Bulk Metal Forming

Bulk Deformation

• Metal forming operations which cause significant shape change
• Starting forms: cylindrical bars and billets, rectangular billets and slabs, and similar shapes

Importance of Bulk Deformation

• In hot working, significant shape change can be accomplished
• In cold working, strength can be increased during shape change
• Little or no waste: some operations are near net shape or net shape processes
  • The parts require little or no subsequent machining

Four Basic Bulk Deformation Processes

1. Rolling: slab or plate is squeesed between opposing rolls
2. Forging: work is squeezed and shaped between opposing dies
3. Extrusion: work is squeezed through a die opening, thereby taking the shape of the opening
4. Wire and bar drawing: diameter of wire or bar is reduced by pulling it through a die opening

Rolling

• which work thickness is reduced by compressive forces exerted by tow opposing rolls

The Rolls

• The rotating rolls perform two main functions

1. Pull the work into the gap between them by friction between workpart and rolls
2. Simultaneously squeeze the work to reduce cross section

Types of Rolling

• By geometry of work
  • Flat rolling
    • Draft: amount of thickness reduction
      • d = t0 - tf
    • Reduction: draft expressed as a fraction of starting stock thickness
      • r = d / t0
    • d = draft
    • t0 = starting tthickness
    • tf = final thickness
  • Shape rolling
    • Work is deformed into a contoured cross-sectiion rather than flat
• By temperature of work
  • Hot rolling
  • Cold rolling

Rollling Mills

• Equipment is massive and expensive
• Two-high: two opposing large diameter rolls
• Three-high: work passes through both directions
• Four-high: backing rolls rupport smaller work rolls
• Cluster mill: multiple backing rolls on smaller rolls
• Tendem rolling mill: sequence of two-high mills

Thread Rolling

• Most important commercial process for mass producting bolts and screws
• Performed by cold working in thread rolling machines
• Advantages over thread cutting
  • Higher production rates
  • Better aterial utilization
  • Stronger threads due to work hardening
  • Better fatigue resistance due to compressive stresses introduced by rolling

Ring Rolling

• 언급만 잠깐 하고 넘어감

Forging

• Deformation process in which work is compressed between two dies
• Components: engine crangshafts, connecting rods, grears, aircraft structural components, jet engine turbine parts

Classification of Forging Operations

• Cold vs Hot forging
  • Hot or warm forging: most common, due to the significant deformation and the need to reduce strength and increase ductility of work metal
  • Cold forging: advantage is increased strength that results from strain hardening
• Impact vs press forging
  • Forge hammer - applies an impact load
  • Forge press - applies gradual pressure

Types of Forging Dies

• Open-die forging
  • work is compressed between two flat dies, allowing metal to flow laterally without constraint
  • Compression of workpart with cylindrical cross-section between two flat dies
• Impression-die forging
  • die surfaces contain a cavity or impression that is imparted to workpart, thus constraining metal flow - flash is created
  • Compression of workpart by dies with inverse of desired part shape
  • Flash is formed by metal that flows beyond die cavity into small gap between die plates
  • Flash must be later trimmed from part
• Flashless forging
  • workpart is completely constrained in die and no excess flash is produced
  • Compression of work in punch and die tooling whose cavity does allow for flash
  • Starting workpart volume must equal die cavity volume within very close tolerance
  • Process control more demanding than imporession-die forging
  • Best suited to part geometries that are simple and symmetrical
  • Often classified as a precision forging process

Impression-Die Forging Advantages and Limitations

• Advantages(compared to machining from solid storck)
  • Higher production rates
  • Conservation of metal(less waste)
  • Greater strength
  • Favorable grain orientation in the metal
• Limitations
  • Not capable of close tolerances
  • Machining often required to achieve accuracies and features needed, such as holes, threads, and mating surfaces that fit with other components

Forging Presses

• Apply gradual pressure to accomplish compression operation
  • Mechanical presses: converts rotation of drive motor into linear motion of ram
  • Hydraulic presses: hydraulic piston actuates ram
  • Screw presses: screw mechanism drives ram

Upsetting and Heading

• Forging process used to form heads on nails, bolts, and similar hardware products
• Cycle
  1. wire stock is fed to the stop
  2. gripping dies close on the stock and the stop is retracted
  3. punch moves forward
  4. bottoms to form the head

Swaging

• Accomplished by rotating dies that hammer a workpiece radially inward to taper it as the piece is fed into the dies

Trimming

• Cutting operation to remove flash from workpart in impression-die forging

Digital Inspection System

• 비접촉식 Digital 형상 측정 기술을 통하여 실물로부터 CAD Data를 생성하거나 CAD Data와 생산품(부품, PP, 양산품 등) 간의 2/3D 기하학적 차이를 비교검증하는 기술
• 측정기를 활용하는 두 가지 기술
• Reverse Engineering
  • 실물로부터 디지털화된 CAD Data 생성: 디지털 복제 기술
  • 제품은 있는데 CAD Model 없음
• Inspection
  • 기준 CAD Data와 실제품의 3차원 측정 데이터간의 신속 비교
  • 2D/3D Metrology, Comparison

