외부 신호 차단 및 선택적 내부 출력 장치

외부 신호 차단 및 선택적 내부 출력 장치

 

【발명의 설명】

【발명의 명칭】

외부 신호 차단 및 선택적 내부 출력 장치{Signal Blocking and Selective Internal Output System}

【기술분야】

본 발명은 외부 환경에서 발생하는 음향을 포함한 다양한 신호를 사용자가 위치한 내부 공간으로 전달하는 과정에서, 불필요한 신호는 차단 또는 감쇄하고 사용자가 필요로 하는 신호만을 선택적으로 출력하도록 하는 신호 처리 기술에 관한 것이다.

보다 구체적으로는 이어폰, 헤드셋, 귀마개형 장치, 헬멧, 건축물 내부, 차량 캐빈 등 외부와 내부가 구분되는 모든 환경에서 적용 가능한 외부 신호 차단 및 선택적 청취 시스템에 관한 것이다.

 

【발명의 배경이 되는 기술】

현대 사회에서 사용자는 교통 소음, 산업현장의 기계 소음, 도심의 혼합 소음, 공연장이나 체육관의 고출력 음향 등 매우 높은 수준의 외부 소음 환경에 자주 노출된다. 이러한 소음은 청력 손실, 피로도 증가, 집중력 저하, 스트레스 증가 등 다양한 건강 문제를 유발한다.

종래에는 외부 소음을 줄이기 위하여 귀를 덮는 이어머프, 귀마개, 차음재를 이용한 수동 소음 차단 수단이 사용되어 왔고, 최근에는 주변 소음을 마이크로 수집하여 역위상 신호를 생성함으로써 소음을 상쇄하는 능동 소음제거 이어폰 또는 헤드폰이 널리 사용되고 있다. 예를 들어 미국 특허 US 5,182,774호 Noise cancellation headset, 미국 공개특허 US 2010-0142718호 Noise cancelling headphone, 유럽 공개특허 EP 2 131 354호 Noise-cancelling headphone, 중국 실용신안 CN 204291323 U호 A kind of diamylose noise cancelling headphone structure 등이 개시되어 있다.

이들 선행기술에서는 마이크로 외부 소음을 수집한 뒤, 역위상 신호를 생성하여 귀에 인가함으로써 외부 소음을 감소시키거나, 하우징 구조와 흡음 구조를 최적화하여 소음을 저감하는 데 중점을 두고 있다.

그러나 선행기술에는 다음과 같은 한계가 있다.

첫째, 사용자가 진짜로 듣고 싶은 신호와 듣고 싶지 않은 신호를 논리적으로 구분하여, 필요 신호만 선택적으로 듣게 하는 개념이 부족하다. 대부분의 기술은 소음을 줄이는 데 목적이 있으며, 특정 사람의 음성, 사용자의 이름을 부르는 말, 특정 경보음, 특정 패턴의 발자국 소리 등 의미 있는 신호를 선택적으로 강조하는 기능이 충분히 고려되어 있지 않다.

둘째, 사용자가 사전에 특정 단어, 특정 화자, 특정 패턴의 소리를 지정하고, 그 외의 신호는 모두 차단 또는 강하게 감쇄하는 방식의 선택적 청취 개념이 선행기술에서는 제대로 구현되어 있지 않다.

셋째, 인공지능을 이용하여 외부에서 발생하는 여러 신호의 패턴을 분석하고, 예를 들어 뒤에서 점점 가까워지는 발자국 소리, 차량이 급접근하는 소리, 비명이나 싸움 소리 등 위험 또는 주의가 필요한 신호를 자동으로 탐지하여 강조 출력하는 구조가 충분히 개시되어 있지 않다.

넷째, 귀를 기준으로 한 장치 구조에 한정되거나 특정 이어폰·헤드폰 구조에 묶여 있는 경우가 많아, 건축물 내부 공간, 차량 캐빈, 산업현장용 통신 시스템 등 외부와 내부가 구분되는 다양한 환경 전체에 일반적으로 적용하기 어렵다.

