KR20180037141A - 음향 확산 매니폴드 - Google Patents

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KR20180037141A
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조셉 헤이스
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오쿠스틱 3디 홀딩스 리미티드
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Abstract

음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템은 N x 1 또는 N x N 행렬로 배열된 복수(N 또는 N2)(여기서 N은 홀수 소수)의 음향 채널을 갖는 표면을 포함하고, 그리고 각각의 음향 채널은 라우드스피커 드라이버에 의해 구동되고 그리고 각각의 채널 길이는 관계식: Ti.j=[(i2+j2) rem N] * 유닛 지연에 의해 지배된다. 여기서 T는 수열에서의 순차적 값을 갖는 채널들 간 지연이고 그리고 N은 소수이다. 채널은 스피커 드라이버로부터의 음파가 정연한 수열로 도착하도록 유출구 디바이스에서 끝나게 배열된다. 각각의 채널의 유출구는 동일한 면적을 갖는다. 채널은 라우드스피커 드라이버에 의해 발생된 음파를 위한 경로이고 그리고 바람직하게는 어느 적합한 단면의 에워싸인 튜브이다. 바람직하게는, 각각의 경로의 단면적은 동일하지만 경로의 길이는 알고리즘에 의해 결정된다. 바람직하게는, 음향 확산 매니폴드에서 사용되는 수열은 이차 나머지 수열, 바커 코드, 자기-상관 수열 또는 상보적 수열로부터 선택된다.

Description

음향 확산 매니폴드
본 발명은 음향 배열에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 유체 공간 내에 확산 파를 발생시키는 수단을 제공하는 음향 배열에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 확산 파를 발생시키도록 적응된 라우드스피커 배열에 관한 것이다.
WO2012015650은 사운드 신호를 반송하는 유체 공간에서의 특정 정보를 고조시키고 에너지를 명료화하도록 그 공간 내에서 확산 파를 발생시키기 위한 반사기 및 다른 배열을 개시하고 있다. 부분적으로 매니폴드의 간략한 개시가 있다.
일부 스피커 드라이버는 초단파에서 겉보기 음향 중심의 이동의 유의미한 가속을 보여주고 있다. 음향 중심은 10kHz 위에서 드라이버의 음성 코일로 향하여 급속히 이동하기 시작할 것이다.
WO2012015650에서 개시된 음향 반사기 실시형태의 일부 설계는 음향 중심 기하학적 이동을 당하기 쉽고 그리고 그러한 이동에 부응하여야 했다.
본 발명의 목적은 WO2012015650에서 개시된 발명에서 개량을 제공하는 것이다.
본 발명이 제공하는 것은 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템으로서:
N x 1 또는 N x N 행렬로 배열된 복수(N 또는 N2)(여기서 N은 홀수 소수)의 음향 채널을 갖는 표면을 포함하고, 그리고
각각의 음향 채널은 라우드스피커 드라이버에 의해 구동되고 그리고 각각의 채널 길이는 하기 관계식에 의해 지배된다:
Ti.j=[(i2+j2) rem N] * 유닛 지연.
여기서 T는 수열에서의 순차적 값을 갖는 채널들 간 지연이고 그리고 N은 소수이다.
채널은 스피커 드라이버로부터의 음파가 정연한 수열로 도착하도록 유출구 디바이스에서 끝나게 배열된다. 각각의 채널의 유출구는 동일한 면적을 갖는다. 채널은 라우드스피커 드라이버에 의해 발생된 음파를 위한 경로이고 그리고 바람직하게는 어느 적합한 단면의 에워싸인 튜브이다. 바람직하게는, 각각의 경로의 단면적은 동일하지만 경로의 길이는 확산을 달성하기 위한 알고리즘에 의해 결정된다.
바람직하게는, 음향 확산 매니폴드에서 사용되는 수열은 이차 나머지 수열(Quadratic Residue Sequence), 바커 코드(Barker code), 자기-상관 수열 또는 상보적 수열로부터 선택된다.
다른 적합한 수열은 바커 코드, 영 자기-상관 수열 또는 상보적 수열과 같은 신호 처리에서 사용되는 것들이다.
바커 코드는 +1과 1의 N 값의 수열로서,
모든
Figure pct00001
에 대해
Figure pct00002
가 되도록
Figure pct00003
에 대한 a j 이다.
자기상관은 자신과 신호의 상호-상관이다. 비공식적으로, 그것은 그들 간 시간 분리의 함수로서의 관찰들 간 유사도이다. 그것은 잡음 아래 묻힌 주기적 신호의 존재와 같은 반복 패턴을 찾아내거나 또는 그 고조파 주파수에 의해 내포된 신호에서 빠져 있는 기본 주파수를 식별하기 위한 수학적 도구이다. 그것은 보통은, 시간 도메인 신호와 같은, 일련의 값 또는 함수를 분석하도록 신호 처리에서 사용된다.
상보적 수열(CS)은 적용된 수학으로부터 유도되고 그리고 그들의 이상 비주기 자기상관 계수가 합산하여 영으로 되는 유용한 속성을 갖는 수열 쌍이다. 2진 상보적 수열은 1949년에 Marcel J. E. Golay에 의해 처음 도입되었다. 1961-1962년에 Golay는 길이 2 N 의 수열을 구축하기 위한 수 개의 방법을 내놓았고 그리고 길이 10 및 26의 상보적 수열의 예를 내놓았다. 1974년에 R. J. Turyn는, 형태 2 N 10 K 26 M 의 어느 길이의 수열의 구축이라도 가능하게 하는, 길이 m 및 n의 수열로부터 길이 mn의 수열을 구축하기 위한 방법을 내놓았다.
