 - 즉, u[n] = x[n]+y[n].

유용한 신호의 측면에서 도 4에 도시되는 시스템을 설명하는 차동 방정식은 다음과 같다:

Y(z) = S(z)·V(z) = S(z)·E(z) (8)

E(z) = W(z)·U(z) = W(z)·(X(z)+Y(z)) (9)

방해 신호 d[n]의 고려없이 도 4의 시스템 내 유용한 신호 전송 특성 M(z)는 따라서 다음과 같다:

M(z) = (W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z)) (10)

lim[(W(z)·S(z))->1]M(z) => M(z)->∞ (11)

lim[(W(z)·S(z))->0] M(z) => M(z)->0 (12)

lim[(W(z)·S(z))->±∞]M(z) => M(z)->1. (13)

방정식 (11)-(13)으로부터 알 수 있듯이, 유용한 신호 전송 특성 M(z)는 오픈 루프 전송 특성 (W(z)·S(z))가 증가 또는 감소할 때 1에 접근하고, 오픈 루프 전송 특성 (W(z)·S(z))이 0에 접근할 때 0에 접근한다. 이러한 이유로, 유용한 신호 x[n]은 ANC가 온 또는 오프 상태일 때 유용한 신호 x[n]이 청자에 의해 동일하게 파악됨을 보장하기 위해 더 높은 스펙트럼 범위에서 추가적으로 적응되어야 한다. 그러나, 더 높은 스펙트럼 범위의 보상은 상당히 어려워서, "온" 및 "오프" 간의 소정의 차이가 명백할 것이다. 다른 한편, 유용한 신호 전달 특성 M(z)는 보조 경로(302)의 전달 특성 S(z)과, 에이징, 온도, 청자 변경, 등으로 인한 변동에 좌우되지 않을 것이다.

도 5는 유용한 신호가 스피커 경로 및 마이크로폰 경로에 모두 공급되도록 범용 피드백-형 능동적 잡음 감소 시스템을 예시하는 신호 흐름도다. 단순화를 위해, 주 경로(301)는 잡음(방해 신호 d[n])이 여전히 존재함에도 불구하고 아래에서 생략된다. 특히, 도 5의 시스템은 도 3의 시스템에 기초하지만, 마이크로폰 출력 신호 y[n]으로부터 유용한 신호 x[n]을 빼서 ANC 필터 입력 신호 u[n]을 형성하기 위한 추가의 감산기(501)와, 도 3에 도시되는 가산기(304)를 대체하면서 유용한 신호 x[n] 및 에러 신호 e[n]을 가산하는 가산기(502)를 가진다.

유용한 신호의 측면에서 도 5에 예시되는 시스템을 설명하는 차동 방정식은 다음과 같다:

Y(z) = S(z)·V(z) = S(z)·(E(z)+X(z)) (14)

E(z) = W(z)·U(z) = W(z)·(Y(z)-X(z)) (15)

도 5의 시스템 내 유용한 신호 전송 특성 M(z)는 따라서 다음과 같습니다:

M(z) = (S(z)-W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z)) (16)

lim[(W(z)·S(z))->1]M(z) => M(z)->∞ (17)

lim[(W(z)·S(z))->0] M(z) => M(z)->S(z) (18)

lim[(W(z)·S(z))->±∞]M(z) => M(z)->1. (19)

방정식 (17)-(19)로부터 알 수 있듯이, 도 5의 시스템의 거동은 도 4의 시스템의 거동과 유사하다. 유일한 차이점은 유용한 신호 전달 특성 M(z)가 오픈 루프 전달 특성 (W(z)·S(z))가 0에 접근함에 따라 S(z)에 접근한다는 것이다. 도 3의 시스템과 마찬가지로, 도 5의 시스템은 보조 경로(302)의 전달 특성 S(z)와, 에이징, 온도, 청자 변경, 등으로 인한 그 변동에 좌우된다.

도 6에서, 도 5의 시스템에 기초하는 시스템이면서, 역 보조 경로 전달 함수 1/S(z) 또는 이러한 전달 함수 1/S(z)의 근사치로 유용한 신호 x[n]을 필터링하기 위해, 감산기(602)의 상류에 연결되는 등화 필터(601)를 추가로 포함하는 시스템이 도시된다. 유용한 신호의 측면에서 도 6에 도시되는 시스템을 설명하는 차동 방정식은 다음과 같다:

Y(z) = S(z)·V(z) = S(z)·(E(z)-X(z)/S(z)) (20)

E(z) = W(z)·U(z) = W(z)·(Y(z)-X(z)) (21)

따라서, 도 6의 시스템의 유용한 신호 전달 특성 M(z)는 다음과 같다:

M(z) = (1-W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z)) = 1 (22)

방정식 (22)로부터 알 수 있듯이, 마이크로폰 출력 신호 y[n]은 유용한 신호 x[n]과 동일하고, 이는 등화기 필터가 보조 경로 전달 특성 S(z)의 역과 동일할 경우 시스템에 의해 변경되지 않음을 의미한다. 등화기 필터(601)는 최적 결과를 위한 최소-위상 필터(minimum-phase filter)일 수 있다. 즉, 이상적으로는 최소 위상의, 보조 경로 전달 특성 S(z)의 역값에 대한 실제 절단 특성의 최적 근사일 수 있다(따라서 y[n] = x[n]). 이러한 구조는 이상적인 선형화기로 작용한다 - 즉, 스피커(108 또는 109)로부터, 청자의 귀를 나타내는 마이크로폰(110 또는 111)까지의 전달로 인해 유용한 신호의 임의의 저하를 보상한다. 따라서, 사운드-재현 잡음 감소 헬멧의 음향 성질로 인한 부정적 효과없이, 유용한 신호가 소스에 의해 제공되듯이 청자에 도달하도록, 유용한 신호 x[n]에 대한 보조 경로 S(z)의 방해 영향을 보상 또는 선형화한다(즉, y[z] = x[z]). 이와 같이, 이러한 선형화 필터의 도움으로, 음향적으로 완벽하게 조정되는 사운드, 즉, 선형의 사운드처럼의 영향하게 설계된 사운드-재현 잡음-감소 헬멧 사운드를 만드는 것이 가능하다.

