KR20210110348A - 잡음 제어 - Google Patents

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KR20210110348A
KR20210110348A KR1020217024039A KR20217024039A KR20210110348A KR 20210110348 A KR20210110348 A KR 20210110348A KR 1020217024039 A KR1020217024039 A KR 1020217024039A KR 20217024039 A KR20217024039 A KR 20217024039A KR 20210110348 A KR20210110348 A KR 20210110348A
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피터 나이트 레이드
필립 스티븐 달링
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

하우징, 하우징에 부착되는 이어 패드 - 상기 이어 패드는 상기 하우징과 상기 이어 패드가 개구를 가지는 공동을 함께 형성하도록 배치됨 -, 및 공동 내에 배치되는 음향 드라이버를 포함하는 이어 컵이 제공된다. 이어 컵은 피드포워드 마이크로폰, 피드백 마이크로폰, 및 능동 잡음 제어(ANC) 회로부를 더 포함한다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는, 피드포워드 마이크로폰에 의하여 제공되는 피드포워드 신호를 사용하여 300 Hz 이상의 하한 및 1.5 kHz를 넘는 상한을 가지는 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 상기 음향 드라이버를 작동시키고, 상기 피드백 마이크로폰에 의하여 제공되는 피드백 신호를 사용하여 1.5 kHz 이하의 상한을 가지는 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 상기 음향 드라이버를 작동시키게끔 구성된다.

Description

잡음 제어
본 발명은 이어 컵 또는 스피커 어셈블리 내에서의 잡음 제어에 관한 것이고, 특히 헤드 웨어러블 공기 청정기의 이어 컵 내에서 능동 잡음 제어를 구현하는 것에 관한 것이다.
공기 오염은 점점 커지는 문제이고 다양한 공기 오염 물질들이 사람의 건강에 해로운 영향을 주는 것으로 알려졌거나 의심받고 있다. 공기 오염에 의해서 초래될 수 있는 악영향은 오염 물질 타입 및 농도, 및 오염된 공기에 노출된 길이에 따라 달라진다. 예를 들어, 공기 오염 수준이 높으면 심혈관 및 호흡 질병이 악화되는 것과 같은 즉각적인 건강 문제를 초래할 수 있는 반면에, 오염된 공기에 오래 노출되면 폐 용량의 손실 폐 기능의 저하, 및 천식, 기관지염, 기종, 및 가능하게는 암과 같은 질병들의 진행과 같은 영구적인 건강 문제들을 가질 수 있다.
특히 공기 오염 수준이 높은 곳에서는, 많은 사람들이 이러한 오염 물질에 노출되는 것을 최소화할 때의 이점을 인식하고 있고, 따라서 공기가 입 및 코에 도달하기 전에 공기 내에 존재하는 오염 물질 중 적어도 일부를 필터링하기 위해서 페이스 마스크를 착용하고 있다. 이러한 페이스 마스크는 상대적으로 큰 먼지 입자를 단순히 필터링하는 기본적인 먼지 마스크로부터 공기가 필터 요소 또는 카트리지를 통과하게 하는 더 복잡한 공기-정화 호흡기까지 다양하다. 그러나, 이러한 페이스 마스크가 통상적으로 적어도 사용자의 입 및 코를 덮기 때문에, 정상 호흡이 더 힘들어지게 될 수 있고 사용자가 다름 사람에게 말하는 능력에 문제가 생길 수 있어서, 잠재적인 이점에도 불구하고 이러한 페이스 마스크를 매일 이용하는 데에는 어느 정도 주저함이 있게 된다.
결과로서, 사용자에 의해 착용될 수 있지만 사용자의 입 및 코가 덮이도록 요구하지 않는 공기 청정기를 개발하려는 다양한 시도가 있었다. 예를 들어, 사용자의 목 주위에 착용되고 사용자의 입 및 코를 향해 상향 지향되는 공기의 제트류를 생성하는 웨어러블 공기 청정기에 대한 다양한 설계가 존재한다. 이들이 사회적으로는 더 많이 허용가능할 수 있지만, 이들은 가장 성능이 좋은 얼굴 착용형 필터 중 일부보다 공중 오염 물질에 대한 사용자의 노출을 한정하는 데에 있어서 대략적으로 효율이 떨어진다. 대략적으로, 이것은 사용자의 입 및 코에 공기의 제트류를 전달하는 정확도가 부족하다는 것과, 여전히 사용자의 입 및 코에 도달할 수 있는 필터링되지 않은 공기의 흐름이 있다는 사실에 기인한다.
WO2017120992, CN103949017A, KR101796969B1 및 CN203852759U는 모두 페이스 마스크 및 목 착용형 청정기 양자 모두에 대한 대안을 제공하는 머리 착용형 청정기를 기술한다. WO2017120992는 별개의 공기 필터링 유닛이 이어폰 중 하나로부터 연장되는 암 상에 제공되는 공기 출구에 파이프에 의해 연결되는 시스템을 기술한다. CN103949017A, KR101796969B1 및 CN203852759U 각각은 이제 팬 및 필터 양자 모두가 이어 컵 중 적어도 하나의 내에 내장되는 헤드셋을 기술한다. 이들 중에서, KR101796969B1 만이 공기 공급 유닛에 의해 생성되는 잡음을 줄이기 위해서 능동 잡음 제어(active noise control; ANC)를 구현하는 것을 고려한다. 구체적으로 설명하면, KR101796969B1은 이어 컵에 공기 공급 유닛의 잡음을 상쇄하기 위한 주파수를 생성하는 주파수 발생기가 제공되고, 이것이 잡음 감소를 위한 종래의 기법을 사용하여 달성될 수 있다고 진술한다. 그러나, 이러한 주장과 달리, 이어 컵 내에 위치된 팬에 의해 생성된 잡음을 감쇄시키기 위한 능동 잡음 제어를 구현하는 것은 간단하지 않다.
능동 잡음 제어는 잡음을 감쇄시키기 위해서 상쇄 간섭을 사용한다. 임의의 원치 않는 사운드의 주파수, 진폭 및 위상이 식별되고, 동일한 주파수 및 진폭이지만 반대 위상의 사운드, 즉 '반-잡음(anti-noise)'인 다른 사운드가 이러한 '반-잡음' 사운드가 잡음을 상쇄시킬 것이라는 의도로 생성된다. 헤드셋 내에서, 반-잡음 신호가 오디오 트랜스듀서에 의해 출력되기 이전에 소망되는 오디오 신호와 결합된다.
능동 잡음 제어는 피드포워드, 피드백 또는 하이브리드 시스템 중 임의의 것을 사용하여 구현될 수 있다. 피드포워드 시스템에서는, 피드포워드 마이크로폰이라고 불리는 레퍼런스 잡음 마이크로폰이 헤드셋의 외부에 가까이 위치되어 환경으로부터 잡음을 직접적으로 측정하고, 이러한 측정치를 피드포워드 ANC 필터로의 입력으로서 제공한다. 그러면, 피드포워드 ANC 필터는 피드포워드 마이크로폰으로부터의 입력을 사용하여 측정된 잡음을 감쇄시키기 위한 목적으로 반-잡음 신호를 생성한다. 피드백 시스템에서는, 피드백 마이크로폰이라고 불리는 오차 잡음 마이크로폰이 사용자의 귀에 가까이 위치되고, 통상적으로는 음향 트랜스듀서에 인접하게 위치되어, 사용자가 듣는 사운드를 측정하고, 이러한 측정치를 피드백 ANC 필터로의 입력으로서 제공한다. 그러면, 피드백 ANC 필터가 피드백 마이크로폰으로부터의 입력을 소망되는 오디오 소스와 비교하여 원치 않는 잡음을 식별하고, 식별된 잡음을 감쇄시키기 위한 목적으로 반-잡음 신호를 생성한다. 그러면, 하이브리드 시스템이 피드포워드 시스템 및 피드백 시스템 양자 모두를 조합하여 전체 잡음 상쇄 성능을 개선시킨다. 특히, 진보된 하이브리드 시스템에서는 피드포워드 시스템 및 피드백 시스템이 전체적으로 독립적으로 동작하지 않는데, 그 이유는 피드백 시스템에 의해 식별된 잡음이 피드포워드 ANC 필터의 성능을 개선하기 위하여 사용되기 때문이다(즉, 피드포워드 ANC 필터의 계수를 결정하기 위한 입력으로서 사용됨).
