원격 레이저 진동계 기반 초광대역 액티브 노이즈 제어

본 논문은 고주파 영역에서의 로컬 액티브 노이즈 제어(local ANC) 구현을 위해 ‘가상 ANC 헤드폰’이라는 새로운 개념을 제시한다. 전통적인 ANC 헤드레스트는 보조 스피커와 오류 마이크를 사용자가 착용하는 좌석에 배치하지만, 마이크와 스피커가 귀와 멀리 떨어져 있기 때문에 고주파(>1 kHz)에서의 압력 차이가 커져 제어 효율이 급격히 떨어진다. 이를 보완하기 위해 저자들은 레이저 도플러 진동계(LDV)를 이용한 원격 음향 센싱 방식을 도입하였다. 시스템은 다음과 같이 구성된다. (1) 두 개의 보조 스피커가 사용자의 머리 뒤쪽에 0.44 m 거리, 45° 각도로 배치되어 각각 좌·우 귀에 반대 위상의 신호를 방출한다. (2) 귀 외이도의 cavum concha 부위에 초소형 반사막(두께 0.1 mm, 직경 9.2 mm, 질량 0.2 g)으로 만든 멤브레인 픽업을 부착한다. 이 멤브레인은 레이저 빔을 반사시켜 진동에 따라 반사광의 위상이 변하고, LDV가 이를 속도 신호로 변환한다. (3) LDV는 20 Hz ~ 22 kHz 대역을 측정 가능하며, 측정된 속도 신호를 직접 오류 신호로 사용한다. (4) 머리 움직임을 보정하기 위해 카메라 기반 트래킹 시스템이 설치되어, 갤vano‑미러를 구동해 레이저 빔을 멤브레인 중심에 지속적으로 고정한다. 실험은 Brüel & Kjær 타입 4128‑C 헤드·토르소 시뮬레이터(HATS)를 이용해 진행되었다. 먼저 멤브레인 위치 최적화를 위해 네 가지 후보 위치(전면 귀바퀴, 삼각연, cavum concha, 귓볼)를 시험하였다. cavum concha에 부착했을 때 전체 500 Hz ~ 6 kHz 대역에서 평균 14.2 dB 감쇄(전체 SPL 77.7 dB → 63.5 dB)를 달성했으며, 특히 4 kHz 이상에서도 감쇄가 유지되었다. 다른 위치는 4 kHz 이하에서만 유의한 감쇄를 보였고, 이는 해당 부위에서 측정된 압력이 실제 외이도 압력과 상관성이 낮아 제어 대역이 제한된 결과이다. 다음으로 다양한 소음 환경에서 시스템 성능을 평가하였다. (①) 단일 후방 스피커가 0.6 m 거리에서 작동하는 경우, ANC 적용 시 좌·우 귀 각각 약 15 dB 감쇄(78 dB → 63 dB)가 이루어졌다. (②) 양측 전방 스피커가 동시에 작동하는 복합 환경에서도 10 dB 이상 감쇄가 지속되었으며, 주파수 대역은 500 Hz ~ 6 kHz 전역에 걸쳐 일관되었다. (③) 다중 반사체와 복잡한 방사형 소음 상황에서도 동일한 감쇄 수준을 유지했다. 모든 실험은 15 s 데이터 평균을 사용했으며, ANC 컨트롤러는 32 kHz 샘플링, 1024‑tap FIR 필터를 적용하였다. 동적 상황을 검증하기 위해 머리 회전·이동을 유발하는 트래킹 실험을 수행하였다. 카메라 기반 트래킹 시스템이 레이저 빔을 실시간으로 재조정함으로써, 머리 움직임이 있더라도 멤브레인에 대한 측정 정확도가 크게 변하지 않았고, 결과적으로 감쇄 성능이 1 dB 이하로 감소하는 수준에 머물렀다. 본 연구는 기존 4마이크·헤드 트래킹 기반 가상 센싱이 1 kHz 이하에서만 효과적이었던 한계를 크게 확장한다는 점에서 혁신적이다. 레이저와 초소형 반사막만을 사용함으로써 전자 마이크, 배터리, 케이블 등 부피·무게·전력 소모를 최소화하고, 사용자는 거의 무게감 없는 ‘귀걸이’ 정도의 부착물만 착용하면 된다. 그러나 LDV는 고가 장비이며 레이저 안전성·시야 확보가 필요하므로 상용화 단계에서는 비용 절감 및 소형화 기술이 추가로 요구된다. 향후 연구에서는 저비용 광학 센서 개발, 다채널(양쪽 귀) 동시 제어, 그리고 실제 인간 피험자를 대상으로 한 청각 인지 평가 등을 진행할 계획이다.