KR20190067289A - 방향성 음향 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

방향성 음향 센서는 음향이 입력되는 음향 입력부(inlet); 상기 음향 입력부를 통해 입력된 음향이 출력되는 음향 출력부(outlet): 상기 음향 입력부와 상기 음향 출력부 사이에, 상기 음향 입력부로 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된 복수의 진동체;를 포함한다.

Description

방향성 음향 센서 및 이를 포함하는 전자 장치{Directional sound sensor and electronic apparatus including the same}
개시된 실시예들은 소리 방향을 탐지하는 방향성 음향 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
생활 가전 제품, 영상 디스플레이 장치, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치, 인공지능 스피커 등에 장착되어 소리가 오는 방향을 탐지하고 음성을 인식할 수 있는 센서의 활용성이 증가하고 있다.
소리 방향을 탐지하는 센서는 통상적으로 복수의 마이크로폰(microphone)에 도달하는 소리의 시간차를 이용하여 소리가 오는 방향을 계산한다. 복수의 마이크로폰을 사용하는 경우, 시간차를 감지하기 위해서는 복수의 마이크로폰 사이의 거리가 충분한 떨어져 있어야 한다. 따라서, 시스템 전체의 부피가 크고 설치가 복잡하다. 또한, 복수의 마이크로폰 간의 위상차를 상시 계산하여야 하는 불편함이 있다.
소리 방향을 탐지하는 방향성 음향 센서를 제공한다.
방향성 음향 센서가 구비되어, 센싱된 음향의 방향성 정보를 다양하게 활용할 수 있는 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 음향이 입력되는 음향 입력부(inlet); 및 상기 음향 입력부를 통해 입력된 음향이 출력되는 음향 출력부(outlet): 및 상기 음향 입력부와 상기 음향 출력부 사이에, 상기 음향 입력부로 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된 복수의 진동체;를 포함하는, 방향성 음향 센서가 제공된다.
상기 복수의 진동체는 동일한 평면 상에 배열되며, 상기 음향 입력부의 중심과 연직으로 마주하는 상기 평면상의 중심점을 둘러싸는 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 진동체는 상기 중심점에 대해 소정의 대칭성을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 진동체는 원형, 타원형, 또는 다각형의 궤적을 따라 배열될 수 있다.
상기 음향 출력부는 상기 복수의 진동체 전체를 마주하도록 형성될 수 있다.
상기 음향 출력부는 상기 복수의 진동체 각각과 마주하는 복수개로 구비될 수 있다.
상기 복수의 진동체는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다.
상기 복수의 진동체는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수의 진동체를 포함할 수 있다.
상기 복수의 진동체는 각각이 서로 다른 방향성을 나타내는 복수의 서브 그룹으로 그룹핑되며, 상기 복수의 서브 그룹 각각에 서로 다른 공진주파수를 가지는 복수의 진동체들이 구비될 수 있다.
상기 복수의 서브 그룹 내의 복수의 진동체는 공진 주파수의 크기 순서대로 배열될 수 있다.
상기 복수의 서브 그룹 중 인접하는 서브 그룹에서의 복수의 진동체 배열은 공진 주파수 크기에 따른 순서가 서로 역순일 수 있다.
상기 복수의 진동체 배열의 중심점에 대해 서로 대칭으로 배치되는 진동체는 같은 공진 주파수를 갖도록 상기 복수의 서브 그룹이 배열될 수 있다.
일 유형에 따른, 음향의 방향성 탐지 방법은, 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된 복수의 진동체를 포함하는 진동체 어레이를 준비하는 단계; 및 상기 진동체 어레이에 타겟 음향이 입력될 때, 상기 복수의 진동체 각각의 출력을 서로 비교하여, 상기 타겟 음향의 음원 분포 프로파일을 추정하는 단계;를 포함한다.
상기 방법은, 상기 진동체 어레이에 대해, 상기 복수의 진동체 각각의 출력으로부터, 입력되는 음향의 방향을 추정할 수 있는 매칭 그래프를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 상기 추정하는 단계는, 상기 타겟 음향에 반응한 하나 이상의 진동체의 진폭과 상기 매칭 그래프를 비교하여, 상기 타겟 음향의 방향성을 판단할 수 있다.
상기 매칭 그래프를 설정하는 단계는 상기 진동체 어레이에 포함되는 임의의 두 개의 진동체의 진폭 차이와 입력되는 음향 방향 간의 관계를 나타내는 복수의 매칭 그래프를 설정할 수 있다.
일 유형에 따른, 사물 인터넷 장치는 사용자가 제공하는 음성 신호를 수신하는, 상술한 어느 하나의 방향성 음향 센서; 하나 이상의 어플리케이션 모듈이 저장된 메모리; 및 상기 어플리케이션 모듈을 실행하는 프로세서;를 포함한다.
상기 사물 인터넷 장치는 회전 또는 이동이 가능한 구동 기기; 및 상기 방향성 음향 센서에서 수신한 신호를 입력 변수로 하여 실행된 상기 어플리케이션 모듈의 실행 결과에 따라 정해진 방향으로, 상기 구동 기기를 회전 또는 이동시키는 제어 모듈;을 더 포함할 수 있다.
상기 구동 기기는 상기 어플리케이션 모듈의 실행결과를 출력하는 출력 장치일 수 있다.
상기 사물 인터넷 장치는 상기 방향성 음향 센서에서 수신한 신호가 유효한 입력 신호인지를 방향성과 연계하여 학습하는 학습 모듈;을 더 포함할 수 있다.
일 유형에 따른 자동차 음성 인터페이스 장치는, 방향성 음향 센서 및 상기 방향성 음향 센서에서 수신한 신호를 그 방향성에 따라 유효한 신호인지 여부를 판단하고, 유효한 신호인 경우, 이를 자동차 제어 모듈에 전달하는 유효 신호 추출 모듈을 포함한다.
상기 유효 신호 추출 모듈은 운전자의 방향 이외의 방향성을 가지는 음향 신호를 잡음으로 제거하여 상기 자동차 제어 모듈에 전달할 수 있다.
일 유형에 따른 방향성 녹음 소자는, 방향성 음향 센서, 상기 방향성 음향 센서에서 센싱한 신호를 분석하여 상기 방향성 음향 센서에 입사된 음향의 방향성을 판단하는 프로세서; 및 상기 프로세서의 신호 처리를 위한 프로그램 및 상기 프로세서의 실행 결과가 저장되는 메모리;를 포함한다.
상기 공간 녹음 장치는 다채널 스피커를 더 포함할 수 있고, 상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 오디오 신호가 방향성에 맞추어 재생되도록 상기 다채널 스피커를 제어할 수 있다.
