A virtual loudspeaker is a means to give an auditory illusion of which the listener perceives as an emanating sound source in space where actual loudspeaker does not exists at that point. A virtual loudspeaker located inside of a listening region is called a virtual-source-inside or a focused source. The virtual source inside can give an auditory scene to a listener that a very close sound is coming from in front of the array. This auditory effect can combined with current 3D visual contents and provide presense and reality of multimedia contents.
Generation of a virtual source inside cannot avoid the physical artifact due to causality, the listener always perceives pre-arriving sound before the desired sound comes. The human hearing system is very sensitive to a preceding waves, therfore this artifact can lead a listener to perceive the virtual source in undesired direction and the performance of the virtual source be severely damaged.
The pre-arriving artifact is called the pre-echo, and known to be very dependent on the listening position. In order to guarantee the effectiveness of the virtual source, there should be a method that can measure a performance of a virtual source.
In this thesis, cause and effect of the pre-echo for generating a virtual source inside is studied. The cause of the pre-echo is derived from Kirchhoff-Helmholtz integral equation and mathematically analyzed for limited case. The effect of the pre-echo is focused on the localization error, quantifying the angle difference between the desired direction and the perceived one. To quatify the localization performance of the system, a simple model which is known as an energy vector model is used. To separate the small localization error with masking phenomenon due to the precedence effect, masking suppression condition was defined and used with localization error measure.
Combining the suppression condition and the localization error, for given criterions, sweet spot for various cases considering positions of focusing point, array shape, driving solutions, spatial sampling, and truncation are observed. The prediction result holds up with observations in many literatures.
Additionally, using the proposed measure, a new array activation method is given. With a proposed activation method, for a selected listening position, localization error can be decreased significantly.
본 연구는 다수의 스피커를 이용하여 청취 공간 내에 가상음원을 만드는 경우 발생하는 프리에코(pre-echo) 현상이 청취에 미치는 영향에 관한 연구이다. 청취 공간 내에 만드는 가상음원은 실제 스피커의 위치보다 가까운 곳에서 소리가 들리는 효과를 청취자에게 줄 수 있다. 이러한 청취자 공간 내부에 만드는 가상음원을 일반적으로 집중 가상음원(focused source)이라 부른다.
내부 가상음원은 일반적인 가상음원과는 다른 현상을 발생시키는데 이를 프리에코라 한다. 프리에코는 청취 공간 내에 가상음원을 만드는 경우에만 발생하는 특이한 현상으로, 가상음원이 위치하는 방향이 아닌 다른 방향에서 원하지 않는 음파가 청취자에서 먼저 도달하는 현상이다. 사람의 청각 특성은 먼저 들어오는 소리에 매우 민감하기 때문에 이러한 프리에코는 청취자로 하여금 가상음원의 효과가 왜곡되어, 음원의 방향을 다른 방향으로 인지하게 하거나, 음원의 음색을 바꾸어 원하는 소리를 듣지 못하게 한다.
프리에코에 대한 연구는 최근에 이루어져 왔으나, 현상에 대한 정확한 정의가 없는 한계를 가지고, 특수한 경우에 경험적인 청취 실험을 통해 청취자에게 미치는 영향에 대한 연구가 이루어져 왔다. 그러나 가상음원을 실제로 구현한 후에야 알 수 있는 것으로, 구현 이전에 프리에코의 영향을 예측하는 연구는 아직까지 없었다.
본 연구의 목적은 내부 가상음원 재현 시 발생하는 프리에코의 영향에 의해 청취자가 느끼는 방향의 오차를 미리 예측할 수 있는 방법을 개발하는 것이다. 이를 위해 프리에코 현상에 대한 수학적인 정의를 제시하였다. 제시한 정의에 따르면, 프리에코 현상은 시간 역전 현상에 기이한 현상으로, 기존 내부 가상음원 구현에서 중요하게 고려되었던, 수렴파(converging wave)도 프리에코의 특수한 경우임을 알 수 있다. 또한 청취자에 도달하는 프리에코의 시간 구간은 가상음원과 청취자의 위치에 관련이 있으며, 이 시간 구간 내에서 도달하는 프리에코들의 시간에 따른 상대적인 분포에 의해 가상음원의 효과가 결정됨을 알 수 있었다. 이미 알려진 선행음 효과의 원리를 적용하면, 도달하는 프리에코의 영향은 원하는 가상음원의 음파와 어떠한 시간 간격을 가지고 도달하는 지에 결정된다. 원하는 신호와 짧은 시간간격을 가지고 도달하는 경우, 이는 청취자의 방향인지에 영향을 미치며, 간격이 길어질수록 방향인지 오차가 아닌 다른 영향을 미치게 된다. 도달하는 시간에 따른 영향을 분리하기 위해, 본 논문에서는 억제 조건(suppression condition)을 정의하여, 내부 가상음원이 그 효과를 유지할 수 있는 조건을 제시하였다. 또한, 가까운 시간 간격을 가지고 도달하는 프리에코들이 방향 오차에 미치는 영향을 예측하기 위해 1992년 거존이 제안한 에너지 벡터 모델을 사용하여 방향 오차를 예측하였다.
예측 모델의 유용성을 확인하기 위해, 간단한 어레이 구동 방법을 통해, 청취자의 위치를 아는 경우, 정해진 영역에서 방향오차를 줄일 수 있는 방법을 제안하였다. 제안한 예측 방법과, 어레이 구동 방법의 유효성을 확인하기 위해 10명의 청취자를 대상으로 3가지 청취 실험을 실시하였고, 효과를 검증하였다.
