본 논문에서는 광 마이크로폰의 주파수 응답특성 분석을 위해 시스템을 제안하고 구현하였다. 현재 사용되어지고 있는 캐패시턴스 마이크로폰과 광섬유 전송로형 광 마이크로폰(FOM)은 낮은 지향성과 크기, 무게, 비싼 가격 등에서 단점을 나타내고 있다. 반면 제안된 광 마이크로폰은 저가의 소자로 구성할 수 있으며, 소형, 경량화, 높은 지향성 등의 장점을 갖는다. 본 논문에서 제안하는 광 마이크로폰의 헤드 부는 인가된 음압에 따라서 전후로 움직이게 되어있으며, 반사판이 부착되어 있는 형태로 구성되어 있다. 광 헤드와 진동판사이의 거리를 변화시켜가며 응답특성을 측정하여 선형성과 민감도가 최대인 지점을 동작 점으로 결정하였다. 컴퓨터 기반 음향 측정/분석 프로그램인 Smaart Live와 USBPre를 사용하여 음향 신호의 주파수를 변화시켜 가며 구현한 광 마이크로폰의 광전 변환된 신호의 출력을 측정하였으며, 기존의 캐패시턴스 마이크로폰과 비교 분석하였다. 측정된 광 마이크로폰은 비교 콘덴서 마이크로폰과 거의 동일한 출력 특성을 나타내었으며, 주파수 대역폭은 약 ${\pm}3$[dB] 이내에서 300[Hz]-3[kHz] 정도의 성능을 나타내었다.
본 논문에서는 광 마이크로폰의 주파수 응답특성 분석을 위해 시스템을 제안하고 구현하였다. 현재 사용되어지고 있는 캐패시턴스 마이크로폰과 광섬유 전송로형 광 마이크로폰(FOM)은 낮은 지향성과 크기, 무게, 비싼 가격 등에서 단점을 나타내고 있다. 반면 제안된 광 마이크로폰은 저가의 소자로 구성할 수 있으며, 소형, 경량화, 높은 지향성 등의 장점을 갖는다. 본 논문에서 제안하는 광 마이크로폰의 헤드 부는 인가된 음압에 따라서 전후로 움직이게 되어있으며, 반사판이 부착되어 있는 형태로 구성되어 있다. 광 헤드와 진동판사이의 거리를 변화시켜가며 응답특성을 측정하여 선형성과 민감도가 최대인 지점을 동작 점으로 결정하였다. 컴퓨터 기반 음향 측정/분석 프로그램인 Smaart Live와 USBPre를 사용하여 음향 신호의 주파수를 변화시켜 가며 구현한 광 마이크로폰의 광전 변환된 신호의 출력을 측정하였으며, 기존의 캐패시턴스 마이크로폰과 비교 분석하였다. 측정된 광 마이크로폰은 비교 콘덴서 마이크로폰과 거의 동일한 출력 특성을 나타내었으며, 주파수 대역폭은 약 ${\pm}3$[dB] 이내에서 300[Hz]-3[kHz] 정도의 성능을 나타내었다.
In this paper, in order to analyze property of frequency response in optical microphone, system was implemented. The capacitance microphone and fiber-optic transmission path type fiber-optic microphone (FOM) have weaknesses in directivity, size, weight, and price. However suggested optical microphon...
In this paper, in order to analyze property of frequency response in optical microphone, system was implemented. The capacitance microphone and fiber-optic transmission path type fiber-optic microphone (FOM) have weaknesses in directivity, size, weight, and price. However suggested optical microphone can be constituted by cheap devices, so it has many benefits like small size, light weight, high directivity, etc. Head part of optical microphone which is suggested in this paper is movable back and forth by sound pressure with the attached reflection plate. Operating point is determined by measuring the respond characteristics and choosing the point on which has maximum linearity and sensitivity while changing the distance between optical head and vibrating plate. We measured the output of the O/E transformed signal of the optical microphone while frequency of sound signal is changed using sound measurement/analysis program, Smaart Live and USBPre, which are based on PC, and compared the result from an existing capacitance microphone. The measured Optical microphone showed almost similar output characteristics as those of the compared condenser microphone, and its bandwidth performance was about 300[Hz]-3[kHz] at up to 3 [dB].
In this paper, in order to analyze property of frequency response in optical microphone, system was implemented. The capacitance microphone and fiber-optic transmission path type fiber-optic microphone (FOM) have weaknesses in directivity, size, weight, and price. However suggested optical microphone can be constituted by cheap devices, so it has many benefits like small size, light weight, high directivity, etc. Head part of optical microphone which is suggested in this paper is movable back and forth by sound pressure with the attached reflection plate. Operating point is determined by measuring the respond characteristics and choosing the point on which has maximum linearity and sensitivity while changing the distance between optical head and vibrating plate. We measured the output of the O/E transformed signal of the optical microphone while frequency of sound signal is changed using sound measurement/analysis program, Smaart Live and USBPre, which are based on PC, and compared the result from an existing capacitance microphone. The measured Optical microphone showed almost similar output characteristics as those of the compared condenser microphone, and its bandwidth performance was about 300[Hz]-3[kHz] at up to 3 [dB].
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
참고문헌 (11)
H. S. Kwan, K. W. Kim, J. K. Kim, and W. S. Che, "Optical Path Analysis and Experiments for Optical Microphone," Journal of Control, Automation and Systems Engineering, Vol.13, No.3, pp.210-217, 2007(3).
H. S. Kwan and K. W. Kim, "Design and Charcterizion of Fiber Optical Coupler for Acoutic and Vibration Measurements," Journal of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol.16, No.9, pp.971-981, 2006.
Y. Kahana, A. Parisky, A. Kots, and S. Mican, "Recent advances in optical microphone technology," Inter-Noise, Juju, Korea, pp.1158-1169, 2003(8).
A Phone-Or White Paper, "Microphone for speech recognition application," Phone-Or Ltd, 2001.
K. Kadirvel, R. Tayolor, S. Horowitz, L. Hunt, M. Sheplak, and T. Nishida, "Desing and charaterization of MEMS optical microphon for aeroacoustic measurement," 42nd Aerospace Science Metting & Exhibit, AIAA, pp.2004-1030, 2004.
K. Nakamura, S. Toda, and M. Yamanouchi, "A twodimensional optical fiber microphone array with matrixstyle data readout," Meas. Sci. Technol., Vol.12, pp.859-864, 2001.
H. Sagberg, A. Sudbo, O. Solgaard, K. Anne, H. Bakke, and I. Johansen, "Optical microphone based on a modulated diffractive lens," IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.15, No.10, pp.1431-1433, 2004.
N. Furstenau, H. Horack, and W. Schmidt, "Extrinsic Fabry-Perot interferometer fiber- optic microphone," IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, Vol.47, No.1, pp.138-142, 1998.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.