Identification of noise source has been taken great attention among the noise control engineers not only because of its practical importance but also because of its scientific merit for developing the rational array signal processing method. Useful methods for this practice are intensity method, acoustic holography, and source localization methods etc.. The former two cases, scanning by the probe over the measurement plane is required to resolve noise sources. However, the last one which is well known in array signal processing but limited due to the assumption of planar wave fronts, could give the information of source positions by using far less measurement points (i.e., line microphone array). These observations, in fact motivated the present research; source localization methods which can apply at near field. The methods have been developed theoretically and verified by various simulations and experiments. The followings are the brief summary of this dissertation.
Firstly, the estimation of locations and strengths of noise sources by using microphone array which is assumed to be situated in which the sound pressure field can be rather regarded as the superposition of spherical wave fronts, has been studied theoretically as well as experimentally. The effects of the array parameters such as the distance between the adjacent microphones, the aperture size of a microphone array, and its orientation with regard to the location of noise source, on the estimation error have also been studied when one assumes the noise field as the superposition of spherical wavefronts. It this case, the conventional methods such as the beamforming and MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) method has been used. For the case of spherical wave fronts, spherical beamforming and spherical MUSIC method which incorporate the spherical wavefronts have been formulated and analyzed. The validity of these methods to identify the location and strength of noise sources has been tested by various numerical simulations in terms of the various array parameters, and also by the experiments which were conducted in an anechoic room.
Secondly, this research presents the estimation methods of the planar and spherical wave sources with band limited frequency by using two types of the CSM(Coherent Signal-subspace Method); one uses frequency correction of the unwrapped phase of the measured sound pressures over the microphone array in space domain, and the other uses the focusing procedures by using the focusing matrix. The simulations show that the methods based on frequency correction has rather simple procedure than that of the methods based on focusing procedures. The performances of these methods have been also investigated in terms of the frequency band, the distance between sources, and the relations between the number of sources and that of microphones. MUSIC power spectrum by the former gives broader peaks than that of the latter but the latter makes some spurious peaks in MUSIC power spectrum when the bearing angle between the sources and/or the frequency band of interest increases, provided that one assumes planar wave field. For the spherical wave field, these phenomena were less sensitive than those of the planar wave field.
Thirdly, to verify the applicability of the aforementioned methods in real situations, the methods are applied for the estimation of point, multi-paths, and line sources with band limited frequency. Although these sources have some directivity pattern which can not be considered as spherical wave fronts, spherical MUSIC power exhibits blunt peaks at around true source positions.
Based on these observations, the source identification of electric vacuum cleaner was performed in the anechoic room under the condition of which is specified in KS C 9101 for the measurement of the equivalent noise level of the cleaner. Spherical MUSIC power spectrum at frequency of motor revolution illustrates that the dominant noise sources are located in main body in which motor exists, and suction port. This result is confirmed by intensity map over the upper plane of the cleaner.
소음에 관한 관심의 증대는 소음의 발생과정과, 소음원의 위치에 관한 근원적 문제로 귀결된다. 소음제어의 입장에서 보면, 일차적으로 소 음원의 위치 추정이 중요시 되며, 유용한 소음원 추정법으로는 음향인텐시티 방법이 널리 알려져 있고, 음향 홀로그래피의 시도가 최근에 이루어지고 있다. 그러나 이들 방법은 음원평면을 가정하고, 관심있는 측정평면에서의 모든 인텐시티 및 음압분포를 측정해야 한다는 측정상의 어려움이 존재한다. 이러한 문제점으로 인해 사용자가 손쉽게 사용하는 데는 앞으로의 많은 노력이 요구된다. 그런데 수중 음향 신호처리에서 선형 마이크로폰 어레이를 이용한 음원탐지를, 평면파 모델의 경우에 음원의 방향을 추정하는 방향각 추정이라 명명하여 많은 연구를 수행하여왔고, 이러한 방법들 중에서 고유구조해석을 이용하는 방법은 공간상의 높은 분해능을 갖는 우수한 성질이 있다고 알려져 있다. 이러한 관찰로부터 근접장에 존재하는 음원의 위치추정을 선형 어레이를 이용한 자유음장 상황에서 시도하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. 다음은 논문의 주된 내용이다.
첫째, 기존의 평면파 모델을 이용하는 방법들을 관심있는 기계 구조물에 존재하는 음원의 탐지에 어떻게 적용될 것인지의 한계를 살펴보기위해, 기계구조물의 음원을 구면파 음원들의 조합으로 나타낼 수 있다는 기본 가정으로부터, 기존의 빔형성기법 및 고유구조해석법의 대표적인 예인 MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)등이 구면파 음원의 존재에 대하여 반응하는 정도를 어레이 인자들과의 관계를 이용하여 고찰하였는 데, 음원의 위치와 어레이 사이의 거리가 멀어질수록, 또한 각 마이크로폰과 음원이 이루는 방향각(bearing angle)이 일정할 수록 평면파의 조건을 만족하기 때문에 방향각 추정오차가 적어지는 당연한 결과를 확인 하였고, 따라서 근접장에 존재하는 음원추정에는 적합하지 못하며, 결국 새로운 방법을 이용하는 것이 바람직하는 당연한 결론을 얻을 수 있었고, 이로부터 구면빔형성기법 및 구면MUSIC 방법을 도입하였다. 모사실험을 단일 점음원에 대하여 수행한 결과 음원의 위치 및 크기에 관한 정보를 정확히 얻을 수 있었고, 실제 적용 가능성을 고찰하기 위한 무향실에서의 점음원 실험결과, 음원의 구면파 정도에 위배되는 현상으로 약 8% 정도의 음원위치 추정오차가 존재하였으나 방법론적인 타당성은 검증 되었다.
