KR940003856B1 - 제2차 환상 마이크로폰 장치 - Google Patents

제2차 환상 마이크로폰 장치 Download PDF

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KR940003856B1 KR1019850009580A KR850009580A KR940003856B1 KR 940003856 B1 KR940003856 B1 KR 940003856B1 KR 1019850009580 A KR1019850009580 A KR 1019850009580A KR 850009580 A KR850009580 A KR 850009580A KR 940003856 B1 KR940003856 B1 KR 940003856B1
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에드워드 웨스트 제임스
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아메리칸 텔리폰 앤드 텔레그라프 캄파니
엘리 와이스
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Abstract

내용 없음.

Description

제2차 환상 마이크로폰 장치
제1도 및 제2도는 본 발명을 구현하는 환상 마이크로폰에 대한 도시도.
제3도는 제1도의 마이크로폰의 개념도.
제4도 및 제5도는 하나의 마이크로폰만이 동작할 때 제1도의 배열에 대한 응답 패턴.
제6, 7도 및 제8도는 두 개의 마이크로폰만이 동작할때의 응답 패턴.
제9, 10도 및 제11도는 모은 마이크로폰이 동작할때의 응답 패턴.
제12도는 보상된 시스템과 보상되지 않은 시스템 사이의 제1도의 배열에 대한 응답 패턴 비교도.
제13도의 원통의 높이를 증가시킴에 의하여 더욱 강하게 지향시킬 수 있는 환상 시스템에 의한 응답 패턴.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명.
10 : 원통 12, 14, 16, 18 : 마이크로폰
22, 24, 26, 28, 32, 36, 38 : 센서
본 발명은 전기 음향 변환기(electroacoustic transducers)에 관한 것으로서, 특히 환상 감도 패턴(toroidal sensitivity pattern)을 갖는 지향선 전기 음향 마이크로폰에 관한 것이다.
"수평(equatorial)" 플레인내의 방향에선 균일한 고 감도를 갖고 상기 수평 플레인에 수직 방향, 즉 "극(polar)"축을 따라선 저 감도를 갖는 마이크로폰이 널리 응용되고 있다. 그와 같은 일예로서 회의 전화(conference telephone)를 들 수 있는데, 이 회의전화에서 마이크로폰은 균일한 고감도를 갖은채 회의 참석자의 목소리를 수신하는 한편 높이 설치된 확성기로부터 나오는 소리뿐만아니라 천장 및 테이블 상부로부터 반향된 소리를 제거해야만 한다.
그러한 "환상"마이크로폰이 종래 기술에서 다양한 원리를 사용하여 설계되었다. 예를들어, 직각으로 배열된 두 개의 제1차 음압경도(gradients)를 구비하는 변환기(이 변환기의 출력은 직각 위상으로 가산된다)가 1951년 1월 30일 에이취. 에프. 올슨에게 허여된 미합중국 특허원 제2,539,671호에 기술되어 있다. 또다른 예로서 또한 직각으로 배열된 제2차 음압 경도를 구비하는 변환기를 들 수 있는데, 이 변환기의 출력은 G.M.Sessler 등이 1971년 발생된 오디오 및 전기 음향 변환기에 관한 IEEE 회로 Au-19권, 19페이지에 발표한 바와 같이 직접 가산된다. 한편 전자의 원리는 극플레인(polar plane)에서 단지 코사인 형태의 지향성 패턴을 발생시키지만 광대역 90°위상 이동기(shifter)를 필요로 하며, 후자의 설계는 더욱 바람직한 cos2특성(cosine squared characteristic)을 전달하고 위상 네트워크를 필요로 하지 않는다. 최초에 구현된 cos2시스템은 음향적으로 균형을 이루는데 어려움이 있었고 신호 대 잡음 수행성능이 상당히 열악하였다. 따라서, 상기 설계의 결정을 극복한 새로운 제2차 환상 마이크로폰이 요구되었다.
