KR20160118156A - Noise reducing device using active noise control and method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예들은 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치 및 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a noise reduction apparatus and method using active noise control.
산업이 발전함에 따라 음악등과 같은 음성을 재생할 수 있는 오디오 재생 장치가 휴대용화 되어가고 있다. 휴대용 오디오 재생 장치의 경우 지하철이나 버스 혹은 거리와 같은 장소에 구애됨이 없이 음악 감상이나 어학 학습을 할 수 있다. 이러한 휴대용 오디오 재생 장치의 예로는 MP3플레이어, 미니 카세트 및 컴팩트 디스크 플레이어 등이 있다.As the industry develops, audio reproduction apparatuses capable of reproducing audio such as music are becoming portable. Portable audio playback devices can be used for music appreciation or language learning without being restricted to places such as subways, buses or streets. Examples of such portable audio players include MP3 players, mini cassettes and compact disc players.
일반적으로 휴대용 오디오 재생 장치는 메모리나 CD등의 기록 매체에 기록된 데이터나 방송국으로부터 수신되는 방송 신호를 재생하는 장치이다. 휴대용 오디오 재생 장치에 의해 재생되는 오디오 신호는 증폭기를 통해 증폭되어 이어폰(earphone)으로 출력된다.Generally, a portable audio reproducing apparatus is a device for reproducing data recorded on a recording medium such as a memory or a CD, or a broadcast signal received from a broadcasting station. An audio signal reproduced by the portable audio reproducing apparatus is amplified through an amplifier and outputted to an earphone.
이어폰(earphone)은 일방적으로 증폭된 오디오 신호를 내부 스피커 유니트를 통해 출력한다. 그러나, 휴대용 오디오 재생 기기의 이어폰은 외부 환경에서 유입되는 소음으로 인해 음질을 저하시킨다. 따라서, 사용자는 외부 소음을 감안한 음량을 유지하기 위해 기기의 음압을 점점 높이게 된다. 그러므로 이어폰을 사용하는 휴대용 오디오 재생 기기는 장시간 청취시 난청 등의 원인을 유발하는 문제점이 있다.An earphone outputs an audio signal amplified unilaterally through an internal speaker unit. However, the earphone of the portable audio reproducing apparatus lowers the sound quality due to the noise introduced from the external environment. Therefore, the user gradually increases the sound pressure of the device in order to maintain the sound level in consideration of the external noise. Therefore, the portable audio reproducing apparatus using the earphone has a problem of causing hearing loss or the like when listening for a long time.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 노이즈 캔슬링 기능을 구비한 헤드폰/이어폰이 제안된 바 있다. 종래의 노이즈 캔슬링 헤드폰/이어폰의 경우 헤드폰/이어폰 유닛이 함께 제공되며, 이에 따라 헤드폰/이어폰 장비의 음질이 고정되어 있기 때문에 능동 소음제어 기능 및 개인의 청감 특성을 동시에 만족시키는 장비의 선택이 쉽지 않다. 또한, 종래의 노이즈 캔슬링 헤드폰/이어폰은 신체의 귀 부근에 장비를 밀착하고 있는 상태에서만 소음 저감 효과 체감이 가능하며, 이는 사용자의 활동성 및 편의성을 제한하는 요소로 작용하고 있다.In order to solve such a problem, a headphone / earphone having a noise canceling function has been proposed. Conventional noise cancellation headphones / earphones are provided with a headphone / earphone unit, so that the sound quality of the headphone / earphone equipment is fixed, so it is not easy to select a device that satisfies both the active noise control function and the personal hearing characteristic . In addition, the noise cancellation headphone / earphone of the related art is able to feel a noise reduction effect only when the equipment is in close contact with the vicinity of the ear of the user, which limits the activity and convenience of the user.
이에, 신체의 귀 부근에 장비를 밀착시켜야 하는 종래 기술 또는 제품과는 다르게, 가상 마이크 기법 등을 활용한 능동 소음 제어 알고리즘을 사용함으로써 반드시 귀 부근에 장비를 위치시켜야 하는 제약 사항이 없으며, 이에 따라 목 또는 머리 부근 등 귀와 가까운 신체 부위에 장착되어 소음 저감 기능을 제공하므로, 사용자의 활동성에 제한을 주지 않고 장비 사용으로 인한 불편함을 최소화할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, unlike the prior art or the product which requires the equipment to be in close proximity to the ear of the user, there is no restriction to place the equipment near the ear by using the active noise control algorithm using the virtual microphone technique or the like. It is necessary to develop a technique that minimizes the inconvenience caused by the use of the apparatus without restricting the activity of the user because the noise reduction function is provided to the body near the ear such as the neck or the head.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제2007-0075664호(발명의 명칭: 이어폰 기기의 소음 저감 장치 및 방법, 공개일자: 2007.07.24)가 있다.A related prior art is Korean Patent Publication No. 2007-0075664 (Title of the Invention: Noise Reduction Device and Method of Earphone Device, Published Date: 2007.07.24).
본 발명의 일 실시예는 사용자의 활동성을 보장하는 착용 방식을 제공하면서도 사용자의 귀 부근의 소음을 효율적으로 저감시킬 수 있는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치 및 방법을 제공한다.An embodiment of the present invention provides an apparatus and method for reducing noise using active noise control that can effectively reduce noise near a user's ear while providing a wearing method that assures the user's activity.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치는 사용자의 귀로부터 일정 거리 이내의 신체 일부에 탈부착 가능하게 설치되는 본체; 상기 본체에 설치되고, 소음원으로부터 발생된 소음을 측정하는 복수의 마이크로폰 센서; 상기 본체에 설치되고, 능동 소음 제어 알고리즘을 이용하여 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호와 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 제어음 신호를 생성하는 프로세서; 및 상기 본체에 설치되고, 상기 제어음 신호를 이용하여 상기 소음을 저감시키기 위한 제어음을 출력하는 복수의 스피커를 포함한다.A noise reduction apparatus using active noise control according to an embodiment of the present invention includes a main body detachably installed on a part of a body within a predetermined distance from a user's ear; A plurality of microphone sensors installed in the main body and measuring noise generated from a noise source; A processor, installed in the main body, for generating a control signal having the same magnitude and phase as a noise signal transmitted from the noise source using an active noise control algorithm; And a plurality of speakers installed in the main body and outputting control sounds for reducing the noise using the control sound signal.
상기 프로세서는 상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치에 존재하는 가상 마이크 사이의 물리적 거리를 고려하여, 상기 가상 마이크를 이용한 FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘을 동작시킬 수 있다.Wherein the processor is configured to operate a Filtered-x Least Mean Square (FxLMS) algorithm using the virtual microphone in consideration of physical distances between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and virtual microphones existing at ear positions of the user .
