청감 필터와 마이크로스피커의 진동 안정성을 이용한 무선이어폰의 성능개선에 관한 연구 A study on improving the performance of wireless earphones using auditory filters and vibration stability of micro-speakers원문보기
개인형 음향 출력 장치라고 할 수 있는 이어폰은 현재 가장 대중화된 청취 도구이며 귀에 직접 소리를 입사하는 특수한 환경을 기반으로 한다. 일반적인 음향 신호의 전달은 음원에서부터 방사되어 공간을 거쳐서 전달된다. 전파(propagation)된 신호가 공간의 정보를 포함하여 전달되고, 인간의 청각 기관은 자연스럽게 음원의 정보에서 공간 환경의 정보를 산출해낸다. 인간은 감각은 항상 음파의 잔향, 반사, 기본 소음 등을 통해 공간의 정보를 획득하여 반영하고 있기 때문이다. 이어폰은 ...
개인형 음향 출력 장치라고 할 수 있는 이어폰은 현재 가장 대중화된 청취 도구이며 귀에 직접 소리를 입사하는 특수한 환경을 기반으로 한다. 일반적인 음향 신호의 전달은 음원에서부터 방사되어 공간을 거쳐서 전달된다. 전파(propagation)된 신호가 공간의 정보를 포함하여 전달되고, 인간의 청각 기관은 자연스럽게 음원의 정보에서 공간 환경의 정보를 산출해낸다. 인간은 감각은 항상 음파의 잔향, 반사, 기본 소음 등을 통해 공간의 정보를 획득하여 반영하고 있기 때문이다. 이어폰은 이도 입구에 밀착한, 자연스럽지 않은 공간 환경을 가진다. 음원의 발생지점이 이도(ear canal) 입구 부근에 위치하여 음원과 청각 기관의 거리가 극단적으로 가까우며, 신체가 파악하고 있는 공간 정보와 전혀 다른 특수한 공간 정보가 신호에 포함되어 전달된다. 이어폰은 반(half)밀폐 근접 음장이라는 자연적이지 않은 환경이 형성되는데, 이것은 청감에 영향을 줄 뿐만 아니라 발음체의 구동조건에 있어서도 매우 특수한 환경이다. 음향적으로 매우 작은 공간이기에 발생하는 민감한 주파수 응답의 변조와 관 공진으로 발생하는 왜곡 성분들, 그리고 물리적으로 작은 공간에서 발생하는 열, 전자기 간섭, 공기의 불규칙한 유동의 간섭은 균일한 진동 제어를 어렵게 만든다. 물리적인 크기를 맞추기 위해 작고 얇게 만든 발음체 특성상 구조적으로 진동의 불안정성이 발생한다. 진동의 안정성은 발음체의 기계적인 신뢰성뿐만 아니라, 재생 대역폭의 특성과 감도에서부터 음향 신호의 비선형 왜곡 수치까지 영향을 주는 중요한 요소이다. 그러나 작고 얇게 만들기 위해 생략한 강성 보조 구조체와 댐핑 소재들로 인해 기계적인 제어가 취약해졌다. 구동부의 코일 폭 역시 줄여야 하므로 구동력의 대칭을 맞추기도 어려워졌다. 이러한 환경에서는 작은 유동적 특성 변화로 진동의 안정성이 크게 변화한다. 특히 무선이어폰의 경우 제품 내에 여러 가지 복합적인 부품들이 전부 존재한다. 마이크로스피커 발음체뿐만 아니라 회로 부품, 배터리, 무선 안테나 등이 작은 공간 안에 배치된다. 내부 공간의 공기 유동이나 열 배출이 더욱더 민감하게 작용하지만, 이러한 부분이 이어폰의 마이크로스피커 드라이버 유닛에 미치는 영향 대한 분석과 평가는 제대로 이루어지고 있지 않은 편이다. 