다수의 제1차 음압 경도 마이크로폰은 속이 빈 원통형 배플(a hollow cylindrical baffle)의 벽을 관통하는 개구내에 대칭적으로 배열되어 수평 플레인(원통축에 수직인)에서 임의의 두 개의 마이크로폰간의 각도간격(angular spacing)이 동일하게 되도록 한다. 상기 마이크로폰의 상부와 원통의 상부 사이의 거리는 상기 마이크로폰의 하부와 원통의 하부 사이의 거리와 동일하다. 마이크로폰으로부터 나오는 신호가 합산되었을 때, 비교적 주파수 독립적인 환상 지향성 특성이 얻어진다.
이로인해, 원통 축 주위의 회전 대칭 및 상기 회전축을 포함하는 플레인에서 cos2종속성(dependence)을 특징으로 하는 제2차 음압 경도 마이크로폰을 제조한다. 상기 축방향에서, 중간 주파수에서의 감도는 전형적으로 수평 플레인에서 보다 낮은 20dB이다. 상기 수평 플레인에서 등가화된 주파수 응답은 ±3dB내에서 0.3 내지 3KHz이다.
상기 장치는 소형의 제1차 음압 경도 변환기를 사용하고 마이크로폰이 하우징 되는 원통 배플을 사용하므로써 종래 기술에 비해 많은 장점을 갖게된다. 신호 감산은 음압 경도 변환기로 내부적으로 수행되기 때문에, 신호 감산 회로는 불필요하다. 선반(shelf)을 필요치 않는 저가의 음압 경도 마이크로폰이 상기 환상 마이크로폰을 값싸게 한다.
음향 신호가 에지상의 상기 원통 외부벽 위 또는 아래 상기 원톤 외부벽 아래 또는 위에서 상기 마이크로폰의 외부 표면으로부터 내부 표면으로 확산되어야만 하기 때문에, 상기 원통은 각 마이크로폰의 내부 표면과 외부 표면 사이의 간격을 효과적으로 증대시킨다. 그러므로, 상기 시스템의 물리적인 크기는 선형 시스템에 비교하여 작다. 이것은 바람직하지 않은 부차적인 효과를 야기시킴이 없이 상기 시스템의 감도를 증가시킨다.
상기 원통이 원주파(circumferential wave)를 발생시키기 때문에, 상기 원통은 상기 시스템의 수평 방향 응답을 더욱 균일하게 한다. 따라서, 심지어 단 2개만이 동작하는 음압 경도 마이크로폰 또는 큰 감도차를 갖는 음압 경도 마이크로폰도 균일한 수평 방향 응답을 얻을 수 있다.
원통의 외부 표면상의 음압 때문에, 상기 원통은 또한 차폐되지 않은 시스템과 관계하여 중간 및 고 주파수 범위에서 감도를 부스트한다. 이것이 음압 경도형 마이크로폰을 부분적으로 음압 유니트로써 작동되도록 한다. 그러므로 잡음 마진에 부가되는 신호는 상기 주파수 범위에서 얻어진다.
원통의 높이를 증가시키므로써, 상기 지향성 응답은 중간 및 고 주파수 범위에서 상반되는 부가적 부스트에 따라서 cos2종속성을 초과하여 날카롭게(sharp) 된다.
이러한 유리한 특성 때문에, 상기 환상 마이크로폰은 다양하게 응용될 수 있다.
이하 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 기술할 것이다.
제1도 및 제2도는 본 발명의 원리를 기술하는데 유용하다. 양지향성인 4개의 제1차 음압 경도 마이크로폰(12), (14), (16) 및 (18)은 속이 빈 플라스틱 원통(10)의 상부와 하부 사이의 중간 벽의 개구에 위치된다. 즉, 원통(10)의 상부와 각 마이크로폰의 상부 사이의 거리 h1은 각 마이크로폰의 하부와 원통(10)의 하부 사이의 거리 h2와 동일하다. 더욱이 상기 마이크로폰은 수평 중간면에서 90° 떨어져 위치한다. 상기 개별 마이크로폰은 위상 응답에 대하여 대칭적으로 배열된다. 즉, 상기 원통 내부로부터 나타난 위상은 각 유니트에 대하여 동일하다. 각각의 마이크로폰과 원통(10) 사이의 누설은 봉해져 있으며, 상기 4개의 변환기의 출력 전압은 인지된 기술을 사용하여 전기적으로 가산된다.
