[논문]능동제어를 이용한 스피커 지향성의 방사특성

이채봉; 이창영

doi:10.13067/jkiecs.2012.7.1.027

능동제어를 이용한 스피커 지향성의 방사특성
Radiational characteristics of speaker directivity using active control 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.7 no.1, 2012년, pp.27 - 31

이채봉 (동서대학교 전자공학과) , 이창영 (동서대학교 시스템경영공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 FXLMS(Filtered-X LMS) 알고리즘을 이용하여 지향성을 가진 배열의 스피커 시스템을 구축하고 그 방사특성을 확인하였다. 배면 위치한 스피커에서 제어대상 신호의 $180^{\circ}$ 특성에 대하여 최적화 된 필터계수에 의해 제어신호를 발생시켜 제어스피커 $0^{\circ}$ 방향 특성을 간섭시켜 제어스피커 정면 $0^{\circ}$ 특성의 억제를 하도록 하였다. 이 시스템을 이용하여 장착된 배면 스피커 배열의 방사특성을 측정하였으며 제어대상 스피커의 신호가 감쇄효과를 나타나는 것을 확인하였다. 감쇄시 적응필터계수를 이용하여 배면위치 스피커의 주파수특성과 방사특성을 구한 결과, 제어점에 있어서의 감쇄는 모든 주파수 영역에서 확인되었다. 100Hz, 200Hz, 1000Hz에서의 주파수대역에서는 정면에서 $60^{\circ}{\sim}100^{\circ}$의 범위에서 감쇄효과가 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we constructed an array of speaker system with directivity by using FXLMS(Filtered-X LMS) algorithm and confirmed its directivity. The front $0^{\circ}$ characteristics of the controlled speaker was suppressed by interfering it with the control signal produced with filter coefficients optimized with respect to the $180^{\circ}$ characteristics of the rear speakers. The directivity of the array of rear speakers was measured and the damping effect of the signal from the front speaker array was confirmed. The frequency characteristics and directivity was investigated by using the adaptive filter coefficients on damping, the damping on the control point was verified in all the frequency range. In 100Hz, 200Hz, 1000Hz regime, the damping effect was observed in the range of front $60^{\circ}{\sim}100^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 2개의 스피커를 배면 설치하는 것으로 제어점에 대해 각각의 스피커의 특성을 바꾼 능동 제어 시스템에 의해 제어점의 신호를 감쇄시켜 음을 방사하지 않는 방향을 만드는 것에 의해 지향성을 가진 스피커 시스템을 만드는 것을 목표로 하고 있다. 본 논문에서는 가청영역을 출력하는 일반적인 스피커를 이용하여 최적화 된 필터 계수를 DSP에 의한 FXLMS(Filtered-X LMS) 알고리즘을 이용하여 구하여 배면 배치 스피커에 의한 시스템을 만들어 음의 방사 특성을 확인하였다.