도 7에서, 보조 경로 전달 함수 S(z)로 유용한 신호 x[n]을 필터링하기 위해, 감산기(501)의 상류에 연결되는 보조 경로 모델링 필터(701)를 추가로 포함하는, 도 5의 시스템에 기초한, 시스템이 도시된다.

유용한 신호의 측면에서 도 7에 도시되는 시스템을 설명하는 차동 방정식들은 다음과 같다:

Y(z) = S(z)·V(z) = S(z)·(E(z)+X(z)) (23)

E(z) = W(z)·U(z) = W(z)·(Y(z)-S(z)·X(z)) (24)

따라서 도 7의 시스템의 유용한 신호 전달 특성 M(z)는 다음과 같다:

M(z) = S(z)·(1+W(z)·S(z))/(1+W(z)·S(z)) = S(z) (25)

방정식 (25)로부터, ANC 시스템이 능동적 상태일 때 유용한 신호 전달 특성 M(z)가 보조 경로 전달 특성 S(z)과 동일함을 알 수 있다. ANC 시스템이 능동적 상태가 아닐 때, 유용한 신호 전달 특성 M(z)이 또한 보조 경로 전달 특성 S(z)와 동일하다. 따라서, 마이크로폰(110 또는 111)에 가까운 위치에서 청자의 유용한 신호의 청각적 인상은 잡음 감소의 능동적 여부와 관계없이 동일하다.

ANC 필터(303) 및 필터(601, 701)는 제어가능한 전달 특성을 가진 적응성 필터 또는 일정한 전달 특성을 가진 고정 필터일 수 있다. 도면에서, 필터 그 자체의 적응성 구조는 각자의 블록 아래에 놓인 화살표에 의해 표시되고, 적응성 구조의 선택성이 파선으로 표시된다.

도 7에 도시되는 시스템은, 예를 들어, 사운드-재현 잡음 감소 헬멧에 적용가능하며, 음악 또는 말소리와 같은 유용한 신호들이 잡음 측면에서 서로 다른 조건 하에 재현되고, 청자는 ANC 시스템의 능동적 상태와 비-능동적 상태 간의 어떤 가청가능한 차이를 느끼지 못하면서, 특히, 잡음이 존재하지 않을 때, ANC 시스템을 스위치-오프시킬 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 여기서 제시되는 시스템들은 사운드 재현 잡음 감소 헬멧에만 적용가능한 것이 아니라, 간헐적 잡음 소거가 요망되는 다른 모든 분야에도 또한 적용가능하다.

도 8은 도 7의 시스템에서와 같은 단일 필터(701) 대신에 (적어도) 2개의 필터(801, 802)(서브-필터)를 이용하는 예시적인 ANC 모듈을 도시한다. 예를 들어, 전달 특성 S1(z)를 가진 트레블 컷 쉘빙 필터(treble cut shelving filter)(가령, 필터(801)) 및 전달 특성 S2(z)를 가진 트레블 컷 등화 필터(treble cut equalizing filter)(가령, 필터(802))를 예로 들 수 있고, 이 경우 S(z) = S1(z)·S2(z). 대안으로서, 트레블 부스트 등화 필터(treble boost equalizing filter)가 가령, 필터(801)로 구현될 수 있고, 및/또는 트레블 컷 등화 필터가 가령, 필터(802)로 구현될 수 있다. 유용한 신호 전달 특성 M(z)가 훨씬 더 복잡한 구조를 나타낼 경우, 3개의 필터가 이용될 수 있다 - 예를 들어, 일 트레블 컷 쉘빙 필터, 일 트레블 부스트/컷 필터, 및 일 등화 필터. 사용되는 필터의 수는 비용, 필터의 잡음 거동, 사운드 재현 잡음 감소 헬멧의 음향적 성질, 시스템의 지연 시간, 시스템 구현에 가용한 공간, 등과 같이, 많은 다른 형태들에 따라 좌우될 수 있다.

도 9를 참조하면, 도 1에 도시되는 오디오 신호 인핸서 (서브-)모듈(204)은 스테레오 와이드닝 기능을 포함할 수 있다. 지난 40년간 녹음된 음악들이, 좌측 채널 L에 대해 하나, 우측 채널 R에 대해 하나씩, 2개의 독립 트랙으로 구성되는 투-채널 스테레오 포맷으로 거의 배타적으로 만들어진다. 2개의 트랙은 2개의 스피커를 통해 재생되도록 구성되고, 헬멧을 착용한 청자에게 요망되는 더욱 현실적인 느낌을 제공하도록 혼합된다. 더욱 현실적인 사운드 느낌은, 청자가 느끼는 사운드가 음원에 의해 제공되는 사운드와 동일하거나 거의 동일함을 포함하며, 이는 오디오 소스와 청자의 귀 간의 오디오 경로에서 저하 효과가 (거의) 나타나지 않음을 의미한다.

많은 상황에서, 양측 모두 스피커 위치 너머로 연장되는 사운드 스테이지를 청자가 인지하도록 하는 방식으로 2개의 스피커에 대한 입력을 수정할 수 있는 것이 유리하다. 이는 서로 상당히 가까이 위치하는 2개의 스피커를 통해 스테레오 녹음을 청자가 재생하고자 할 때 특히 유용하다. 스테레오 와이드닝 처리 기법은 일반적으로, 좌측 입력으로부터 우측 스피커로 그리고 우측 입력으로부터 좌측 스피커로 누화를 야기함으로써 작동한다. 좌측 입력으로부터 좌측 스피커로 그리고 우측 입력으로부터 우측 스피커로 직접 경로를 따라 전송되는 오디오 신호는 좌측 및 우측 스피커로부터 출력되기 전에 통상적으로 또한 변형된다.