상기 프로세서는 상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 복수의 스피커 사이의 제1 음향 전달 경로를 추정하고, 상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 가상 마이크 사이의 제2 음향 전달 경로를 추정하며, 상기 추정된 제1 음향 전달 경로를 통과한 상기 제어음 신호와 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호 간의 차이로 정의되는 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 이용하여 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다.Wherein the processor estimates a first sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the plurality of speakers, estimates a second sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the virtual microphone, The FxLMS algorithm can be operated using the error signal defined by the difference between the control signal passed through the transmission path and the noise signal transmitted from the noise source and the estimated second sound transmission path.
상기 프로세서는 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 고려하여, 상기 오차 신호의 파워가 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다.The processor can operate the FxLMS algorithm such that the power of the error signal is reduced in consideration of the estimated second sound transmission path.
상기 프로세서는 상기 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로에 기초하여 정의된 비용 함수의 값이 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다.The processor may operate the FxLMS algorithm such that the value of the cost function defined based on the error signal and the estimated second sound transfer path is reduced.
상기 비용 함수의 값은 하기 수학식 1에 기초하여 산출될 수 있다.The value of the cost function can be calculated based on the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
|ev(n)|2 = |ep(n)*h^(n)|2 | e v (n) | 2 = | e p (n) * h ^ (n) | 2
여기서, |ev(n)|2 은 상기 비용 함수의 값, ep(n)은 상기 오차 신호, h^(n)은 상기 추정된 제2 음향 전달 경로, *는 콘볼루션 연산을 각각 나타냄.Here, | e v (n) | 2 is the value of the cost function, e p (n) is the error signal, h ^ (n) is a second sound transmission path, the estimated, * denotes the convolution operation, respectively.
상기 프로세서는 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈(white noise), 및 상기 복수의 마이크로폰 센서에 입력되는 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제1 음향 전달 경로를 추정할 수 있다.The processor can estimate the first sound transmission path by using an LMS algorithm that inputs and outputs white noise output from the plurality of speakers and modified white noise input to the plurality of microphone sensors respectively .
상기 프로세서는 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 복수의 마이크로폰 센서에 입력되는 제1 변형 화이트 노이즈, 및 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 가상 마이크에 입력되는 제2 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제2 음향 전달 경로를 추정할 수 있다.Wherein the processor includes a first modified white noise input to the plurality of microphone sensors corresponding to white noise output from the plurality of speakers and a second modified white noise input to the virtual microphone corresponding to white noise output from the plurality of speakers, It is possible to estimate the second sound transmission path by using an LMS algorithm that uses input and output of the modified white noise.
상기 프로세서는 상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치 사이의 물리적 거리를 고려하여, 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘을 동작시킬 수 있다.The processor may operate a multi-channel ANC algorithm using a stereo array-based stereophonic technique in consideration of the physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and the ear position of the user.
상기 프로세서는 상기 복수의 스피커 각각으로부터 출력된 상기 제어음에 대해 상기 사용자의 귀 위치로 방향성을 부여하기 위하여, 상기 복수의 스피커와 상기 사용자의 귀 사이의 물리적 거리 및 방향에 기초하여 상기 복수의 스피커 각각의 딜레이(delay) 및 게인(gain)을 조절함으로써, 상기 제어음 신호 각각의 크기 및 위상을 서로 다르게 설정할 수 있다.Wherein the processor is further configured to determine the direction of the user's ear position relative to the control sound output from each of the plurality of speakers based on the physical distance and direction between the plurality of speakers and the user & The sizes and phases of the control signals may be set differently from each other by adjusting the delays and gains of the control signals.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법은 사용자의 귀로부터 일정 거리 이내의 신체 일부에 탈부착 가능하게 설치되는 본체에 설치되는 복수의 마이크로폰 센서에서, 소음원으로부터 발생된 소음을 측정하는 단계; 상기 본체에 설치되는 프로세서에서, 능동 소음 제어 알고리즘을 이용하여 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호와 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 제어음 신호를 생성하는 단계; 및 상기 본체에 설치되는 복수의 스피커에서, 상기 제어음 신호를 이용하여 상기 소음을 저감시키기 위한 제어음을 출력하는 단계를 포함한다.A noise reduction method using active noise control according to an embodiment of the present invention includes a plurality of microphone sensors installed on a main body detachably attached to a part of a body within a predetermined distance from a user's ear and measuring noise generated from a noise source ; Generating a control sound signal having the same magnitude and phase as a noise signal transmitted from the noise source using an active noise control algorithm in a processor installed in the main body; And outputting a control sound for reducing the noise by using the control sound signal from a plurality of speakers installed in the main body.
상기 제어음 신호를 생성하는 단계는 상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치에 존재하는 가상 마이크 사이의 물리적 거리를 고려하여, 상기 가상 마이크를 이용한 FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the step of generating the control sound signal comprises the steps of: calculating a filtered-x Least (FxLMS) using the virtual microphone in consideration of the physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, Mean Square < / RTI >
상기 제어음 신호를 생성하는 단계는 상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 복수의 스피커 사이의 제1 음향 전달 경로를 추정하는 단계; 상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 가상 마이크 사이의 제2 음향 전달 경로를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 제1 음향 전달 경로를 통과한 상기 제어음 신호와 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호 간의 차이로 정의되는 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 이용하여 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the step of generating the control signal comprises: estimating a first sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the plurality of speakers; Estimating a second sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the virtual microphone; And operating the FxLMS algorithm using an error signal defined as a difference between the control signal passed through the estimated first sound transmission path and a noise signal transmitted from the noise source and the estimated second sound transmission path . ≪ / RTI >
상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 단계는 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 고려하여, 상기 오차 신호의 파워가 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.The step of operating the FxLMS algorithm may include operating the FxLMS algorithm to reduce the power of the error signal, taking into account the estimated second sound transfer path.
상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 단계는 상기 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로에 기초하여 정의된 비용 함수의 값이 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.Operating the FxLMS algorithm may include operating the FxLMS algorithm such that the value of the cost function defined based on the error signal and the estimated second sound transfer path is reduced.
상기 비용 함수의 값은 하기 수학식 1에 기초하여 산출될 수 있다.The value of the cost function can be calculated based on the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
|ev(n)|2 = |ep(n)*h^(n)|2 | e v (n) | 2 = | e p (n) * h ^ (n) | 2
여기서, |ev(n)|2 은 상기 비용 함수의 값, ep(n)은 상기 오차 신호, h^(n)은 상기 추정된 제2 음향 전달 경로, *는 콘볼루션 연산을 각각 나타냄.Here, | e v (n) | 2 is the value of the cost function, e p (n) is the error signal, h ^ (n) is a second sound transmission path, the estimated, * denotes the convolution operation, respectively.
