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문제 정의
- 이 기능을 이용하면 생물학적인 기능보정점검 뿐만 아니라 음향보정점검 수준의 보정점검을 시행하는 효과를 가진다. 또한 청력검사기 국제 표준에서 규정하는 검사음 특성들에 대한 측정 기능도 함께 제공하여 정밀보정점검 수준의 보정점검이 가능하도록 한다. PC 기반의 실시간 스펙트럼 분석기에는 Jaaa[8], BPR-PACU[9], Jack Meter[10] 등이 있다.
- 본 논문에서는 보정점검 문제에 대한 해결책으로 PC를 이용하는 리눅스 기반의 실시간 스펙트럼 분석기를 개발한다. 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 순음청력검사기의 검사음에 대해 검사 주파수별 음압 레벨 측정 기능을 제공한다.
- 본 논문에서는 순음청력검사기를 위한 리눅스 기반의 실시간 스펙트럼 분석기를 개발하고, 국제 표준을 준수하는 정밀 음압측정기인 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System과 성능을 비교 평가하였다.
- 본 논문에서는 청력검사기의 기도 및 골도 검사음을 측정하기 위해 실시간 스펙트럼 분석기의 설계 및 구현에 대해 기술하고, 구현한 실시간 스펙트럼 분석기의 성능을 검증하기 위해 상용 보정 시스템[11]과 비교한다.
- 본 논문의 실시간스펙트럼 분석기는 협대역 잡음에 대한 표준 규정을 검사하는 기능을 제공한다. 따라서 협대역 잡음의 출력 레벨 측정 및 표준 준수에 대한 검사 기능을 제공한다.
- 사운드카드로 입력되는 검사음 신호의 음압 레벨을 측정하기 위해서는 기준 음압 레벨(0 dB SPL)이 필요하다. 본 절에서는 이 기준 음압 레벨을 구하기 위한 실시간 스펙트럼 분석기의 보정 과정에 대해 기술한다.
제안 방법
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 고조파 왜곡 검사 기능을 제공한다. 각 Harmonic에 해당하는 주파수의 출력 레벨들을 구하였고, 이 출력 레벨들이 표준 규정을 준수하는지 검사한다. 그리고 식 (9)를 이용하여 THD를 계산하였고 이 값이 표준 규정을 준수하는지 검사한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 Jack Client의 Callback 함수 호출을 위한 쓰레드와 입력된 검사음 신호 데이터를 분석하기 위한 쓰레드로 구성된다. 그리고 검사음 신호 데이터가 저장되는 메모리에는 두 쓰레드 모두 접근 가능하도록 설계되었다. 따라서 이 데이터 영역에 대한 상호배제 기능을 지원한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 FFTW API를 이용하여 Jack Client에서 얻은 시간 영역의 검사음 신호 데이터를 주파수 영역으로 변환하였다. 그리고 주파수 영역으로 변환된 스펙트럼 데이터를 분석하여 음압 레벨 및 검사음 특성들을 측정한다.
- 따라서 협대역 잡음의 출력 레벨 측정 및 표준 준수에 대한 검사 기능을 제공한다. 그리고 협대역 잡음의 기준 주파수에서 1 octave 간격으로 해당 주파수의 출력 레벨들을 측정한 후, 이 레벨들이 표준 규정을 준수하는지 검사하는 기능을 제공한다. 만약 1 octave 간격의 청력레벨이 표준 규정을 준수하지 않을 경우, 1 octave 간격의 주파수에 대한 청력 레벨 측정 결과를 출력한다.
- 기준등가역치음압수준은 헤드폰 모델 및 커플러(coupler)에 따라 다른 값을 가진다. 따라서 본 논문에서는 기준등가역치음압수준을 헤드폰 모델 및 커플러에 따라 선택 가능하도록 인터페이스를 제공하고, 각 주파수별로 검사 청력레벨 또한 설정 가능하도록 인터페이스를 제공한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 사운드카드로 입력되는 검사음 신호 데이터를 얻기 위한 Jack Client 쓰레드와 이 검사음 신호 데이터를 분석하기 위한 분석 쓰레드로 구성된다. 따라서 본 논문에서는 멀티 쓰레드를 위해 Pthread API를 사용한다.
- 또한 청력검사기의 검사음은 측정 주파수의 1/3 octave 대역만을 측정한다. 따라서 본 논문에서는 입력받은 검사음 데이터를 검사음 주파수를 기준으로 1/3 octave 대역통과필터(band pass filter)를 항상 적용한다.
- 청력 레벨(dB HL)은 청력이 정상인 사람들의 주파수별 최소가청레벨(dB SPL)을 평균한 후, 이 평균값을 기준청력레벨(0 dB HL)로 변환한 것이다. 따라서 본 논문에서는 측정한 음압 레벨(dB SPL)을 기준등가역치음압수준(RETSPLs)을 사용하여 청력 레벨로 변환한다[3].
- 40-2006[15], IEC 60942-2003[16]은 청력검사기의 Type에 따라 검사음 특성을 규정하고 있다. 본 논문 실시간 스펙트럼 분석기는 순음청력검사기 검사음 특성 검사 기능을 제공한다.
- 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기와 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System을 이용하여 순음청력검사기의 순음 및 협대역 잡음을 측정하였다.
- 본 논문에서는 125 ∼ 8000 Hz 범위의 각 주파수에 해당하는 검사음을 측정한 후, 순음청력검사기의 청력레벨과 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기에서 측정한 청력레벨을 비교하여 표준 준수 여부를 검사한다.
- 본 논문은 1000 Hz의 주파수에서 청력 레벨의 선형성을 시험하였고, 100 dB HL부터 -5 dB 단위로 청력 레벨을 측정하였다. 표 3은 1000 Hz에서 측정한 청력 레벨의 선형성 결과를 나타낸다.
- 본 논문은 A-weighting, C-weighting 필터를 제공하기 위해 시간 영역에서 적용할 수 있도록 IIR 필터를 구현한 LADSPA의 공개 소프트웨어를 사용하였다. LADSPA에서 제공하는 필터는 네 가지 샘플 주파수(44100, 48000, 88200, 96000)에 대해 정확도 0.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 FFTW API를 이용하여 Jack Client에서 얻은 시간 영역의 검사음 신호 데이터를 주파수 영역으로 변환하였다. 그리고 주파수 영역으로 변환된 스펙트럼 데이터를 분석하여 음압 레벨 및 검사음 특성들을 측정한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 Jack Client를 이용하여 Jack Server의 메모리에 저장되는 검사음 신호 데이터를 실시간으로 획득하였고, 이 데이터를 분석하여 음압 레벨 및 검사음 특성을 측정한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 Jack Client의 Callback 함수 호출을 위한 쓰레드와 입력된 검사음 신호 데이터를 분석하기 위한 쓰레드로 구성된다. 그리고 검사음 신호 데이터가 저장되는 메모리에는 두 쓰레드 모두 접근 가능하도록 설계되었다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 고조파 왜곡 검사 기능을 제공한다. 각 Harmonic에 해당하는 주파수의 출력 레벨들을 구하였고, 이 출력 레벨들이 표준 규정을 준수하는지 검사한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 기도(air conduction) 검사음 측정, 골도(bone conduction) 검사음 측정, 실시간 스펙트럼 분석기 보정(calibration)에 따라 다른 하드웨어로 구성된다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 단속음의 표준 준수 여부 검사 기능을 제공하고 각 구간별로 측정한 시간을 화면에 출력한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 사운드카드로 입력되는 검사음 신호 데이터를 얻기 위한 Jack Client 쓰레드와 이 검사음 신호 데이터를 분석하기 위한 분석 쓰레드로 구성된다. 따라서 본 논문에서는 멀티 쓰레드를 위해 Pthread API를 사용한다.
- 본 논문에서는 보정점검 문제에 대한 해결책으로 PC를 이용하는 리눅스 기반의 실시간 스펙트럼 분석기를 개발한다. 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 순음청력검사기의 검사음에 대해 검사 주파수별 음압 레벨 측정 기능을 제공한다. 이 기능을 이용하면 생물학적인 기능보정점검 뿐만 아니라 음향보정점검 수준의 보정점검을 시행하는 효과를 가진다.
- Callback 함수는 표준에서 규정하는 사운드 입력 시간인 Fast(250㎳)또는 Slow(1sec) 동안 데이터가 입력되면 이 데이터를 다른 메모리에 복사한다. 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 이 데이터를 분석하여 음압 레벨 및 검사음 특성을 측정한다.
- 0 dB 이내로 규정하고 있다. 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 청력레벨의 선형성 검사 기능을 제공한다. 청력레벨의 선형성을 검증하기 위해 검사 주파수, 검사 시작 청력레벨, 청력레벨 단계(Step) 설정이 가능하도록 인터페이스를 제공하고, 각 단계별로 청력레벨 측정 결과를 제공한다.
- 이 절에서는 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기와 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System을 이용하여 Interacoustics사 AC40의 순음 측정 결과를 비교 분석한다.
- 이를 검증하기 위해 본 논문에서는 검사음의 주파수 측정 기능을 제공하고, 측정된 주파수가 기준 주파수의 ±1% 이내에 있는지 검사하는 기능을 제공한다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 청력레벨의 선형성 검사 기능을 제공한다. 청력레벨의 선형성을 검증하기 위해 검사 주파수, 검사 시작 청력레벨, 청력레벨 단계(Step) 설정이 가능하도록 인터페이스를 제공하고, 각 단계별로 청력레벨 측정 결과를 제공한다.
- 전기적 신호로 변환된 검사음은 프리앰프(preamplifier)를 통해 증폭된다. 프리앰프에서 증폭된 신호는 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기가 설치된 PC의 사운드카드 라인 입력 단자로 입력되고 검사음 신호 분석이 진행된다.
대상 데이터
- 마이크로폰은 IEC 60651[20] Type 1과 ANSI S1.4-1983 (R2006)[2] Type 1의 표준 규격을 준수하는 Larson Davis사의 2575 1인치 마이크로폰을 사용하였다. 이 마이크로폰의 Sensitivity는 45 mV/Pa이다.
- 구현된 실시간 스펙트럼 분석기를 검증하기 위해 정밀 음압측정기인 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System과 측정치를 비교하였다. 순음청력검사기는 Interacoustics사의 AC40을 이용하였다. 기도 검사음 출력은 TDH-39 헤드폰을 사용하였고, 골도 검사음 출력은 Bruel & Kjaer 사의 4930을 사용하였다.
- 순음청력검사기의 출력 음을 측정하기 위하여 IEC 60318-3:1998-08[18]와 ANSI S3.7-1995 (R2008)[19] 표준 규격을 준수하는 LARSON DAVIS 사의 AEC101 커플러(Coupler)를 사용하였다.
데이터처리
- 구현된 실시간 스펙트럼 분석기를 검증하기 위해 정밀 음압측정기인 Larson Davis사의 Audiometer Calibrator System과 측정치를 비교하였다. 순음청력검사기는 Interacoustics사의 AC40을 이용하였다.
이론/모형
- 본 논문은 입력받은 검사음 데이터에 대해 윈도우를 적용하고, FFT를 수행한 후 식 (7)을 통해 최대 값을 갖는 빈(bean)을 찾는다. 각 빈이 표현하는 주파수의 범위가 식 (8)과 같기 때문에 보간법을 적용하여 주파수를 결정하였다. 식 (7), (8)에서 N은 샘플링된 신호의 수를 나타낸다
- 기도 검사음 출력은 TDH-39 헤드폰을 사용하였고, 골도 검사음 출력은 Bruel & Kjaer 사의 4930을 사용하였다. 모든 음향적인 측정은 ANSI S3.1-1999 (R2008)[17]을 준수하는 방음실 (ECKEL C24)에서 수행하였다.
- Linux, Mac OS, Windows 등 다양한 운영체제에서 사용 가능한 Jack API는 사실상의 표준(defacto standard)으로 인정되고 있다. 본 논문에서는 사운드카드로 입력되는 검사음 신호 데이터를 실시간으로 얻기 위해 Jack API를 사용한다.
- MIT에서 개발한 FFTW API는 실수 데이터 및 복소수 데이터에 대한 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)을 지원하는 오픈 소스용 C 라이브러리이다. 본 논문에서는 사운드카드로 입력되는 시간 영역의 검사음 신호 데이터를 분석하기 위해 FFTW API를 이용한다.
- 본 논문은 입력 전압 값을 측정하는 방법으로 equivalent continuous sound level을 사용한다. 즉, 식 (4)와 같이 주어진 시간 내의 사운드 입력 전압 값에 대한 RMS(Root Mean Square) 값을 사용하여 음압 레벨을 계산한다.
- Jack Server 프로그램은 사운드 입력단자로 입력되는 신호를 PCM 방식의 데이터 값으로 메모리에 저장한다. 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 Jack Client를 시스템 내부에 구현하였다. 사운드카드로 검사음 신호가 입력되는 경우 Jack Client에서 설정한 Callback 함수가 호출 된다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기의 기준 음압 레벨을 측정하기 위해 소음계교정기는 ANSI S1.40-2006[22] 과 IEC 60942-2003[23] CLASS 1 표준 규격을 준수하는 Larson Davis사의 CAL250을 사용하였다. CAL250은 251.
- 사운드카드로 입력되는 검사음 신호 데이터를 분석하기 위해 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기는 오픈 소스들을 이용한다.
- 프리앰프는 IEC 61094-4[21]의 표준 규격을 준수하는 Larson Davis 사의 PRM902를 사용하였다. 본 시험에서는 2575 마이크로폰과 같이 사용하기 때문에 최대 155 dB(14 V peak)의 출력을 제공한다.
성능/효과
- 단속음 측정 결과를 비교하기 위해서 순음 청력검사기는 1000 Hz에서 70 dB HL로 검사음을 출력하였다. 표 5는 단속음을 측정한 후, 단속음의 각 구간별 지속 시간을 측정한 결과를 나타낸다.
- 또한 PC를 기반으로 개발되었기 때문에 상용 보정 시스템에 비해 가격 경쟁력을 가진다. 따라서 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기는 보정점검을 위한 시스템으로 청력검사기관에서 사용하면 많은 장점을 가진다.
- 하지만 Larson Davis사 시스템으로 단속음을 매번 측정할 때마다 약간의 오차가 발생 하였다. 따라서 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기의 단속음 측정 결과 역시 약간의 오차가 발생하였기 때문에, 신뢰할만한 측정 결과로 판단된다.
- 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기는 PC 기반에서 개발되었으므로 사운드카드의 하드웨어 성능에 의해 검사음 측정 결과가 정밀 음압측정기에 비해 떨어지는 현상이 발생하였다. 하지만 일반 청력검사 기관에서 기능보정점검 및 음향보정점검을 위해 이 분석기를 이용한다면, 생물학적인 기능보정점검 보다 더욱 정확한 순음 청력검사기 보정점검이 가능하다고 판단된다.
- 본 논문에서는 Hamming 윈도우를 포함한 15종의 윈도우를 적용 가능하며, Quinn's 2nd Estimator를 포함하는 5종의 보간법을 적용 가능하다.
- 본 논문의 실시간 스펙트럼 분석기의 청력레벨 선형성 측정 결과는 30 dB HL 이하에서 상당히 큰 오차가 발생하였다. 이는 사운드카드 하드웨어 성능의 한계로, 신호대잡음비(SNR)의 영향을 가장 크게 받는다고 판단된다.
- 청력 레벨 측정 결과는 최대 -0.3 dB의 오차가 발생하였고, 주파수의 정확도 또한 8000 Hz에서 -0.6 Hz로 가장 큰 오차가 발생하였다. 하지만 청력 레벨과 주파수 모두 아주 작은 오차가 발생하였기 때문에, 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기의 청력 레벨 및 주파수 측정 결과는 충분히 신뢰할 수 있다.
- 6 Hz로 가장 큰 오차가 발생하였다. 하지만 청력 레벨과 주파수 모두 아주 작은 오차가 발생하였기 때문에, 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기의 청력 레벨 및 주파수 측정 결과는 충분히 신뢰할 수 있다.
- 협대역 잡음 측정 결과를 비교하기 위해서 순음 청력검사기는 70 dB HL로 협대역 잡음을 출력하였다. 표 6은 협대역 잡음 측정한 후 협대역 잡음의 청력 레벨 측정 결과를 나타낸다.
후속연구
- 또한 PC 기반으로 개발되었기 때문에 가격 경쟁력에서 큰 장점을 가진다. 따라서 청력검사기관에서 본 논문에서 개발한 실시간 스펙트럼 분석기를 이용하여 보정점검을 수행한다면 피검자의 청력검사 결과를 더욱 신뢰 할 수 있을 것이다.
- 본 논문에서 개발한 실시간 스펙트럼 분석기는 정확한 음압 레벨을 측정하기 위해 음압 레벨에 대한 보정이 필요하다. 그림 3은 소음계교정기(sound level meter calibrator)를 이용하여 실시간 스펙트럼 분석기를 보정하기 위한 하드웨어 구성을 나타낸다.
- 본 논문에서 구현한 실시간 스펙트럼 분석기는 PC 기반에서 개발되었으므로 사운드카드의 하드웨어 성능에 의해 검사음 측정 결과가 정밀 음압측정기에 비해 떨어지는 현상이 발생하였다. 하지만 일반 청력검사 기관에서 기능보정점검 및 음향보정점검을 위해 이 분석기를 이용한다면, 생물학적인 기능보정점검 보다 더욱 정확한 순음 청력검사기 보정점검이 가능하다고 판단된다. 또한 PC 기반으로 개발되었기 때문에 가격 경쟁력에서 큰 장점을 가진다.
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