종래의 헤드셋 능동 잡음 제어는 오직 외부적으로 생성된 잡음만을 상쇄하도록 요구된다. 그러나, 팬이 이어 컵 내에 위치되는 머리 착용형 청정기에서는, 잡음이 팬을 구동하는 모터에 의해서 그리고 헤드셋에 진입하는 공기에 의해서 내부적으로도 생성될 것이다. 종래에 구성된 ANC 시스템은 외부 환경(즉 외인성) 잡음 및 내부 유래(즉 내인성) 잡음 양자 모두를 상쇄시킬 수 없다.
본 발명의 목적은 공기 청정기 능동 잡음 제어가 외부 환경(즉 외인성) 잡음 및 내부 유래(즉 내인성) 잡음 양자 모두를 상쇄할 수 있는 이어 컵, 및 이어 컵을 포함하는 헤드 웨어러블을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 하우징, 하우징에 부착되는 이어 패드 - 상기 이어 패드는 상기 하우징과 상기 이어 패드가 개구를 가지는 공동을 함께 형성하도록 배치됨 -, 및 공동 내에 배치되는 음향 드라이버를 포함하는 이어 컵이 제공된다. 이어 컵은 하우징에 의해 운반되고 하우징 외부의 환경에 음향이 통하도록 커플링된 피드포워드 마이크로폰(즉 레퍼런스 잡음 마이크로폰), 공동 내에 배치된 피드백 마이크로폰(즉 오차 잡음 마이크로폰), 및 능동 잡음 제어(ANC) 회로부를 포함한다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는, 피드포워드 마이크로폰에 의하여 제공되는 피드포워드 신호를 사용하여 적어도 300 Hz(즉, 그 이상)의 하한 및 1.5 kHz를 넘는 상한을 가지는 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 상기 음향 드라이버를 작동시키고, 상기 피드백 마이크로폰에 의하여 제공되는 피드백 신호를 사용하여 1.5 kHz 이하의 상한을 가지는 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 상기 음향 드라이버를 작동시키게끔 구성된다.
종래의 헤드셋 내에서는, 피드포워드 ANC 시스템이 통상적으로 2 kHz 아래의 주파수를 가지는 잡음 및 특히 40 Hz 내지 1.5 kHz의 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 구성되는 반면에, 종래의 피드백 ANC 시스템은 통상적으로 20 Hz 내지 500 Hz 범위 안의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 구성된다. 이에 반해, 본 발명의 발명자들은, 헤드 웨어러블 공기 청정기 내의 모터가 모터 잡음의 기본 주파수가 종래에 구성된 피드백 ANC 시스템에 의해서 감쇄되도록 구성될 수 있지만, 추가적 내인성 잡음(예를 들어 모터 잡음의 더 높은 고조파, 공기 돌입 잡음 등)의 감쇄는 그 리소스가 종래의 ANC 헤드셋과 완전히 상이한 방법으로 적용되는 피드포워드 ANC 시스템을 요구한다는 것을 발견했다.
상기 액티브 잡음 제어 회로부는, 상기 피드포워드 신호를 입력으로서 수신하고, 상기 음향 드라이버가 상기 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드포워드 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드포워드 필터를 포함할 수 있다.
피드포워드 ANC 범위의 하한은 적어도 350 Hz(즉, 그 이상)일 수 있다. 피드포워드 ANC 범위의 하한은 약 500 Hz일 수 있다. 피드포워드 ANC 범위의 상한은 적어도 2 kHz(즉, 그 이상)일 수 있다. 피드포워드 ANC 범위의 상한은 약 2 kHz일 수 있다. 피드포워드 ANC 범위의 하한은 약 500) Hz일 수 있고 상한은 약 2 kHz일 수 있다.
능동 잡음 제어 회로부는, 피드백 신호를 입력으로서 수신하고 음향 드라이버가 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드백 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드백 필터를 포함할 수 있다.
피드백 ANC 범위의 상한은 약 500 Hz일 수 있다. 피드백 ANC 범위의 하한은 적어도 20 Hz(즉, 그 이상)일 수 있고, 약 50 Hz일 수 있다. 피드백 ANC 범위의 하한은 약 50 Hz일 수 있고 상한은 약 500 Hz일 수 있다.
상기 이어 컵은, 상기 하우징 내에 배치되는 모터-구동 임펠러를 더 포함하고, 상기 모터-구동 임펠러는 상기 하우징을 통하여 공기흐름을 생성하도록 구성된다. 이어 컵은 모터-구동 임펠러의 최대 회전 속도가 9000 내지 18,000 RPM이 되도록 모터-구동 임펠러의 회전 속도를 제어하도록 구성되는 제어 회로를 더 포함할 수 있다. 제어 회로는 모터-구동 임펠러의 최대 회전 속도가 10,000 내지 14,000 RPM이 되고, 바람직하게는 10,000 내지 12,000 RPM이 되도록 모터-구동 임펠러의 회전 속도를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 하우징은, 상기 모터-구동 임펠러에 의하여 공기흐름이 상기 하우징 내로 견인될 수 있는 공기 입구 및 공기흐름을 상기 하우징으로부터 방출하기 위한 공기 출구를 포함할 수 있다. 이어 컵은 하우징 내에 배치되는 필터 어셈블리를 더 포함하고, 모터-구동 임펠러는 필터 어셈블리를 통과하는 공기흐름을 생성하도록 구성된다. 하우징의 공기 출구는 필터 어셈블리로부터 다운스트림에 있을 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 하우징, 하우징에 부착되는 이어 패드 - 상기 이어 패드는 상기 하우징과 상기 이어 패드가 개구를 가지는 공동을 함께 형성하도록 배치됨 -, 및 공동 내에 배치되는 음향 드라이버를 포함하는 이어 컵이 제공된다. 이어 컵은 공동 내에 배치된 피드백 마이크로폰(즉 오차 잡음 마이크로폰), 하우징에 의해 운반되고 하우징 외부의 환경에 음향이 통하도록 커플링된 피드포워드 마이크로폰(즉 레퍼런스 잡음 마이크로폰), 및 능동 잡음 제어 회로부를 더 포함한다. 능동 잡음 제어 회로부는 피드백 마이크로폰에 의해 제공되는 피드백 신호를 사용하여 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버가 감쇄시키도록 동작시키도록 구성되고, 또한 피드포워드 마이크로폰에 의해 제공되는 피드포워드 신호를 사용하여 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 음향 드라이버를 동작시키도록 구성되는, 피드백 ANC 범위는 피드포워드 ANC 범위와 중첩하지 않는다.
종래의 하이브리드 ANC 시스템은 저 주파수 잡음(예를 들어 100-500 Hz)을 처리하기 위하여 피드포워드 ANC 시스템 및 피드백 ANC 시스템 양자 모두를 사용하여, 이들이 의도적으로 피드포워드 ANC 시스템 및 피드백 ANC 시스템에 의해 제공되는 감쇄와 중첩하도록 구성되게 한다. 이에 반해, 본 발명의 발명자들은, 헤드 웨어러블 공기 청정기 내의 모터가 모터 잡음의 기본 주파수가 종래에 구성된 피드백 ANC 시스템에 의해서 감쇄될 수 있도록 구성될 수 있는 반면에, 피드포워드 ANC 시스템은 더 높은 주파수 공기 돌입 잡음 및 모터 잡음의 오버톤(overtone)에 목표를 두어야 한다는 것을 발견했다. 더욱이, 피드포워드 ANC 시스템의 응답은 내인성 잡음의 바람직하지 않은 증폭을 초래해서는 안 된다. 결과적으로, 이러한 시스템 내에서는 피드백 ANC 시스템 및 피드포워드 ANC 시스템이 그들의 응답들이 중첩하지 않도록 구성되는 것이 바람직하다.