상기 제1 음향 전달 경로를 추정하는 단계는 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈(white noise), 및 상기 복수의 마이크로폰 센서에 입력되는 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제1 음향 전달 경로를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the estimating of the first sound transmission path includes a step of estimating a first sound transmission path by using an LMS algorithm that inputs and outputs white noise output from the plurality of loudspeakers and modified white noise input to the plurality of microphone sensors, And estimating the sound transmission path.
상기 제2 음향 전달 경로를 추정하는 단계는 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 복수의 마이크로폰 센서에 입력되는 제1 변형 화이트 노이즈, 및 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 가상 마이크에 입력되는 제2 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제2 음향 전달 경로를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the step of estimating the second sound transmission path includes a first modified white noise that is input to the plurality of microphone sensors corresponding to white noise output from the plurality of speakers and a second modified white noise that corresponds to the white noise output from the plurality of speakers And estimating the second sound transmission path using an LMS algorithm using input and output of the second modified white noise input to the virtual microphone.
상기 제어음 신호를 생성하는 단계는 상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치 사이의 물리적 거리를 고려하여, 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.The generating of the control sound signal may include operating the multi-channel ANC algorithm using a speaker array based stereophonic technique in consideration of the physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and the ear position of the user Step < / RTI >
상기 다채널 ANC 알고리즘을 동작시키는 단계는 상기 복수의 스피커 각각으로부터 출력된 상기 제어음에 대해 상기 사용자의 귀 위치로 방향성을 부여하기 위하여, 상기 복수의 스피커와 상기 사용자의 귀 사이의 물리적 거리 및 방향에 기초하여 상기 복수의 스피커 각각의 딜레이(delay) 및 게인(gain)을 조절함으로써, 상기 제어음 신호 각각의 크기 및 위상을 서로 다르게 설정하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the act of operating the multi-channel ANC algorithm comprises: determining physical distance and direction between the plurality of speakers and the user ' s ear to direct the user ' s ear position with respect to the control sound output from each of the plurality of speakers And adjusting the delay and the gain of each of the plurality of speakers based on the magnitude and phase of the control signal.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자의 활동성을 보장하는 착용 방식을 제공하면서도 사용자의 귀 부근의 소음을 효율적으로 저감시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to effectively reduce the noise near the user's ear while providing a wearable manner for assuring the user's activity.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 독립적인 능동 소음 제어 하드웨어를 내장함에 따라 소음 저감을 위한 목적으로 추가 장비를 필요로 하지 않는다.In accordance with an embodiment of the present invention, independent active noise control hardware is incorporated, so that no additional equipment is required for noise reduction purposes.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치의 착용 상태를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서 가상 마이크를 이용한 FxLMS 알고리즘의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 있어서 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.1 is a block diagram of a noise reduction apparatus using active noise control according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an appearance of a noise reduction apparatus using active noise control according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3 and 4 are views showing the wearing state of the noise reducing apparatus using active noise control according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are diagrams for explaining the operation of the FxLMS algorithm using a virtual microphone in an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining the operation of a multi-channel ANC algorithm using a stereo array based speaker array in another embodiment of the present invention.
8 to 10 are flowcharts for explaining a noise reduction method using active noise control according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and / or features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 발명은 사용자의 귀 부근의 소음을 감소하는 것을 목표로 하며, 따라서 이상적으로는 귀 부근에 소음 취득을 위한 마이크(마이크로폰 센서)를 위치시키는 것이 필요하다. 하지만, 본 발명은 신체에 위치시키는 부분에 따라 소음 취득을 위한 마이크의 위치가 사용자의 귀 위치와 일정 거리만큼 떨어져 있게 된다. 또한, 스피커와 사용자의 귀 사이의 물리적 거리가 기존 음향기기에 비해 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문에 반대 위상 소음 신호(제어음 신호)가 사용자의 귀 뿐만 아니라 사용자의 주변에도 전달됨에 따라 사용자 주변의 정숙성을 방해할 우려가 있다.The present invention aims at reducing noise near the user's ear, and ideally it is necessary to position a microphone (microphone sensor) for noise acquisition near the ear. However, according to the present invention, the position of the microphone for noise acquisition is separated from the ear position of the user by a certain distance according to the part to be placed on the body. In addition, since the physical distance between the speaker and the user's ear is relatively far from that of the conventional acoustic device, the anti-phase noise signal (control sound signal) is transmitted not only to the user's ears but also to the user's surroundings, There is a risk of interference.
이에, 본 발명에서는 (1) 가상 센서 기법(가상 마이크를 이용한 FxLMS 알고리즘) 및 (2) 스피커 배열을 이용한 지향성 음원 출력 기법(스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘)을 사용하여 상기와 같은 종래 기술의 한계를 극복할 수 있다.Accordingly, in the present invention, by using a virtual sensor technique (FxLMS algorithm using a virtual microphone) and (2) a directional sound source output method using a speaker array (a multi-channel ANC algorithm using a stereo array based speaker array) Can overcome the limitations of the prior art.
먼저 (1) 가상 센서 기법의 경우, 소음 취득 마이크(마이크로폰 센서)로부터 사용자의 귀 위치에 존재하는 가상 센서(가상 마이크)까지의 음향 경로를 예측하고, 해당 음향경로 및 소음 취득 마이크로 입력되는 오차신호를 이용하여 귀 근처에 위치한 가상 마이크로 입력되는 소음 신호를 예측하고, 해당 소음 신호를 최소화하는 방향으로 알고리즘을 동작시킴으로써 귀 부근의 소음을 효율적으로 저감시킬 수 있다.(1) In the case of the virtual sensor technique, the acoustic path from the noise acquisition microphone (microphone sensor) to the virtual sensor (virtual microphone) existing at the user's ear position is predicted, and the acoustic path and noise acquisition micro- It is possible to effectively reduce the noise near the ear by predicting the noise signal of the virtual microphone input near the ear and operating the algorithm in the direction of minimizing the noise signal.
다음으로 (2) 스피커 배열을 이용한 지향성 음원 출력 기법의 경우, 각각의 스피커로부터 출력되는 신호의 크기 및 위상을 각각의 스피커와 사용자의 귀 사이의 거리 및 방향에 따라 다르게 설정함으로써 사용자의 귀 부근으로 소리의 방향성을 부여하며, 이에 따라 스피커 출력 신호가 사용자의 주변으로 전파되는 영향을 최소화하여 귀 부근의 소음을 효율적으로 저감시킬 수 있다.Next, in the case of (2) a directional sound source output method using a speaker array, the size and phase of signals output from the respective speakers are set differently according to the distance and direction between the respective speakers and the user's ear, And thus the influence of the speaker output signal propagating to the user's surroundings is minimized, so that the noise near the ear can be effectively reduced.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치의 외관을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a block diagram of a noise reduction apparatus using active noise control according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view illustrating an appearance of a noise reduction apparatus using active noise control according to an embodiment of the present invention .
