[음향 카메라] 첨단 소음 분석 기술: 직교 빔포밍(Orthogonal Beamforming, Acoustic Camera, Noise Analysis, 마이크로폰, Microphone, Gfai, FAMTECH)

 

목차

 

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직교 빔포밍(Orthogonal Beamforming, OBF)이란?

 

직교 빔포밍은 여러 소음원이 함께 존재하고 서로 연관되어 있을 수 있는 복잡한 음향 환경에서 소음원을 식별하고 분리하는 데 사용되는 고급 신호 처리 기술입니다. 특히 기계 소음과 같이 복잡한 음장에서 유용하게 활용됩니다.

 

핵심 아이디어: 복잡한 소리를 단순한 구성요소로 분해하기

 

여러 사람이 동시에 이야기하거나, 기계의 여러 부품에서 소음이 발생하는 방에 있다고 상상해 보세요. 특히 소리가 비슷하거나 겹치는 경우, 각 소리가 정확히 어디에서 오는지 전통적인 방법으로는 파악하기 어려울 수 있습니다. 직교 빔포밍은 이러한 소음원들을 보다 정교하게 분리해내는 방법을 제공합니다.

 

GFAI tech에서 제공하는 기술로 실제 측정 환경에서 음장(sound field)은 일반적으로 동시에 발생하는 기계적, 열적, 공기역학적 프로세스에 의해 발생하는 여러 독립적인 음원의 중첩으로 구성됩니다. 기존 빔포밍의 특성상 모든 음원을 개별적으로 매핑하는 것이 불가능할 수 있는데, 직교 빔포밍은 알고리즘적으로 음원 표현을 개선하는 방법입니다.

 

음향 카메라

 

 

작동 원리

1. CSM (Cross Spectral Matrix, 상호 스펙트럼 행렬)에서 시작: 이 과정은 CSM 분석에서 시작됩니다. CSM은 마이크로폰 어레이의 여러 마이크에서 수신된 소리 신호들이 다양한 주파수에서 서로 어떻게 관련되는지를 포착하는 행렬입니다. 즉, 여러 방향에서 도달하는 소리의 세기와 위상 관계에 대한 정보를 담고 있습니다.
2. 고유값 분해 (Eigenvalue Decomposition): 직교 빔포밍의 핵심 기술은 CSM에 적용되는 고유값 분해라는 수학적 과정입니다.
   • 고유값 (Eigenvalues): 고유값은 음장의 각 독립적인 구성 요소의 에너지 또는 세기를 나타낸다고 생각할 수 있습니다. 알고리즘은 이러한 고유값을 정렬하여, 일반적으로 에너지가 큰 순서대로 솔루션(음원 맵)이 제시됩니다. 즉, 가장 큰 고유값은 전체 음향 에너지에 가장 많이 기여하는 구성 요소를, 다음으로 큰 고유값은 그다음으로 강한 구성 요소를 나타냅니다. GFAI tech는 단일 비간섭성(non-coherent) 주 음원이 가장 큰 고유값으로 표시되고 다른 모든 고유값은 랜덤 노이즈에 의해 발생한다고 가정합니다.
   • 고유 벡터 (Eigenvectors): 각 고유값에는 해당 고유 벡터가 있습니다. 고유 벡터는 해당 독립적인 음향 구성 요소의 "모양" 또는 공간적 특성을 설명하며, 해당 구성 요소의 방향을 가리킵니다.
3. 직교 성분 (Orthogonal Components): "직교(orthogonal)"라는 용어가 핵심입니다. 수학적으로 이러한 분리된 구성 요소들은 서로 독립적이거나 비상관적(uncorrelated)임을 의미합니다. 이는 기존 방법으로는 분리하기 어려웠을 수 있는 음원들을 구별하는 데 매우 유용합니다. 예를 들어, 두 음원이 부분적으로 상관관계가 있는 경우(소리 패턴에 일부 유사성이 있는 경우) 직교 빔포밍은 다른 간단한 빔포밍 방법보다 그 기여도를 더 명확하게 분리하는 데 도움이 될 수 있습니다. GFAI tech는 음원이 상호 스펙트럼 행렬 C의 직교 고유 벡터로 추적될 수 있다는 효과를 사용하여 음원을 분리한다고 설명합니다.
4. 음원 시각화: 이러한 직교 성분(종종 "모드" 또는 "가상 음원"이라고도 함)을 분석하여 음향 지도를 만들 수 있습니다. 가장 큰 고유값에 해당하는 첫 번째 지도는 주된 음원 또는 일관된 음장 패턴의 위치를 보여줍니다. 후속 지도는 에너지 순서대로 다른 음원이나 패턴을 보여줍니다. 이를 통해 음향 환경 내 여러 기여 음원을 평가할 수 있습니다. GFAI NoiseImage 소프트웨어에서는 단일 구성 요소 또는 연결된 범위의 구성 요소를 선택할 수 있습니다. 분해된 전체 구성 요소 수는 어레이의 마이크 수 N에 해당합니다.

 

직교 빔포밍의 장점

• 음원 분리: 여러 음원이 다소 상관관계가 있거나 일부 음원이 다른 음원보다 훨씬 클 때도 음원을 분리하는 데 특히 효과적입니다.
• 주요 음원 식별: 에너지(고유값)별로 구성 요소의 순위를 매겨 어떤 음원이 소음에 가장 많이 기여하는지 명확하게 보여줍니다.
• 복잡한 음장 이해: 단순한 빔포밍으로는 개별 음원을 명확하게 분석하기 어려운 복잡한 음향 환경을 분석하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 정확도 향상: 음원을 개별적으로 매핑할 수 있으므로, 기존 빔포밍 방법보다 더 정확하게 음원의 음압 레벨을 식별할 수 있으며 계산 시간을 늘리지 않습니다.
• 모호성 감소: 구성 요소가 직교적이기 때문에 특정 위치나 현상에 음향 에너지를 귀속시키는 데 있어 모호성이 줄어듭니다.

 

 

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