KR20220008230A - 음장 센서의 노이즈 회피 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 음장 센서의 노이즈 회피 방법은 음원 발생부가, 다수의 주파수 성분들을 갖는 사인파의 선형합으로 이루어진 음원 신호를 특정 공간으로 전파하는 단계; 음원 수신부가, 상기 음원 신호를 수신하는 단계; 전처리부가, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호로부터 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 단계; 및 신호 처리부가, 상기 전처리부에 의해 검출된 음원 신호를 푸리에 변환하여, 상기 특정 공간 내의 사물의 움직임 또는 온도 변화를 감시하기 위한 음압 스펙트럼을 측정하는 단계;를 포함한다.

Description

음장 센서의 노이즈 회피 방법{Noise avoidance method of sound field sensor}

본 발명은 음장 센서에 관한 기술이다.

음향 센서는 소리를 이용하여 사물의 형상 또는 거리를 감지하는 것으로 소나(SOund Navigation And Ranging: SONAR)가 있다. 소나(SONAR)의 대표적인 예로는, 잠수함 탐지기, 어군 탐지기, 태아나 간 등의 장기의 형상을 관찰하는 초음파 검사장치 등이 있다.

소나(SONAR)는 펄스 형태의 음향 신호를 발생시킨 후 목적물에 반사되어 되돌아오는 소리(반사음(reflected sound 또는 reflection) 또는 반사파(reflected wave)를 측정하여 사물(objects)의 방위와 거리를 계산한다.

한편, 소나(SONAR)와는 전혀 다른 원리로 사물을 감지하는 센서가 개발된 바 있는데, '음장 센서(SOund FIeld Sensor: SOFIS)'가 그것이다.

음장 센서는 특정 공간 내에서 움직이는 사물의 움직임뿐만 아니라 특정 공간에서의 온도 변화를 통한 화재까지 감지할 수 있다. 이처럼 사물의 움직임은 물론 화재까지 감지하기 위해 음장 센서는 서로 다른 다수의 주파수 성분들로 이루어진 음원을 발생하는 원리로 작동한다.

다수의 주파수 성분들은, 예를 들면, 중심주파수 4KHz, 주파수간격 4Hz, 17개의 주파수들(3968, 3972, 3976, 3980, 3984, 3988, 3992, 3996, 4000, 4004, 4008, 4012, 4016, 4020, 4024, 4028, 4032)로 이루어질 수 있다.

주파수 간격이 4Hz인 주파수 성분들로 이루어진 음원을 스피커를 통해 1초 동안 방출하면, 그 음원은 도 1에 도시된 바와 같이, 시간 도메인상에서 1초 동안 4개의 구간들(①, ②, ③ 및 ④)에서 동일한 파형이 반복되는 형태로 나타난다. 이때, 한 구간은 0.25초의 시간 간격을 갖는다. 참고로, 주파수 간격이 5Hz인 경우에서는, 1초 동안 5개의 구간들에서 동일한 파형이 반복되는 형태로 나타난다.

음장 센서는 동일한 파형이 반복되는 음원 신호를 마이크 등을 통해 수신한 후, 푸리에 변환(Fourier Transform: FT) 또는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)을 이용하여, 그 수신한 음원 신호로부터 주파수에 따른 음압 레벨(음압값)의 변화를 나타내는 음압 스펙트럼을 측정한 후, 그 측정한 음압 스펙트럼을 분석하는 방식으로 특정 공간 내의 사물의 움직임 및 온도 변화를 감시한다.

한편, 음장 센서의 내부 및 외부 요인 등으로 인해, 음원에는 노이즈 성분이 포함될 수 있다. 도 2에는 2개의 구간들(①, ④)에서 국부적으로 나타나는 노이즈 성분을 포함하는 음원의 파형을 나타낸 것이다.

노이즈 성분을 포함하는 음원 신호에 대해 FT 또는 FFT를 수행하게 되면, 그 FT 또는 FFT의 결과(음압 스펙트럼) 역시 노이즈 성분을 포함하기 때문에, 정확한 결과 분석이 어렵다.

