KR20220041432A - 음향 신호를 이용한 거리 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

음향 신호를 이용한 거리 측정 시스템 및 거리 측정 방법이 개시된다. 개시된 거리 측정 시스템은 음향 신호를 생성하는 적어도 하나의 음원과, 서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 복수의 음향 센서를 포함하는 음향 센서와, 신호 처리부와, 연산 처리부를 포함한다. 상기 신호 처리부는 복수의 지향성 음향 센서의 출력 신호들의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산하여 특정 방향으로의 지향성을 획득한다. 상기 연산 처리부는 상기 음향 신호가 생성된 후 반사면에서 반사되어 상기 특정 방향으로 상기 음향 센서에 도달하는 시간을 계산하여 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이의 거리를 측정한다.

Description

음향 신호를 이용한 거리 측정 시스템 및 방법{System and method for detecting distance using acoustic signal}
본 개시는 음향 신호를 이용한 거리 측정 시스템 및 방법에 관한 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 음향 센서의 활용성이 증가하고 있다. 최근에는 압력차(pressure difference)에 의한 기계적인 움직임을 전기 신호를 변환하여 음향 신호를 검출하는 지향성 음향 센서가 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 음향 신호를 이용한 거리 측정 시스템 및 방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
음향 신호를 생성하는 적어도 하나의 음원;
서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 복수의 지향성 음향 센서를 포함하는 음향 센서;
상기 복수의 지향성 음향 센서의 출력 신호들의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산하여 특정 방향으로의 지향성을 획득하는 신호 처리부(signal processor); 및
상기 음향 신호가 생성된 후 반사면에서 반사되어 상기 특정 방향으로 상기 음향 센서에 도달하는 시간을 계산하여 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이의 거리를 측정하는 연산 처리부(calculation processor);를 포함하는 거리 측정 시스템이 제공된다.
상기 적어도 하나의 음원은 지향성(directional) 음향 신호를 생성하는 복수의 음원을 포함할 수 있다. 상기 복수의 음원 사이의 거리는 상기 음향 신호의 파장의 1/2이 될 수 있다. 상기 음향 신호의 지향성은 상기 복수의 음원으로부터 생성되는 신호들의 지연 시간(delay time)을 조절함으로써 제어될 수 있다.
상기 적어도 하나의 음원은 무지향성(omni-directional) 음향 신호를 생성할수 있다.
상기 복수의 지향성 음향 센서는 서로에 대해 소정 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 같은 비율로 계산할 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 합을 계산하여 제1 방향으로의 지향성을 획득하고, 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 차를 계산하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 지향성을 획득할 수 있다.
상기 제1 방향은 상기 음향 센서의 정면 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 음향 센서의 측면 방향이 될 수 있다.
상기 신호 처리부에 의해 상기 제1 방향으로의 지향성을 획득한 경우에 상기 연산 처리부는 상기 제1 방향으로의 제1 거리를 측정하고, 상기 신호 처리부에 의해 상기 제2 방향으로의 지향성을 획득한 경우에 상기 연산 처리부는 상기 제2 방향으로의 제2 거리를 측정할 수 있다.
상기 신호 처리부는 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 다른 비율로 계산할 수 있다.
상기 연산 처리부는 상기 음향 센서에 의해 얻어지는 상기 특정한 방향으로의 공간 전달 함수(RTF; room transfer function)의 변화로부터 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이에 있는 새롭게 위치한 물체의 위치 또는 물체의 변화된 위치를 검출할 수 있다.
상기 복수의 지향성 음향 센서 각각은 지지대 및 상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기를 포함할 수 있다.
상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다.
상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
적어도 하나의 음원에서 음향 신호를 생성하는 단계;
서로 다른 지향성을 가지도록 배치된 복수의 지향성 음향 센서를 포함하는 음향 센서가 상기 음향 신호를 수신하는 단계; 및
상기 음향 신호가 생성된 후 반사면에서 반사되어 상기 특정 방향으로 상기 음향 센서에 도달하는 시간을 계산하여 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이의 거리를 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 음향 센서는 상기 복수의 지향성 음향 센서의 출력 신호들의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산하여 특정 방향으로의 지향성을 획득하는 거리 측정 방법이 제공된다.
상기 적어도 하나의 음원은 지향성 음향 신호를 생성하는 복수의 음원을 포함할 수 있다. 상기 복수의 음원 사이의 거리는 상기 음향 신호의 파장의 1/2이 될 수 있다. 상기 음향 신호의 지향성은 상기 복수의 음원으로부터 생성되는 신호들의 지연 시간을 조절함으로써 제어될 수 있다.
상기 적어도 하나의 음원은 무지향성 음향 신호를 생성할 수 있다.
상기 복수의 지향성 음향 센서는 서로에 대해 소정 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 같은 비율로 계산하여 상기 특정 방향으로 지향성을 획득할 수 있다.
상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 합을 계산하여 제1 방향으로의 지향성을 획득한 다음, 상기 제1 방향으로의 제1 거리를 측정할 수 있다.
상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 차를 계산하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 지향성을 획득한 다음, 상기 제2 방향으로의 제2 거리를 측정할 수 있다.
상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 다른 비율로 계산하여 상기 특정 방향으로 지향성을 획득할 수 있다.
상기 음향 센서에 의해 얻어지는 상기 특정한 방향으로의 공간 전달 함수(RTF)의 변화로부터 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이에 있는 새롭게 위치한 물체의 위치 또는 물체의 변화된 위치를 검출하는 단계가 더 포함될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템은 특정 방향으로 지향된 음향 센서를 이용하여 특정 방향으로 진행하는 음향 신호를 수신하여 그 음향 신호의 TOF(Time of Flight)를 계산함으로써 룸의 크기에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 거리 측정 시스템은 지향성 공간 전달 함수의 변화를 측정함으로써 룸 내부의 변화, (예를 들면, 룸 내부에 음향 신호를 반사 또는 흡수할 수 있는 물체가 새롭게 위치한 경우 또는 물체의 위치가 변경된 경우 등)를 검출할 수 있다.
