KR20230087161A - 차량 음향 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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유정근
이종원
이강덕
오치성
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Abstract

차량 음향 제어 장치 및 그의 제어 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 차량 내 음향 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지를 획득하는 단계; 상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기 및 기 설정된 스피커 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산하는 단계; 차량 내 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지가 상기 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링하는 단계; 및 상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 상기 허용 기준값을 초과하는 경우, 상기 소음 제어 신호의 크기를 조절하는 단계를 포함하는 제어 방법을 제공한다.

Description

차량 음향 제어 장치 및 방법{Vehicle Sound Control Device and Method Thereof}
본 발명의 실시예들은 차량 내 음향 제어 장치 및 그의 제어 방법, 특히 능동 소음 제어에 따른 음향 제어 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
차량의 주행 시, 차량에는 공기에 의한 소음 및 구조적 소음이 발생한다. 예를 들면, 차량의 엔진에 의해 발생하는 소음, 차량과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 소음, 현가 장치를 통해 전달되는 진동, 바람에 의해 발생하는 풍절음 등이 발생한다.
이러한 소음을 저감하기 위한 방법으로서, 차량 내부에 소음을 흡수하는 흡음재를 설치하는 수동 소음 제어 방법과, 소음의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 이용하는 능동 소음 제어(Active Noise Control, ANC) 방법이 있다.
수동 소음 제어 방법은 다양한 소음을 적응적으로 제거하는 데 한계가 있어, 능동 소음 제어 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 차량의 노면 소음을 제거하기 위한 노면 소음 능동 제어(Road-noise Active Noise Control, RANC) 방법이 주목받고 있다.
능동 소음 제어를 수행하기 위해, 차량의 오디오 시스템은 차량의 내부 소음과 동일한 진폭을 가지지만 내부 소음의 위상에 대한 역위상을 가지는 소음 제어 신호를 생성하고, 소음 제어 신호를 차량의 내부에 출력함으로써 내부 소음을 상쇄한다.
한편, 차량의 오디오 시스템은 차량의 내부 소음을 제거할 뿐만 아니라, 오디오를 재생할 수도 있다. 예를 들면, 차량의 오디오 시스템은 노래에 관한 오디오 신호를 소음 제어 신호와 동시에 출력할 수 있다. 이로 인해, 탑승자는 노면 소음 없이 노래만을 청취할 수 있다.
다만, 종래의 오디오 시스템은 소음 제어 신호와 오디오 신호를 단순히 믹싱하고, 다른 제한사항을 고려하지 않은 채 믹싱된 신호를 출력하므로, 소음을 효율적으로 제거하기 어렵거나 새로운 문제를 발생시킬 수 있다.
예를 들면, 오디오 재생 볼륨이 클 경우 오디오 신호에 소음 제어 신호가 더해진 신호가 오디오 스피커의 출력 성능을 초과하게 되면 스피커에서 이상음 또는 재생음의 왜곡이 발생하거나 고장 등이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은, 소음 제어 신호와 오디오 신호 간 관계, 소음 신호의 특성, 스피커의 특성 등을 고려하여 능동 소음 제어의 성능을 향상시키기 위한 능동 소음 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 실시예들은, 소음 제어 신호와 오디오 신호가 합산된 신호가 스피커의 출력 성능을 초과하지 않도록 소음 제어 신호를 조절함으로써 오디오 음질에 영향을 미치지 않고 능동 소음 제어의 성능을 향상시키기 위한 능동 소음 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 차량 내 음향 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지를 획득하는 단계; 상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기 및 기 설정된 스피커 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산하는 단계; 차량 내 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지가 상기 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링하는 단계; 및 상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 상기 허용 기준값을 초과하는 경우, 상기 소음 제어 신호의 크기를 조절하는 단계를 포함하는 제어 방법을 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지를 획득하고, 상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기 및 기 설정된 스피커 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산하는 신호 분석부; 차량 내 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지가 상기 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 상기 허용 기준값을 초과하는 경우, 상기 소음 제어 신호의 크기를 조절하는 신호 조절부를 포함하는 음향 제어 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 소음 제어 신호와 오디오 신호 간 관계, 소음 신호의 특성, 스피커의 특성 등을 고려하여 능동 소음 제어의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 소음 제어 신호와 오디오 신호가 합산된 스피커의 입력신호가 스피커의 출력 성능을 초과하지 않도록 소음 제어 신호를 조절함으로써, 오디오 재생 볼륨이 큰 경우에도 스피커에서 이상음이 발생하지 않도록 함으로써 능동 소음 제어의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 구성요소들을 예시적으로 나타낸 구성도다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 시스템의 구성요소들을 예시적으로 나타낸 구성도다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커의 변위를 설명하기 위해 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음 제어 신호 생성 과정을 설명하기 위해 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 제어 장치가 구비된 오디오 시스템의 구성도를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 제어 방법을 나타낸 순서도다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'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 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 구성요소들을 예시적으로 나타낸 구성도다.
도 1을 참조하면, 차륜(100), 현가 장치(110), 가속도계(accelerometers, 120), 마이크로폰(130), 제어기(140), 스피커(150), 및 차축(160)을 포함하는 차량(10)이 도시되어 있다. 도 1에서 복수의 구성요소들의 개수와 배치된 위치는 일 실시예에 해당하며, 다른 실시예에서는 구성요소들의 개수와 위치는 달라질 수 있다.
차량(10)은 주행에 필요한 부속품들이 장착되는 차대(chassis), 및 능동 소음 제어를 수행하는 오디오 시스템을 포함한다.
차량(10)의 차대는 차량(10)의 전방의 좌우에 각각 배치된 전륜들과, 차량(10)의 후방의 좌우에 각각 배치된 후륜들을 포함한다. 차량(10)의 차대는 동력 전달 수단으로서 차축(160)을 더 포함한다. 또한, 차량(10)의 차대는 현가 장치(110)를 포함한다. 이 외에, 차량(10)은 동력 장치, 조향 장치 또는 제동 장치 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
현가 장치(110)는 차량(10)의 진동 또는 충격을 완화시키는 장치이다. 구체적으로, 차량(10)이 주행하는 동안 노면에 의한 진동이 차량(10)에 가해진다. 현가 장치(110)는 스프링, 에어 서스펜션(air suspension) 등을 이용하여 차량(10)에 가해지는 진동을 완화시킨다. 현가 장치(110)는 충격 완화를 통해 차량(10)에 탑승한 탑승자의 승차감을 개선할 수 있다.
하지만, 현가 장치(110)에 의해 차량(10)의 실내에 소음이 발생할 수 있다. 구체적으로, 현가 장치(110)는 차량(10)에 가해지는 큰 진동을 완화할 수는 있지만, 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 미세한 진동을 제거하기는 어렵다. 이러한 미세한 진동은 현가 장치(110)를 통해 차량(10)의 실내에 소음을 발생시킨다.
나아가, 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 소음, 동력 장치인 엔진에 의해 발생하는 소음 또는 바람에 의해 발생하는 풍절음 등이 차량(10)의 실내로 유입될 수 있다.