일 유형에 따른 전방위 카메라는 방향성 음향 센서, 전방위(omnidirectional) 촬영 모듈, 상기 방향성 음향 센서에서 센싱한 방향성 음향 신호와 상기 전방위 촬영 모듈에서 촬영항 전방위 영상 신호가 정합하도록, 상기 방향성 음향 센서와 전방위 촬영 모듈을 제어하는 프로세서; 및 상기 방향성 음향 신호 및 상기 전방위 영상 신호를 저장하는 메모리;를 포함한다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서는 서로 다른 방향에 대해 반응하는 복수의 진동체를 구비하는 소형화된 하나의 센서 구조를 가지며, 입사하는 음향의 방향성을 높은 분해능으로 알아낼 수 있다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서는 공진 주파수가 다른 복수의 진동체를 구비할 수 있고, 이 경우, 방향성에 대한 분해능과, 주파수 대역폭을 환경에 따라 적절히 설정하여 활용할 수 있다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서는 센싱된 방향성 음향을 활용할 수 있는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 2는 도 1의 방향성 음향 센서에 대한 A-A' 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 다른 단면에서, 도 1의 방향성 음향 센서에 구비된 진동체 하나의 구조를 상세히 보인 단면도이다.
도 4는 도 1의 방향성 음향 센서에 구비된 복수의 진동체들 중 일부를 예시하여, 각각의 지향성 이득 곡선을 보인 도면이다.
도 5는 복수 방향에 위치한 음원에 대해, 도 1의 방향성 음향 센서에서 센싱한 음원 분포 프로파일을 예시적으로 보인 도면이다.
도 6은 도 1의 방향성 음향 센서에 구비된 두 개의 진동체를 예시하여, 각각의 지향성 이득 곡선을 극좌표에서 보인 도면이다.
도 7은 도 6의 지향성 이득 곡선을 직교 좌표에서 보인 도면이다.
도 8은 도 7의 지향성 이득 곡선으로부터 설정된, 입력된 음향 방향을 추정하는 매칭 그래프를 보인다.
도 9는 실시예에 따른 음향의 방향성 탐지 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 11은 도 10의 방향성 음향 센서에 대한 A-A' 단면도이다.
도 12는 실시예에 따른 방향성 음향 센서와 비교예에 따른 방향성 음향 센서의 성능 비교를 위한 실험 셋업(set up)을 보이는 도면이다.
도 13은 음원의 방향 변화에 따라, 비교예 1의 두 마이크로폰에서의 출력 그래프를 보인다.
도 14는 음원의 방향 변화에 따라, 비교예 2의 두 마이크로폰에서의 출력 그래프를 보인다.
도 15는 음원의 방향 변화에 따라, 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 두 진동체에서의 출력 그래프를 보인다.
도 16은 실시예에 따른 방향성 음향 센서가 전방위로부터의 음향을 추정할 수 있음을 실험하기 위한 실험 셋업(set up)을 보이는 도면이다.
도 17은 음원의 방향 변화에 따라, 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 네 개의 진동체에 의한 출력을 보인 그래프이다.
도 18은 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 복수의 진동체들의 출력으로부터 추정된 음원 방향과 실제 음원 방향을 비교하여 보인 그래프이다.
도 19는 실시예에 따른 방향성 음향 센서와 비교예에 따른 방향성 음향 센서의 성능 비교를 위한 다른 실험 셋업(set up)을 보이는 도면이다.
도 20은 실시예에 따른 방향성 음향 센서와 비교예에 따른 방향성 음향 센서에서 센싱한 음향 신호를 음원에서의 음향 신호와 비교하여 보이고 있다.
도 21은 또 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 22는 또 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 23은 또 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 24는 실시예에 따른 사물 인터넷(Internet of Things) 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 25는 도 23의 사물 인터넷 장치가 일상 생활에 적용되는 동작을 예시적으로 보인다.
도 26은 실시예에 따른 자동차 음성 인터페이스 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 27은 실시예에 따른 자동차 음성 인터페이스 장치가 자동차에 적용된 동작을 예시적으로 보인다.
도 28은 실시예에 따른 공간 녹음(spatial recording) 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 29는 실시예에 따른 전방위 카메라의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 2는 도 1의 방향성 음향 센서에 대한 A-A' 단면도이다. 도 3a 및 도 3b는 각각 다른 단면에서, 도 1의 방향성 음향 센서에 구비된 진동체 하나의 구조를 상세히 보인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 방향성 음향 센서(100)는 음향이 입력되는 음향 입력부(inlet)(134), 음향 입력부(134)를 통해 입력된 음향이 출력되는 음향 출력부(outlet)(135), 음향 입력부(134)와 음향 출력부(135) 사이에 배열된 복수의 진동체(110_k)를 포함한다. 여기서, 복수의 진동체(110_k)의 개수를 N이라고 할 때, k는 1에서 N까지의 정수이다.
진동체(110_k)의 개수 N에 의해 방향성 음향 센서(100)의 물리적인 각도 분해능이 결정될 수 있다. 물리적 분해능은 360°/N으로 표현될 수 있다. 실시예에 따른 방향성 음향 센서(100)는 복수의 진동체(110_k) 각각의 출력 크기를 비교하여 입사하는 음향의 방향을 탐지할 수 있으며, 상호 비교할 진동체(110_k)의 개수가 많아질수록 더 높은 각 분해능의 획득이 가능하다.
복수의 진동체(110_k)는 음향 입력부(134)로 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된다. 복수의 진동체(110_k)는 음향 입력부(134) 주위를 둘러싸는 형태로 배열될 수 있다. 복수의 진동체(110_k)는 서로 겹침이 없이 평면적으로 배열되며, 음향 입력부(134)에 대해 복수의 진동체(110_k) 전체가 노출되게 배열될 수 있다. 복수의 진동체(110_k)는 도시된 바와 같이, 동일한 평면 상에 배열될 수 있고, 또한, 음향 입력부(134)의 중심과 연직으로 마주하는 상기 평면상의 중심점(C)을 둘러싸는 형태로 배열될 수 있다. 도면에서는 복수의 진동체(110_k)가 중심점(C)을 원형으로 둘러싸는 것으로 도시되고 있으나, 이는 예시적인 것이다. 복수의 진동체(110_k) 배열은 이에 한정되지 않고, 중심점(C)에 대해 소정의 대칭성을 갖는, 다양한 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 진동체(110_k)는 다각형이나 타원형의 궤적을 이루는 형태로 배열될 수도 있다.
음향 출력부(135)는 복수의 진동체(110_k) 개수와 같은 복수개로 구비되어, 복수의 진동체(110_k) 각각과 마주하게 배치될 수 있다.
음향 입력부(134), 음향 출력부(135)의 크기나 형상은 특별히 제한되지 않으며, 복수의 진동체(110_k)를 동일한 정도로 노출할 수 있는 임의의 크기와 형상을 가질 수 있다.
음향 입력부(134)와 음향 출력부(135)의 형성을 위해, 음향 입력부(134)와 음향 출력부(135)의 형상에 대응하는 개구가 형성된 케이스(130)가 사용될 수 있다.
케이스(130)는 음향을 차단할 수 있는, 다양한 재질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 알루미늄과 같은 재질이 사용될 수 있다. 음향 입력부(134), 음향 출력부(135)는 도시된 형상에 한정되는 것은 아니다.
