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문제 정의
- 청력 손실은 원인과 현상에 따라 다양하게 분류된다[8]. 본 논문에서는 감각신경성 난청에 대하여 다루고 있으므로 간단하게 안내 하고자 한다. 감각신경성 난청은 내이나 청신경이 손상되는 경우이고, 노화, 소음, 약물 등에 의해 발생되며 원인이 제거되더라도 한번 손상된 청신경이나 내이는 쉽게 복원되지 않는다 [5,8].
- 본 논문에서는 휴대전화가 사용되어지는 환경소음에 대해서 분석을 하여 상황별 소음의 레벨과 주파수 분포를 확인하였다. 그리고 이러한 환경에서 사용되는 휴대전화의 발생음압을 측정하였다.
- 본 논문에서는 휴대전화에 의한 난청을 예방하기 위하여, 휴대전화가 사용되는 환경을 분석하여 그 특성을 파악하고, 분석한 결과를 토대로 능동 잡음제거기술을 통하여 휴대전화를 사용하는 사람의 청력을 소음성 난청으로부터 보호하고자 한다. 논문의 2절에서는 청각의 특성과 난청예방법에 대하여 살펴보고, 3절에서는 휴대전화 사용 환경을 분석하였다.
제안 방법
- 통화볼륨은 1단계가 3 dB로 설계되었으며 원하는 볼륨은 통화 중 설정하게 하였다. 감성평가는 두 번의 음량 크기를 설정한 값의 차이를 이용하였으며, ANR을 하지 않는 경우와 ANR을 사용한 경우의 크기 차이로 평가의 결과를 산출하였다.
- 골전도 스피커로 효과를 분석해 보기 위해 지름이 13 mm 원형 4T와 4.3T 두께가 다른 두 가지 타입을 휴대전화에 적용하였다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 휴대전화의 진동모터 자리에 골전도 스피커를 조립하여 테스트를 하기위한 시료를 만들었다.
- 첫째는 골전도 스피커의 성능을 검증하기 위해 골전도 스피커의 진동량을 측정하였고, 둘째로는 실제 사람귀에 어떻게 들리고 효과가 있는지를 평가하였다. 골전도 스피커의 성능을 평가하기 위해서는 일반 마이크를 이용할 수 없어 골전도 스피커의 진동량을 측정하고 이 진동량을 음향특성으로 변환하여 특성을 분석하였다. 사람귀를 이용한 감성평가는 20대 건강한 남녀 20명이 잡음환경에서 사용한 휴대전화 수신음과 잡음 중화된 휴대전화 수신음을 비교하여 그 결과를 이용하였다.
- 측정시 스펀지 위에 골전도 스피커를 두고 진동센서를 붙여서 측정하였다. 골전도 측정은 좀더 현실적인 측정을 위해 100 g 무게의 지그에 골전도 스피커를 부착하고 가속도센서를 부착하여 진동량을 측정하였다. 실험은 Signal Analyzer를 이용해 입력신호 대 출력진동 크기를 측정하였다.
- 본 논문에서는 휴대전화가 사용되어지는 환경소음에 대해서 분석을 하여 상황별 소음의 레벨과 주파수 분포를 확인하였다. 그리고 이러한 환경에서 사용되는 휴대전화의 발생음압을 측정하였다. 측정 및 실험결과 소음이 심한 환경의 평균값인 약 85 dBA인 환경에서 사람들은 평균 101 dBA의 수화음 크기로 통화함을 발견하였다.
- 3T 모델로 잡음이 주로 분포하고 있는 300 ㎐ ~ 2000 ㎐에서 Sample 1보다 응답결과가 평탄하고 500 ㎐ 미만에서 평균 10 dB 높게 측정되었다. 그리고 측정된 결과로부터 등가 역치 힘레벨 (Equivalent threshold force level)을 이용해 골전도 스피커가 발생시킨 진동이 사람 귀에 느껴지는 진동별 주파수 민감도로 변환하여 결과를 분석하였다.
- 일반적인 휴대전화는 음성신호와 주변소음이 혼합된 소리가 사용되고 있으며 주변잡음이 크면 통화하는데 불편함을 느끼게 된다. 따라서 제안한 방법은 통화용과는 별도의 마이크를 통해서 주변소음을 취음하고 프리앰프에서 위상을 반전하고 전압증폭을 하고 파워앰프에서 골전도 스피커를 구동하기 위한 전류증폭을 하게 된다. 잡음을 중화하기 위한 신호도 들어오면 결국에는 주변소음이 상쇄되고 최종적으로 휴대전화 수신음이 남는다.