도 1은 음향 매니폴드의 등측도;
도 2는 라우드스피커 드라이버 및 음향 확산 매니폴드의 등측도;
도 3은 도 1에서 설명된 음향 확산 매니폴드의 평면도 및 입면도;
도 4는 하드 온 콜리더(hard on collider)의 흡입부 구역의 저면도;
도 5는 하드 온 콜리더에 배열된 동심 스플리터 상의 데이터 지점을 식별시키는 평면도;
도 6은 방사 유출구 부분 및 매니폴드의 하드 온 콜리더 부분 양자의 대표적 도면;
도 7은 '트위스터' 컴포넌트의 상세한 등측도;
도 8은 트위스터 요소의 부분들의 섹션 슬라이스 도면;
도 9는 압축되지 않은 채널 설계의 도면;
도 10은 압축된 채널 설계의 도면;
도 11은 소형 음향 확산 매니폴드의 등측도;
도 12는 소형 음향 확산 매니폴드의 골격의 등측도;
도 13은 소형 음향 매니폴드에 대한 섹터 요소 경로의 상부 층의 도면;
도 14는 소형 음향 확산 매니폴드의 하위 층(401)의 도면;
도 15는 코브라 매니폴드(cobra manifold)의 유출구 치수의 도면;
도 16은 코브라 매니폴드에 대한 하드 온 콜리더 테이크 오프(take off) 구역의 상세도;
도 17은 본 발명의 라우드스피커의 포착된 임펄스 응답의 클로즈업 상세도;
도 18은 본 발명의 매니폴드의 고속 푸리에 변환(FFT)의 도면;
도 19는 웨이블릿 과도 링 방사가 있는 매니폴드 라우드스피커의 등측도;
도 20은 웨이블릿 링을 방사하는 단일 매니폴드 라우드스피커와 관련한 청취자의 도면;
도 21은 개별적으로 다른 웨이블릿 링 패턴을 방사하는 매니폴드 라우드스피커의 스테레오 에어의 도면;
도 22는 3개의 매니폴드 스피커를 사용하는 완전 서라운드 사운드 시스템의 도면;
도 23은 5개의 매니폴드 라우드스피커가 사용되는 확장된 가상 현실 환경의 도면;
도 24는 매니폴드 스피커 드라이버 배열의 등측도;
도 25는 2개의 매니폴드 스피커 배열을 포함하고 있는 차 대시의 등측도;
도 26은 매니폴드 스피커 드라이버의 등측도;
도 27은 평면 스크린 TV의 전방 등측도;
도 28은 평면 스크린 TV의 후방 등측도;
도 29는 톤 및 그 고속 푸리에 변환의 그래픽 도면;
도 30은 톤 및 그 고속 푸리에 변환의 그래픽 도면;
도 31은 톤 및 그 고속 푸리에 변환의 그래픽 도면; 및
도 32는 라우드스피커의 저지 대역에서의 베이스 에너지에 기반하는 돌발 위상 신호 주입의 시스템의 개략적 선도.
도 1은 모든 7개의 섹터가 0부터 6까지(7개 요소) 순차적 수열로 유출구(104)에 도착하도록 2개의 섹터 쌍이 서로를 지나 트위스터 부분(103)을 통해 위치를 스와핑하는 7개의 섹터(102)를 포함하는 음향 확산 매니폴드(101)의 등측도를 도시한다.
각각의 섹터(102)의 길이는 이차 나머지 수열의 해에 의해 결정되는데 여기서 레이아웃의 절충점이 실제 구축의 인체 공학 및 QRD 설계를 충족하기 위한 섹터 거리 변화 요건 양자에 부응할 수 있게 되도록 각각의 섹터의 길이에 상수 오프셋 거리가 가산된다.
QRD에 대한 해는 유출구(104)에서 수열 2, 4, 1, 0, 1, 4, 및 2로 있도록 섹터들 간 상대적 길이 변화를 결정한다. 하드 온 콜리더의 자연 7개의 섹터 내 상대적 위치는 4, 2, 1, 0, 1, 2, 및 4이다. 그래서 '2' 및 '4' 요소를 표현하는 외측 요소가 하드 온 콜리더로부터 유출구로의 경로를 따라 서로를 지나 스와핑하는 것이 필수이다.
도 2는 2개의 컴포넌트의 결합 위치결정을 도시하는 라우드스피커 드라이버 및 음향 확산 매니폴드의 등측도이다. 매니폴드(201)는 '하드 온 콜리더'라고 지칭되는 스플리터 흡입부(203)에서 드라이버(202)에 결합된다. '하드 온 콜리더'의 역할은 라우드스피커 드라이버의 피스톤 운동에 의해 발생된 음향 파를 섹터 채널을 따라 주행하는 7(또는 N)개의 같지만 개별적인 음향 파로 지향시키는 것이다. 이것은 음향 에너지의 왜곡 또는 반사를 야기함이 없이 달성되어야 한다. 그래서, 이러한 부분을 특정하는데 단면적 및 일반적 음향 도파 설계 방법을 유지하는 것을 고려하여야 한다.
영과 같은 자기-상관을 갖는 확산 파 응답을 산출할 수 있는 하나의 그러한 수학적 수열은 이차 나머지 수열(QRS)이라고 알려져 있다. QRS는 어느 홀수 소수 N(예컨대, 1, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29 ...)과 같은 총 요소 길이를 갖는 수열이다; N은 매니폴드에서의 섹터의 수이다. 개별적인 요소 해는 다음의 관계식에 의해 지배된다:
Sn= n2 rem N (즉, n2으로부터 배수 N을 감산할 때 초래되는 음 아닌 최소 나머지).
표 1은 7개의 요소(즉, N = 7)를 갖는 수열에 대해 유도된 QRS에 대한 해를 보여준다:
Figure pct00004
수열의 어느 하나의 주기(N개의 인접하는 요소)라도 확산 파 함수를 달성하는데 사용될 수 있다는 것이 QRS의 속성이다. 그리하여, 수열은 어느 수 n, 또는 그 몇 분의 일에서라도, 그것이 수열의 하나의 완전 사이클을 분해하는 한, 즉, 주기 폭이 Nw(여기서 w는 웰의 폭)인 한, 시작할 수 있다. 다음의 표 2는 n = 4에서 시작하고 n = 10을 포함한다, 즉, N = 7개의 요소이다.