케이스(130) 내부에, 복수의 진동체(110_k)를 지지하고, 복수의 진동체(110_k)가 음향에 반응하여 진동하는 공간을 제공하는 지지부(120)가 배치될 수 있다. 지지부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판에 관통홀(TH)을 형성하여 이루어질 수 있다. 복수의 진동체(110_k)는 지지부(120)에 일단이 지지되며, 관통홀(TH)과 마주하도록 배치될 수 있다. 관통홀(TH)은 진동체(110_k)가 외력에 의해 진동하는 공간을 제공하며, 이를 만족하는 한, 형상이나 크기는 특별히 한정되지 않는다. 지지부(120)는 실리콘 기판 등 다양한 재질로 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 진동체(110_k)는 지지부(120)에 고정되는 고정부(10)와, 신호에 반응하여 가동되는 가동부(30)와, 가동부(30)의 움직임을 센싱하는 감지부(20)를 포함한다. 진동체(110_k)는 또한, 가동부(30)에 소정의 질량(m)을 제공하기 위한 질량체(40)를 더 포함할 수 있다.
가동부(30)는 탄성 필름으로 이루어질 수 있다. 탄성 필름은 길이 L, 폭 W를 가질 수 있고, 질량체(40)의 질량(m)과 함께, 진동체(110_k)의 공진 특성을 정하는 요소가 된다. 탄성 필름으로는 실리콘, 금속, 폴리머 등의 재질이 사용될 수 있다.
감지부(20)는 가동부(30)의 움직임을 센싱하는 센서층을 포함할 수 있다. 감지부(20)는 예를 들어, 압전 소자를 포함할 수 있고, 이 경우, 전극층, 압전물질층, 전극층이 적층된 구조를 가질 수 있다. 압전물질로는 ZnO, SnO, PZT, ZnSnO3, Polyvinylidene fluoride(PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)), AlN 또는 PMN-PT 등이 사용될 수 있다. 전극층으로, 금속 물질이나 이 외, 다양한 전도성 재질이 사용될 수 있다.
진동체(110_k)들의 폭, 두께 등의 구체적인 수치는 진동체(110_k)에 대해 원하는 공진 주파수를 고려하여 정할 수 있다. 예를 들어, 대략 수㎛ 내지 수백 ㎛사이의 폭, 수㎛ 이하의 두께, 및 대략 수 mm 이하의 길이를 가질 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이러한 미세한 크기의 진동체(110_k)들은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정에 의해 제작될 수 있다.
진동체(진동체(110_k)는 외부 신호에 반응하여 Z 방향을 따라 상하로 진동하며, 변위(z)에 비례하는 출력을 나타내게 된다. 변위(z)는 다음 운동방정식을 따른다.
Figure pat00001
여기서, c는 댐핑 계수(damping coefficient)이고, k는 탄성 계수이며, F0cosωt는 외력(driving force)으로, 진동체(110_k)에 입사되는 신호에 의한 작용을 나타낸다. k값은 가동부(30)의 물성과 형상에 의해 정해진다.
진동체(110_k)는 공진 주파수 f0를 중심으로 하며 소정의 밴드폭을 가지는 주파수 응답 특성을 나타낸다.
중심 주파수 f0는 다음과 같다.
Figure pat00002
이와 같이, 방향성 음향 센서(100)에 구비된 진동체(110_k)들은 설계된 중심 주파수를 중심으로 하는 소정 대역의 주파수를 감지할 수 있다. 따라서, 중심 주파수를 설계함에 있어, 주어진 환경에서 활용성이 높은 주파수 대역을 설정하여 이에 알맞은 형상, 물성으로 진동체(110_k)들을 구현할 수 있다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서(100)는 각 위치에 구비된 진동체(110_k)들이 같은 공진 주파수를 갖도록 같은 길이로 설정되어 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 변형하는 것도 가능하다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서(100)는 구비된 복수의 진동체(110_k)들 중, 방향성이 있는 음향이 입사되는 경로에 놓이는 하나 이상의 진동체(110_k)가 음향에 반응하며 진동하게 된다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, ①의 경로로 음향이 입력되면, 이 경로 상에 놓인, 진동체(110_1)를 포함하여, 이와 인접한 하나 이상의 진동체가 진동할 수 있다. ②의 경로로 음향이 입력되면, 이 경로 상에 놓인, 진동체(110_9)를 포함하여, 이와 인접한 하나 이상의 진동체가 진동할 수 있다. 이와 같이, 입사된 음향의 방향에 따라 선택적으로 반응한 진동체(110_k)의 위치 및 출력으로부터, 입사된 음향의 방향을 알아낼 수 있다.
도 4는 도 1의 방향성 음향 센서에 구비된 복수의 진동체들 중 일부를 예시하여, 각각의 지향성 이득 곡선을 보인 도면이다.
도 4를 참조하면, 복수의 진동체(A, B, C) 각각은 음향 입력부(134)를 중심으로 하는 원의 반경 방향의 지향각을 갖는 음향 센서가 된다. 각 음향 센서의 지향성 이득 곡선은 8자(figure of eight) 형태가 된다. 이러한 지향성 이득 곡선에 따라, 방향성 음향 센서(100)는 모든 방향에서 입력되는 신호들에 대해 선택적으로 반응한 진동체(110_k)의 출력들이 중첩(superposition)되어 형성된 출력을 갖게 된다.
한편, 각 진동체(110_k)는 그 배치 위치에 따라 선호하는 각도가 있으며, 이를 주요 방향(principal direction)으로 하여, 출력 형성에 있어서, 주요 방향의 음향에 대해서는 크게, 이외의 방향의 음향에 대해서는 작게 기여한다. 따라서, 모든, 임의의 방향으로 입사된 음향에 대해, 복수의 진동체(110_k) 각각의 출력 크기를 단순히 비교하는 것에 의해, 입사된 음향의 방향을 추정할 수 있고, 주변에 존재하는 복수의 음원에 대해서도 동시에 매핑(mapping)하는 것이 가능하다. 이와 같이, 방향성 음향 센서(100)는 주변 전방위의 음원 분포를 추정할 수 있다.
도 5는 복수 방향에 위치한 음원에 대해, 도 1의 방향성 음향 센서에서 센싱한 음원 분포 프로파일을 예시적으로 보인 도면이다.
세 방향에 위치한 음원 1, 2, 3에 대해, 이를 향하는 방향을 주요 방향으로 하는 진동체의 출력이 가장 크게 기여하는 형태로, 음원 분포 프로파일이 추정될 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 방향성 음향 센서(100)에 구비된 복수의 진동체의 출력으로부터 음향 방향을 알아내는 예시적인 방법을 살펴보기로 한다.
도 6은 도 1의 방향성 음향 센서에 구비된 두 개의 진동체를 예시하여, 각각의 지향성 이득 곡선을 극좌표에서 보인 도면이고, 도 7은 도 6의 지향성 이득 곡선을 직교 좌표에서 보인 도면이며, 도 8은 도 7의 지향성 이득 곡선으로부터 계산된, 입력된 음향 방향을 추정하는 매칭 그래프를 보인다.
실선으로 도시된, 진동체 A에 대한 지향성 이득 곡선을 살펴보면, 진동체 A는 +45°방향의 음향에 대해서는 최대의 출력을 나타내고, -45°방향의 음향에 대해서는 최소 출력을 나타낸다.
