Including a TV set and a monitor, recently various multimedia players have been developed and spread out. However, it often produces annoying noise to others. In this study, we suggest a solution method to make a good bright zone around the user and dark zone to other region by maximizing the ratio of sound energy between the bright and dark zone. It has been well known as acoustic contrast control.
We have attempted to use a line array speaker system to localize the sound in our listening zone. It depends on the size of the zone and array parameters and distance between them, For example, array size, speaker spacing, wave length of sound. We have considered these parameters as spatial variables. We have studied the effect of spatial variables on the result of acoustic contrast control and have found that each spatial variable has its own characteristic and shows very different effect.
There exists optimum ratio among spatial variables, which makes the result of the acoustic contrast control much better. Genetic algorithms are introduced to find out the optimum ratio.
As a result, it is found that we can improve the result of the acoustic contrast control by selecting the optimum ratio of spatial variables.
다수 음원을 제어하여 공간상에 밝고 어두운 공간을 형성하는 문제를 음향 밝기 대조 제어(acoustic contrast control)를 적용하여 정의하였다. 그리고 간단하고 널리 확장하여 적용할 수 있는 음원 배열 형태로써 다수 음원을 1열로 배열한 음원 어레이를 선택하였다.
그리고 제어공간은 2차원 평면인 경우로 제한하여 설계변수로써 음원 어레이의 크기(La)와 밝은 공간의 가로 폭(B), 전체 관심공간의 가로 폭(Bt), 밝은 공간의 높이(Ht), 음원 어레이와 밝은 공간의 거리(H1)의 공간 변수들을 정의하여, 각 공간 변수들이 음향 밝기 대조 제어를 통해 형성되는 결과 음장에 미치는 영향을 살펴보았다.
그 결과 공간 변수들은 제어 결과에 선형적으로 기여를 하는 것이 아니라 각 공간 변수마다 그 물리적 특성을 반영하여 비선형적으로 기여한다는 것을 확인하였다. 이는 각 공간 변수들의 크기 조합(La, H1, Ht, B, Bt) 들 중에 최적의 제어 결과를 갖는 최적의 크기 조합이 존재한 다는 것을 확인하였다.
이를 고려하여 정의한 공간 변수들의 조합을 하나의 해로 가정하여 최적의 공간상 상수들의 크기조합을 찾는 문제를 보다 구체적으로 정의하고, 벌칙함수법(penalty function method)을 적용하여 구속조건이 없는 최적화 문제로 정의하였다. 그리고 새롭게 정의한 최적화 문제에 대하여 유전 알고리즘(Genetic algorithms, GA’s)을 이용하여 이론적으로 그 최적해 (Optimal solution)를 구하여 제시하였다.
그리고 앞에서 다룬 이론적인 결과들의 실제 시스템에서의 적용 가능성을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 그 적용대상으로 17" 모니터 크기에 음원 어레이가 장착된 경우를 살펴보았다. 계측공간은 모니터 앞에 사람이 위치하는 상황을 고려하여 모니터로부터 0.02m 떨어진 거리에서 가로 0.9m, 세로 0.68m 직사각형 평면공간을 고려하였으며, 마이크로폰을 이용하여 가로 세로 0.02m 간격으로 음장을 계측하였다.
실제 실험에서는 이론적인 해석에서 입력변수로 고려했던 체적속도를 대신하여 신호발생기의 출력신호를 입력변수로 선택하였다.
먼저 단일 주파수에 대하여 선택한 세 가지 주파수 800Hz, 2kHz, 3kHz에 대하여 입력신호와 마이크로폰에서 측정된 신호 사이의 전달함수를 계측하고, 이를 통해 공간 상관행렬을 구성하여, 계측공간에 대한 음향 밝기대조 제어를 수행하였다. 이와 함께 공간 변수들의 조합을 하나의 해로 정의한 최적화 과정을 적용한 음향 밝기대조 제어를 수행하였으며, 실험적 시행오차를 통해 선정한 공간변수를 적용한 음향 밝기대조 제어 경우와 비교하였다.