Figure pct00005
다음의 표 3은 n = 2에서 시작하고 n = 6을 포함한다, 즉, N = 5개의 요소이다. 해 4, 1, 0, 1, 4는 또한 표 2의 2, 4, 1, 0, 1, 4, 2의 해 안에 들어가 나타나게 된다. 더 낮은 소수에 대한 해는 더 높은 소수 해 안에 들어가 나타나는 것이 QRS의 속성이다.
Figure pct00006
어느 N에 대한 해 Sn 세트가 응용에 맞지 않으면, 각각의 해 Sn에 상수가 가산될 수 있고, 그 후 공식 Sn = (Sn+ a) rem N을 적용한다, 여기서 a는 상수이다.
그리하여, 0,1,4,2,2,4,1인 N=7에 대한 자연 해에 대해 우리는 각각의 Sn에, 예컨대, a=3을 가산하고 그리고 해를 3,4,0,5,5,0,4로 변환할 수 있다.
도 3은 도 1에서 설명된 음향 확산 매니폴드의 평면도 및 입면도를 도시한다.
상세히 도시된 도 3 섹션 AA은 요소 상세(306)를 보여주고 여기서 음향 에너지는 섹터 요소의 길이를 따라 가동 코일 라우드스피커의 피스톤 운동으로부터 측방 운동으로 변환된다.
도 4는 도 1, 도 2 및 도 3에서 설명된 매니폴드의 하드 온 콜리더의 동심 스플리터 흡입부 구역(401)의 저면도이다.
이 도면에서는 하드 온 콜리더 부분, 7(N)개의 같은 섹터로 나뉜 원형 구역이 어떻게 가동 코일 라우드스피커로부터의 음향 에너지를 7(N)개의 같은 면적 부분으로 세그먼팅하는지의 상세이다.
하드 온 콜리더에 의해 생성된 각각의 같은 부분은 그 후, 상이한 경로 길이를 통해, 그리고 트위스터(303)를 통하여, 유출구(307)로, 개별적 안내를 위한 섹터 요소 경로로 음향 배관된다(306).
일부 스피커 드라이버는 초단파에서 겉보기 음향 중심의 이동의 유의미한 가속을 보여주고 있다. 음향 중심은 소위 10kHz 위에서 드라이버의 음성 코일로 향하여 급속히 이동하기 시작할 것이다. 매니폴드 설계는 하드 온 콜리더 구역(401)에 동심 스플리터 배열을 편입시키고 있다(도 4). 이러한 배열은 그것이 라우드스피커 드라이버에 동심이고 그리고 그 중심 주위에서의 음향 구동된 파를 N개의 똑같은 부분으로 분할하므로 음향 중심에서의 이동에 기인하는 오차를 소거한다. 그리하여, 음향 중심 위치에서의 어느 변화라도, 그것이 드라이버에 동심인 경로 상에 있는 한, 모든 N개의 섹터에 대칭적으로 존재할 것이다.
본 발명자에 의한 음향 반사기 실시형태의 이전 설계는 음향 중심 기하학적 이동을 당하기 쉽고 그리고 그러한 이동에 부응하여야 했다.
도 3의 매니폴드(301)는 길이 차이가 소정 유닛 깊이에 의해 승산된 QRS에 대한 해인 복수의 채널을 갖는다. 즉, 채널 0(302)의 길이는 0*유닛 길이 더하기 상수 l이고; 웰 0(302)에 바로 인접하는 채널 1(303)의 길이는 1*유닛 깊이 더하기 상수 l이고; 웰 1(303)에 바로 인접하는 채널 2(304)의 길이는 2*유닛 깊이 더하기 상수 l이고 등이다. 상수 'l'는 각각의 채널의 길이에 존재하므로, 그것은 채널들 간 길이 차이의 부분을 형성하지 않는다. 소스(302)(도 2)로부터 방사된 음향 에너지의 요소는, 그것들이 채널(302, 303, 304, 305)을 갖는 유출구(307)로부터 방사될 때, 확산 및 확산 파 인코딩된 음장을 나타내 보이도록 원거리장 공간에서 믹스되는 것이 바람직하다. QRS에 대한 "완전" 해는 공칭적으로는 방사의 방향으로부터 PI/2 더하기 및 빼기 각도 방향 내 그러나 실제로는 더 큰 유출구(307)로부터의 모든 각도 방향으로 같은 음향 에너지를 제공한다.
전 범위 응용에 적합한 음향 확산 매니폴드의 바람직한 실제 설계에서 채널 유출구 폭은 8.15mm이도록 선택된다. 그래서, 총 반사기는 57.05mm이다.
설계 주파수가 2600 Hz이도록 선택될 때에 대한 고전적 QRD 해가 표 4에서 제시된다.
Figure pct00007
섹터 채널 길이가 측정되는 데이터는 이들 데이터가 음향 타이밍(위상) 및 진폭에서 똑같으면 하드 온 콜리더 구역 상의 어느 적합한 지점이라도 될 수 있다.
도 5는 각각의 섹터 원주 상에서 중심에 놓인 동심 스플리터의 주변 상에 있는 것으로 정의된 데이터 지점을 도시한다. 이러한 지점은 동심 스플리터의 섹터에 대칭적이므로, 각각의 지점에서 존재하는 음향 에너지가 시간에서 똑같을 것이고 그래서 각각의 관련 채널 시점에 대한 영 데이터로 생각될 수 있다고 가정될 수 있다.
도 6은 방사 유출구 부분 및 매니폴드의 하드 온 콜리더 부분의 동심 스플리터 양자의 대표적 도면을 도시한다. 유출구가 하드 온 콜리더의 하나의 측면에 위치결정되므로, 유출구 상의 QRD 요소 수열 위치에 맞는 섹터 부분의 자연 분포가 있다.