점선으로 도시된, 진동체 B에 대한 지향성 이득 곡선을 살펴보면, 진동체 B는 -45°방향의 음향에 대해서는 최대의 출력을 나타내고, 45°방향의 음향에 대해서는 최소 출력을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 진동체 A의 출력과 진동체 B의 출력이 같은 경우, 음향의 방향이 0°인 경우이다. 진동체 A의 출력이 진동체 B의 출력보다 큰 경우는 음향의 방향이 0°보다 큰 경우이며, 진동체 A의 출력이 진동체 B의 출력보다 작은 경우는 음향의 방향이 0°보다 작은 경우이다. 진동체 A의 출력이 진동체 B의 출력보다 작은 경우의 출력차는 음의 부호로, 진동체 A의 출력이 진동체 B의 출력보다 큰 경우의 출력차는 양의 부호로 표시하고 있으며, 각각 음의 각도, 양의 각도에 해당함을 나타내고 있다.
①의 방향으로 입사되는 음향에 대해 진동체 B의 출력(V3)이 진동체 A의 출력(V2)보다 높게 나타난다. ①의 방향을 각도 α라고 할 때, 음의 부호로 나타낸, 두 진동체 A, B의 출력차(-a)와 각도 α는 일대일로 매칭되는 관계가 된다.
②의 방향으로 입사되는 음향에 대해 진동체 A의 출력(V4)이 진동체 B의 출력(V1)보다 높게 나타난다. ②의 방향을 각도 β라고 할 때, 양의 부호로 나타낸 두 진동체 A, B의 출력차(+b)와 각도 β는 일대일로 매칭되는 관계가 된다.
이와 같이, 진동체 A와 진동체 B의 위치 사이의 임의의 방향으로 입사하는 음향에 대해, (진동체 A의 출력-진동체 B의 출력)을 나타내는 값들은 -45°에서 45°사이의 각도와 일대일로 매칭될 수 있다.
도 8은 이러한 매칭 그래프로서, 세로축은 (진동체 A의 출력-진동체 B의 출력)을 나타낸다. 매칭 그래프가 설정되면, 진동체 A와 진동체 B 사이의 임의의 방향으로 입사하는 음향에 대해, (진동체 A의 출력-진동체 B의 출력)을 계산함으로써, 입사된 음향의 방향을 알아낼 수 있다.
매칭 그래프는 임의의 위치의 두 진동체 간의 출력 차이와 입사된 음향의 방향 간의 관계로, 복수개로 설정할 수 있으며, 이들을 활용하여, 다양한, 임의의 방향으로 입사하는 음향의 방향성을 알아낼 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 음향의 방향성 탐지 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
먼저, 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된 복수의 진동체를 포함하는 진동체 어레이를 준비한다(S160).
이러한 진동체 어레이로, 도 1에서 설명한 바와 같은 구성이 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 입력 음향 방향에 의존하여, 복수의 진동체 중 하나 이상이 반응하도록 복수의 진동체가 배열되는, 다양한 구성이 사용될 수 있다. 또한, 도 10 이하에서 후술할, 다양한 실시예들에 따른 방향성 음향 센서가 사용될 수 있음은 물론이다.
다음, 준비된 진동체 어레이에 대해, 복수의 진동체 각각의 출력으로부터, 입력되는 음향의 방향을 추정할 수 있는 매칭 그래프를 설정한다(S170).
매칭 그래프의 설정을 위해, 도 6 내지 도 8에서 설명한 방법이 사용될 수 있다. 또한, 진동체 어레이에 포함되는 임의의 두 개의 진동체의 진폭 차이와 입력되는 음향 방향 간의 관계를 나타내는 복수의 매칭 그래프를 설정할 수 있다.
매칭 그래프가 설정되고, 진동체 어레이에 방향성 판단 대상인 타겟 음향이 입력되면, 입력된 타겟 음향에 반응한 하나 이상의 진동체의 진폭과 매칭 그래프를 비교하여, 타겟 음향의 방향성을 판단할 수 있다 (S180).
도 10은 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이고, 도 11은 도 10의 방향성 음향 센서에 대한 A-A' 단면도이다.
방향성 음향 센서(101)는 음향이 입력되는 음향 입력부(inlet)(134), 음향 입력부(134)를 통해 입력된 음향이 출력되는 음향 출력부(outlet)(137), 음향 입력부(134)와 음향 출력부(137) 사이에 배열된 복수의 진동체(110_k)를 포함한다. 여기서, 복수의 진동체(110_k)의 개수를 N이라고 할 때, k는 1에서 N까지의 정수이다.
본 실시예에 따른 방향성 음향 센서(101)는 음향 출력부(137)의 형상에서 도 1의 방향성 음향 센서(100)와 차이가 있으며, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
음향 출력부(137)는 복수의 진동체(110_k)에 대해 개별적으로 구비되는 것이 아니라, 하나의 음향 출력부(137)가 복수의 진동체(110_k)에 대해 공유되는 형태이다. 음향 출력부(137)는 복수의 진동체(110_k) 전체를 마주하는 형태이며, 도시된 크기는 예시적인 것이고, 음향 출력부(137)의 크기는 이보다 작을 수 있다.
음향 입력부(134)와 음향 출력부(137)의 형성을 위해, 음향 입력부(134)와 음향 출력부(137)의 형상에 대응하는 개구가 형성된 케이스(131)가 사용될 수 있다.
음향 출력부(137)의 크기는 특정되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 복수의 진동체(110_k)에 대해 음향 입력부(134) 맞은 편의 공간이 모두 열린 형태가 될 수 있다. 이와 같이 열린 공간이 음향 출력부(137)로 기능할 수 있다.
이하, 도 12 내지 도 20을 참조하여, 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 성능을 살펴보기로 한다.
도 12는 실시예에 따른 방향성 음향 센서와 비교예에 따른 방향성 음향 센서의 성능 비교를 위한 실험 셋업(set up)을 보이는 도면이다.
비교예 1의 방향성 음향 센서는 30mm 간격으로 이격 배치된 두 개의 마이크로폰(microphone)(70)으로 이루어지며, 비교예 2의 방향성 음향 센서는 150mm 간격으로 이격 배치된 두 개의 마이크로폰(70)으로 이루어진다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서는 도 10에서 설명한 것과 같은 방향성 음향 센서(101)로서, 전체 크기는 약 10mm 정도이다.
방향성 음원으로, 움직이는 스피커(moving speaker)를 사용하여, 스피커의 각도에 따라 각 방향성 음향 센서에서 수신한 출력을 살펴보았다.
도 13은 음원의 방향 변화에 따라, 비교예 1의 두 마이크로폰에서의 출력 그래프를 보이며, 도 14는 음원의 방향 변화에 따라, 비교예 2의 두 마이크로폰에서의 출력 그래프를 보이며, 도 15는 음원의 방향 변화에 따라, 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 두 진동체에서의 출력 그래프를 보인다.
이격 배치된 두 마이크로폰(microphone)을 사용하는 비교예들에 따른 방향성 음향 센서는 각 마이크로폰에 도달하는 소리의 시간차를 이용하여 소리가 오는 방향을 계산하는 방식을 사용한다. 이 경우, 두 마이크로폰 사이의 거리가 멀수록 시간차를 감지하는 것이 용이하며, 방향성 센싱 감도가 좋아진다.
