This study proposes methods to reproduce a sound field in a selected control region using an array of loudspeakers both temporally and spatially. The sound field that we desire to reproduce is that used for special effects in movies and computer games, or that in real life, i.e., concert halls and stadiums. The desired field is composed of sound waves that come into the control region from outside the region. If we can generate a sound field that is identical to the desired field using an array of loudspeakers, the experience of a listener in the field will be identical to that of the listener in the desired field. In other words, this study aims to mimic the desired field in a control region so as to make listeners feel as if they were in the desired field.
This study divides sound field reproduction into the two categories of rendering and duplication according to the desired field. First, if the desired field is used for special effects in movies or computer games, it can be regarded as given. Thus, the problem is reduced to a problem of generating an arbitrary incident wave because the desired field is a superposition of incident waves. This problem is defined as a rendering problem, the aim of which is to generate an arbitrary sound wave and then create a virtual sound source. On the other hand, if the desired field actually exists, it is not regarded as given. Hence this problem contains not only a generation problem, but also a measurement problem. The measurement problem involves measuring the desired field, and an important issue related to this is to devise a method that reduces the number of microphones. The generation problem involves developing a method to generate the reproduced field. It is therefore reduced to a problem of determining the input signals that is fed into the loudspeakers.
As a rendering method, a method has been proposed that concentrates sound energy at a point in the wave number domain. Based on this previous method, the present method uses the Fourier-Bessel series (a two-dimensional case) or the spherical harmonics expansion (a three-dimensional case). As a result, the input signals are obtained for loudspeakers of a spherical array without any assumptions related to the loudspeakers. An arbitrary incident sound wave can be generated because it can be expressed as a superposition of plane waves.
On the other hand, as a duplication method, a method of matching the surface pressure on a scattering object is proposed. The scatterer has a same shape and size identical to that of the control region. The scatterer is located in the desired field, and the surface pressure is measured by microphones that are mounted on its surface. The surface pressure is then matched to that in the reproduced field using the loudspeaker array. The surface pressure uniquely determines the desired field, facilitating the generation of a reproduced field that is identical to the desired field due to the matched surface pressure. The proposed method encompasses high-order Ambisonics method in that it is equivalent to high-order Ambisonics if the scatterer is a rigid sphere, but the proposed method also allows differently shaped scatterers.
본 연구는 다수의 스피커로 구성된 어레이를 이용하여 한정된 제어 영역 내에 원하는 음장을 재현하는 방법을 다룬다. 원하는 음장이란, 영화나 컴퓨터 게임에서 특수 효과를 위해 사용되는 음장 또는 콘서트 홀이나 스타디움과 같은 실제 장소의 음장을 의미한다. 이러한 음장을 스피커 어레이를 이용하여 있는 그대로 물리적으로 재현할 수 있다면, 그 음장 내에서 소리를 듣는 청자는 원하는 음장에서 듣는 것과 같은 소리를 듣게 될 것이다. 본 연구의 목적은, 이와 같이 원하는 음장을 제어 영역 내에 물리적으로 재현하는 것이다.
본 연구는 음장 재현을 원하는 음장의 종류에 따라 가상 음원 렌더링 (virtual sound source rendering)과 음장 복사(sound field duplication)의 두 가지로 구분한다. 가상 음원 렌더링은 원하는 음장이 영화나 컴퓨터 게임에서 특수한 효과를 위해 이용되는 음장인 경우이다. 가령 총을 쏘는 장면을 연출하기 위해, 총의 가상 위치에서부터 발생하여 전파하는 총소리의 음파를 재현해야 한다. 이렇게, 가상 음원에서 발생하여 제어 영역 내에서 전파하는 음장이 원하는 음장이고, 가상 음원 렌더링은 이러한 음장을 재현하는 방법이다. 반면, 음장 복사는 원하는 음장이 콘서트 홀과 같은 실제 장소에서의 음장인 경우이다. 콘서트 홀과 같은 장소에서 일정 영역을 선택하고 그 영역 내에 형성되는 음장이 원하는 음장이고, 음장 복사는 이러한 음장을 재현하는 것이다. 가상 음원 렌더링 방법에서 가상 음원의 위치가 주어지므로 원하는 음장도 주어지는 반면, 음장 복사 방법에서는 원하는 음장을 측정을 통해 알아내야 한다는 차이점이 있다.
가상 음원 렌더링을 위한 방법으로 본 연구에서는 파수 영역에서 원하는 한 점에 음 에너지를 집중하여 평면파를 형성하는 방법을 다룬다. 이 방법은 기존의 아이디어를 발전시킨 것으로, 구형 조화 함수 전개(spherical harmonics expansion)를 이용하여 제어 영역을 둘러싸는 스피커 어레이 각각의 크기와 위상 정보를 구한다. 본 방법은 스피커를 단극 음원이나 쌍극 음원으로 가정하지 않고 역행렬 연산 없이 구하였다는 장점이 있다. 이 방법을 통해 스피커 사이의 간격과 제어 영역과 스피커 간의 거리 차이를 보상할 수 있고, 평면파가 아닌 임의의 입사 음파를 형성시킬 수 있음을 보인다.
음장 복사를 위한 방법으로는 산란체 표면에서의 음압을 매칭시키는 방법을 다룬다. 여기서산란체란 제어 영역과 같은 모양과 크기를 갖는 물체로, 표면 음압을 측정할 수 있도록 표면에 마이크로폰이 설치된다. 이 산란체를 실제 공간의 선택 영역에 두고 그 표면 음압을 측정한 뒤, 스피커 어레이를 이용하여 그 표면 음압을 같도록 제어함으로써 원하는 음장을 재현하는 방법이다. 이 방법은 산란체 표면의 음압이 산란체를 두지 않았을 때의 내부 음장을 결정한다는 사실에 근거하며, 이 사실이 산란체의 모양에 관계없이 수학적으로 증명된다. 이 방법은 음장 자체를 재현하므로 잔향까지 따로 고려하지 않아도 재현이 가능하며 산란체 모양을 선택할 수 있다는 장점이 있다.