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치(100)는 본체(105), 복수의 마이크로폰 센서(110), 프로세서(120), 복수의 스피커(130), 및 전원 공급 장치(140)를 포함할 수 있다.1 and 2, a
상기 본체(105)는 사용자의 귀로부터 일정 거리 이내의 신체 일부에 탈부착 가능하게 설치된다.The
예를 들면, 상기 본체(105)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 사용자의 귀(310)로부터 일정 거리 이내에 있는 목 둘레에 목걸이 착용과 유사한 방식으로 탈부착 가능하게 착용될 수 있다. 이와 달리, 상기 본체(105)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 사용자의 귀(310)로부터 일정 거리 이내에 있는 머리 둘레에 헤어 밴드와 같이 탈부착 가능하게 착용될 수도 있다.For example, the
이를 위해, 상기 본체(105)는 일부가 개방된 링 모양으로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 본체(105)는 사용자의 귀로부터 일정 거리 이내의 신체 일부에 탈부착 가능하게 설치될 수 있다면 다른 모양(예: 사각형 등)으로 형성될 수도 있다.For this, the
상기 본체(105)의 외부에는 후술하는 복수의 마이크로폰 센서(110) 및 복수의 스피커(130)가 구비될 수 있으며, 상기 본체(105)의 내부에는 후술하는 프로세서(120) 및 전원 공급 장치(140) 등이 구비될 수 있다.A plurality of
이와 같이, 상기 본체(105)는 그 내부에 구비된 구성요소들을 보호하는 케이싱(casing) 수단으로 기능할 수 있으며, 아울러 상기 사용자의 신체 일부에 탈부착을 위한 장착 수단으로 기능할 수도 있다.As described above, the
상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 상기 본체(105)에 설치된다. 이때, 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 상기 본체(105)의 마주하는 양쪽 면에 각각 나란하게 배치될 수 있다. 또한, 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 소음이 검출되지 않는 음영 지역을 줄이기 위하여 일정한 거리만큼 이격되고 서로 다른 지향 각도를 가지도록 배치될 수도 있다.The plurality of
본 실시예에서는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)가 상기 본체(105)의 마주하는 양쪽 면에 각각 4개씩, 총 8개 배치될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 상기 본체(105)의 마주하는 양쪽 면에 각각에 4개 이상 배치될 수도 있고 4개 이하 배치될 수도 있는 등 다양한 실시가 가능하다.In the present embodiment, a total of eight
상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 소음원으로부터 발생된 소음을 측정한다. 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 상기 측정된 소음에 대응되는 전기적 신호인 소음 신호를 생성하여 후술하는 프로세서(120)에 전송할 수 있다.The plurality of
본 실시예에서, 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)로는 상기 소음원으로부터 발생된 소음의 음압에 따라 진동막이 변위하면 그에 대응하게 정전용량이 변화하여 소음을 측정하는 직류 바이어스 방식의 정전형 마이크로폰이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)로는 다른 방식, 예컨대 무빙코일 방식의 다이나믹 마이크로폰 등이 사용될 수도 있다.In this embodiment, when the diaphragm is displaced according to the sound pressure of the noise generated from the noise source, the plurality of
상기 프로세서(120)는 상기 본체(105)에 설치된다. 이때, 상기 프로세서(120)는 상기 본체(105)의 마주하는 양쪽 면 사이의 내부 공간에 설치될 수 있다. 즉, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 후술하는 복수의 스피커(130)가 설치되지 않은 영역의 본체(105) 부분의 내부에 설치될 수 있다.The
상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)로부터 상기 소음 신호를 전송받아 이를 아날로그-디지털 변환 후 분석하여 상기 소음 신호의 주파수 및 크기(음압)를 검출할 수 있다. 상기 프로세서(120)는 상기 검출된 소음 신호의 주파수 및 크기를 기반으로, 능동 소음 제어 알고리즘을 이용하여 상기 소음 신호와 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 제어음 신호를 생성한다.The
이때, 상기 사용자의 귀 위치와 상기 복수의 마이크로폰 센서(110) 및 후술하는 복수의 스피커(130) 사이에는 물리적 거리 차이가 발생한다. 왜냐하면 상기 복수의 마이크로폰 센서(110) 및 후술하는 복수의 스피커(130)가 설치되는 본체(105)가 상기 사용자의 귀로부터 일정 거리 이격된 부분의 신체에 착용되기 때문이다(도 3 및 도 4 참조). 이러한 물리적 거리 차이는 소음 저감 효과를 떨어뜨리는 원인으로 작용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기와 같은 물리적 거리 차이를 보상하기 위하여, 가상 마이크를 이용한 FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘을 이용할 수 있다.At this time, a physical distance difference occurs between the ear position of the user and the plurality of
즉, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110), 후술하는 복수의 스피커(130) 및 상기 사용자의 귀 위치에 존재하는 가상 마이크(도 5의 "510" 참조) 사이의 물리적 거리를 고려하여, 상기 가상 마이크를 이용한 FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘을 동작시킬 수 있다.That is, the
더 구체적으로, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 후술하는 복수의 스피커(130) 사이의 제1 음향 전달 경로를 추정할 수 있다. 이를 위해, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 스피커(130)에서 출력되는 화이트 노이즈(white noise), 및 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)에 입력되는 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제1 음향 전달 경로를 추정할 수 있다.More specifically, the
이어서, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 상기 가상 마이크 사이의 제2 음향 전달 경로를 추정할 수 있다. 이를 위해, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 스피커(130)에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)에 입력되는 제1 변형 화이트 노이즈, 및 상기 복수의 스피커(130)에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 가상 마이크에 입력되는 제2 변형 화이트 노이즈(도 5의 "520" 참조)를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제2 음향 전달 경로를 추정할 수 있다.Then, the
이어서, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 스피커(130)로부터 출력된 후 상기 추정된 제1 음향 전달 경로를 통과한 상기 제어음 신호와 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호 간의 차이로 정의되는 오차 신호, 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 이용하여 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다.Next, the
이때, 상기 프로세서(120)는 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 고려하여, 상기 오차 신호의 파워가 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다. 즉, 상기 프로세서(120)는 상기 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로에 기초하여 정의된 비용 함수의 값이 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다.At this time, the
여기서, 상기 비용 함수의 값은 하기 수학식 1에 기초하여 산출될 수 있다.Here, the value of the cost function can be calculated based on the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
|ev(n)|2 = |ep(n)*h^(n)|2 | e v (n) | 2 = | e p (n) * h ^ (n) | 2
여기서, |ev(n)|2 은 상기 비용 함수의 값, ep(n)은 상기 오차 신호, h^(n)은 상기 추정된 제2 음향 전달 경로, *는 콘볼루션 연산을 각각 나타낸다.Here, | e v (n) | 2 is the value of the cost function, e p (n) is the error signal, h ^ (n) is a second sound transmission path, the estimated, * denotes the convolution operation, respectively.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기와 같은 물리적 거리 차이를 보상하기 위하여, 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘을 이용할 수 있다.In another embodiment of the present invention, a multi-channel ANC algorithm using a stereo array based speaker array may be used to compensate for the physical distance difference.