단일 주파수를 고려한 결과를 살펴보면 음향 밝기대조 제어만 적용한 경우, 음원의 주파수가 3kHz인 경우의 결과가 800Hz인 경우에 비해 contrast의 크기가 크고, 20dB drop angle의 값이 작게 나오는 훨씬 개선된 결과 음장을 나타내었다. 이는 3kHz의 경우 파장의 크기가 800H의 파장의 크기의 약 0.27배로 관심공간에서 보다 효과적으로 각 음원에 의한 음장의 중첩을 이용할 수 있기 때문이다.
또한 공간 변수를 최적화 한 후 음향 밝기대조 제어를 적용해 보았다. 실제 시스템에서는 음원 어레이의 크기(La)와 전체 관심공간의 가로 폭(Bt), 음원 어레이와 밝은 공간의 거리(H1)의 공간 변수들은 계측과정에서 고정 되므로 제어변수에서 제외하여, 최종적으로 밝은 공간의 폭(B)와 밝은 공간의 높이(Ht) 두 가지를 제어변수로 고려하여 계측결과에 유전자 알고리즘을 적용하여 두 공간 변수 사이의 최적의 크기 조합을 구하였다. 이 경우 실험적 시행오차를 통해 선정한 공간변수를 적용한 음향 밝기대조 제어 경우에 비해 훨씬 개선된 결과를 나타내었다. 이는 4장에서 고려하였듯이 시스템의 공간 변수들 사이에 최적 조합이 존재한다는 것을 뒷받침해준다.
단일주파수에 대한 실험에서 얻은 지식을 바탕으로 800Hz에서 5000Hz의 주파수 대역에 대하여 실험을 수행하였으며, 이 주파수 대역에 대한 음원과 마이크로폰의 전달함수를 측정하기 위해 5초 동안 300Hz에서 5500Hz까지 선형적으로 증가하는 chirp신호를 사용하였다. 제어 결과를 살펴보면 최적화한 공간변수를 적용한 경우가 실험적 시행오차에 의해 선정된 공간변수를 반영한 경우에 비해 음향 밝기대조는 전체적으로 크게 개선되는 결과를 얻었다. 그러나 20dB drop angle의 경우 역시 2kHz이하의 저주파 영역에서는 최적화된 공간 변수를 적용한 경우에 더 개선된 결과를 나타냈으나, 그 이외의 영역에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
그리고 제어효율의 경우에서는 일부분에서만 최적화된 공간 변수를 적용한 경우가 더 개선된 결과를 보였을 뿐 대체적으로 실험적 시행오차에 의해 선정된 공간변수를 반영한 경우에 소폭 낮거나 동일한 제어효율을 보였다.
본 논문에서는 밝은 공간과 어두운 공간 형성이론을 실제적인 경우에 적용해 보기 위해 모니터에 음원 어레이가 장착된 경우를 고려하여 먼저 단일 주파수에 대하여 선택한 세 가지 주파수에 대해 그 제어효과를 살펴보았다. 그리고 이를 바탕으로 실험대상 스피커의 응답특성을 반영하여 대역 주파수에 대하여 실험을 수행하였으며, 제어된 결과에서 원하는 공간에 효과적으로 밝은 공간과 어두운 공간을 형성되는 것을 확인하였으며, 공간변수를 최적화함으로써 제어결과를 보다 개선할 수 있음을 보였다.
보다 효과적인 밝은 공간과 어두운 공간 형성을 위해 음원 어레이의 위치와 배열에 대한 다양한 고려와 관심공간을 3차원 공간(volume)을 고려한 연구 및 제어영역을 직사각형 형태가 아닌 부채꼴 형상으로 고려하는 방법 그리고 측정공간에 사용자가 위치할 경우 발생하게 되는 음향 산란(acoustic scattering)에 대한 연구가 추가적으로 수행될 필요가 있으며, 이와 함께 실제 청취자에 대상으로 한 성능 테스트가 추가될 필요가 있다.