상기 변환기의 설계는 제3도에 도시된 바와 같은 8개의 센서(22) 내지 (28) 및 (32) 내지 (38)을 포함하는 제2차 환상 마이크로폰의 간단한 기하학에 기초한다. 각각의 양지향성 마이크로폰은 두 개의 분리 센서로써 도시되며, 그러므로 마이크로폰(12)은 두 개의 센서(22) 및 (32)로써 나타난다. 상기 마이크로폰(12) 내지 (18)의 내부면을 나타내는 내부 센서(32) 내지 (38)은 제1도의 원통(10)의 중심으로부터 거리 r만큼 떨어진 곳에 위치하며, 마치크로폰(12) 내지 (18)의 외부면을 나타내는 외부 센서(22) 내지 (28)은 원통(10)의 중심으로부터 거리 R만큼 떨어진 곳에 위치하게 된다.
평면 음파에 대한 상기 마이크로폰의 감도는 상기 배열의 중심에 위치되었다고 가정했을때의 센서의 감도 Mo와 관계가 있다. 이것은 미국의 음향 학회의 저널지 제46권 페이지 28에서 찾을 수 있는 1969년에 발행된 논문에서 쥐. 엠. 세슬러에 의해 기술되어 있다. 상기 감도 M은 아래의 식으로 주어지며,
Figure kpo00001
여기에서 r, R 및 α는 제3도에서 규정되어 있고, K는 파수, θ는 상기 센서의 평면상의 음파의 입사각이다.
방정식(1)의 값은 감도가 저 주파수에서 K2=(
Figure kpo00002
)2을 갖고 적절하게 상승하지만 보다 높은 주파수에서 최대값과 제로값 사이에서 발진한다는 것을 나타낸다. 저 주파수에서의 움직임은 1보다 훨씬 작은 KR cosθ를 가정하므로써 의하여 나타날 수 있으며, 방정식(1)을 간단화 하여 아래의 식을 얻을 수 있다.
Figure kpo00003
그러므로 상기 응답은 방위각α에 독립적이며(cosθ)2에 비례한다.
M의 주파수 응답의 극대치는 다음에 오는 해석을 사용하여 얻어진다. α=0, θ=0인 방향으로부터 충돌하는 음파를 가정하면 상기 감도는 방정식(1)로부터 아래와 같은 결과가 된다.
Figure kpo00004
상기 함수의 극대치는 방정식(4)로 주어진다.
Figure kpo00005
제1도 및 제2도에 도시된 변환기는 원통(10)에서의 회절이 개별 마이크로폰 표면의 개구에서 복잡한 음압을 변환시킨다는 점에서 제3도의 도시도와 다르다. 특히, 무한하게 긴(즉, 원통(10)의 높이가 무한하게 긴), 단단하거나 부드러운 원통에서의 회절은 감쇄되는 반면에 원통을 선회하는 원주 또는 크리핑파를 초래한다. 상기 파들의 위상 속도는
Figure kpo00006
로 주어지며, 여기에서 Co는 자유공간에서의 음속, K는 파수, a는 원통의 반지름 qn은
Figure kpo00007
이며, 식(6)에서 n=1,2,3,...이다. 그러므로 원주파는 분산적이다.
본 발명의 마이크로폰 배열에 사용된 무한한 높이의 속이 빈 원통의 더 복잡한 기하학적 형태에 대해서 본 문헌에서는 기술하지 않을 것이다. 그러나, 아래에 기술되어질 측정은 상기 경우에서 각각의 개별 제1차 음압 경도 마이크로폰의 지향성 응답의 상응하는 변화를 초래하는 회절에 의한 음성 필드의 일련의 변경을 나타낸다. 그렇지만, 확실한 상태하에, 4개의 음압 경도형의 결합된 응답은 제2도에 도시된 이상 시스템의 그것에 근접하게 상응하도록 설립되며, 수학적으로 방정식(1) 및 (2)로 기술된다.