가장 가까운 섹터 부분에는 '0' 요소 역할이 주어지고 그리고 그것과 유출구 간 경로 거리는 최소로 설정된다. 전형적으로, 이러한 거리를 0mm로 설정하는 것은 실용적이지 않을 것이다. 그래서, 결과적 거리는 설정된 거리를 모든 요소 경로에 가산하도록 모든 다른 요소 경로의 길이에 가산되는 상수 'l'로 생각된다. 예컨대, 참조로서 표 4를 사용하여, 상수 'l'은 50mm로 설정된다. 실제로, 이러한 길이 'l'은 길이가 미터일 수 있다. 그러한 더 긴 상수 길이는 드라이버가 유출구로부터 다소 원격에 위치하는 것을 가능하게 할 것이다. 그러한 식으로, 방사 유출구가 스크린의 에지에 위치하면서 드라이버는 평면 스크린 TV의 기부에 있을 수 있다. 유사하게, 차는 유출구가 대시의 표면 상에 있으면서 드라이버가 대시에서 중심에 매립되게 할 수 있다.
'0' 섹터에 인접하는 하드 온 콜리더 요소에는 '1' 요소 경로가 배정된다. 이러한 경로의 길이는, 참조로서 표 4를 사용하여, 50mm의 상수 'l'과 19mm의 '1' 요소 해로 이루어진 69mm이다.
'1' 요소에 의해 취해진 경로는 유출구로의 그 총 통로가 경로 길이에서 69mm로 되도록 배열된다. 전형적으로, 섹터 채널 경로의 중심선은 길이를 측정하기 위한 참조로 생각된다. 어떤 음향 현상에 기인하든, 어느 결과적 오차라도 이들 오차를 보상하기 위해 요소 길이를 사실상 증가 또는 감소시키도록 요소 경로 통로에 대한 마이크로 조절을 통해 정정될 수 있다.
'1' 요소에 바로 인접하는 섹터에는 '2' 요소 경로 길이가 배정된다. 참조로서 표 4를 사용하여, '2' 요소 경로 길이는 50mm의 상수 'l'과 38.2mm의 '2' 요소 경로 길이로 이루어진 88.2mm이다.
'2' 요소에 의해 취해진 경로는 유출구로의 그 총 통로가 경로 길이에서 88.2mm로 되도록 배열된다.
'2' 요소에 바로 인접하는 섹터에는 '4' 요소 경로 길이가 배정된다. 이들 2개의 섹터는 또한 서로 인접하여 하드 온 콜리더의 7개의 섹터 요소를 완성한다. 참조로서 표 4를 사용하여, '4' 요소 경로 길이는 50mm의 상수 'l'과 76.2mm의 '4' 요소 경로 길이로 이루어진 126.2mm이다.
'4' 요소에 의해 취해진 경로는 유출구로의 그 총 통로가 경로 길이에서 126.2mm로 되도록 배열된다. 그렇지만, '2' 요소와 '4' 요소는 유출구 매니폴드에서 올바른 수열로 끝나게 되도록 서로를 지나 순회하여야 한다.
도 7은 섹터 요소 '2' 및 '4'의 부분의 '트위스터' 컴포넌트의 상세한 등측도를 도시하는데 여기서 그것들은 '4'에 의해 결정된 경로 길이의 바깥쪽 요소(602)가 상수 단면적 변환 부분(601)을 통하여 '2'에 의해 결정된 경로 길이의 안쪽 요소(603)와 위치를 교환하게 되도록 위치를 바꾼다. 이 도면에서, 섹터 요소 편성의 바깥쪽 상의 요소(602)는 그것이 유출구에 도달할 때까지 안쪽 위치로 변환되어 끝나게 되도록 트위스터에 의해 조작된다.
도 8은 시점 및 종점을 포함하는 트위스터 부분을 통한 7개의 섹션을 도시한다. 시작에서 분리 핀은 수직이고 '4' 요소의 면적(A4)은 '2' 요소(A2)의 면적과 같다. 다음 섹션에서 중심 분리 핀은 그 중심점 둘레로 회전하기 시작하였다. 그 길이가 최초 분리자보다 더 길어짐에 따라 그 폭은 조금 더 작을 것이다. 그러한 식으로 A4 및 A2의 정확한 단면적이 유지될 수 있다.
다음 섹션에서 분리자 핀은 수직 한계를 지나 순회하였고 그리고 측벽과 부딪친다. 그 길이가 더 짧고 그리하여 그 폭은 더 넓어서 단면적 A4 및 A2는 유지된다. 이러한 과정은 남아 있는 섹션에 대해 계속된다. 이러한 상수 단면적은 음향 에너지가 트위스터 부분을 가로지름에 따라 채널 및 채널 2에 대해 유지된다.
2개의 주 설계 변수, 유닛 깊이 및 요소 폭은 음향 확산 매니폴드가 실효적인 유용한 주파수 대역폭을 지배한다. 가장 낮은 유용한 주파수는 다양한 웰 깊이에 의해 도입된 경로의 양에 의해 제어된다. 가장 높은 유용한 주파수는 웰의 폭에 의해 제어된다. 관련된 파장이 2 x 채널 폭과 등가인 것보다 더 높은 주파수에 대해 음향 에너지는 채널의 길이를 따라 직행 경로 상에서 주행하지 않을 것이다. 그것은 채널의 길이를 따라 대각선 경로 상에서 주행할 것이고 그리하여 실효 길이는 물리적 길이보다 더 클 것이다. 이것은 확산 과정이 공차 밖으로 이동하게 야기할 것이다.