따라서 외부에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호를 근본적으로 외부와 내부 사이에서 차단 또는 감쇄하면서, 그 신호를 별도로 수집·분석하여 사용자가 선택하거나 인공지능이 필요하다고 판단한 신호만을 내부로 출력하는 보다 일반적이고 포괄적인 시스템이 요구된다. 이와 함께, 외부 소음으로 인한 청력 손상을 줄이고, 동일한 의미 정보에 대하여 더 낮은 음압으로 청취할 수 있도록 함으로써 청력 보호 효과를 제공할 수 있는 시스템이 요구된다.

 

【선행기술문헌】

【특허문헌】

특허문헌 1· 미국 특허 US 5,182,774호, Noise cancellation headset구글 특허

특허문헌 2· 미국 공개특허 US 2010-0142718호, Noise cancelling headphone구글 특허

특허문헌 3· 유럽 공개특허 EP 2 131 354호, Noise-cancelling headphone구글 특허

특허문헌 4· 중국 실용신안 CN 204291323 U호, A kind of diamylose noise cancelling headphone structure

【비특허문헌】

문헌1 Spatially Selective Active Noise Control Systems

발행처 arXiv

문헌2 High Noise Industrial Environment Communication Research Paper

발행처 IEEE

문헌3 Urban Sound Classification Using Deep Learning

발행처 Springer

【발명의 내용】

【해결하고자 하는 과제】

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는, 외부 환경에서 발생하는 다양한 음향 및 기타 신호를 사용자가 위치한 내부로 직접 전달하지 않고 근본적으로 차단 또는 감쇄하면서, 그 중 사용자가 진정으로 필요로 하는 신호만을 선택적으로 들을 수 있게 하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는, 사용자가 사전에 지정한 특정 단어, 특정 패턴의 신호, 특정 화자의 음성 뿐만 아니라, 인공지능 분석을 통해 위험 또는 주의가 필요한 것으로 판단된 신호를 자동으로 구분하여, 해당 신호만을 내부로 출력하고 나머지 신호는 출력하지 않도록 함으로써 안전성과 편의성을 동시에 향상시키는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는, 외부 소음이 매우 큰 산업현장이나 건설현장과 같이 사람의 말소리가 소음에 묻히기 쉬운 환경에서도, 기계 소음 등 불필요한 소음은 차단 또는 강하게 감쇄하면서 사람과 사람 간의 대화 음성만을 선택적으로 듣게 함으로써 작업 효율과 안전성을 높이는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 제4 과제는, 외부 소음을 차단 또는 감쇄함으로써 사용자의 귀에 전달되는 전체 음압을 낮추고, 사용자가 적절한 크기의 음량으로 음악이나 방송을 청취하면서도 필요한 외부 신호를 선택적으로 들을 수 있도록 하여 청력 보호에 기여하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 제5 과제는, 이어폰·헤드셋뿐 아니라 다양한 외부와 내부가 구분된 시스템에 적용 가능한, 외부 신호 차단 및 선택적 청취 개념을 포괄적으로 정의하여, 건축물, 차량, 기계 장치 등으로 그 적용 범위를 확장할 수 있는 기반 기술을 제공하는 것이다.

【과제의 해결 수단】

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 외부 신호 차단 및 선택적 청취 시스템은 다음과 같은 기본 개념을 포함한다.

첫째, 외부 영역에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호는 외부와 내부 사이의 경계에서 물리적으로 차단 또는 감쇄된다. 여기서 외부 영역은 사용자가 위치한 내부 공간의 밖에 존재하는 환경 전체를 의미하며, 내부 영역은 사용자의 청취 공간 또는 장치 내부를 의미한다. 귀에 장착되는 이어폰·헤드셋의 경우 외부는 이어폰 외측, 내부는 이어폰 내부 공간이 될 수 있고, 건축물의 경우 외부는 건물 밖, 내부는 실내 공간이 될 수 있다.

둘째, 외부에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호는 차단 또는 감쇄와는 별도로 수집부에 의해 전기적 또는 디지털 신호 형태로 수집된다. 이 때 음향 신호는 마이크로폰, 진동 센서, 압전 센서 등을 통해 수집될 수 있으며, 필요에 따라 기타 전자파 신호나 센서 신호도 포함될 수 있다.