따라서, 음압 스펙트럼에 대한 정확한 분석을 위해서는, 노이즈 성분이 없는 구간(예, ②, ③ 또는 ②와 ③을 포함하는 구간)을 선택하여, 그 선택한 구간의 음원 신호에 대해서만 FT 또는 FFT를 수행하는 것이 바람직하다.

그러나 아직까지 음장 센서 분야에서는 수신된 음원 신호의 전체 구간에서 노이즈 성분이 포함된 구간을 회피하는 기술에 대해서는 그 연구 개발이 미흡한 실정이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수신된 음원 신호의 전체 구간에서 노이즈 성분이 포함된 구간을 회피하기 위한 음장 센서의 노이즈 회피 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 음장 센서의 노이즈 회피 방법은, 음원 발생부가, 다수의 주파수 성분들을 갖는 사인파의 선형합으로 이루어진 음원 신호를 특정 공간으로 전파하는 단계; 음원 수신부가, 상기 음원 신호를 수신하는 단계; 전처리부가, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호로부터 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 단계; 및 신호 처리부가, 상기 전처리부에 의해 검출된 음원 신호를 푸리에 변환하여, 상기 특정 공간 내의 사물의 움직임 또는 온도 변화를 감시하기 위한 음압 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 노이즈 성분이 없는 음원 신호의 구간을 선택하여, 그 선택한 구간의 음원 신호에 대해서만 FT를 수행함으로써, 음압 스펙트럼을 정밀하게 측정할 수 있고, 정밀하게 측정된 음압 스펙트럼을 분석함으로써, 특정 공간 내의 사물의 움직임 및 온도 변화를 오류 없이 정확하게 감시할 수 있다.

도 1은 일반적인 음장 센서에서 발생하는 음원 신호의 파형도이다.
도 2는 노이즈 성분을 포함하는 음원 신호의 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 음장 센서의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 음장 센서의 노이즈 회피 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명이 구현되는 양상을 이하의 바람직한 각 실시 예를 들어 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 그 외의 다른 다양한 형태로 구현될 수 있음은 자명하다. 본 명세서에서 사용된 용어 역시 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 요소가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 요소의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 음장 센서의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 음장 센서(100)는 음향 발생부(110), 음향 수신부(120), 전처리부(130), 및 신호 처리부(140)를 포함하며, 메모리(150)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

음향 발생부(110)

음원 발생부(110)는, 신호 처리부(140)의 제어에 따라, 음장 센서(100)가 설치된 공간내에 음원 신호를 음장 센서(100)가 설치되어 있는 공간으로 출력하는 장치로, 예를 들면, 적어도 하나의 스피커로 구현될 수 있다.

음원 신호는 다수의 주파수 성분들을 갖는 사인파의 선형 합으로 이루어진 멀티톤 음파일 수 있다. 여기서, 멀티톤 음파는 연속파 또는 펄스파의 형태일 수 있다.

다수의 주파수 성분들은, 예를 들면, 중심주파수 4KHz, 주파수간격 4Hz, 17개의 주파수들(3968, 3972, 3976, 3980, 3984, 3988, 3992, 3996, 4000, 4004, 4008, 4012, 4016, 4020, 4024, 4028, 4032)로 이루어질 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 다수의 주파수 성분들은, 다른 중심 주파수, 다른 주파수 간격 및 17개보다 작거나 더 많은 주파수들로 이루어질 수 있다.

음원 수신부(120)

음원 수신부(120)는 음향 발생부에 의해 출력되어 공간 내에서 음장 변화를 일으킨 음원 신호를 수신하는 장치로, 예를 들면, 적어도 하나의 마이크로 구현될 수 있다.

전처리부(130)

전처리부(130)는 음원 수신부(120)가 수신한 음원 신호를 전처리하여, 전처리된 음원 신호를 신호 처리부(140)로 입력한다.

전처리부(130)에 의해 수행되는 전처리는, 시간 도메인 상에서 음원 신호의 전체 음원 구간에서 노이즈 성분을 포함하지 않거나 가장 작은 노이즈 성분을 포함하는 음원 구간을 선택하고, 그 선택된 음원 구간의 음원 신호를 검출하는 과정일 수 있다.

이러한 전처리를 위해, 먼저, 음원 신호를 어떠한 단위 구간으로 스캐닝 할 지를 결정한다. 여기서, 단위 구간은 '윈도우'라 불릴 수 있다.

일 실시 예에서, 윈도우의 길이는 다양하게 설정될 수 있으며, 예를 들면, 음원 신호의 한 주기 또는 한 주기의 N(여기서, N은 2이상의 자연수)배에 대응하는 시간 간격으로 설정될 수 있다.

여기서, 한 주기는, 예를 들면, 수신된 음원 신호가 주파수 간격이 4Hz인 다수의 주파수 성분들을 갖는 사인파의 선형 합으로 이루어진 경우, 1초동안 동일한 파형이 4번 반복되므로, 한 주기는 0.25초일 수 있다.

따라서, 윈도우의 길이는 0.25초, 0.5초, 0.75초, 1초 등으로 설정될 수 있다.

다른 실시 예에서, 윈도우의 길이는 음원 신호의 한 주기보다 작거나 한 주기보다 크고 두 주기보다 작은 시간 간격으로 설정될 수 있다. 또는 한 주기보다 크고 두 주기보다 작은 시간 간격에 N(여기서, N은 2이상의 자연수)배에 대응하는 시간 간격으로 설정될 수도 있다.

윈도우의 길이가 설정되면, 길이가 설정된 윈도우를 이용하여 음원 신호를 시간 도메인 상에서 스캔하여 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 작은 구간의 음원 신호를 검출한다.

노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 작은 구간의 음원 신호는 음원 신호의 포락선 분석(envelope analysis)을 통해 검출될 수 있다.

예를 들면, 스캐닝된 특정 구간에 대응하는 음원 신호의 포락선을 검출한 후, 그 검출된 음원 신호의 포락선의 크기와 기준 포락선의 크기를 비교하여, 그 차이가 허용 오차 범위를 속하면, 상기 특정 구간의 음원 신호는 노이즈 성분이 없는 것으로 판단한다. 여기서, 기준 포락선은 음원 신호를 구성하는 주파수 성분들을 알고 있기 때문에, 수학적 계산을 통해 쉽게 계산될 수 있다.

신호 처리부(140)

신호 처리부(140)는 주변 구성들(110, 120, 130 및 150)의 동작을 제어 및 관리하는 장치로서, 예를 들면, 적어도 하나의 프로세서(CPU) 또는 이를 포함하도록 구성된 마이컴 등일 수 있다.

신호 처리부(140)는 전처리부(130)로부터 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 작은 구간의 음원 신호를 수신하고, 그 음원 신호에 대한 푸리에 변환(또는 고속 푸리에 변환)을 수행하여 음압 스펙트럼을 계산한다. 여기서, 음압 스펙트럼은 주파수에 대한 다수의 음압 레벨(값)들을 포함하는 데이터일 수 있다.

신호 처리부(140)는 측정된 음압 스펙트럼을 분석하여 특정 공간 내에서의 사물의 움직임 및 온도 변화를 감시하는 감시 동작을 수행한다. 예를 들면, 시간 t1에서 측정된 음압 스펙트럼과 시간 t2에서 측정된 음압 스펙트럼의 차이(예, 주파수 쉬프트량)를 계산하여, 사물의 움직임 및 온도 변화를 분석한다.

이처럼 신호 처리부(140)는 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 작은 구간의 음원 신호에 대해서만 푸리에 변환(또는 고속 푸리에 변환)을 수행함으로써, 정확한 음압 스펙트럼을 측정할 수 있고, 나아가 사물의 움직임 및 온도 변화를 오차 없이 정확하게 분석할 수 있다.

메모리(150)

메모리(150)는 신호 처리부(150)에 의해 수행되는 다양한 알고리즘들을 실행하기 위한 명령어 또는 프로그램 코드 등을 영구적으로 또는 일시적으로 저장하는 장치로서, 휘발성 및 비휘발성 메모리를 포함한다. 여기서, 명령어 또는 프로그램 코드는, 음원 신호의 포락선 검출, 음원 신호에 대한 푸리에 변환과 관련된 명령어 또는 프로그램 코드 등일 수 있다.