능동 잡음 제어 회로부는, 피드백 신호를 입력으로서 수신하고 음향 드라이버가 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드백 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드백 필터를 포함할 수 있다. 상기 액티브 잡음 제어 회로부는, 상기 피드포워드 신호를 입력으로서 수신하고, 상기 음향 드라이버가 상기 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드포워드 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드포워드 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 이어 컵은 귀-밀착형(circumaural) 이어 컵 및 귀-둘레형(supra-aural) 중 임의의 것으로서 구성될 수 있고, 바람직하게는 귀-밀착형 이어 컵으로서 구성된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 헤드기어, 및 제 1 양태 및 제 2 양태 중 임의의 것에서 규정된 바와 같은 이어 컵을 포함하는 헤드 웨어러블 디바이스가 제공되는데, 이어 컵은 헤드기어에 부착되고 사용자의 귀 위에 착용되도록 배치된다.
상기 헤드 웨어러블 디바이스는, 사용자의 다른 쪽 귀 위에 착용되도록 구성되는 추가적인 이어 컵을 더 포함할 수 있다. 추가적인 이어 컵은 제 1 양태 및 제 2 양태 중 임의의 것에서 규정된 바와 같을 수 있다. 헤드기어는 사용자의 머리 위에 착용되도록 배치되는 헤드밴드를 포함할 수 있다. 그러면, 이어 컵은 헤드밴드의 제 1 단부 상에 장착될 수 있고, 추가적인 이어 컵은 헤드밴드의 반대 쪽 제 2 단부 상에 장착될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 피드포워드 신호를 수신하고 피드포워드 신호를 사용하여 적어도 300 Hz(즉, 그 이상) 및 1.5 kHz를 넘는 상한을 가지는 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버가 감쇄시키게 하는 명령을 생성하도록 구성되는 능동 잡음 제어(ANC) 회로부가 더 제공된다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 피드포워드 마이크로폰으로부터 피드포워드 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 이러한 명령을 음향 드라이버로 전송하도록 구성될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 능동 잡음 제어(ANC)를 구현하는 방법이 더 제공된다. 이러한 방법은, 피드포워드 마이크로폰으로부터 피드포워드 신호를 수신하는 단계, 및 피드포워드 신호를 사용하여 적어도 300 Hz(즉, 그 이상) 및 1.5 kHz를 넘는 상한을 가지는 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버가 감쇄시키게 하는 명령을 생성하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 명령을 음향 드라이버로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가적인 양태에 따르면, 피드백 신호 및 피드포워드 신호 양자 모두를 수신하도록 구성되는 능동 잡음 제어(ANC) 회로부가 더 제공된다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 피드백 신호를 사용하여 음향 드라이버가 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 상쇄하게 하는 명령을 생성하고, 피드포워드 신호를 사용하여 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버가 감쇄시키도록 하는 명령을 생성하도록 더 구성되는데, 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 피드백 ANC 범위가 피드포워드 ANC 범위와 중첩하지 않도록 구성된다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 피드백 마이크로폰으로부터 피드백 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 피드포워드 마이크로폰으로부터 피드포워드 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 능동 잡음 제어(ANC) 회로부는 이러한 명령을 음향 드라이버로 전송하도록 구성될 수 있다.
추가적인 다른 양태에 따르면, 능동 잡음 제어(ANC)를 구현하기 위한 방법이 더 제공된다. 이러한 방법은, 피드백 신호 및 피드포워드 신호 양자 모두를 수신하는 단계, 이러한 피드백 신호를 사용하여 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버가 상쇄하게 하는 명령을 생성하는 단계, 및 피드포워드 신호를 사용하여 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버가 상쇄하게 하는 명령을 생성하게 하는 단계를 포함하는데, 피드백 ANC 범위는 피드포워드 ANC 범위와 중첩하지 않는다. 이러한 방법은 피드백 신호를 피드백 마이크로폰으로부터 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 방법은 피드포워드 신호를 피드포워드 마이크로폰으로부터 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 방법은 명령을 음향 드라이버로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예가 이제 첨부된 도면을 참조하여 예시하는 방식으로만 설명될 것이다:
도 1a는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 헤드 웨어러블 공기 청정기의 일 실시형태의 전면 사시도이다;
도 1b는 도 1a의 헤드 웨어러블 공기 청정기의 정면도이다;
도 2a는 도 1a의 헤드 웨어러블 공기 청정기의 이어 컵의 측면도이다;
도 2b는 도 2a의 이어 컵의 사시도이다;
도 3a는 도 2a의 스피커 어셈블리의 단면도이다;
도 3b는 도 2a의 스피커 어셈블리의 추가적인 단면도이다;
도 4a는 임의의 능동 잡음 제어가 없는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 헤드 웨어러블 청정기에 대해서 수행된 사운드 측정치를 보여주는 그래프이다;
도 4b는 하이브리드 능동 잡음 제어가 있는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 헤드 웨어러블 청정기에 대해서 수행된 사운드 측정치를 보여주는 그래프이다;
도 4c는 내부로 유래하는 잡음에 대해 하이브리드 능동 잡음 제어에 의해 달성되는 감쇄를 외부적으로 유래하는 잡음에 대해 하이브리드 능동 잡음 제어에 의해 달성되는 감쇄와 비교하는 그래프이다;
도 5a는 임의의 능동 잡음 제어가 없는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 헤드 웨어러블 청정기에 대해서 수행된 사운드 측정치를 보여주는 그래프이다;
도 5b는 피드백만 있는 능동 잡음 제어가 있는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 헤드 웨어러블 청정기에 대해서 수행된 사운드 측정치를 보여주는 그래프이다;
도 5c는 내부로 유래하는 잡음에 대해 피드백만 있는 능동 잡음 제어에 의해 달성되는 감쇄를 외부적으로 유래하는 잡음에 대해 피드백만 있는 능동 잡음 제어에 의해 달성되는 감쇄와 비교하는 그래프이다; 그리고
도 6은 본 발명에 따라서 구성된 하이브리드 능동 잡음 제어에 의해 제공되는 응답의 일 예를 보여주는 그래프이다.
이제 능동 잡음 제어가 외부 환경(즉 외인성) 잡음 및 내부 유래(즉 내인성) 잡음 양자 모두를 상쇄할 수 있는 이어 컵, 및 이어 컵을 포함하는 헤드 웨어러블 공기 청정기가 설명될 것이다. "공기 청정기"라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때 공기로부터 오염 물질을 제거하고 정화되거나 필터링된 공기의 공급을 방출할 수 있는 디바이스 또는 시스템을 가리킨다. "헤드 웨어러블"이라는 용어는 본 명세서에서 사용자의 머리에 착용될 수 있거나 착용되기 적합한 아이템을 규정하기 위해서 사용된다.
"헤드폰"이라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때 사용자의 머리 위에 또는 주위에 착용되도록 설계된 헤드밴드에 의해 연결되는 작은 라우드스피커, 또는 스피커들의 쌍을 가리킨다. 통상적으로, 스피커는 전기 신호를 대응하는 사운드로 변환하는 전자음향 트랜스듀서에 의해서 제공된다. 풀-사이즈 또는 오버-이어(over-ear) 헤드폰이라고 불리는 귀밀착형(circumaural) 헤드폰은 그 형상이 폐루프의 형상(예를 들어 원형, 타원형 등)이어서 전체의 귀를 덮을 수 있는 이어 패드를 가진다. 이러한 헤드폰이 귀를 완전히 둘러싸기 때문에, 귀-밀착형 헤드폰은 머리에 밀착해서 완전히 밀봉함으로써 외부 잡음을 감쇄시키도록 설계될 수 있다. 흔히 온-이어(on-ear) 헤드폰이라고 불리는 귀-둘레형(supra-aural) 헤드폰은 귀 주위가 아니라 귀에 밀착하는 이어 패드를 가진다. 이러한 타입의 헤드폰은 대략적으로 귀-밀착형 헤드폰보다 더 작고 가벼워서, 결과적으로 외부 잡음이 더 적게 감쇄된다.
