이중 모듈 인텐시티 어레이를 이용한 음원 위치 추정

Abstract

다수의 마이크로폰 어레이를 사용하는 정밀 음원 위치 추정은 많은 마이크로폰 수와 좁은 센서간격 그리고 다소 큰 어레이 어퍼처 사이즈를 요구한다. 여기서 어레이 사이즈, 설치 비용 그리고 신호 처리의 시간의 한계를 극복하기 위해서 이중 모듈 이텐시티 어레이를 활용한 시스템이 제안되었다. 방위각을 나타내는 음향 인텐시티 벡터는 4개의 마이크로폰을 사용하여 정사면체 배치한 1개의 어레이 모듈에 의해서 추정할 수 있다. 두 개의 모듈에서 제일 꼭대기에 있는 한 개의 마이크로폰을 공유하기 때문에 전체 어레이 사이즈와 마이크로폰 수를 절감할 수 있었다. 고주파수의 유한차분 오차와 저주파수의 위상 부정합 오차를 줄여 넓은 주파수 영역에서 유효한 측정을 하기 위해 두 개의 모듈은 서로 다른 센서간의 간격을 갖게 구성하였다. 3차원 음향 인텐시티는 테일러 시리즈 전개를 활용하여 연산하였고 센서간의 간격이 45와 175 mm로 구성된 이중 모듈 어레이를 활용하여 음원으로부터 1.42 m 떨어져 음원의 방위각을 추정하는 실험을 무향실 공간에서 수행하였다. 정밀한 3차원 음향 인텐시티 측정을 위해서 유효주파수는 유한 차분 및 위상 부정합 오차가 1 dB이내가 되는 영역을 설정하였다. 그 결과 125-300 Hz의 범위에서는 대형 모듈을 적용하고 300-1380 Hz의 범위에서는 소형 모듈을 적용하는 것으로 결정되었다. 추정의 정확성을 정량적으로 검토하기 위해서 평면각 및 고도각 추정 오차는 참 각도에서 추정된 각도를 빼서 정의되었다. 실측 데이터와 가상실험의 데이터를 비교하여 추정 오차의 지배적인 영향이 위상 차이 측정의 비 정밀에 의해서 초래한 것임을 규명하였다. 여기에 더하여 가상실험과 부가적인 실측 실험을 통해 마이크로폰 어레이 지그와 구면파 형성의 결함이 방향 추정의 주요원인임을 관찰하였다. 위상 차를 보정 후 방향 추정한 결과, 평면각 및 고도각 추정 오차 모두 유효주파수 내에서 1도 이내로 줄일 수 있었다.