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능동 소음 제어

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목차

1. 개요

능동 소음 제어(ANC)는 소리의 압력파를 상쇄하는 원리를 이용하여 소음을 줄이는 기술이다. 소음과 동일한 진폭, 반대 위상의 음파를 생성하여 상쇄 간섭을 일으키는 방식으로, 아날로그 회로나 디지털 신호 처리를 통해 구현된다. ANC는 주로 액티브 노이즈 캔슬링(ANC)과 패시브 노이즈 캔슬링(PNC)으로 나뉘며, ANC는 이어폰이나 헤드폰에 내장된 마이크로 주변 소음을 감지하여 소음을 제거하는 방식이고, PNC는 물리적인 차단 방식을 사용한다. 이 기술은 1934년 파울 루크에 의해 최초로 특허를 받았으며, 노이즈 캔슬링 헤드폰, 소음기, 자동차, 항공기 등에 적용된다.

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능동 소음 제어
개요
이름능동 소음 제어
다른 이름능동 소음 감쇄 (Active Noise Cancellation, ANC)
능동 소음 저감 (Active Noise Reduction, ANR)
전자 소음 제어 (Electronic Noise Control, ENC)
원리
작동 원리소음을 상쇄하기 위해 간섭 효과를 이용
기술 종류피드포워드
피드백
하이브리드
응용 분야
산업헤드폰
자동차
HVAC 시스템
항공기
군사잠수함
헬리콥터
전투기
장점 및 단점
장점특정 주파수 범위에서 소음 감소 효과가 뛰어남
단점복잡한 알고리즘 필요
추가적인 전력 소비
특정 환경 조건에 민감
추가 정보
관련 기술소음 제어
진동 제어

2. 원리

소리는 압력파이며, 압축과 희박화가 교대로 반복되는 현상이다. 능동 소음 제어는 이러한 소리의 파동성을 이용하여, 원치 않는 소음과 동일한 진폭을 가지지만 위상이 반전된 음파를 발생시켜 상쇄 간섭을 일으킨다.

현대적인 능동 소음 제어는 일반적으로 아날로그 회로나 디지털 신호 처리를 사용하여 구현된다. 적응형 알고리즘은 배경 소음의 파형을 분석한 후, 특정 알고리즘을 기반으로 원래 신호의 위상을 이동시키거나 극성을 반전시키는 신호를 생성한다. 이 반전된 신호는 증폭된 후 변환기를 통해 원래 파형의 진폭에 비례하는 음파를 생성하여 상쇄 간섭을 일으킨다.[1]

소음 제거 스피커는 소음 발생원과 동일한 위치에 배치될 수 있다. 이 경우 소음을 상쇄하기 위해서는 원치 않는 소리의 원천과 동일한 오디오 파워 레벨을 가져야 한다. 또는, 소음 제거 신호를 방출하는 변환기는 소음 감쇠가 원하는 위치(예: 사용자의 귀)에 배치될 수 있다. 이 방법은 소음 제거에 훨씬 더 낮은 전력 레벨을 필요로 하지만 단일 사용자에게만 효과적이다. 다른 위치에서의 소음 제거는, 원치 않는 소리와 소음 제거 신호의 3차원 파면이 일치하여 일부 지점에서는 소음이 감소하고 다른 지점에서는 소음이 두 배로 증가하는 건설적인 간섭과 상쇄적인 간섭의 교대 구역을 생성할 수 있기 때문에 더 어렵다.[1]

2. 1. 상쇄 간섭

소리는 압력파이며, 압축과 희박화가 교대로 반복되는 현상이다. 소음 제거 스피커는 원래 소리와 동일한 진폭을 가지지만 위상이 반전된(일명 반대 위상) 음파를 방출한다. 이 파동들은 간섭이라는 과정을 통해 결합하여 새로운 파동을 형성하고, 서로를 효과적으로 상쇄시킨다. 이 효과를 상쇄 간섭이라고 한다.

노이즈 캔슬링 헤드폰(Bose QuietComfort 25)

2. 2. 능동 소음 제어 시스템의 구성 요소

능동 소음 제어 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어진다.