이어폰이 가지는 환경 특성으로 인해 발행하는 청감적인 부분도 이어폰의 전체 시스템의 성능에 영향을 미치는 주요 요소이다. 이어폰은 소리가 전달되는 자연스러운 공간 경로가 생략된, 자연스럽지 않은 근접 환경이자 밀폐 환경이다. 자연적인 공간 정보가 변하기 때문에, 인간이 실제로 받아들이는 청감적인 정보의 기준이 변화하게 된다. 특히, 스마트폰과 결합하여 사용하는 경우 주로 실외의 소음이 있는 공간에서 활용하는 경우가 많은데, 이 소음은 음향 신호의 명료도를 감소시킬 뿐만 아니라 음압에 대한 높은 입력을 요구하게 된다. 소음 환경의 음원 청취에 대한 기존의 선행 연구는 소음공학적인 부분에서 재생 음압의 총량을 억제하는 방식이 중심으로 연구되었다. 복합적인 제어가 적용되는 미디어 분야에서의 소음 환경 아래에서 청감적인 만족도 개선은 단순히 전체 음압을 덩어리로 뭉쳐서 보는 방식보다는 청감적인 특성 반영과 주파수 특성 반영에 대한 복합적인 청취 특성을 반영하는 관점이 필요하다. 본 연구에서는 무선 이어폰의 환경적 특성을 고려한 시스템 성능을 개선하기 위해 크게 두 가지의 기능에 중점을 두어 개선점을 적용하였다. 첫 번째는, 이어폰의 구조적인 환경 특성에 최적화된 마이크로스피커 드라이버 유닛의 진동 안정성에 대한 개선이다. 일반적으로 진동 안정성을 나타내는 motor stability는 자동차 또는 고출력 컴포넌트 오디오에서 주로 관심을 가지는 분야이다. 진동의 대칭성과 코일에 입력되는 구동력의 균형, 복원력, 기계적인 강성을 복합적으로 제어한다. 이어폰에서는 구동부의 슬림화로 인해 전체적인 양상이 일반적인 스피커와는 다르게 이루어진다. 일반 스피커에서는 작은 요소였던 기계적인 복원력과 공기의 유동에 의한 진동 변위의 차이가 크게 나타나 진동의 품질에 영향을 준다. 특히나 후방의 챔버 크기와 구조에 따라 발생하는 공기 탄성 변동의 영향으로 진동 형태의 변화가 민감하게 나타난다. 그래서 이어폰의 후방 챔버와 연결되는 댐퍼(damper) 필터의 양을 조절하여 이어폰용 마이크로스피커에 적합한 형태의 대칭 안정성을 측정 및 분석하여 산출한다. 두 번째는 이어폰의 특이한 환경 특성으로 발생하는 청감 특성을 보상하기 위한 디지털 필터를 적용하는 것이다. 무선 이어폰의 경우 자체적으로 DSP기능을 내장하고 있으므로, 모바일 어플리케이션을 활용하여 디지털 필터를 적용할 수 있다. 일반적인 환경에서 공간 정보를 포함한 소리 정보는 인간의 뇌가 자동으로 보정하여 받아들이지만, 이어폰과 같이 공간 정보가 생략되고 근접 재생에 의한 효과가 추가된 환경에서는 자연스러운 보정이 불가능해지게 된다. 음향학적인 환경 특성을 보상하기 위해 국제 규격의 등 청감 보상 필터를 기반으로 하는 주파수 응답 필터를 사용하였다. 사용된 필터의 음향 효과를 확인하기 위해 청취 평가를 통해 청감 만족도를 평가하고 결과를 비교 분석하여 유효성을 검증하였다. 본 연구는 이어폰 시스템 중 일부에 대한 개선점을 적용하여 무선 이어폰이 가지는 고유한 특성을 포괄하는 성능을 개선하고자 하였다. 이것은 무선 이어폰 전체를 완전히 대변할 수 있는 내용은 아니지만, 무선 이어폰 환경이 가지는 고유한 특성을 분석하여 부분적인 개선을 적용한 것이다. 따라서 무선 이어폰 시스템을 설계하는 데 복합적으로 고려 요소로 참조할 만한 자료가 될 것으로 예상한다.