기계적 확산 파 발생기의 저주파 설계 주파수를 제어하기 위해, 유닛 길이는 설계 파장의 1/N배와 같게 설정된다. 예컨대, 유닛 길이가 19 밀리미터이고 N = 7이면, 그때 설계 파장은 다음에 의해 주어진다:
X = N x 19 밀리미터 = 133 밀리미터
이것으로부터, 설계 주파수는 다음과 같이 계산된다:
F = clλD
= 343/(133 x 10-3)
= 2.6 kHz
설계 주파수 아래에서 웰은 소스 주파수의 위상에 치수적으로 무의미하게 되고 그리고 음향 배열은 정규 방사기 또는 평탄 표면 반사기로서 역할을 한다. 반사기가 실효적인 가장 높은 주파수, 컷-오프 주파수는 개별적 웰 폭, w, 또는 설계 주파수에 대한 관계식에 의해 지배된다. 이전 예를 사용하여, 웰 폭이 9.5 밀리미터이면, 그때 컷-오프 주파수는 다음에 의해 주어진다:
λ = w x 2
= 19 밀리미터
그리하여 주파수는 다음에 의해 주어진다:
F = c/λw
= 343/(19 x 10-3)
= 18.05 kHz
높은 주파수 실효성을 제한하는 다른 인자는 수열이 설계 주파수의 (N-1)배의 주파수에서 작동하지 않는다는 것이다. 즉, 역시 이전 예의 수를 사용하여,
λ높은 = λD /(N-1)
λD = 133 mm
그리하여 λ높은 = 133 mm/6
= 22.2 mm
그리하여 f 높은 = 343/λD
= 343/22.2 mm
= 15.5 kHz
이러한 예에서, 설계 주파수에 의해 지배되는 컷-오프 주파수는 2개의 제한 주파수 중 더 작은 것보다 더 작고 그리하여 실제의 높은 주파수 컷 오프 지점이다. 그래서, 2개의 주파수 중 더 낮은 것은 컷-오프 주파수일 것이다. 즉, 15.5kHz.
확산 파 함수의 영 자기-상관 속성과의 오차 간섭 대항을 보장하기 위해 세심한 주의 및 올바른 보상이 설계에 편입되어야 한다. 영 자기상관에서 자신에 의한 출력은 인간 청취 시스템의 것과 같은 예리한 수용기에 의해 해석될 수 있는 유의미한 정보를 반송하지 않을 것이다. 결과적 확산 파 함수는 '무음'이다. 그렇지만, 오차에 대한 공차는 매우 작고 그로써 이상적인 것으로부터의 백분율 오차는 진폭 또는 위상에서 3%보다 더 작아야 한다. 오차가 더 클수록 확산 파 함수는 더 가청으로 된다. 우리가 청취 공간 환경에서 듣기를 원하는 것은 구동 소스 신호의 강도이며, 확산 파 함수가 아니다. QRS는 공칭적으로 광범위한 범위의 주파수를 가져오기 때문에, 설계의 유용한 스펙트럼의 더 높은 단부가 3%보다 더 작은 오차의 기준을 유지하는 것이 가장 중요하다. 주파수 스펙트럼이 낮아짐에 따라, 컴포넌트 파장은 증가하고 그리고 경로 주행에 기인하는 오차는 소스 공간 원점이 스펙트럼 도메인에 걸쳐 움직이지 않는 채로 있으면 비교적 무의미하게 될 것이다.
바람직한 실시형태에서, 하드 온 콜리더의 단면적은 총 유출구 면적과 동일하다. 개별적 음향 덕트의 단면적이 소스로부터 유출구로까지 상수임을 보장하기 위해 노력이 필요하다.
도 9는 압축되지 않은 단면적 구성을 도시하며 그에 의해 동심 스플리터 섹터의 면적은 채널 경로 단면적과 동일하다.
EG - 동심 스플리터 직경이 50 mm이면, 그때 동심 스플리터의 면적은 다음에 의해 주어진다;
면적CS = PI x 25 mm2
= 1963 mm2
하나의 섹터의 면적은;
면적섹터 = 1963 mm2/7
= 280 mm2
채널의 폭이 9.5 mm이면, 그때 채널의 높이는 다음에 의해 주어진다;
높이 = 면적섹터 / 폭
= 280 / 9.5
= 29.5 mm
다른 실시형태에서, 하드 온 콜리더를 형성하는 음향 확산 매니폴드의 부분(305 또는 도 3)은 하드 온 콜리더 테이크 오프 부분의 섹터 유출구의 단면적을 원래 테이크 오프 면적의 스케일로 압축하도록 사용되고 그래서 음향 덕트 내 음향 파의 체적 속도를 증폭한다. 이것은 덕트 안쪽 음압 레벨을 증가시킬 것이다. 이러한 면적 압축 기술을 사용하여 음향 파가 불요 왜곡을 도입하지 않음을 보장하도록 주의해야 한다.
도 10은 압축된 단면적 구성을 도시하며 그에 의해 동심 스플리터 섹터의 면적은 채널 경로 단면적보다 더 크다.
EG - 동심 스플리터 직경이 50 mm이면, 그때 동심 스플리터의 면적은 다음에 의해 주어진다;
면적CS = PI x 25 mm2
= 1963 mm2
하나의 섹터의 면적은;
면적섹터 = 1963 mm2/7
= 280 mm2
채널의 폭이 9.5 mm이면, 그때 채널의 높이는 다음에 의해 주어진다;
높이 = 면적섹터 / (폭 x 스케일)
= 280 / (9.5 x 2)
= 14.8 mm
스케일 인자 2를 도입함으로써 우리는 유출구의 높이를 절반으로 하였다.
결과로서, 우리는 채널 안쪽 음향 에너지의 체적 속도가 이전의 압축되지 않은 배열의 것의 2배가 될 것이라고 예상할 수 있다.
그러한 접근법의 혜택은 유출구 매니폴드의 크기가 감축될 수 있고 그래서 결과적 설계를 조밀화할 수 있다는 것이다.
도 11 내지 도 16은 스마트 폰 유형의 셀 폰에서의 사용에 적합한 소형화된 매니폴드를 예시한다.
도 11은 오목부(1103)를 통하여 코브라 스마트폰 라우드스피커(1102)를 수용하도록 설계된 소형 음향 확산 매니폴드(1101)의 등측도인데 여기서 그것은 하드 온 콜리더에 의해 7개의 같은 부분으로 나뉘고 그리고 유출구 어레이(1104)로 향하여 QRD에 의해 결정된 길이 가변 경로에 의해 안내된다.
라우드스피커 드라이버는 그 응용 주파수 범위에 걸쳐 완전 피스톤으로서 거동하는 것으로 생각된다. 이것이 그렇지 않으면, 그때는 동심 스플리터 하드 온 콜리더 테이크 오프 배열이 사용될 수 있다.