예를 들어, 사운드 스테이지의 최좌측 및 외우측부가 더욱 지배적으로 나타나도록 하기 위해, 주로 차이 신호 L 마이너스 R의 일부분을 부스팅함으로써, 스테레오 와이드닝 처리 기법으로 합-차 프로세서가 사용될 수 있다. 결과적으로, 합-차 프로세서는 중앙 이미지를 상당히 약화시키는 경향이 있기 때문에 높은 공간 충실도를 제공하지 못한다. 그러나 이들은 구현하기 매우 쉬운데, 왜냐하면, 정확한 주파수 선택도에 의존하지 않기 때문이다. 일부 간단한 합-차 프로세서는 디지털 신호 처리를 필요로하지 않으면서 아날로그 전자 수단만으로도 구현될 수 있다.

다른 유형의 스테레오 와이드닝 처리 기법은 역-기반 구현예로서, 일반적으로 두가지 형태 - 누화 소거 네트워크 및 가상 소스 이미징 시스템 - 로 다가온다. 우수한 누화 소거 시스템은 한 귀에서 청자가 사운드를 들을 수 있고, 다른 귀에서는 침묵이 유지되며, 반면 우수한 가상 소스 이미징 시스템은 청자로부터 소정의 거리만큼 떨어진 어딘가의 위치로부터 나타나는 소리를 청자가 들을 수 있게 한다. 두 유형의 시스템 모두 본질적으로 청자의 귀에서 바른 음압을 재현함으로써 작동하며, 청자의 귀에서 음압을 제어할 수 있도록 하기 위해, 유입되는 음파에 대한 사람 청자의 존재의 영향을 알 필요가 있다. 예를 들어, 역-기반 구현예는 장애물, 경계부, 또는 반사 표면으로부터 사운드 전파에 대해 주목할만한 영향이 없는 자유-필드 모델(free-field model)에 기초하여 간단한 누화 소거 네트워크로 설계될 수 있다. 다른 구현예는 유입되는 음파에 대한 청자의 머리, 몸통, 및 귓바퀴(외이)의 영향을 또한 보상할 수 있는 정교한 디지털 필터 설계법을 이용할 수 있다.

역-기반 구현예에 통상적으로 요구되는 엄격한 필터 설계 기술에 대한 대안으로서, 실험 및 실험적 지식으로부터 적절한 한 세트의 필터를 이용할 수 있다. 따라서, 이러한 구현예는 청취 검사의 결과인 콘텐츠를 가진 표에 기초한다. 스테레오 와이드닝 기능은 룸 내에 배치된 스피커와 연계하여 앞서 설명되었으나, 다음에서는 헬멧에 장착되는 스피커에 적용된다.

도 9는 좌측 및 우측 스피커, 가령, 도 1 및 도 2에 도시되는 헬멧(100)에 장착되는 스피커(108, 109)를 포함하는 스테레오 와이드닝 네트워크(900)의 예시적 구조를 블록도 형태로 도시한다. (아날로그 및 디지털) 오디오 소스(203)는 오디오 신호(201, 202)를 각각 송신하는 각각 좌측 및 우측에 대한 개별 오디오 채널 L 및 R을 가진다. 예를 들어, 오디오 신호 소스는 임의의 포맷(가령, MP3)으로 디지털 오디오 스트림을 제공할 수 있고, 임의의 매체(가령, CD)로 제공될 수 있다. 오디오 신호(201)(좌측 채널 L)는 전달 함수 Hd를 가진 필터(901)에 의해 필터링되고, 가산기(902)에서, 전달 함수 Hx를 가진 필터(906)에 의해 필터링되는 오디오 신호(202)(우측 채널 R)에 가산되어, 스피커(108)에 출력된다. 마찬가지로, 오디오 신호(202)(우측 채널 R)는 전달 함수 Hd를 가진 필터(904)에 의해 필터링되고, 가산기(905)에서, 전달 함수 Hx를 가진 필터(903)에 의해 필터링된 오디오 신호(201)(좌측 채널 L)에 가산되어, 스피커(109)에 출력된다.

전달 함수 Hd 및 Hx의 선택은 원본 오디오 소스 물질의 품질 저하없이 우수한 공간적 효과를 실현하기 위한 필요성에 의해 동기유발된다. 본 예에서, 두 필터(901, 904)용으로 사용되는 전달 함수 Hd는 평탄 크기 응답을 가진 필터이고, 따라서, 이에 대한 입력 신호의 크기를 불변으로 남기면서, 그룹 지연을 일으킨다(그룹 지연 및 지연은 주파수의 함수로 변화할 수 있음에 주목해야 한다). 따라서, 전달 함수 Hd는 오디오 신호 소스(203)로부터의 각자의 채널이, 크기 변화없이 해당 채널의 각자의 스피커(108, 109)까지 직접 경로를 통해 통과하게 한다. 두 필터(903, 906) 용으로 사용되는 전달 함수 Hx는 대략 2kHz의 주파수 이상에서 실질적으로 0의 크기 응답을 가진, 그리고, 대략 2kH 미만의 주파수에서 전달 함수 Hd의 값보다 크지 않은 크기 응답을 가진, 필터다. 추가적으로, (각각 전달 함수 Hd를 가진) 필터(901, 904)에 의해 야기되는 그룹 지연보다 대체로 더 큰 그룹 지연이 (각각 전달 함수 Hx를 가진) 필터(903, 906)에 의해 야기된다.

도 10은 각각 Hd 및 Hx의 적절한 크기 응답의 예를 도시한다. 전달 함수 Hx의 크기 응답은 전달 함수 Hd의 크기에 의해 수직 방향으로, 그리고 대략 2kHz 만큼 수평 방향으로 경계형성된다. 대략 2kHz 위의 주파수의 크기는 대략 2kHz 위의 이러한 주파수의 크기 변경이 원치않는 스펙트럼 칼라화를 생성하기 때문에 전달 함수 Hx에 의해 영향받지 않도록 설계된다.