도 1a 및 도 1b는 헤드 웨어러블 공기 청정기(1000)의 일 실시형태의 외부도이다. 헤드 웨어러블 공기 청정기(1000)는 아치형 헤드밴드(1200)에 의해 연결된 대략적으로 원통형인 이어 컵 또는 스피커 어셈블리(1100a, 1100b)의 쌍, 및 양자 모두의 이어 컵(1100a, 1100b) 사이에서 연장되고 이들의 마주보는 단부들에 연결되는 노즐(1300)을 포함한다. 그러면, 도 2a는 도 1a 및 도 1b의 공기 청정기(1000)의 이어 컵(1100)의 측면도를 도시하는 반면에, 도 3b는 도 1a 및 도 1b의 공기 청정기(1000)의 이어 컵(1100)의 사시도를 도시한다. 이제, 도 3a 및 도 3b는 도 3a의 이어 컵(1100)의 다른 단면도이다.
이어 컵들(1100) 각각은 하우징(1101) 및 하우징(1101)에 부착된 이어 패드(1102)를 포함하고, 하우징(1101) 및 이어 패드(1102)는 개구(1104)를 가지는 공동(1103)을 함께 형성한다. 이제 스피커 또는 음향 드라이버 유닛(1105)이 하우징(1101)에 부착되어 이것이 공동(1103) 내에 배치되게 한다. 피드포워드 마이크로폰(즉 레퍼런스 잡음 마이크로폰)(1106)이 이제 하우징(1101) 외부의 환경에 음향이 통하도록 커플링되도록 하우징(1101)에 장착된다. 그러면, 능동 잡음 제어(ANC) 회로부(1107)는 피드포워드 마이크로폰(1106) 및 음향 드라이버(1105) 양자 모두에 연결된다. 이러한 ANC 회로부(1107)는 피드포워드 마이크로폰(1106)에 의해 제공된 피드포워드 신호를 사용하여 피드포워드 ANC 범위/간격 내의 주파수를 가지는 잡음을 음향 드라이버(1105)가 감쇄시키게 동작시키도록 구성되는데, 이러한 피드포워드 ANC 범위는 적어도 300 Hz(즉, 그 이상)의 하한/최소값 및 1.5 kHz보다 큰 상한/최대값을 가진다. 구체적으로 설명하면, ANC 회로부(1107)는, 피드포워드 신호를 입력으로서 수신하고, 음향 드라이버(1105)가 피드포워드 ANC 범위/간격 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드포워드 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드포워드 필터를 포함한다.
피드포워드 ANC 범위의 하한이 적어도 300 Hz인데 반해, 이러한 하한이 적어도 350 Hz(즉, 그 이상임)인 것이 바람직하고, 약 500 Hz인 것이 더 바람직하다. 또한, 피드포워드 ANC 범위의 상한이 1.5 kHz보다 크지만, 피드포워드 ANC 범위의 상한은 적어도 2 kHz인 것이 바람직하고, 약 2 kHz인 것이 더 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 피드포워드 ANC 범위의 하한은 약 500 Hz이고 상한은 약 2 kHz이다.
더 바람직한 실시형태에서, ANC 회로부(1107)는 피드포워드 마이크로폰(1106)에 의해 제공된 피드포워드 신호를 사용하여 2 kHz에서 적어도 5 dB의 350 Hz 내지 1.5 kHz에서 적어도 10 dB의 감쇄, 및 500 Hz 내지 1 kHz에서 적어도 15 dB의 감쇄 중 하나 이상을 달성하도록 음향 드라이버(1105)를 작동시키도록 구성된다.
이어 컵들(1100) 각각은 음향 드라이버(1105)에 인접하여 공동(1103)내에 배치된 피드백 마이크로폰(즉 오차 잡음 마이크로폰)(1108)을 더 포함한다. 그러므로, ANC 회로부(1107)도 피드백 마이크로폰(1108)에 의해 제공된 피드백 신호를 사용하여 음향 드라이버(1105)가 1.5 kHz 이하인 상한/최대값을 가지는 피드백 ANC 범위/간격 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 작동시키도록 구성된다. 구체적으로 설명하면, ANC 회로부(1107)는, 피드백 신호를 입력으로서 수신하고, 음향 드라이버(1105)가 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드백 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드백 필터를 포함한다.
피드백 ANC 범위의 상한이 1.5 kHz를 넘지 않지만, 이러한 상한은 약 500 Hz인 것이 바람직하다. 또한, 피드백 ANC 범위의 하한/최소값이 적어도 20 Hz인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 50 Hz이다. 바람직한 실시형태에서, 피드백 ANC 범위의 하한은 약 50 Hz이고 상한은 약 500 Hz이다.
더 바람직한 실시형태에서, 따라서 ANC 회로부(1107)도 피드백 마이크로폰(1108)에 의해 제공된 피드백 신호를 사용하여 음향 드라이버(1105)가 50 Hz 내지 500 Hz에서 적어도 5 dB의 감쇄, 100 Hz 내지 300 Hz에서 적어도 15 dB의 감쇄, 및 150 Hz 내지 250 Hz에서 적어도 25 dB의 감쇄 중 하나 이상을 달성하게 작동시키도록 구성된다.
이어 컵들(1100) 각각은 하우징(1101)을 통과하는 공기흐름을 생성하도록 배치되고 하우징(1101) 내에 배치되는 모터-구동 임펠러(1109)를 더 포함한다. 그러므로, 하우징(1101)에는 공기흐름이 모터-구동 임펠러(1109)에 의해 하우징(1101) 내로 견인될 수 있는 공기 입구(1110) 및 공기흐름을 하우징(1101)으로부터 방출하기 위한 공기 출구(1111)가 더 제공된다. 필터 어셈블리(1112)도 모터-구동 임펠러(1109)에 의해 생성된 공기흐름이 필터 어셈블리(1112)를 통과하도록 그리고 이어 컵(1100)으로부터 방출되는 공기흐름이 필터 어셈블리(1112)에 의해서 필터링/정화되도록 하우징(1101) 내에 배치된다. 그러므로, 필터 어셈블리(1112)는 하우징(1101)의 공기 입구(1110)의 다운스트림에(즉 임펠러(1109)에 의해 생성되는 공기흐름에 상대적으로) 그리고 공기 출구(1111)의 업스트림에 위치된다. 도시된 실시형태에서, 필터 어셈블리(1112)는 또한 모터-구동 임펠러(1109)에 상대적으로 업스트림에 위치된다.
이어 컵들(1100) 각각은, 임펠러(1109)의 최대 회전 속도가 9000 내지 18,000 RPM이 되도록, 바람직하게는 10,000 내지 14,000 RPM이 되도록, 그리고 더 바람직하게는 10,000 내지 12,000 RPM이 되도록 임펠러(1109)를 구동하는 모터(1113)의 회전 속도를 제어하도록 구성되는 모터 제어 회로(1107)를 더 포함한다. 후술되는 바와 같이, 이러한 범위의 회전 속도가, 종래에 구성된 피드백 ANC 시스템에 의해서 감쇄될 수 있는 모터 잡음의 기본 주파수를 초래하고, 이를 통하여 모터(1113) 및/또는 임펠러(1109)에 의해 생성되는 잡음이 상쇄될 수 있는 정도를 개선시킨다는 것이 발견되었다.
도시된 실시형태에서, 하우징(1101)은 그 위에 음향 드라이버 유닛(1105)이 장착되는 스피커 새시(1114) 및 음향 드라이버 유닛(1105) 위에서 스피커 새시(1114)에 장착되는 대략적으로 잘린 원뿔형 스피커 커버(1115)를 포함한다. 스피커 새시(1114)는 원통형 측벽(1114b)에 의해 둘러싸이는 대략적으로 원형인 베이스(1114a)를 포함한다. 그러면, 하우징의 공기 출구(1111)가 원통형 측벽(1114b) 내에 형성된 애퍼쳐에 의해서 형성된다. 이어 컵(1100)에는 하우징(1101)으로부터 연장되고 이어 컵(1100)의 공기 출구(1111)를 노즐(1300)의 공기 입구에 연결시키도록 구현되는 중공형 강성 출구 덕트(1130)가 더 제공된다.
