능동 소음 제어
능동 소음 제어(Active noise control, ANC) 또는 노이즈 캔슬링(noise cancellation, NC) 또는 능동 소음 감소(active noise reduction, ANR)는 첫 번째 소리를 상쇄하기 위해 특별히 설계된 두 번째 소리를 추가하여 원치 않는 소리를 줄이는 방법이다. 이 개념은 1930년대 후반에 처음 개발되었으며, 이후 1950년대에 시작된 개발 작업을 거쳐 1980년대 후반에 이 기술이 적용된 상업 항공기용 헤드셋이 출시되었다. 이 기술은 도로 차량, 휴대전화, 이어폰 및 헤드폰에도 사용된다.
설명
[편집]소리는 압력파로, 압축과 희박의 주기가 교대로 나타난다. 노이즈 캔슬링 스피커는 원래 소리와 진폭은 같지만 위상이 반대인(항위상이라고도 함) 음파를 방출한다. 두 파동은 간섭이라는 과정을 통해 결합하여 새로운 파동을 형성하고, 효과적으로 서로를 상쇄한다. 이 효과를 상쇄간섭이라고 한다.
현대적인 능동 소음 제어는 일반적으로 아날로그 회로 또는 디지털 신호 처리를 통해 이루어진다. 적응형 알고리즘은 배경의 청각적 또는 비청각적 잡음의 파형을 분석하도록 설계되었으며, 특정 알고리즘에 기초하여 원래 신호의 위상을 이동시키거나 극성을 반전시키는 신호를 생성한다. 이 반전된 신호(항위상)는 증폭되고, 변환기(트랜스듀서)는 원래 파형의 진폭에 직접 비례하는 음파를 생성하여 상쇄간섭을 일으킨다. 이는 인지되는 잡음의 볼륨을 효과적으로 줄여준다.
노이즈 캔슬링 스피커는 감쇠시켜야 할 음원과 같은 위치에 배치될 수 있다. 이 경우 잡음을 상쇄하기 위해 원치 않는 소리의 음원과 동일한 오디오 전력 수준을 가져야 한다. 대안적으로, 상쇄 신호를 방출하는 변환기는 소리 감쇠가 필요한 위치(예: 사용자의 귀)에 위치할 수 있다. 이 방식은 상쇄를 위해 훨씬 낮은 전력 수준이 필요하지만 단일 사용자에게만 효과적이다. 다른 위치에서의 노이즈 캔슬링은 더 어려운데, 원치 않는 소리와 상쇄 신호의 3차원 파면이 일치하여 보강 간섭과 상쇄 간섭 구역이 교대로 나타날 수 있기 때문이다. 이는 일부 지점에서는 소음을 줄이지만 다른 지점에서는 소음을 두 배로 만들 수 있다. 좁은 밀폐 공간(예: 자동차의 객실)에서는 여러 개의 스피커와 피드백 마이크로폰, 그리고 인클로저의 모드 응답 측정을 통해 전체적인 소음 감소를 달성할 수 있다.
응용
[편집]응용 분야는 보호하려는 구역의 유형에 따라 1차원 또는 3차원이 될 수 있다. 주기적인 소리는 복잡하더라도 파형의 반복성 때문에 무작위 소리보다 상쇄하기가 더 쉽다.
1차원 구역의 보호는 더 쉽고 효과를 보기 위해 하나 또는 두 개의 마이크와 스피커만 있으면 된다. 노이즈 캔슬링 헤드폰, 능동 머플러, 코골이 방지 장치, 가라오케 기계의 보컬 또는 센터 채널 추출, 에어컨 덕트의 소음 제어 등 여러 상업적 응용이 성공을 거두었다. 1차원이라는 용어는 소음과 능동 스피커 사이(기계적 소음 감소) 또는 능동 스피커와 청취자 사이(헤드폰)의 단순한 피스톤 관계를 의미한다.
3차원 구역을 보호하려면 많은 마이크와 스피커가 필요하므로 비용이 더 많이 든다. 소음 감소는 청취자가 한 자리에 고정되어 있을 때 더 쉽게 달성되지만, 청취자가 여러 명이거나 단일 청취자가 머리를 돌리거나 공간을 이동하면 소음 감소의 과제는 훨씬 더 어려워진다. 고주파 파동은 공기 중의 오디오 파장이 상대적으로 짧기 때문에 3차원에서 감소시키기가 어렵다. 약 800 Hz인 정현파 잡음의 공기 중 파장은 평균적인 사람의 왼쪽 귀에서 오른쪽 귀까지 거리의 두 배이다.[1] 정면에서 직접 오는 이러한 소음은 능동 시스템에 의해 쉽게 감소되지만, 옆에서 오는 소음은 한쪽 귀에서는 상쇄되고 다른 쪽 귀에서는 강화되는 경향이 있어 소리가 더 작아지는 것이 아니라 더 커지게 된다.[a] 1000 Hz 이상의 고주파 소음은 여러 방향에서 예측할 수 없게 상쇄되거나 강화되는 경향이 있다. 요약하자면, 3차원 공간에서 가장 효과적인 소음 감소는 저주파 소음을 포함한다. 3D 소음 감소의 상업적 응용에는 항공기 기내와 자동차 내부 보호가 포함되지만, 이러한 상황에서도 보호는 주로 엔진, 프로펠러 또는 로터에 의해 유발되는 반복적(또는 주기적) 소음의 상쇄로 제한된다. 이는 엔진의 주기적인 특성이 분석과 소음 상쇄를 적용하기 쉽게 만들기 때문이다.