또한, 메모리(150)는 신호 처리부(140)의 처리 과정에서 생성된 중간 데이터 및/또는 결과 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장할 수 있다.

또한, 메모리(150)는 신호 처리부(130)에 의해 수행되는 후술하는 주파수 자동 설정 과정에서 음압 스펙트럼의 변화율 및/또는 재현성(안정성)을 평가한 평가 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장할 수 있다.

표시부(160)

음원 신호의 전체 구간에서 노이즈 성분이 나타나는 경우, 전술한 전처리부(130)는 전체 구간에서 노이즈 성분(허용 오차 범위를 벗어나는 크기의 노이즈 성분)이 가장 적은 구간을 선택하여 그 구간의 음원 신호를 신호 처리부(140)로 입력하고, 신호 처리부는 그 음원 신호에 대해 음압 스펙트럼을 측정할 수 잇다.

이 경우, 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호에 대해 음압 스펙트럼을 측정하였더라도, 그 노이즈 성분은 허용 오차 범위를 벗어난 성분이므로, 이러한 허용 오차 범위를 벗어난 노이즈 성분을 갖는 음원 신호로부터 계산된 음압 스펙트럼은 정밀도 낮기 때문에, 그러한 음압 스펙트럼을 기반으로 하는 감시 결과의 정확성이 떨어질 수 있음을 사용자에게 보고할 필요가 있다.

사용자는 이러한 보고를 통해 현재 측정된 감시 결과를 수용할지 여부를 결정하고, 수용하지 않는 경우, 음장 센서를 재부팅하여 다시 감시 동작을 시작하게 하거나, 음장 센서의 설치 위치를 변경하는 등의 후속 조치를 취할 수 있다.

표시부(160)는 전처리부(130)에 의해 검출된 음원 신호가 허용 오차 범위를 초과하는 노이즈 성분을 포함하고 있음을 알리는 처리 결과 정보를 수신하여, 이를 표시함으로써, 이를 사용자에게 보고할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 음장 센서의 노이즈 회피 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 먼저, S410에서, 음원 발생부(110)가, 다수의 주파수 성분들을 갖는 사인파의 선형합으로 이루어진 음원 신호를 특정 공간으로 전파하는 과정이 수행된다.

이어, S420에서, 음원 수신부(120)가, 상기 음원 신호를 수신하는 과정이 수행된다.

이어, S430에서, 전처리부(130)가, 상기 음원 수신부(120)가 수신한 음원 신호로부터 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 과정이 수행된다.

이어, S440에서, 신호 처리부(140)가, 상기 전처리부(130)에 의해 검출된 음원 신호를 푸리에 변환하여, 상기 특정 공간 내의 사물의 움직임 또는 온도 변화를 감시하기 위한 음압 스펙트럼을 측정하는 과정이 수행된다.

실시 예에서, 상기 S430의 검출하는 단계는, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호의 포락선(envelope)을 분석하여, 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 것일 수 있다.

실시 예에서, 상기 S430의 검출하는 단계는, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호를 스캐닝하기 위한 윈도우를 설정하는 단계, 상기 설정된 윈도우를 이용하여, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호의 특정 구간을 스캐닝하는 단계, 상기 스캐닝된 특정 구간에 대응하는 음원 신호의 포락선과 기준 포락선의 비교하여 상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하는 지를 판단하는 단계 및 상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하지 않는 것으로 판단한 경우, 상기 특정 구간의 음원 신호를 상기 신호 처리부로 입력하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에서, 상기 윈도우를 설정하는 단계는, 상기 윈도우의 길이를 음원 신호의 한 주기 또는 상기 한 주기의 N(여기서, N은 2이상의 자연수)배에 대응하는 시간 간격으로 설정하는 것일 수 있다. 다르게, 상기 윈도우를 설정하는 단계는, 음원 신호의 한 주기보다 작은 시간 간격으로 설정할 수도 있다.