차량(10)의 내부 소음을 제거하기 위해, 차량(10)은 오디오 시스템을 포함할 수 있다.
차량(10)의 오디오 시스템은 차량(10)의 진동으로부터 내부 소음을 예측하고, 차량(10)의 내부 소음에 대한 소음 신호(noise signal)의 진폭과 동일한 진폭을 가지되, 소음 신호의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 이용하여 차량(10)의 내부 소음을 제거할 수 있다.
이를 위해, 오디오 시스템은 가속도계(120), 마이크로폰(130), 제어기(140) 및 스피커(150)를 포함한다. 오디오 시스템은 앰프(amplifier, AMP)를 더 포함할 수 있다.
가속도계(120)는 차량(10)의 가속 또는 진동을 측정하고, 가속 신호를 나타내는 참조 신호(reference signal)를 제어기(140)에게 전송한다. 참조 신호는 소음 제어 신호를 생성하는 데 이용된다.
가속도계(120)는 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 진동을 측정할 수 있다. 이를 위해, 가속도계(120)는 현가 장치(110)에 배치되거나, 차륜(100)과 차축(160)을 연결하는 연결기구에 배치될 수 있다.
가속도계(120)는 아날로그 신호인 참조 신호를 제어기(140)에게 전송한다. 그렇지 않으면, 가속도계(120)는 참조 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 제어기(140)에 전송할 수 있다.
오디오 시스템은 차량(10)의 진동을 측정하기 위해 가속도 센서 대신 자이로 센서, 모션 센서, 변위 센서 또는 토크 센서 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 즉, 오디오 시스템은 센싱부를 포함하고, 센싱부는 가속도 센서, 자이로 센서, 모션 센서, 변위 센서 또는 토크 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
마이크로폰(130)은 차량(10) 내 소리를 감지하고, 소리 신호를 제어기(140)에게 전송한다. 예를 들면, 마이크로폰(130)은 차량(10) 내 소음을 감지하고, 소음 신호를 제어기(140)에게 전송할 수 있다.
구체적으로, 마이크로폰(130)은 사람의 가청 주파수 대역인 약 20 내지 20 kHz의 음압을 측정할 수 있다. 마이크로폰(130)의 감청 주파수의 범위는 더 좁아지거나 넓어질 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로폰(130)은 차륜(100)과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 내부 소음을 측정할 수 있다.
차량(10)의 내부로 소음 제어 신호가 출력되는 경우, 마이크로폰(130)은 소음 제어 신호에 의해 차량(10)의 내부 소음이 제거된 환경에서 차량(10)의 실내에 잔존하는 소음 신호를 측정할 수 있다. 잔존하는 신호를 오차 신호 또는 잔여 신호라 한다. 오차 신호는 차량(10) 내 소음이 정상적으로 감소되거나 제거되었는지 판단하기 위한 정보로 이용될 수 있다.
차량(10)의 내부로 오디오 신호가 출력되는 경우, 마이크로폰(130)은 오차 신호와 오디오 신호를 함께 측정할 수 있다.
마이크로폰(130)은 좌석의 헤드레스트, 차량(10)의 천장 또는 내벽에 배치될 수 있다. 마이크로폰(130)은 복수의 위치에 배치될 수 있으며, 마이크로폰 어레이(array) 형태로 배치될 수도 있다.
마이크로폰(130)은 전기적 콘덴서형 센서로 구현될 수 있다. 소음을 집중적으로 측정하기 위해, 마이크로폰(130)은 지향성 마이크로폰으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 마이크로폰(130)은 제어기(140)에 의해 탑승자의 귀 위치에 생성되는 가상 마이크로폰으로 동작할 수 있다.
제어기(140)는 가속도계(120)의 참조 신호에 기초하여 차량의 내부 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호를 생성한다. 차량(10)의 내부에 소음 제어 신호가 출력되는 경우, 제어기(140)는 참조 신호와 함께 마이크로폰(130)에 의해 측정된 음향 신호를 이용하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 소음 제어 신호가 출력되고 있지 않은 상황에서, 제어기(140)는 가속도계(120)의 참조 신호에 기초하여 차량(10)의 내부 소음 신호의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 생성한다. 제어기(140)는 스피커(150)를 통해 소음 제어 신호를 차량(10)의 내부에 출력한다. 제어기(140)는 소음 신호와 소음 제어 신호 간 오차를 나타내는 오차 신호를 마이크로폰(130)을 통해 피드백 받는다. 제어기(140)는 참조 신호와 오차 신호에 기초하여 다시 소음 제어 신호를 생성하고, 소음 제어 신호를 스피커(150)를 통해 출력한다.
이처럼, 제어기(140)는 차량(10)의 내부 소음에 대한 소음 신호의 진폭과 동일한 진폭을 가지되, 소음 신호의 위상에 반대되는 위상을 가지는 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어기(140)는 아날로그 신호인 참조 신호와 소음 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호로부터 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어기(140)는 소음 제어 신호를 앰프에게 전송한다.
앰프는 제어기(140)로부터 소음 제어 신호를 수신하고, AVN(Audio, Video, Navigation) 장치로부터 오디오 신호를 수신한다.
앰프는 소음 제어 신호와 오디오 신호를 믹싱하고, 믹싱된 신호를 스피커를 통해 출력할 수 있다. 또한, 앰프는 증폭기들을 이용하여 믹싱된 신호의 진폭을 조절할 수 있다. 증폭기들은 믹싱된 신호의 전력을 증폭하기 위한 진공관 또는 트랜지스터 등을 포함할 수 있다.
앰프는 믹싱된 신호를 스피커(150)에게 전송한다.
스피커(150)는 전기적 신호인 믹싱된 신호를 앰프로부터 수신하고, 차량(10)의 내부에 믹싱된 신호를 음파 형태로 출력한다. 차량(10)의 내부에서 소음은 믹싱된 신호의 출력에 의해 감소하거나 제거될 수 있다.
스피커(150)는 차량(10)의 내부에서 복수의 위치에 배치될 수 있다.
스피커(150)는 믹싱된 신호를 필요에 따라 특정 탑승자에게만 출력할 수 있다. 구체적으로, 스피커(150)는 복수의 위치에서 믹싱된 신호들의 위상을 달리 출력함으로써, 특정 탑승자의 귀 위치에서 보강 간섭을 일으킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소들을 예시적으로 나타낸 구성도다.
도 2를 참조하면, 차량의 오디오 시스템은 센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)를 포함한다. 도 2에서 센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)는 도 1을 참조하여 설명한 가속도계(120), 마이크로폰(130), 제어기(140), AVN 장치, 앰프 및 스피커(150)에 각각 대응될 수 있다.
센서(200)는 차량의 가속 신호를 참조 신호로 측정한다. 센서(200)는 가속도 센서, 자이로 센서, 모션 센서, 변위 센서 또는 토크 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
마이크로폰(210)은 차량 내 음향 신호를 측정한다. 여기서, 마이크로폰(210)에 의해 측정되는 음향 신호는 소음 신호, 오차 신호 및 오디오 신호 중 적어도 하나를 포함한다.