추가적으로 또는 대안으로서, 도 1에 도시되는 오디오 신호 인핸서 (서브-)모듈(204)은 데이터 압축 오디오 신호를 복원하는, 즉, 데이터 압축 오디오 신호를 향상시키는, 기능을 포함할 수 있다. 데이터 압축 오디오 신호는 지각 오디오 코덱에 의해서와 같이, 소정 형태의 데이터 압축을 거친 오디오 콘텐트를 지닌 신호다. 공통 유형의 지각 오디오 코덱은 MP3, AAC, 돌비 디지털, 및 DTS를 포함한다. 이러한 지각 오디오 코덱은 오디오 신호의 상당 부분을 폐기함으로써 오디오 신호의 크기를 감소시킨다. 지각 오디오 코덱을 이용하여, 오디오 신호 저장에 요구되는 공간(메모리)의 양을 감소시킬 수 있고, 또는, 오디오 신호 송신 또는 전달에 요구되는 대역폭의 크기를 감소시킬 수 있다. 오디오 신호를 90% 이상 압축시키는 것이 드문 일이 아니다. 지각 오디오 코덱은 사람의 청각계가 소리를 어떻게 지각하는지에 관한 모델을 이용할 수 있다. 이러한 방식으로, 지각 오디오 코덱은 청자에 의한 사운드 지각과 거의 관련없는 또는 들리지 않는다고 간주되는 오디오 신호의 해당 부분을 폐기할 수 있다. 그 결과, 지각 오디오 코덱은 오디오 신호의 크기를 감소시키면서도, 나머지 신호로 상대적으로 우수한 인지 오디오 품질을 여전히 유지할 수 있다. 일반적으로, 데이터 압축 오디오 신호의 인지되는 품질은 데이터 압축 신호의 비트레이트에 좌우될 수 있다. 낮은 비트레이트는 원본 오디오 신호의 더 많은 부분이 버려졌음을 표시할 수 있고, 따라서, 일반적으로, 데이터 압축 오디오 신호의 인지되는 품질이 더 불량할 수 있다.

수많은 유형의 지각 오디오 코덱이 존재하며, 원본 오디오 신호의 어느 부분이 압축 프로세스에서 버려질 지를 결정함에 있어서 각각의 타입은 서로 다른 세트의 기준을 이용할 수 있다. 지각 오디오 코덱은 인코딩 및 디코딩 프로세스를 포함할 수 있다. 인코더는 원본 오디오 신호를 수신하고, 신호의 어느 부분이 폐기될 지를 결정할 수 있다. 인코더는 그 후, 데이터 압축 저장 및/또는 전송에 적합한 포맷으로 나머지 신호를 배치할 수 있다. 디코더는 데이터 압축 오디오 신호를 수신하여 이를 디코딩하고, 그 후, 디코딩된 오디오 신호를 오디오 재생에 적합한 포맷으로 변환할 수 있다. 대부분의 지각 오디오 코덱에서, 지각 모델의 이용을 포함할 수 있는 인코딩 프로세스는, 데이터 압축 오디오 신호의 결과적인 품질을 결정할 수 있다. 이러한 경우에, 디코더는 데이터 압축 포맷(통상적으로 소정 형태의 주파수-도메인 표현)으로부터 오디오 재생에 적합한 포맷으로 신호를 변환하는 포맷 컨버터로 기능할 수 있다.

오디오 신호 인핸서 모듈은 지각 오디오 코덱에 의해 처리된 데이터 압축 오디오 신호를 변형시켜서, 압축 프로세스에서 폐기 또는 변경되었을 수 있는 신호 성분 및 특성을 인지하여, 처리되는 출력 신호에서 복원시킬 수 있게 된다. 여기서 사용되듯이, 오디오 신호라는 용어는 달리 설명되지 않을 경우, 가청음, 또는, 오디오 콘텐트를 나타내는 전기 신호를 의미할 수 있다.

오디오 신호가 지각 오디오 코덱을 이용하여 데이터 압축될 때, 폐기되는 신호 성분들을 불러들이는 것이 불가능하다. 그러나, 오디오 신호 인핸서 모듈은 데이터 압축 오디오 신호의 나머지 신호 성분들을 분석하여, 폐기된 성분들을 지각적으로 대체하도록 새 신호 성분들을 발생시킬 수 있다.

도 11은 오디오 신호 인핸서 (서브-)모듈(204)로/내에/과 연계하여 사용될 수 있는 오디오 신호 인핸서 모듈(1100)의 예를 포함하는 신호 흐름도다. 오디오 신호 인핸서 모듈(1100)은 지각 오디오 신호 디코더(1101) 및 오디오 신호 인핸서(102)를 포함하며, 주파수 도메인 또는 시간 도메인에서 작동할 수 있다. 오디오 신호 인핸서(1102)는 실시간으로 입력 신호 X를 수신할 수 있는, 그리고 입력 신호 X를 샘플로 분할하는, (도메인 컨버터를 포함하는) 샘플러(1103)를 포함할 수 있다. 주파수 도메인에서 작동 중, 샘플러(1103)는 순차적 시간 도메인 샘플을 수집하고, (루트-한 윈도우(root-Hann window)와 같은) 적절한 윈도잉 함수가 적용되며, 윈도잉된 샘플이, FET(고속 퓨리에 변환) 이용과 같이, 주파수 도메인에서 순차적 빈으로 변환된다. 마찬가지로, 오디오 신호 인핸서(11020에서, 향상된 주파수-도메인 빈이 (도메인 컨버터를 포함하는) 샘플러(1104)에 의해 역-FFT(역 고속 퓨리에 변환)를 이용하여 시간 도메인으로 변환될 수 있고, 9루트-한 윈도와 같은) 적절한 상보 윈도가 적용되어, 향상된 시간-도메인 샘플들의 블록을 생성할 수 있다. 가령, 오버랩-애드 또는 오버랩-세이브를 이용함으로써, 단기 스펙트럼 분석은 적어도 50%와 같은, 지정 크기의 오버랩을 제공할 수 있다. 대안으로서, 오디오 신호 인핸서(1102)는 시간 도메인 샘플들의 순차적 블록들을 이용하여 시간 도메인에서 작동할 수 있고, 도메인 컨버터는 샘플러(1103, 1104)로부터 제거될 수 있다. 논의 및 그림을 단순화하기 위해, 샘플러(1103, 1104) 및 시간-주파수 및 주파수-시간 변환에 대한 추가적인 논의 및 예시가 생략된다. 따라서, 여기서 설명되는 바와 같이, 순차적 샘플들 또는 샘플들의 시퀀스는 샘플러(1103)에 의해 샘플링된 입력 신호 X의 시간 일렬 수신에 대응하는 주파수 도메인 빈의 시간 일렬 시퀀스(time series sequence) 또는 시간 도메인 샘플의 시간 일련 시퀀스를 의미할 수 있다.