소리는 압력파이며, 이는 압축과 희박화가 교대로 반복되는 현상으로 이루어져 있다. 소음 제거 스피커는 원래 소리와 동일한 진폭을 가지지만 위상이 반전된(일명 반대 위상) 음파를 방출한다. 이 파동들은 간섭이라는 과정을 통해 결합하여 새로운 파동을 형성하고, 서로를 효과적으로 상쇄시킨다. 이 효과를 상쇄 간섭이라고 한다.[1]

현대적인 능동 소음 제어는 일반적으로 아날로그 회로나 디지털 신호 처리를 사용하여 구현된다. 적응형 알고리즘은 배경 청각 또는 비청각 소음의 파형을 분석하도록 설계된 후, 특정 알고리즘을 기반으로 원래 신호의 위상을 이동시키거나 극성을 반전시키는 신호를 생성한다. 이 반전된 신호(반대 위상)는 증폭된 후 변환기를 통해 원래 파형의 진폭에 비례하는 음파를 생성하여 상쇄 간섭을 일으킨다. 이는 감지 가능한 소음의 크기를 효과적으로 줄인다.[1]

소음 제거 스피커는 소음 발생원과 동일한 위치에 배치되어 감쇠될 수 있다. 이 경우 소음을 상쇄하기 위해서는 원치 않는 소리의 원천과 동일한 오디오 파워 레벨을 가져야 한다. 또는, 소음 제거 신호를 방출하는 변환기는 소음 감쇠가 원하는 위치(예: 사용자의 귀)에 배치될 수 있다. 이 방법은 소음 제거에 훨씬 더 낮은 전력 레벨을 필요로 하지만 단일 사용자에게만 효과적이다. 다른 위치에서의 소음 제거는, 원치 않는 소리와 소음 제거 신호의 3차원 파면이 일치하여 일부 지점에서는 소음이 감소하고 다른 지점에서는 소음이 두 배로 증가하는 건설적인 간섭과 상쇄적인 간섭의 교대 구역을 생성할 수 있기 때문에 더 어렵다. 작고 폐쇄된 공간(예: 자동차의 객실)에서는 여러 스피커와 피드백 마이크를 사용하고 밀폐 공간의 모드 응답을 측정하여 전체 소음 감소를 달성할 수 있다.[1]

3. 종류

능동 소음 제어에는 크게 액티브 노이즈 캔슬링(ANC)과 패시브 노이즈 캔슬링(PNC) 두 가지 방식이 있다. ANC는 전자기술을 이용하여 소음을 상쇄하는 방식이고, PNC는 물리적으로 소음을 차단하는 방식이다.

3. 1. 액티브 노이즈 캔슬링 (ANC)

'''액티브 노이즈 캔슬링'''(Active Noise Cancelling, ANC)은 이어폰이나 헤드폰에 부착된 초소형 마이크를 통해 주변 소음을 입력받아, 이를 상쇄시키는 상쇄간섭을 일으켜 소음을 차단하는 기술이다.[4] 소리는 파동의 형태를 가지기 때문에 서로 상쇄되어 변위가 사라지게 할 수 있다. 에어팟 프로, 버즈 라이브, 버즈 프로 등의 무선 이어폰이나 2019년 이후에 나온 헤드셋(소니 노이즈캔슬링, 에어팟 맥스 등)에 ANC 기능이 탑재되어 있다.

ANC의 장단점은 다음과 같다.

장점단점



ANC는 실내 정숙성이 중요시되는 승용차에도 채용되는데, 닛산 자동차의 U13형 블루버드가 그 예이다. 구급차의 차내에도 사이렌 소리를 완화하기 위해 채용되어, 구호자의 심리적 압박감 경감과 의료기관과의 무선 통화 명료도 확보에 도움이 된다. 여객기인 사브 340에서는 터보프롭에 의한 객실 내 소음 저감에 사용되고 있다.

ANC와 유사한 기술로, 헤드폰이나 휴대용 음악 재생 장치에 내장되는 '''노이즈 캔슬러'''가 있다. 주변 소리(환경음)를 내장된 마이크로폰으로 수음하고, 이것과 역위상 신호를 오디오 신호와 혼합하여 출력함으로써 헤드폰으로 외부에서 유입되는 환경음을 줄이는 것이다. 소니의 워크맨이나 Xperia(소니 모바일 커뮤니케이션즈 제품) 등에서는 "'''디지털 노이즈 캔슬링 기능'''"이라고 한다.

노이즈 캔슬러의 단점으로는 저음은 제거할 수 있지만, 파장이 짧은 고음에 대해서는 어렵다는 점이 있다.

ANC에는 다음과 같은 방식이 있다.