도 13 및 도 14의 그래프에 표시한 d1, d2는 실시예 1, 2에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 두 마이크로폰의 최대, 최소 출력차를 나타낸다. 도 15의 그래프에 표시한 d3는 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 두 진동체의 최대, 최소 출력차를 나타낸다.
두 마이크로 폰 간의 거리가 보다 먼 비교예 2의 경우, 큰 콘트라스트(contrast)를 나타내며 방향성 센싱 감도가 높음을 알 수 있다. 실시예에 다른 방향성 음향 센서의 경우, 비교예 2의 경우보다 큰 콘트라스트를 나타내고 있다. 이와 같은 결과는, 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 전체 크기가 약 10mm 정도로 비교예 2의 전체 크기에 비해 훨씬 작으면서도, 높은 센싱 감도를 나타낼 수 있음을 보여준다.
도 16은 실시예에 따른 방향성 음향 센서가 전방위로부터의 음향을 추정할 수 있음을 실험하기 위한 실험 셋업(set up)을 보이는 도면이다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서(102)는 64개의 진동체를 포함하여 64개의 채널을 형성한 경우로 예시되고 있다. 방향성 음원으로, 움직이는 스피커(Moving speaker)를 방향성 음향 센서(102)의 주위를 360°로 회전시키며, 64개의 채널 중 네 개의 채널, ch09, ch24, ch41, ch56을 선택하여, 출력을 살펴보았다.
도 17은 음원의 방향 변화에 따라, 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 네 개의 진동체에 의한 출력을 보인 그래프이다.
선택된 네 개의 채널을 형성하는 진동체는 대체로, 음향의 입사각이 해당 진동체의 주요 방향(principal axis)에 해당할 때 최대 출력을 형성하고 있음을 볼 수 있다. 이로부터, 네 개의 진동체를 이용하는 경우에도, 전방위 음향의 방위 추정이 가능할 것으로 분석된다.
도 18은 실시예에 따른 방향성 음향 센서에 구비된 복수의 진동체들의 출력으로부터 추정된 음원 방향과 실제 음원 방향을 비교하여 보인 그래프이다.
그래프에서 채널별로 표시한 마크는, 세로축은 측정값(measured value)으로 64개의 채널 중 최대 출력을 나타내는 채널에 해당하는 진동체의 주요 방향(principal axis)을 나타내며, 가로축은 실제값(actual value)로서, 음향이 입사된 방향을 나타낸다.
실선 표시는 측정값(measured value)과 실제값(actual value)을 일치시킨 직선으로, 채널별 마크는 이 직선과 거의 일치하고 있다. 이로부터, 64채널로 구현한 실시예에 따른 방향성 음향 센서가 전 방위로부터 입사되는 음향의 방향을 거의 정확하게 추정할 수 있음을 알 수 있다.
도 19는 실시예에 따른 방향성 음향 센서와 비교예에 따른 방향성 음향 센서의 성능 비교를 위한 다른 실험 셋업(set up)을 보이는 도면이고, 도 20은 실시예에 따른 방향성 음향 센서와 비교예에 따른 방향성 음향 센서에서 센싱한 음향 신호를 음원에서의 음향 신호와 비교하여 보이고 있다.
비교예 1의 방향성 음향 센서는 30mm 간격으로 이격 배치된 두 개의 마이크로폰(microphone)(70)으로 이루어지며, 비교예 2의 방향성 음향 센서는 150mm 간격으로 이격 배치된 두 개의 마이크로폰(70)으로 이루어진다.
실시예에 따른 방향성 음향 센서(101)는 도 10에서 설명한 것과 같은 방향성 음향 센서(101)로서, 전체 크기는 약 10mm 정도이다.
서로 다른 방향에서 다른 종류의 음원이 입력되는 경우에 대한 실험으로, 왼쪽의 스피커는 음악(music)을, 오른쪽의 스피커는 연설(speech)을 출력하고 있다.
이와 같이 다른 종류의 음향이 다른 방향으로부터 방향성 음향 센서에 입사될 때, 각 방향성 음향 센서에서 수신한 출력을 살펴보았다.
도 20을 참조하면, 비교예 1, 2에 따른 방향성 음향 센서에서는 두 방향에서의 음향이 섞여 서로 다른 음원의 방향을 구별하기 어려운 정도이다.
반면, 실시예에 따른 방향성 음향성 음향 센서에서는 서로 다른 방위에 위치하는 두 진동체(A, B)에서 서로 다른 종류의 음원에 해당하는 출력 결과를 보이고 있다. 이로부터, 실시예에 따른 방향성 음향 센서가 다른 방향에서 다른 종류의 음향이 입사되는 경우, 이를 분리하여 녹음하는 소자로 활용될 수 있음을 알 수 있다.
도 21은 또 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
방향성 음향 센서(103)는 복수의 서브 그룹(SG_1)(SG_2)(SG_3)(SG_4)을 포함한다. 복수의 서브 그룹(SG_1)(SG_2)(SG_3)(SG_4)은 각각 서로 다른 방향성을 대표할 수 있도록, 방위가 인접한 진동체들을 소정 개수로 묶어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 서브그룹 (SG_1)(SG_2)(SG_3)(SG_4)은 서로 90°씩 차이나는 방향을 대표할 수 있다.
본 실시예의 방향성 음향 센서(103)는 공진 주파수가 서로 다른 진동체(110_1_k)(110_2_k)(110_3_k)(110_4_k)들을 포함하는 점에서, 전술한 실시예들과 차이가 있다. 예를 들어 도 16에서 예시한 바와 같이, 64개의 진동체 모두가 하나의 공진 주파수를 갖도록 하는 대신, 일정 범위의 주파수를 갖도록 길이에 변화를 준 서브 그룹(subgroup)으로 구성하여, 하나의 그룹 내의 진동체들의 신호를 통합하여 활용할 수 있는 구조이다. 도시된 바와 같이, 4개의 서브 그룹을 갖는 소자로 구현하여, 64방위가 아니라, 물리적 4방위를 갖는 대신, 각 그룹 내에서의 주파수 대역은 단일 공진대역이 아니라 가청 대역 전체로 넓힐 수 있게 된다.
이하, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제1 서브그룹(SG_1)는 중심각 90°범위의 원주를 따라 배열된 복수의 진동체(110_1_k)를 포함하고, 제2 서브그룹(SG_2)은 다음 중심각 90°범위의 원주를 따라 배열된 복수의 진동체(110_2_k)를, 제3 서브그룹(SG_3)은 그 다음 중심각 90°범위의 원주를 따라 배열된 복수의 진동체(110_3_k), 제4 서브그룹(SG_4)은 그 다음 중심각 90°범위의 원주를 따라 배열된 복수의 진동체(110_4_k)를 포함한다.
제i 서브 그룹(SG_i)(i는 1에서 4까지의 정수)에 포함되는 진동체(110_i_k)(k는 1부터 N까지의 정수)들은 소정 주파수 범위(Δf)의 음향을 감지할 수 있도록, 각각의 공진 주파수가 설정된다. 인접한 진동체(110_i_k)들의 공진 주파수 간격은 서브 그룹(SG_i)에 포함된 진동체(110_i_k)의 개수(N) 및 주파수 범위(Δf)를 고려하여 정할 수 있다.
