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문제 정의
- 본 연구에서는 광의 세기 변조방식을 적용하여 저가의 광센서를 이용한 광 마이크로폰을 제작하여 그 특성을 실험하였다. 그리고 제작한 광 마이크로폰의 음압에 의한 동적인 변위의 광 결합 효율과 주파수를 측정함으로서 실제 마이크로폰으로의 적용 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 광 결합 효율의 선형성과 민감도가 가장 큰 72.5°를 광 마이크로폰의 동작점으로 결정하였으며, [그림 2]와 같이 Smaart Live및 USBPre, 스피커를 통하여 발생되는 음향신호를 구현한 광 마이크로폰에 인가시켜 주파수 응답 특성을 측정하였다.
- 그림 5. 광 마이크로폰의 특성 분석.
- 진동판은 광이 반사하는 중앙 부분의 움직임만을 고려하면 되기 때문에 중앙부에 작은 반사판을 부착하여 제작하였다. 광 헤드와 진동판 사이의 최적의 간격을 나타내는 동작 점을 결정하기 위하여 이 둘 간의 거리를 일정하게 변화시키면서 진동판에 부착되어 있는 반사판에 의해 반사되어 수신되는 광파워 결합 효율을 측정하였다. 스피커와 광 마이크로폰과의 거리는 l[m]이며, 스피커의 정중앙에오도록 배치하였다.
- 3[kHz]의 신호를 인가한 후 Y자형 RCA 케이블을 제작하여 하나의 신호는 USBJ*로 Loop-Back 시켜 기준 신호로 사용하였다. 다른 하나의 신호는 스피커를 거쳐 출력시킨 후 제안하는 광 마이크로폰으로 음향 신호를 측정하여 기준 신호와 비교 분석을 하기위한 장치이다.
- 그림 4. 동작점 해석을 위한 광 마이크로폰의 구조 분석.
- 본 논문에서는 저가의 수 . 발광 소자로 이루어진 광헤드(optical head)를 구현하였다. 광 마이크로폰의 진동판은 중앙에 반사판을 부착한 형태로 구성되었으며, 외부에서 인가되는 음향 신호의 진행 방향으로 음압 (acoustic-pressure) 에 비례하여 움직일 수 있도록 되어있다.
- 본 논문에서는 저가의 수 . 발광 소자를 이용하여 광 마이크로폰을 구현하였다. 사용된 진동판은 음향신호에 비례하여 전, 후로 움직인다.
- . 발광부와 진동판 사이의 거리는 가까울수록 더 좋은 광 결합 효율을 나타내지만 광축의 정렬과 발광 부의 크기 등으로 인하여 기본적으로 4[mm]의 거리들 두고 정렬하였다. 이 결합 효율 은 4[mm]를 기준으로 설정하여 전, 후로 50[/zm] 만큼씩 이동시 켜 가며 진동에 대한 광 결합 효율을 측정 하였다 즉, 진동판에 부착되어 있는 반사판에 빛이 반사하여 수광부의 활성영역에 전부 들어올 떄 최대의 광 결합 효율을 나타낸다.
- 본 논문에서는 수 - 발광부와 진동판 사이의 거리를 변화 시켜 가면서 광 결합 특성 실험을 하여 선형성과 민감도가 최대인 각과 지점을 선정하여 동작 점으로 결정하였다 그리고 컴퓨터 기반의 음향 측정/분석 프로그램인 Smaart Live 및 Oscilloscope, Spectrum analyzes를 통하여 입력 음향신호의 주파수를 변화 시켜가며 광 마이크로폰의 주파수 응답특성을 실험하였다.
- 수광부는 광센서를 사용하여 광/전 변환하였다. 측정 장비는 OsciUoscope (Tektronix, TDS304B, 4CH, 600[MHz]), Spectrum analyzer (Agilent, 8563E, 30[H z] —26.
- 사용된 진동판은 음향신호에 비례하여 전, 후로 움직인다. 음향신호의 인가 및 측정은 컴퓨터 기 반의 음향 측정/분석 프로그램인 Smaart Live 및 Oscilloscope, Spectrum analyzer를 사용하였고, 주파수를 변화 시켜가며 광 마이크로폰의 주파수 응답 특성을 실험하였다.
- 발광부와 진동판 사이의 거리는 가까울수록 더 좋은 광 결합 효율을 나타내지만 광축의 정렬과 발광 부의 크기 등으로 인하여 기본적으로 4[mm]의 거리들 두고 정렬하였다. 이 결합 효율 은 4[mm]를 기준으로 설정하여 전, 후로 50[/zm] 만큼씩 이동시 켜 가며 진동에 대한 광 결합 효율을 측정 하였다 즉, 진동판에 부착되어 있는 반사판에 빛이 반사하여 수광부의 활성영역에 전부 들어올 떄 최대의 광 결합 효율을 나타낸다.