그것이 라우드스피커 드라이버가 하드 온 콜리더 구역에 직접 결합되게 하는데 맞지 않으면, 그때는 이들 요소를 순응 결합시키도록 소형 공기 공동이 사용될 수 있다. 낮은 주파수를 흡수하는 순응 공간 효과는 스마트폰 라우드스피커 드라이버의 실효 방사 활성 부분 아래에서 일어나도록 배열된다. 코브라 라우드스피커에 대해 활성 방사 영역은 보통 500Hz 및 그 위이다. 그리하여, 순응 공동은 500Hz 및 그 위에서 음향 단락 회로가 되어야 한다.
도 8은 케이싱 없이 소형 음향 확산 매니폴드(701)의 골격의 등측도를 도시한다. 7(N)개의 요소에 대해 그것들이 유출구(704)로의 그들 진로를 찾아내게 하는 다양한 경로가 전시된다. 목적은 QRD와 오디오 신호의 콘볼루션에 의해 제공된 소망 음향 효과를 느슨하게 하지 않고 가능한 많이 설계를 조밀화하는 것이다.
Figure pct00008
소형 음향 확산 매니폴드의 저주파 설계 주파수를 제어하기 위해, 유닛 길이는 설계 파장의 1/N배와 같게 설정된다. 예컨대, 유닛 길이가 15.5 밀리미터이고 N = 7이면, 그때 설계 파장은 다음에 의해 주어진다:
X = N x 15.5 밀리미터 = 108.6 밀리미터
이것으로부터, 설계 주파수는 다음과 같이 계산된다:
F = clλD
= 343/(108.6 x 10-3)
= 3.16 kHz
설계 주파수 아래에서 웰은 소스 주파수의 위상에 치수적으로 무의미하게 되고 그리고 음향 배열은 정규 방사기 또는 평탄 표면 드라이버로서 역할을 한다. 반사기가 실효적인 가장 높은 주파수, 컷-오프 주파수는 개별적 웰 폭, w, 또는 설계 주파수에 대한 관계식에 의해 지배된다. 이전 예를 사용하여, 웰 폭이 3.0 밀리미터이면, 그때 컷-오프 주파수는 다음에 의해 주어진다:
λ = w x 2
= 6.0 밀리미터
그리하여 주파수는 다음에 의해 주어진다:
F = c/λw
= 343/(6.0 x 10-3)
= 57.2 kHz
높은 주파수 실효성을 제한하는 다른 인자는 수열이 설계 주파수의 (N-1)배의 주파수에서 작동하지 않는다는 것이다. 즉, 역시 이전 예의 수를 사용하여,
λ높은 = λD /(N-1)
λD = 108.6 mm
그리하여 λ높은 = 108.6 mm/6
= 18.0 mm
그리하여 f 높은 = 343/λD
= 343/18.0 mm
= 19 kHz
이러한 예에서, 설계 주파수에 의해 지배되는 컷-오프 주파수는 2개의 제한 주파수 중 더 작은 것보다 더 작고 그리하여 실제의 높은 주파수 컷 오프 지점이다. 그래서, 2개의 주파수 중 더 낮은 것은 컷-오프 주파수일 것이다. 즉, 19 kHz.
도 12는 소형 스마트폰 음향 확산 매니폴드에 대한 섹터 요소 경로의 상부 층을 도시한다. 이러한 층(1201)에서 리베이트(1202)는 코브라 스마트폰 라우드스피커를 수용하기에 충분하고, 적합하고, 그리고 효과적이다.
참조로서 표 5를 사용하여 중심 요소(1205)에는 경로 길이 16mm가 주어진다.
중심 요소(1205)에 인접하여 그러나 반대편 측면 상에 요소 '4'로의 흡입부(1207)가 있다. 이들 요소는 덕트(1207)를 통하여 하위 층으로 전향되고 그리고 위치(1203)에서 어레이 유출구에 인접하여 다시 나타난다. 이들 '4' 경로는 그것들이 78mm 길이가 되도록 길이가 조작된다.
중심 '0' 요소(1205)와 동일한 측면 상에 그러나 양측에 경로 길이가 31.5mm 길이인 '1' 요소(1204)가 있다.
도 10은 소형 음향 매니폴드의 하위 층(1301)을 도시한다. 이러한 층 또한 상위 층(901)의 것과 동일한 위치에 있는 오목부(1302)를 통하여 코브라 스마트폰 라우드스피커를 수용하기에 충분하고, 효과적이고, 그리고 적합하다.
상위 층(1201)은 유출구로 향하여 경로(1304) 내로 음향 에너지를 덕트(1207, 1303)를 통하여 공급하고 그리고 그것을 덕트(1305)를 통하여 유출구 층으로까지 배관한다.
도 15는 전형적 스마트폰 매니폴드 설계의 유출구 치수를 도시한다. 채널 유출구는 2mm 폭이고 그리고 1mm 높이이다. 그래서 단면적은 2 mm2이다. 3mm 이격되어 7개의 채널이 있다. 이것은 출력 어레이가 20mm 폭 및 1mm 높이가 되게 한다. 유출구의 총 면적은 7 x 2 mm2 = 14 mm2이다.
도 16은 코브라 다이어프램의 테이크-오프 구역을 도시한다.
코브라의 다이어프램이 반경 코너를 가지므로 '2' 요소 테이크 오프 구역에서 이것을 보상하도록 주의해야 한다. 다이어프램 위의 구역이 그렇게 작으므로 테이크 오프 하드 온 콜리더 구역에서 정규 크기의 채널 면적을 갖는 것은 가능하지 않다. 그리하여, 압축 스케일이 사용된다.
다이어프램은 12mm 길이이고 그리고 8mm 높이이다. 그리하여, 그것은 12 x 8 = 96 mm2의 단면적을 갖는다.
유출구가 14 mm2이므로, 이 설계에서는 96/14 = 6.9 압축 인자의 스케일이 내포된다. 그리하여, 체적 속도는 다이어프램에서보다 채널에서 6.9배 더 높다. 이들 높은 스케일 인자를 구현할 때 채널 내에서 비선형 음향 음압 레벨로 들어가지 않도록 주의할 필요가 있다.