차량 내부에 소음 제어 신호가 출력되고 있는 경우, 마이크로폰(210)은 오차 신호를 측정할 수 있다. 차량 내부에 오디오 신호가 출력되고 있는 경우, 마이크로폰(130)은 오차 신호와 오디오 신호를 함께 측정할 수 있다.
제어기(220)는 참조 신호에 따라 소음 제어 신호를 생성한다. 소음 제어 신호는 차량의 내부 소음의 크기와 같은 크기를 가지되, 내부 소음의 위상에 반대되는 위상을 가지는 신호이다. 소음 제어 신호가 출력되고 있는 경우, 제어기(220)는 참조 신호 및 오차 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 오디오 신호가 출력되고 있는 경우, 제어기(220)는 마이크로폰(210)에 의해 측정된 음향 신호로부터 오차 신호를 추출하고, 참조 신호 및 오차 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어기(220)는 AVN 장치(230)의 오디오 기능의 동작 여부와 무관하게 독립적으로 소음 제어 신호가 출력되도록 할 수 있다. 즉, 제어기(220)는 차량의 주행 상황에서 상시 동작할 수 있다. 제어기(220)는 AVN 장치(230)의 오디오 기능의 온 동작 시, 소음 제어 신호와 오디오 신호가 함께 출력되도록 할 수 있다. 제어기(220)는 AVN 장치(230)의 오디오 기능의 오프 동작 시, 소음 제어 신호만 출력되도록 할 수 있다.
제어기(220)는 오디오 시스템의 다른 구성요소들과 A2B(Automotive Audio Bus) 인터페이스를 통해 연결될 수 있다.
한편, AVN 장치(230)는 차량에 설치되어 탑승자의 요청에 따라 오디오, 비디오 및 내비게이션 프로그램을 실행한다.
구체적으로, AVN 장치(230)는 오디오 신호 송신부(231)를 이용하여 오디오 신호를 앰프(240)에게 전송할 수 있다. 앰프(240)에 전송된 오디오 신호는 스피커(250)를 통해 차량의 내부로 출력된다. 예를 들면, AVN 장치(230)는 탑승자의 제어에 따라 음악에 관한 오디오 신호를 앰프(240)에게 전송하면, 앰프(240) 및 스피커(250)는 오디오 신호에 따라 음악을 재생할 수 있다. 또한, AVN 장치(230)는 디스플레이와 같은 비디오 출력 장치를 이용하여 차량의 주행 정보, 도로 정보, 또는 내비게이션 정보 등을 탑승자에게 제공할 수 있다.
AVN 장치(230)는 3G(Generation), LTE(Long Term Evolution), 5G 등의 이동 통신 규격을 지원하는 통신망을 이용하여 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. AVN 장치(230)는 통신을 통해 주변 차량의 정보, 인프라 정보, 도로 정보, 교통 정보 등을 수신할 수 있다.
앰프(240)는 소음 제어 신호와 오디오 신호를 믹싱하고, 믹싱된 신호를 가공하며, 가공된 신호를 스피커(250)를 통해 출력한다. 앰프(240)는 소음 제어 신호를 가공하거나 오디오 신호를 가공한 후 믹싱을 수행할 수도 있다.
앰프(240)는 소음 제어 신호의 특성, 오디오 신호의 특성, 또는 스피커(250)의 특성 등을 고려하여 믹싱된 신호에 대해 적절한 처리를 수행할 수 있다. 예를 들면, 앰프(240)는 믹싱된 신호의 크기를 조절할 수 있다. 이를 위해, 앰프(240)는 적어도 하나의 증폭기를 포함할 수 있다.
앰프(240)는 가공된 신호를 제어기(220)에게 피드백할 수 있다. 제어기(220)는 가공된 신호를 이용하여 차량 내 다양한 소리 중 오차 신호만 제거하기 위한 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
스피커(250)는 앰프(240)로부터 가공된 신호를 수신하고, 가공된 신호를 차량의 내부로 출력한다. 스피커(250)의 출력에 의해 차량의 내부 소음이 제거되거나 감쇠될 수 있다. 자세한 설명은 후술한다.
센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)는 도 1에서 설명한 가속도계(120), 마이크로폰(130), 제어기(140), AVN 장치, 앰프 및 스피커(150) 각각에 대응될 수 있다.
한편, 차량의 오디오 시스템은 구성요소들의 고장 여부를 진단할 수 있다. 예를 들면, 오디오 시스템은 구성요소들의 이상 신호를 감지하거나, 제어기(220)의 고장이 발생하거나, 센서(200)의 고장이 발생한 것을 판단할 수 있다.
이하에서는, 제어기(220) 및 앰프(240)의 구성요소들을 상세히 설명한다.
제어기(220)는 제1 필터부(221), 제1 ADC(Analog-Digital Converter) 변환부(222), 제2 필터부(223), 제2 ADC 변환부(224), 제어신호 생성부(225) 또는 제어신호 송신부(226) 중 적어도 하나를 포함한다. 제어기(220)는 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor, DSP)로 구현될 수 있다.
제1 필터부(221)는 센서(200)의 참조 신호에 대해 필터링을 수행한다. 제1 필터부(221)는 참조 신호의 주파수 대역 중 특정 대역의 신호를 필터링할 수 있다. 예를 들면, 차량 내 주요 소음원인 저주파 대역의 참조 신호를 필터링하기 위해, 제1 필터부(221)는 참조 신호에 저역통과필터(low pass filter)를 적용할 수 있다. 이 외에도, 제1 필터부(221)는 참조 신호에 고역역통과필터(high pass filter)를 적용할 수도 있다.
제1 ADC 변환부(222)는 아날로그 신호인 참조 신호를 디지털 신호로 변환한다. 구체적으로, 제1 ADC 변환부(222)는 제1 필터부(221)에 의해 필터링된 참조 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 제1 ADC 변환부(222)는 참조 신호에 대해 샘플링(sampling)을 수행할 수 있다. 예를 들면, 제1 ADC 변환부(222)는 참조 신호를 2 kHz의 샘플링 비율로 샘플링할 수 있다. 다시 말하면, 제1 ADC 변환부(222)는 소음 제어 신호에 다운 샘플링을 적용할 수 있다. 제1 ADC 변환부(222)는 참조 신호를 적절한 샘플링 비율로 샘플링함으로써, 아날로그 신호인 참조 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
제2 필터부(223)는 마이크로폰(210)의 음향 신호에 대해 필터링을 수행한다. 음향 신호는 소음 신호, 오차 신호 또는 오디오 신호 중 적어도 하나를 포함한다. 제2 필터부(223)는 음향 신호의 주파수 대역 중 특정 대역의 신호를 필터링할 수 있다. 예를 들면, 저주파 대역의 음향 신호를 필터링하기 위해, 제2 필터부(223)는 음향 신호에 저역통과필터를 적용할 수 있다. 이 외에도, 제2 필터부(223)는 음향 신호에 고역통과필터 또는 노치 필터(notch filter)를 적용할 수도 있다.
