Sound source localization is about determining the location of sound sources using the measurements of the acoustic signals by a set of acoustic sensors. These days, sound source localization technique is related with artificial ear, remote monitoring, human-robot communication and interaction and so on. Especially toy robot should have inexpensive sound source localization system. The sound source localization is in need of DSP chip generally. Because DSP chip is expensive, it is necessary that an inexpensive sound source localization system which does not require complex computation should be introduced.
The purpose of this study is to develop a new sound source localization system by using mechanical filter and simple electric circuit. Mechanical filter part extract sinusoidal signal from a voice signal. Electro circuit part estimates an interaural time difference (ITD) information from two sinusoidal signals obtained from a pair of mechanical filters located apart. A set of fabricated multi-cantilever based on micro electric mechanical system (MEMS) technology works like a mechanical filter bank. The electric circuit part is composed of simple logic gates and registers.
There are two methods to extract a sinusoidal signal by mechanical filter. First method, we can use the resonance frequency of mechanical filters. Second method, we can use the frequency band except the resonance frequency. We take care of phase of the resonance frequency. If two cantilever’s resonance frequency difference is close to 0.4%, then first method is possible.
To verify the concept of the sound source localization system, we fabricated two prototype devices and simulated the circuit part. The first prototype was fabricated to prove the possibility of multi-cantilevers as mechanical filter bank. This prototype can extract sinusoidal signal, but its sensitivity was too low. Because first prototype’s sensing type was thin film metallic type. The second prototype was designed to improve the sensitive of the first one. Its sensing type was semiconductor strain gauge type which is more sensitive than metallic type about 40 times. However its sensitivity was still low ever though it was about 20 times lager a that of metallic type. Because our main goal is to check the feasibility of the system, the sensitivity issue is not investigated further.
In electro circuit part simulation, we confirmed the feasibility of the circuit’s logic.
In this study, we propose a new concept of the inexpensive sound source localization system which localize sound source with relative rough resolution. To verify the concept of the sound source localization system, we used frequency shifted and amplified human voice, and extract the sinusoidal signals. Based on extracted signals and circuit logic, we can identify the source location with the resolution of ±30°.
With the proposed system, we can only detect the second sound source location if the pitch frequency of the speaker matched the effective frequency range of the cantilever pair. However, this issue can be easily solved if the multiple cantilever pairs are designed to cover all the frequency range between 250~500Hz, where most of the pitch frequency of speakers exist. Feasibility check of this idea is remained for further study as well.
본 연구는 토이로봇 시스템에서 DSP 칩을 사용하지 않고 대략적인 위치를 추정해야 할 필요성에 따라 간단한 회로와 MEMS 기술로 만든 장치를 이용하여 대량생산을 통해 싼 가격에 생산해 낼 수 있는 시스템을 구현해 보았다. 이 시스템은 크게 정현파에서 시간지연을 찾아내는 회로 부분과 음원에서 특정 대역의 주파수 신호를 뽑아내는 기계적 필터 부분으로 나뉜다. 회로부분에서는 간단한 논리 게이트와 같은 IC를 이용하여 시간 지연을 구하는 방법을 제시하였고, 그것을 시뮬레이션을 통해 구동이 됨을 보였다. 기계적 필터부분인 외팔 보를 만들기 위해 설계를 위한 가정들을 세웠고, 그에 따라 각각의 외팔 보의 고유 진동수를 결정해 주었다. 이를 MEMS 공정을 이용하여 제작하였다.
기계적 주파수 분리 장치를 이용해서 정현파를 뽑아 내는 방법은 크게 두 가지가 있다. 하나는 공진 주파수를 이용하는 것이고, 다른 하나는 공진 주파수 외의 주파수 대역을 이용하는 것이다. 이 두 경우 모두 공진 주파수나 그 근처의 주파수를 이용하는 것이므로 위상변화에 주의를 해야 한다. 공진 주파수를 이용하는 경우 원하는 결과가 나오게 하기 위해서는 두 외팔 보의 주파수가 0.4%정도 까지 일치해야 하기 때문에 현재의 기술로는 문제가 있다. 따라서 두 번째 방법을 이용하여 정현파를 뽑아 내야 한다.
첫번째 다중 외팔 보는 가능성을 타진 하기 위해 제작하는 prototype 이었다. 이 외팔 보는 비록 민감도가 낮았지만 기계적 필터의 역할을 하는 것을 확인 할 수 있었다.
두번째 다중 외팔 보는 첫번째 다중 외팔 보의 문제점인 민감도를 올려주기 위해 움직임 감지 부분을 반도체형 스트레인 게이지로 바꿔서 설계를 했다. 실제로 만들어서 실험을 해본 결과 원하는 민감도가 나오지 않았지만 처음보다는 크게는 20배 이상 좋아진 민감도를 보여줬다.
제작한 시편에 주파수를 변경하고 크기를 증폭시킨 음성신호를 입력신호로 주어서 뽑아낸 정현파에 일정한 위상 지연을 줌으로 ±30°의 오차를 갖는 위치 추정 결과를 얻을 수 있었다.
지금까지 제작한 시편으로는 사람 목소리 레벨의 신호를 잡아 낼 정도로 민감하지 않았다. 이것은 공정상 설계를 보완하면 필요한 민감도(현재 시편보다 평균 20배)로 외팔 보를 만들 수 있을 것이다.
본 연구에서 실험은 한 쌍의 외팔 보로 하였다. 하지만 사람의 기본 음성 피치가 매우 넓게 분포되어 있다. 따라서 여러 개를 중첩시켜 배치시키면 서로 주파수 대역이 엇갈리지 않을 것이다. 하지만 외팔 보의 개수에는 한계가 있기 때문에 개수를 16개로 제안하고 실험했던 결과를 바탕으로 두 중심 주파수 간의 대역폭을 250~500Hz 까지를 목표 주파수로 설정하면 될 것이다. 또한 외팔 보를 중첩 배치하게 되면 좋은 점이 있다. 첫째로 두 개의 똑 같은 외팔 보가 필요 없다는 것이다. 중첩해 놓으면 시작과 끝의 주파수는 다를 지라도 그 밴드는 일정하기 때문에 특정 주파수를 담당하는 외팔 보를 서로 짝지으면 되기 때문이다. 둘째로 공정상에 생긴 주파수 오차도 앞에서와 같은 이유로 큰 영향을 미치지 못한다.