스피커 새시의 베이스(1114a)의 중앙 부분은 음향 드라이버 유닛(1105)이 그 위에 위치될 수 있는 드라이버 지지 플레이트(1114c)를 제공한다. 그러면, 대략적으로 잘린 원뿔형 스피커 커버(1115)는 드라이버 지지 플레이트(1114c) 전부에 걸쳐서 스피커 새시(1114)에 장착됨으로써, 음향 드라이버 유닛(1105)이 스피커 커버(1115)에 의해 커버되게 한다. 스피커 새시(1114)의 드라이버 지지 플레이트(1114c)에는 음향 드라이버 유닛(1105)에 의해 생성된 사운드가 스피커 새시(1114)를 통과하여 이어 패드(1102)에 의해 밀폐된 공동(1103) 내로 지나가게 하기 위한 애퍼쳐들의 어레이가 제공된다. 또한, 드라이버 지지 플레이트(1114c)는 스피커 새시(1114)의 베이스(1114a)의 주변 부분에 대하여 비스듬하거나 기울어져 있다. 드라이버 지지 플레이트(1114c)의 각도 또는 틸트는, 음향 드라이버 유닛(1105)이 헤드 웨어러블 공기 청정기(1000)가 이어 컵(1100)이 사용자의 귀 위에 있으면서 사용자의 머리 위에 착용될 때 귀와 실질적으로 나란하게 되도록 선택된다. 예를 들어, 도시된 실시형태에서, 베이스(1114a)의 주변 부분에 대한 드라이버 지지 플레이트(1114c)의 각도는 10 내지 15 도이다.
임의의 원치 않는 잡음이 식별될 수 있도록 사용자에게 도달하는 사운드를 획득하기 위해서, 피드백 마이크로폰(1108)은 음향 트랜스듀서(1105)에 인접하게 공동(1103) 내에 제공된다. 구체적으로 설명하면, 피드백 마이크로폰(1108)은 음향 트랜스듀서(1105) 및 공동(1103)의 개구(1104) 사이에서 스피커 새시(1114) 상에 장착된다. 피드백 마이크로폰(1108)은 데이터를 ANC 회로부(1107)로 제공하도록 배치된다. ANC 회로부(1107)는, 피드포워드 및 피드백 ANC 필터를 구현하고 그들의 출력을 오디오 트랜스듀서(1105)를 제어하도록 구성되는 오디오 제어 회로로 제공하는 하나 이상의 프로세서에 의해 제공된다.
도시된 실시형태에서, ANC 회로부, 모터 제어 회로 및 오디오 제어 회로는 스피커 새시(1114)의 주변 부분 상에 배치되거나 장착되는 단일 회로 보드(1107)에 의해서 제공된다. 그러므로, 회로 보드(1107)는, 음향 드라이버 유닛(1105)이 드라이버 지지 플레이트(1114c)에 장착될 때 음향 드라이버 유닛(1105)을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다(즉, 음향 드라이버 유닛(1105)의 주연부 밖에 주위에 배치됨).
임펠러(1109) 및 모터(1113) 양자 모두를 포함하는 대략적으로 잘린-원뿔형 임펠러 케이싱(1116)은 이제 스피커 커버(1115) 위에 배치되어, 음향 드라이버 유닛(1105)이 임펠러 케이싱(1116)의 배면/후면에 의해 형성되는 리세스 또는 공동 내에 네스팅되게 한다. 이러한 임펠러 케이싱(1116)은 임펠러(1109) 및 모터(1113)를 둘러싸는 대략적으로 잘린-원뿔형 임펠러 하우징(1117), 및 임펠러 하우징(1117)의 베이스에 유체가 흐르도록(fluidically) 연결되고 임펠러 하우징(1117)에 의해 방출된 공기를 받아들이도록 구성되는 환형 볼류트(volute; 1118)를 포함한다. 임펠러 하우징(1117)에는 공기가 임펠러(1109)에 의해 견인될 수 있는 공기 입구(1119) 및 공기가 임펠러 하우징(1117)으로부터 환형 볼류트(1118) 내로 방출되는 공기 출구(1120)가 제공된다. 임펠러 하우징(1117)의 공기 입구(1119)는 임펠러 하우징(1117)의 소직경 단부에 있는 애퍼쳐/개구에 의해서 제공되고, 공기 출구(1120)는 임펠러 하우징(1117)의 대직경 단부 또는 베이스 주위에 형성되는 환형 슬롯에 의해서 제공된다.
환형 볼류트(1118)는 임펠러 하우징(1117)에 의해 방출된 공기를 받아들이고 공기를 볼류트(1118)의 공기 출구(1121)로 유도하도록 구성되는 나선형(즉 점진적으로 넓어지는) 덕트를 포함한다. 그러면, 볼류트(1118)의 공기 출구(1121)는 스피커 어셈블리(1100)의 공기 출구(1111)에 유체가 흐르도록 연결된다. "볼류트"라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때 임펠러에 의해 펌핑되는 유체를 받아들이고 방출 포트에 가까워질수록 면적이 커지는 나선형 깔때기를 가리킨다. 그러므로, 볼류트(1118)의 공기 출구(1121)는 임펠러 하우징(1117)의 공기 출구(1120)를 형성하는 원주형 환형 슬롯으로부터 방출되는 공기를 수집하기 위한 효율적이고 조용한 수단을 제공한다.
도시된 실시형태에서, 임펠러(1109)는 대략적으로 원뿔형 또는 잘린-원뿔형 형상을 가지는 혼합된 흐름 임펠러이다. 임펠러(1109)는 중공형이어서, 임펠러(1109)의 후면/배면이 대략적으로 잘린-원뿔형 리세스를 형성하게 한다. 그러면, 모터(1113)는 이러한 리세스 내에 네스팅/배치된다. 바람직하게는, 임펠러(1109)는 후면 슈라우드(1122)만을 가지는 반-개방형/반-폐쇄형 혼합된 흐름 임펠러이다. 그러면, 임펠러(1109)의 후면 슈라우드(1122)는 그 안에 모터(1113)가 네스팅/배치되는 리세스를 형성한다.
임펠러 케이싱(1116)은 이제 임펠러 케이싱(1116)으로부터 스피커 하우징(1101)으로의 진동의 전달을 감소시키는 복수 개의 탄성 지지체(1123)에 의해서 하우징(1101) 내에 지지/걸려진다. 이를 수행하기 위해서는, 복수 개의 탄성 지지체(1123) 각각은 탄성중합체 또는 고무 재료와 같은 탄성 재료를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 스피커 하우징(1101) 및 임펠러 케이싱(1116) 사이에는 탄성 지지체(1123)에 의한 직접 연결만이 제공된다.
필터 어셈블리(1112)는 이제, 필터 어셈블리(1112)가 임펠러(1109)의 업스트림에 제공되고 임펠러 케이싱(1116) 위에서 네스팅되도록 스피커 새시(1114)에 장착된다. 필터 어셈블리(1112)는 하나 이상의 필터 요소(1125, 1126)를 지지하는 필터 시트(filter seat; 1124)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 필터 어셈블리(1112)는 미립자 필터 요소(1125) 및 화학물질 필터 요소(1126) 양자 모두를 포함하는데, 미립자 필터 요소(1125)는 화학물질 필터 요소(1126)에 비해서 업스트림에 위치된다.