즉, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 후술하는 복수의 스피커(130), 및 상기 사용자의 귀 위치 사이의 물리적 거리를 고려하여, 상기 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘을 동작시킬 수 있다.That is, the
더 구체적으로, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 스피커(130) 각각으로부터 출력된 제어음에 대해 상기 사용자의 귀 위치로 방향성을 부여할 수 있다. 이렇게 하기 위하여, 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 스피커(130)와 상기 사용자의 귀 사이의 물리적 거리 및 방향에 기초하여 상기 복수의 스피커(130) 각각의 딜레이(delay) 및 게인(gain)을 조절할 수 있다. 이로써, 상기 프로세서(120)는 상기 제어음 신호 각각의 크기 및 위상을 서로 다르게 설정할 수 있으며, 이를 통해 상기 복수의 스피커(130) 각각으로부터 출력된 제어음이 상기 사용자의 귀 위치로 집중되어 상기 소음원으로부터 발생된 소음을 저감시킬 수 있게 된다.More specifically, the
상기 복수의 스피커(130)는 상기 본체(105)에 설치된다. 이때, 상기 복수의 스피커(130)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 각각 대응되는 인접한 위치에 배치될 수 있다. 즉, 상기 복수의 스피커(130)는 상기 본체(105)의 마주하는 양쪽 면에 각각 나란하게 배치될 수 있다.The plurality of
상기 복수의 스피커(130)는 상기 프로세서(120)에 의해 생성된 제어음 신호를 이용하여 소음을 저감시키기 위한 제어음을 출력한다. 여기서, 상기 제어음은 상기 소음과 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제어음은 상기 복수의 스피커(130)로부터 출력되는 위치에서 상기 소음과 동일한 크기 및 반대의 위상(역위상)을 가지는 것이 아니라, 상기 사용자의 귀 위치에서 상기 소음과 동일한 크기 및 역위상을 가지게 된다. 따라서, 상기 소음원으로부터 발생된 소음은 상기 제어음에 의해 상쇄되고, 이를 통해 소음이 효율적으로 저감될 수 있다.The plurality of
한편, 상기 복수의 스피커(130)는 상기 프로세서(120)에 의해 상기 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘이 동작되는 경우, 상기 소음원과 각각 같은 방향으로 배열될 수 있으며, 소음과 반대의 위상이 되도록 소음의 역위상을 각각 상기 제어음으로서 발생시킬 수 있다.In the meantime, when the multi-channel ANC algorithm using the stereo array based stereophonic technique is operated by the
상기 전원 공급 장치(140)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110), 상기 프로세서(120) 및 상기 복수의 스피커(130)에 전원을 공급하는 역할을 한다. 상기 전원 공급 장치(140)는 상기 본체(105)의 내부에 설치될 수 있다.The
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서 가상 마이크를 이용한 FxLMS 알고리즘의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.5 and 6 are diagrams for explaining the operation of the FxLMS algorithm using a virtual microphone in an embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6을 참조하면, 가상 마이크를 이용한 능동 소음 저감 시스템의 경우 알고리즘에서 수행하는 단계는 총 3단계로 이루어진다.Referring to FIGS. 5 and 6, in the case of the active noise reduction system using a virtual microphone, the steps performed in the algorithm are three stages in total.
제1 단계는 스피커(130)에서 발생시킨 소리가 실제 마이크(110)에서 어떻게 들리는지 전달 경로 S(z), 즉 상기 제1 음향 전달 경로를 추정하는 단계이다. 이 단계는 소음 저감 기능을 작동시키기 전에 미리 수행되는 것이 바람직하다. 도 6에서 스피커(130)와 마이크(110) 사이의 전달 경로(제1 음향 전달 경로)인 S(z)를 추정하는 단계이다. 추정한 결과는 S^(z)이며 가상 마이크를 이용한 FxLMS 알고리즘 부분에 포함된다.The first step is Estimating the transmission path S (z), i.e., the first sound transmission path, of how the sound generated in the
구체적으로, 전달 경로 S(z)는 system identification 문제로서 LMS 알고리즘을 이용하여 추정한다. 이를 위해, 스피커(130)에서 화이트 노이즈(white noise)를 내보내고 마이크(110)에서 들리는 변형된 white noise를 측정한다. 스피커(130)의 white noise는 전달 경로 S(z)의 입력이 되며 변형된 white noise는 출력이 된다. 이러한 입출력 데이터로부터 LMS 알고리즘을 사용하여 전달 경로 S(z)의 임펄스 응답(impulse response)을 추정할 수 있다. 이 과정은 실제 전달 경로 시스템의 impulse response 정보를 알아낸다는 점에서 system identification이라고 부른다.Specifically, the propagation path S (z) is estimated using the LMS algorithm as a system identification problem. To this end, white noise is emitted from the
제2 단계는 실제 마이크(110)에서 들리는 소리와 가상 마이크(도 5의 "510", 도 6의 "610" 참조)에서 들리는 소리가 다르기 때문에, 실제 마이크(110)에서 들리는 소리가 가상 마이크(510, 610)로 전달되기까지의 전달 경로를 추정하는 단계이다. 이 단계도 소음 저감 기능을 작동시키기 전에 미리 수행되는 것이 바람직하다. 도 6에서 실제 마이크(110)와 가상 마이크(610) 사이의 전달 경로인 H(z)를 추정하는 단계이다. 추정한 결과는 H^(z)이며 가상 마이크를 이용한 FxLMS 알고리즘 부분에 포함된다.In the second step, the sound heard at the
구체적으로, 실제 마이크(110)와 가상 마이크(510, 610) 사이의 전달 경로 H(z)를 추정하는 방법은 제1 단계의 S(z)를 추정하는 방법과 유사하다. 실제 마이크(110)의 위치에 마이크1을 배치하고 가상 마이크(510, 610)의 위치에 마이크2를 배치한다. 그리고 스피커(130)에서 white noise를 내보낸다. 그러면, 마이크1과 마이크2에 변형된 white noise가 각각 입력된다. 전달 경로 H(z)의 입력은 마이크1에 들어간 변형된 white noise이고, 전달 경로 H(z)의 출력은 마이크2에 들어간 또 다른 변형된 white noise이다. 이렇게 입출력 데이터가 있으므로 전달 경로 H(z)의 impulse response 정보는 LMS 알고리즘을 사용하여 추정할 수 있다.More specifically, the method of estimating the propagation path H (z) between the