  • 아날로그 방식: 필터 회로를 사용하여 노이즈를 제거하는 방법. 고역 통과 필터(HPF), 저역 통과 필터(LPF), 대역 통과 필터(BPF), 대역 제거 필터(BEF) 등이 있다.
  • 디지털 방식: 디지털 신호 처리(DSP) 등으로 원본 신호 파형을 윈도우 함수에 적용하여 해당 파형과 일치하지 않는 대역 (원본 신호에 포함되지 않는다고 추정되는 주파수 성분)을 노이즈로 제거하는 방법.


어떤 소음에 대해 역위상의 신호를 겹쳐 놓으면 소음이 무효화된다.

  • 액티브 노이즈 캔슬러: 소음에 대해 역위상의 신호를 디지털 회로나 아날로그 회로로 별도로 생성하여 신호를 겹쳐 능동적으로 소음을 감쇠시키는 방법. 사일런트 악기, 소나 잡음 제거, 안테나 노이즈 캔슬러 등이 있다.
  • 패시브 노이즈 캔슬러: 소음에 대해 소음 그 자체의 에너지를 사용하여 역위상의 신호를 생성하여 신호를 겹쳐 수동적으로 소음을 감쇠시키는 방법. 고속도로의 변두리에 있는 방음벽형 노이즈 캔슬러(복잡한 입체 정수 회로로 구성), 잠수함이나 스텔스기의 특수 도장, 일렉트릭 기타의 험버커 등이 있다.

3. 2. 패시브 노이즈 캔슬링 (PNC)

패시브 노이즈 캔슬링(PNC)은 귀를 막는 물리적인 방법을 통해 주변 소음을 차단하는 기술이다. 소리가 새거나 들어오지 못하도록 막는 귀마개, 이어패드, 밀도 있는 소재로 이루어진 이어플러그 등이 사용된다.

'''장점'''

'''단점'''

  • 소음 차단 효과를 체감하기 어렵다.
  • 수동적인 차단 방식이라 기술로 보기 어렵다.


4. 역사

1934년, 발명가 파울 루그(Paul Lueg)가 소음 제어 시스템의 최초 특허를 획득했다.[5] 이 특허는 파(波)를 진상(phase-advancing)시키고 극성을 반전시켜 스피커 주변의 소리들을 억제함으로써 덕트에서 사인곡선 톤을 억제하는 방법을 기술하고 있다.[3] 1950년대에 로렌스 J. 포겔(Lawrence J. Fogel)은 헬리콥터와 비행기 조종석의 소음을 제거하는 시스템에 대한 특허를 받았다. 1957년, 윌라드 미커는 외이형 이어머프에 적용되는 능동 소음 제어의 작동 모델을 개발했다. 이 헤드셋은 약 50~500 Hz의 능동 감쇠 대역폭과 약 20 dB의 최대 감쇠를 가졌다.[3] 1980년대 후반에 최초의 상업용 능동 소음 감소 헤드셋이 출시되었다. 이 헤드셋은 니켈-카드뮴 전지 또는 항공기 전원 시스템에서 직접 전원을 공급받을 수 있었다.

2019년, 에어팟 프로가 노이즈 캔슬링 기능을 채택하였다.

2021년, 버즈2가 노이즈 캔슬링 기능을 채택하였다.

5. 응용 분야

능동 소음 제어 기술은 다양한 분야에 응용된다. 보호 구역의 유형에 따라 1차원 또는 3차원 방식으로 적용될 수 있다. 반복적인 소리는 파형이 주기적이어서 불규칙한 소리보다 상쇄하기 쉽다.

5. 1. 1차원 소음 제어

1차원 소음 제어는 주로 한 방향으로 전파되는 소음을 제어하는 데 사용된다. 1차원 구역의 소음 제어는 비교적 쉽고, 하나 또는 두 개의 마이크와 스피커만으로 가능하다. 여러 상업적 응용 분야에서 성공을 거두었는데, 노이즈 캔슬링 헤드폰, 능동형 소음기, 반코골이 장치, 노래방 기기의 보컬 또는 센터 채널 추출, 에어컨 덕트의 소음 제어 등이 그 예이다. '1차원'이라는 용어는 소음과 능동형 스피커 사이(기계적 소음 감소) 또는 능동형 스피커와 청취자 사이(헤드폰)의 간단한 관계를 의미한다.[1]