- 시료로는 일반 통화용 스피커 옆에 진동모터가 있는 모델을 선정하여 통화할 때 휴대전화를 귀에 가져다 대는 위치를 동일하게 하였다. 마이크는 -30 dB 감도를 가지는 MEMS 마이크를 적용하였으며 앰프는 이득이 20 dB인 일반 아날로그 타입의 앰프를 적용하여 테스트 보드를 만들었다. 환경소음이 우리 귀로 입사되는 것을 고려하여 마이크의 위치는 휴대전화의 뒷면 사람귀의 위치로 예상되는 부분에 부착하였다.
- 이러한 소음에 능동적으로 반응하기 위해 실시간으로 소음 모니터링이 필요하다. 소음 모니터용으로 MEMS 마이크를 이용하여 취음하고 프리앰프로 전압증폭 및 위상을 반전시키며 파워앰프를 이용하여 스피커를 구동하였다.
- 골전도 측정은 좀더 현실적인 측정을 위해 100 g 무게의 지그에 골전도 스피커를 부착하고 가속도센서를 부착하여 진동량을 측정하였다. 실험은 Signal Analyzer를 이용해 입력신호 대 출력진동 크기를 측정하였다. 주파수별 입력 대 출력 신호비를 측정하여 골전도 스피커의 주파수 대역별 예상 출력 및 음향 특성으로의 변환을 통해 예상 가능한 골전도 스피커의 ANR 가능 여부를 판단하였다.
- 소멸간섭을 이용해 사용환경 소음의 크기를 줄여 휴대전화를 이용한 정보 전달은 원활하게 하고, 소음으로 인한 피해를 줄이는 방법이다. 이것을 구성하기 위해 휴대전화에 별도의 마이크와 골전도 스피커를 이용하였고, 우리 귀에 유입되는 환경 소음의 역 위상에 해당하는 소리를 골전도 스피커를 통해 들려주어 소음의 영향을 줄이는 방법이다.
- 또한 쇼핑을 하거나, 길거리를 걸어가며 통화를 하는 사람도 있다. 이러한 다양한 사람과 다양한 환경을 모두 측정하여 비교의 대상으로 정해야 하지만 정보 수집의 효용성을 고려하여 몇 가지 이동전화를 사용하는 환경으로 분류하여 환경잡음을 분석했다 [1].
- 실험은 Signal Analyzer를 이용해 입력신호 대 출력진동 크기를 측정하였다. 주파수별 입력 대 출력 신호비를 측정하여 골전도 스피커의 주파수 대역별 예상 출력 및 음향 특성으로의 변환을 통해 예상 가능한 골전도 스피커의 ANR 가능 여부를 판단하였다.
- 제안한 방법의 결과를 확인하기위해 두 가지 실험을 수행 하였다. 첫째는 골전도 스피커의 성능을 검증하기 위해 골전도 스피커의 진동량을 측정하였고, 둘째로는 실제 사람귀에 어떻게 들리고 효과가 있는지를 평가하였다. 골전도 스피커의 성능을 평가하기 위해서는 일반 마이크를 이용할 수 없어 골전도 스피커의 진동량을 측정하고 이 진동량을 음향특성으로 변환하여 특성을 분석하였다.
- 그림 7은 골전도 스피커의 측정 장비 구성도이다. 측정시 스펀지 위에 골전도 스피커를 두고 진동센서를 붙여서 측정하였다. 골전도 측정은 좀더 현실적인 측정을 위해 100 g 무게의 지그에 골전도 스피커를 부착하고 가속도센서를 부착하여 진동량을 측정하였다.
- 측정은 B&K장비 Torso로 휴대전화를 귀에 밀착한 상태로 측정하였다.
- 측정을 위한 장비는 Bruel&Kjaer Precision Sound Analyzer Type 2260 마이크로폰과 Notebook PC를 가지고 44.1 ㎑ 16 bit mono로 녹음하여 소음원을 확보하고 분석하였다.
- 감성평가는 암소음 25 dB인 무향실에서 실시되었다. 휴대전화 사용 환경을 분석하는 과정에서 취음된 소리를 잡음원으로 이용하여 Yamaha MSP5 Studio 모니터 스피커를 사용해 85 dBA인 잡음 환경을 구성하고, 골전도 스피커를 이용한 ANR의 효과분석을 하였다. 사용한 신호음으로는 휴대전화 사용실태에서 이용한 것과 같은 131날씨방송을 이용하였다.
- 휴대전화 사용을 상황과 장소와 시간으로 구분하여 반복 녹음 및 평균 음압크기를 측정하였다. 측정을 위한 장비는 Bruel&Kjaer Precision Sound Analyzer Type 2260 마이크로폰과 Notebook PC를 가지고 44.
- 휴대전화가 설계되어진 출력 음압을 확인하기 위해 무향실에서 3대의 휴대전화기와 유선전화 1대를 이용하여 비교 분석 해보았다. 분석 장비는 Bruel&Kjaer 4192 마이크와 3560C Audio Analyzer를 사용하였고 음원은 131 날씨 방송을 최대볼륨에서 측정하였다.