각 서브 그룹(SG_i) 내의 복수의 진동체(110_i_k)는 공진 주파수의 크기 순서대로 배열될 수 있다. 또한, 크기 순서로 배열되는 방향은 복수의 서브 그룹(SG_i)내에서 모두 같을 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 각 각 서브 그룹(SG_i)내에서, 시계 방향을 따라 진동체(110_i_k)들의 길이가 점점 길어지는 순서로 진동체(110_i_k)들이 배열될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 반시계 방향으로 진동체(110_i_k)들의 길이가 점점 길어지는 순서로 배열될 수 있고, 또는, 일부 서브 그룹(SG_i)에서는 시계 방향, 다른 서브 그룹(SG_j,j≠i)에서는 반시계 방향으로 배열되는 것도 가능하다.
전술한 것처럼, 도 16, 도 17의 실험을 통해, 전 방위를 네 개의 방향성으로 구별하도록 배치된 네 개의 진동체들로, 비교적 정확한 방향 감지가 가능함을 확인한 바 있으며, 이를 고려할 때, 본 실시예의 방향성 음향 센서(103)는 입사하는 음향의 방향을 잘 탐지할 수 있고, 또한, 공진 주파수를 다양화한 복수의 진동체(110_i_k)를 활용함으로써 공진 주파수가 모두 같은 진동체(110_k)들을 포함하는 경우의 방향성 음향 센서(100)(101)(102)보다 광대역의 신호를 탐지할 수 있음을 알 수 있다.
도 22는 또 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
방향성 음향 센서(104)는 8개의 그룹으로 그룹핑된 점에서, 도 21의 방향성 음향 센서(103)와 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
방향성 음향 센서(104)는 8개의 서브 그룹(SG_i, i는 1에서 8까지의 정수)이 각각 인접하게 45°씩 차이나는 방향을 대표할 수 있도록 설정된다. 각 서브 그룹(SG_i) 내에는 공진 주파수가 서로 다른 진동체(110_i_j)들이 배열된다.
이러한 방향성 음향 센서(104)는 도 21의 방향성 음향 센서(103)에 비해, 높은 각 분해능을 갖는 대신, 센싱할 수 있는 주파수 대역폭은 좁아질 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 서브 그룹의 개수를 방향성 음향 센서가 활용될 환경에 알맞게 설정할 수 있다.
도 23은 또 다른 실시예에 따른 방향성 음향 센서의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
본 실시예의 방향성 음향 센서(105)는 인접하는 서브 그룹(SG_i, i는 1에서 8까지의 정수)에서의 복수의 진동체(110_i_j) 배열은 공진 주파수 크기에 따른 순서가 서로 역순인 점에서, 도 22의 방향성 음향 센서(104)와 차이가 있다. 즉, 일부 서브 그룹, 예를 들어, 서브 그룹(SG_1, SG_3, SG_5, SG_7)에서는 시계 방향을 따라 길이가 길어지는 순서로 진동체(110_i_j)들이 배열되고, 나머지 서브 그룹(SG_2, SG_4, SG_6, SG_8)에서는 반시계 방향을 따라 길이가 길어지는 순서로 진동체(110_i_j)들이 배열될 수 있다.
공진 주파수가 서로 다른 진동체들을 구비하는 방향성 음향 센서(103)(104)(105)의 설명에서, 진동체 배열에 대한 몇가지 예를 설명하였으나, 진동체 배열은 이에 한정되지 않는다. 각 서브그룹에서 진동체들의 배열 간격, 예를 들어, 주파수 간격이나 공간 간격은 동일하지 않을 수도 있고, 또한, 예를 들어, 인접 진동체간의 커플링을 고려한 다양한 배열 방식이 적용될 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 방향성 음향 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 방향성 음향 센서는 칩 솔루션(Chip solution) 형태의 센서로 구현되어 모바일 기기, IT, 가전, 자동차 등의 분야에서, 음원 추적, 잡음 제거, 공간 녹음(Spatial recording)등을 수행할 수 있고, 파노라마 촬영, 증강 현실(Augmented Reality), 가상 현실(Virtual Reality) 분야 등에도 활용 가능하다.
실시예의 방향성 음향 센서를 활용하는 전자 장치들을 살펴보기로 한다.
도 24는 실시예에 따른 사물 인터넷(Internet of Things) 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이고, 도 25는 도 23의 사물 인터넷 장치가 일상 생활에 적용되는 동작을 예시적으로 보인다.
사물 인터넷 장치(200)는 사용자가 제공하는 음성 신호를 수신하는 방향성 음향 센서(210), 방향성 음향 센서(210)에서 수신한 신호를 입력 변수로 사용하는 하나 이상의 어플리케이션 모듈(232)이 저장된 메모리(230), 어플리케이션 모듈(232)을 실행하는 프로세서(220)를 포함한다. 사물 인터넷 장치(200)는 또한, 통신부(250)를 포함할 수 있다.
사물 인터넷 장치(200)는 회전 또는 이동과 같은 구동이 가능한 구동 기기(240)를 더 포함할 수 있다. 구동 기기(240)는 방향성 음향 센서(210)에서 수신한 신호를 입력 변수로 하여 실행된 어플리케이션 모듈(232)의 실행 결과에 따라 정해진 방향으로 회전 또는 이동 구동이 제어될 수 있다. 회전이나 이동 방향은 예를 들어, 방향성 음향 센서(210)에서 센싱한 음향의 방향을 향하거나 이를 회피하는 방향일 수 있다. 구동 기기(240)는 어플리케이션 모듈(232)의 실행 결과를 사용자에게 출력할 수 있는 출력 기능을 가지도록 구현될 수 있다. 구동 기기(240)는 예를 들어, 스피커나 디스플레이 같은 출력 장치일 수 있다.
방향성 음향 센서(210)로는 전술한 실시예들에 따른 방향성 음향 센서(100)(101)(102)(103)(104)(105) 중 어느 하나 또는 이들이 변형, 조합된 구조가 채용될 수 있다.
프로세서(220)는 사물 인터넷 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 방향성 음향 센서(210), 스피커(240), 통신부(250)의 동작을 제어할 수 있고, 관련된 제어 신호를 활용하며 메모리(230)에 저장된 프로그램들을 실행할 수 있다.
메모리(230)에는 또한, 제어 신호에 의해 구동 기기(240)를 소정 방향으로 회전 또는 이동시키도록 프로그램된 구동 기기 제어 모듈(234)이 구비될 수 있다. 구동 기기 제어 모듈(234)는 방향성 음향 센서(210)에서 센싱된 신호 및 이와 연계한 어플리케이션 실행 결과를 반영하여, 구동 기기(240)가 방향성 음향 센서(210)에서 센싱한 음향의 방향을 향하도록, 또는 이를 회피하는 방향으로 회전 또는 이동되도록 구동 기기(240)를 제어할 수 있다. 이는 예시적인 것이며, 방향성 음향 센서(210)에서 센싱된 신호를 반영한 어플리케이션 실행 결과에 따른 구동 기기 제어 방향은 다양하게 변화될 수 있을 것이다.
