[논문]단일 센서 기반 반향음 제어를 위한 최적 필터 설계

전신혁; 지유나; 박영철; 서영수

doi:10.7776/ask.2017.36.5.353

초록
AI-Helper

단일 센서 기반 반향음 제어 시스템은 하나의 센서 신호로부터 입사음과 반향음을 분리하여 추정하고, 입사신호로부터 반대위상의 신호를 발생시킴으로써 반향음을 감소시킨다. 본 논문에서는 단일 센서 기반 반향음 제어 시스템을 위한 최적 필터 설계 방법을 제안한다. 제안된 방법에서는 측정된 반향음 경로와 제어 경로의 임펄스 응답을 사용하여 최적 제어 필터 설계가 가능함을 보였다. 제안된 최적 필터를 기반으로 하는 반향음 제어 알고리즘은 기존의 적응 필터 기반 알고리즘에 비해 더 우수한 제어 성능을 얻을 수 있으며, 초기 수렴시간 없이 반향음을 효과적으로 제어한다. 1차원 음향 덕트 환경에서 얻어진 신호를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 결과로부터 제안한 최적 필터가 잡음 환경에서도 강건한 성능을 보임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The single sensor based acoustic reflection control system separates the incident and reflected signals from the single sensor output, and reduces the reflected signal by generating an out-of-phase signal from the incident signal component. In this paper, we propose an optimal filter design method f...

The single sensor based acoustic reflection control system separates the incident and reflected signals from the single sensor output, and reduces the reflected signal by generating an out-of-phase signal from the incident signal component. In this paper, we propose an optimal filter design method for a single sensor based reflection control system. In the proposed method, it is shown that the optimum control filter design is possible by using the measured impulse responses of the reflection and control paths. The reflection control algorithm based on the proposed optimal filter achieves better performance than the conventional adaptive filter-based algorithm and effectively controls the reflection without the initial convergence time. We performed computer simulations using the signals obtained in a 1-dimensional acoustic duct environment, and from the simulation results, it was confirmed that the proposed optimal filter has robust performance even in noisy environment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 센서와 트랜스듀서 간 음향 경로가 시불변이라는 가정 하에 최적 반향음 제어 필터를 설계하는 방법을 제안한다. 이 방법은 적응 필터링 기법에 비해 초기 수렴시간이 요구되지 않는다는 장점이 있으며, 일반적으로 더 좋은 정상상태성능을 기대할 수 있다.
^[7]이런 환경에서는 반향음의 반향 경로와 제어 경로 특성이 시불변이라고 가정할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 음향 경로의 시 불변 가정을 기반으로 최적 필터를 설계하고자 한다. 최적필터 설계를 위해 본 논문에서는 추정된 음향 경로 응답은 정확하며, 센서 잡음은 없다고 가정한다[즉, = u(n) ].
본 논문은 단일 센서 기반 능동 반향음 최적 제어알고리즘을 제안하고 그 성능을 확인하였다. 제안된 최적 필터는 사전 측정한 반향 경로 및 제어 경로를 기반으로 설계되며, 기존 적응 필터 기반 알고리즘과 달리 초기 수렴시간이 필요하지 않고 매개변수에 영향을 받지 않는 장점이 있다.

가설 설정

최적필터 설계를 위해 본 논문에서는 추정된 음향 경로 응답은 정확하며, 센서 잡음은 없다고 가정한다[즉, = u(n) ].

제안 방법

외부잡음은 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있으며, 본 논문에서는 Eq. (6)을 사용하여 추정된 입사 신호를 사용하는 경우에 발생하는 성능 열화를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 알아본다.
그러나 실시간 반향음 제어 시, 최소한의 필터 차수로 적절한 성능을 얻을 수 있어야 한다. 적절한 필터 차수를 결정하기 위해 다음 실험에서는 최적 필터 차수에 따른 ER 향상값을 측정하여 비교하였다.
본 논문은 단일 센서 기반 능동 반향음 최적 제어알고리즘을 제안하고 그 성능을 확인하였다. 제안된 최적 필터는 사전 측정한 반향 경로 및 제어 경로를 기반으로 설계되며, 기존 적응 필터 기반 알고리즘과 달리 초기 수렴시간이 필요하지 않고 매개변수에 영향을 받지 않는 장점이 있다. 제안 알고리즘의 성능을 1차원 덕트 환경에서 검증하였고, 실험 결과는 제안된 최적 제어 필터가 잡음이 존재하는 환경에서도 강인하게 동작함을 확인하였다.
제안한 최적 반향음 제어 필터의 성능을 확인하기 위해 Fig. 3과 같은 1차원 음향 덕트 환경에서 측정된 신호를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 시행하였다.
제어 성능을 좀 더 객관적으로 측정하기 위해 ER(Echo Reduction) 향상값을 측정하였다. ER은 입사 신호대비 반향음의 크기 차이를 기반으로 제어 신호로 인해 반향음의 크기가 얼마나 감소되었는지를 측정하는 분석 지표이다.
6은 제어 필터의 차수에 따른 ER 향상값을 보여준다. 필터 차수와 ER 향상값을 고려하여 128차 제어 필터를 사용하여 적응 필터 기반 제어 알고리즘과 제안 최적 필터 기반 알고리즘의 성능 차이를 비교하였다.

대상 데이터

덕트의 크기는 1×0.14×0.14 m3로 5 mm 두께의 아크릴로 제작되었다.
제어 트랜스듀서에서 센서(마이크로폰)까지의 거리는 40 cm이다. 센서는 AKG사의 C417 핀 마이크로폰을, 앰프는 behringer사의 TUBE ULTRAGAIN MIC100을 사용하였다.
실험에 사용한 샘플링 율은 16000 Hz, 최적 필터와 모델링한 반향 경로 및 제어 경로의 길이는 128, 적응 필터 수렴계수 μ는 0.06이다.