제3 단계는 이렇게 추정한 실제 마이크(110)와 가상 마이크(510, 610) 사이의 전달 경로 H^(z)를 고려하여 FxLMS 알고리즘이 동작한다. 결과적으로 상기 FxLMS 알고리즘은 스피커(130)와 실제 마이크(110) 사이의 전달 경로 S^(z), 및 스피커(130)와 가상 마이크(510, 610) 사이의 전달 경로 H^(z)를 통과한 신호 ev(n)의 파워(power)가 줄어들도록 알고리즘이 동작한다는 점에서 기존 알고리즘과 차이점이 있다. S^(z)뿐만 아니라 실제 마이크(110)와 가상 마이크(510, 610) 사이의 전달경로 H^(z)를 고려하여 동작하는 FxLMS 알고리즘을 통해, 실제 마이크(110) 위치가 아닌 가상 마이크(510, 610) 위치에서 소음 저감을 이루어낼 수 있다.In the third step, the FxLMS algorithm is operated considering the propagation path H ^ (z) between the
여기서, 상기 오차 신호에 해당하는 신호 ev(n)은 추정한 전달경로 S^(z)를 통과한 후 실제 마이크(110)에서 소음 dp(n)과 스피커 발생음 yp(n), 두 소리의 합쳐진 소리 ep(n)이 H^(z)를 통과한 신호를 말한다. 또한, 상기 FxLMS 알고리즘은 S^(z) 및 H^(z)를 통과한 후의 소리가 줄어들도록 동작하므로 filtered-x (Fx)라는 명칭이 붙으며, ev(n)의 power가 줄어들도록 동작하기 때문에 least mean square (LMS)라는 명칭이 붙는다.Here, the signal e v (n) is then passed through the estimated transmission path S ^ (z), the
제3 단계에 대해 수학식을 사용하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.More specifically, the third step will be described below using the mathematical expression.
FxLMS 알고리즘은 LMS 알고리즘의 변형된 버전이다. LMS 알고리즘은 소음 x(n)을 입력, y(n)을 출력으로 삼고 소음 전달 경로를 통해 들어온 변형된 소음 dp(n)과의 차이인 e(n), e(n)=dp(n)-y(n)=dp(n)-x(n)Tw(n),의 제곱이 줄어들도록 동작한다. 최적화 문제로 전환하면 매 샘플 n(자연수)마다 다음 수학식 2의 비용 함수(cost function)를 줄이는 것이 목표이다.The FxLMS algorithm is a modified version of the LMS algorithm. LMS algorithm is input to the noise x (n), y (n ) = a a e (n) the difference between the modified noise make it a output coming through the sound transmission path, d p (n), e (n) d p ( (n) -y (n) = d p (n) -x (n) T w (n). When switching to the optimization problem, it is a goal to reduce the cost function of the following equation (2) for every sample n (natural number).
[수학식 2]&Quot; (2) "
위 문제와 아래의 최적화 문제들 모두 비용 함수 J(n)만 다르며 Steepest descent 방식(최급강하법)을 이용하여 문제를 풀 수 있다.Both the above and the following optimization problems differ only in the cost function J (n) and can be solved using the steepest descent method.
[수학식 3]&Quot; (3) "
FxLMS 알고리즘은 소음 x(n)이 추정한 전달 경로 S^(z)를 통과한 신호인 x^(n)을 입력으로, y(n)을 출력으로 삼는다. 그리고 소음 전달 경로를 통해 들어온 변형된 소음 dp(n)와 y(n)이 전달 경로 S(z)를 통과한 신호인 yp(n) 간의 차이인 오차 신호 ep(n), dp(n)-yp(n)=dp(n)-(s(n)*x(n))Tw(n)=dp(n)-x^(n)Tw(n) 의 제곱이 줄어들도록 동작한다. 이를 다시 최적화 문제로 전환하면 매 샘플 n마다 다음 수학식 4의 비용 함수를 줄이는 것이 목표이다.FxLMS algorithm noise x (n) as inputs to the x ^ (n) signal which has passed through the transmission path S ^ (z) which are estimated, samneunda the y (n) as output. And the modified noise coming through the sound transmission path, d p (n) and y (n) of the error signal the difference between the transfer path S (z) a signal is y p (n) passed through the e p (n), d p (n) -y p (n) = d p (n) - a (s (n) * x ( n)) T w (n) = d p (n) -x ^ (n) T w (n) It works to reduce squared. If this is switched back to the optimization problem, the goal is to reduce the cost function of equation (4) for each sample n.
[수학식 4]&Quot; (4) "
최종적으로 H^(z)를 통과한 신호가 줄어들게 하기 위해서 FxLMS 알고리즘의 비용 함수 |ep(n)|2을 |ev(n)|2=|ep(n)*h^(n)|2으로 전환하여 이 값이 줄어들도록 알고리즘을 동작시킨다. 마찬가지로 이를 최적화 문제로 전환하면 다음의 수학식 5의 비용 함수를 줄이는 것이 목표이다.Finally, to reduce the signal passed through H ^ (z), the cost function of the FxLMS algorithm | e p (n) | 2 | e v (n) | 2 = | e p (n) * h ^ (n) | 2, and operates the algorithm so that this value is reduced. Likewise, if we turn this into an optimization problem, the goal is to reduce the cost function of Equation 5 below.
[수학식 5]&Quot; (5) "
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 있어서 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.7 is a view for explaining the operation of a multi-channel ANC algorithm using a stereo array based speaker array in another embodiment of the present invention.
입체 음향은 다수의 스피커를 이용해 나타나는 소리의 파장 특성을 활용하여 가상의 공간감을 구현하는 방식이다. 구체적으로, 스피커들 각각에 딜레이(delay)와 게인(gain)을 조절하여 방향성을 부여한다.Stereophony is a method of realizing a virtual sense of space by utilizing the wavelength characteristics of sound appearing using many speakers. Specifically, delay and gain are adjusted to each speaker to give directionality.