도 11에서, 오디오 신호 인핸서(1102)는 지각 오디오 신호 디코더(1101)와 연계하여 사용되는 것으로 도시된다. 데이터 압축 오디오 비트스트림 Q는 오디오 신호 소스(203)에 의해 데이터 압축 비트스트림 라인(1106) 상에서 지각 오디오 신호 디코더(1101)에 공급된다. 지각 오디오 디코더(1101)는 데이터 압축 오디오 비트스트림 Q를 디코딩하여, 입력 신호 라인(1107) 상에 입력 신호 X를 생성할 수 있다. 입력 신호 X는 오디오 재생에 적합한 포맷의 오디오 신호일 수 있다. 오디오 신호 인핸서(1102)는 출력 신호 라인(1105) 상에 출력 신호 Y를 생성하도록 입력 신호 X를 향상시키기 위해, 입력 신호 X를 샘플들의 시퀀스로 분할하도록 작동할 수 있다. 사이드 체인 데이터는 사용되는 오디오 코덱 유형, 코덱 제조사, 비트레이트, 스테레오 대 조인트-스테레오 인코딩, 샘플링 레이트, 고유 입력 채널 수, 코딩 블록 크기, 및 노래/트랙 식별자들의 표시사항과 같은, 입력 신호 X의 처리에 관련된 정보를 지닐 수 있다. 다른 예에서, 오디오 신호 X 또는 인코딩/디코딩 프로세스에 관련된 다른 정보가 사이드 체인 데이터의 일부분으로 포함될 수 있다. 사이드 체인 데이터는 사이드 체인 데이터 라인(1108) 상의 지각 오디오 디코더(1101)로부터 오디오 신호 인핸서(1102)에 제공될 수 있다. 대안으로서, 또는 추가적으로, 사이드 체인 데이터는 입력 신호 X의 일부분으로 포함될 수 있다.

도 12는 지각 오디오 디코더(1101)가 오디오 신호 인핸서(1102)의 일부분으로 포함될 수 있는, 오디오 신호 인핸서(1102)의 한 예의 신호 흐름도다. 그 결과, 오디오 신호 인핸서(1102)는 데이터 압축 비트스트림 라인(1016) 상에서 수신되는 데이터 압축 오디오 비트스트림 Q 에 대해 직접 작동할 수 있다. 대안으로서, 다른 예에서, 오디오 신호 인핸서(1102)는 지각 오디오 디코더(1101)에 포함될 수 있다. 이러한 구조에서, 오디오 신호 인핸서(1102)는 라인(1106) 상의 데이터 압축 오디오 비트스트림 Q의 세부사항에 대한 액세스를 가질 수 있다.

도 13은 오디오 신호 인핸서(1102)의 한 예의 신호 흐름도다. 도 13에서, 오디오 신호 인핸서(1102)는 입력 신호 라인(1107) 상에서 입력 신호 X를 수신할 수 있는 신호 트리트먼트 모듈(signal treatment module)(1300)을 포함한다. 신호 트리트먼트 모듈(1300)은 대응하는 신호 트리트먼트 라인(1310) 상에 다수의 개별 및 고유 신호 트리트먼트 ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6, ST7을 생성할 수 있다. 일곱개의 신호 트리트먼트가 도시되지만, 더 적거나 더 많은 n개의 신호 트리트먼트가 다른 예에서 가능하다. 신호 트리트먼트 STn의 각각의 상대적 에너지 레벨은, 라인(1323) 상에서 총 신호 트리트먼트 STT 생성을 위해 제 1 합산 블록(1321)에서 함께 더해지기 전에, 이득 스테이지(1315)에서 트리트먼트 이득 g1, g2, g3, g4, g5, g6, g7에 의해 개별적으로 조정될 수 있다. 라인(1323) 상의 총 신호 트리트먼트 STT의 레벨은 제 2 합산 블록(1322)에서 라인(1107) 상의 입력 신호 X에 가산되기 전에 라인(1320) 상의 총트리트먼트 이득 gT에 의해 조정될 수 있다.

신호 트리트먼트 모듈(1300)은 하나 이상의 트리트먼트 모듈(1301, 1302, 1303, 1304, 1305, 1306, 1307)를 포함할 수 있고, 이들은 각자의 구성요소들 각각에 대해 샘플 단위로 순차적으로 신호 트리트먼트(1310)를 생성하도록 입력 신호 X의 순차적 샘플들의 개별 샘플 성분들에 대해 작동한다. 순차적 샘플들의 개별 샘플 성분은 오디오 신호의 서로 다른 특성에 관련될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 신호 트리트먼트 모듈(1300)은 더 많은 또는 더 적은 개수의 트리트먼트 모듈(1300)을 포함할 수 있다. 예시되는 모듈은 독립적일 수 있고, 또는, 모듈 생성을 위해 다양한 조합들 중 임의의 조합으로 형성되는 서브 모듈들일 수 있다.