제안 방법

가청영역을 출력하는 스피커를 이용하여 FXLMS 알고리즘에 의해 얻어진 최적화 된 필터계수를 이용하여 배면 배치 스피커 시스템에 장착하였다. 시스템의 방사특성을 측정한 결과, 저 주파수 영역에 있어서 배면 배치 스피커의 정면 특성에 대하여 배면 특성이 감쇄하였으며 한 방향의 지향성을 얻을 수 있었다.
능동제어 시스템에 의한 FXLMS 알고리즘의 계수 변경에 의해 제어신호 0°의 신호가 수속할 때의 계수를 최적화 된 계수로 사용하고 배면 배치 스피커의 역위상 필터로서 장착하였다.
배면 배치 스피커의 주변 360°의 신호에 있어서 주파수특성을 구하여 방사특성을 확인하였다.
배면 배치된 2대의 스피커에 백색잡음을 입력하여 마이크로폰으로 무향실에서 측정을 하였다. 측정용 마이크로폰은 배면 배치 스피커로부터 1.
본 논문에서는 2개의 스피커를 배면 설치하는 것으로 제어점에 대해 각각의 스피커의 특성을 바꾼 능동 제어 시스템에 의해 제어점의 신호를 감쇄시켜 음을 방사하지 않는 방향을 만드는 것에 의해 지향성을 가진 스피커 시스템을 구성하였다.
본 연구에서는 2개의 스피커를 배면 설치하는 것으로 제어점에 대해 각각의 스피커의 특성을 바꾼 능동 제어 시스템에 의해 제어점의 신호를 감쇄시켜 음을 방사하지 않는 방향을 만드는 것에 의해 지향성을 가진 스피커 시스템을 만드는 것을 목표로 하고 있다. 본 논문에서는 가청영역을 출력하는 일반적인 스피커를 이용하여 최적화 된 필터 계수를 DSP에 의한 FXLMS(Filtered-X LMS) 알고리즘을 이용하여 구하여 배면 배치 스피커에 의한 시스템을 만들어 음의 방사 특성을 확인하였다.[10]
시스템에 사용한 기기는 TMS 320C6713을 이용하였으며, 개발 환경은 C언어로 구성하였다. 샘플링 주파수는 10kHz로 하였으며 A/D변환은 16bits, D/A변환은 14bits로 하였다.
계수 추정을 위한 시스템 구성은 그림 3과 같다. 제어 스피커와 제어 대상 스피커에서 출력된 신호를 제어점인 마이크로폰으로 측정하고 이것을 바탕으로 소음과 동진폭, 동위상의 신호를 적응 디지털 필터에 의해 생성한다. 이때 제어로 생긴 오차를 바탕으로 적응 디지털 필터 계수를 변경한다.
제어 신호는 정면에서 180° 방향의 특성이 능동제어 시스템에 의해 최적화 된 필터 계수에 의해 제어대상 신호 0°의 신호와 동진폭, 역위상이 되도록 필터처리를 한다.
측정용 마이크로폰은 배면 배치 스피커로부터 1.5m 위치에 두었으며 스피커 배치의 0°에서 10° 간격으로 350°까지 36회 측정을 하였다.

대상 데이터

5m 위치에 두었으며 스피커 배치의 0°에서 10° 간격으로 350°까지 36회 측정을 하였다. 시스템에 사용한 기기는 TMS 320C6713을 이용하였으며, 개발 환경은 C언어로 구성하였다. 샘플링 주파수는 10kHz로 하였으며 A/D변환은 16bits, D/A변환은 14bits로 하였다.

데이터처리

이때 제어로 생긴 오차를 바탕으로 적응 디지털 필터 계수를 변경한다. 이 계수를 변경하는 알고리즘은 그림 3에 나타낸 바와 같이 제어대상 신호에 제어신호를 간섭시켜 억제가 되지 않은 신호, 즉 오차신호의 제곱 평균오차를 고려하여 최소치가 되도록 억제하도록 하였다.

이론/모형

그러나 LMS 알고리즘은 2차 경로의 지연특성을 고려하지 않으므로 제어량에 한계가 있다. 그림 1에서 보는바와 같이 2차 경로 지연특성을 측정하여 이것을 입력신호에 연산하는 것으로 2차 경로를 고려한 FXLMS 알고리즘으로 하였다.