Extrusion

• Compression forming process in which the work metal is forced to flow through a die opening to produce a desired cross-sectional shape
• Two basic types of extrusion
  • Direct extrusion
  • Indirect extrusion

Direct Extrusion

• Also called forward extrusion
• This extra portion, called the butt, must be separated

Indirect Extrusion

• Also called backward extrusion and reverse extrusion
• Limitations of indirect extrusion are imposed by the lower rigidity of hollow ram and difficulty in supporting extruded product as it exits die

General Advantages of Extrusion

• Variety of shapes possible, expecially in hot extrusion
  • Limitation: part cross-section must be uniform throughout length
• Grain structure and strength enhanced in cold and warm extrusion
• Close tolerances possible, especially in cold extrusion
• In some operations, little or no waste of material

Hot vs. Cold Extrusion

• Hot extrusion
  • prior heating of billet to above its recrystallizaion temperature
  • This reduces strength and increases ductility of the metal, permitting more size reductions and more complex shapes
• Cold extrusion
  • generally used to produce discrete parts
  • The term impact extrusion is used to indicate high speed cold extrusion

Extrusion Ratio

• Also called the reduction ratio
• rx = A0/Af(>1)
  • rx = extrusion ratio
  • A0 = cross-sectional area of the starting billet
  • Af = final cross-sectional area of the extruded section
• Applies to both direct and indirect extrusion

Die Angle

• Low
  • surface area is large, leading to increased friction at die-billet interface
  • Higher friction results in larger ram force
• High
  • more turbulence in metal flow during reduction
  • Turbulence increases ram force required
• Optimum angle depends on work material, billet temperature, and lubrication
• Maximum die angle = 90

Orifice Shape of Extrusion Die

• Simplest cross section shape = circular die orifice
• Shape of die orifice affects ram pressure
• As cross-section becomes more complex, higher pressure and greater force are required(ex: heat sink)

Extrusion Presses

• Either horizontal or vertical
  • Horizontal more common
• Extrusion presses
  • Usually hydraulically driven, which is expecially suited to semi-continuous direct extrusion of long sections
• Mechanical drives
  • Often used for cold extrusion of individual parts

Wire and Bar Drawing

• Cross-section of a bar, rod, or wire is reduced by pulling it through a die opening
• area reduction in drawing r
  • r = (A0-Af)/A0
  • A0 = orifinal area of work
  • Af = final work

Wire Drawing vs. Bar Drawing

• Difference is stock size
  • Bar: large diameter bar and rod stock
  • Wire: small diameter stock - wire sizes down to 0.03mm(0.001 in.)are possible

Drawing Practive and Products

• Drawing practive
  • Performed as cold working
  • Used for round cross-sections
• Products
  • Wire: electrical wire
  • Rod stock for nails, screws, rivets, springs
  • Bar stock: metal bars

Continuous Drawing

• Consisting of multiple draw dies separated by accumulating drums

Features of a Draw Die

• Entry region
• Approach
• Bearing surface
• Back relief
• Die materials

Preparation of the Work for Wire or Bar Drawing

• Annealing: to increase ductility of stock
• Cleaning: to prevent damage to work surface and draw die
• Pointing: to reduce diameter of starting end to allow insertion through draw die

Metal Forming

Metal Forming

• The tool, usually colled a die, applies stresses that exceed yield strength of metal

Stresses in Metal Forming

• Stresses to plastically deform the metal are usually compressive
• However, some forming processes
  • Stretch the metal(tensile stresses)
  • Other bend the metal(tensile and compressive)
  • Still others apply shear stresses

Material Properties in Metal Forming

• Desirable material properties
  • Low yield strength & high ductility
• These properties are affected by temperature
  • Ductility increases and yield strength decreases when work temperature is raised
• Other factors
  • Straint rate(변형속도) and friction

Bulk Deformation Processes

• Characterized by significant deformations and massive shape changes
• “Bulk” refers to workparts with relatively low surface area-to-volume ratios
• Starting work shapes include cylindrical billets and rectangular bars
• Basic bulk deformation processes: rolling, forging, extrusion, drawing

Sheet Metalworking

• High surface area-to-volume ratio of staring metal
• Basic sheet metalwokring operations: bending, drawing, shearing

Temperature in Metal Foraming

• Any deformation operation can be accomplished with lower forces and power at elevated temperature
• Three Temperature range in metal forming:
  • Cold
  • Warm
  • Hot working

Cold Working

• Performed at room temperature(보통 20도) or slightly above
• Important mass production operations
• Minimum or no machining usually required
  • These operations are near net shape or net shape processes