도 7과 같이 다수의 스피커(130)를 이용하면 소음의 위치와 다른 위치에서 스피커(130)를 작동시키지만, 이들의 합성음은 소음원의 위치에서 역위상의 소리가 발생하는 것처럼 만들어 줄 수 있다. 이 기술은 다채널(multi-channel) ANC(Active Noise Control)를 이용하면 구현 가능하다. Multi-channel ANC 알고리즘은 소음의 위치와 관계없이 좌, 우측 마이크로폰의 음압 오차를 최소화 하기 위한 제어음을 다수의 스피커(130)를 통해 발생시키는 알고리즘이다. 이때, Multi-channel ANC 알고리즘은 상기 다수의 스피커(130)를 통해 각자 다른 크기와 위상으로 제어음이 발생되어 입체 음향을 구성하게 되고, 소음원과 같은 위치에 제어 음원이 발생되는 것과 같은 효과를 나타내게 된다. 즉, multi-channel ANC 알고리즘을 구현하면 복수의 스피커(130)에서 방향성 있는 제어음이 발생될 수 있다.As shown in FIG. 7, when a plurality of
구체적으로, Multi-channel ANC를 이용하면 각각의 스피커(130)에서 크기와 위상이 모두 다른 제어음이 발생한다. 그런데 이 제어음은 각 스피커 제어음의 합이 귀에서 소음 저감이 가장 크게 이루어지도록 하는 multi-channel FxLMS 알고리즘의 결과로 발생하는 음이다. 소음 저감이 가장 크게 이루어지도록 하는 방법은 1) 방향은 소음원과 같은 방향이며 2) 위상은 소음과 반대가 되도록 소음의 역위상을 발생시키도록 하는 것이다. 따라서, 소음이 들어오는 방향에 따라 각각의 스피커(130)에서 크기와 위상이 변하도록 작동하기 때문에, 소음이 들어오는 방향에 따라 각 스피커(130)의 음원(제어음)에 방향성을 부여할 수 있게 된다.Specifically, when a multi-channel ANC is used, control sounds having different sizes and phases are generated in the
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.8 to 10 are flowcharts for explaining a noise reduction method using active noise control according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 8을 참조하면, 단계(810)에서 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)는 소음원으로부터 발생된 소음을 측정한다.Referring to FIGS. 1 and 8, in
다음으로, 단계(820)에서 상기 프로세서(120)는 능동 소음 제어 알고리즘을 이용하여 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호와 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 제어음 신호를 생성한다.Next, in
구체적으로, 도 1 및 도 9를 참조하면, 단계(910)에서 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 상기 복수의 스피커(130) 사이의 제1 음향 전달 경로를 추정한다. 이후, 단계(920)에서 상기 프로세서(120)는 상기 복수의 마이크로폰 센서(110)와 상기 가상 마이크(510, 610) 사이의 제2 음향 전달 경로를 추정한다. 이후, 단계(930)에서 상기 프로세서(120)는 상기 추정된 제1 음향 전달 경로를 통과한 제어음 신호와 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호 간의 차이로 정의되는 오차 신호, 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 이용하여 FxLMS 알고리즘을 동작시킨다. 이때, 상기 프로세서(120)는 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 고려하여, 상기 오차 신호의 파워가 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시킬 수 있다.1 and 9, in
다른 실시예로서, 도 1 및 도 10을 참조하면, 단계(1010)에서 상기 프로세서(120)는 multi-channel 구조의 ANC로 동작하기 때문에 복수의 스피커(130) 각각의 딜레이(delay) 및 게인(gain)이 조절되어 상기 제어음 신호 각각의 크기 및 위상이 서로 다르게 동작한다.1 and 10, since the
다음으로, 다시 도 1 및 도 8을 참조하면, 단계(830)에서 상기 복수의 스피커(130)는 상기 제어음 신호를 이용하여 상기 소음을 저감시키기 위한 제어음을 출력한다.Next, referring again to FIGS. 1 and 8, in
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.Embodiments of the present invention include computer readable media including program instructions for performing various computer implemented operations. The computer-readable medium may include program instructions, local data files, local data structures, etc., alone or in combination. The media may be those specially designed and constructed for the present invention or may be those known to those skilled in the computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floppy disks, and ROMs, And hardware devices specifically configured to store and execute the same program instructions. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modification is possible. Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only in accordance with the following claims, and all equivalents or equivalent variations thereof are included in the scope of the present invention.
105: 본체
110: 마이크로폰 센서
120: 프로세서
130: 스피커
140: 전원 공급 장치
510, 610: 가상 마이크105: Body
110: microphone sensor
120: Processor
130: Speaker
140: Power supply
510, 610: virtual microphone
Claims (15)
상기 본체에 설치되고, 소음원으로부터 발생된 소음을 측정하는 복수의 마이크로폰 센서;
상기 본체에 설치되고, 능동 소음 제어 알고리즘을 이용하여 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호와 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 제어음 신호를 생성하는 프로세서; 및
상기 본체에 설치되고, 상기 제어음 신호를 이용하여 상기 소음을 저감시키기 위한 제어음을 출력하는 복수의 스피커
를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
A body detachably attached to a part of a body within a predetermined distance from a user's ear;
A plurality of microphone sensors installed in the main body and measuring noise generated from a noise source;
A processor, installed in the main body, for generating a control signal having the same magnitude and phase as a noise signal transmitted from the noise source using an active noise control algorithm; And
A plurality of speakers provided in the main body and outputting control sounds for reducing the noise by using the control sound signals;
Wherein the active noise control apparatus comprises:
상기 프로세서는
상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치에 존재하는 가상 마이크 사이의 물리적 거리를 고려하여, 상기 가상 마이크를 이용한 FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘을 동작시키는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
The method according to claim 1,
The processor
(FxLMS) algorithm using the virtual microphone in consideration of the physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and virtual microphones existing at the ear position of the user Noise reduction device using active noise control.
상기 프로세서는
상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 복수의 스피커 사이의 제1 음향 전달 경로를 추정하고, 상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 가상 마이크 사이의 제2 음향 전달 경로를 추정하며, 상기 추정된 제1 음향 전달 경로를 통과한 상기 제어음 신호와 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호 간의 차이로 정의되는 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 이용하여 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
3. The method of claim 2,
The processor
Estimating a first sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the plurality of speakers, estimating a second sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the virtual microphone, Wherein the FxLMS algorithm is operated using an error signal defined by a difference between the control signal passed and the noise signal transmitted from the noise source and the estimated second sound transfer path. Device.
상기 프로세서는
상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 고려하여, 상기 오차 신호의 파워가 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
The method of claim 3,
The processor
And the FxLMS algorithm is operated so that the power of the error signal is reduced in consideration of the estimated second sound transfer path.
상기 프로세서는
상기 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로에 기초하여 정의된 비용 함수의 값이 줄어들도록 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
5. The method of claim 4,
The processor
Wherein the FxLMS algorithm is operated so that the value of the cost function defined based on the error signal and the estimated second sound transfer path is reduced.