본 발명의 한 실시예에서, 환상 응답 패턴을 갖는 제1도의 마이크로폰 배열은 8×4×2mm3규격의 노우레스(knowles) 모델 BW-1789 또는 ATT-테크놀로지 EL-3 일렉트레트콘덴서 마이크로폰의 음압 경도 버션과 같은 4개의 제1차 음압 경도 마이크로폰으로 구성된다. 상기 마이크로폰은 2RS=5cm의 외경 및 5mm의 벽 두께의 속이 빈 플렉시글라스 원통의 벽의 개구에 위치한다. 상기 마이크로폰과 플렉시글레스 사이의 갭은 에폭시 수지로 밀폐되어 있다. 그러한 두 개의 환상 마이크로폰은 H=5cm 및 H=15cm의 원통 높이를 갖고 세워진다.
원통의 반지름은 주파수 응답의 최대치가 관심의 주파수 영역의 상위단부를 넘어서 위치되도록 선택된다. 본 경우의 근사값으로써 방정식(4)을 이용하여 반지름 R 및 r의 유효값을 구할 수 있다. 회절이 처음으로 원통(10)의 상위 및 하위단부 주위에 발생한다고 가정하면, 사람은 5cm 높이의 원통과 α=θ=0에서의 음향 입사각에 대하여 효과적인 간격을
Figure kpo00008
Figure kpo00009
이며, 여기에서 Rs는 원통의 외경에서, H는 원통의 높이이다.
양자택일로, 원주파가 되어질 회절된 파는 방정식(5)에 의하여 주어진 속도를 가지며, 4KHz에서의 효과적인 간격은 2R=8.8cm로써 결과된다. 실린더의 높이는 방정식(1)에 의하여 부과된 W2종속을 넘어서 주파수 응답의 부가적 정형을 결정한다. 이것은 증가하는 주파수를 갖는 내부 센서(32) 내지 (38) 즉, 내부 실린더 벽상의 마이크로폰 개구가 더욱 그늘지게 된다는 사실에 기인한다. 그러므로 음압 경도 마이크로폰은 실린더의 높이와 주파수를 증가시키는 음압 민감 부품을 갖을 것이다. 그러므로, 음압 경도 마이크로폰과 비교하여 상기 감도는 더 높은 주파수에서 올라갈 것이다.
환상 마이크로폰상의 측정을 울림이 없는 방에서 수행되어야 한다. 상기 마이크로폰은 B & K 턴테이블상에 설치되며, 음향 필드에 대하여 노출된다. PAR 모델 113 전치 증폭기는 상기 마이크로폰 출력을 증폭하는데 사용된다. 그 결과 B & K 레벨 기록기에 표시되어 있다. 마이크로폰의 응답에 관한 원통 주위의 회절의 효과를 조사하의 위하여, 하나, 둘 및 동작하는 모든 4개의 음압 경도를 갖는 측정은 각각 α 응답인 원통의 수평 방향 면 및 θ 및 θ' 응답인 α=0 및 α=90°에 의하여 정의된 2개의 기선면에서 수행된다. 상기 시스템에 관한 각 α,θ 및 θ'는 제1도에 나타나 있다.
원통의 높이 H=5cm이며, 단지 음압 경도 마이크로폰(18), (12), (14) 또는 (16)만이 동작할때의 상기 시스템의 α 및 θ' 응답은 각각 제4도 및 제5도에 도시하였다. 제4도에서의 α응답은 단지 저 주파수에서 고정된 음압 경도를 위하여 기대된 코사인 패턴을 나타낸다. 2KHz에서, 상기 응답은 보다 균일하다. 여기에서, 상기 마이크로폰의 "내부"개구는 "외부"개구가 원주파의 존재에 기인한 모든 각에 대한 음향을 수신하는 동안 이미 부분적으로 원통에 의하여 보호되며, 정재파 패턴 발생을 제공하지 않는다. 그러므로 상기 시스템은 비교적 작은 감도의 음압 경도 변환기 및 큰 감도의 무지향성 변환기의 결합으로써 수행하며, 그것은 함께 왜곡된 구형 응답을 발생한다. 일정한 주파수에서, 상기 원주파는 원통 주위에 정현파 패턴을 초래한다. 방정식(5)에 의하여 표시된 분산 때문에, 상기 주파수는 조화적이지 못한다. 상기 주파수 때문에 비 균일한 α 응답은 기대된다.