필터 시트(1124)에는 공기가 필터 시트(1124)의 전면으로부터 필터 시트(1124)의 후면/뒷면으로 지나가게 하는 복수 개의 애퍼쳐(1127)가 제공되는데, 전면은 복수 개의 애퍼쳐(1127) 위에서 필터 요소(1125, 1126)를 지지하도록 구성된다. 그러면, 필터 시트(1124)는 필터 시트(1124)의 후면/뒷면 및 공기를 임펠러 케이싱(1116)의 공기 입구(1119)로 유도하도록 구성되는 임펠러 케이싱(1116)의 공기 입구(1119) 사이에 공기 통로 또는 채널(1128)을 더 형성한다. 이러한 공기 통로(1128)는 필터 시트(1124)의 후면/뒷면 및 임펠러 케이싱(1116)의 전면 사이에 형성된 공동에 의해서 제공된다. 그러므로, 공기는 필터 시트(1124) 내의 애퍼쳐(1127)를 통과하고 임펠러 케이싱(1116)의 공기 입구(1119)로 유도하는 공기 통로(1128) 내로 들어갈 수 있기 이전에 필터 요소(1125, 1126)를 통과해야 한다.
도시된 실시형태에서, 필터 시트(1124)는 스피커 새시(1114)에 장착되고 임펠러 하우징(1117) 위에 위치되며, 임펠러 하우징(1117)은 필터 시트(1124)의 후면에 의해서 형성되는 볼륨 내에 부분적으로 배치된다. 특히, 필터 시트(1124)는 대략적으로 잘린-원뿔형 주변 부분 및 대략적으로 원통형인 중앙 부분을 포함한다. 필터 시트(1124)의 대략적으로 잘린-원뿔형 주변 부분에는 복수 개의 애퍼쳐(1127)가 제공되고, 하나 이상의 대략적으로 잘린-원뿔형 필터 요소(1125, 1126)를 복수 개의 애퍼쳐(1127) 위로 지지하도록 구성된다. 그러면, 임펠러 하우징(1117)은 필터 시트(1124)의 대략적으로 원통형 중앙 부분 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 특히, 임펠러 하우징(1117)의 공기 입구(1119)는 필터 시트(1124)의 원통형 중앙 부분의 후면에 의해 형성되는 볼륨 내에 배치된다.
하우징(1101)은 스피커 새시(1114) 상에 장착되는 외부 커버(1129)를 더 포함한다. 이러한 외부 커버(1129)는 필터 어셈블리(1112) 위에 맞춤되도록(그리고, 따라서 대략적으로 일치하도록) 구성되고, 공기가 외부 커버(1129)를 통과하게 하고 따라서 외부 커버(1129)의 공기 입구(1110)를 형성하는 애퍼쳐들의 어레이가 제공된다. 이러한 애퍼쳐는 더 큰 입자가 필터 어셈블리(1112)를 통과하고 필터 요소(1125, 1126)를 막거나 그렇지 않으면 손상을 입히는 것을 방지하는 크기를 가진다. 또는, 공기가 통과하게 하기 위해서, 외부 커버(1129)는 외부 커버(1129) 내의 윈도우 내에 장착되는 하나 이상의 그릴 또는 메시를 포함할 수 있다. 어레이의 다른 패턴들이 본 발명의 범위 안에서 구상된다는 것도 마찬가지로 명백할 것이다.
외부 커버(1129)는 필터 어셈블리(1112)를 커버하기 위해서 스피커 새시(1114)에 해제가능하게 부착된다. 예를 들어, 외부 커버(1129)는 외부 커버(1129) 및 스피커 새시(1114) 상에 제공되는 협동 스크류 쓰레드를 사용하여 및/또는 일부 캐치 메커니즘을 사용하여 스피커 새시(1114)에 부착될 수 있다. 스피커 새시(1114) 상에 장착되는 경우, 외부 커버(1129)는 필터 요소(1125, 1126)를, 예를 들어 이동하는 동안의 손상으로부터 방지하고, 또한 청정기(1000)의 전체 외관과 일체감이 있는, 필터 어셈블리(1112)를 덮는 시각적으로 예쁜 외면을 제공한다.
도시된 실시형태에서, 외부 커버(1129)는 개방된 단부가 있는 중공형 잘린 원뿔(frustacone)로서 제공된다. 외부 커버(1129)의 개방된 대직경 단부는 필터 어셈블리(1112)의 대직경 단부의 주위에 맞춤되도록 구성되는 반면에, 외부 커버(1129)의 개방된 소직경 단부는 필터 어셈블리(1112)의 소직경 단부의 주변 및 필터 시트(1124)의 대략적으로 원통형인 중앙 부분 양자 모두에 걸쳐서 맞춤되도록 구성된다. 그러므로, 필터 시트(1124)의 대략적으로 원통형 중앙 부분의 원형 전면(1124a)은 외부 커버(1129)의 개방된 소직경 단부 내에서 노출되고, 이를 통하여 스피커 어셈블리(1100)의 외면의 일부를 형성한다. 바람직하게는, 필터 시트(1124)의 원형 전면(1124a)은 투명하고, 이를 통하여 사용자가 임펠러 케이싱(1116)의 공기 입구(1119)를 통해서 임펠러(1109)가 회전하는 것을 볼 수 있는 윈도우를 형성한다. 그러면 사용자는 임펠러(1109)의 속도를 점검하고 임펠러(1109)가 적절하게 동작하고 있다는 것을 확정할 수 있게 된다.
피드포워드 마이크로폰(1106)은 이어 컵(1100)의 외부를 향해서 하우징(1101)의 외면에 인접하게 제공된다. 구체적으로 설명하면, 피드포워드 마이크로폰(1106)은 필터 시트(1124)의 원형 전면(1124a)의 내면에 장착된다. 피드포워드 마이크로폰(1106)은 데이터를 ANC 회로부(1107)로 제공하도록 구성되고, 그러면 ANC 회로부(1107)는 음향 드라이버 유닛(1105)을 제어할 때 능동 잡음 상쇄(ANC)를 구현하도록 구성된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 노즐(1300)의 개방된 제 1 단부는 제 1 스피커 어셈블리(1100a)의 하우징(1101)으로부터 연장되는 강성 출구 덕트(1130)에 연결된다. 그러면, 노즐(1300)이 제 1 이어 컵(1100a)으로부터 멀어지게 연장되고, 아치형 형상을 가져서 노즐(1300)의 반대편의 개방된 제 2 단부가 제 2 이어 컵(1100b)의 스피커 하우징(1101)으로부터 연장되는 강성 출구 덕트(1130)에 연결되게 한다. 노즐(1300)은, 청정기(1000)가 제 1 이어 컵(1100a)이 사용자의 제 1 귀 위에 있고 제 2 이어 컵(1100b)이 사용자의 제 2 귀 위에 있으면서 사용자에 의해 착용되면, 노즐(1300)이 사용자의 얼굴 주위를 일측으로부터 다른 측으로 그리고 사용자의 입의 앞부분에서 연장될 수 있도록 배치된다. 특히, 노즐(1300)은 사용자의 얼굴의 입, 코 또는 주변 영역과 접촉하지 않으면서 사용자의 턱 주위에 한쪽 뺨에 인접한 부분으로부터 다른 쪽 빰에 인접하게 연장된다. 그러므로, 노즐(1300)의 적어도 일부가 투명 또는 부분적으로 투명한 재료로 형성되어, 사용자가 다른 사람에게 또렷하게 말하는 능력을 제한하는 것을 피하기 위해서 사용자의 입이 노즐(1300)을 통해 보일 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 노즐의 중앙 부분은 폴리우레탄과 같은 탄력적인 투명 플라스틱으로 제작될 수 있는 반면에, 두 개의 단부 부분들은 각각 PETG(polyethylene terephthalate glycol-modified)와 같은 단단하고 투명한 플라스틱으로 제작될 수 있다. 또는, 전체 노즐(1300)은 하나의 투명 또는 부분적으로 투명한 재료로 형성될 수 있다.
노즐(1300)에는 필터링된 공기를 사용자에게 방출/전달하기 위한 공기 출구(1301)가 제공된다. 예를 들어, 노즐(1300)의 공기 출구(1301)는 노즐(1300)의 섹션에 형성된 애퍼쳐들의 어레이를 포함할 수 있고, 이러한 애퍼쳐들은 노즐(1300)에 의해 형성된 내부 통로로부터 노즐(1300)의 외면으로 연장된다. 또는, 노즐(1300)의 공기 출구(1301)는 노즐(1300) 내의 윈도우 안에 장착되는 하나 이상의 그릴 또는 메시를 포함할 수 있다.