상기 비용 함수의 값은
하기 수학식 1에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
[수학식 1]
|ev(n)|2 = |ep(n)*h^(n)|2
여기서, |ev(n)|2 은 상기 비용 함수의 값, ep(n)은 상기 오차 신호, h^(n)은 상기 추정된 제2 음향 전달 경로, *는 콘볼루션 연산을 각각 나타냄.
6. The method of claim 5,
The value of the cost function
Wherein the noise reduction apparatus is calculated based on the following equation (1).
[Equation 1]
| e v (n) | 2 = | e p (n) * h ^ (n) | 2
Here, | e v (n) | 2 is the value of the cost function, e p (n) is the error signal, h ^ (n) is a second sound transmission path, the estimated, * denotes the convolution operation, respectively.
상기 프로세서는
상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈(white noise), 및 상기 복수의 마이크로폰 센서에 입력되는 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제1 음향 전달 경로를 추정하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
The method of claim 3,
The processor
Wherein the first acoustic propagation path is estimated by using an LMS algorithm that inputs and outputs white noise output from the plurality of loudspeakers and modified white noise input to the plurality of microphone sensors as input and output, Noise Reduction Device Using Noise Control.
상기 프로세서는
상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 복수의 마이크로폰 센서에 입력되는 제1 변형 화이트 노이즈, 및 상기 복수의 스피커에서 출력되는 화이트 노이즈에 대응하여 상기 가상 마이크에 입력되는 제2 변형 화이트 노이즈를 각각 입출력으로 하는 LMS 알고리즘을 이용하여 상기 제2 음향 전달 경로를 추정하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
The method of claim 3,
The processor
A first modified white noise input to the plurality of microphone sensors corresponding to white noise output from the plurality of speakers and a second modified white noise input to the virtual microphone corresponding to white noise output from the plurality of speakers, Wherein the second sound transmission path is estimated using an LMS algorithm using input and output as inputs and outputs.
상기 프로세서는
상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치 사이의 물리적 거리를 고려하여, 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘을 동작시키는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
The method according to claim 1,
The processor
Wherein a multi-channel ANC algorithm using a speaker array based stereophonic technique is operated in consideration of the physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and the ear position of the user Noise reduction device.
상기 프로세서는
상기 복수의 스피커 각각으로부터 출력된 상기 제어음에 대해 상기 사용자의 귀 위치로 방향성을 부여하기 위하여, 상기 복수의 스피커와 상기 사용자의 귀 사이의 물리적 거리 및 방향에 기초하여 상기 복수의 스피커 각각의 딜레이(delay) 및 게인(gain)을 조절함으로써, 상기 제어음 신호 각각의 크기 및 위상을 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 장치.
10. The method of claim 9,
The processor
A plurality of loudspeakers each having a plurality of loudspeakers, each loudspeaker having a plurality of loudspeakers, each loudspeaker having a plurality of loudspeakers, wherein a delay and a gain of the control signal are adjusted so that magnitude and phase of each of the control sound signals are set differently from each other.
상기 본체에 설치되는 프로세서에서, 능동 소음 제어 알고리즘을 이용하여 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호와 동일한 크기 및 반대의 위상을 가지는 제어음 신호를 생성하는 단계; 및
상기 본체에 설치되는 복수의 스피커에서, 상기 제어음 신호를 이용하여 상기 소음을 저감시키기 위한 제어음을 출력하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법.
Measuring a noise generated from a noise source in a plurality of microphone sensors installed in a main body detachably attachable to a part of a body within a predetermined distance from a user's ear;
Generating a control sound signal having the same magnitude and phase as a noise signal transmitted from the noise source using an active noise control algorithm in a processor installed in the main body; And
Outputting a control sound for reducing the noise by using the control sound signal from a plurality of speakers installed in the main body
And a noise reduction method using active noise control.
상기 제어음 신호를 생성하는 단계는
상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치에 존재하는 가상 마이크 사이의 물리적 거리를 고려하여, 상기 가상 마이크를 이용한 FxLMS(Filtered-x Least Mean Square) 알고리즘을 동작시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법.
12. The method of claim 11,
The step of generating the control signal
Operating a FxLMS (Filtered-x Least Mean Square) algorithm using the virtual microphone in consideration of a physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and a virtual microphone existing at an ear position of the user
And a noise reduction method using active noise control.
상기 제어음 신호를 생성하는 단계는
상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 복수의 스피커 사이의 제1 음향 전달 경로를 추정하는 단계;
상기 복수의 마이크로폰 센서와 상기 가상 마이크 사이의 제2 음향 전달 경로를 추정하는 단계; 및
상기 추정된 제1 음향 전달 경로를 통과한 상기 제어음 신호와 상기 소음원으로부터 전달되는 소음 신호 간의 차이로 정의되는 오차 신호 및 상기 추정된 제2 음향 전달 경로를 이용하여 상기 FxLMS 알고리즘을 동작시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법.
13. The method of claim 12,
The step of generating the control signal
Estimating a first sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the plurality of speakers;
Estimating a second sound transmission path between the plurality of microphone sensors and the virtual microphone; And
Operating the FxLMS algorithm using an error signal defined by a difference between the control signal passed through the estimated first sound transmission path and a noise signal transmitted from the noise source and the estimated second sound transmission path,
And a noise reduction method using active noise control.
상기 제어음 신호를 생성하는 단계는
상기 복수의 스피커, 상기 복수의 마이크로폰 센서, 및 상기 사용자의 귀 위치 사이의 물리적 거리를 고려하여, 스피커 배열 기반의 입체 음향 기법을 이용한 다채널 ANC 알고리즘을 동작시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법.
12. The method of claim 11,
The step of generating the control signal
Operating a multi-channel ANC algorithm using a stereo array based speaker array scheme in consideration of the physical distance between the plurality of speakers, the plurality of microphone sensors, and the ear position of the user
And a noise reduction method using active noise control.
상기 다채널 ANC 알고리즘을 동작시키는 단계는
상기 복수의 스피커 각각으로부터 출력된 상기 제어음에 대해 상기 사용자의 귀 위치로 방향성을 부여하기 위하여, 상기 복수의 스피커와 상기 사용자의 귀 사이의 물리적 거리 및 방향에 기초하여 상기 복수의 스피커 각각의 딜레이(delay) 및 게인(gain)을 조절함으로써, 상기 제어음 신호 각각의 크기 및 위상을 서로 다르게 설정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어를 이용한 소음 저감 방법.15. The method of claim 14,
The step of operating the multi-channel ANC algorithm
A plurality of loudspeakers each having a plurality of loudspeakers, each loudspeaker having a plurality of loudspeakers, each loudspeaker having a plurality of loudspeakers, setting the magnitude and phase of each control sound signal to be different from each other by adjusting delay and gain,
And a noise reduction method using active noise control.
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