제2 ADC 변환부(224)는 아날로그 신호인 음향 신호를 디지털 신호로 변환한다. 구체적으로, 제2 ADC 변환부(224)는 제2 필터부(223)에 의해 필터링된 음향 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 제2 ADC 변환부(224)는 음향 신호에 대해 샘플링(sampling)을 수행할 수 있다. 예를 들면, 제2 ADC 변환부(224)는 음향 신호를 2 kHz의 샘플링 비율로 샘플링할 수 있다. 다시 말하면, 제2 ADC 변환부(224)는 음향 신호에 다운 샘플링을 적용할 수 있다. 제2 ADC 변환부(224)는 음향 신호를 적절한 샘플링 비율로 샘플링함으로써, 아날로그 신호인 음향 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이후, 디지털 신호로 변환된 음향 신호는 고역통과필터에 의해 필터링될 수 있다.
제어신호 생성부(225)는 디지털 신호로 변환된 참조 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성한다. 제어신호 생성부(225)는 디지털 신호로 변환된 오차 신호에 더 기초하여, 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제어신호 생성부(225)는 FxLMS(Filtered-x Least mean squared) 알고리즘을 이용하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. FxLMS 알고리즘은 참조 신호에 기초하여 차량의 구조적 소음(structural-borne noises)를 제거하기 위한 알고리즘이다. FxLMS 알고리즘은 가상의 센서를 이용하는 것을 특징으로 가진다. FxLMS 알고리즘은 스피커(250)와 마이크로폰(210) 사이 거리를 나타내는 2차 경로(secondary path)를 고려하여 소음을 제어할 수 있다. 이에 대해, 도 4에서 자세히 설명한다.
제어신호 생성부(225)는 앰프(240)에 의해 가공된 신호를 피드백 받고, 앰프(240)의 가공된 신호를 고려하여 오디오 신호의 출력에 영향을 주지 않는 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 마이크로폰(210)은 오차 신호와 오디오 신호를 함께 측정할 수 있다. 이때, 제어신호 생성부(225)는 앰프(240)의 가공된 신호를 이용하여 음향 신호로부터 오차 신호를 추출하고, 추출된 오차 신호와 참조 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 생성된 소음 제어 신호는 차량 내 소음을 제거하되, 오디오 신호를 감쇠시키지 않는다.
제어신호 송신부(226)는 제어신호 생성부(225)에 의해 생성된 소음 제어 신호를 앰프(240)에게 전송한다.
앰프(240)는 제어 버퍼(241), 전처리부(242), 제1 감쇠부(243), 오디오 버퍼(244), 이퀄라이저(Equalizer, 245), 연산부(Calculation unit, 246), 제2 감쇠부(247), 후처리부(248), 또는 DAC(Digital-Analog Converter) 변환부(249) 중 적어도 하나를 포함한다. 앰프(240)는 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서를 이용하여 구현될 수 있다.
제어 버퍼(241)는 제어기(220)로부터 수신한 소음 제어 신호를 임시로 저장한다. 제어 버퍼(241)는 소음 제어 신호의 누적 횟수가 소정의 조건을 만족한 경우, 소음 제어 신호를 전송할 수 있다. 그렇지 않으면, 제어 버퍼(241)는 소음 제어 신호를 저장하고, 일정한 시간 간격마다 소음 제어 신호를 전송할 수 있다. 제어 버퍼(241)는 소음 제어 신호를 전처리부(242) 및 연산부(246)로 전달한다.
전처리부(242)는 제어 버퍼(241)로부터 수신한 소음 제어 신호에 대해 업 샘플링(up-sampling) 또는 필터링을 적용한다. 예를 들면, 전처리부(242)는 소음 제어 신호의 샘플링 비율을 48 kHz로 업 샘플링할 수 있다. 전처리부(242)는 업 샘플링을 통해 소음 제어 신호의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제어기(220)으로부터 수신한 소음 제어 신호에 노이즈가 포함된 경우, 전처리부(242)는 주파수 필터링을 통해 소음 제어 신호의 노이즈를 제거할 수 있다. 전처리부(242)는 전처리된 소음 제어 신호를 제1 감쇠부(243)에게 전송한다.
오디오 버퍼(244)는 AVN 장치(230)로부터 수신한 오디오 신호를 임시로 저장한다. 오디오 버퍼(244)는 오디오 신호의 누적 횟수가 소정의 조건을 만족한 경우, 오디오 신호를 전송할 수 있다. 그렇지 않으면, 오디오 버퍼(244)는 오디오 신호를 저장하고, 일정한 시간 간격마다 오디오 신호를 전송할 수 있다. 오디오 버퍼(244)는 오디오 신호를 이퀄라이저(245)로 전달한다.
이퀄라이저(245)는 오디오 신호를 주파수 대역별로 조절한다. 구체적으로, 이퀄라이저(245)는 오디오 신호의 주파수 대역을 복수의 주파수 대역으로 나누고, 각 주파수 대역에 대응하는 오디오 신호들의 진폭 또는 위상을 조절할 수 있다. 예를 들면, 이퀄라이저(245)는 저주파 대역의 오디오 신호를 강조하고, 고주파 대역의 오디오 신호를 약하게 조절할 수 있다. 이퀄라이저(245)는 탑승자의 제어에 따라 오디오 신호를 조절할 수 있다. 이퀄라이저(245)는 조절된 오디오 신호를 연산부(246)에게 전송한다.
연산부(246)는 제어 버퍼(241)로부터 수신한 소음 제어 신호와 이퀄라이저(245)로부터 수신한 오디오 신호에 기초하여 제어 파라미터를 계산한다.
연산부(246)는 소음 제어 신호와 오디오 신호 간 관계, 스피커(250)의 특성, 소음 신호의 특성 또는 오차 신호의 특성 등을 기반으로 제어 파라미터들을 계산할 수 있다.
제어 파라미터들은 소음 제어 신호에 대한 제1 감쇠 계수 또는 오디오 신호에 대한 제2 감쇠 계수를 포함할 수 있다. 또한, 제어 파라미터들은 소음 제어 신호의 범위 또는 오디오 신호의 범위에 대한 경계값들을 포함할 수 있다. 이 외에도, 제어 파라미터들은 능동 소음 제어를 위한 다양한 파라미터 값들을 포함할 수 있다.
제1 감쇠부(243)는 연산부(246)에 의해 계산된 제1 감쇠 계수를 소음 제어 신호에 적용하고, 감쇠된 소음 제어 신호를 후처리부(248)에게 전송한다. 연산부(246)에 의해 제1 감쇠 계수가 계산되지 않은 경우, 제1 감쇠부(243)는 소음 제어 신호를 통과시킨다.
제2 감쇠부(247)는 연산부(246)에 의해 계산된 제2 감쇠 계수를 오디오 신호에 적용하고, 감쇠된 오디오 신호를 후처리부(248)에게 전송한다. 연산부(246)에 의해 제2 감쇠 계수가 계산되지 않은 경우, 제2 감쇠부(247)는 오디오 신호를 통과시킨다.
소음 제어 신호와 오디오 신호는 후처리부(248)로 전송되는 과정에서 믹싱된다. 즉, 믹싱된 신호가 후처리부(248)에 입력된다.