도 1은 일반적인 지향성 음향 센서를 예시적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 공진기의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서의 지향 특성을 측정한 결과를 예시적으로 도시한 것이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템이 룸(room) 내에 배치된 모습을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 거리 측정 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 거리 측정 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다.
도 8은 도 6에 도시된 거리 측정 시스템에서 제1 및 제2 음원으로부터 발생되는 제1 및 제2 음향 신호들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 9는 도 8에서 제1 음향 신호와 제2 음향 신호 사이의 위상차에 따른 지향 특성을 예시적으로 도시한 것이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템의 음향 센서를 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 음향 센서의 평면도이다.
도 12는 시뮬레이션 실험 모델로 제작된 예시적인 음향 센서를 도시한 것이다.
도 13은 도 12에 도시된 음향 센서에서 음원(S)의 위치에 따른 공진기들의 변위들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 14는 도 12에 도시된 음향 센서에서 제1 지향성 음향 센서의 지향 특성 및 제2 지향성 음향 센서의 지향 특성을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 도 12에 도시된 음향 센서에서 제1 및 제2 지향성 음향 센서의 출력의 합 및 차를 계산하여 획득한 지향 특성들을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 16은 도 10에 도시된 음향 센서에서 제1 지향성 음향 센서의 지향 특성을 4개의 주파수 별로 측정한 실험 결과이다.
도 17은 도 10에 도시된 음향 센서에서 제2 지향성 음향 센서의 지향 특성을 4개의 주파수 별로 측정한 실험 결과이다.
도 18은 도 10에 도시된 음향 센서에서 제1 지향성 음향 센서의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서의 출력 신호의 합을 계산하여 획득한 지향 특성을 도시한 실험 결과이다.
도 19는 도 10에 도시된 음향 센서에서 제1 지향성 음향 센서의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서의 출력 신호의 차를 계산하여 획득한 지향 특성을 도시한 실험 결과이다.
도 20a 내지 도 20e는 도 10에 도시된 음향 센서에서 제1 지향성 음향 센서의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서의 출력 신호(G2)의 비율(k)에 따라 제1 지향성 음향 센서의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서의 출력 신호(G2)의 합 또는 차를 계산하여 획득한 지향 특성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 21a는 도 5에 도시된 거리 측정 시스템에서 제1 및 제2 음원에 의해 생성된 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 의해 수신된 센싱 신호를 예시적으로 도시한 것이다.
도 21b는 도 21a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다.
도 22a는 도 5에 도시된 거리 측정 시스템에서 제1 및 제2 음원에 의해 생성된 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 측면 방향으로 지향된 음향 센서에 의해 수신된 센싱 신호를 예시적으로 도시한 것이다.
도 22b는 도 22a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다.
도 23a는 도 5에 도시된 거리 측정 시스템에서 제1 및 제2 음원에 의해 생성된 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 측면 방향으로 지향된 음향 센서에 의해 수신된 센싱 신호를 예시적으로 도시한 것이다.
도 23b는 도 22a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다.
도 24a는 도 5에 도시된 거리 측정 시스템에서 제1 및 제2 음원에 의해 생성된 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 의해 수신된 센싱 신호를 예시적으로 도시한 것이다.
도 24b는 도 24a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다.
도 25는 다른 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템을 도시한 것이다.
도 26a는 룸 내부의 변화(음향 신호를 반사 또는 흡수할 수 있는 물체가 새롭게 위치하거나 위치가 변경)가 있기 전의 경우를 도시한 것이며, 도 26b 및 도 26c는 룸 내부의 변화(룸 내부에 제1 물체가 배치된 경우, 룸 내부에 제2 물체가 배치된 경우)가 있는 경우를 도시한 것이다.
도 27a는 도 26a, 도 26b, 도 26c에서 각각 획득한 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 수신된 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 도시한 것이다.
도 27b는 도 26a와 도 26b에서 획득한 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 수신된 지향성 공간 전달 함수(DRTF)의 차이와, 도 26a와 도 26c에서 획득한 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 수신된 지향성 공간 전달 함수(DRTF)의 차이를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것도 포함할 수 있다. 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.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
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.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 지향성 음향 센서(10)를 예시적으로 도시한 것이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 공진기(12) 하나의 단면을 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 지향성 음향 센서(10)는 지지대(11) 및 복수의 공진기(12)를 포함한다. 지지대(11)에는 캐비티(15)가 관통하도록 형성되어 있다. 지지대(11)로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
복수의 공진기(12)는 지지대(11)의 캐비티(115) 위에 소정 형태로 배열될 수 있다. 공진기들(12)은 서로 겹침 없이 평면적으로 배열될 수 있다. 공진기들(12) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이 일측은 지지대(11)에 고정되어 있으며, 타측은 캐비티(15) 쪽을 향하여 연장되도록 마련될 수 있다. 공진기들(12)은 각각 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(18)와, 구동부(18)의 움직임을 센싱하는 센싱부(17)를 포함할 수 있다. 또한, 공진기(12)는 구동부(18)에 소정의 질량(mass)을 제공하기 위한 질량체(19)를 더 포함할 수 있다.