복수의 음원으로부터 사운드를 재현하려 시도할 때 맞닥뜨리는 다른 효과는 사운드 스테이징으로 불리는 오디오 시스템 재생성이 불가능하다는 점이다. 사운드 스테이징(sound staging)은 음악적 제시의 위치 및 명백한 물리적 크기를 청자가 인지할 수 있게 하는 현상이다. 사운드 스테이지는 깊이 및 폭의 물리적 성질을 포함한다. 이러한 성질들은 예를 들어, 오케스트라를 듣는 능력에 기여하며, 서로 다른 음원(가령, 악기)의 상대적 위치를 구별할 수 있다. 그러나, 많은 녹음 시스템들은 복수의 음원을 녹음할 때 사운드 스테이징 효과를 정밀하게 캡처하는데 실패한다. 그 이유 중 하나는 많은 시스템에 의해 사용되는 방법이다. 예를 들어, 이러한 시스템들은 통상적으로 하나 이상의 마이크로폰을 이용하여 복수의 음원에 의해 생성되는 음파를 수신하고, 음파를 전기 오디오 신호로 변환한다. 하나의 마이크로폰이 사용될 때, 각각의 음원으로부터의 음파들이 통상적으로 혼합되어(즉, 서로 상에 중첩되어), 합성 신호를 형성하게 된다. 복수의 마이크로폰이 사용될 때, 복수의 오디오 신호가 통상적으로 혼합되어(즉, 서로 상에 중첩되어) 합성 신호를 형성하게 된다. 어느 경우에도, 복합 신호가 그 후 저장 매체 상에 저장된다. 합성 신호는 후속하여 저장 매체로부터 판독되어, 음원에 의해 생성되는 원음을 재생성하려는 시도로 재현된다. 그러나, 다른 것들 중에서도, 신호들의 혼합은, 복수의 음원들의 사운드 스테이징 재생성 기능을 제한한다. 따라서, 신호들이 혼합될 때, 재현되는 사운드는 원음의 정밀한 재생성에 실패한다. 이는 오케스트라가 녹음과 비교할 때 라이브로 들을 때와 다르게 소리나는 이유 중 하나다.

예를 들어, 일부 경우에, 합성 신호는 합성 신호를 공간적으로 분리하려는 시도로 2개의 분리 채널(가령, 좌측 및 우측)을 포함한다. 일부 경우에, 제 3의(가령, 중앙) 또는 더 많은(가령, 전방 및 후방) 채널을 이용하여, 복수의 음원에 의해 생성된 원음을 더 큰 공간적 분리를 실현할 수 있다. 그러나, 채널 수에 관계없이, 이러한 시스템들은 하나 이상의 합성 신호를 형성하도록 오디오 신호들을 혼합하는 과정을 통상적으로 수반한다. "이산 멀티-채널"로 언급되는 시스템조차, 각 채널의 이산성이 "지향성 성분"을 기반으로 한다. "지향성 성분"은 더욱 압도적인 음향 효과 생성을 돕지만, 오디오 신호 자체 내의 진실성의 주요 손실을 취급하지 않는다. 다른 분리 기술이 사운드 재생성 향상 시도로 흔히 사용된다. 예를 들어, 각각의 스피커는 통상적으로 복수의 스피커 구성요소를 포함하며, 각각의 구성요소는 재현음의 주파수 분포 실현을 위해 특정 주파수 대역에 전용화된다. 흔히, 이러한 스피커 구성요소들은 우퍼 또는 베이스(저주파수), 중-범위(중간 주파수) 및 트위터(고주파수)를 포함한다. 다른 특정 주파수 대역들을 지향하는 구성요소들이 또한 알려져 있고 사용될 수 있다. 주파수 분배 구성요소들이 복수의 채널(가령, 좌측 및 우측) 각각에 대해 사용될 때, 출력 신호는 복수의 음원에 의해 생성되는 사운드의 재현 시도로 공간 및 주파수 분포 정도를 나타낼 수 있다.

음원 또는 대응하는 오디오 신호에 의해 생성되는 음의 혼합으로부터 나타나는 다른 문제점은, 이러한 혼합을 통해 이러한 합성음 또는 합성 오디오 신호들이 동일한 스피커를 통해 재생됨을 통상적으로 요구한다는 것이다. 마스킹과 같은 효과가 원음의 정밀한 재생성을 방지한다는 것이 잘 알려져 있다. 예를 들어, 마스킹은 더 큰 소리를 동반할 때 소리를 안들리게 할 수 있다. 예를 들어, 소리크게 증폭된 음악 하에 대화가 안들리는 것이 마스킹의 예다. 마스킹은 마스킹 음이 마스킹된 음과 유사한 주파수를 가질 때 특히 문제가 된다. 다른 유형의 마스킹은 스피커 마스킹을 포함하며, 이는 단일 음원에 대응하는 오디오 신호에 반해 합성 신호에 의해 스피커 콘이 구동될 때 나타난다. 따라서, 후장의 경우에, 스피커 콘은 분리된 일 사운드를 재현하기 위해 그 에너지 전부를 지향시키고, 반면 전자의 경우에, 스피커 콘은 동시에 사운드들의 합성물을 재현하기 위해 그 에너지를 "시간-공유"하여야 한다.

도 14는 오디오 입력 신호 L, R, LS, RS, LRS, 및 RRS를 가진 복수의 입력 채널과 사운드 스테이징 기능을 가진 멀티-입력 오디오 향상 (서브-)모듈(1400)의 예를 도시하는 신호 흐름도다. 오디오 향상 (서브-) 모듈(204)로/내에/과 연계하여 사용될 수 있는 (서브-)모듈(1400)은 6개의 블록(1401-1406)을 포함한다. 블록(1401-1406)의 기본 구조는 입력 신호 L, R, LS, RS, LRS, 또는 RRS로 입력되는 오디오 신호를 직접 및 간접 헤드-관련 전달 함수(HRTF)로 변환하기 위한 합계 필터(1407) 및 크로스 필터(1408)를 포함하며, 상기 함수는 각자의 필터 출력에서 출력된다.