Advantages of Cold Forming vs. Hot Working

• Better Accuracy, closer toleratnces
• Better surface finish
• Strain hardening(변형 강화) increases strength and hardness
• Grain flow during deformation can cause desirable directional Properties in product
• No heating of work required

Disadvantages of Cold Forming

• Higher forces and power required
• Surfaces of staring workpiece must be free of scale and dirt
• Ductility and strainhardening limit the amount of forming that can be done

Warm Working

• Performed at temperatures above room temperature but below recrystallization temperature
• Dividing line between cold working and warm working often expressed in terms of melting point:
  • 0.3Tm, where Tm = melting point for metal(absolute temperature)

Advantages of Warm Working

• Lower forces and power than in cold working
• More intricate work geometries possible
• Need for annealing may be reduced or eliminated

How Working

• Deformation at temperature above recrystallization temperature
• Recrystallization temperature = about one-half of melting point on absolute scale
  • In practive, hot working usually performed somewhat above 0.5Tm
  • Metal continues to soften as temperature increases above 0.5Tm, engancing advantage of hot working above this level

Why Hot Working?

• Capability for substaintial plastic deformation
• Why?
  • Strength coefficient is substantially less than at room temperature
  • Strain hardening exponent is zero(theoretically) Ductility is significantly increased

Advantages of Hot Working vs. Cold Working

• Workpart shape can be significantly altered
• Lower forces and power required
• Metals that usually fracture in cold working can be hot formed
• Strength properties of product are generally isotropic
• No strengthening of part occurs from work hardening
  • Advantageous in cases when part is to be subsequently processed by cold forming

Disadvantages of Hot Working

• Lower dimensional accuracy
• Higher total energy required(due to the thermal energy to heat the workpiece)
• Work surface oxidation, poorer surface finish
• Shorter tool life

Friction in Metal Forming

• In most metal forming processes, friction is undesirable
  • Metal flow is retarted
  • Forces and power are increased
  • Wears tooling faster
• Friction and tool wear are more severe in hot woriking

Lubrication in Metal Forming

• Metalworking lubricants are applied to tool-work interface in many forming operations to reduce garmful effects of friction
• Benefits
  • Reduces sticking, forces, power, tool wear
  • Better surface finish
  • Removes heat from the tooling

Considerations in Choosing a Lubricant

• Type of forming processes(rolling, forging, sheet metal drawing, etc.)
• Hot working or cold working
• Work material
• Chemical reactivity with tool and work metals
• Ease of application
• Cost

6장 정보입력 및 처리

정보표시

• 간접 감지 상황에서 인간공학이 설계과정에 적용됨

표시장치로 나타내는 정보의 종류

• 표시장치로 나타내는 정보에는 정적 정보와 동적 정보
• 정적정보는 시간 경과에 관계없이 고정
• 동적정보는 시간에 따라 계속 변화

1. 정량적 정보, 정확한 숫자 파악, 변수의 정량적 값을 표시
2. 정성적 정보, 경향이나 변화 파악: 변수의 가변적 일면을 표시
3. 상태 정보, 여러 경우(정상-비정상 등) 중 어디 해당하는지 선택 개념, 정성적 정보기도 함
4. 경고 및 신호 정보, 상태정보 중 특별히 경고를 위한 것, 일종의 상태 정보
5. 식별 정보, 어떤 것인지 있는 그대로 확인하기 위한, 크게보면 상태정보지만 선택이 아닌 있는 그대로 확인
6. 묘사정보, 배경과 중첩된 요소 파악
7. 영숫자 및 기호 정보, 언어, 수치와 관련된 코드화 정보 표시
8. 시간 위상 정보, 지속시간이나 간격을 조절한 신호(모스부호, 점멸등)

표시 양식의 선정

• 온기, 소리, 맛 등의 감각 종류를 감각 양식(modalities, 5가지 감각)이라고 함
• 정보 전달용 표시장치 선정 혹은 설계 시 적절한 감각 양식 선택 필요

시각과 청각 표현 용도 비교

청각 시각

정보의 코드화

• 코드화: 원래의 자극 정보를 새로운 형태로 바꾸고 기호로 표시
• 코드화할 때는 여러 차원 사용
• 정보를 포함하는 자극차원의 효과는 자극을 식별하는 사람의 능력과 두가지 이상의 자극을 구별하는 능력에 달림

표시장치 설계 순서

• 전달 정보 종류 파악 → 자극 형태 따라 감각 양식 선택 → 표시 장치 선택 → 코딩 방법 → 차원 선택

코드화할 때 고려할 수 있는 사항들

절대적 판단과 상대적 판단

• 절대적 판단은 자극이 하나이므로 비교 불가, 사실은 기억 속에서 비교
• 상대적 판단은 두 가지 이상의 자극을 비교, 차원에 따라 상대적으로 구별