실시 예에서, 상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하는 지를 판단하는 단계는, 상기 스캐닝된 특정 구간에 대응하는 음원 신호의 포락선의 진폭과 상기 기준 포락선의 진폭의 차이를 계산하는 단계, 상기 차이가 허용 오차 범위에 포함하지 판단하는 단계 및 상기 차이가 허용 오차 범위에 포함하는 경우, 상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하지 않는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에서, 상기 S430의 검출하는 단계는, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호의 전 구간에서 노이즈 성분이 나타나는 경우, 노이즈 성분의 크기가 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 단계 및 상기 검출된 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하고 있음을 알리는 알림 정보를 음장 센서에 포함된 출력 장치를 이용하여 사용자에게 보고하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 출력 장치는 음장 센서(100)에 포함된 표시 장치(도 3의 160) 및/또는 오디오 장치(도 3에서 도시하지 않음)일 수 있다. 이 경우, 상기 알림 정보는 시각적 및/또는 청각적인 형태로 정보로 출력될 수 있다.

이상 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들면, 도 3의 설명에서는 음원 수신부(120)와 전처리부(130)가 분리된 형태로 설명하고 있으나, 전처리부(130)가 음원 수신부(120)에 포함될 수 있다. 그러므로 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 음원 발생부가, 다수의 주파수 성분들을 갖는 사인파의 선형합으로 이루어진 음원 신호를 특정 공간으로 전파하는 단계;
   음원 수신부가, 상기 음원 신호를 수신하는 단계;
   전처리부가, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호로부터 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 단계; 및
   신호 처리부가, 상기 전처리부에 의해 검출된 음원 신호를 푸리에 변환하여, 상기 특정 공간 내의 사물의 움직임 또는 온도 변화를 감시하기 위한 음압 스펙트럼을 측정하는 단계;
   를 포함하는 음장 센서의 노이즈 회피 방법.
2. 제1항에서,
   상기 검출하는 단계는,
   상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호의 포락선(envelope)을 분석하여, 노이즈 성분이 없거나 노이즈 성분이 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 단계인 것인 음장 센서의 노이즈 회피 방법.
3. 제1항에서,
   상기 검출하는 단계는,
   상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호를 스캐닝하기 위한 윈도우를 설정하는 단계;
   상기 설정된 윈도우를 이용하여, 상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호의 특정 구간을 스캐닝하는 단계;
   상기 스캐닝된 특정 구간에 대응하는 음원 신호의 포락선과 기준 포락선의 비교하여 상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하는 지를 판단하는 단계; 및
   상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하지 않는 것으로 판단한 경우, 상기 특정 구간의 음원 신호를 상기 신호 처리부로 입력하는 단계;
   를 포함하는 음장 센서의 노이즈 회피 방법.
4. 제3항에서,
   상기 윈도우를 설정하는 단계는,
   상기 윈도우의 길이를 음원 신호의 한 주기 또는 상기 한 주기의 N(여기서, N은 2이상의 자연수)배에 대응하는 시간 간격으로 설정하는 단계인 것인 음장 센서의 노이즈 회피 방법.
5. 제3항에서,
   상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하는 지를 판단하는 단계는,
   상기 스캐닝된 특정 구간에 대응하는 음원 신호의 포락선의 진폭과 상기 기준 포락선의 진폭의 차이를 계산하는 단계;
   상기 차이가 허용 오차 범위에 포함하지 판단하는 단계; 및
   상기 차이가 허용 오차 범위에 포함하는 경우, 상기 특정 구간의 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하지 않는 것으로 판단하는 단계;
   를 포함하는 음장 센서의 노이즈 회피 방법.
6. 제1항에서,
   상기 검출하는 단계는,
   상기 음원 수신부가 수신한 음원 신호의 전 구간에서 노이즈 성분이 나타나는 경우, 노이즈 성분의 크기가 가장 적은 구간의 음원 신호를 검출하는 단계; 및
   상기 검출된 음원 신호가 노이즈 성분을 포함하고 있음을 알리는 알림 정보를 음장 센서에 포함된 출력 장치를 이용하여 사용자에게 보고하는 단계
   를 포함하는 음장 센서의 노이즈 회피 방법.

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