공진기들(12)은 예를 들면, 서로 다른 대역의 음향 주파수를 감지하도록 마련될 수 있다. 즉, 공진기들(12)은 서로 다른 중심 주파수를 가지도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 공진기들(12)은 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 공진기들(12)은 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(10)의 주파수 응답 특성을 측정한 결과가 예시적으로 도시되어 있다. 그리고, 도 4에는 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(10)의 지향 특성을 측정한 결과가 예시적으로 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 지향성 음향센서(10)는 양방향성(bi-directionality), 즉 0도 방향과 180도 방향인 z 축 방향으로의 방향성을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템이 룸(room) 내에 배치된 모습을 도시한 것이다. 도 6은 도 5에 도시된 거리 측정 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 7은 도 6에 도시된 거리 측정 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 거리 측정 시스템(1000)은 룸(50)의 일 측벽에 마련되어 있다. 이 거리 측정 시스템(1000)은 측면 방향(도 5에서 y축 방향)에 대해서는 중앙부에 위치할 수 있다. 룸(50)은 거리 측정 시스템(1000)의 정면 방향(도 5에서 x축 방향)으로 폭(D1)과 측면 방향으로 폭(D2)을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템(1000)은 거리 측정 시스템(1000)으로부터 발생되어 제1 반사면(51)에서 반사된 음향 신호를 이용하여 정면 방향으로의 폭(D1)을 측정하고, 거리 측정 시스템(1000)으로부터 발생되어 제2 반사면(52)에서 반사된 음향 신호를 이용하여 측면 방향으로의 폭(D2)을 측정할 수 있으며, 이에 따라 룸(52)의 크기에 대한 정보를 얻을 수 있다.
거리 측정 시스템(1000)은 복수의 음원(SP1.SP2)과, 음향 센서(100)와, 신호 처리부(150)와, 연산 처리부(160)를 포함한다. 복수의 음원(SP1.SP2)은 지향성 음향 신호를 생성할 수 있다. 음향 센서(100)는 서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 복수의 지향성 음향 센서(110,120)를 포함할 수 있다. 신호 처리부(150)는 복수의 지향성 음향 센서(110,120)의 출력 신호들의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산함으로써 음향 센서(100)가 특정 방향으로 지향성을 획득할 수 있다. 연산 처리부(160)는 지향성 음향 신호가 생성된 후 반사면(51,52)에서 반사되어 음향 센서(100)에 도달하는 시간을 계산함으로써 음향 센서(100)와 반사면(51,52) 사이의 거리를 측정할 수 있다.
복수의 음원(SP1.SP2)은 제1 음향 신호(M1)를 생성하는 제1 음원(SP1)과 제2 음향 신호(M2)를 생성하는 제2 음원(SP2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)는 각각 무지향성(omni-directional) 음향 신호가 될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 및 제2 음원(SP1.SP2)이 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)를 동시에 또는 시간적인 간격(즉, 지연 시간(delay time))을 두고 발생시킴으로써 특정 방향(예를 들면, 거리 측정 시스템(1000)의 정면 방향 또는 측면 방향)으로 지향성을 가지는 음향 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제1 음원(SP1)과 제2 음원(SP2) 사이의 거리(d)는 각 음향 신호(M1,M2)의 파장의 1/2이 될 수 있다.
제1 및 제2 음원(SP1.SP2)에 연결된 제어부(140)는 지연 시간(delay time)을 조절하여 제1 음향 신호(M1)와 제2 음향 신호(M2) 사이의 위상차(phase difference)를 제어할 수 있도록 구성될 수 있다. 도 6에는 거리 측정 시스템(1000)이 2개의 음원(SP1,SP2)을 포함하는 경우가 도시되어 있으나, 이는 단지 예시적인 것으로 3개 이상의 음원이 사용되는 것도 가능하다.
도 8은 도 6에 도시된 거리 측정 시스템(1000)에서 제1 및 제2 음원(SP1.SP2)으로부터 발생되는 제1 및 제2 음향 신호들(M1,M2)을 예시적으로 도시한 것이다. 도 8에는 제1 및 제2 음원(SP1.SP2)으로부터 사인파(sine wave)의 제1 및 제2 음향 신호들(M1,M2)이 850Hz 주파수로 발생되는 경우가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 제1 음원(SP1)이 제1 음향 신호(M1)를 발생시킨 후 소정의 시간 간격들(지연 시간들)을 두고 제2 음원(SP2)이 제2 음향 신호 파형들(M2)을 발생시킨다. 이에 따라, 제1 음향 신호(M1)와 제2 음향 신호들(M2) 사이에는 지연 시간에 따른 위상차가 존재할 수 있다. 도 8에는 지연 시간에 따라 제1 음향 신호(M1)에 대해 각각 0도, 30도, 45도, 60도 및 90도의 위상차를 가지는 제2 음향 신호들(M2)이 도시되어 있다.
도 9는 도 8에서 제1 음향 신호(M1)와 제2 음향 신호(M2) 사이의 위상차에 따른 지향 특성을 예시적으로 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 제1 음향 신호(M1)와 제2 음향 신호(M2) 사이의 위상차가 0도인 경우, 즉, 제1 및 제2 음원(SP1.SP2)이 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)를 동시에 발생시킨 경우에는 정면 방향(x축 방향)으로의 지향성을 가지는 음향 신호가 생성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 제1 음향 신호(M1)와 제2 음향 신호(M2) 사이의 위상차가 90도 인 경우, 즉 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2) 사이의 지연 시간이 사인파의 반파장에 해당하는 경우에는 측면 방향(y축 방향)으로의 지향성을 가지는 음향 신호가 생성될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 음원(SP1.SP2)이 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)를 동시에 또는 시간적인 간격을 두고 발생시킴으로써 원하는 방향으로의 지향성을 가지는 음향 신호를 생성할 수 있다.
이상과 같이 복수의 음원(SP1.SP2)으로부터 특정 방향으로의 지향성을 가지는 음향 신호가 생성되고, 이러한 음향 신호는 반사면(51,52)으로부터 반사되어 후술하는 바와 같은 특정 방향으로의 지향성을 가지는 음향 센서(100)에 수신될 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템의 음향 센서(100)를 도시한 사시도이다. 도 11은 도 10에 도시된 음향 센서의 평면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 음향 센서(100)는 서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)를 포함한다. 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120) 각각은 전술한 도 1에 도시된 지향성 음향 센서(10)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
제1 지향성 음향 센서(110)는 제1 캐비티(115)가 관통 형성된 제1 지지대(111) 및 제1 캐비티(115) 위에 배치되는 복수의 제1 공진기(112)를 포함한다. 여기서, 복수의 제1 공진기는 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 제1 공진기들(112) 각각은 일단부가 제1 지지대(111)에 고정되어 있으며, 제1 캐비티(115) 쪽을 향하여 연장되도록 마련될 수 있다.