사용 시에, 청정기(1000)가 제 1 이어 컵(1100a)이 사용자의 제 1 귀 위에 있고 제 2 이어 컵(1100b)이 사용자의 제 2 귀 위에 있으면서 사용자에 의해 착용됨으로써, 노즐(1300)은이 사용자의 얼굴 주위를 한쪽 귀로부터 다른 쪽 귀로 그리고 적어도 사용자의 입 위로 연장될 수 있게 한다. 각각의 이어 컵(1100a, 1100b) 내에서, 모터(1113)에 의해 임펠러(1109)가 회전되면 공기흐름이 공기를 외부 커버(1129) 내의 애퍼쳐를 통해서 스피커 어셈블리(1100) 내로 견인하는 임펠러 케이싱(1116)을 통해서 생성되게 될 것이다. 이러한 공기 흐름은 이제 외부 커버(1129) 및 필터 시트(1124) 사이에 배치된 필터 요소(1125, 1126)를 통과하고, 이를 통하여 공기흐름을 필터링 및/또는 정화시킬 것이다. 결과적으로 얻어지는 필터링된 공기흐름은 이제 필터 시트(1124)의 잘린 원뿔형 부분 내에 제공된 애퍼쳐(1127)를 통해서 임펠러 케이싱(1116) 및 필터 시트(1124)의 반대면사이의 공간에 의해 제공되는 공기 통로(1129) 내로 통과할 것이고, 공기 통로(1128)는 이제 공기흐름을 임펠러 케이싱(1116)의 공기 입구(1119)로 유도한다. 그러면, 임펠러(1109)는 필터링된 공기흐름을 임펠러 하우징(1117)의 공기 출구(1120)를 제공하는 환형 슬롯 밖으로 빼내고 임펠러 케이싱(1116)의 볼류트(1118) 내로 강제로 보낼 것이다. 볼류트(1118)는 이제 필터링된 공기흐름을 스피커 어셈블리(1100)의 공기 출구(1111)를 통해서, 하우징(1101)으로부터 연장되는 강성 출구 덕트(1130)를 통과하여, 그리고 노즐(1300)의 개방된 단부들 중 하나에 의해 제공되는 공기 입구를 통해서 노즐(1300) 내로 유도한다.
예
마이크로폰이 설치된 인공 헤드 측정 시스템을 사용하여 전술된 바와 같은 헤드 웨어러블 청정기에 대해서 측정이 수행되었다.
도 4a는 모터가 온 상태이고 임의의 ANC가 없이 측정된 측정치들을 보여주는 반면에, 도 4b는 모터가 온 상태이고 하이브리드 ANC를 적용하면서 측정된 측정치들을 보여준다. 그리고, 도 4c는 모터를 온 시킴으로써 초래된 내부에서 유래하는 잡음에 대한 하이브리드 ANC에 의해 달성되는 상쇄(즉 도 4a 및 도 4b의 측정치들의 차이)를 외부에서 유래하는 잡음(즉 주파수 스윕(sweep)을 수행하는 외부 스피커를 사용하여 생성된 잡음)에 대한 하이브리드 ANC에 의해 달성되는 상쇄와 비교하여 보여준다. 이러한 그래프로부터, 하이브리드 ANC가 150Hz에서 내부에서 유래하는 잡음보다 외부에서 유래하는 잡음의 더 양호한 감쇄를 제공한다는 것을 알 수 있다.
이러한 측정이 피드백 ANC만을 사용하여 반복되었다. 그러므로, 도 5a는 모터가 온 상태이고 임의의 ANC가 없이 측정된 측정치들을 보여주는 반면에, 도 5b는 모터가 온 상태이고 피드백만의 ANC를 적용하면서 측정된 측정치들을 보여준다. 그리고, 도 5c는 모터를 온 시킴으로써 초래된 내부에서 유래하는 잡음에 대한 피드백만의 ANC에 의해 달성되는 상쇄(즉 도 5a 및 도 5b의 측정치들의 차이)를 외부에서 유래하는 잡음(즉 주파수 스윕(sweep)을 수행하는 외부 스피커를 사용하여 생성된 잡음)에 대한 피드백만의 ANC에 의해 달성되는 상쇄와 비교하여 보여준다. 이러한 그래프부터, 피드백만의 ANC는 모터를 온 시킴으로써 초래되는 내부에서 유래하는 잡음에 대해 제공하는 것과 거의 동일한 수준의 감쇄를 외부에서 유래하는 잡음에 대하여 제공한다는 것을 알 수 있다.
이러한 결과로부터, 피드포워드 ANC가 모터를 온 시킴으로써 초래되는 내부에서 유래하는 잡음의 임의의 추가적인 감쇄를 달성하지 않는다는 것이 결정되었는데, 이것은 이어 컵의 외부면으로부터 전파되는 모터 잡음의 양이 이어 컵 내의 잡음에 추가되기에는 너무 낮기 때문이다. 결과적으로, 본 발명의 발명자들은 하이브리드 ANC 시스템의 피드백 리소스가 모터 잡음의 기본 주파수(첫 번째 고조파)에 목표를 두어야 하고, 피드포워드 리소스는 따라서 모터 잡음을 증폭하지 않으면서 모터 잡음의 6차 고조파 및 더 많은 브로드밴드 공기 돌입 잡음과 같은 더 높은 주파수 잡음을 처리하도록 튜닝될 수 있다는 것을 인식했다. 이러한 접근법을 전술된 것과 같은 헤드 웨어러블 청정기의 일 예에 적용하면, 약 150 Hz에서의 약 20 dB의 감쇄가 하이브리드 ANC 시스템의 피드백 부분을 적절하게 튜닝함으로써 달성될 수 있고, 이것이 모터 잡음의 기본 주파수(첫 번째 고조파)를 억제하기에 충분할 것이지만, 하이브리드 ANC 시스템의 피드포워드 부분이 500 Hz 내지 2 kHz의 주파수 대역에서 최대 10 dB가 넘는 잡음을 감쇄시키도록 별개로 튜닝될 수 있다는 것이 나타났다. 이러한 방식으로 구성된 하이브리드 ANC 시스템에 의해 제공된 응답의 일 예가 도 6에 도시된다.
전술된 개별적인 아이템들이 홀로 또는 도면에 도시되거나 상세한 설명에서 설명된 다른 아이템과 조합으로 사용될 수 있고, 동일한 문단에서 서로 별개인 것으로 또는 동일한 도면에서 서로 별개인 것으로 언급되는 아이템들은 서로 조합되어 사용될 필요가 없다는 것이 이해될 것이다. 추가적으로, "수단"이라는 표현은 바람직할 수도 있는 액츄에이터 또는 시스템 또는 디바이스에 의하여 대체될 수도 있다. 추가하여, "포함(comprising)" 또는 "포함하는(consisting)"에 대한 임의의 언급은 어떠한 방식으로도 한정하려는 의도가 아니며, 읽는 사람들은 상세한 설명과 청구항을 이에 따라서 해석해야 한다.
더욱이, 비록 본 발명이 위에서 진술된 바람직한 실시예의 관점에서 설명되어 왔지만, 이러한 실시예들은 오직 예시적인 것이라는 것이 이해되어야 한다. 당업자는 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 고찰되는 본 개시물의 관점에서 변형을 하거나 대체할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술된 실시형태에서 헤드 웨어러블 공기 청정기는 두 개의 스피커 어셈블리들이 헤드밴드의 반대 단부들에 제공되는 헤드폰 시스템을 포함한다. 그러나, 헤드 웨어러블 공기 청정기는 사용자의 제 1 귀 위에 제 1 스피커 어셈블리를 지지하고 사용자의 제 2 귀 위에 제 2 스피커 어셈블리를 지지하기 위해서 사용될 수 있는 임의의 헤드 웨어러블 물품을 균등하게 포함할 수 있다. 예를 들어, 헤드 웨어러블 공기 청정기는 안전모 및 헬멧, 자전거 헬멧, 모터사이클 헬멧 등을 포함하는 모자 또는 헬멧과 같은 임의의 타입의 헤드기어를 포함할 수 있다.