단일차원에서의 절대적 판단

• 매직넘버 7 +- 2
• 여러 차원에도 적용 (5~9)
• 감각기관의 한계보다는 기억의 한계 때문
• 시각적 코드화 방법
  • 단일 숫자 10개, 문자 26개
  • 색상 9개, 색-채도-명도 24개 이상

다차원에서의 절대적 판단

• 차원의 수는 많고 각 차원의 수준 수가 적을 때가 반대 경우보다 더 좋다
• 코드화에서 다차원 사용 시 서로 직교하거나 중복하는 경우 있음
• 모양과 색상이 직교 차원(독립): 빨간 원, 초록 원, 빨간 사각형, 초록 사각형
• 모양과 색상이 중복 차원: 원은 모두 초록, 사각형은 모두 빨강
  • 한 차원의 값으로 다른 차원 값을 예측 가능

직교차원의 조합

• 차원이 직교하면 절대적 기준에서 식별 가능한 자극 수 증가
• 그 수는 각 차원의 별도 확인할 수 있는 자극 수를 곱한 것 보다는 적음
• 가능하면 다차원-직교로 만들어야 함

중복차원의 조합

• 차원을 중복 조합하면 단일 차원 사용 시보다 확인할 수 있는 수준 증가
• 그래도 직교적 코드일때가 더 구분 가능한 자극 수가 많음

좋은 코딩시스템의 특징

1. 코드의 검출성

• 검출 가능해야 함
• ex) 지하 채광 장비에서 색깔 코드를 사용하면 검출성 낮음
• 검출성 측정을 위해 검출 시도회수의 일정 비율(50%) 이상을 검출 할 수 있는 자극의 하한값 설정

1. 코드의 구별성

• 여러 신호를 구별 가능해야 함
• 코드 기호는 다른 코드 기호와 구별될 수 있어야 함
• 피실험자에게 기준 자극을 제시하고 다양한 다른 자극을 제시하며 기준 자극과 같은지 다른지 판단하게 함
• 이 차이를 차이역 또는 변별역이라 함

1. 코드의 의미화

• 사용자에게 의미가 있는 코드 사용
• 개념 양립성에 관한 것

1. 코드의 표준화

• 어떤 상황에서나 같은 것을 사용

1. 양립성
2. 다차원 코드의 사용

• 다차원 코드를 사용하면 코드 자극 수와 식별성 증가
• 차원수 많고 수준이 적은 코드 고려
• 작업의 특수 요건과 필요 코드 수에 따라 중복 또는 직교 사용 고려

양립성(제일 중요하다)

• 자극 및 응답이 인간의 예상과의 관계를 말함
• → 자극과 반응이 사람의 기대에 부합하는 정도
• 양립성이 클수록 정보처리에서 재코드화 과정이 적음
• 결과적으로 학습과 응답시간이 빨라짐, 오류 적어짐, 정신적 작업부하 감소

양립성의 종류

• 개념, 동작, 공간 3가지
• 네번째 양식 양립성이 추가됨

개념 양립성

• 코드와 기호가 사람들이 가지고 있는 개념과 얼마나 부합하는가
• 코드의 의미와 관련

동작 양립성

• 제어 장치의 움직임과 표시 장치로 나타낸 시스템의 응답이 잘 부합하는지

공간 양립성

• 제어 장치와 관련 표시 장치의 공간적 배열에 관한 것

양식 양립성

• 작업에 따라서 그에 알맞은 자극-응답 양식의 조합
• 음성작업에서 양립성이 가장 좋은 조합은 음성표현과 음성응답
• 공간작업에서는 시각표현과 수동응답
• A/S: 소리로 들려주고 음성 대답
• V/S: 보여주고 음성 대답
• A/M: 소리로 들려주고 손으로 조작(몸으로)
• V/M: 보여주고 손으로 조작(몸으로)

양립관계의 기원

1. 어떤 상황에서 양립성 관계는 본질적: 오른쪽으로 가기 위해 핸들 오른쪽으로 돌림
2. 다른 양립성 관계는 습관이나 문화와 관련된 특성에서 파생

Deep Learning

Deep Learning

• Neural network와 Machine Learning의 한 분야
• 심층신경망을 기반으로 하는 학습 방법
• 음성인식, 영상인식 등 패턴인식 등에서 좋은 성과

Deep Neural Network;DNN (심층신경망)

• 여러 개의 Hidden Layer를 가진 신경망 계열의 모델
• 다층 신경망의 특수한 경우, 기존은 3~4개의 Hidden Layer
• Layer의 수가 많은 신경망 구조
• Convolutional Neural Network(CNN): Layer 개수 많아지기 시작
• DNN의 배경: 80년대 중반 다층 퍼셉트론 연구 이후 침체기 → 프로세서 성능향상과 빅데이터로 학습 시작