현대 휴대전화는 음성 신호에서 주변 소음을 제거하기 위해 다중 마이크 설계를 사용한다. 입에서 가장 먼 마이크(소음 신호)와 입에서 가장 가까운 마이크(원하는 신호)에서 소리를 포착한다. 신호들을 처리하여 원하는 신호에서 소음을 제거함으로써 개선된 음성 음질을 만들어낸다.
어떤 경우에는 능동 진동 제어를 채용하여 소음을 제어할 수 있다. 이 접근 방식은 구조물의 진동이 주변 공기나 물로 결합하여 원치 않는 소음을 발생시킬 때 적합하다.
능동 대 수동 소음 제어
[편집]소음 제어는 개인적인 안락함, 환경적 고려 또는 법적 준수를 위해 소음 배출을 줄이는 능동적 또는 수동적 수단이다. 능동 소음 제어는 전원을 사용하여 소리를 줄이는 것이다. 수동 소음 제어는 전원보다는 단열재, 흡음 타일 또는 머플러와 같은 소음 차단 재료를 사용하여 소리를 줄이는 것이다.
능동 노이즈 캔슬링은 저주파에 가장 적합하다. 고주파의 경우 자유 공간 및 정적 구역 기술을 위한 간격 요구 사항이 감당하기 어려워진다. 음향 캐비티 및 덕트 기반 시스템에서는 주파수가 증가함에 따라 노드의 수가 급격히 늘어나 능동 소음 제어 기술을 관리하기 어렵게 만든다. 수동 처리는 고주파에서 더 효과적이며 능동 제어 없이도 종종 적절한 해결책을 제공한다.[2]
역사
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소음 제어 시스템에 대한 첫 번째 특허인 미국 특허 2,043,416은 1936년 발명가 파울 뤼크(Paul Lueg)에게 부여되었다. 이 특허는 파동을 위상 전진시켜 덕트 내의 정현파 톤을 상쇄하고, 극성을 반전시켜 라우드스피커 주변 지역의 임의의 소리를 상쇄하는 방법을 설명했다.[3] 1950년대에 로런스 J. 포겔은 헬리콥터와 비행기 조종석의 소음을 상쇄하는 시스템의 특허를 받았다. 1957년 윌러드 미커(Willard Meeker)는 귀를 덮는 이어머프에 적용된 능동 소음 제어의 작동 모델을 개발했다. 이 헤드셋은 약 50–500 Hz의 능동 감쇠 대역폭을 가졌으며, 최대 감쇠량은 약 20 dB이었다.[3] 1980년대 후반에 이르러 최초의 상업적으로 이용 가능한 능동 소음 감소 헤드셋이 출시되었다. 이들은 니켈-카드뮴 전지로 구동되거나 항공기 전력 시스템에서 직접 전원을 공급받을 수 있었다.
같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ Moylan, William (2006). 《Understanding and crafting the mix: the art of recording》. Focal Press. 26쪽. ISBN 0-240-80755-3.
- ↑ “Active Noise Control” (PDF). 《medialab》. December 2005. 2012년 4월 26일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
- 1 2 Urquhart, Ryan L. (2002년 4월 24일). “Evaluation of an Improved Active Noise Reduction Microphone using Speech Intelligibility and Performance-Based Testing, n.d.” (PDF). hdl:10919/27111. 2015년 10월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2020년 9월 23일에 확인함.
- 내용주
- ↑ 평균적인 머리 너비는 귀에서 귀까지 약 21.5 cm (8.5 in)이다. 소리의 속도를 초당 343미터(초당 1125피트)라고 가정하면, 1600 Hz 톤의 전체 파장이 한쪽 귀에서 다른 쪽 귀까지 닿는다. 그 주파수의 절반인 800 Hz 톤은 파장이 두 배 길다. 측면에서 오는 이러한 단일 톤은 양쪽 귀에서 180도 위상 차이가 나는 것으로 나타난다. 다른 각도에서 오는 능동 소음 제어 톤은 양쪽 귀에서 동시에 원래 톤을 감쇠시킬 수 없다.