크로스 필터(1408)의 출력은 합산 필터(1407)의 출력으로부터 감산되어, 제 1 블록 출력 신호를 제공하게 된다. 다른 블록 출력 신호는 두 귀간 지연(1409)를 이용하여 크로스 필터(1408)의 출력 신호들을 지연시킴으로써 발생된다. 예시의 블록(1401-1406)들은 오디오 입력 신호를 직접 및 간접 HRTF로 변환하는 기능을 수행한다. 추가적으로, 합산 필터(1407)로부터의 출력 신호는 승산의 적(product)으로부터 크로스 필터 출력을 빼기 전에 가령, 팩터 2로 승산될 수 있다. 이는 직접 HRFT로 귀결된다. 크로스 필터에 의해 출력되는 신호는 간접 HRTF를 나타낸다.

합산 필터(1407)와 관련하여, 오디오 신호에 적용될 때, 이러한 품질의 신호들이 청자의 양 귀 모두에 대해 실질적으로 유사하도록 스펙트럼 변형을 제공할 수 있다. 합산 필터(1407)는 오디오 신호의 주파수 응답에 포함될 가능성이 있는 바람직하지 않은 공진 및/또는 바람직하지 않은 피킹(peaking)을 또한 제거할 수 있다. 크로스 필터(1408)의 경우에, 오디오 신호에 적용될 때, 신호가 지정된 방향 또는 위치로부터 오는 것으로 청자에 의해 음향적으로 인지되도록, 스펙트럼 변형을 제공한다. 이러한 기능은 헤드 섀도우잉의 조정에 의해 실현된다. 두 경우 모두, 이러한 변형들이 개별 청자의 구체적 특성에 대해 고유한 것이 바람직할 수 있다. 이러한 바램을 수용하기 위해, 합산 필터(1407) 및 크로스 필터(1408) 모두가 필터링된 오디오 신호의 주파수 응답이 청자-특이적 특성에 덜 민감하도록 설계된다. 블록(1401, 1402)에서, 합산 필터가 직접 연결에 의해 대체되도록 합산 필터가 "1"의 전달 함수를 가진다. 기언급한 바와 같이, 블록(1401-1406)들은 (각각 "T45", "T90", "T135"로 표시되는 45, 90, 및 135도의 소스 각도에 대해 양귀간 지연(1409)을 더 포함한다. 지연 필터(1409)는 48 kHz의 샘플 레이트에서 각각 17개의 샘플, 34개의 샘플, 및 21개의 샘플의 전형적인 샘플링을 가질 수 있다. 지연 필터(1409)는 먼저 한 귀에 도달후 음파가 나머지 귀에 도달하는데 걸리는 시간을 시뮬레이션한다.

모듈(1400)의 나머지 구성요소들은 하나 이상의 소스로부터의 오디오 신호를 직접 및 간접 HRTF와 같은 양귀 포맷으로 변환할 수 있다. 구체적으로, 오디오 향상 (서브-)모듈(1400)은 6-채널 서라운드 사운드 시스템으로부터 오디오 신호를 직접 및 간접 HRTF를 이용하여, 헬멧(도시되지 않음) 내 좌측 및 우측 스피커에 의해 출력되는 출력 신호 HL및 HR로 변환한다. 헬멧 내 스피커에 의해 출력되는 이러한 신호들은 원치않는 부작용없이 6-채널 서라운드 사운드의 통상적으로 인지되는 향상을 포함할 것이다. 또한 헬멧 내 스피커의 각각의 출력과 관련하여, 각자의 합산 세트가 6-채널 서라운드 사운드의 3개의 입력 쌍을 합산하기 위해 포함된다. 이러한 6개의 오디오 신호 입력이 좌측, 우측, 좌측 서라운드, 우측 서라운드, 좌측 후방 서라운드, 우측 후방 서라운드(각각 "L", "R", "LS", "RS", "LRS", "RRS"로 표시됨)를 포함한다. 또한, (각각 "Hc90", "Hc135", "Hc45", "Hc90", "Hc135"로 표시되는) 45도, 90도, 135도의 소스 각도에 대한 합산 및 크로스 필터가 도 14에 의해 도시된다. 앞서 주목한 바와 같이, 합산 필터는 45도 소스 각도를 가진 소스로부터 나오는 오디오 신호의 변환으로부터 결여된다. 대안으로서, 일정한 1 값과 동일한 합산 필터가 도 14에 도시되는 구현예에 추가될 수 있고, 유사한 출력이 출력 HL 및 HR에서 나타날 수 있다. 또한, 대안으로서, 구현예는 30도, 80도, 145도와 같은 다른 소스 각도를 가진 소스에 대해 다른 필터를 이용할 수 있다. 더욱이, 일부 구현예는 서로 다른 소스 각도에 대해 다양한 합산 및 크로스 필터 계수를, 가령, 메모리에, 저장할 수 있어서, 이러한 필터들이 최종 사용자에 의해 선택가능하게 될 수 있다. 이러한 구현예에서, 청자들은 사운드를 인지하기 위한 각도 및 시뮬레이션된 위치를 조정할 수 있다. 대안으로서, 사운드 스테이징 대신에, 임의의 (다른) 공간 오디오 처리, 가령, 2차원 오디오 및 3차원 오디오가 또한 적용가능하다.

실시예의 설명은 예시 및 설명 용도로 제시되었다. 실시예에 대한 적절한 변형 및 변화가 위 설명에 비추어 수행될 수 있다. 설명되는 시스템들은 예시적인 속성을 가지며, 추가의 요소들을 포함할 수 있고 및/또는 요소들을 생략할 수 있다. 본 출원에서 사용되듯이, 단수로 언급되는, 그리고 단어 "일" 또는 "하나의"로 시작되는 요소 또는 단계는, 달리 명시하지 않는 한, 복수의 상기 요소 또는 단계들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 본 발명의 "일 실시예" 또는 "한 예"에 대한 언급은 언급되는 특징들을 또한 포함하는 추가 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다. "제 1", "제 2", "제 3", 등의 용어는 단순히 표시로서 사용될 뿐, 대상에 대한 특정 위치 순서 또는 수치적 요건을 부여하자는 것이 아니다. 신호 흐름도는 시스템, 방법, 또는, 상기 방법을 구현하는 소프트웨어를, 실현 유형에 따라, 가령, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로, 설명할 수 있다.