5. 2. 3차원 소음 제어

3차원 공간에서 소음을 제어하는 것은 여러 방향에서 소음이 발생하기 때문에 1차원 공간에 비해 더 복잡한 기술이 필요하다. 3차원 소음 제어에는 여러 개의 마이크와 스피커가 필요하며, 단일 청취자가 정지해 있을 때 소음 감소가 가장 쉽다. 여러 명의 청취자가 있거나 청취자가 머리를 움직이거나 공간을 이동하면 소음 감소는 더욱 어려워진다.[1]

고주파 음파는 공기 중에서 파장이 짧기 때문에 3차원에서 제어하기가 어렵다. 약 800Hz의 정현파 소리는 공기 중에서 파장이 사람의 왼쪽 귀에서 오른쪽 귀까지 거리의 두 배 정도이다.[1] 이러한 소리가 정면에서 오면 능동형 시스템으로 쉽게 줄일 수 있지만, 측면에서 오면 한쪽 귀에서는 상쇄되고 다른 쪽 귀에서는 강화되어 소리가 더 커지는 현상이 발생한다. 1000Hz 이상의 고주파 소리는 여러 방향에서 예측 불가능하게 상쇄되거나 강화되는 경향이 있다. 따라서 3차원 공간에서 효과적인 소음 감소는 주로 저주파 소리에 한정된다.[1]

3차원 소음 제어 기술은 항공기 객실이나 자동차 내부와 같이 반복적인 소음을 줄이는 데 주로 사용된다. 엔진, 프로펠러, 로터 등에서 발생하는 반복적인 소음은 주기적인 특성을 가지므로 분석과 상쇄가 용이하기 때문이다.

최근 휴대폰은 음성 신호에서 주변 소음을 제거하기 위해 여러 개의 마이크를 사용하기도 한다. 입에서 가장 멀리 떨어진 마이크는 소음 신호를, 가장 가까운 마이크는 원하는 음성 신호를 포착한다. 이 신호들을 처리하여 음성 신호에서 소음을 제거함으로써 통화 품질을 개선한다.

능동 진동 제어 기술 또한 소음 제어에 활용될 수 있다. 구조물의 진동이 주변 공기나 물과 결합하여 소음을 발생시킬 때 이 방법을 사용하면 효과적이다.

닛산 자동차의 U13형 블루버드는 실내 정숙성을 위해 능동 소음 제어 기술을 채택한 예시이다.

구급차에서는 사이렌 소리를 줄여 구호자의 심리적 압박감을 줄이고, 의료기관과의 무선 통화 명료도를 높이기 위해 능동 소음 제어 기술이 사용된다. 사이렌 앰프에서 전기적으로 신호를 얻어 정돈된 역위상 파형을 생성하므로 효과가 높다.

여객기인 사브 340은 터보프롭 엔진으로 인한 객실 내 소음을 줄이는 데 능동 소음 제어 기술을 활용한다. 지상에서 제트 엔진 시운전 시에는 격납고와 일체화된 소음 장치를 사용하여 소음을 줄인다.

5. 3. 기타 응용 분야

응용 분야는 보호할 구역의 유형에 따라 '1차원' 또는 3차원일 수 있다. 주기적인 소리는 파형의 반복성 때문에 무작위적인 소리보다 더 쉽게 상쇄된다.

'1차원 구역'의 보호는 더 쉽고 효과를 내기 위해 하나 또는 두 개의 마이크와 스피커만 필요하다. 여러 상업적 응용 분야가 성공을 거두었다. 노이즈 캔슬링 헤드폰, 능동형 소음기, 반코골이 장치, 노래방 기기의 보컬 또는 센터 채널 추출, 에어컨 덕트의 소음 제어 등이 있다. '1차원'이라는 용어는 소음과 능동형 스피커 사이(기계적 소음 감소) 또는 능동형 스피커와 청취자 사이(헤드폰)의 간단한 피스톤 관계를 나타낸다.

