초음파 사운드 시스템(HSS) 완벽 가이드: 차세대 지향성 오디오 기술

HSS

레이저에서 빛이 반반사판과 반사판 사이를 오가는 원리를 아시나요? 만약 소리로 비슷한 걸 만들 수 있다고 하면 믿으시겠어요? 가능합니다! 필요한 건 초음파 사운드 시스템(Hypersonic Sound System, HSS)뿐입니다.

중첩 원리(principle of superposition)를 이용한 HSS는 세기 최고의 사운드 재생 기술 중 하나입니다.

중첩 원리

HSS는 기존 스피커에서 벗어나 지향성 방송을 제공합니다. 하지만 이건 빙산의 일각일 뿐입니다.

그래서 HSS가 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 응용 분야와 장단점을 알려드리고자 이 글을 썼습니다.

준비되셨나요? 시작해 봅시다!

초음파 사운드 기술(HSS)이란?

초음파 사운드 시스템은 사운드 공학에서 가장 인상적인 접근법 중 하나입니다. 아메리칸 테크놀로지 코퍼레이션(American Technology Corporation)이 개발한 이 혁신 기술은 한 가지 큰 장점이 있습니다. 크로스오버, 트위터 요소, 인클로저, 우퍼 같은 복잡한 회로를 사용하지 않습니다.

복잡한 회로 기판 클로즈업

또한 거의 모든 오디오 주파수 대역의 특성을 제공합니다.

하지만 HSS가 정확히 무엇일까요?

HSS는 무해한 초음파를 이용해 어떤 환경에서든 가청 소리를 만드는 장치입니다.

초음파 기술

보통 우리는 이 초음파 톤을 들을 수 없습니다. 하지만 이 톤들이 공기의 특성을 이용해 우리가 들을 수 있는 다른 톤들을 만듭니다. 이로써 가청 소리가 생성됩니다.

가장 좋은 점은?

이 사운드 시스템의 소리는 한 방향으로만 이동합니다. 소리는 HSS 유닛의 뒤나 옆으로 퍼지지 않습니다. 원하는 곳에만 소리를 낼 수 있을 뿐 아니라 소음 공해도 줄여줍니다.

HSS 시스템 작동 원리

HSS 시스템 기술은 비선형성(non-linearity) 특성을 이용해 동작합니다. 비선형성은 파동의 지속적인 수축과 팽창을 통해 파동 내부에 새로운 파동을 만드는 공기의 특성입니다.

여기서 시스템은 입력 오디오 신호에 따라 변조된 초음파를 변조파로 사용합니다. 이 파동이 공기를 통과할 때 우리가 들을 수 있는 새로운 가청 주파수(약 20Hz~20kHz)를 생성합니다. 초음파는 우리가 들을 수 없으므로 초음파로 인한 방해는 없습니다. 오직 새로 생성된 소리만 인간의 귀에 들립니다.

또한 초음파 트랜스듀서 구조는 다음 섹션/구성 요소로 이루어집니다:

SMPS

다른 전자 시스템처럼 HSS 시스템도 고도로 필터링된 SMPS에서 전력을 얻습니다. SMPS는 대부분 시스템에서 멀티 전압 전원 공급 장치로 발견됩니다. 출력 전력에 따라 공급 전압이 달라집니다(12V~60V).

오디오 신호 처리 장치

파나소닉 오디오 회로 기판

오디오 신호 처리 장치는 모든 오디오 입력을 디코딩하고 감지할 수 있는 고급 오디오 회로를 사용합니다.

요구사항에 따라 필터링해 디지털 프리앰프 유닛으로 보냅니다.

최대 11.2채널 plus 돌비(DOLBY)와 DTS까지 다양한 종류의 입력을 이 처리 장치에 사용할 수 있습니다. 이 유닛은 이퀄라이제이션과 기타 다이나믹 컨트롤도 제어합니다.

마이크로컨트롤러 유닛

아두이노 마이크로컨트롤러 유닛

이 유닛이 필요한 모든 오디오 조정을 수행합니다. 이 시스템에는 16~32비트 마이크로컨트롤러가 사용됩니다.

디지털 오디오 프리앰프

디지털 오디오 프리앰프 회로 기판

여기서 디지털 오디오 프리앰프는 오디오 신호 프로세서에서 넘어온 디코딩된 오디오의 프리앰플리케이션을 처리합니다.

이게 완료되면 프리앰프된 오디오가 초음파 변조기로 전달됩니다.

가변 캐리어 주파수 발진기 (Variable Carrier Frequency Oscillator, VCFO)

VCFO는 변조를 위한 초음파 캐리어 파동을 생성하는 초음파 발진기 회로입니다. 40kHz 이상의 주파수로 이런 진동을 만드는 데 초음파 크리스탈 발진기가 흔히 사용됩니다.

다이나믹 DSB 변조기 (Dynamic DSB Modulator)

이 유닛은 오디오 신호와 초음파 변조를 수행합니다. 여기서 고주파 초음파가 입력 디지털 오디오와 변조돼 HF 변조파를 생성합니다. 기타 HF 교란도 필터링합니다. DSB 시스템에서는 변조 지수를 낮춰 모든 왜곡을 억제할 수 있습니다.

초음파 파워 앰프

초음파 파워 앰프 회로 기판

초음파 파워 앰프는 시스템 출력 전력을 다루는 HF 파워 앰프입니다. 시스템이 출력 단계에서 전달할 수 있는 전력을 증가시킵니다. 또한 이는 HSS 증폭기 유닛의 마지막 단계입니다.

증폭이 완료되면 신호가 단일 막 트랜스듀서로 공급돼 전송됩니다.