후처리부(248)는 믹싱된 신호에 대해 선형화(linearization) 또는 안정화(stabilization) 중 적어도 하나를 수행한다. 여기서, 선형화 및 안정화는 스피커(250)의 믹싱된 신호와 변위(displacement) 제한에 기초하여, 믹싱된 신호를 후처리하는 것이다.
DAC 변환부(249)는 디지털 신호인 후처리된 신호를 아날로그 신호인 출력 신호로 변환한다. DAC 변환부(249)는 출력 신호를 스피커(250)로 전송한다.
스피커(250)는 DAC 변환부(249)로부터 수신한 출력 신호를 음파 형태로 출력한다. 스피커(250)는 차량 내부로 출력 신호를 출력할 수 있다. 출력 신호는 차량 내부 소음을 제거하되, 오디오 신호에 따른 오디오를 차량의 내부로 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커의 변위를 설명하기 위해 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 스피커(30)는 하부 플레이트(300), 자석(310), 상부 플레이트(320), 보이스 코일(voice coil, 330), 폴 피스(pole piece, 340) 서스펜션(suspension, 350), 프레임(frame, 360), 콘(cone, 370), 서라운드(surround, 380), 더스크 캡(dusk cap, 390)을 포함한다.
도 3에서 스피커(30)는 무빙코일(moving coil) 방식의 스피커로 표현되어 있으나, 스피커(30)는 다른 방식의 스피커로 구현될 수도 있다.
스피커(30)는 하부 플레이트(300)와 상부 플레이트(320)를 구비하고, 하부 플레이트(300)와 상부 플레이트(320) 사이에 자석(310)을 구비한다. 하부 플레이트(300)는 가운데 부분이 돌출된 폴 피스(340)를 포함한다.
자석(310) 및 상부 플레이트(320)는 폴 피스(340)를 둘러싸는 링 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 폴 피스(340)와 상부 플레이트(320) 사이의 갭 공간에 보이스 코일(330)이 배치되고, 보이스 코일(330)은 폴 피스(340)에 권선되는 형태로 배치될 수 있다. 보이스 코일(330)은 보빈 위에 부착되고, 보빈은 탄성을 가지는 서스펜션(350)을 통해 프레임(360)에 고정될 수 있다. 서스펜션(350)은 유연한 성질을 가지며, 보이스 코일(330)의 위치를 복귀시킬 수 있다.
하부 플레이트(300), 자석(310), 상부 플레이트(320), 보이스 코일(330) 및 폴 피스(340)는 자기 회로(magnetic circuit)를 형성한다. 자석(310)은 페라이트(ferrite)일 수 있다. 보이스 코일(330)에 교류 전류가 인가되면, 보이스 코일(330)은 자기장을 생성한다. 여기서, 교류 전류는 앰프에 의해 출력되는 출력 신호일 수 있다. 폴 피스(340)는 보이스 코일(330)에 의해 생성되는 자기장을 집속시킨다. 보이스 코일(330)에 의해 생성된 자기장은 자석(310)의 자기장과 상호작용한다. 이러한 상호작용으로 인해, 보이스 코일(330)이 상하로 움직인다. 자석(310)의 직류 자속과 보이스 코일(330)의 교류 자속의 상호 작용에 의해 발생한 힘이 보이스 코일(330)과 콘(370)을 진동시키고, 음향을 발생시킨다. 보이스 코일(330)의 움직임을 변위(displacement) 또는 편위(excursion)라 한다. 보이스 코일(330)은 보빈을 통해 콘(370)에 진동 또는 떨림을 발생시킨다.
콘(370)은 탄성을 가지는 서라운드(380)를 통해 프레임(360)에 연결되고, 보이스 코일(330)에 의해 진동한다. 콘(370)은 진동을 통해 공기를 밀어내면서 소리를 발생시킨다.
더스크 캡(390)은 외부의 이물질로부터 콘(370)을 보호한다.
한편, 보이스 코일(330)의 변위는 보이스 코일(330)에 인가되는 교류 전류의 크기를 포함하는 다양한 파라미터들에 기반하여 결정된다.
보이스 코일(330)의 변위는 스피커(30)의 구조로 인해 물리적인 한계치를 가진다. 나아가, 스피커(30)는 입력 신호의 왜곡, 스피커(30)의 발열, 노후화, 또는 온도 등 외부 환경에 의해 스피커(30) 내 보이스 코일(330)의 변위가 제한될 수 있다. 보이스 코일(330)에 인가되는 출력 신호에 의해 보이스 코일(330)의 변위는 허용되는 변위 범위 내에서 있을 수 있지만, 반대로 보이스 코일(330)의 변위는 출력 신호에 의해 허용 범위를 벗어날 수 있다. 이 경우, 스피커(30)가 출력하고자 하는 신호가 왜곡되거나, 스피커(30)의 고장이 발생할 수 있다.
이러한 스피커(30)의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 앰프는 선형화 및 안정화를 수행할 수 있다. 앰프는 보이스 코일(330)에 인가되는 출력 신호에 선형화 및 안정화를 적용할 수 있다.
구체적으로, 스피커(30)의 선형성은 스피커(30)의 입력 신호와 보이스 코일(330)의 변위 간 선형적 관계를 의미한다. 보이스 코일(330)의 선형 범위 내에서, 보이스 코일(330)의 변위는 입력 신호의 크기에 선형적으로 변화할 수 있다. 반면, 스피커(30)의 입력 신호에 의해 보이스 코일(330)이 선형 범위 밖에서 동작하는 경우, 보이스 코일(330)의 변위는 입력 신호의 크기에 선형적으로 변화하지 않을 수 있다. 이때, 앰프는 보이스 코일(330)의 선형 범위 밖에서, 입력 신호와 보이스 코일(330)의 변위 사이 선형성을 유지하도록 제어할 수 있다.
스피커(30)의 안정화는 보이스 코일(330)의 편심된 위치를 바로 잡는 것을 의미한다. 보이스 코일(330)은 동작 범위의 정중앙에 위치하지 않을 수 있다. 예를 들면, 보이스 코일(330)은 위치가 아래로 편심된 상태에서 진동할 수 있다. 이 경우, 보이스 코일(330)은 아래 방향으로의 움직임이 제한될 수 있다. 이때, 앰프는 보이스 코일(330)의 편심된 위치와 기준 위치를 고려하여 스피커(30)의 입력 신호에 오프셋(offset)을 적용할 수 있다.
앰프는 선형화 및 안정화를 이용하여 보이스 코일(330)의 변위 간 선형성을 유지하고, 보이스 코일(330)의 중심을 유지할 수 있다.
한편, 같은 크기의 음압(sound pressure)을 출력할 때, 스피커(30)는 고주파 신호보다 저주파 신호를 출력하는 것이 더 어렵다. 구체적으로, 공기를 밀어내는 힘을 나타내는 음압은 콘(370)의 가속도에 비례한다. 입력 신호가 저주파 신호인 경우, 저주파의 신호에 따른 콘(370)의 가속도가 고주파 신호에 따른 콘(370)의 가속도보다 낮다. 따라서, 스피커(30)는 고주파 신호보다 저주파 신호를 출력하는 것이 더 어렵다.