제2 지향성 음향 센서(120)은 제2 캐비티(125)가 관통 형성된 제2 지지대(121) 및 제2 캐비티(125) 위에 배치되는 복수의 제2 공진기(122)를 포함한다. 여기서, 복수의 제2 공진기는 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 제2 공진기(122)들 각각은 일단부가 제2 지지대(121)에 고정되어 있으며, 제2 캐비티(125) 쪽을 향하여 연장되도록 마련될 수 있다.
제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)는 서로 다른 지향성을 가지도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)는 서로에 대해 소정 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)은 음향 센서(100)의 정면 방향(도 10의 x축 방향)에 대해 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)는 각각 음향 센서(100)의 정면 방향에 대해 θ의 소정 각도로 기울어지게 배치될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)는 서로에 대해 2θ의 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
예를 들면, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)는 각각 지향성 음향 센서(100)의 정면 방향(도 10의 x축 방향)에 대해 45도의 각도로 기울어지게 배치될 수 있으며, 이 경우 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)는 서로에 대해 90도의 각도를 이룰 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120) 사이의 각도를 다양하게 변형될 수 있다.
도 7에 도시된 신호 처리부(Signal Processor, 150)는 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)에 의해 측정된 출력 신호들을 이용하여 후술하는 바와 같이 지향성 음향 센서(100)의 지향 특성을 다양하게 조절할 수 있다. 이를 위해, 신호 처리부(150)는 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산함으로써 원하는 방향의 지향 특성을 획득할 수 있다.
도 12는 시뮬레이션 실험 모델로 제작된 예시적인 음향 센서(100')를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 음향 센서(100')는 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110',120')가 각각 하나의 제1 및 제2 공진기를 포함하고 있다는 점을 제외하면 도 10에 도시된 지향성 음향 센서(100)와 동일하다. 한편, 도 12에는 도시되어 있지 않으나, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110',120')은 신호 처리부와 연결되어 있다.
도 12를 참조하면, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110',120')은 각각 음향 센서(100')의 정면 방향(예를 들면, x축 방향)에 대해 45도의 각도로 기울어지게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110',120')은 서로에 대해 90도의 각도를 이루도록 배치되어 있다. 그리고, 소리를 발생시키는 음원(S)이 지향성 음향 센서(100')의 정면 방향에 대해 α의 각도로 기울어져 배치되어 있다.
도 13은 도 12에 도시된 음향 센서(100')에서, 음원(S)의 위치에 따른 공진기들의 변위들을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 13에는 도 12에 도시된 음향 센서(100')에서 음원(S)이 반시계 방향으로 이동함에 따라 발생되는 공진기들의 변위들이 도시되어 있다. 도 13에서 "A"는 제1 지향성 음향 센서(110')의 제1 공진기에서 발생되는 변위를 나타내며, "B"는 제2 지향성 음향 센서(120')의 제2 공진기에서 발생되는 변위를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 음원(S)이 위치하는 각도(α)가 0도~45도, 135도~225도, 315도~360도인 경우에는 제1 및 제2 공진기가 같은 위상(in-phase)으로 움직이고, 음원(S)이 위치하는 각도(α)가 45도~135도, 225도~315도인 경우에는 제1 및 제2 공진기가 다른 위상(out-of-phase)으로 움직임을 알 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 공진기가 같은 위상으로 움직인다는 것은 제1 및 제2 공진기가 초기 위치를 기준으로 같은 방향 쪽에서 변위된다는 것을 의미하며, 제1 및 제2 공진기가 다른 위상으로 움직인다는 것은 제1 및 제2 공진기가 초기 위치를 기준으로 서로 다른 방향 쪽에서 변위된다는 것을 의미한다.
이와 같이, 음원(S)이 음향 센서(100')의 정면 방향(예를 들면, 도 12의 x축 방향)에 위치하는 경우에는 제1 및 제2 공진기가 같은 위상(in-phase)으로 움직이고, 음원(S)이 음향 센서(100')의 측면 방향(예를 들면, 도 8의 y축 방향)에 위치하는 경우에는 제1 및 제2 공진기가 다른 위상(out-of-phase)으로 움직임을 알 수 있다.
도 14는 도 12에 도시된 음향 센서(100')에서, 제1 지향성 음향 센서(110')의 지향 특성 및 제2 지향성 음향 센서(120')의 지향 특성을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 14에서 "R1"은 제1 지향성 음향 센서(110')의 지향 특성을 나타낸 것이며, "R2"는 제2 지향성 음향 센서(120')의 지향 특성을 나타낸 것이다.
도 14를 참조하면, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110',120')는 서로 다른 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 제1 지향성 음향 센서(110')은 -45도 방향(예를 들면, 도 12의 -x축 방향과 -y축 방향 사이의 방향) 및 135도 방향(예를 들면, 도 12의 +x축 방향과 +y축 방향 사이의 방향)의 지향성을 가질 수 있다. 그리고, 제2 공진 유닛(120')은 45도 방향(예를 들면, 도 12의 -x축 방향과 +y축 방향 사이의 방향) 및 -135도 방향(예를 들면, 도 12의 +x축 방향과 -y축 방향 사이의 방향)의 지향성을 가질 수 있다.
도 15는 도 12에 도시된 음향 센서(100')에서, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110',120')의 출력의 합 및 차를 계산하여 획득한 지향 특성들을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 15에서 "R1+R2"는 신호 처리부가 제1 지향성 음향 센서(110')의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120')의 출력 신호의 합을 계산하여 획득한 지향 특성을 나타낸 것이며, "R1-R2"는 신호 처리부가 제1 지향성 음향 센서(110')의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120')의 출력 신호의 차를 계산하여 획득한 지향 특성을 나타낸 것이다.