DNN 탄생 배경

• 기존 신경망의 Hidden Layer의 개수를 늘려 좀 더 정교한 학습 필요해짐
• CPU, GPU 성능이 향상
• 병렬 분산처리 가능
• 학습을 통한 전처리 과정이 추가되어 효율 향상
• 빅데이터 학습 가능한 환경
• 기존 신경망
  • 학습 데이터에서 직접 Feature 추출하여 입력으로 사용
  • Feature Vector에 따라 학습 결과에 영향 줌
• 딥러닝
  • 학습을 위해 필요한 특징 추출과 학습을 함께 수행

Convolutional Neural Network; CNN

• 합성곱 연산을 사용하는 합성곱 신경망
• Feature Map을 이용하여 학습
• 영상분석, 영상인식, 컴퓨터 비전 등
• Instant Segmentation

Recurrent Neural Network; RNN

• 순환신경망은 데이터에서 규칙적인 패턴을 인식
• 노드 간의 연결이 순환적 구조를 가지는 것이 특징
• 시간에 따라 변하는 특징을 가지는 데이터를 잘 처리
• LSTM과 혼합 사용

Restricted Boltzmann Machine; RBM

• 비지도 학습에 활용
• 입력에 대한 확률 분포를 학습할 수 있는 신경망

Deep Belief Network; DBN

• RBM을 여러 층으로 쌓아올린 구조
• 비지도 학습 가능

Generative Adversarial Network; GAN

• 생성적 적대 신경망
• 서로 경쟁하는 두 개의 신경망에 의해 구현

Issues in Deep Learning

Vanishing Gradient Problem

• Hidden Layer가 많아질수록 전달되는 오차의 크기가 줄어들어 학습이 되지 않는 현상
• 1보다 작은 오차를 계속 곱하면 점점 0으로 가까워짐, 컴퓨터 수치 연산에서 0에 가까워지다가 underflow 발생 가능
• Dropout, ReLU 사용으로 해결

Initializing Weights

• 신경망 성능에 영향 주는 요소
• 일반적으로 0에 가까운 random value 사용
• 개선된 가중치 초기화 방법 사용
  • RBM을 학습시킨 결과 사용: unsupervised learning
  • singular value decomposition을 통해 orthogonal matrix로 초기화

Overfitting

• 모델이 train data에 지나치게 학습된 상태
• training error는 낮으나 test error가 높음
• Regularization, Dropout, Batch normalization으로 완화
  • Regularization: 가중치의 크기를 학습 모델 함수에 추가
  • Dropout: 일정 확률로 노드를 무작위 선택하여 학습에 참여, mini batch마다 dropout할 노드를 새롭게 선택
  • Mini-batch: 전체 학습 데이터를 일정 크기로 나눔, mini batch 단위로 학습

Regularization

• 데이터 확대: 데이터를 더 많이 수집하면 학습 모델의 일반화 성능 좋아짐
• 데이터 생성
  • 충분히 많은 데이터를 수집하기 어려움
  • 인위적으로 데이터를 확대 → 훈련 과정에서 데이터 변형, 데이터 회전 또는 warping
• Weight Decay 방식

Casting

• Classification of solidification processes
  • Metals
  • Glassworking
  • Polymers and PMCs
• Casting
  • Steps
    1. Melt the metal
    2. Pour it into a mold
    3. Let it freeze
• : Process in which molten metal flows by gravity or other force into a mold where it solidifies in the shape of the mold cavity

Capabilities and Advantages of Casting

1. Can create complex part geometries
2. Can create both external and internal shapes
3. Some casting processes are net shape; others are near net shape
4. Can produce very large parts
5. Some casting methods are suited to mass production

Disadvantages of Casting

1. Limitations on mechanical properties
2. Poor dimensional accuracy and surface finish for some processes
3. Safety hazards to workers due to hot molten metals
4. Environmental problems

The Mold in Casting

• Contains cavity whose geometry determines part shape
• Actual size and shape of cavity must be slightly oversized to allow for shrinkage of metal during solidification and cooling

Two Categories of Casting Process

• Expendable mold processes: 석고, 회반죽
• Permanent mold processes: 내화물

Advantages and Disadvantages

• More intricate geometries are possible with expendable mold processes
• Part shapes in permanent mold processes are limited by the need to open mold
• Permanent mold processes are more economic in high production operations

Forming the Mold Cavity

• Mold cavity is formed by packing sand around a pattern, which gas the shape of the part
• When the pattern is removed, the ramaining cavity has desired shape of cast part
• The pattern is usually oversized to allow for shrinkage of metal as it solidifies and cools
• Sand for the mold is moist and contains a binder to maintain shape

Cores in the Mold Cavity

• The mold cavity provides the external surfaces of the cast part
• In addition a casting may have internal surfaces, determined by a core, places inside the mold cavity to define the interior geometry of part