고주파 신호의 음압 레벨과 동일한 음압 레벨을 가지는 저주파 신호를 출력하기 위해서, 저주파 신호의 진폭을 고주파 신호의 진폭보다 크게 만드는 방법이 있다. 하지만, 보이스 코일(330)의 발열 또는 보이스 코일(330)의 과도한 변위로 인해 스피커(30)의 고장이 발생할 수 있다. 보이스 코일(330)의 과도한 변위로 인해, 저주파 신호는 스피커(30) 내에서 비선형성으로 인해 찌그러질 수 있다. 이로 인해, 스피커(30)는 이상음을 출력하게 된다.
이 외에, 고주파 신호의 음압 레벨과 동일한 음압 레벨을 가지는 저주파 신호를 출력하기 위해서, 스피커(30)의 크기를 증가시키는 방법이 있다. 콘(370)의 크기가 클수록, 콘(370)은 더 많은 양의 공기를 밀어낼 수 있다. 하지만, 차량 내 크기가 큰 스피커를 장착하는 데 한계가 있다. 특히, 헤드레스트 스피커(headrest speaker)와 같이 스피커(30)가 작은 경우, 스피커(30)는 소음 제어 신호의 주된 주파수 대역인 20 내지 500 kHz 범위의 저주파 신호를 출력하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 시스템은 넓은 주파수 대역의 신호를 온전하게 출력할 수 있고, 스피커(30)를 보호할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음 제어 신호 생성 과정을 설명하기 위해 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 센서(200), 마이크로폰(210), 제어기(220) 및 스피커(250)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 차량의 오디오 시스템은 센서(200)에 의해 측정된 참조 신호를 기반으로 생성된 소음 제어 신호를 출력함으로써 차량 내 소음을 제거할 수 있다. 또한, 오디오 시스템은 소음 제거 후, 잔존하는 잔여 소음(residual noise)을 피드백으로 이용하여 차량의 내부 소음을 최대한으로 제거할 수 있다.
구체적으로, 차량의 주행 시 차량과 노면의 마찰에 의해 진동이 발생하고, 발생된 진동은 차량의 내부에 소음을 유발한다.
제어기(220)는 센서(200)에 의해 검출된 참조 신호를 획득하고, 참조 신호를 기반으로 차량의 내부의 소음 신호를 예측한다. 제어기(220)는 예측된 소음 신호를 제거하기 위한 소음 제어 신호를 생성한다. 소음 제어 신호는 소음 신호의 진폭과 동일한 진폭을 가지되, 소음 신호의 위상의 역위상을 가지는 신호다. 제어기(220)는 스피커(250)를 통해 소음 제어 신호를 출력한다.
이때, 차량의 내부의 소음 신호가 발생한 지점부터 소음 신호가 소음 제어 신호에 의해 제거 또는 감쇠되는 지점까지 경로를 1차 경로 또는 주 음향 경로라 한다. 1차 경로는 센서(200)와 마이크로폰(210) 사이 경로, 또는 센서(200)와 스피커(250)사이 경로로 모델링될 수 있다. 바람직하게는, 1차 경로는 센서(200)와 마이크로폰(210) 사이 경로로 모델링된다. 제어기(220)는 1차 경로에 대한 전달 함수(transfer function) 및 지연시간을 고려하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제어기(220)는 1차 경로의 전달 함수를 고려하여 센서(200)의 참조 신호로부터 마이크로폰(210)의 위치에서 소음 신호를 예측하고, 예측된 소음 신호를 기반으로 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
소음 신호를 제거하기 위한 소음 제어 신호의 출력에도 불구하고, 탑승자의 청취 위치에서 잔여 소음이 발생할 수 있다. 예를 들면, 스피커(250)에서 출력된 소음 제어 신호가 탑승자의 청취 위치로 전파되는 과정에서 변화하기 때문에 잔여 소음이 발생할 수 있다. 그렇지 않으면, 제어기(220)에서 생성된 소음 제어 신호가 앰프 또는 스피커(250)를 거치면서 변화하기 때문에 탑승자의 청취 위치에서 잔여 소음이 발생할 수 있다. 이러한 잔여 소음은 탑승자의 청취 위치에서 소음 신호와 변화된 소음 제어 신호 간 합을 나타내는 오차 신호(error signal)로 표현될 수 있다.
정밀한 소음 제거를 위해, 차량의 내부에 소음 제어 신호가 출력된 후 마이크로폰(210)은 차량 내부에 잔여 소음을 측정할 수 있다. 마이크로폰(210)이 탑승자의 귀의 위치에 가까운 곳에 배치된 경우, 오차 신호는 마이크로폰(210)에 의해 측정될 수 있다.
소음 제어 신호가 생성된 지점부터 탑승자의 청취 지점까지 경로를 2차 경로라고 한다. 여기서, 2차 경로는 스피커(250)와 마이크로폰(210) 사이 경로로 모델링될 수 있다. 2차 경로는 제어기(220)와 스피커(250) 사이 경로를 더 포함할 수 있다. 마이크로폰(210)이 탑승자의 청취 위치와 가까울수록 마이크로폰(210)은 더 정확한 오차 신호를 측정할 수 있다. 제어기(220)는 마이크로폰(210)으로부터 오차 신호를 피드백 받고, 2차 경로에 대한 전달 함수 및 지연시간을 더 고려하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다.
이를 통해, 제어기(220)는 소음 신호 및 잔여 소음을 모두 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 차량의 오디오 시스템은 가상의 마이크로폰(virtual microphone)을 이용하여 2차 경로를 더욱 정확하게 모델링할 수 있다. 제어기(220)는 가상의 마이크로폰에 의해 측정되는 신호를 기반으로 2차 경로에 대한 정보를 획득하며, 가상의 2차 경로에 대응되는 소음을 제거할 수 있다.
제어기(220)는 탑승자의 귀의 위치 정보 또는 신체 정보에 기초하여 탑승자의 귀가 위치할 것으로 예상되는 지점에 가상의 마이크로폰을 생성한다. 탑승자의 귀의 위치가 바뀔 경우, 제어기(220)는 탑승자의 귀의 변화된 위치에 기초하여 가상의 마이크로폰을 생성할 수 있다. 가상의 마이크로폰은 탑승자의 귀의 위치에서 잔여 소음을 오차 신호로 측정한다. 이때, 제어기(220)는 가상의 소음 제어 신호가 생성되는 지점부터 가상의 마이크로폰의 위치까지의 경로를 가상의 2차 경로로 획득한다. 제어기(220)는 가상의 2차 경로에 대한 전달함수를 고려하여, 가상의 마이크로폰에 의해 측정되는 오차 신호를 생성할 수 있다.
제어기(220)는 가상의 오차 신호에 기초하여 소음 제어 신호를 생성한다.
위 과정을 통해, 차량의 오디오 시스템은 2차 경로를 더욱 정확하게 모델링한 가상의 2차 경로에 기반하여 소음 제어 신호를 생성할 수 있다. 이로 인해, 능동 소음 제어의 성능이 개선될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 제어 장치가 구비된 오디오 시스템의 구성도를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 오디오 시스템은 제어기(220), AVN 장치(230), 앰프(240) 및 스피커(250)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 제어 장치는 앰프(240)에 대응될 수 있다.
