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소리의 공간 제어를 위한 구형 다채널 스피커 어레이 설계
Design of Multichannel Spherical Loudspeaker Array for the Spatial Sound Manipulation 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.31 no.4, 2012년, pp.214 - 224  

강동수 (KAIST 기계공학과 소음 및 진동제어 연구센터 (NOVIC)) ,  최정우 (KAIST 기계공학과 소음 및 진동제어 연구센터 (NOVIC)) ,  이정민 (KAIST 기계공학과 소음 및 진동제어 연구센터 (NOVIC)) ,  김양한 (KAIST 기계공학과 소음 및 진동제어 연구센터 (NOVIC))

초록
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The objective of this paper is to design multichannel spherical loudspeaker array by considering various positioning methods such as Gaussian grid, Lebedev grid and packing method. For the spatial sound manipulation, which is to make desired sound field by controling multiple sound sources, the Kirchhoff-Helmholtz integral states that sound fields can be reproduced in terms of infinite control sources on the integral surface. But since we cannot control infinite number of sources for the implementation, we have to allocate finite number of sound sources which can approximately act as infinite number of sources. To manipulate sound field inside of a sphere (which is typical example of three dimensional array) by controlling sound sources on the surface, three methods of allocating sound sources, which are Gaussian grid, Lebedev grid and packing method, are reviewed. For each geometry, the performances of manipulation rendered by time-reversal operator and higher-order ambisonics are compared.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this paper is to design multichannel spherical loudspeaker array by considering various positioning methods such as Gaussian grid, Lebedev grid and packing method. For the spatial sound manipulation, which is to make desired sound field by controling multiple sound sources, the Kirc...

주제어

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문제 정의

  • 이 조건에 따르면, 50개 내외의 스피커에 대해 반지름 30 cm 정도의 영역에서 재현할 수 있는 음파의 주파수는 1 kHz 이하이다. 따라서 본 실험에서는 구의 중심을 기준으로 30 cm의 반지름을 갖는 구 내부를 관심영역으로 설정, 1 kHz의 단일 주파수에 대한 결과를 고찰 한다.
  • 본 논문의 목적은 구형 다채널 스피커 시스템 구성을 위하여, 설계를 위해 다양한 스피커의 배치 방법을 고려해 (3장 참조), 설계 방법을 제시하는 데 있다. 구 표면상에 스피커를 배치하기 위한 세 가지 방법에 대해 검토, 시뮬레이션을 통해 음장 제어 성능을 확인하여 배치를 결정하고자 한다.
  • )과 같다. 본 오차는 목표 음장 (가상음원에 의해 만들어진 음장)과 실제 음장 간의 차이를 목표 음장의 크기에 대해 정규화한 것으로, 전체 공간에서의 차이를 하나의 값으로 보기 위한 하나의 지표이다.

가설 설정

  • 그림 8은 구 표면상에 다수의 음원 (2030개, 레베데프 배치)에 의해 시간 반전 연산된 음장이다. 2030개 이상으로 구 표면을 나누어 연산한 경우 결과가 수렴하게 되므로 본 경우를 연속적인 음원의 배치로 가정할 수 있다. 그림 8이 그림 7과 같게 나타난다면, 식 (3)에서의 원거리 음장 가정이 옳음을 알 수 있다.
  • 그림 8이 그림 7과 같게 나타난다면, 식 (3)에서의 원거리 음장 가정이 옳음을 알 수 있다. 2030개를 배치한 경우원 음장에 유사한 음장을 보임으로서, 설정 제어영역에서 원거리 음장 조건을 만족하는 것으로 가정한다.
  • 25 m 떨어진 거리에 위치한 가상 음원에서 먼 거리에 위치하여야 한다. 앞서 제시한 중심에서 0.3 m 거리 내에 있는 관심영역에서, 1 kHz에 대해 원거리 영역 조건을 만족한다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다채널 스피커 시스템 구형 배치의 장점은 무엇인가? 다채널 스피커 시스템의 경우, 스피커를 배치하는 다양한 방법 중 구의 표면에 스피커를 배치하는 방법이 있다. 구형 배치의 경우 스피커가 청자를 둘러싸고 있으므로 청자를 향해 전 방향에서 전파되는 음파를 만들어 낼 수 있다는 장점과 함께 구 좌표계에 대해서 이론적으로 전개하기가 용이하다는 장점이 있다.
키르코프-헬름 홀츠 적분 방정식에 따른 공간 내부의 음장을 음장 제어 관점에서 생각해보면 어떻게 해석 가능한가? 키르코프-헬름 홀츠 적분 방정식에 따르면 어떤 공간 내부의 음장은 그 음장을 둘러싸고 있는 경계면에서의 음압과 입자속도에 의해 결정된다. 이것을 음장 제어 관점 에서 생각해보면, 우리가 원하는 어떤 임의의 음장이라도 그 경계면에 배치된 무한히 많은 개수의 음원들을 제어하여 만들어 낼 수 있다는 것을 의미한다[2].
키르코프-헬름 홀츠 적분 방정식에 따르면 공간 내부의 음장은 무엇에 의해 결정되는가? 그렇다면 어떻게 원하는 위치에 원하는 형태의 소리를 형성할 수 있을까? 이는 기본적인 단위 소리를 발생시키는 음원 (sound source)의 구동이 겹침으로 원하는 소리의 모양을 만들어 내는 것으로 생각할 수 있다[1]. 키르코프-헬름 홀츠 적분 방정식에 따르면 어떤 공간 내부의 음장은 그 음장을 둘러싸고 있는 경계면에서의 음압과 입자속도에 의해 결정된다. 이것을 음장 제어 관점 에서 생각해보면, 우리가 원하는 어떤 임의의 음장이라도 그 경계면에 배치된 무한히 많은 개수의 음원들을 제어하여 만들어 낼 수 있다는 것을 의미한다[2].
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참고문헌 (27)

  1. Y.-H. Kim, "Sound visualization and manipulation: theories and applications," in Proc. InterNoise 2011, plenary lecture 2, Sep. pp. 4-7, 2011. 