Gating System

• Channel through which molten metal flows into cavity from outside of mold
• Consists of a downsprue, through which metal enters a runner leading to the main cavity
• At top of down sprue, a pouring cup is often used to minimize splash and turbulence as the metal flows into downsprue

Riser

• Reservoir in the mold which is a source of liquid metal to compensate for shrinkage during solidification
• The riser must be designed to freeze after the main casting in order to satisfy its function
• 의도적으로 main cavity보다 느리게 굳도록 design
• liquid metal을 보충

Heating the Metal

• The heat required is the sum of
  • Heat to raise temperature to melting point
  • Heat of fusion to convert from solid to liquid
  • Heat to raise molten metal to desired tempreaure for pouring

Pouring the Molten Metal

• Factors that determine success
  • Pouring temperature
  • Pouring rate
  • Turbulence

Chvorinov’s Rule

• TST: total solidification time
• TST =

  

• V = Volume of the casting
• A = Surface area of casting
• n = exponent usually taken to have a value = 2
• C = mold constant

디지털제조입문 과제로 SMT2020 논문을 읽고 ppt 5장 분량으로 요약했다

논문 읽기는 좋아하지만, 시간제한이 있는건 싫고,

요약하는건 도움 될거라 생각하지만 반도체 fab 시뮬레이션 모델에 대해서는 큰 흥미가 없어요

그래도 어쨌든 열심히 한 과제니까

Denny Kopp, Michael Hassoun, Adar Kalir, Lars Monch,2020, SMT2020—A Semiconductor Manufacturing Testbed, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing ( Volume: 33, Issue: 4, November 2020)

https://ieeexplore.ieee.org/document/9115710

피부 감각

• 피부에는 다섯 가지 감각계통(피부감각 수용기)
• 촉점, 압적, 통점, 온점, 냉점
• 촉각적 표시장치에서는 대개 손과 손가락을 기본 정보 수용기로 이용
• 손은 위치에 따라 촉감이 다름
• 일반적 척도 중 하나인 2점역은 두 점을 눌렀을 때 각 지점을 따로 지각할 수 있는 두 점 사이의 최소 거리(청각의 JND)
• 손바닥, 손가락, 손가락 끝으로 갈 수록 감도가 증가(2점역이 감소)
• 세밀한 구별이 필요한 촉각적 표시장치는 손가락 끝을 사용하도록 설계

촉각적 표시장치

• 현재 주로 사용되는 촉각적 표시장치는 보는 것을 위한 시각장애인용과 듣는 것을 대체하는 청각장애인용
• 가장 자주 사용되는 자극유형은 기계적 진동이나 전기자극
• 진동 장치의 위치, 주파수, 세기, 지속시간과 같은 물리적 매개변수에 기초한 기계적 진동에 의해 정보 전달 가능
• 전기자극은 전극 위치, 펄스속도, 지속시간, 강도, 위상 등으로 코드화할 수 있음

시각 대체장치

• 인쇄물 판독
  • 점자점의 위치, 점 사이의 거리, 크기를 달리하여 촉각으로 구별
  • 문자와 숫자의 시각적 이미지를 시각장애인이 해석할 수 있는 촉각적 진동으로 변환할 수 있음
• 길 찾기 보조수단
  • 촉각 지도는 정보 밀도를 낮춰야함(기호를 크게하고 간격을 두어야 촉각으로 확인 가능)
  • 지도 위의 점, 선, 면적 등으로 구분
• 촉각 그래프
  • 2차원 촉각 그래프
• 제어장치 식별
  • 가장 실제적으로 촉각이 이용되는 것은 제어장치 손잡이와 관련된 설계
  • 이러한 촉각 식별용 기구의 코드에는 모양, 감촉, 크기 등이 있음

청각 대체장치

• 듣는 것을 대체할 수 있는 촉각적 표시장치는 일반적으로 코드화된 메시지의 수용, 음성의 지각, 소리의 위치판단 등에 응용
• 코드 메시지의 수용
  • 기계적 진동을 사용한 초기의 예
  • 5가지 가슴 위치, 3가지 강도 수준, 3가지 지속시간을 사용하여 45종의 패턴 제작
  • 문자 26개, 숫자 10개, 자주 쓰는 단어 4개를 코드화
• 음성의 지각
  • 기계적, 전기적 자극을 통해 피부에 음성 전달
• 음의 위치 판단
  • 귀에 설치한 마이크로 소리의 세기 측정, 마이크의 출력 증폭하여 사용자가 검지손가락을 대고 있는 두 진동장치에 보냄