추가하여, 전술된 실시형태에서 스피커 어셈블리들 양자 모두가 모터-구동 임펠러 및 필터 어셈블리를 포함하고, 양자 모두의 스피커 어셈블리가 이제 필터링된/정화된 공기를 노즐에 제공하지만, 두 개의 스피커 어셈블리 중 하나만이 모터-구동 임펠러 및 필터 어셈블리를 포함함으로써, 하나의 단일 스피커 어셈블리만이 이제 필터링된/정화된 공기를 노즐에 제공하는 것도 역시 가능하다. 그러나, 이러한 구성은 전술된 실시형태들의 효과만큼 효과적이지는 않을 것이다.

Claims (27)

  1. 이어 컵으로서,
    하우징;
    상기 하우징에 부착되는 이어 패드 - 상기 이어 패드는 상기 하우징과 상기 이어 패드가 개구를 가지는 공동을 함께 형성하도록 배치됨 -;
    상기 공동 내에 배치되는 음향 드라이버;
    상기 하우징에 의하여 운반되고, 상기 하우징 외부의 환경에 음향이 통하도록(acoustically) 커플링되는 피드포워드 마이크로폰;
    상기 공동 내에 배치되는 피드백 마이크로폰; 및
    상기 피드포워드 마이크로폰에 의하여 제공되는 피드포워드 신호를 사용하여 300 Hz 이상의 하한 및 1.5 kHz를 넘는 상한을 가지는 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 상기 음향 드라이버를 작동시키고, 상기 피드백 마이크로폰에 의하여 제공되는 피드백 신호를 사용하여 1.5 kHz 이하의 상한을 가지는 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키도록 상기 음향 드라이버를 작동시키게끔 구성되는 능동 잡음 제어(active noise control; ANC) 회로부를 포함하는, 이어 컵.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 잡음 제어 회로부는,
    상기 피드포워드 신호를 입력으로서 수신하고, 상기 음향 드라이버가 상기 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드포워드 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드포워드 필터를 포함하는, 이어 컵.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피드포워드 ANC 범위의 하한은 350 Hz 이상인, 이어 컵.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드포워드 ANC 범위의 하한은 약 500 Hz인, 이어 컵.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드포워드 ANC 범위의 상한은 2 kHz 이상인, 이어 컵.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드포워드 ANC 범위의 상한은 약 2 kHz인, 이어 컵.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드포워드 ANC 범위의 하한은 약 500 Hz이고, 상한은 약 2 kHz인, 이어 컵.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 잡음 제어 회로부는,
    피드백 신호를 입력으로서 수신하고, 상기 음향 드라이버가 상기 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 상쇄시키게 하는 피드백 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드백 필터를 포함하는, 이어 컵.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백 ANC 범위의 상한은 약 500 Hz인, 이어 컵.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백 ANC 범위의 하한은 20 Hz 이상이고, 바람직하게는 약 50 Hz인, 이어 컵.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백 ANC 범위의 하한은 약 50 Hz이고, 상한은 약 500 Hz인, 이어 컵.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이어 컵은,
    상기 하우징 내에 배치되는 모터-구동 임펠러를 더 포함하고,
    상기 모터-구동 임펠러는 상기 하우징을 통하여 공기흐름을 생성하도록 구성되는, 이어 컵.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이어 컵은 상기 모터-구동 임펠러의 최대 회전 속도가 9000 내지 18,000 RPM이 되도록 상기 모터-구동 임펠러의 회전 속도를 제어하도록 구성되는 제어 회로를 더 포함하는, 이어 컵.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어 회로는, 상기 모터-구동 임펠러의 최대 회전 속도가 10,000 내지 14,000 RPM이 되고, 바람직하게는 10,000 내지 12,000 RPM이 되게끔 상기 모터-구동 임펠러의 회전 속도를 제어하도록 구성되는, 이어 컵.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 모터-구동 임펠러에 의하여 공기흐름이 상기 하우징 내로 견인될 수 있는 공기 입구 및 공기흐름을 상기 하우징으로부터 방출하기 위한 공기 출구를 포함하는, 이어 컵.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이어 컵은,
    상기 하우징 내에 배치되는 필터 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 모터-구동 임펠러는 상기 필터 어셈블리를 통하여 공기흐름을 생성하도록 구성되는, 이어 컵.
  17. 제 15 항을 인용하는 제 16 항에 있어서,
    상기 하우징의 공기 출구는 상기 필터 어셈블리로부터 다운스트림에 있는, 이어 컵.
  18. 이어 컵으로서,
    하우징;
    상기 하우징에 부착되는 이어 패드 - 상기 이어 패드는 상기 하우징과 상기 이어 패드가 개구를 가지는 공동을 함께 형성하도록 배치됨 -;
    상기 공동 내에 배치되는 음향 드라이버;
    상기 공동 내에 배치되는 피드백 마이크로폰;
    상기 하우징에 의해 운반되고 상기 하우징 외부의 환경에 음향이 통하도록 커플링되는 피드포워드 마이크로폰; 및
    상기 피드백 마이크로폰에 의해 제공되는 피드백 신호를 사용하여 상기 음향 드라이버가 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 상쇄시키게끔 동작시키도록 구성되고, 상기 피드포워드 마이크로폰에 의해 제공되는 피드포워드 신호를 사용하여 상기 음향 드라이버가 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 상쇄시키게끔 동작시키도록 더 구성되는 능동 잡음 제어 회로부를 포함하고,
    상기 피드백 ANC 범위는 상기 피드포워드 ANC 범위와 중첩하지 않는, 이어 컵.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 능동 잡음 제어 회로부는,
    상기 피드백 신호를 입력으로서 수신하고, 상기 음향 드라이버가 상기 피드백 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드백 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드백 필터; 및
    상기 피드포워드 신호를 입력으로서 수신하고, 상기 음향 드라이버가 상기 피드포워드 ANC 범위 내의 주파수를 가지는 잡음을 감쇄시키게 하는 피드포워드 필터 출력을 생성하도록 구성되는 피드포워드 필터를 포함하는, 이어 컵.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 이어 컵은,
    상기 하우징 내에 배치되는 모터-구동 임펠러를 더 포함하고,
    상기 모터-구동 임펠러는 상기 하우징을 통하여 공기흐름을 생성하도록 구성되는, 이어 컵.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 모터-구동 임펠러에 의하여 공기흐름이 상기 하우징 내로 견인될 수 있는 공기 입구 및 공기흐름을 상기 하우징으로부터 방출하기 위한 공기 출구를 포함하는, 이어 컵.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 이어 컵은,
    상기 하우징 내에 배치되는 필터 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 모터-구동 임펠러는 상기 필터 어셈블리를 통하여 공기흐름을 생성하도록 구성되는, 이어 컵.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이어 컵은 귀-밀착형(circumaural) 이어 컵 및 귀-둘레형(supra-aural) 중 임의의 것으로서 구성되고, 바람직하게는 귀-밀착형 이어 컵으로서 구성되는, 이어 컵.
  24. 헤드 웨어러블 디바이스로서,
    헤드기어; 및
    제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 이어 컵을 포함하고,
    상기 이어 컵은 상기 헤드기어에 부착되고, 사용자의 귀 위에 착용되도록 구성되는, 헤드 웨어러블 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 헤드 웨어러블 디바이스는,
    사용자의 다른 쪽 귀 위에 착용되도록 구성되는 추가적인 이어 컵을 더 포함하는, 헤드 웨어러블 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 추가적인 이어 컵은, 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은, 헤드 웨어러블 디바이스.
  27. 제 24 항 및 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤드기어는 사용자의 머리 위에 착용되도록 구성되는 헤드밴드를 포함하고,
    상기 이어 컵은 상기 헤드밴드의 제 1 단부 위에 장착되며, 상기 추가적인 이어 컵은 상기 헤드밴드의 반대쪽 제 2 단부 위에 장착되는, 헤드 웨어러블 디바이스.
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