활성 음압 경도 마이크로폰(18)의 축이 회전축과 평행한 제5도에서의 θ' 응답은 원통(10)에 의하여 내부 마이크로폰 개구의 셰이딩(shading)에 기인하며, θ'=0° 및 θ'=180°에 대하여 고 감도를 나타낸다. 저 감도는 θ'=90° 및 θ'=270°에 대하여 얻어진다. 지향성은 주파수의 증가에 따라 증가하며, 약 1KHz에서는 코사인 자승된 (cos2)법칙의 그것을 가능한다.
만일 대칭되는 음압 경도 유니트(14) 및 (18)(또는 (12) 및 (16))가 활성화 된다면, 제6,7도 및 제8도에 도시된 응답이 얻어진다. 제6도에서의 α 응답은 이제 단일 유니트가 동작할 때 갖는 것 보다는 약간 균일하다. 원주파의 평형 효과는 명백하게 분명하다.
제7도에 있어서 1KHz 및 2KHz에서의 θ응답은 고정된 선형 제2차 음압 경도형에 대하여 기대된 cos2패턴을 나타낸다. 특히, 상기 응답은 최대 감도의 방향으로부터 60°갈 때 약 12dB 떨어지며 90°방향에서 15dB 내지 25dB 떨어진다. 법칙에 대한 빌접한 집착은 상기 원통이 상이한 방법으로 다양한 센서상의 음향파 입사각을 변화시킨다는 사실 때문에 놀라게 된다. 500Hz에서, 상기 응답은 상기 움직임으로부터 약간 일탈한다.
제8도에서의 θ'응답은 제5도에 도시된 단일 유니트의 그것과 유사하며, 다시, 상기 지향성은 주파수의 증가에 따라 증가한다.
모든 음압 경도형 마이크로폰이 활성화 되었을 때, 제9도 내지 제11도에 도시된 응답은 얻어진다. 제9도에서 수평 방향인 α 응답은 보다 균일하다. 평균값으로 부터의 일탈은 1.5dB 이하이다. 상기 균일성은 원통 주위의 원주파가 이미 제4도 및 제6도에서 각각 하나 및 두 개의 동작하는 마이크로폰에 대하여 나타낸 바와 같이 수평 방향 응답을 균등화 시키는 경향이 있다는 사실에 기인한다. 4개가 동작하는 음압 경도형에서 결과로써 생기는 응답은 물론 더욱 균일하다.
각각 제10도 및 제1도에 도시된 저 및 고 주파수에서의 θ 응답은 긁은선으로 표시된 바와 같이 1KHz 및 그 이상의 주파수에 대하여 cos2법칙에 가깝게 수반되며, 500Hz 및 그 이하에서, 상기 패턴은 낮은 지향성을 갖는다. 1KHz에서 3dB 폭은 특성에 대하여 얻어진 33°의 값을 갖는 배열에 근접하는 약 30°이다. 상기 응답은 제7도 및 제8도에 도시된 바와 같이 단지 두 개의 활성 음압 경도를 갖는 시스템의 θ 및 θ'기록의 중첩으로써 관찰할 수 있다. 그러므로, 완전한 유니트는 상기 음압 경도형 마이크로폰(12) 및 (16) 으로부터 그것의 θ 응답의 일부를 그리며, 그것은 고정된 배열에서의 사라져가는 θ 응답을 발생할 것이다. 그러므로 2KHz에서 마이크로폰(14) 및 (16)의 상기 결합은 θ 응답의 매우 명백한 방향성 상기 주파수에서 완전한 시스템의 cos2방향성보다 더 낫다는 것을 알 수 있다.
α=θ=0에 대한 완전한 시스템의 주파수 응답의 구조는 제12도에 도시하였다. 보정 없이, 상기 시스템은 앞에 설명된(점선의 곡선으로 표시한) 바와 같은 W2와의 비례보다 더 상승하는 응답을 갖는다. 또한 제12도에 도시된 것은 상기 시스템의 출력에서 (회로는 도시되지 않음) 150Hz의 차단 주파수를 갖는 제2차 RC 저역 통과 필터를 사용함에 의하여 얻어진 응답이다. 상기 응답은 약 6dB에 의하여 300Hz로부터 2000Hz로 상승하며, 그러므로 전화 수신기에 대하여 명기된 제한내에 있다. 중간 주파수에서의 사전 강조는 실제적으로 많은 응용으로 바람직하다. 만일 필요하다면, 그것은 전기적으로 완전하게 또는 부분적으로 제거될 수 있다.
