기차·비행기서 이어폰 없어도 돼…기존 기술보다 제작 간편, “메타물질 활용”
방향별 음성 신호 전달 특성을 나타낸 모식도
옆 사람은 듣지 못하고 나만 들을 수 있는 초음파 스피커 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 기술보다 구조가 단순하면서도 소리가 새는 문제를 해결해 실용화 가능성을 높였다.
포항공대(POSTECH)는 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 문원규 교수, 김웅지 박사, 박사과정 오범석씨 연구팀이 특정인에게만 소리를 전달하는 스피커 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 소리를 특정 공간에만 전달하는 기술은 이미 개발됐다.
‘파라메트릭 어레이 라우드스피커’는 서로 다른 초음파를 공기 중에서 상호작용해 특정 방향으로 소리를 모으는 기술이다.
이런 스피커는 일반 스피커에 비해 훨씬 좁은 범위에 소리를 모을 수 있지만 수십에서 수백개의 초음파 부품을 정교하게 늘어놓고 하나하나 제어해야 하므로 비용이 많이 들고 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
최근에는 간단한 구조의 파라메트릭 어레이 라우드스피커가 개발됐다. 그러나 이 스피커는 진동판이 떨리는 과정에서 원치 않는 진동까지 함께 발생해 소리가 사방으로 새어 나간다는 문제가 있다.
연구팀은 두 종류의 메타물질을 하나의 초음파 스피커에 결합하는 구조로 이런 문제를 해결했다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 인공 미세 구조를 주기적으로 배열해 일반 재료로는 얻을 수 없는 파동 제어 특성을 구현한 인공 물질이다.
연구팀은 장치 앞에 ‘음향 메타표면’을 붙여 진동판에서 나오는 울퉁불퉁한 초음파를 가지런히 정리해 곧고 좁은 초음파 빔으로 만들었다. 뒤에는 특정 주파수에서 생기는 불필요한 진동을 눌러 소리가 옆으로 새는 걸 막는 ‘탄성 메타유닛’을 달았다.
앞에서는 소리를 모으고 뒤에서는 잡음을 막는 이중 안전장치를 단 셈이다. 그 결과 사람이 들을 수 있는 소리 대부분을 아우르는 500㎐부터 10㎑까지 대역에서 원하는 방향으로만 소리를 보내는 데 성공했다.
메타물질 구조 자체가 3D 프린터로 찍어낼 수 있어 이 기술은 만들거나 활용하기 쉽다는 장점이 있다. 이 기술이 상용화되면 비행기나 기차에서 옆 사람 방해 없이 각자 원하는 콘텐츠를 시청할 수 있다.
노준석 교수는 “이번 연구는 실제 장치에 메타물질을 녹여내 실용화 가능성을 입증한 첫 사례”라고 설명했다.
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