도 15를 참조하면, 제1 지향성 음향 센서(110')의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120')의 출력 신호의 합을 계산하여 획득한 지향 특성은 음향 센서(100')의 정면 방향(예를 들면, 도 12의 x축 방향)의 지향성을 가지고, 제1 지향성 음향 센서(110')의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120')의 출력 신호의 차를 계산하여 획득한 지향 특성은 음향 센서(100')의 측면 방향(예를 들면, 도 12의 y축 방향)의 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 16 및 도 17은 도 10에 도시된 음향 센서(100)에서, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)의 지향 특성들을 측정한 실험 결과이다. 여기서, 제1 및 제2 지향성 음향 센서 (110,120)은 각각 음향 센서(100)의 정면 방향(예를 들면,도 11의 x축 방향)에 대해 45도의 각도로 기울어지게 배치되어 있으며, 제1 및 제2 지향성 음향 센서 (110,120)은 서로에 대해 90도의 각도를 이루도록 배치되어 있다.
도 16은 도 10에 도시된 음향 센서(100)에서, 제1 지향성 음향 센서(110)의 지향 특성을 4개의 주파수별로 측정한 실험 결과이다. 도 16을 참조하면, 제1 지향성 음향 센서 (110)은 -45도 방향(예를 들면, 도 11의 -x축 방향과 -y축 방향 사이의 방향) 및 135도 방향(예를 들면, 도 11의 +x축 방향과 +y축 방향 사이의 방향)의 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 17은 도 10에 도시된 음향 센서(100)에서, 제2 지향성 음향 센서(120)의 지향 특성을 4개의 주파수별로 측정한 실험 결과이다. 도 17을 참조하면, 제2 지향성 음향 센서(120)은 45도 방향(예를 들면, 도 11의 -x축 방향과 +y축 방향 사이의 방향) 및 -135도 방향(예를 들면, 도 11의 +x축 방향과 -y축 방향 사이의 방향)의 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 18은 도 10에 도시된 음향 센서(100)에서, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 합을 계산하여 획득한 지향 특성을 도시한 실험 결과이다. 도 18에는 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 합을 계산하여 획득한 지향 특성이 도시되어 있다. 도 18을 참조하면, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 합을 계산하여 획득한 지향 특성은 음향 센서(100)의 정면 방향(예를 들면, 도 11의 x축 방향)의 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다,
도 19는 도 10에 도시된 음향 센서(100)에서, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 차를 계산하여 획득한 지향 특성을 도시한 실험 결과이다. 도 19에는 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 차를 계산하여 획득한 지향 특성이 도시되어 있다. 도 19를 참조하면, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 차을 계산하여 획득한 지향 특성은 음향 센서(100)의 측면 방향(예를 들면, 도 11의 y축 방향)의 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다,
이상과 같이, 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 합 및 차 중 적어도 하나를 계산함으로써 음향 센서(100)가 정면 방향 또는 측면 방향의 지향성을 가지도록 지향 특성을 조절할 수 있다.
이상에서는 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 합 또는 차를 계산할 때 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 비율이 같은 1인 경우에 대해 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 비율이 1이 아닌 경우도 얼마든지 가능하다.
구체적으로, 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110.120)의 출력 신호가 각각 G1, G2 이라 하고, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율이 k라 할 때, 신호 처리부(150)는 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 합은 식 G1+kG2 을 이용하여 계산할 수 있고, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 차는 식 G1-kG2 을 이용하여 계산할 수 있으며, 이에 따라, 후술하는 바와 같이 음향 센서(100)가 원하는 방향의 지향성을 가지도록 지향 특성을 조절할 수 있다.
도 20a 내지 도 20e는 도 10에 도시된 음향 센서(100)에서, 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)에 따라 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 합 또는 차를 계산하여 획득한 지향 특성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 20a은 전술한 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 합을 나타내는 계산식(G1+kG2)에서 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)을 1로 하였을 때 획득한 지향성 특성을 도시한 것이다. 이 경우에는 음향 센서(100)가 정면 방향(예를 들면, 도 11의 x축 방향)의 지향성을 가질 수 있다,
도 20b는 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 합을 나타내는 계산식(G1+kG2)에서 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)을 0.5로 하였을 때 획득한 지향성 특성을 도시한 것이다. 도 20c는 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 합을 나타내는 계산식(G1+kG2)에서 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)을 0으로 하였을 때 획득한 지향성 특성을 도시한 것이다.
도 20d는 전술한 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 차를 나타내는 계산식(G1-kG2)에서 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)을 0.5로 하였을 때 획득한 지향성 특성을 도시한 것이다.
도 20e는 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 차를 나타내는 계산식(G1-kG2)에서 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)을 1로 하였을 때 획득한 지향성 특성을 도시한 것이다. 이 경우에는 음향 센서(100)가 측면 방향(예를 들면, 도 11의 y축 방향)의 지향성을 가지고 있음을 알 수 있다,
이상과 같이, 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력신호(G2)의 합 또는 차를 계산하고, 이 계산에서 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호(G1)에 대한 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호(G2)의 비율(k)을 조절함으로써 사용자가 원하는 방향의 지향성을 가지는 음향 센서(100)를 구현할 수 있다.
한편, 이상에서는 음향 센서(100)가 서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 2개의 지향성 음향 센서(110,120)을 포함하는 경우가 설명되었다. 하지만, 이에 한정되지 않고 음향 센서(100)는 서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 3개 이상의 공진 유닛을 포함하는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 특정 방향으로 지향된 음향 신호가 생성될 수 있다. 또한, 음향 센서(100)는 신호 처리부(150)가 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)의 출력 신호들의 임의 비율의 합 및 차 중 적어도 하나를 계산함으로써 특정 방향으로 지향성을 획득할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 생성된 특정 방향으로 지향된 음향 신호는 룸(room, 50) 내의 반사면(51,52)에서 반사된 후 특정 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 수신될 수 있다.
