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Abstract

Contents

Chapter 1. Introduction and problem definition 9

1.1. Research Motivation and Objectives 9

1.2. Historical Background 13

1.2.1. History of spatial control of sound field 14

1.2.2. Acoustic potential energy control 20

1.3. Overview of Research 22

1.4. Problem Definition 25

Chapter 2. Manipulation of acoustic potential energy 28

2.1. Problem Definition 28

2.2. Description of Acoustic Potential Energy 29

2.2.1. Acoustic brightness problem 31

2.2.2. Acoustic contrast problem 32

2.3. Example of Brightness and Contrast Control 34

2.4. Analysis 37

2.4.1. Brightness vs. Contrast control 37

2.4.2. Time reversal arrays(TRAs) 39

2.4.3. Inverse filtering 41

Chapter 3. Wave front manipulation 44

3.1. Problem Definition 44

3.2. Focusing in Wavenumber Domain 47

3.3. Numerical Experiment 50

3.4. Analysis 58

3.4.1. Effect of number of sources, zone size, and frequency 58

3.4.2. Example 1: One-dimensional case 60

3.4.3. Circular array 75

3.5. Comparison to the Amplitude Panning Techniques 91

3.5.1. Comparison 93

3.6. Concluding Remarks 107

Chapter 4. Intensity manipulation 108

4.1. Problem Definition 108

4.2. Solution Method 112

4.3. Numerical Experiment 113

4.3.1. Control direction change 113

4.3.2. Effect of the control zone size 118

4.4. Cost Function of the Second Kind 124

4.4.1. Effect of source locations 124

4.4.2. Modification on the cost function 126

4.5. Concluding Remarks 132

Chapter 5. Implementation in time domain 134

5.1. Problem Definition 134

5.2. Brightness and Contrast Enhancement in Time Domain 140

5.3. Wavenumber Domain Focusing in Time Domain 146

5.3.1. Numerical experiment 146

5.3.2. Reflection from the walls 149

5.3.3. Experiment 159

5.4. Intensity Manipulation 165

Chapter 6. Conclusions 169

6.1. Conclusions 169

6.2. Recommendations for Further Works 171

Summary in Korean 174

References 176

Curriculum vitae 184

초록보기

본 연구에서는 다수의 음원을 제어하여 선택한 공간의 소리를 향상시키는 음향 시스템을 구현하는 방법에 대하여 다루었다. 기존의 음향 시스템에서는 청취자의 위치, 혹은 청취자가 속하게 되는 청취공간에 대한 고려가 결여되어 있으며, 이러한 청취 공간의 특성을 반영한 음향 제어가 수행되어야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 모델링하거나 계측할 수 있는 음원과 청취자 간의 전달 함수를 효과적으로 반영하고, 또한 하나의 지점이 아닌 공간 개념을 도입하여 선택한 공간의 소리를 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 이와 같이 보다 넓은 영역에서 소리를 제어하기 위해서는 다수의 음원을 필요로 하므로, 본 연구에서는 이러한 다수의 음원을 제어하기 위한 방법론을 정립하였다.

제시된 방법의 기본 개념은 선택한 공간에서 선택한 음향 특성을 향상시키는 것으로, 이는 기록된 음장을 복제하는 것에 목적을 둔 기존 연구들과 차별되는 것이다. 소리를 향상시키는 목적의 제어는 청취자가 선택적으로 원하는 음향 특성만을 향상시킬 수 있다는 점에서 보다 많은 자유도를 지니고 있다.

제어 가능한 많은 관련 음향 특성 중에서, 본 논문에서는 소리의 크기와 방향이라는 주제에 관련된 세 가지 물리량을 다루었다. 첫 번째는 음향 위치 에너지로서, 소리의 크기와 직접 관련된 기본적인 물리량이며, 두 번째는 파면의 전파 방향을 제어하는 연구로서, 입체 음향에서 방향 지각과 관련되어 중요한 역할을 수행한다. 세 번째는 음향 파워로서, 크기와 방향의 특성을 동시에 지니며, 음원의 방사 특성을 평가하는 대표적인 물리적 척도이다. 본 연구에서는 이와 같이 상이한 세가지 물리량을 원하는 공간에서 향상되도록 하는 통합적 방법론을 제시하였다.

첫 번째로, 음향 위치 에너지 제어를 통하여 선택한 공간에 음향 위치 에너지를 집중시키거나, 조용한 공간과 시끄러운 공간을 동시에 발생시키는 것이 가능하다. 본 연구에서는 전자를 음향 밝기 문제, 후자를 음향 대조 문제로 정의하며, 각각의 문제가 간단한 고유치 해석으로 정리될 수 있음을 보였다.

또한, 이 두 가지 제어 개념을 문제를 파수 영역으로 변환하면, 파수 영역의 한 점 혹은 공간에서 소리를 집중 시키는 것이 가능하다. 이는 공간상에서 특정 방향으로 전파하는 평면파의 에너지만을 향상시킴으로써 파면의 전파 방향 제어가 가능함을 나타내는 것이다. 이에 착안하여, 파수 영역에서 소리를 집중 시키는 방법을 제시하고, 기존의 가상 음장을 재현하기 위한 연구들과 비교함으로써, 보다 넓은 영역에서 고르게 파면의 전파 방향을 제어할 수 있음을 보였다.

음향 파워에 있어서는, 정규화된 전달 함수를 사용하고, 원하는 방향으로 투영된 음향 인텐시티의 크기를 향상시킴으로써, 선택한 공간을 전파하는 음향 파워 혹은 인텐시티를 제어할 수 있음을 보였다.

위 세 가지 음향 변수를 제어하는 방법은 모두 간단한 단일 주파수의 해석으로부터 시작하여, 보다 넓은 주파수 영역의 스펙트럼을 갖는 경우로 확장하여 기술되었다. 이를 시간 영역에서 제어한 모의 실험 및 실험 결과로부터, 제시된 방법이 반사가 존재하거나 넓은 스펙트럼을 갖는 입력 신호에 대해서도 적용 가능함을 확인할 수 있었다.

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