성능/효과

감쇄시 적응 필터계수를 이용한 배면 배치 스피커의 주파수특성과 방사특성을 측정한 결과, 제어점에 있어서의 감쇄는 전 주파수 대역에서 일어났다. 100Hz, 200Hz, 1000Hz에서의 주파수 대역에서는 60°∼110°범위에서의 감쇄효과가 나타났다.
시스템의 방사특성을 측정한 결과, 저 주파수 영역에 있어서 배면 배치 스피커의 정면 특성에 대하여 배면 특성이 감쇄하였으며 한 방향의 지향성을 얻을 수 있었다. 감쇄시 적응 필터계수를 이용한 배면 배치 스피커의 주파수특성과 방사특성을 측정한 결과, 제어점에 있어서의 감쇄는 전 주파수 대역에서 일어났다. 100Hz, 200Hz, 1000Hz에서의 주파수 대역에서는 60°∼110°범위에서의 감쇄효과가 나타났다.
가청영역을 출력하는 스피커를 이용하여 FXLMS 알고리즘에 의해 얻어진 최적화 된 필터계수를 이용하여 배면 배치 스피커 시스템에 장착하였다. 시스템의 방사특성을 측정한 결과, 저 주파수 영역에 있어서 배면 배치 스피커의 정면 특성에 대하여 배면 특성이 감쇄하였으며 한 방향의 지향성을 얻을 수 있었다. 감쇄시 적응 필터계수를 이용한 배면 배치 스피커의 주파수특성과 방사특성을 측정한 결과, 제어점에 있어서의 감쇄는 전 주파수 대역에서 일어났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음은 무엇의 수단으로 중요한 역할을 하는가?	음은 정보전달의 수단으로서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 음은 단순히 물리현상만 아니라 인간의 심리에 영향을 미치기 때문에 사회적 문제가 되기도 한다[1, 2].
	고령자나 청각 장애자가 공공 교통기관을 이용하여 원활히 이동할 수 있도록 음을 이용한 유도나 안내하는 방식에선 어떻게 주변 사람에게 피해가 가지 않도록 하는가?	최근 고령자나 청각 장애자가 공공 교통기관을 이용하여 원활히 이동할 수 있도록 음을 이용한 유도나 안내를 실현하고자 하고 있다[3]. 이러한 시도는 점차 확산되고 있으며 특정 장소에만 음이 출력되도록 제어가 되면 주변의 사람에게 피해가 가지 않게 된다. 잔향이 있는 안내 방송이나 유도하는 음원방향이 정해지지 않는 상황에서는 고령자나 청각 장애자에게는 위험한 상황이 될 수 있다.
	음이 사회적 문제가 되기도 하는 이유는?	음은 정보전달의 수단으로서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 음은 단순히 물리현상만 아니라 인간의 심리에 영향을 미치기 때문에 사회적 문제가 되기도 한다[1, 2]. 특히 공동공간에서 음을 발생시켰을 때는 주의를 요한다.

참고문헌 (10)

Usagawa T, Nishihara, T, Chsaki Y, "On threshold of acoustic signal provided by a born conduction actuator", JASA conference spring, pp.613l-616, 2010.
Minako T, Sharifah S, Yoshifumi C, " Quantitative evaluation of segregated signal with frequency domain binaural mode
Sadayuki U, Takayuki A, Kiyohiro K, Shinchi S, Hisao N, Hiroshi S, "Existing technologies and issues surrounding barrier-free acoustic environments", The Journal of the Acoustical Society of Japan, Vol.63. No.12, pp.723-730, 2007.
정내경, 임형규, 박세원, "사변형 그래프에 관하여", 한국전자통신학회논문지, 5권, 3호, pp.223-244, 2010.
김동욱, "열영상 기반의 전력선 검출", 한국전자통신학회논문지, 5권, 3호, pp.245-250, 2010.

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Tanaka K, Kukuda T, "The development of a speaker for museum and art gallery", Nikei Electronics, Vol.587, pp.155-165, 1993.
Nishiyo K, Oki Y, "The array speaker used for two dimensional digital filter", The Information and Systems Society, Vol. J78-A, No. 11, pp.1419-1428, 1995.
Miyama S, Hoya W, "The examination of parameter speaker with commercialization", The Journal of the Acoustical Society of Japan, Vol.41. No.6, pp.378-385, 1985.
Aoki K, Matumoto K, Kumamoto, "The parameter speaker : application", The Information and Systems Society, Vol. J76-A, No. 8, pp.1127-1135, 1993.
김동욱, "소실점과 움직임 객체간의 거리추정", 한국전자통신학회논문지, 6권, 5호, pp.637-642, 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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