- 이때 구현한 광 마이크로폰의 성능 평가를 위해 상용화된 콘덴서 마이크로폰과 비교 분석하였다.
- 특히, 입력 음향신호를 충실히 재생하기 위해서는 음압에 따른 광신호의 변조 특성이 우수한 선형성 및 민감도를 가져야 한다. 이를 위해 Oscillo- scope, Spectrum analyzer를 사용하여 음향 신호의 파형 및 주파수 특성을 조사하였고, Smaart Live를 사용하여 음향신호를 분석을 하였다 또한 제안하는 광 마이크로폰과 상용화된 캐패시턴스 마이크로폰의 음향수집 능력을 비교 분석 하였다
- 측정을 통하여 가장 큰 파워가 수신되는 d를 max구하고, [그림 4]에서 보는 것과 같이 발광부에서 나오는 가장 센 빛이 수광부의 중심으로 입사되는 지점을 동작 점으로 선정하였다.
대상 데이터
- 위한 장치이다. 3[kHz]의 신호를 인가한 후 Y자형 RCA 케이블을 제작하여 하나의 신호는 USBJ*로 Loop-Back 시켜 기준 신호로 사용하였다. 다른 하나의 신호는 스피커를 거쳐 출력시킨 후 제안하는 광 마이크로폰으로 음향 신호를 측정하여 기준 신호와 비교 분석을 하기위한 장치이다.
- 측정 장비는 OsciUoscope (Tektronix, TDS304B, 4CH, 600[MHz]), Spectrum analyzer (Agilent, 8563E, 30[H z] —26.5[GHz]), GP1B (National Instiuments), USlePre (TASCAM US-144), Sniaart Live(SLX Smaart Live v5.0), 스피커(THUNDER, DF~080K 8[ohm], 300 [W]), 앰프(SOUNDCRAFT, GIGI1AC600, 2 x 300[W] / 4 [ohm]), CD플레이어 (SONY, GD/DVD PLAYER DVP S336), Y 자형 케 이블(RCA 케 이블, 제작). 측정용 마이크(Behring er, ECM8000)등을 사용하였다.
- 0), 스피커(THUNDER, DF~080K 8[ohm], 300 [W]), 앰프(SOUNDCRAFT, GIGI1AC600, 2 x 300[W] / 4 [ohm]), CD플레이어 (SONY, GD/DVD PLAYER DVP S336), Y 자형 케 이블(RCA 케 이블, 제작). 측정용 마이크(Behring er, ECM8000)등을 사용하였다.
성능/효과
- 즉: 음압이 커지면 진동판의 변이가 커지게 되어 광신호의 변조 진폭도 증가한다. 결과적으로 제안된 소자들은 음향신호를 광 신호 형태로 변환하여 전달하는 광 마이크로폰의 역할을 하게 된다. 특히, 입력 음향신호를 충실히 재생하기 위해서는 음압에 따른 광신호의 변조 특성이 우수한 선형성 및 민감도를 가져야 한다.
- 그리고 제작한 광 마이크로폰의 음압에 의한 동적인 변위의 광 결합 효율과 주파수를 측정함으로서 실제 마이크로폰으로의 적용 가능성을 확인하였다.
- 있다. 또한 매그니튜드(주파수응답 특성)도 원 신호와 거의 유사한 신호임을 확인할 수 있었다.
- 실험결과 Smaart Live 및 Oscilloscope에서 [그림 5] [그림 기에서 보는 바와 같이 주파수 3[kHz], l[Pa]의 음압을 인가한 경우 광 마이크로폰의 측정값이 콘덴서 마이크로폰과 원신호의 측정값과 거의 동일하게 얻어짐을 확인할 수 있었다. 또한 3[kHz]대역에서 비교 콘덴서 마이크로폰보다 더 높은 감도를 나타내고 있으며, 기들 간의 연결에 따른 잡음과 무향실 내에서의 측정이 이루어지지 않았기 때문에 외부잡음에 대한 영향은 배제하였다.
- 제안된 광 마이크로폰의 음향신호 측정 주파수 대역폭은 300[Hz]-3[kHz] 이고, 이는 진동판과 반사판의 크기를 줄여 고유진동 주파수를 높게 하면 주파수 대역폭을 향상시킬 수 있을 것이라고 사료된다.
- 신뢰도를 나타내고 있다. 제작한 Y자형 케이블에 의한 잡음과 기기들 간의 연결 상태 및 장비에 의한 잡음, 무향실내의 실험이 아닌 점을 감안할 때 결과적으로 3[kHz]의 음향신호를 훌륭하게 재생하고 있음을 알 수 있다.
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