메모리(230)에는 또한, 방향성 음향 센서(200)에서 수신한 신호가 유효한 입력 신호인지를 방향성과 연계하여 학습하도록 프로그램된 학습 모듈(236)이 더 구비될 수 있다. 학습 모듈(236)은 예를 들어, 방향성 음향 센서(200)에서 센싱한 음향의 방향성과 유효 신호 여부를 판단한 결과를 반복하여 학습 데이터로 생성하고 누적하며, 누적된 학습 데이터로부터 통계적인 특징을 추출함으로써, 특정 방향에서 입력되는 음향은 유효 신호가 아닌 것으로 처리할 수 있다.
메모리(230)에는 이외에도, 사물 인터넷 장치(200)의 전반적인 동작을 프로세서(220)에서 제어하는데 필요한 다양한 프로그램 및 데이터들이 저장될 수 있다.
메모리(239)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신부(250)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신 WIFI 통신 방법을 이용하여 외부 기기와 통신할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
도 25를 참조하면, 사물 인터넷 장치(200)에 구비되는 구동 기기(240)는 회전 가능한 구성의 스피커로 예시되고 있다. 이하의 설명은 구동 기기(240)로 스피커를 예시하여 설명할 것이나, 구동 기기(240)는 이에 한정되지 않는다. 사물 인터넷 장치(200)는 입력되는 음향 신호(S1, S2)의 방향성을 판단하고 이를 향하는 방향으로 스피커를 회전할 수 있다.
사물 인터넷 장치(200)는 입력되는 음향 신호(S1, S2) 중, 유효 신호를 식별할 수 있다. 예를 들어, 사용자(U)로부터의 음향 신호(S1), 사용자가 아닌 음원(NU)에서의 음향 신호(S2)를 구별할 수 있다. 이러한 구별은 입력된 음향의 방향성과 연계하여 유효 신호 여부를 학습함으로써 가능할 수 있다. 이에 따라, 예 들어, TV와 같이, 고정된 특정 위치의 방향으로부터 유효하지 않은 신호가 지속적으로 입력되는 것을 학습을 통해 판단한 후, 입력된 음향 신호(S1, S2) 중 유효 신호인 S2의 방향으로 스피커를 회전시킬 수 있고, 또한, S2와 관련된 어플리케이션을 실행할 수 있다.
사물 인터넷 장치(200)는 인공 지능 스피커로 활용될 수 있고, 이외에도, 다양한 사물에 적용되어, 해당 사물이 가지는 고유 기능의 활용도를 높일 수 있다.
도 26은 실시예에 따른 자동차 음성 인터페이스 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이고, 도 27은 실시예에 따른 자동차 음성 인터페이스 장치가 자동차에 적용된 동작을 예시적으로 보인다.
자동차 음성 인터페이스 장치(300)는 방향성 음향 센서(310) 및 유효 신호 추출 모듈(350)을 포함한다. 유효 신호 추출 모듈(350)은 유효 신호 추출을 위한 처리 과정에 대한 프로그램이 저장된 메모리와 이를 실행하는 프로세서로 구현될 수 있다.
방향성 음향 센서(310)로는 전술한 실시예들에 따른 방향성 음향 센서(100)(101)(102)(103)(104)(105) 중 어느 하나 또는 이들이 변형, 조합된 구조가 채용될 수 있다.
유효 신호 추출 모듈(350)은 방향성 음향 센서(310)에서 수신한 신호를 그 방향성에 따라 유효한 신호인지 여부를 판단하고, 유효한 신호인 경우, 이를 자동차 제어 모듈에 전달할 수 있다. 유효 신호 추출 모듈(350)은 다양한 방향으로부터 입력된 음향 중 운전자의 방향 이외의 방향성을 가지는 음향 신호를 잡음으로 제거하여 자동차 제어 모듈에 전달할 수 있다.
도 27을 참조하면, 자동차(400)에 구비된 방향성 음향 센서(310)는 운전자(DR)로부터의 음향 신호(S1)와 승객들(PA)로부터의 음향 신호(S2, S3, S4)를 센싱한다. 방향성 음향 센서(310)는 수신된 음향 신호의 방향성을 구분하며, 센싱된 결과를 유효 신호 추출 모듈(350)에 전달할 수 있다. 유효 신호 추출 모듈(350)은 운전자(DR)에 의한 음향 신호(S1)만을 자동차 제어 모듈(420)에 전달할 수 있다.
도 28은 실시예에 따른 공간 녹음(spatial recording) 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
공간 녹음 장치(500)는 방향성 음향 센서(510), 방향성 음향 센서(510)에서 센싱한 신호를 분석하여 방향성 음향 센서(510)에 입사된 음향의 방향성을 판단하는 프로세서(520) 및 프로세서(520)의 신호 처리를 위한 프로그램 및 상기 프로세서의 실행 결과가 저장되는 메모리(530)를 포함한다.
방향성 음향 센서(510)로는 전술한 실시예들에 따른 방향성 음향 센서(100)(101)(102)(103)(104)(105) 중 어느 하나 또는 이들이 변형, 조합된 구조가 채용될 수 있다. 방향성 음향 센서(510)는 주변 음향을 방향성과 결부하여 녹음할 수 있다. 방향성 음향 센서(510)는 높은 분해능으로 음향의 입력 방향을 추정할 수 있다.
공간 녹음 장치(500)는 음향의 입력 방향을 추정한 결과를 활용하여, 원하는 음원에 집중하는 녹음이나, 또는, 원하는 음원에 대해서만 선택적으로 녹음하는 것도 가능하다.
공간 녹음 장치(500)는 녹음된 음향을 방향성에 맞추어 재생할 수 있도록, 다채널 스피커(550)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(510)는 메모리(530)에 저장된 오디오 신호가 방향성에 맞추어 재생되도록 다채널 스피커(550)를 제어할 수 있다. 녹음된 음원을 방향성에 맞추어 재생함으로써, 녹음된 콘텐츠(contents)의 현장감을 증강시키고, 몰입감, 실제감을 향상시킬 수 있다.
공간 녹음 장치(500)는 증강 현실(Augmented Reality) 또는 가상 현실(Virtual Reality) 장치에 활용될 수도 있다.
도 29는 실시예에 따른 전방위 카메라의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
전방위 카메라(600)는 전방위에 놓인 객체에 대한 파노라마 촬영이 가능한 카메라이다. 전방위 카메라(600)는 방향성 음향 센서(610), 전방위(omnidirectional) 촬영 모듈(640), 방향성 음향 센서(610)에서 센싱한 방향성 음향 신호와 전방위 촬영 모듈(640)에서 촬영한 전방위 영상 신호가 정합하도록, 방향성 음향 센서(610)와 전방위 촬영 모듈(640)을 제어하는 프로세서(620) 및 상기 방향성 음향 신호 및 상기 전방위 영상 신호를 저장하는 메모리(630)를 포함한다.
전방위 촬영 모듈(640)로 일반적인 파노라마 촬영 모듈이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 360도 회전 가능한 본체 내에 광학 렌즈들과 이미지 센서 등의 구성이 구비된 형태가 채용될 수 있다.
방향성 음향 센서(610)는 전술한 실시예들에 따른 방향성 음향 센서(100)(101)(102)(103)(104)(105) 중 어느 하나이거나, 또는 이들이 변형, 조합된 구조를 가질 수 있고, 전방위로부터의 음향을 센싱하고 방향성을 알아낼 수 있다.