둘째로, 실제 기계구조물에 존재하는 일정한 주파수 대역을 갖고 있는 소음원 추정, 또는 관심 있는 주파수 대역에 속해있는 소음원의 위치를 등가적으로 구하고자 하는 경우에는 각각의 주파수 성분에 해당하는 소음원의 정보를 대표되는 주파수에서의 정보로 치환하는 방법을 이용하여, 이 주파수에서의 음원탐지를 수행하므로서 원하는 소음원의 정보를 얻을 수 있다. 평면파 모델의 경우, 각 주파수별 공간상의 어레이 출력을 원하는 대표주파수의 출력으로 치환하는 주파수 보정 (frequency correction)을 이용하여 상관행렬(correlation matrix)을 구하고, 이 상관행렬의 합으로 등가 상관행렬을 정의한 후, 앞서 언급한 MUSIC 방법을 적용하는 CSM-FC(Coherent Signal-subspace Method by using Frequency Correction) 방법을 제안하였다. 기존의 대표적인 방법은 각 주파수별 공간상의 어레이 출력을 대표주파수 및 가정된 음원의 위치로 치환한 후, 상관행렬을 구하고, 이 상관행렬의 합으로 등가 상관행렬을 구하고, MUSIC 방법을 적용하는 CSM-FM(Coherent Signal-subspace Method by using Focusing Matrix) 방법이 있다. 따라서 CSM-FM은 가상음원의 위치에 관한 가정이 필요한 단점이 있으며, 결국 계산량은 CSM-FC에 비해 많아 진다. 두 방법의 성능 비교를 위해 두개의 주파수 대역을 갖는 음원이 존재하는 경우에 대한 모사실험을 수행하였는데, 그 결과 두음원 사이의 각이 커질수록 CSM-FC를 이용한 MUSIC 스펙트럼이 완만한 피크에도 불구하고 음원의 위치를 나타낸 반면, CSM-FM의 경우는 몇개의 피크들이 음원의 위치 근처에 존재하는 원하지 않는 결과를 얻었다. 주파수 대역이 넓어지는 경우는 CSM-FC가 측정된 어레이 출력의 주파수 보정을 위한 비선형 연산 과정으로 인해 MUSIC 스펙트럼이 완만해지는 경향이 CSM-FM을 이용하는 경우에 비해 두드러지나, CSM-FM의 경우와는 달리 원하지 않는 피크들이 나타나는 현상은 적음을 알 수 있었다.
본 연구의 목적인 근접장에서의 음원탐지를 위해 이 두 방법을 구면 모델의 경우로 확장한 결과, 평면파 경우에 고찰한 결과를 관찰할 수 있었으나, 구면파의 특성상 각 마이크로폰에 존재하는 동일 음원으로부터 의 시간지연이 다르므로해서 평면파인 경우에 비해 음원 사이의 거리 및 주파수 대역에 관한 영향이 적음을 알 수 있었다. 특히 CSM-FCS (Coherent Signal-subspace Method by using Frequency Correction for the Spherical wave sources)의 경우 주파수 밴드의 50% 정도까지 음원탐지 성능이 두 점음원 사이의 간격 정도에 따라 둔감하게 나타났으나, CSM-FMS(Coherent Signal-subspace Method by using Focusing Matrix for the Spherical wave sources)의 경우 중심 주파수에 대한 주파수 대역이 음원사이의 간격이 작아질수록 증대하는 경향이 민감하게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 따라서 CSM-FMS는 매우 근접한 음원들의 탐지에 효과적이라 생각되며, CSM-FCS는 어느정도 거리가 존재하는 음원에 대해서 도 효과적으로 적용되리라 생각된다.
세번째는 여기서 소개된 방법들을 일정한 주파수 대역을 갖는 음원탐지에 실제적으로 적용하기 위해 다수의 점음원 탐지에 적용한 결과 구면파 성질을 정확히 만족하지 않는 경우에도 음원의 대략적인 위치 추정이 가능함을 실험적으로 검증할 수 있었다. 또한 일정한 형상을 갖는 선형 음원 탐지를 실험적으로 수행한 결과 음원의 위치에서 큰 구면 MUSIC 파우어 스펙트럼을 나타내고 있었다. 이상의 이론 및 실험적 관찰로부터 실제 문제에의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 따라서 소음원의 위치에 관한 정보를 명백히 알 수 있는 진공청소기의 소음원 위치추정을 선형 어레이 및 세개의 선형 어레이를 조합한 형태로 시도하였고, 이를 청소기 상단의 인텐시티 분포와 비교하여 본 결과, 청소기본체와 흡입구 쪽에 소음원이 존재하고 있는 현상을 각 방법에서 모두 관찰할 수 있었다.
결론적으로 구면파 모델 및 선형 어레이를 이용한 음원탐지는 실제음원의 방향성 및 음원의 크기에 관한 영향에도 불구하고, 음원의 위치에 관한 정보를 제공하고 있음을 알 수 있었다. 그러나 소음원이 존재하는 음장이 자유음장이 아닌 경우에로의 확장, 단일 주파수를 갖는 복수음원 및 다중경로를 갖는 음원인 경우에 적용 가능한 방법론의 개발, 음원의 방향성등을 고려할 수 있는 최적의 주사벡타(scan vector)를 추정하는 문제등은 선형 어레이를 이용한 음원탐지법의 개선을 위해 요구되는 사항이라 생각된다.