후각

• 냄새 감각기인 후상피는 콧구멍 상부에 있는 작은 후세포
• 후세포에는 후모가 있으며 이것이 서로 다른 냄새를 검출
• 후각세포는 뇌의 후신경과 연결
• 콧구멍 → 후상피 → 후세포 → 후모 → 후신경
• 코듣 민감한 기관이지만 민감도는 특정 물질과 개인에 따라 다름
• 거짓경보율이 높음(false alarm rate), 아무 냄새 없는데 냄새가 난다고 할 때 많음
• 특정 냄새의 절대적 식별에 당면하면 후각은 그다지 우수하지 않음
• 훈련 받지 않은 피검자는 15~32종의 자극 구분, 훈련 받으면 60종까지

후각적 표시장치

• 후각적 표시장치는 다음과 같은 이유로 널리 응용되지 않음
  • 사람마다 다양한 냄새에 대한 민감도 다름
  • 코가 막히면 감도 떨어짐
  • 빨리 냄새에 순응 → 잠시만 노출되어도 더이상 그 냄새 못 맡음
  • 냄새의 확산 제어 어려움
  • 어떤 냄새는 사람들이 싫어함
• 주로 경고용으로 유용
• 천연가스에 취기제(착취제)를 첨가하여 가스 누출을 검출 할 수 있게 함

음성 통신

• 음성은 청각정보 표시장치의 형태

음성의 성질

• 음성에 관계되는 기관은 폐, 후두, 인두, 입, 비강 등 여러가지
• 성대는 80~400회/sec로 아주 빨리 진동, 인두, 입 등을 통과하면서 진동수 증폭

음성의 종류

• 음성의 기본 단위는 음소, 단어의 의미를 변화시키는 음성의 최소 마디(모음과 자음)
• 음소가 모여서 음절이 되고, 음절이 모여 단어가 되고 이것이 문장을 구성

음성 묘사(표현)

• 음성을 비롯하여 소리의 공기 압력 변동을 그래프로 나타내는 여러 방법

1. 파형은 시간에 따른 공기 압력의 세기 변동을 보임
2. 스펙트럼은 임의 기간, 음소 또는 단어에 대하여 여러 주파수 별로 세기를 보임
3. 음향분석도는 주파수를 수직축에, 시간을 수평축에 나타내고 세기를 명암의 정도로 묘사

음성의 세기

• 음성의 평균 세기 또는 음성파워는 아주 다양, 일반적으로 모음이 자음보다 음성파워가 큼
• 음성의 전반적인 세기는 사람마다 다름, 남성의 음성세기는 여성보다 3~5dB 정도 큼
• 조용히 말할 때 45dBA, 일상 대화에서 55dBA, 전화로 강의 65dBA, 고함과 유사 75dBA, 고함 85dBA

음성의 주파수 구성

• 일반적으로 남성은 여성보다 낮은 주파수 성분이 우세

음성 평가기준

• 음성통신시스템의 설계과정에서 의도하는 용도에 부합하는지를 평가하는 기준
• 주된 기준은 요해도이지만 음성품질도 포함

음성 요해도

• 요해도란 음성메시지를 정확하게 인지할 수 있는 정도
• 요해도 평가에서는 말을 들려주고 이를 따라하게 하거나 들려준 것에 관한 물음에 답하도록 함
• 일반적 상황에서는 문장이 요해도가 가장 좋고 개별 단어는 이보다 낮고, 무의미 음절이 가장 나쁨

음성 품질

• 음성품질은(또는 음성의 자연스러움) 요해도 이상으로 중요
• ex) 전화기 너머로 들려오는 말하는 사람의 신원을 인식하는 상황
• 음성품질은 선호도에 따라 정해짐
• 일반적으로 시스템을 통해 음성샘플을 들려주고 품질 등급을 매기게 하거나, 어떤 표준과 비교하여 선호하는 것을 고르도록 함

음성통신시스템의 구성

• 말하는 사람, 메시지, 전송시스템, 소음환경, 듣는 사람으로 구성
• 말하는 사람
  • 음성 요해도는 말하는 사람의 목소리 특성에 따라서도 달라짐
  • 우수한 발표자는 음절 지속기간이 길고 큰소리로 말하며 전체 발음 시간이 길고 쉬는 시간이 적으며 말할 때 기본적인 음성 주파수의 변화가 많음
  • 적절한 말하기 연습을 하면 발표자의 요해도를 상당히 개선 가능

메시지

음소혼동

• DVPBDCET, FXSH, KJA, MN 등과 같은 부류의 문자는 서로 자주 혼동
• 일반적으로 소음이 있을 때는 단일 문자를 사용하지 말고 단어 철자 알파벳을 사용

