In this study, we aim to control the sound field spatially, so that a desired or target acoustic variable is enhanced within a zone where the listener is located. This is somewhat analogous to have manipulators that can draw sound in any place we want. In order to manipulate sound over a finite area in space, it is essential to control multiple sound sources. With all these regards, we propose a unified approach that can enhance selected acoustic variables using multiple sources. However, the shape or color of drawn sound field fully depends on the acoustic quantity we want to enhance. Among the many possible choices, this study focuses on three acoustic variables that have to do with the magnitude and the direction of sound.
The first one is connected to the spatial control of acoustic potential energy. The enhancement of acoustic potential energy enables us to make a zone of loud sound over a selected area. This problem is defined as an acoustic brightness problem. We can also make a zone of loud sound and a quiet zone at the same time. This kind of control can be realized by maximizing acoustic brightness ratio, i.e., acoustic contrast of two different zones.
The second acoustic quantity of concern is a perceived direction of sound source. It is shown that we can control the direction of perceived sound source by focusing acoustic energy on a desired wavenumber.
It is noteworthy that we can also enhance the magnitude and direction of sound at the same time by controlling sound intensity. Through the manipulation of sound intensity, the direction of power flow can be controlled in a desired direction within a zone of interest.
To begin with, pure-tone sound field is studied. In order to control acoustic potential energy in space, the concepts of acoustic brightness and contrast are defined and formulated. The optimal control signals of the multiple sources are obtained by simple eigenvalue analysis. Then the acoustic contrast control is applied to the wavenumber domain, so that the propagating direction of wave front is manipulated by focusing the sound energy in wavenumber domain. As an extension of these works, acoustic intensity projected to a direction is considered as an object function, so that one can maximize acoustic intensity component propagates to the desired direction.
Then these proposed methods for pure-tone sound field are extended to a more general case, where the excitation signal has broadband spectrum. In order to control the broadband signal, a filter design problem is defined and solved in frequency domain. Using the obtained frequency domain solution, time domain filter is constituted. Numerical and experimental results obtained in various conditions certainly validate that the acoustic brightness, acoustic contrast, direction of wave front and sound power can be manipulated for some finite region in space and time.
본 연구에서는 다수의 음원을 제어하여 선택한 공간의 소리를 향상시키는 음향 시스템을 구현하는 방법에 대하여 다루었다. 기존의 음향 시스템에서는 청취자의 위치, 혹은 청취자가 속하게 되는 청취 공간에 대한 공간에 대한 고려가 결여되어 있으며, 이러한 청취 공간의 특성을 반영한 음향 제어가 수행되어야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 모델링하거나 계측할 수 있는 음원과 청취자 간의 전달 함수를 효과적으로 반영하고, 또한 하나의 지점이 아닌 공간 개념을 도입하여 선택한 공간의 소리를 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 이와 같이 보다 넓은 영역에서 소리를 제어하기 위해서는 다수의 음원을 필요로 하므로, 본 연구에서는 이러한 다수의 음원을 제어하기 위한 방법론을 정립하였다.
제시된 방법의 기본 개념은 선택한 공간에서 선택한 음향 특성을 향상시키는 것으로, 이는 기록된 음장을 복제하는 것에 목적을 둔 기존 연구들과 차별되는 것이다. 소리를 향상시키는 목적의 제어는 청취자가 선택적으로 원하는 음향 특성만을 향상 시킬 수 있다는 점에서 보다 많은 자유도를 지니고 있다.
제어 가능한 많은 관련 음향 특성 중에서, 본 논문에서는 소리의 크기와 방향이라는 주제에 관련된 세 가지 물리량을 다루었다. 첫 번째는 음향 위치 에너지로서, 소리의 크기와 직접 관련된 기본적인 물리량이며, 두 번째는 파면의 전파 방향을 제어하는 연구로서, 입체 음향에서 방향 지각과 관련되어 중요한 역할을 수행한다. 세 번째는 음향 파워로서, 크기와 방향의 특성을 동시에 지니며, 음원의 방사 특성을 평가하는 대표적인 물리적 척도이다. 본 연구에서는 이와 같이 상이한 세가지 물리량을 원하는 공간에서 향상되도록 하는 통합적 방법론을 제시하였다.
첫 번째로, 음향 위치 에너지 제어를 통하여 선택한 공간에 음향 위치 에너지를 집중시키거나, 조용한 공간과 시끄러운 공간을 동시에 발생시키는 것이 가능하다. 본 연구에서는 전자를 음향 밝기 문제, 후자를 음향 대조 문제로 정의하며, 각각의 문제가 간단한 고유치 해석으로 정리될 수 있음을 보였다.
또한, 이 두 가지 제어 개념을 문제를 파수 영역으로 변환하면, 파수 영역의 한 점 혹은 공간에서 소리를 집중 시키는 것이 가능하다. 이는 공간상에서 특정 방향으로 전파하는 평면파의 에너지만을 향상시킴으로써 파면의 전파 방향 제어가 가능함을 나타내는 것이다. 이에 착안하여, 파수 영역에서 소리를 집중 시키는 방법을 제시하고, 기존의 가상 음장을 재현하기 위한 연구들과 비교함으로써, 보다 넓은 영역에서 고르게 파면의 전파 방향을 제어할 수 있음을 보였다.
음향 파워에 있어서는, 정규화된 전달 함수를 사용하고, 원하는 방향으로 투영된 음향 인텐시티의 크기를 향상시킴으로써, 선택한 공간을 전파하는 음향 파워 혹은 인텐시티를 제어할 수 있음을 보였다.
위 세 가지 음향 변수를 제어하는 방법은 모두 간단한 단일 주파수의 해석으로부터 시작하여, 보다 넓은 주파수 영역의 스펙트럼을 갖는 경우로 확장하여 기술되었다. 이를 시간 영역에서 제어한 모의 실험 및 실험 결과로부터, 제시된 방법이 반사가 존재하거나 넓은 스펙트럼을 갖는 입력 신호에 대해서도 적용 가능함을 확인할 수 있었다.