연산 처리부(Calculation Processor, 150)는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 생성된 특정 방향으로 지향된 음향 신호가 반사면(51,52)에서 반사되어 특정 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 도달하는 시간(즉, TOF(Time of Flight))를 측정하고, 이 시간에 음속(speed of sound)의 1/2을 곱함으로써 특정 방향에 따른 음향 센서(100)와 반사면(51,52) 사이의 거리를 계산할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템(1000)을 이용하여 룸(50)의 크기를 측정하는 방법에 대해 예시적으로 설명한다.
룸(50)의 정면 방향(x축 방향)으로의 폭(D1)은 다음과 같이 측정될 수 있다.
제1 및 제2 음원(SP1,SP2)을 이용하여 정면 방향(x축 방향)으로 지향된 음향 신호를 생성한다. 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)은 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)를 동시에 발생시킴으로써 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성될 수 있다.
제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)를 포함하는 음향 센서(100)가 정면 방향으로의 지향성을 획득할 수 있도록 신호 처리부(150)가 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)의 출력 신호들을 처리할 수 있다. 구체적으로, 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 합을 계산함으로써 음향 센서(100)는 정면 방향으로의 지향성을 획득할 수 있다.
제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성되어 제1 반사면(51)에서 반사된 후 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 수신될 수 있다. 이 경우, 연산 처리부(160)는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 생성된 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 제1 반사면(51)에서 반사된 후 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 도달하는 시간을 측정하고, 이 시간에 음속의 1/2을 곱함으로써 음향 센서(100)와 제1 반사면(51)까지의 거리를 계산할 수 있다. 이에 따라, 룸(50)의 정면 방향으로의 폭(D1)을 측정할 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성되고, 이 음향 신호가 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 얻어질 수 있는 지향성 공간 전달 함수(DRTF; Directional Room Transfer Function)를 예시적으로 도시한 것이다. 도 21a는 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 수신된 센싱 신호를 도시한 것이며, 도 21b는 도 21a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다.
도 21a 및 도 21b로부터 연산 처리부(160)는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 생성된 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 제1 반사면(51)에서 반사된 후 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 도달하는 시간(t1)을 측정할 수 있다. 그리고, 이 시간(t1)에 음속의 1/2을 곱함으로써 음향 센서(100)와 제1 반사면(51)까지의 거리를 측정할 수 있다.
도 22a 및 도 22b는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 정면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성되고, 이 음향 신호가 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 얻어질 수 있는 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 예시적으로 도시한 것이다. 여기서, 음향 센서(100)는 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 차를 계산함으로써 측면 방향으로의 지향성을 획득할 수 있다.
도 22a는 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 수신된 센싱 신호를 도시한 것이며, 도 22b는 도 22a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다. 도 22a 및 도 22b를 참조하면, 정면 방향으로 지향된 음향 신호는 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 거의 수신되지 않음을 알 수 있다.
룸(50)의 측면 방향(y축 방향)으로의 폭(D2)은 다음과 같이 측정될 수 있다.
제1 및 제2 음원(SP1,SP2)을 이용하여 측면 방향으로 지향된 음향 신호를 생성한다. 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)은 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)의 위상차가 90도 되도록 제1 및 제2 음향 신호(M1,M2)를 소정의 지연 시간을 두고 발생시킴으로써 측면 방향으로 지향된 음향 신호를 생성할 수 있다.
제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)를 포함하는 음향 센서(100)가 측면 방향으로의 지향성을 획득할 수 있도록 신호 처리부(150)가 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)의 출력 신호들을 처리할 수 있다. 구체적으로, 신호 처리부(150)가 제1 지향성 음향 센서(110)의 출력 신호와 제2 지향성 음향 센서(120)의 출력 신호의 차를 계산함으로써 음향 센서(100)는 측면 방향으로의 지향성을 획득할 수 있다.
제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성되어 제2 반사면(52)에서 반사된 후 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 수신될 수 있다. 연산 처리부(!50)는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 생성된 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 제2 반사면(52)에서 반사된 후 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 도달하는 시간을 측정한 다음, 이 시간에 음속의 1/2을 곱함으로써 음향 센서(100)와 제2 반사면(52)까지의 거리를 계산할 수 있다. 이에 따라, 룸(50)의 측면 방향으로의 폭(D2)을 측정할 수 있다.
도 23a 및 도 23b는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성되고, 이 음향 신호가 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 얻어질 수 있는 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 예시적으로 도시한 것이다. 도 23a는 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 수신된 센싱 신호를 도시한 것이며, 도 23b는 도 21a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다.
도 23a 및 도 23b로부터 연산 처리부(160)는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 생성된 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 제2 반사면(52)에서 반사된 후 측면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 도달하는 시간(t2)을 측정할 수 있다. 그리고, 이 시간(t2)에 음속의 1/2을 곱함으로써 음향 센서(100)와 제2 반사면(52)까지의 거리를 측정할 수 있다.
도 24a 및 도 24b는 제1 및 제2 음원(SP1,SP2)에 의해 측면 방향으로 지향된 음향 신호가 생성되고, 이 음향 신호가 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 얻어질 수 있는 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 예시적으로 도시한 것이다.
도 24a는 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 의해 수신된 센싱 신호를 도시한 것이며, 도 24b는 도 24a에 도시된 센싱 신호의 peak envelope curve를 도시한 것이다. 도 24a 및 도 24b를 참조하면, 측면 방향으로 지향된 음향 신호는 정면 방향으로 지향된 음향 센서(100)에 거의 수신되지 않음을 알 수 있다.