3차원 구역의 보호는 많은 마이크와 스피커가 필요하므로 비용이 더 많이 든다. 소음 감소는 단일 청취자가 정지해 있는 경우 더 쉽게 달성되지만, 여러 청취자가 있거나 단일 청취자가 머리를 돌리거나 공간 전체를 이동하면 소음 감소 과제가 훨씬 더 어려워진다. 고주파 음파는 공기 중의 비교적 짧은 음파장 때문에 3차원에서 감소시키기 어렵다. 약 800 Hz의 정현파 소리의 공기 중 파장은 평균적인 사람의 왼쪽 귀에서 오른쪽 귀까지의 거리의 두 배이다.[1] 이러한 소리가 정면에서 직접 오면 능동형 시스템으로 쉽게 감소되지만 측면에서 오면 한쪽 귀에서는 상쇄되는 경향이 있고 다른 쪽 귀에서는 강화되어 소리가 더 부드러워지지 않고 더 커진다. 1000 Hz 이상의 고주파 소리는 여러 방향에서 예측할 수 없이 상쇄되고 강화되는 경향이 있다. 요컨대, 3차원 공간에서 가장 효과적인 소음 감소는 저주파 소리를 포함한다. 3차원 소음 감소의 상업적 응용 분야에는 항공기 객실 및 자동차 내부 보호가 포함되지만, 이러한 상황에서 보호는 주로 엔진, 프로펠러 또는 로터로 인한 소음과 같은 반복적인(또는 주기적인) 소음의 상쇄로 제한된다. 이는 엔진의 순환적 특성으로 인해 분석 및 소음 상쇄를 더 쉽게 적용할 수 있기 때문이다.

최신 휴대폰은 음성 신호에서 주변 소음을 상쇄하기 위해 다중 마이크 설계를 사용한다. 소리는 입에서 가장 멀리 떨어진 마이크(소음 신호)와 입에 가장 가까운 마이크(원하는 신호)에서 캡처된다. 신호는 원하는 신호에서 소음을 상쇄하여 음성 음질을 개선하도록 처리된다.

어떤 경우에는 능동 진동 제어를 사용하여 소음을 제어할 수 있다. 이 접근 방식은 구조물의 진동이 주변 공기나 물로 진동을 결합하여 원치 않는 소음을 발생시킬 때 적합하다. 실내 정숙성이 중요시되는 승용차에 채용되는 경우가 있다. 닛산 자동차의 U13형 블루버드가 그 한 예이다.

구급차의 차내에도 사이렌 소리를 완화하기 위해 채용되어, 구호자의 심리적 압박감 경감과 의료기관과의 무선 통화 명료도 확보에 도움이 된다. 소음원(사이렌 소리)을 소리로서 마이크로 줍는 것이 아니라 사이렌 앰프에서 전기적으로 얻기 때문에 정돈된 역상 파형을 생성할 수 있어 효과가 높다.

여객기인 사브 340에서는, 터보프롭에 의한 객실 내 소음 저감에 사용되고 있다. 지상에서 제트 엔진의 시운전을 할 때, 소음을 경감하기 위해 격납고와 일체화된 소음 장치가 사용된다.

6. 한국 기업

삼성의 갤럭시 버즈 시리즈는 노이즈 캔슬링 기술을 적용하여 주변 소음을 효과적으로 줄여준다. LG의 톤 프리 시리즈 역시 노이즈 캔슬링 기능을 제공하여 사용자에게 몰입감 있는 청취 경험을 제공한다.

7. 비판 및 한계



노이즈 캔슬러는 헤드폰이나 휴대용 음악 재생 장치에 내장되어 주변 소음을 줄이는 기술이다. 내장된 마이크로폰으로 주변 소리(환경음)를 수음하고, 이것과 역위상 신호를 오디오 신호와 혼합하여 출력한다. 헤드폰 재생의 경우, 수음한 환경음에 재생음이 거의 섞이지 않아 간단한 전자 회로로도 효과를 얻을 수 있어, 1990년대부터 상품화되었다. 소니의 워크맨이나 Xperia (소니 모바일 커뮤니케이션즈 제품) 등에서는 "디지털 노이즈 캔슬링 기능"이라고 부른다.

7. 1. 기술적 한계

노이즈 캔슬러는 저음은 제거할 수 있지만, 파장이 짧은 고음에 대해서는 제거하기 어렵다는 단점이 있다.[4]

참조

[1] 서적 Understanding and crafting the mix: the art of recording https://books.google[...] Focal Press
[2] 웹사이트 Active Noise Control https://web.archive.[...] 2005-12
[3] 웹사이트 Evaluation of an Improved Active Noise Reduction Microphone using Speech Intelligibility and Performance-Based Testing, n.d. https://web.archive.[...] 2020-09-23
[4] 웹사이트 "「機械学習×音響」立命館大学教授兼ソニックアークCTO西浦教授が語る「音響工学の最前線」" https://metoree.com/[...] 2021-07-02
[5] 웹인용 Evaluation of an Improved Active Noise Reduction Microphone using Speech Intelligibility and Performance-Based Testing, n.d. https://web.archive.[...] 2016-11-01


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