앰프(240)는 연산부(246)를 포함한다. 앰프(240)는 제어 버퍼(241), 전처리부(242), 제1 감쇠부(243), 오디오 버퍼(244), 이퀄라이저(245), 제2 감쇠부(247) 또는 DAC 변환부(249) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
앰프(240)는 능동 소음 제어를 위한 소음 제어 신호 및 오디오 신호를 획득하는 획득부로서, 제어 버퍼(241) 및 오디오 버퍼(244)를 이용할 수 있다.
앰프(240)는 스피커(250)를 통해 오디오 신호를 출력하는 출력부로서, DAC 변환부(249)를 이용할 수 있다.
한편, 연산부(246)는 신호 분석부(510), 모니터링부(520) 및 신호 조절부(530)를 포함한다.
신호 분석부(510)는 연산부(246)에 입력된 소음 제어 신호의 크기 및 오디오 신호의 크기를 기초로 각 신호의 단위시간당 에너지를 획득한다. 여기서, 소음 제어 신호 크기 및 오디오신호의 크기는 시간의 흐름에 따라 증감변동하는 해당 신호의 전압 레벨 및 전류값 중 어느 하나의 크기일 수 있다.
각 신호의 단위시간당 에너지는 기 설정된 시간 주기 동안의 신호가 갖는 에너지이다. 여기서, 기 설정된 시간 주기는 1 초일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
오디오 신호의 단위시간당 에너지는 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호에 대한 단위시간당 에너지일 수 있다. 신호 분석부(510)는 입력된 오디오 신호 중에서 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호를 추출하기 위한 하나 이상의 저역 통과 필터를 포함할 수 있다. 여기서, 기 설정된 저주파수 대역은 소음 제어 신호의 주파수 대역과 동일한 대역으로 설정될 수 있다.
앰프(240)에 입력된 오디오 신호와 소음 제어신호가 합산된 신호가 스피커(250)를 통하여 출력된다. 소음 제거 신호를 이용한 능동적인 소음 제거 기술은 고주파의 소음 제거보다 저주파의 소음 제거에 더 좋은 성능을 나타내며, 차량 내의 진동으로 인한 소음은 대체로 저주파수 대역에 해당하므로 소음 제어신호는 통상적으로 30 Hz 내지 500 Hz와 같은 저주파수를 갖는 신호들로 이루어진다.
오디오 신호에 소음 제어 신호가 합해지면 주로 소음 제어 신호의 주파수 대역인 저주파수 대역에 해당하는 신호 성분의 크기가 증가하게 된다. 따라서, 신호 분석부(510)는 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호만을 추출하여 소음 제어 신호의 합산으로 인한 변화를 모니터링 할 수 있다. 여기서, 기 설정된 저주파수 대역은 소음 제어신호의 주파수 대역과 같은 주파수 대역일 수 있다. 예를 들면, 기 설정된 저주파수 대역은 30 Hz 내지 500 Hz 범위의 주파수 대역일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 스피커의 종류, 물리적 특성에 따라 30 Hz 내지 500 Hz의 주파수 대역 중 일부 대역으로 설정될 수 있다.
신호 분석부(510)는 획득한 오디오 신호의 단위시간당 에너지 및 스피커(250)의 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산한다. 여기서, 스피커(250)의 최대허용입력은 이상음 발생 또는 고장을 발생시키지 않고 스피커(250)가 재생할 수 있는 입력신호의 최대허용입력에 관한 값이다. 스피커마다 내구도를 고려한 입력신호의 최대 허용 크기가 정해져 있으며, 이는 스피커의 크기나 구조에 따라 각기 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 설계상 작은 크기를 갖는 스피커일수록 최대허용입력의 크기는 작아질 수 있다. 스피커(250)의 최대허용입력의 크기는 신호 분석부(510)에 기 저장된 값일 수 있다.
신호 분석부(510)는 스피커에 따라 기 설정된 최대허용입력의 크기에서 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기를 뺀 나머지 값을 허용 기준값으로 설정할 수 있다. 여기서, 최대허용입력의 크기는 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호에 대응하는 주파수 대역에 대한 최대허용입력 신호의 단위시간당 에너지의 크기일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 신호 분석부(510)는 입력된 오디오 신호 및 소음 제어 신호를 주파수 성분별로 분리하고, 각 주파수별 단위시간당 에너지의 크기를 계산한다.
신호 분석부(510)는 계산된 오디오의 주파수별 단위시간당 에너지와, 이에 대응하는 스피커(250)의 주파수별 최대허용입력의 크기를 기초로 주파수별 허용 기준값을 계산할 수 있다. 여기서, 오디오의 주파수별 단위시간당 에너지는 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 주파수 성분의 단위시간당 에너지일 수 있다.
신호 분석부(510)는 다양한 푸리에 변환을 이용할 수 있다. 예를 들면, 신호 분석부(510)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT), 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT), 이산 시간 푸리에 변환(Discrete Time Fourier Transform, DTFT) 또는 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform, DCT) 등을 이용할 수 있다.
모니터링부(520)는 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 신호 분석부(510)에서 계산한 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링 한다.
오디오 신호의 단위시간 에너지의 크기가 큰 경우, 예를 들면, 큰 볼륨으로 음악을 재생하고 있는 경우에는 스피커(250)의 최대허용입력의 크기와 오디오 신호의 단위시간 에너지의 크기 간의 차이가 작아지므로 허용 기준값 또한 작아진다.
또한, 오디오 신호는 일정한 음이 지속되는 것이 아니라 시간의 흐름에 따라 계속 변화되는 크기를 갖는다. 따라서, 허용 기준값 또한 시간의 흐름에 따라 변동한다. 소음 제어 신호는 제거하고자 하는 차량 내 소음을 기초로 생성되어 앰프(240)에 입력되므로, 차량 내 소음의 형태 및 시간의 흐름에 따라 변동된 크기를 가진다. 따라서, 소음 제어신호의 단위시간당 에너지의 크기도 시간에 따라 변동한다.
모니터링부(520)는 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기와 허용 기준값의 크기를 비교하여, 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 더 크면 신호 조절부(530)에 모니터링 정보를 전송한다. 여기서, 모니터링 정보는 소음 제어 신호의 허용 기준값의 초과여부에 관한 정보 및 초과량에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
모니터링부(520)는 기 설정된 모니터링 주기마다 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기와 허용 기준값의 크기를 비교할 수 있다. 여기서, 기 설정된 모니터링 주기는 신호 분석부에서 단위시간당 에너지를 계산하도록 설정된 시간 주기와 동일한 주기로 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 모니터링부(520)는 신호 분석부(510)에서 계산한 소음 제어 신호의 주파수별 단위시간당 에너지의 크기가 대응하는 주파수에 대한 허용 기준값의 크기를 초과하는지 여부를 모니터링할 수 있다. 소음 제어 신호의 주파수별 단위시간당 에너지의 크기가 해당 주파수에 대한 허용 기준값을 초과하면, 모니터링부(520)는 소음 제어 신호의 허용 기준값의 초과여부에 관한 정보, 초과된 신호의 주파수에 관한 정보 및 초과량에 관한 정보를 포함하는 모니터링 정보를 신호 조절부(530)에 전송한다.