이상과 같이, 예시적인 실시예예 따른 거리 측정 시스템(1000)은 정면 방향으로의 폭(D1) 및 측면 방향으로의 폭(D2)을 측정함으로써 룸(50)의 크기에 대한 정보를 획득할 수 있다. 이상에서는 거리 측정 시스템(1000)이 정면 방향으로의 폭 (D1) 및 측면 방향으로의 폭(D2)을 측정하는 경우가 설명되었으나, 이외에도 거리 측정 시스템(1000)은 음향 센서(100)의 지향성을 조절함으로써 다른 방향으로의 폭도 측정할 수 있다.
이상에서는 거리 측정 시스템(1000)이 정면 방향으로의 폭 및 측면 방향으로의 폭을 측정하는 경우가 설명되었으나, 음향 센서(100)를 구성하는 지향성 음향 센서들(110,120)의 배치를 조절하거나 또는 지향성 음향 센서들(110,120)의 개수를 증가시킴으로써 롬의 높이도 측정할 수 있다. 이상에서 설명된 거리 측정 시스템(1000)은 TV, 인공지능 스피커(AI speaker) 등과 같은 다양한 전자 기기에 채용되어 룸의 크기를 측정할 수 있다.
도 25는 다른 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템(2000)을 도시한 것이다. 도 25에 도시된 거리 측정 시스템(2000)은 하나의 음원(SP)을 포함한다는 점을 제외하면 도 6에 도시된 거리 측정 시스템(1000)과 동일하다.
도 25를 참조하면, 거리 측정 시스템(2000)은 음원(SP) 및 복수의 지향성 음향 센서를 포함하는 음향 센서(100)를 포함할 수 있다. 여기서, 음원(SP)은 무지향성 음향 신호를 생성할 수 있다.
음향 센서(100)는 전술한 바와 같이 신호 처리부(160)가 제1 및 제2 지향성 음향 센서(110,120)의 출력 신호들의 임의 비율의 합 및 차 중 적어도 하나를 계산함으로써 특정 방향으로의 지향성을 획득할 수 있다.
본 실시예에 따른 거리 측정 시스템(2000)은 음원(SP)이 무지향성 음향 신호를 생성하는 경우에도 룸(50)의 크기에 대한 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 음향 센서(100)가 정면 방향으로의 지향성을 획득한 경우에는 음원(SP)으로부터 발생된 무지향성 음향 신호 중 정면 방향으로 진행하는 음향 신호를 음향 센서가 수신함으로써 정면 방향으로의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 음향 센서(100)가 측면 방향으로의 지향성을 획득한 경우에는 음원(SP)으로부터 발생된 무지향성 음향 신호 중 측면 방향으로 진행하는 음향 신호를 음향 센서(100)가 수신함으로써 측면 방향으로의 거리를 측정할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 거리 측정 시스템(1000,2000)을 이용하여 룸(50) 내부의 변화(예를 들면, 음향 센서(100)와 반사면(51,52) 사이에 음향 신호를 반사 또는 흡수하는 물체가 새롭게 나타나거나 물체의 위치가 변경된 경우)를 검출할 수도 있다.
도 26a는 룸 내부의 변화(음향 신호를 반사 또는 흡수할 수 있는 물체가 새롭게 위치하거나 위치가 변경)가 있기 전의 경우를 도시한 것이며, 도 26b 및 도 26c는 룸 내부의 변화(룸 내부에 제1 물체가 배치된 경우, 룸 내부에 제2 물체가 배치된 경우)가 있는 경우를 도시한 것이다.
도 26a 내지 도 26c를 참조하면, 룸(50)의 일 측벽에 거리 측정 시스템(1000)이 마련되어 있으며, 이 거리 측정 시스템(1000)은 측면 방향에 대해서는 중앙부에 위치할 수 있다. 여기서, 거리 측정 시스템(1000)은 예를 들면, 도 5에 도시된 거리 측정 시스템(1000)이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 도 25에 도시된 거리 측정 시스템(2000)이 사용될 수도 있다.
룸(50)은 거리 측정 시스템(1000)의 정면 방향으로 5m의 폭을 가지고 있으며, 측면 방향으로 3m의 폭을 가지고 있다. 도 26b에 도시된 제1 물체(70)는 거리 측정 시스템(1000)으로부터 정면 방향으로 3m 떨어진 위치에 배치되어 있으며, 도 26c에 도시된 제2 물체(80)는 거리 측정 시스템(1000)으로부터 정면 방향으로 2.5m 떨어진 위치에 배치되어 있다.
도 27a는 도 26a, 도 26b, 도 26c에서 각각 획득한 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 수신된 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 도시한 것이다. 도 27a에서 "Ref"는 도 26a에 도시된 바와 같이, 룸(50) 내부에 물체가 배치되지 않은 경우에 얻어진 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 나타내고, "R(3m)"는 도 26b에 도시된 같이, 룸(50) 내부에 제1 물체(70)가 거리 측정 시스템(1000)으로부터 정면 방향으로 3m 떨어진 경우에 얻어진 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 나타내며, "R(2.5m)"는 도 26c에 도시된 같이, 룸(50) 내부에 제2 물체(80)가 거리 측정 시스템(1000)으로부터 정면 방향으로 2.5m 떨어진 경우에 얻어진 지향성 공간 전달 함수(DRTF)를 나타낸다.
도 27b는 도 26a와 도 26b에서 획득한 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 수신된 지향성 공간 전달 함수(DRTF)의 차이와, 도 26a와 도 26c에서 획득한 정면 방향으로 지향된 음향 센서에 수신된 지향성 공간 전달 함수(DRTF)의 차이를 도시한 것이다.