개인형 음향 출력 장치라고 할 수 있는 이어폰은 현재 가장 대중화된 청취 도구이며 귀에 직접 소리를 입사하는 특수한 환경을 기반으로 한다. 일반적인 음향 신호의 전달은 음원에서부터 방사되어 공간을 거쳐서 전달된다. 전파(propagation)된 신호가 공간의 정보를 포함하여 전달되고, 인간의 청각 기관은 자연스럽게 음원의 정보에서 공간 환경의 정보를 산출해낸다. 인간은 감각은 항상 음파의 잔향, 반사, 기본 소음 등을 통해 공간의 정보를 획득하여 반영하고 있기 때문이다. 이어폰은 이도 입구에 밀착한, 자연스럽지 않은 공간 환경을 가진다. 음원의 발생지점이 이도(ear canal) 입구 부근에 위치하여 음원과 청각 기관의 거리가 극단적으로 가까우며, 신체가 파악하고 있는 공간 정보와 전혀 다른 특수한 공간 정보가 신호에 포함되어 전달된다. 이어폰은 반(half)밀폐 근접 음장이라는 자연적이지 않은 환경이 형성되는데, 이것은 청감에 영향을 줄 뿐만 아니라 발음체의 구동조건에 있어서도 매우 특수한 환경이다. 음향적으로 매우 작은 공간이기에 발생하는 민감한 주파수 응답의 변조와 관 공진으로 발생하는 왜곡 성분들, 그리고 물리적으로 작은 공간에서 발생하는 열, 전자기 간섭, 공기의 불규칙한 유동의 간섭은 균일한 진동 제어를 어렵게 만든다. 물리적인 크기를 맞추기 위해 작고 얇게 만든 발음체 특성상 구조적으로 진동의 불안정성이 발생한다. 진동의 안정성은 발음체의 기계적인 신뢰성뿐만 아니라, 재생 대역폭의 특성과 감도에서부터 음향 신호의 비선형 왜곡 수치까지 영향을 주는 중요한 요소이다. 그러나 작고 얇게 만들기 위해 생략한 강성 보조 구조체와 댐핑 소재들로 인해 기계적인 제어가 취약해졌다. 구동부의 코일 폭 역시 줄여야 하므로 구동력의 대칭을 맞추기도 어려워졌다. 이러한 환경에서는 작은 유동적 특성 변화로 진동의 안정성이 크게 변화한다. 특히 무선이어폰의 경우 제품 내에 여러 가지 복합적인 부품들이 전부 존재한다. 마이크로스피커 발음체뿐만 아니라 회로 부품, 배터리, 무선 안테나 등이 작은 공간 안에 배치된다. 내부 공간의 공기 유동이나 열 배출이 더욱더 민감하게 작용하지만, 이러한 부분이 이어폰의 마이크로스피커 드라이버 유닛에 미치는 영향 대한 분석과 평가는 제대로 이루어지고 있지 않은 편이다. 이어폰이 가지는 환경 특성으로 인해 발행하는 청감적인 부분도 이어폰의 전체 시스템의 성능에 영향을 미치는 주요 요소이다. 이어폰은 소리가 전달되는 자연스러운 공간 경로가 생략된, 자연스럽지 않은 근접 환경이자 밀폐 환경이다. 자연적인 공간 정보가 변하기 때문에, 인간이 실제로 받아들이는 청감적인 정보의 기준이 변화하게 된다. 특히, 스마트폰과 결합하여 사용하는 경우 주로 실외의 소음이 있는 공간에서 활용하는 경우가 많은데, 이 소음은 음향 신호의 명료도를 감소시킬 뿐만 아니라 음압에 대한 높은 입력을 요구하게 된다. 소음 환경의 음원 청취에 대한 기존의 선행 연구는 소음공학적인 부분에서 재생 음압의 총량을 억제하는 방식이 중심으로 연구되었다. 