도 17은 본 발명의 라우드스피커의 포착된 임펄스 응답의 클로즈업 상세를 도시한다. 이것은 최대 기록 값 이전 -20 cm부터 최대 기록 값 후 20 cm까지의 사운드 윈도이다. t = 0 cm 주위의 중심 섹션은 가보 웨이블릿(Gabor wavelet)의 것과 유사한 형상이다. 그러나, 중앙 부분을 보면 가보 웨이블릿 전 및 후에 측정에 존재하는 많은 신호가 있다. 이것은 불량 댐핑된 스펙트럼 인클로저로부터의 '링잉'일 수 있다. 도 18은 코브라 매니폴드를 위해 개발된 본 발명의 매니폴드의 고속 푸리에 변환(FFT)을 도시한다. 이러한 실시형태는 스마트폰과 같은 소형 소비자 전자 제품 디바이스 상에서의 사용에 적합하다. 그래서, 그것은 오디오 신호에서의 돌발 위상 변화를 청취 공간으로 시간적으로 마킹(웨이블릿 인코딩)할 수 있는 능력을 갖는다. FFT의 종래 기술 기준은 이러한 웨이블릿 인코딩 매니폴드의 부가를 통해 왜곡을 거의 보이지 않는다. 이러한 스펙트럼 곡선은 호스트 스마트폰 전자 제품에 의해 이퀄라이징될 수 있다.
이러한 디바이스에서는 500z 아래 스펙트럼 베이스가 거의 없다. 500Hz 아래 FFT 에너지를 필요로 할 뇌로의 스펙트럼 정보 채널보다는 뇌로의 시간적 정보 채널을 통하여 이들 베이스 사운드가 인지가능하게 되도록 베이스 사운드를 500Hz 위 반송파 주파수 상의 그들 등가 돌발 위상 점프로 변환할 개연성이 있다. 500Hz 아래 스펙트럼 에너지는 단순히 이들 소형 스피커 드라이버의 물리학에 의해 지원되지 않는다.
증가된 체적 속도에 기인하는 증가된 음압 레벨의 혜택은 청취 공간으로의 증가된 방사된 음압 레벨이다.
도 19는 반경(t02)에서 위상 이례(시간적 활동)가 있는 음장을 방사하는 매니폴드 라우드스피커(t01)를 도시한다. 이러한 위상의 과도는 공칭적으로 웨이블릿(t03)이고 그리고 이러한 웨이블릿은 매니폴드 라우드스피커(t01) 주위의 반경(t02)에서 원형 링(104) 중에 존재한다.
도 20은 2개의 시간적 웨이블릿 링(z06)을 야기하는 2개의 위상 이례를 방사하는 동일한 매니폴드 라우드스피커(z01)를 도시한다. 이러한 방사장에 서 있는 인간은 이들 시간적 링(z06)을 양 귀(z03, z02)를 통하여 들어서 그 인지 시스템 안쪽에서 영 위상 이미지(z05)를 야기할 것이다.
도 21은 각각의 채널 위상 이례에 기반하여 시간적 링(y03, y04)을 방사하는 매니폴드 라우드스피커(y01, y02)의 스테레오 에어를 도시한다. 스테레오 믹스에서의 모노럴 정보는 이들 스피커(y06)의 중심선을 따라 코히어런트 음향 에너지로서 발현될 것이다. 청취자(y07)는 매니폴드 스피커(y01, y02)로부터 양 직접 에너지를 들을 것이다. 그것들은 또한 스펙트럼 및 시간 음장 양자를 야기하는 좌측과 우측 스테레오 신호 간 상호작용에 의해 형성된 영 위상 팬텀 음장(zero phase phantom sound field)을 경험할 것이다. 이러한 영 위상 음장에서는 위상 합동이 존재할 것이다. 좌측과 우측 채널 간 미세한 차이는 영 위상 음장 내 가상 현실 음향을 구축할 것이다.
이러한 이미지는 채널들 간 정반사 이미징은 물론 또한 심도를 나타내 보일 것이다.
도 22는 청취자(k07) 주위에 놓인 3개의 매니폴드 라우드스피커(k01, k02, k03)를 도시한다. 이들 3개의 매니폴드 라우드스피커(k01, k02, k03)는 이러한 모노럴 콘텐츠로부터 3개의 직접 음장을 그리고 상호작용 음장으로부터 3개의 팬텀 영 위상 음장을 생성할 것이다. 이것은 측방 실감 청취 공간을 제공할 것이다.
도 23은 5개의 매니폴드 라우드스피커(y01 y02 y03 y04 y05)로 생성된 완전 가상 현실 사운드 공간을 도시한다. 매니폴드 스피커(y01 y02 y03 y04)는 청취자(y06) 주위에 측방으로 4채널 방식 배열로 놓여 있다. 매니폴드 스피커(y05)는 청취자(y06) 위에 놓여 있다. 이들 매니폴드 라우드스피커(y01 y02 y03 y04 y05)는 각각의 소스로부터의 모노럴 콘텐츠로부터 5개의 직접 영 위상 모노럴 인지를 생성할 것이다. 그것들은 측방 음원의 상호작용으로부터 6개의 측방 스테레오 영 위상 음장을 생성할 것이다. 즉;
y01와 y02 y02와 y03
y03와 y04 y04와 y01
y01와 y03 y02와 y04
그리고 그것들은 다음과 같은 것들 간 스테레오 상호작용으로부터 4개의 오버헤드 영 위상 음장을 생성할 것이다.
y01와 y05 y02와 y05
y03와 y05 y04와 y05
이것은 5 채널 오디오 신호의 레코딩 및 조작을 통해 실감 현실 음향을 제공할 것이다. 디지털 파일로 오디오의 5 채널을 인코딩하는 것은 업계에 알려져 있다. 설명된 것과 같은 영 위상 구역은 '라이브' 음향 음장의 시뮬레이션이다.