도 27a 및 도 27b를 참조하면, 룸(50) 내부에 음향 신호를 반사시키는 물체(70,80)가 배치되는 경우에는 룸(50) 내부에 물체가 배치되지 않은 경우와 비교하여 지향성 공간 전달 함수(DRTF)에 변화가 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로, Ref와 R(3m)를 비교하면 제1 물체(70)가 거리 측정 시스템(1000)으로부터 정면 방향으로 대략 3m 정도 떨어져 있다는 것을 검출할 수 있다. 또한, Ref와 R(2.5m)를 비교하면 제2 물체(80)가 거리 측정 시스템(1000)으로부터 정면 방향으로 대략 3m 정도 떨어져 있다는 것을 검출할 수 있다.
이상과 같이. 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템(1000)을 이용하여 지향성 공간 전달 함수(DRTF)의 변화를 측정함으로써 룸(50) 내부에서의 변화, 예를 들면, 룸 내부에 음향 신호를 반사 또는 흡수할 수 있는 물체가 새롭게 위치한 경우 또는 물체의 위치가 변경된 경우 등을 검출할 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
50.. 룸
51.. 제1 반사면
52.. 제2 반사면
100.. 음향 센서
110.. 제1 지향성 음향 센서
111.. 지지대
112.. 공진기
115.. 캐비티
120.. 제2 지향성 음향 센서
140.. 제어부
150.. 신호 처리부
160.. 연산 처리부
1000,2000.. 거리 측정 시스템
SP.. 음원
SP1.. 제1 음원
SP2.. 제2 음원
M1.. 제1 음향 신호
M2.. 제2 음향 신호
1000,2000.. 거리 측정 시스템

Claims (27)

  1. 음향 신호를 생성하는 적어도 하나의 음원;
    서로 다른 지향성을 가지도록 배치되는 복수의 지향성 음향 센서를 포함하는 음향 센서;
    상기 복수의 지향성 음향 센서의 출력 신호들의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산하여 특정 방향으로의 지향성을 획득하는 신호 처리부(signal processor); 및
    상기 음향 신호가 생성된 후 반사면에서 반사되어 상기 특정 방향으로 상기 음향 센서에 도달하는 시간을 계산하여 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이의 거리를 측정하는 연산 처리부(calculation processor);를 포함하는 거리 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 음원은 지향성(directional) 음향 신호를 생성하는 복수의 음원을 포함하는 거리 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 음원 사이의 거리는 상기 음향 신호의 파장의 1/2인거리 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 음향 신호의 지향성은 상기 복수의 음원으로부터 생성되는 신호들의 지연 시간(delay time)을 조절함으로써 제어되는 거리 측정 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 음원은 무지향성(omni-directional) 음향 신호를 생성하는 거리 측정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지향성 음향 센서는 서로에 대해 소정 각도를 이루도록 배치되는 거리 측정 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 같은 비율로 계산하는 거리 측정 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 합을 계산하여 제1 방향으로의 지향성을 획득하고, 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 차를 계산하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 지향성을 획득하는 거리 측정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 음향 센서의 정면 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 음향 센서의 측면 방향인 거리 측정 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호 처리부에 의해 상기 제1 방향으로의 지향성을 획득한 경우에 상기 연산 처리부는 상기 제1 방향으로의 제1 거리를 측정하고, 상기 신호 처리부에 의해 상기 제2 방향으로의 지향성을 획득한 경우에 상기 연산 처리부는 상기 제2 방향으로의 제2 거리를 측정하는 거리 측정 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 다른 비율로 계산하는 거리 측정 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 처리부는 상기 음향 센서에 의해 얻어지는 상기 특정한 방향으로의 공간 전달 함수(RTF; room transfer function)의 변화로부터 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이에 있는 새롭게 위치한 물체의 위치 또는 물체의 변화된 위치를 검출하는 거리 측정 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 지향성 음향 센서 각각은 지지대; 및 상기 지지대에서 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하는 거리 측정 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진 주파수를 가지는 거리 측정 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 각 공진기는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 상기 구동부의 움직임을 검출하는 센싱부를 포함하는 거리 측정 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 거리 측정 시스템을 포함하는 전자 기기.
  17. 적어도 하나의 음원에서 음향 신호를 생성하는 단계;
    서로 다른 지향성을 가지도록 배치된 복수의 지향성 음향 센서를 포함하는 음향 센서가 상기 음향 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 음향 신호가 생성된 후 반사면에서 반사되어 상기 특정 방향으로 상기 음향 센서에 도달하는 시간을 계산하여 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이의 거리를 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 음향 센서는 상기 복수의 지향성 음향 센서의 출력 신호들의 임의 비율의 합(sum) 및 차(difference) 중 적어도 하나를 계산하여 특정 방향으로의 지향성을 획득하는 거리 측정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 음원은 지향성 음향 신호를 생성하는 복수의 음원을 포함하는 거리 측정 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 음원 사이의 거리는 상기 음향 신호의 파장의 1/2인거리 측정 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 음향 신호의 지향성은 상기 복수의 음원으로부터 생성되는 신호들의 지연 시간을 조절함으로써 제어되는 거리 측정 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 음원은 무지향성 음향 신호를 생성하는 거리 측정 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 지향성 음향 센서는 서로에 대해 소정 각도를 이루도록 배치되는 거리 측정 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 같은 비율로 계산하여 상기 특정 방향으로 지향성을 획득하는 거리 측정 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 합을 계산하여 제1 방향으로의 지향성을 획득한 다음, 상기 제1 방향으로의 제1 거리를 측정하는 거리 측정 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들의 차를 계산하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 지향성을 획득한 다음, 상기 제2 방향으로의 제2 거리를 측정하는 거리 측정 방법.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 지향성 음향 센서들의 출력 신호들을 서로 다른 비율로 계산하여 상기 특정 방향으로 지향성을 획득하는 거리 측정 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 음향 센서에 의해 얻어지는 상기 특정한 방향으로의 공간 전달 함수(RTF)의 변화로부터 상기 음향 센서와 상기 반사면 사이에 있는 새롭게 위치한 물체의 위치 또는 물체의 변화된 위치를 검출하는 단계를 더 포함하는 거리 측정 방법.


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