복합적인 제어가 적용되는 미디어 분야에서의 소음 환경 아래에서 청감적인 만족도 개선은 단순히 전체 음압을 덩어리로 뭉쳐서 보는 방식보다는 청감적인 특성 반영과 주파수 특성 반영에 대한 복합적인 청취 특성을 반영하는 관점이 필요하다. 본 연구에서는 무선 이어폰의 환경적 특성을 고려한 시스템 성능을 개선하기 위해 크게 두 가지의 기능에 중점을 두어 개선점을 적용하였다. 첫 번째는, 이어폰의 구조적인 환경 특성에 최적화된 마이크로스피커 드라이버 유닛의 진동 안정성에 대한 개선이다. 일반적으로 진동 안정성을 나타내는 motor stability는 자동차 또는 고출력 컴포넌트 오디오에서 주로 관심을 가지는 분야이다. 진동의 대칭성과 코일에 입력되는 구동력의 균형, 복원력, 기계적인 강성을 복합적으로 제어한다. 이어폰에서는 구동부의 슬림화로 인해 전체적인 양상이 일반적인 스피커와는 다르게 이루어진다. 일반 스피커에서는 작은 요소였던 기계적인 복원력과 공기의 유동에 의한 진동 변위의 차이가 크게 나타나 진동의 품질에 영향을 준다. 특히나 후방의 챔버 크기와 구조에 따라 발생하는 공기 탄성 변동의 영향으로 진동 형태의 변화가 민감하게 나타난다. 그래서 이어폰의 후방 챔버와 연결되는 댐퍼(damper) 필터의 양을 조절하여 이어폰용 마이크로스피커에 적합한 형태의 대칭 안정성을 측정 및 분석하여 산출한다. 두 번째는 이어폰의 특이한 환경 특성으로 발생하는 청감 특성을 보상하기 위한 디지털 필터를 적용하는 것이다. 무선 이어폰의 경우 자체적으로 DSP기능을 내장하고 있으므로, 모바일 어플리케이션을 활용하여 디지털 필터를 적용할 수 있다. 일반적인 환경에서 공간 정보를 포함한 소리 정보는 인간의 뇌가 자동으로 보정하여 받아들이지만, 이어폰과 같이 공간 정보가 생략되고 근접 재생에 의한 효과가 추가된 환경에서는 자연스러운 보정이 불가능해지게 된다. 음향학적인 환경 특성을 보상하기 위해 국제 규격의 등 청감 보상 필터를 기반으로 하는 주파수 응답 필터를 사용하였다. 사용된 필터의 음향 효과를 확인하기 위해 청취 평가를 통해 청감 만족도를 평가하고 결과를 비교 분석하여 유효성을 검증하였다. 본 연구는 이어폰 시스템 중 일부에 대한 개선점을 적용하여 무선 이어폰이 가지는 고유한 특성을 포괄하는 성능을 개선하고자 하였다. 이것은 무선 이어폰 전체를 완전히 대변할 수 있는 내용은 아니지만, 무선 이어폰 환경이 가지는 고유한 특성을 분석하여 부분적인 개선을 적용한 것이다. 따라서 무선 이어폰 시스템을 설계하는 데 복합적으로 고려 요소로 참조할 만한 자료가 될 것으로 예상한다.
Earphones, which can be said to be personal sound output devices, are currently the most popular listening tools and are based on a special environment in which sound is directly incident on the ear. Transmission of a general acoustic signal is radiated from a sound source and transmitted through sp...