셋째, 수집된 신호는 분석부에서 전처리, 주파수 분석, 시간 패턴 분석, 패턴 인식, 인공지능 모델을 이용한 분류 과정을 거쳐, 사람의 음성, 사용자가 사전에 등록한 특정 단어, 특정 이름, 특정 화자의 음성, 특정 경보음, 특정 기계음, 발자국 소리와 같이 의미를 가지는 신호인지 여부, 그리고 위험 또는 주의가 필요한 신호인지 여부가 판단된다. 예를 들어 뒤에서 사용자를 향해 점점 가까워지는 발자국 소리, 빠른 속도로 접근하는 차량 소리, 비명 소리, 싸움 소리 등은 인공지능 분석 결과에 따라 위험 또는 경고가 필요한 신호로 분류될 수 있다.

넷째, 선택 제어부는 사용자가 미리 지정한 조건과 인공지능 분석 결과를 함께 고려하여, 어떤 신호를 내부로 출력할지를 결정한다. 사용자는 자신의 이름, 가족 이름, 동료 이름, 특정 단어, 특정 경보음을 키워드로 등록할 수 있고, 사람의 대화 음성 전체를 허용하는 모드, 위험 신호만 허용하는 모드, 모든 외부 신호를 차단하는 모드 등 다양한 모드를 선택할 수 있다.

다섯째, 출력부는 선택 제어부에서 선택된 신호만을 내부로 출력한다. 출력 시에는 신호의 종류에 따라 크기를 조절할 수 있으며, 예를 들어 일반 대화음은 편안한 음량으로, 위험 신호로 분류된 발자국 소리나 경보음은 더 크게 또는 더 두드러지게 재생하여 사용자의 주의를 환기시킬 수 있다. 반대로 선택되지 않은 신호는 내부로 출력되지 않으며, 사용자는 외부의 실제 소음 환경과 무관하게 조용한 내부 환경 속에서 선택된 신호만을 듣게 된다.

여섯째, 본 발명은 이러한 구조를 귀에 착용하는 이어폰·헤드셋·귀마개형 장치에 적용하는 경우뿐 아니라, 산업현장용 헬멧, 건설현장용 통신 장비, 공장 내 작업자 통신 시스템, 차량 내부 음향 시스템, 건축물 실내 음향 시스템 등 외부와 내부가 구분되는 다양한 환경에 동일한 개념으로 적용될 수 있도록 설계된다.

【발명의 효과】

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 사용자는 외부에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호가 내부로 직접 유입되지 않는 상태에서, 자신이 미리 지정한 특정 단어, 특정 패턴의 신호, 특정 화자의 음성 또는 인공지능 분석을 통해 위험 또는 주의가 필요한 것으로 판단된 신호만을 선택적으로 들을 수 있게 된다. 그 결과 불필요한 소음은 근본적으로 차단되면서, 필요한 정보는 놓치지 않는 선택적 청취 환경이 제공된다.

둘째, 외부 소음이 매우 큰 산업현장, 건설현장, 공장 등에서도 본 발명을 적용하면 기계 소음, 타격음, 배경 소음 등은 강하게 차단 또는 감쇄하면서 작업자들 사이의 대화 음성만 선택적으로 내부로 출력할 수 있다. 예를 들어 매우 시끄러운 건설현장에서, 외부에서 보면 주변 기계들은 큰 소음을 발생시키고 있으나, 본 발명을 적용한 장치를 착용한 작업자들은 서로의 말소리만 선명하게 들으면서도 기계 소음은 거의 듣지 않는 상태에서 편안하게 의사소통을 할 수 있다. 이는 작업 효율과 안전성을 동시에 향상시킨다.

셋째, 야간이나 어두운 골목길에서 사용자가 음악을 듣고 있는 경우에도, 본 발명을 통해 외부 음향을 포함한 신호는 차단 또는 감쇄된 상태에서 수집·분석되고, 인공지능이 위험 가능성이 높은 발자국 소리나 급접근하는 차량 소리, 싸움 소리, 비명 등을 탐지하면 해당 신호만을 선택적으로 크게 출력하여 사용자에게 경고할 수 있다. 이를 통해 사용자의 안전을 보다 적극적으로 지원할 수 있다.