단일 막 트랜스듀서 (Monolithic Film Transducers)

단일 막 트랜스듀서는 HSS 파동을 공기 중으로 출력하는 마지막 유닛입니다. 압전 폴리비닐리덴 트랜스듀서가 이 유닛에 가장 좋은 트랜스듀서 중 하나입니다. 트랜스듀서는 초음파 파워 앰프에서 전달된 신호를 공기 중으로 방출합니다. 또한 초음파는 한 방향으로만 초점이 맞춰집니다(손전등처럼). 따라서 인간은 HSS 사운드 빔 범위 내에서만 오디오를 들을 수 있습니다.

HSS 시스템은 실제로 어떻게 작동하는가?

실제 작동 방식은 이렇습니다:

하이퍼소닉 사운드 시스템은 CD 플레이어 같은 오디오 프로그램 소스, HSS 신호 프로세서, 초음파 증폭기에서 전력을 공급받는 초음파 이미터/트랜스듀서로 구성됩니다. 신호 프로세서는 음성이나 음악을 매우 복잡한 초음파 신호로 변환한 후 트랜스듀서가 오디오 신호를 증폭해 공기 중으로 전송합니다.

초음파 에너지가 고도로 지향성이므로 이미터 바로 앞에 가상의 사운드 기둥(virtual column of sound)을 형성합니다. 손전등 빔과 유사합니다. 따라서 공기는 그 초음파 기둥을 따라 우리가 초음파로 변환하기 전에 만든 소리를 모두 새로 생성합니다. 우리가 초음파 기둥에서 생성된 소리만 들을 수 있으므로, 기존 스피커처럼 사방으로 퍼지지 않고 초음파 에너지 기둥 내에 머뭅니다.

따라서 소리를 들으려면 귀가 초음파 기둥과 일직선이어야 하거나, 딱딱한 표면에서 반사된 소리를 들어야 합니다. 예를 들어 초음파 이미터를 벽 쪽으로 향하게 하면 벽이 반사해주는 소리만 들립니다. 어두운 환경에서 손전등을 벽에 비추는 것과 더 비슷해집니다. 손전등 빛은 안 보이고 벽의 빛 점만 보입니다. HSS도 똑같이 작동하지만 보는 대신 벽이 반사하는 사운드 빔을 듣습니다. 스테레오의 경우 오디오 채널마다 별도 초음파 이미터가 필요합니다. 좌측 채널용 하나, 우측 채널용 하나.

초음파 사운드 시스템의 응용

HSS 기술은 광범위한 응용 분야를 가집니다. 첫째이자 가장 중요한 것은 소리를 좁은 빔으로 집중/지향시키는 지향성 사운드 시스템입니다. 즉, 지나가는 행인은 여러분의 오디오를 듣지 못합니다.

이 사운드 재생 기술은 엔터테인먼트, 예술, 환대 산업에 엄청난 기회를 제공합니다. 샌디에이고 박물관에서 그림 오디오 설명을 다른 사람 방해 없이 즐기는 상상을 해보세요. 또는 붐비는 곳에서 헤드폰 없이 컴퓨터로 영화를 보는 것도 가능합니다. 레스토랑, 공항, 소매점, 화상 회의에도 포함됩니다. HSS 시스템은 붐비는 환경에서 나만의 구역을 만듭니다. 기타 응용 분야:

• 자동차: HSS로 운전자에게 직접 경고 신호 전송
• 오디오/비디오 회의: 단일 장치에서 4개 언어로 회의 오디오 투영. 헤드폰 불필요
• 페이징 시스템: 원하는 영역으로만 신호 전송

페이저

• 소매 판매: 구매 시점에서 타겟 광고 직접 제공
• 드라이브스루 주문: 이웃 방해 없이 자동차 운전자와 직접 통신
• 안전 요원: 군중 속 특정인과 통신하는 휴대용 장치 제공
• 군사 응용: 함선 간 통신, 함내 통신. 또는 음속으로 이동하는 초음속 미사일이나 탄도 미사일

초음파 사운드 시스템을 사용하는 탄도 미사일

장점

HSS 기술의 몇 가지 이점:

• 원하는 곳에만 소리를 집중시키고 다른 곳에는 들리지 않게 함
• 소리를 집중시키면 표준 스피커보다 먼 거리를 직진함
• 라이브 오디오 피드백 제거
• 초음파 이미터 장치가 평평하고 얇음. 마운팅 불필요
• 소리 분산 제어 용이
• HSS 시스템 설계로 표준 스피커가 할 수 없는 방식으로 작동 가능
• 가상 현실 경험을 위한 HD 리얼 오디오 제공
• 멀티채널 오디오 지원

단점

HSS 시스템이 아무리 좋아도 단점은 있습니다. 초음파 사운드 시스템 사용 시 단점:

• 표준 오디오 앰프보다 높은 동작 전압 필요
• 제조 비용이 꽤 비쌈
• HSS 시스템은 직접 아날로그 증폭이나 사운드 믹싱을 허용하지 않음
• 제대로 작동하려면 최소 스테레오 품질 사운드 입력이 필요함

맺음말

HSS 시스템은 여러 면에서 강력한 혁신입니다. 작고 가벼운 디자인으로 기존 스피커보다 휴대성이 뛰어나고 안전하고 개인적인 방식으로 고품질 오디오를 제공합니다.

전자 분야 외에도 엔터테인먼트 산업에 완벽할 것입니다. 또한 보청기가 전체 오디오 스펙트럼을 재생하지 못하는 과제를 HSS가 해결합니다. 꽤 비싸지만 오디오 기술의 진정한 퀀텀 점프(quantum leap)입니다. 자, 초음파 사운드 시스템에 대해 알아야 할 모든 것을 마칩니다. 질문이 있으시면 연락 주세요. 기꺼이 도와드리겠습니다.