프로세서(620)의 제어에 따라, 방향성 음향 센서(610)에서 센싱된 신호 중에서, 전방위 촬영 모듈(640)에서의 촬영 방향에 해당하는 방향의 음향이 선택적으로 메모리(630)에 저장될 수 있다. 이와 같이, 전방위 카메라(600)에 의해, 360° 파노라마 영상 신호와 영상에 정합하는 음향 신호가 신호가 메모리(630)에 저장될 수 있다. 이러한 영상/음향 정보는 다채널 스피커가 구비된 디스플레이 장치에 의해 재생되며 현장감을 극대화할 수 있고, 또한, 증강 현실(Augmented Reality)/가상 현실(Virtual Reality) 장치에 활용될 수도 있다.
전술한 실시예들에 따른 전자 장치들은 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 전자 장치에서 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
상술한 방향성 음향 센서 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 101, 102, 103, 104, 105.. 방향성 음향 센서
110_k, 110_i_k..진동체
120.. 지지부
130, 131.. 케이스
134.. 음향 입력부
135, 136.. 음향 출력부
SG_i..서브 그룹
200.. 사물 인터넷 장치
300.. 자동차 음성 인터페이스 장치
500.. 공간 녹음 장치
600.. 전방위 카메라

Claims (24)

  1. 음향이 입력되는 음향 입력부(inlet);
    상기 음향 입력부를 통해 입력된 음향이 출력되는 음향 출력부(outlet): 및
    상기 음향 입력부와 상기 음향 출력부 사이에, 상기 음향 입력부로 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된 복수의 진동체;를 포함하는, 방향성 음향 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 진동체는 동일한 평면 상에 배열되며, 상기 음향 입력부의 중심과 연직으로 마주하는 상기 평면상의 중심점을 둘러싸는 형태로 배열되는, 방향성 음향 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 진동체는 상기 중심점에 대해 소정의 대칭성을 갖도록 배열되는, 방향성 음향 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 진동체는 원형, 타원형, 또는 다각형의 궤적을 따라 배열된, 방향성 음향 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음향 출력부는 상기 복수의 진동체 전체를 마주하도록 형성된, 방향성 음향 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음향 출력부는 상기 복수의 진동체 각각과 마주하는 복수개로 구비되는, 방향성 음향 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 진동체는 동일한 공진 주파수를 갖는, 방향성 음향 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 진동체는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수의 진동체를 포함하는, 방향성 음향 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 진동체는 각각이 서로 다른 방향성을 나타내는 복수의 서브 그룹으로 그룹핑되며,
    상기 복수의 서브 그룹 각각에 서로 다른 공진주파수를 가지는 복수의 진동체들이 구비되는, 방향성 음향 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 서브 그룹 내의 복수의 진동체는 공진 주파수의 크기 순서대로 배열되는, 방향성 음향 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 서브 그룹 중 인접하는 서브 그룹에서의 복수의 진동체 배열은 공진 주파수 크기에 따른 순서가 서로 역순인, 방향성 음향 센서.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 진동체 배열의 중심점에 대해 서로 대칭으로 배치되는 진동체는 같은 공진 주파수를 갖도록 상기 복수의 서브 그룹이 배열되는, 방향성 음향 센서.
  13. 입력되는 음향의 방향에 따라 선택적으로 하나 이상이 반응하도록 배열된 복수의 진동체를 포함하는 진동체 어레이를 준비하는 단계; 및
    상기 진동체 어레이에 타겟 음향이 입력될 때, 상기 복수의 진동체 각각의 출력을 서로 비교하여, 상기 타겟 음향의 음원 분포 프로파일을 추정하는 단계;를 포함하는, 음향의 방향성 탐지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 진동체 어레이에 대해, 상기 복수의 진동체 각각의 출력으로부터, 입력되는 음향의 방향을 추정할 수 있는 매칭 그래프를 설정하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 추정하는 단계는,
    상기 타겟 음향에 반응한 하나 이상의 진동체의 진폭과 상기 매칭 그래프를 비교하여, 상기 타겟 음향의 방향성을 판단하는, 음향의 방향성 탐지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 매칭 그래프를 설정하는 단계는
    상기 진동체 어레이에 포함되는 임의의 두 개의 진동체의 진폭 차이와 입력되는 음향 방향 간의 관계를 나타내는 복수의 매칭 그래프를 설정하는, 음향의 방향성 탐지 방법.
  16. 사용자가 제공하는 음성 신호를 수신하는, 제1항의 방향성 음향 센서;
    하나 이상의 어플리케이션 모듈이 저장된 메모리; 및
    상기 어플리케이션 모듈을 실행하는 프로세서;를 포함하는, 사물 인터넷 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    회전 또는 이동이 가능한 구동 기기;
    상기 방향성 음향 센서에서 수신한 신호를 입력 변수로 하여 실행된 상기 어플리케이션 모듈의 실행 결과에 따라 정해진 방향으로, 상기 구동 기기를 회전 또는 이동시키는 제어 모듈;을 더 포함하는, 사물 인터넷 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 구동 기기는
    상기 어플리케이션 모듈의 실행결과를 출력하는 출력 장치인, 사물 인터넷 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 방향성 음향 센서에서 수신한 신호가 유효한 입력 신호인지를 방향성과 연계하여 학습하는 학습 모듈;을 더 포함하는, 사물 인터넷 장치.
  20. 제1항의 방향성 음향 센서; 및
    상기 방향성 음향 센서에서 수신한 신호를 그 방향성에 따라 유효한 신호인지 여부를 판단하고, 유효한 신호인 경우, 이를 자동차 제어 모듈에 전달하는 유효 신호 추출 모듈;을 포함하는, 자동차 음성 인터페이스 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 유효 신호 추출 모듈은
    운전자의 방향 이외의 방향성을 가지는 음향 신호를 잡음으로 제거하여 상기 자동차 제어 모듈에 전달하는, 자동차 음성 인터페이스 장치.
  22. 제1항의 방향성 음향 센서;
    상기 방향성 음향 센서에서 센싱한 신호를 분석하여 상기 방향성 음향 센서에 입사된 음향의 방향성을 판단하는 프로세서; 및
    상기 프로세서의 신호 처리를 위한 프로그램 및 상기 프로세서의 실행 결과가 저장되는 메모리;를 포함하는, 공간 녹음(spatial recording) 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    다채널 스피커를 더 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 오디오 신호가 방향성에 맞추어 재생되도록 상기 다채널 스피커를 제어하는, 공간 녹음(spatial recording) 장치.
  24. 제1항의 방향성 음향 센서;
    전방위(omnidirectional) 촬영 모듈;
    상기 방향성 음향 센서에서 센싱하는 방향성 음향 신호와 상기 전방위 촬영 모듈에서 촬영하는 전방위 영상 신호가 정합하도록, 상기 방향성 음향 센서와 전방위 촬영 모듈을 제어하는 프로세서; 및
    상기 방향성 음향 신호 및 상기 전방위 영상 신호를 저장하는 메모리;를 포함하는, 전방위 카메라(omnidirectional camera).
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