넷째, 외부 소음을 차단 또는 감쇄한 상태에서 내부 출력 음량을 사용자의 청력 상태에 맞게 조절함으로써, 외부 소음까지 포함하여 과도하게 큰 음량으로 음악이나 방송을 듣는 기존 환경과 비교하여, 같은 정보량을 훨씬 낮은 음압으로 전달할 수 있다. 이는 청력 보호와 소음성 난청 예방에 기여한다.

다섯째, 본 발명은 이어폰·헤드셋 등 귀에 직접 착용하는 장치뿐 아니라 다양한 외부·내부 구조에 일반적으로 적용될 수 있는 개념으로 설계되어, 건축, 차량, 산업설비, 웨어러블 기기 등 여러 산업 분야에서 공통적으로 이용될 수 있는 기반 기술로 활용될 수 있다.

【발명을 실시하기 위한 구체적인 내용】

본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

실시예 1· 이어폰 형태의 적용 예

본 실시예에서 외부 영역은 사용자의 귀 바깥쪽 환경, 내부 영역은 이어폰 하우징 내부 및 사용자의 고막 근처 공간으로 정의된다.

이어폰 외측에는 외부 음향을 포함한 신호를 수집하기 위한 마이크로폰이 배치되어, 교통 소음, 사람 목소리, 기계 소음, 발자국 소리 등 외부에서 발생하는 다양한 음향을 수집한다.

이어폰 자체의 구조, 완충 패드, 차음재, 또는 내부의 능동 차단 회로를 통해 외부에서 내부로 직접 전파되는 음향 에너지는 차단 또는 감쇄된다. 이로써 사용자는 외부 소음을 거의 직접 듣지 않게 된다.

수집된 음향 신호는 이어폰 내부 또는 연결된 스마트폰, 웨어러블 기기, 외부 처리 장치에서 디지털 신호로 변환된 후 분석부로 전달된다. 분석부는 전처리, 잡음 제거, 음성 인식, 키워드 스팟팅, 화자 인식, 패턴 인식, 딥러닝 기반 분류 모델 등을 이용하여, 사람의 대화음인지, 사용자의 이름을 부르는 소리인지, 특정 경보음인지, 뒤에서 접근하는 발자국 소리인지, 위험도와 관련된 신호인지 등을 판단한다.

사용자는 전용 애플리케이션이나 장치 설정을 통해, 자신의 이름, 가족 이름, 동료 이름, 자주 사용하는 호출어, 특정 경보음 등을 키워드로 등록할 수 있으며, 사람 대화음 전체를 허용하는 모드, 키워드가 포함된 음성만 허용하는 모드, 위험 신호만 허용하는 모드 등을 선택할 수 있다.

선택 제어부는 이러한 설정과 분석 결과를 기준으로 어떤 신호를 내부로 출력할지 결정하고, 출력부는 선택된 신호만을 이어폰 스피커를 통해 사용자에게 출력한다. 이 때 위험으로 분류된 신호는 상대적으로 더 큰 음량 또는 강조된 톤으로 출력하여 사용자 주의를 환기할 수 있다.

실시예 2· 산업현장 통신 시스템에의 적용 예

본 실시예에서 외부 영역은 공장이나 건설현장과 같은 산업현장의 환경 전체, 내부 영역은 작업자가 착용한 헬멧 내부 공간 또는 귀 근처 통신 장치 내부로 정의된다.

공장 내부에는 대형 모터, 프레스 기계, 용접 장비 등이 작동하면서 매우 큰 배경 소음을 발생시킨다. 본 발명에 따른 시스템을 적용하면, 헬멧이나 귀마개형 통신 장치가 외부와 내부 사이에서 기계 소음이 직접 사용자 귀로 전달되지 않도록 차단 또는 강하게 감쇄한다.