  2. Y.-H. Kim, Sound Propagation: An Impedance Based Approach, John Wiley & Sons, 2010. 

  3. F. M. Fazi, P. A. Nelson, J. E. Christensen and J. Seo, "Surround system based on three dimensional sound field reconstruction," in Proc. 102nd Convention of the Audio Engineering Society, preprint 4456, 1997. 

  4. F. M. Fazi and P. A. Nelson, "Application of functional analysis to the sound field reconstruction," in Proc. the Institute of Acoustics, 23rd Conference on Reproduced Sound, 2007. 

  5. J. Seo, J. -H. Yoo, K. Kang and F. M. Fazi, "21- channel surround system based on physical reconstruction of a three dimensional target sound field," in Proc. 128th Convention of the Audio Engineering Society, preprint 7973, 2010. 

  6. J. S. Bamford and J. Vanderkooy, "Ambisonic sound for us," in Proc. 99th Convention of the Audio Engineering Society, preprint 4138, 1995. 

  7. J. Daniel, J. B. Rault, and J. D. Polack, "Ambisonics Encoding of Other Audio Formats for Multiple Listening Conditions," in Proc. 105th Convention of the Audio Engineering Society, preprint 4795, 1998. 

  8. N. Epain, P. Guilon, A. Kan, R. Kosobrodov, D. Sun, C. Jin and A. van Schaik, "Objective evaluation of a three dimensional sound field reproduction system," in Proc. 20th International Congress on Acoustics, 2010. 

  9. MERO Spaceframe system, (n.d.), Retrieved September 9, 2009, from Website: http://www.mero.com.my 

  10. 이태웅, 장지호, 이정민, 강동수, 김양한, "음장 제어 실험을 위한 32채널 스피커 시스템 구성," 한국소음진동공학회 2009년 추계학술대회논문집, pp. 868-869. 

  11. J.-W. Choi and Y.-H. Kim, "Generation of an acoustically bright zone with an illuminated region using multiple sources," J. Acoust. Soc. Am. vol. 111, no. 4, pp. 1695-1700, 2002. 

  12. 장지호, 송민호, 박진영, 김양한, "32채널 스피커 시 스템을 이용한 소리 공 형성," 한국소음진동공학회 2009년 추계학술대회논문집, 866-867쪽. 

  13. Y.-H. Kim, M.-H. Song, J.-H. Chang, J.-Y. Park, "Generation of Sound ball: Its theory and implementation," Principles and Applications of Spatial Hearing, World Scientific, 2011. 03, pp. 393-406. 

  14. KAIST Acoustics & Vibration Laboratory "Soundball Project" (http://soundmasters.kaist.ac.kr/research/soundball/mainpage.htm) 

  15. J.-M. Lee, "In-situ calibration of a multichannel loudspeaker system by modeling transfer functions," Master Thesis, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2011, pp. 49-55. 

  16. S. L. Sobolev, "On mechanical quadrature formulae on the surface of a sphere," Sibirskii matem. Zh., 3, no. 5, pp. 486-496, 1962. 

  17. V. I. Lebedev, "Quadratures on a sphere," Zh. Vychisl. Mat. Mat. Fiz. vol. 16, no. 2, pp. 293-306, 1976. 

  18. N. J. A. Sloane, R. H. Hardin, and W. D. Smith et al., Tables of spherical codes. [Online]. Available: www.research.att.com/-njas/packings/ 

  19. M. Fink, "Time Reversal of Ultrasonic Fields-Part I: Basic Principles," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectric and Frequency Control vol. 39, no. 5, pp. 555-566, 1992. 

  20. D. B. Ward and T. D. Abhayapala, "Reproduction of a Plane-Wave Sound Field Using an Array of Loudspeakers," IEEE Transactions on speech and audio processing, vol. 9, no. 6, pp. 697-707, 2001. 

  21. J.-W. Choi, "Spatial Manipulation and Implementation of Sound," Ph.D. thesis, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2005, pp. 32-33. 

  22. R. P. Porter, "Diffraction-limited, scalar image formation with holograms of arbitrary shape," J. Opt. Soc. Am., vol. 60, pp. 1051-1059, 1970. 

  23. A. J. Devaney, R. P. Porter, "Holography and the inverse source problem part II: Inhomogeneous media," J. Opt. Soc. Am. A, vol. 2, no. 11, pp. 2006- 2011, Nov 1985. 

  24. J.-W. Choi, "Integral approach for the reproduction of a virtual sound source surrounded by loudspeaker arrays," IEEE Trans. Audio Speech Proc. submitted, 2011. 

  25. M. A. Gerzon, "Periphony: with-height sound reproduction," J. Audio Eng. Soc. vol. 21, no. 1, pp. 2-10, 1973. 

  26. M. A. Gerzon, "Ambisonics in multichannel broadcasting and video," J. Audio Eng. Soc., vol. 20, pp. 859-871, 1985. 

  27. 강동수, 이정민, 최정우, 김양한, 장세진, 이석필, "음장 제어를 위한 구형 다채널 스피커 시스템 설계 및 성능 비교," 한국음향학회 2011년도 추계학술발표대회 논문집, 39-48쪽. 

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