Spatial Sound Reproduction by Wave Field Synthesis with Frontal Linear Loudspeaker Arrays

Abstract

본 논문에서는 선형 라우드스피커 배열(linear loudspeaker array)을 이용한 음장(音場) 재생 방법에 대하여 제안한다. 다수의 라우드스피커를 이용한 음장합성기법(Wave Field Synthesis)은 실제 재현되는 공간상의 음장을 물리적인 2차 음원(音原, secondary source)의 배열을 이용하여 합성하는 방법으로, 기존의 멀티채널 서라운드(discrete surround) 방식에 비하여 보다 넓은 청취영역과 정확한 음상정위(音像定位, sound localization)를 제공하는 장점을 갖고 있다. 음장합성을 위해서는 우선적으로 2차 음원으로 작용하는 각각의 라우드스피커의 구동 신호(driving function)를 계산하여야 한다. 기존의 음장 합성 방식에서는 2차 음원을 단순 점음원(simple point source)로 가정하여 구동 신호를 계산하였다. 본 논문에서는 주파수와 방향에 따라 각기 다른 지향 특성(directivity pattern)을 가지는 실제 라우드스피커의 특성을 반영하기 위해 라우드스피커를 피스톤 방사 모델(circular piston radiator)로 모델링하고 이를 적용하여 구동 신호를 구하는 방법에 대하여 제안하였다. 이와 같은 음장 합성 방법을 기반으로 청취자의 전방에 위치한 라우드스피커 배열을 활용하여 평면상의 음장을 합성하는 방안에 대하여 고찰한다. 또한 이를 응용하여 청취자의 전방에 맺히는 음상(音像, sound image)을 3차원 공간상으로 확장하기 위해 높이를 가지는 두 개의 층으로 배열된 다층 선형 라우드스피커 배열(double-layered loudspeaker array)을 제안한다. 평면 음장 합성의 경우 첫 번째로 청취자의 전방에 있는 음상은 평면파(plane wave)를 이용하여 합성된다. 두 번째로, 청취자의 측, 후면에 위치하는 음상은 가상의 집중음원(focused sound source)을 합성한 후, 이를 청취 공간의 측벽(側壁)을 통해 반사시켜 재생한다. 또한 라우드스피커 배열의 전체 길이로 제한되는 청취공간을 좌, 우 평면상으로 확장하기 위하여 앞서 구현된 구동 신호를 적용하여 조향(調香)된 라우드스피커의 지향성을 이용한 선형 배열을 제안한다.

This dissertation describes a sound reproduction method that uses linear front loudspeaker arrays. In the horizontal plane of the listening area, sound images are reproduced separately by two processes on the basis of wave field synthesis (WFS). First, the front sound images are synthesized as plane waves. Second, the lateral or rear sound images are rendered as focused sources and reflected by sidewalls. To widen the listening area, a linear loudspeaker array system with steered directivity is proposed, providing the convenience of installation with a display device. To reproduce 3-D acoustic images, the horizontal plane of the loudspeakers should be extended in the vertical direction using additional loudspeakers. Double-layered loudspeaker arrays are proposed for the reproduction of sound images on the vertical plane in front of a listener. Rendering based on WFS is used to localize virtual sources in both azimuth and elevation. First, a 2-D wave field is synthesized by a virtual loudspeaker array, and then each column, consisting of an upper and lower loudspeaker pair, generates virtual loudspeakers by vertical amplitude panning using calculated elevation vectors. Computational simulations were conducted to evaluate the proposed method. Subjective listening tests comparing the proposed method to 3-D vector base amplitude panning were conducted to evaluate the frontal localization quality of this system.