데이터처리

Reference [3]에서 제시된 적응 필터 기반 알고리즘과 본 논문에서 제안한 최적 필터 기반 알고리즘의 제어 결과를 Fig. 7에서 시간에 따른 NMSE(Normalized Mean Square Error)값으로 비교하고, 제안한 최적 필터 기반 알고리즘의 제어 결과를 Fig. 8에서 비교하였다. Fig.

이론/모형

따라서 센서 신호로부터 각각의 신호 성분을 분리할 수 있는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 [3]에서 제안한 신호 분리 알고리즘을 사용한다.

성능/효과

9는 최적 필터 기반 제어 알고리즘의 신호 대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)에 따른 ER 향상값을 보여주고 있다. 40 dB SNR 이상의 경우에는 ER 향상값이 37 dB 이상으로 측정되었고, 10 dB SNR 에서도 17 dB 수준의 ER 향상값을 확인할 수 있다. 결과적으로 센서에 외부잡음이 존재하는 환경에서도 우수한 반향음 제어 결과를 확인할 수 있다.
Fig. 8에 나타난 적응 필터 기반 알고리즘은 정상상태까지 입사 신호에 따라 각각 3, 5 s정도의 초기 수렴시간이 요구되었지만, 제안 최적 필터 기반 알고리즘은 입사 신호와 독립적으로 초기 수렴 시간 없이 최적의 성능을 내는 것을 확인할 수 있다.
40 dB SNR 이상의 경우에는 ER 향상값이 37 dB 이상으로 측정되었고, 10 dB SNR 에서도 17 dB 수준의 ER 향상값을 확인할 수 있다. 결과적으로 센서에 외부잡음이 존재하는 환경에서도 우수한 반향음 제어 결과를 확인할 수 있다.
제안된 최적 필터는 사전 측정한 반향 경로 및 제어 경로를 기반으로 설계되며, 기존 적응 필터 기반 알고리즘과 달리 초기 수렴시간이 필요하지 않고 매개변수에 영향을 받지 않는 장점이 있다. 제안 알고리즘의 성능을 1차원 덕트 환경에서 검증하였고, 실험 결과는 제안된 최적 제어 필터가 잡음이 존재하는 환경에서도 강인하게 동작함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단일 센서 기반 반향음 제어 시스템의 특징은?	단일 센서 기반 반향음 제어 시스템은 하나의 센서 신호로부터 입사음과 반향음을 분리하여 추정하고, 입사신호로부터 반대위상의 신호를 발생시킴으로써 반향음을 감소시킨다. 본 논문에서는 단일 센서 기반 반향음 제어 시스템을 위한 최적 필터 설계 방법을 제안한다.
	반향음 제어는 어떤 분야에 활용되는 기술인가?	반향음 제어는 원치 않게 발생하는 반향음을 제어하거나 수중 활동 시 소나 신호로부터 잠수함의 피탐 성능을 향상시키는 등 다양한 분야에 활용되고 있는 기술이다. 종래의 반향음 제어 방식으로는 무반향 코팅재를 이용한 수동 제어 방식이 있다.
	무반향 코팅재를 이용한 수동 제어 방식의 특징과 한계점은 무엇인가?	종래의 반향음 제어 방식으로는 무반향 코팅재를 이용한 수동 제어 방식이 있다. 이 방식은 간단하고 좋은 성능을 지니고 있지만 고주파 신호에 제한적이며, 저주파 신호의 반향음 제어를 위해서는 코팅재의 부피와 질량이 커지는 한계점이 있다.[1]

참고문헌 (7)

D. Guyomar, L. Petit, C. Richard, and F. Adil, "Wave reflection control using switched piezoelements," Proc. ICA, 4, (2004).
B. Widrow, J. R. Glover, J. M. McCool, J. Kaunitz, C. S. Williams, R. H. Hearn, J. R. Zeidler, Jr. E. Dong, and R. C. Goodlin, "Adaptive noise cancelling: Principles and applications," Proc. IEEE, 63, 1692-1716 (1975).

상세보기
J. Kim, Y. Ji, Y. Park, and Y. Seo, "A single sensor based active reflection control system using FxLMS algorithm" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 36, 57-63 (2017).

원문보기 상세보기
P. R. Enderle, and G. R. Batta, "Stability of active noise control systems in ducts," Proc. Inter-Noise, 1, 167-172 (1990).
H. Zhu, R. Rajamani, and K. A. Stelson, "Active control of acoustic reflection, absorption, and transmission using thin panel speakers," J. Acoust. Soc. Am. 113, 852-870 (2003).

상세보기
J. Kim, Y. Ji, Y. Park, E. Noh, W. -S. Ohm, Y. Choi, D. Kim, and Y. Seo, "A study on the low-frequency active echo reduction technology for reducing underwater target echo signal" (in Korean), Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng. 43-50 (2017).
S. Haykin, Adaptive Filter Theory (Prentice Hall, New Jersey, 2002), pp. 96-108.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

단일 센서 기반 반향음 제어를 위한 최적 필터 설계
A design of optimal filter for single sensor based acoustic reflection control 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

단일 센서 기반 반향음 제어를 위한 최적 필터 설계 A design of optimal filter for single sensor based acoustic reflection control 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

지유나 (9) 박영철 (87)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

단일 센서 기반 반향음 제어를 위한 최적 필터 설계
A design of optimal filter for single sensor based acoustic reflection control 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper