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문제 정의
- 일반적으로 사용되는 백색잡음은 대역제한백색잡음이다. 그렇다면 최소한 어느 정도의 주파수 대역폭을 가져야 전대역 백색잡음 신호와 청각적으로 동등한 효과를 가질 수 있는지 알아보았다. 실험 장소는 대학교 강의실이며, 50명의 대학생을 대상으로 0~24,000 Hz의 백색잡음 대역폭을 점점 줄여가면서 청감 결과를 조사하였다.
- 본 논문에서는 도심 교통음과 자연소리 분석, 뇌파 측정을 통해 사람에게 영향을 줄 수 있는 다양한 음향적 요소를 연구하였다.
- 본 연구에서는 사람이 선호하는 백색잡음 주파수 특성을 알아내고 자연음과의 관계를 확인하였다. 그리고 음원 분석과 뇌파 측정을 통해 도심 교통음과 자연 소리가 사람에게 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구의 목적은 사람에게 유익하고, 해로운 소리의 이유를 규명하고, 상황에 따른 최적화 음원을 개발하는데 있으며, 이러한 최적화 음원은 사람의 능률을 올려주고 스트레스를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
제안 방법
- 1차 실험에서는 모든 주파수대역에 동일한 에너지를 가지는 백색잡음을, 3가지 경우에 따라 각각 6개의 주파수 특성을 가진 샘플을 만들었다. 그 후 경우1, 2, 3에 해당하는 샘플을 순서대로 들려준 후 가장 선호하는 샘플을 경우 당 하나씩 선택하게 하였다.
- 2차 실험에서는 더 정확한 주파수 특성을 알아내기 위해 1차 실험에서 가장 선호한 그림 1의 FFT필터A를 변형한 3가지 FFT필터B, FFT필터C, FFT필터D를 추가 실험하였다.
- Table 2. test band width and standard frequency for sample test.
- 1차 실험에서는 모든 주파수대역에 동일한 에너지를 가지는 백색잡음을, 3가지 경우에 따라 각각 6개의 주파수 특성을 가진 샘플을 만들었다. 그 후 경우1, 2, 3에 해당하는 샘플을 순서대로 들려준 후 가장 선호하는 샘플을 경우 당 하나씩 선택하게 하였다.
- 실험에서 사용된 뇌파 측정 방식은 전극법으로 세브란스병원의 개인 입원실에서 이루어졌으며, 피실험자에게 환자복을 입힌 후 의자에 편안하게 앉힌 채 실시하였다. 그리고 시각적인 영향으로 인한 뇌파 간섭을 배재하기 위해 안대를 착용시켰다.
- 본 연구에서는 사람이 선호하는 백색잡음 주파수 특성을 알아내고 자연음과의 관계를 확인하였다. 그리고 음원 분석과 뇌파 측정을 통해 도심 교통음과 자연 소리가 사람에게 미치는 영향을 분석하였다.
- 도심의 소리 음원 두개와 자연의 소리 음원 하나를 녹음을 하였으며, NTI MiniSPL 무지향성 마이크와 MAUDIO FireWire Solo 오디오카드를 사용하였다.
- 또한 2분 이상 구간의 평균 주파수 특성은 1시간 전체의 주파수 성분과 차이가 없다. 때문에 각 음원의 2분간을 추출하여 에너지 분포를 확인하였다.
- 두 번째 도심의 소리는 지하철음을 선정하였다. 숭실대입구역에서 한 시간 동안 녹음을 진행하였고, 측정 위치는 지하철 대기석으로 잡았다. 지하철 안내음과 지하철 도착, 출발 소리, 자동문이 열리고 닫히는 소리, 승객들이 타고 내리는 소리 등이 녹음 되었다.
- 1 TE 사운드카드와 Swan D1080 스피커를 사용하였으며, 청취레벨은 80dBspl을 기준으로 하였다. 실험 방법은 처음 15초간 미리 알려준 원본 백색잡음을 들려주고 그 다음에 15초간 대역제한 백색잡음을 들려주었으며, 하나의 대역제한 백색잡음 음원 당 두 번씩 반복 청취를 하였다. 음원 하나의 테스트가 끝나면 원본과 차이점을 느끼는지 체크하고, 해당 느낌을 서술하도록 하였다.
- 실험 환경은 앞서 2.1절 대역폭에 따른 청감 특성 실험과 동일하며, 음원 당 30초씩 순서대로 들려준 후, 동일한 순서를 3번 반복 청취하여 가장 듣기 좋은 음원을 선택하고 해당 음원이 연상시키는 소리에 대한 설명을 적도록 하였다.
- 실험에 참여한 인원은 총 5명으로, 피실험자에게 소리에 대한 아무런 설명을 하지 않은 채 지하철음, 도로교통음, 폭포소리, 숲소리를 약 5분간 두 번씩 번갈아가며 들려주면서 뇌파 측정을 실시하였다. 측정에 사용한 음원은 앞서 음원분석에 사용된 음원 3가지에 폭포소리를 추가로 사용하였다.
- 실험에서 사용된 뇌파 측정 방식은 전극법으로 세브란스병원의 개인 입원실에서 이루어졌으며, 피실험자에게 환자복을 입힌 후 의자에 편안하게 앉힌 채 실시하였다. 그리고 시각적인 영향으로 인한 뇌파 간섭을 배재하기 위해 안대를 착용시켰다.
- 실험은 13명을 대상으로 4개의 FFT필터 중 가장 듣기 좋은 소리를 선택하게 한 후, 해당 음원을 들었을 경우 연상되는 소리에 대한 청음 결과를 조사하였다.
- 실험 방법은 처음 15초간 미리 알려준 원본 백색잡음을 들려주고 그 다음에 15초간 대역제한 백색잡음을 들려주었으며, 하나의 대역제한 백색잡음 음원 당 두 번씩 반복 청취를 하였다. 음원 하나의 테스트가 끝나면 원본과 차이점을 느끼는지 체크하고, 해당 느낌을 서술하도록 하였다.
- 전 대역에 균일한 에너지 분포를 가진 백색잡음에서 사람에게 적합한 형태의 백색잡음을 찾기 위해서 여러 형태의 필터를 적용시켜 실험을 하였다. FFT필터의 프레임 단위는 4096으로 설정, Windowing-Function은 Blackman-Harris를 적용시켰다.
- 지금까지 분석한 음원들의 실제 효과를 알아보기 위해, 뇌파 측정을 하였으며 전반적인 알파파와 베타파 성분의 변화를 확인하였다.
- 일반적인 자연음을 녹음하기 위해 위치를 숭실대학교 근처의 달마산으로 선정하였다. 측정위치는 달마산 중심부와, 근처 사찰인 달마사에서 각각 한 시간씩 녹음하였다. 바람소리와 나뭇잎 스치는 소리, 낙엽 밟는 소리와 새소리 등이 녹음 되었다.
- 특정 주파수 밑에 집중된 에너지를 비교하기 위해 5000 Hz 이하, 이상 대역의 에너지 차이를 계산해 보았다. 표 3에서 도로교통음과 지하철음은 5000 Hz 이상 대역에서 20 dB가 넘는 에너지 감소가 이루어진 반면에, 숲소리는 8 dB의 에너지 감소를 보인다.
대상 데이터
- 도심 소리 첫 번째 샘플은 도로교통음을 선정했다. 일반적인 도로 특성을 가지는 숭실대입구역 근처의 왕복 8차선도로 옆의 인도에서 음을 한 시간 동안 녹음하였고, 측정 위치는 버스 정류장에서 10 m 떨어진 곳으로 잡았다.
- 실험 장소는 대학교 강의실이며, 50명의 대학생을 대상으로 0~24,000 Hz의 백색잡음 대역폭을 점점 줄여가면서 청감 결과를 조사하였다. 실제로 20,000 Hz 이상을 듣는 성인은 사실상 없지만 순음이 아닌 20,000 Hz이상의 광대역 백색잡음일 경우 어떠한 미세한 청각적 영향을 미칠지 모르므로, 충분히 넓은 대역의 음원을 원본으로 사용했다.
- 그렇다면 최소한 어느 정도의 주파수 대역폭을 가져야 전대역 백색잡음 신호와 청각적으로 동등한 효과를 가질 수 있는지 알아보았다. 실험 장소는 대학교 강의실이며, 50명의 대학생을 대상으로 0~24,000 Hz의 백색잡음 대역폭을 점점 줄여가면서 청감 결과를 조사하였다. 실제로 20,000 Hz 이상을 듣는 성인은 사실상 없지만 순음이 아닌 20,000 Hz이상의 광대역 백색잡음일 경우 어떠한 미세한 청각적 영향을 미칠지 모르므로, 충분히 넓은 대역의 음원을 원본으로 사용했다.
- 도심 소리 첫 번째 샘플은 도로교통음을 선정했다. 일반적인 도로 특성을 가지는 숭실대입구역 근처의 왕복 8차선도로 옆의 인도에서 음을 한 시간 동안 녹음하였고, 측정 위치는 버스 정류장에서 10 m 떨어진 곳으로 잡았다. 50 m 떨어진 곳에 삼거리가 위치하고 있으며, 신호의 변화에 따른 도로교통음과, 사람들의 이동음 등이 모두 녹음 되었다.
- 일반적인 자연음을 녹음하기 위해 위치를 숭실대학교 근처의 달마산으로 선정하였다. 측정위치는 달마산 중심부와, 근처 사찰인 달마사에서 각각 한 시간씩 녹음하였다.
- 실험에 참여한 인원은 총 5명으로, 피실험자에게 소리에 대한 아무런 설명을 하지 않은 채 지하철음, 도로교통음, 폭포소리, 숲소리를 약 5분간 두 번씩 번갈아가며 들려주면서 뇌파 측정을 실시하였다. 측정에 사용한 음원은 앞서 음원분석에 사용된 음원 3가지에 폭포소리를 추가로 사용하였다.
이론/모형
- 전 대역에 균일한 에너지 분포를 가진 백색잡음에서 사람에게 적합한 형태의 백색잡음을 찾기 위해서 여러 형태의 필터를 적용시켜 실험을 하였다. FFT필터의 프레임 단위는 4096으로 설정, Windowing-Function은 Blackman-Harris를 적용시켰다.
성능/효과
- 실험 결과 모든 피실험자가 자연의 폭포소리나 숲소리보다 도심의 지하철음이나 도로교통음에서 상대적으로 많은 양의 베타파가 검출 되었다.
- 실험 결과 백색잡음의 대역폭을 가변 시키더라도 모든 사람들이 백색잡음으로 인식하는 데는 변화가 없지만, 대역폭에 따라서 사람의 청감심리는 확연하게 달랐다. 그러므로 대부분 사람들에게 전대역 백색잡음과 동등한 효과를 가지기 위해서는 최소 18,000 Hz 이상 대역폭을 가진 백색잡음이 사용되어야 하며, 그 이하 대역폭의 백색잡음 음원으로는 본래 백색잡음의 효과를 기대할 수 없으며, 반대로 부정적인 영향을 주게 된다.
- 실험 결과 자연의 폭포 소리를 들었을 경우 베타파에 비해 알파파가 많이 측정되었으며, 반면에 도심 교통음을 들려줄 경우, 상대적으로 많은 양의 베타파가 감지되었다. 이러한 결과를 통해 기존에 알려진 자연의 소리에 따른 효과를 보다 객관적으로 확인할 수 있다.
- 표 1의 결과에 따르면, 18,000 Hz대역 이상을 삭제한 음원은 8%의 사람들이 원본과의 미세한 차이를 느꼈으며, 다른 사람들은 0∼24,000 Hz대역의 백색잡음과 완전 동일하게 느꼈다.
- 특정 주파수 밑에 집중된 에너지를 비교하기 위해 5000 Hz 이하, 이상 대역의 에너지 차이를 계산해 보았다. 표 3에서 도로교통음과 지하철음은 5000 Hz 이상 대역에서 20 dB가 넘는 에너지 감소가 이루어진 반면에, 숲소리는 8 dB의 에너지 감소를 보인다.
- 표 6은 전반적인 결과로서 도심의 소리는 베타파가 증가, 알파파가 감소하는 경향을 보이는 반면에 자연의 소리는 알파파가 증가, 베타파가 감소하는 경향을 확인할수 있다. 즉 도심의 소리와는 달리 자연의 소리는 긴장이 풀린 편안한 상태의 뇌파로 분석되었다.
후속연구
- 차후 사람의 연령과 개인별 청각특성을 고려한 주파수, 진폭 특성 가변 연구와, 주변 상황 변화에 따라 최적화된 백색잡음과 자연의 소리를 연구할 계획이다.
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