신호 조절부(530)는 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 허용 기준값을 초과하는 경우, 소음 제어 신호의 크기를 조절한다.
구체적으로, 신호 조절부(530)는 모니터링부(520)의 모니터링 정보를 수신한다. 신호 조절부(530)는 모니터링 정보에 포함된 소음 제어신호의 단위시간당 에너지가 허용 기준값을 초과한 초과량에 관한 정보를 기초로 소음 제어신호의 크기를 조절한다.
신호 조절부(530)는 소음 제어신호의 단위시간당 에너지가 허용 기준값 이하가 되도록 소음 제어신호의 크기를 작게 조절한다. 여기서, 신호 조절부(530)는 소음 제어신호에 대한 재생 볼륨을 작게 조절할 수 있다.
신호 조절부(530)는 소음 제어신호가 조절된 볼륨으로 재생되도록 제어파라미터를 계산하고, 계산한 제어 파라미터를 제1 감쇠부(243)에 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 신호 조절부(530)는 소음 제어신호의 주파수별 단위시간당 에너지 중에서 허용 기준값을 초과한 소음 제어신호의 주파수 성분에 대한 크기를 조절할 수 있다. 예를 들면, 소음 제어 신호의 제1 저주파 성분의 단위시간당 에너지가 허용 기준값을 초과하는 경우, 신호 조절부(530)는 소음 제어 신호의 복수의 주파수 성분 중 제1 저주파 성분의 크기만을 작아지도록 조절할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 앰프(240)는 스피커(250)의 최대허용입력을 기초로 계산된 허용 기준값의 크기에 따라 소음 제어 신호의 크기를 조절함으로써, 탑승자가 스피커의 이상음 발생이나 스피커의 고장 없이 오디오 신호를 그대로 청취할 수 있도록 한다. 즉, 탑승자가 큰 볼륨으로 오디오 신호를 청취하고 있는 상황에서 소음 제어신호의 크기가 변동함에 따라, 두 신호가 합산된 신호의 크기가 스피커(250)의 최대허용입력을 초과하게 되는 경우 소음제어신호의 볼륨만을 조절하고 오디오 신호는 그대로 출력한다.
소음 제어 신호의 볼륨이 작아지더라도, 소음 제어신호의 볼륨감소에 따른 차량 내 소음제거효과의 저하는 오디오 신호의 큰 볼륨으로 인하여 탑승자가 인지하기 어렵다. 탑승자는 소음 제어신호로 인한 스피커에서의 이상음 발생 스피커에서의 고장 발생 없이 안정적으로 오디오 신호를 청취할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 제어 방법을 나타낸 순서도다.
도 6을 참조하면, 음향 제어 장치의 제어 방법은 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지를 획득한다(S600). 여기서, 기 설정된 저주파수 대역은 소음 제어 신호의 주파수 대역과 같은 대역일 수 있다. 예를 들면, 기 설정된 저주파수 대역은 30 Hz 내지 500 Hz 범위 내의 주파수 대역일 수 있다.
제어 방법은 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기 및 기 설정된 스피커 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산한다(S602).
스피커의 최대허용입력은 스피커마다 정해진 고유한 값으로써, 스피커의 이상음 발생 또는 스피커의 고장을 발생시키지 않고 재생할 수 있는 입력신호의 최대 크기에 관한 값이다.
제어 방법은 제어 차량 내 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지가 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링한다(S604).
모니터링은 기 설정된 모니터링 주기마다 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기와 허용 기준값의 크기를 비교함으로써 이루어진다. 여기서, 기 설정된 모니터링 주기는 신호 분석부에서 단위시간당 에너지를 계산하도록 설정된 시간 주기와 동일한 주기로 설정될 수 있다.
제어 방법은 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 상기 허용 기준값을 초과하는 경우, 상기 소음 제어 신호의 크기를 조절한다(S606). 여기서, 소음 제어 신호의 크기는 소음 제어 신호의 볼륨일 수 있다.
도면들에서는 과정들을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도면들에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 과정들 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도면들은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 6에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등의 비일시적인(non-transitory) 매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소들은 메모리, 프로세서, 논리 회로, 룩-업 테이블(look-up table) 등과 같은 집적 회로 구조를 사용할 수 있다. 이러한 집적 회로 구조는 하나 이상의 마이크로 프로세서 또는 다른 제어 장치의 제어를 통해 본 명세서에 기술 된 각각의 기능을 실행한다. 또한, 본 발명의 구성 요소들은 특정 논리 기능을 수행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 명령을 포함하고 하나 이상의 마이크로 프로세서 또는 다른 제어 장치에 의해 실행되는 프로그램 또는 코드의 일부에 의해 구체적으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 요소들은 각각의 기능을 수행하는 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로 프로세서 등을 포함하거나 이에 의해 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 요소들은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 명령어들을 하나 이상의 메모리에 저장할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 센서
210: 마이크로폰
220: 제어기
230: AVN 장치
240: 앰프
250: 스피커

Claims (8)

  1. 차량 내 음향 제어 장치의 제어 방법에 있어서,
    기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지를 획득하는 단계;
    상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기 및 기 설정된 스피커 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산하는 단계;
    차량 내 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지가 상기 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링하는 단계; 및
    상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 상기 허용 기준값을 초과하는 경우, 상기 소음 제어 신호의 크기를 조절하는 단계
    를 포함하는 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 저주파수 대역은
    상기 소음 제어 신호의 주파수 대역과 동일한 주파수 대역인 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소음 제어 신호의 크기를 조절하는 단계는,
    상기 소음 제어 신호의 에너지 크기가 상기 허용 기준값의 이하가 되도록 상기 소음 제어 신호의 볼륨을 조절하는 단계인 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지 및 상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지는,
    동일 시점을 기준으로 계산된 단위시간당 에너지인 제어 방법.
  5. 기 설정된 저주파수 대역에 해당하는 오디오 신호의 단위시간당 에너지를 획득하고,
    상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지의 크기 및 기 설정된 스피커 최대허용입력의 크기 간의 차이를 기초로 허용 기준값을 계산하는 신호 분석부;
    차량 내 소음을 제거하기 위한 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지가 상기 허용 기준값을 초과하는지 여부를 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지의 크기가 상기 허용 기준값을 초과하는 경우, 상기 소음 제어 신호의 크기를 조절하는 신호 조절부
    를 포함하는 음향 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기 설정된 저주파수 대역은
    상기 소음 제어 신호의 주파수 대역과 동일한 주파수 대역인 음향 제어 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 신호 조절부는,
    상기 소음 제어 신호의 에너지 크기가 상기 허용 기준값의 이하가 되도록 상기 소음 제어 신호의 볼륨을 조절하는 것인 음향 제어 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 오디오 신호의 단위시간당 에너지 및 상기 소음 제어 신호의 단위시간당 에너지는,
    동일 시점을 기준으로 계산된 단위시간당 에너지인 음향 제어 장치.
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