Claims

사운드 재현, 잡음 감소 시스템에 있어서,
헬멧과,
상기 헬멧 내에 대향 위치에 배치되는 2개의 라우드스피커(loudspeakers)와,
상기 2개의 라우드스피커 인근 위치에 배치되는 2개의 마이크로폰과,
상기 2개의 라우드스피커에 연결되는 2개의 능동적 잡음 제어 모듈 - 상기 능동적 잡음 제어 모듈은 재현될 사운드를 나타내는 유용한 신호와, 대응하는 라우드스피커에 의해 재현될 때 대응하는 라우드스피커 인근의 잡음을 감소시키는 잡음 억제 신호를, 대응하는 라우드스피커에 공급하도록 구성됨 - 과,
상기 능동적 잡음 제어 모듈의 상류에 연결되는 오디오 신호 향상 모듈 - 상기 오디오 신호 향상 모듈은 오디오 입력 신호를 수신하도록 구성되고 그리고 상기 유용한 신호가 상기 오디오 입력 신호보다 헬멧을 착용한 청자에게 더욱 현실적인 사운드 인상을 제공하도록 상기 오디오 입력 신호를 처리하여 상기 유용한 신호를 제공하도록 구성됨 - 을 포함하는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 오디오 신호 향상 모듈은 상기 오디오 입력 신호보다 청자에게 더욱 공간적인 사운드 표현을 제공하도록 또한 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 오디오 신호 향상 모듈은 스테레오 와이드닝 기능, 사운드 스테이징 기능, 2차원 오디오 및 3차원 오디오 중 적어도 하나를 제공하도록 또한 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오디오 신호는 데이터 압축 신호이고, 상기 오디오 신호 향상 모듈은 압축 중 손실되는 신호 성분을 복원하도록 또한 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 능동적 잡음 제어 모듈은,
재현될 사운드를 방사하기 위해 대응하는 라우드스피커에 대응하는 유용한 신호를 공급하도록 구성되고,
대응하는 마이크로폰에 의해 수득되는 사운드를 나타내는 마이크로폰 출력 신호를 수신하도록 구성되며,
필터 입력 신호를 발생시키도록 유용한 신호로부터 상기 마이크로폰 출력 신호를 감산하도록 구성되고,
에러 신호를 발생시키도록 능동적 잡음 감소 필터로 상기 필터 입력 신호를 필터링하도록 구성되며,
상기 라우드스피커에 공급되는 상기 잡음 억제 신호를 발생시키도록 상기 유용한 신호 및 상기 에러 신호를 가산하도록 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 5 항에 있어서,
각각의 능동적 잡음 제어 모듈은 상기 마이크로폰 출력 신호 또는 에러 신호 중 적어도 하나로부터 상기 유용한 신호를 감산하기 전에, 하나 이상의 스펙트럼 성형 필터(spectrum shaping filter)로 상기 유용한 신호를 필터링하도록 또한 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 마이크로폰은 2차 경로(secondary path)를 통해 상기 라우드스피커에 음향적으로 연결되고, 상기 2차 경로는 2차 경로 전달 특성을 가지며, 상기 하나 이상의 스펙트럼 성형 필터는 조합하여 상기 2차 경로 전달 특성을 모델링하도록 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 유용한 신호는, 상기 마이크로폰 출력 신호로부터 감산 이전에, 상기 2차 경로 전달 특성을 모델링하는 전달 특성으로 필터링되는
사운드 재현, 잡음 감소 시스템.
재현될 사운드를 나타내는 유용한 신호와, 대응하는 라우드스피커에 의해 재현될 때, 대응하는 라우드스피커 인근의 잡음을 감소시키는 잡음 억제 신호를, 대응하는 라우드스피커에 공급하고,
오디오 입력 신호를 수신하고, 상기 유용한 신호가 상기 오디오 입력 신호보다 헬멧을 착용한 청자를 위해 더 현실적인 사운드 인상을 제공하도록, 상기 오디오 입력 신호를 처리하여 상기 유용한 신호를 제공하는 것을 포함하는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.
제 9 항에 있어서,
오디오 신호 향상 모듈은 오디오 입력 신호보다 청자에게 더 공간적인 사운드 표현을 제공하도록 또한 구성되는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.
제 10 항에 있어서,
스테레오 와이드닝 기능, 사운드 스테이징 기능, 2차원 오디오, 및 3차원 외오 중 적어도 하나를 제공하는 것을 더 포함하는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오디오 신호는 데이터 압축 신호이고, 상기 방법은 압축 중 소실되는 신호 성분들을 복원하는 것을 더 포함하는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
재현될 사운드를 방사하도록 대응하는 라우드스피커에 대응하는 유용한 신호를 공급하고,
대응하는 마이크로폰에 의해 수득되는 사운드를 나타내는 마이크로폰 출력 신호를 수신하고,
필터 입력 신호를 발생시키도록 유용한 신호로부터 마이크로폰 출력 신호를 감산하고,
에러 신호를 발생시키도록 능동적 잡음 억제 필터로 필터 입력 신호를 필터링하고,
상기 라우드스피커에 공급되는 잡음 억제 신호를 발생시키도록 상기 유용한 신호 및 상기 에러 신호를 가산하는 것을 더 포함하는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 마이크로폰 출력 신호 또는 에러 신호 중 적어도 하나로부터 상기 유용한 신호의 감산 이전에 하나 이상의 스펙트럼 성형 필터에 의해 상기 유용한 신호를 필터링하는 것을 더 포함하는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 유용한 신호는, 상기 마이크로폰 출력 신호로부터 감산 이전에, 2차 경로 전달 특성을 모델링하는 전달 특성으로 필터링되는
사운드 재현, 잡음 감소 방법.