한편, 헬멧 또는 작업복에 장착된 마이크로폰 어레이가 외부에서 발생하는 사람의 음성, 기계 소리, 경보음 등을 수집한다. 분석부는 이 신호들 중 사람의 대화음, 작업 지시 음성, 비상 정지 명령, 경보음을 구분하여 분류하고, 선택 제어부는 사람의 말소리와 경보음은 내부로 전달하되, 일반적인 기계 소음은 출력하지 않도록 제어한다.

그 결과 작업자는 주위 기계 소음은 거의 듣지 않으면서도, 동료와의 대화나 지시 사항, 경보음은 또렷하게 듣게 될 수 있다. 외부에서 보면 공장은 여전히 매우 시끄럽지만, 본 발명에 따른 시스템을 착용한 작업자들 사이에서는 마치 조용한 환경에서 대화하듯 편안한 의사소통이 가능하다.

실시예 3· 개인 안전 지원 예

사용자가 야간에 음악을 들으며 걷고 있는 상황에서, 본 발명의 시스템은 외부 음향을 포함한 모든 신호를 차단 또는 감쇄하면서 동시에 마이크로폰을 통해 외부 음향을 수집한다.

분석부는 수집된 신호 중에서 사용자의 뒤쪽에서 발생하는 발자국 소리 패턴, 발자국 간격 변화, 속도 변화를 분석하여, 사용자를 향해 일정한 거리 이상 지속적으로 접근하는 패턴이 탐지되면 위험 가능성이 있는 상황으로 판단할 수 있다. 또한 급가속 차량이 사용자 쪽으로 접근하는 소리, 비명, 싸움 소리 등도 위험 또는 주의가 필요한 신호로 분류된다.

선택 제어부는 이러한 신호를 선택하여 내부로 크게 출력하고, 필요 시 경고음이나 음성 안내를 통해 사용자의 주의를 환기시킬 수 있다. 이 과정에서 일반적인 배경 소음이나 의미 없는 대화음은 출력하지 않으므로, 사용자는 불필요한 소음 없이 위험 관련 신호에만 집중할 수 있다.

실시예 4· 개념 확장 예

본 발명에서 외부 신호는 음향뿐 아니라 진동 신호, 특정 센서 신호, 전자파 신호 등으로 확장될 수 있으며, 내부 출력도 음향뿐 아니라 시각 출력, 촉각 출력 등으로 확장될 수 있다. 다만 본 발명의 기본 개념은 외부에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호를 내부로의 직접 전달 경로에서 차단 또는 감쇄함과 동시에, 수집·분석한 신호 중 일부만 선택적으로 내부로 출력하는 데 있다.

따라서 구체적인 하드웨어 구조, 센서 종류, 인공지능 모델의 구성, 출력 형태 등은 다양한 변형이 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 모두 본 발명의 실시예로 볼 수 있다.

【청구범위】

【청구항 1】

외부에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호를 수집하여, 상기 외부에서 상기 내부로 전파되는 상기 신호를 차단 또는 감쇄함과 동시에, 사용자가 미리 지정한 특정 단어 또는 특정 패턴의 신호 또는 인공지능 분석을 통해 위험 또는 주의가 필요한 신호로 판단된 신호만을 선택하여 상기 내부로 출력하도록 구성된 외부 신호 차단 및 선택적 청취 장치.

【요약서】

【요약】

본 발명은 외부 환경에서 발생하는 음향을 포함한 모든 신호를 사용자가 위치한 내부 공간으로 직접 전달하지 않고 차단 또는 감쇄하면서, 수집된 신호 중 사용자가 미리 지정한 특정 단어, 특정 패턴의 신호 또는 인공지능 분석을 통해 위험 또는 주의가 필요한 것으로 판단된 신호만을 선택하여 내부로 출력하는 외부 신호 차단 및 선택적 청취 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 이어폰·헤드셋·귀마개형 장치뿐 아니라 산업현장용 통신 장비, 건축물 실내 음향 시스템 등에 적용될 수 있으며, 불필요한 소음은 근본적으로 차단하면서 사람의 대화, 경보음, 위험 신호 등 필요한 정보만을 선택적으로 들을 수 있게 함으로써 청력 보호, 안전성 향상, 작업 효율 증대에 기여한다.