단어 특성

• 일반적으로 짧은 단어보다는 긴 단어의 요해도가 큼
• 긴 단어는 일부만 알아들어도 전체 단어를 파악할 수 있음

문맥 특성

• 문장의 요해도가 개별 단어보다 좋은 것은 특정 단어를 알아듣지 못해도 문맥으로 정보 파악 가능하기 때문
• 의미가 있는 문장으로 배열하면 같은 문장을 무의미하게 나열했을 때보다 요해도 좋아짐
• 어휘에 다양한 단어를 사용할 수록 요해도 낮아짐(같은 의미의 단어를 여러 개 섞어 쓰면 안됨)
• 특히 소음 조건에서 메시지의 요해도를 개선하기 위해 설계할 때 다음 지침을 고려
  1. 어휘를 되도록 적게 사용
  2. 정보가 항상 같은 순서로 전달되도록 표준 문장 구조 사용
  3. 짧은 단어를 피하고, 개별 문자 대신에 단어 철자 알파벳 사용
  4. 수신자가 사용하는 단어와 문장구조에 친숙해지도록 함

전송시스템

• 음성전달시스템은 여러 형태로 왜곡될 수 있는데, 진폭왜곡, 주파수왜곡, 여과, 시간축 변조 등 → 음성 변조
• 진폭왜곡은 신호가 비선형 회로를 통과할 때 생기는 변형
• 이러한 왜곡 형태의 하나에 피크절단이 있음, 음성파의 피크가 절단되어 중앙 부분만 남음(낮음)
• 반면에 중앙절단은 주어진 값 이하의 진폭을 제거하여 음파의 피크를 남김(높음)

소음환경

• 소음은 외부 환경 소음이든 내부 소음이든 음성 요해도를 해침
• 소음이 음성통신에 미치는 영향을 평가하기 위한 가장 간단한 기법은 S/N비(신호 대 잡음 비)계산
• 잔향은 막힌 방의 벽, 천정, 바닥 등에서 소음이 울리는 효과
  • 잔향도(특히 소음이 그친 후 60dB까지 감쇄되는 시간)으로 인한 요해도 감소

듣는 사람

• 청력이 정상, 수신하는 통신 유형에 훈련, 스트레스에 견뎌야 함, 여러 상충되는 자극 중에서 하나에 집중
• 듣는 사람의 나이도 요해도에 영향 미친
• 60세 이후로 요해도 감소, 말이 빠르고 군중 속에서 다른 목소리 존재, 잔향이 있을 때 현저히 요해도 감소
• 이러한 감소는 연령으로 인한 정상적 청력손실과 그동안 소음 환경에서 살았기 때문
• 귀마개나 귀덮개와 같은 청각보호수 착용 시에도 음성 요해도에 영향 미침

합성 음성

합성음성의 사용

• 많은 소비자 제품은 음성합성장치가 내장
• 어린이 장난감(교육용), 항공(조종석 경고용), 전화회사(안내용), 장애인을 돕기위한 합성 음성

음성합성법의 유형

• 전통적 방법은 테이프에 아날로그 신호로 기록했다가 재생
• 음성을 디지털화하여 컴퓨터 기억장치에 저장(전통적 방법의 발전)
• → 문제는 디지털화한 정보를 저장하기 위해 대규모 저장용량이 필요
• 이 문제를 해결하기 위해 분석합성법과 규칙합성법이 개발됨

분석합성법

• 사전에 코드화하거나 저장했던 단어나 문구만으로 음성메시지 만듦
• ex) book + case → bookase(발음상)

규칙합성법

• 진정한 합성 음성
• 기본 음성을 만드는 규칙, 기본 음성을 단어와 문장으로 조합하는 규칙, 특정 음이나 단어에 강세를 주어 말의 운율을 만드는 규칙에 집합에 기초하여 음성 만듦
• 장점은 비교적 적은 컴퓨터 용량을 사용하여 아주 많은 어휘가 가능, 인간 음성 없이도 새로운 어휘 만들 수 있음
• 문제는 음성의 질이 디지털화 음성에 기초한 방법만큼 좋지는 않음(요즘엔 아님, 이 내용 지워도 됨)

합성음성을 사용한 성능

1. 합성음성 요해도
2. : 합성음성의 요해도는 자연음성일 때보다 나쁨, 기술이 발달해서 거의 비슷함
3. 합성음성 기억

• 사람들은 자연음성보다는 합성음성으로 말한 메시지를 잘 기억하지 못함
• 일반적으로 합성음성을 들을 때는 자연음성일 때보다 처리 용량이 더 필요
• 그러나 일단 코드화하면 합성음성도 자연음성과 마찬가지로 효과적으로 저장됨

합성음성 사용지침

• 음성 경고는 다른 음성과 정성적으로 달라야함
• 요해도를 최대화
• 가능하면 자연스럽게
• 재생모드를 설치하여 필요에 따라 사용자가 메시지를 재생할 수 있도록
• 사용자가 메시지를 중단할 수 있는 기능 제공 → 매번 들을 필요 없는 유경험자에게는 아주 중요
• 사용자가 시스템 음성에 친숙해지게하기 위해 소개 메시지나 훈련 메시지를 마련