1KHz에서 보상된 마이크로폰의 감도는 -60dBV/Pa이며, 반면에 0.3내지 10KHz의 주파수 대역에서 측정된 동등한 잡음 레벨은 1V에 대하여 -120dB이다. 이것은 34dB의 동등한 음량 압력 레벨과 상응한다. 상기 잡음은 상기 경도형 마치크로폰의 일부인 에미터 폴로워에 크게 기인하다.
앞서 언급한 바와 같이, 더욱 명백한 지향성 패턴은 원통을 길이를 늘림에 의하여 얻어진다. 이것은 제13도에 도시되었으며, 그것은 15cm 높이의 원통을 갖는 시스템 θ 응답을 나타낸다. 이제 2KHz에서의 3dB의 폭은 cos2특성에 대한 33°와 비교하여 약 20°이다. 상기 시스템은 물론 감도의 더욱 명백한 주파수 의존을 갖는다.

Claims (8)

  1. 다수의 마이크로폰들(12,14,16,18)을 구비하는 2차 환상 마이크로폰 장치에 있어서, 상기 마이크로폰들을 하우징하는 수단(10)과, 상기 마이크로폰들로부터 나오는 신호를 합산하여 출력을 발생시키는 수단(∑)을 구비하며, 상기 마이크로폰은 상기 하우징 수단내에서 대칭적으로 배치되어 상기 마이크로폰 장치 주위에서 거의 균일한 환상 응답 패턴을 발생시키는 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로폰들은 각각 제1 및 제2표면을 갖으면서 음압 경도형이며 양지향성인 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하우징 수단은 중심축에 대하여 집중적인 재부 및 외부 표면을 갖는, 원통형이며 얇은 벽으로된 배플(baffle)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하우징 수단은 상기 마이크로폰들을 수납하기 위하여 상기 벽을 관통하는 다수의 대칭적으로 위치한 홀들(holes)을 더 구비하여 상기 마이크로폰들중 임의의 두 마이크로폰 및 축간의 각도가 상기 축에 수직인 플레인에서 동일하도록 하는 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 임의의 마이크로폰들의 상부와 상기 하우징의 상부간의 거리(h1)가 상기 임의의 마이크로폰들의 하부와 상기 하우징의 하부간의 거리(h2)와 동일한 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 거리는 상기 마이크로폰의 제1표면과 제2표면간의 간격을 제어하는데 사용되어 상기 마이크로폰 장치의 감도 및 상기 장치의 응답 패턴의 지향성을 제어하는 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로폰은 일렉트레트(electret) 마이크로폰인 것을 특징으로 하는 제2차 환상 마이크로폰장치.
  8. 제2차 환상 마이크로폰장치로부터 환상 감도 패턴을 발생시키는 방법에 있어서, 다수의 제1차 음압 경도 일렉트레트 마이크로폰(12,14,16,18)을 중심 축에 대하여 집중되어 있는 제1 및 제2표면을 갖는 속이 빈 원통형 배플 벽내의 홀내에 배치하여, 상기 마이크로폰들의 임의의 두 개의 마이크로폰 및 축간의 각도 간격이 상기 축에 수직인 플레인에 동일하도록 배치시키는 단계와, 상기 마이크로폰들 각각의 상부와 상기 배플의 상부간의 거리(h1)가 상기 마이크로폰들 각각의 하부와 상기배플 하부간의 거리(h2)와 동일하도록 상기 홀을 위치시키는 단계와, 상기 마이크로폰으로부터 나오는 신호(∑)를 합산하여 상기 환상 감도 패턴을 발생시키도록 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 환상 감도 패턴 발생 방법.
KR1019850009580A 1984-12-20 1985-12-19 제2차 환상 마이크로폰 장치 KR940003856B1 (ko)

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