Earphones, which can be said to be personal sound output devices, are currently the most popular listening tools and are based on a special environment in which sound is directly incident on the ear. Transmission of a general acoustic signal is radiated from a sound source and transmitted through space. The propagated signal is transmitted including spatial information, and the human auditory organ naturally calculates spatial environment information from the sound source information. This is because human senses always acquire and reflect spatial information through reverberation, reflection, and basic noise of sound waves. The earphone has an unnatural spatial environment close to the entrance of the ear canal. The sound source is located near the entrance to the ear canal, so the distance between the sound source and the auditory organ is extremely close. The earphone creates an unnatural environment called a half-closed proximity sound field, which not only affects the sense of hearing, but is also a very special environment in terms of the driving conditions of the sound emitting body. Since it is an acoustically very small space, it is difficult to control uniform vibrations due to the modulation of the sensitive frequency response, distortion components caused by tube resonance, and the interference of heat, electromagnetic interference, and irregular flow of air occurring in a physically small space. makes Structurally, vibration instability occurs due to the characteristics of the speaker, which is made small and thin to match the physical size. Vibration stability is an important factor affecting not only the mechanical reliability of the sound emitting body, but also the characteristics and sensitivity of the reproduction bandwidth to the nonlinear distortion level of the acoustic signal. However, mechanical control is weakened due to the rigid auxiliary structure and damping materials omitted to make it small and thin. Since the coil width of the driving part must also be reduced, it is difficult to balance the driving force. In such an environment, the stability of vibration is greatly changed by a small change in the fluid properties. In particular, in the case of wireless earphones, various complex parts exist in the product. In addition to the microspeaker sounding body, circuit components, batteries, and wireless antennas are placed in a small space. Although the air flow or heat dissipation in the internal space is more sensitive, the analysis and evaluation of the effect of these parts on the earphone's micro speaker driver unit is not done properly. The auditory part emitted due to the environmental characteristics of the earphone is also a major factor affecting the overall system performance of the earphone. Earphones are an unnatural proximity environment and an enclosed environment in which the natural spatial path through which sound is transmitted is omitted. As natural spatial information changes, the standard of auditory information actually received by humans changes. In particular, when used in combination with a smartphone, it is mainly used in a noisy space outdoors, and this noise not only reduces the clarity of the sound signal but also requires a high load on the sound pressure. Previous studies on sound source listening in a noisy environment focused on the method of suppressing the total amount of reproduced sound pressure in the noise engineering area. Improvement of auditory satisfaction under the noise environment in the media field where complex control is applied requires a perspective that reflects the complex listening characteristics of reflecting auditory characteristics and frequency characteristics rather than simply viewing the entire sound pressure as a lump. . In this study, in order to improve the system performance considering the environmental characteristics of wireless earphones, improvement points were applied by focusing on two functions. The first is the improvement of the vibration stability of the microspeaker driver unit optimized for the structural and environmental characteristics of the earphone. Motor stability, which generally refers to vibration stability, is a field of interest mainly in automotive or high-output component audio. It controls the symmetry of vibration, the balance of the driving force applied to the coil, restoring force, and mechanical rigidity in a complex way. In earphones, the overall aspect is different from that of general speakers due to the slimming of the driving part. In general loudspeakers, the difference between mechanical restoring force, which was a small factor, and vibration displacement due to air flow, is large, affecting the quality of vibration. In particular, changes in the vibration form are sensitively affected by air elasticity fluctuations that occur depending on the size and structure of the rear chamber. Therefore, by controlling the amount of the damper filter connected to the rear chamber of the earphone, the symmetrical stability of the shape suitable for the earphone microspeaker is measured and analyzed and found. The second is to apply a digital filter to compensate for the auditory characteristics caused by the unusual environmental characteristics of earphones. Since the wireless earphone has its own DSP function, it is possible to apply a digital filter using a mobile application. In a general environment, the human brain automatically corrects and accepts sound information including spatial information, but natural correction becomes impossible in an environment where spatial information is omitted and effects by proximity reproduction are added, such as earphones. In order to compensate for the acoustical environmental characteristics, a frequency response filter based on an international standard auditory sense compensation filter was used. To confirm the sound effect of the filter used, the auditory satisfaction was evaluated through the listening evaluation, and the effectiveness was verified by comparative analysis of the results. This study tried to improve the performance covering the unique characteristics of wireless earphones by applying improvements to some of the earphone systems. This is not a content that can completely represent the entire wireless earphone, but it is a partial improvement by analyzing the unique characteristics of the wireless earphone environment. Therefore, it is expected to be a reference material for designing a wireless earphone system as a complex consideration factor.