6개의 측방 스테레오 영 위상 음장
4개의 수직 영 위상 음장
5개의 직접 모노 영 위상 음장
도 24는 그 하드 온 콜리더에 맞대어 스피커 드라이버(2404)가 하드 장착되어 있는 매니폴드(2403)를 도시한다. 듀얼 배열의 프로파일은 양 부분이 서로의 안에 들어가는 것이다. 유출구는 배열을 차의 대시에 맞게 하는 형상으로 된다. 도 25는 차(2405, 2506)의 대시 보드 안쪽에 장착된 도 24의 매니폴드 스피커 배열을 도시한다. 운전자에 대한 이것의 유일한 시각적 영향은 매니폴드의 유출구 어레이이다. 이것은 고전적 스테레오 배열이다.
도 26은 그 하드 온 콜리더에 맞대어 스피커 드라이버(2613)가 하드 장착되어 있는 매니폴드(2612)를 도시한다. 듀얼 배열의 프로파일은 양 부분이 서로의 안에 들어가는 것이다. 유출구는 배열을 평면 스크린 TV의 뒤쪽에 맞게 하는 형상으로 된다.
도 27은 도 26의 그러한 배열이 그것에 장착되어 있는 평면 스크린 TV(2716)의 등측도를 도시한다. 유출구(2714, 2715)는 TV(2716)의 전방 표면 상에 있다. 도 28은 매니폴드(2714, 2715)가 보이는 평면 스크린 TV(2716)의 후방 등측도를 도시한다. 매니폴드(2714, 2715)가 플라스틱으로 제작될 때 그것들은 TV의 완전 후방 커버가 몰딩될 때와 동시에 사출 성형될 수 있다. 이것은 제품 비용을 실질적으로 감축한다.
도 29는 500Hz 반송파로 이루어진 구축된 '톤'을 도시한다. 그렇지만, 3 밀리초마다 돌발 90도 위상 변화가 일어난다(21). 고속 푸리에 변환은 스펙트럼에서 이것이 대략 410 Hz 및 750 Hz 성분의 조합으로서 보임을 보여준다. 그렇지만, 이러한 톤에서는 3 밀라인 간격인 333Hz가 지배적이다.
도 30은 800Hz 반송파로 이루어진 구축된 '톤'(24)을 도시한다. 고속 푸리에 변환은 스펙트럼에서 이것이 800 Hz만으로서 보임을 보여준다(25).
도 31은 800Hz 반송파로 이루어진 구축된 '톤' 및 10 밀리초 간격의 작은 위상 변화(15도)를 도시한다(26). 고속 푸리에 변환은 스펙트럼에서 이것 역시 800 Hz만으로서 보임을 보여준다. 그렇지만, 가청적으로 100Hz의 톤이 10 밀리초 위상 변화에 기인하여 들릴 수 있다. 스마트폰은 500Hz 내지 700Hz 아래 에너지를 거의 갖지 않는 것으로 알려져 있다. 물리적 스피커 드라이버는 이러한 영역 아래 톤을 지원할 수 없다.
도 32는 오디오 신호를 700Hz 아래(3232) 및 위(3229) 성분으로 우선 분할함으로써 스마트폰의 통과 대역(700Hz 및 그 위)에 베이스를 삽입하기 위한 시스템을 도시한다. 더 높은 통과 영역(3229)은 그것이 위상 수정기(3230)를 통과한 후에 스마트폰 스피커(3231)에 공급된다. 오디오 신호의 더 낮은 부분(3231)은 베이스 정보를 추출하고 그것을 통과 대역(3229) 신호 상의 위상 변화로 변환하는 필터를 통과한다. 이러한 방법에서, 베이스는 700Hz 위 오디오 신호로 위상 변화로서 인코딩되고 그리고 인간 시간적 인지 시스템을 통해 베이스로서 인지가능하게 된다.
유사하게, 다른 소비자 전자 제품 및 산업용 응용 치수 및 전력 출력에 적합한 다른 라우드스피커 드라이버는 그 드라이버에 결합될 때 청취 경험의 결과적 청명, 커버리지, 및 이미지를 증가시키는 음향 확산 매니폴드가 설계되게 할 수 있다.
다른 적합한 수열은 바커 코드, 영 자기-상관 수열 또는 상보적 수열과 같은 신호 처리에서 사용되는 것들이다.
본 발명은 특정 실시형태를 참조하여 설명되었다. 본 발명의 더 넓은 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시형태가 사용될 수 있고 그리고 다양한 수정이 이루어질 수 있음은 당업자에게 분명할 것이다. 예컨대, 상대적 수열 요소 시간 지연을 달성하는 방법 또는 영 자기상관 수열의 대안의 형태가 본 발명에서 사용될 수 있다. 그래서, 본 발명은 특정 실시형태에 대한 이들 및 다른 변형을 망라한다.

Claims (6)

  1. 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템으로서,
    상기 매니폴드에 결합된 음향 라우드스피커 드라이버,
    상기 음향 드라이버와 연통하고 있는 음향 경로로의 복수(N)(여기서 N은 홀수 소수)의 유입구를 갖는 매니폴드 유입구, 및
    N x 1 또는 N x N 행렬로 배열된 상기 음향 경로에 대한 복수(N)(여기서 N은 홀수 소수)의 유출구를 갖는 표면을 포함하는 매니폴드 유출구를 포함하되,
    각각의 경로의 단면적은 동일하고 그리고
    각각의 경로 길이는 하기 관계식:
    Ti.j=[(i2+j2) rem N] * 유닛 지연
    에 의해 지배되며,
    상기 관계식 중, T는 수열에서의 순차적 값을 갖는 경로들 간 지연이고 그리고 N은 홀수 소수인, 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음향 경로의 상기 유입구는 하드 온 콜리더(hard on collider)를 형성하도록 상기 음향 드라이버 둘레에 방사상으로 배열되는, 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하드 온 콜리더의 단면적이 상기 유출구의 총 면적과 대략 동일한, 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, N은 7인, 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 음향 경로의 상기 유출구는 상기 하드 온 콜리더로부터 직각보다 더 큰 각도로 배향되는, 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 셀 폰, 차량 대시보드 또는 텔레비전 스크린 지지부에 들어맞는, 음향 확산 매니폴드 트랜스듀서 시스템.
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