Earphones, which can be said to be personal sound output devices, are currently the most popular listening tools and are based on a special environment in which sound is directly incident on the ear. Transmission of a general acoustic signal is radiated from a sound source and transmitted through space. The propagated signal is transmitted including spatial information, and the human auditory organ naturally calculates spatial environment information from the sound source information. This is because human senses always acquire and reflect spatial information through reverberation, reflection, and basic noise of sound waves. The earphone has an unnatural spatial environment close to the entrance of the ear canal. The sound source is located near the entrance to the ear canal, so the distance between the sound source and the auditory organ is extremely close. The earphone creates an unnatural environment called a half-closed proximity sound field, which not only affects the sense of hearing, but is also a very special environment in terms of the driving conditions of the sound emitting body. Since it is an acoustically very small space, it is difficult to control uniform vibrations due to the modulation of the sensitive frequency response, distortion components caused by tube resonance, and the interference of heat, electromagnetic interference, and irregular flow of air occurring in a physically small space. makes Structurally, vibration instability occurs due to the characteristics of the speaker, which is made small and thin to match the physical size. Vibration stability is an important factor affecting not only the mechanical reliability of the sound emitting body, but also the characteristics and sensitivity of the reproduction bandwidth to the nonlinear distortion level of the acoustic signal. However, mechanical control is weakened due to the rigid auxiliary structure and damping materials omitted to make it small and thin. Since the coil width of the driving part must also be reduced, it is difficult to balance the driving force. In such an environment, the stability of vibration is greatly changed by a small change in the fluid properties. In particular, in the case of wireless earphones, various complex parts exist in the product. In addition to the microspeaker sounding body, circuit components, batteries, and wireless antennas are placed in a small space. Although the air flow or heat dissipation in the internal space is more sensitive, the analysis and evaluation of the effect of these parts on the earphone's micro speaker driver unit is not done properly. The auditory part emitted due to the environmental characteristics of the earphone is also a major factor affecting the overall system performance of the earphone. Earphones are an unnatural proximity environment and an enclosed environment in which the natural spatial path through which sound is transmitted is omitted. As natural spatial information changes, the standard of auditory information actually received by humans changes. In particular, when used in combination with a smartphone, it is mainly used in a noisy space outdoors, and this noise not only reduces the clarity of the sound signal but also requires a high load on the sound pressure. Previous studies on sound source listening in a noisy environment focused on the method of suppressing the total amount of reproduced sound pressure in the noise engineering area. Improvement of auditory satisfaction under the noise environment in the media field where complex control is applied requires a perspective that reflects the complex listening characteristics of reflecting auditory characteristics and frequency characteristics rather than simply viewing the entire sound pressure as a lump. . In this study, in order to improve the system performance considering the environmental characteristics of wireless earphones, improvement points were applied by focusing on two functions. The first is the improvement of the vibration stability of the microspeaker driver unit optimized for the structural and environmental characteristics of the earphone. Motor stability, which generally refers to vibration stability, is a field of interest mainly in automotive or high-output component audio. It controls the symmetry of vibration, the balance of the driving force applied to the coil, restoring force, and mechanical rigidity in a complex way. In earphones, the overall aspect is different from that of general speakers due to the slimming of the driving part. In general loudspeakers, the difference between mechanical restoring force, which was a small factor, and vibration displacement due to air flow, is large, affecting the quality of vibration. In particular, changes in the vibration form are sensitively affected by air elasticity fluctuations that occur depending on the size and structure of the rear chamber. Therefore, by controlling the amount of the damper filter connected to the rear chamber of the earphone, the symmetrical stability of the shape suitable for the earphone microspeaker is measured and analyzed and found. The second is to apply a digital filter to compensate for the auditory characteristics caused by the unusual environmental characteristics of earphones. Since the wireless earphone has its own DSP function, it is possible to apply a digital filter using a mobile application. In a general environment, the human brain automatically corrects and accepts sound information including spatial information, but natural correction becomes impossible in an environment where spatial information is omitted and effects by proximity reproduction are added, such as earphones. In order to compensate for the acoustical environmental characteristics, a frequency response filter based on an international standard auditory sense compensation filter was used. To confirm the sound effect of the filter used, the auditory satisfaction was evaluated through the listening evaluation, and the effectiveness was verified by comparative analysis of the results. This study tried to improve the performance covering the unique characteristics of wireless earphones by applying improvements to some of the earphone systems. This is not a content that can completely represent the entire wireless earphone, but it is a partial improvement by analyzing the unique characteristics of the wireless earphone environment. Therefore, it is expected to be a reference material for designing a wireless earphone system as a complex consideration factor.
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