대상 데이터
- 식 (1)과 같이 주변소음에 따라서 동일한 비로 골전도 출력과 상쇠 되기 때문에 능동적으로 소음을 줄일 수 있다. 마이크와 스피커는 원 신호를 그대로 받아들일 수 있는 평탄한 주파수 특성을 가진 부품을 이용했다.
- 골전도 스피커의 성능을 평가하기 위해서는 일반 마이크를 이용할 수 없어 골전도 스피커의 진동량을 측정하고 이 진동량을 음향특성으로 변환하여 특성을 분석하였다. 사람귀를 이용한 감성평가는 20대 건강한 남녀 20명이 잡음환경에서 사용한 휴대전화 수신음과 잡음 중화된 휴대전화 수신음을 비교하여 그 결과를 이용하였다.
- 휴대전화 사용 환경을 분석하는 과정에서 취음된 소리를 잡음원으로 이용하여 Yamaha MSP5 Studio 모니터 스피커를 사용해 85 dBA인 잡음 환경을 구성하고, 골전도 스피커를 이용한 ANR의 효과분석을 하였다. 사용한 신호음으로는 휴대전화 사용실태에서 이용한 것과 같은 131날씨방송을 이용하였다. 통화볼륨은 1단계가 3 dB로 설계되었으며 원하는 볼륨은 통화 중 설정하게 하였다.
- 시료로는 일반 통화용 스피커 옆에 진동모터가 있는 모델을 선정하여 통화할 때 휴대전화를 귀에 가져다 대는 위치를 동일하게 하였다. 마이크는 -30 dB 감도를 가지는 MEMS 마이크를 적용하였으며 앰프는 이득이 20 dB인 일반 아날로그 타입의 앰프를 적용하여 테스트 보드를 만들었다.
데이터처리
- 표 2에서 측정된 평균 잡음 크기를 보이고 있다. 한 장소에서 약 5분간의 측정하였고, 10회의 반복된 측정을 하여 평균값을 표기 하였다. 소음 분석결과 상대적으로 시끄러운 환경으로 분류된 교통수단을 이용하는 경우에는 약 80 dB의 소음이 발생하였고, 지하철 승강장, 버스 승강장에서는 약 82 dB가 발생하였으며, 대형마트를 비롯한 공공장소에서는 약 79 dB의 소음이 발생하였다.
성능/효과
- 5 dBA로 평균 12 dB의 음압을 줄여서 통화하여도 원활하게 통화가 되는 것을 확인하였다. 또한 감성평가한 사람들의 개인별 차이를 확인해 보면 최대 18 dB의 음압을 줄여서 통화한 사람도 있으며 최소 6 dB 효과가 있는 평가자도 있었다.
- 소음 분석결과 상대적으로 시끄러운 환경으로 분류된 교통수단을 이용하는 경우에는 약 80 dB의 소음이 발생하였고, 지하철 승강장, 버스 승강장에서는 약 82 dB가 발생하였으며, 대형마트를 비롯한 공공장소에서는 약 79 dB의 소음이 발생하였다. 비교적 소음의 정도가 낮은 곳으로 판단된, 공원, 사무실 에서는 평균 58 dB로 측정되었다. 시끄러운 곳과 조용한 곳의 평균값차이를 보면, 약 20 dB의 차이를 보이고 있다.
- 한 장소에서 약 5분간의 측정하였고, 10회의 반복된 측정을 하여 평균값을 표기 하였다. 소음 분석결과 상대적으로 시끄러운 환경으로 분류된 교통수단을 이용하는 경우에는 약 80 dB의 소음이 발생하였고, 지하철 승강장, 버스 승강장에서는 약 82 dB가 발생하였으며, 대형마트를 비롯한 공공장소에서는 약 79 dB의 소음이 발생하였다. 비교적 소음의 정도가 낮은 곳으로 판단된, 공원, 사무실 에서는 평균 58 dB로 측정되었다.
- 표 3은 평가자 20명의 감성평가 결과를 나타내고 있다. 실험에서 구성한 85 dBA의 노이즈 환경에서 일반적인 평균 통화음량은 100.5 dBA 였으며, 제안한 ANR을 적용하면 88.5 dBA로 평균 12 dB의 음압을 줄여서 통화하여도 원활하게 통화가 되는 것을 확인하였다. 또한 감성평가한 사람들의 개인별 차이를 확인해 보면 최대 18 dB의 음압을 줄여서 통화한 사람도 있으며 최소 6 dB 효과가 있는 평가자도 있었다.
- 제안한 골전도 스피커를 이용한 ANR을 적용하면 동일한 크기의 잡음 환경에서 기존보다 12 dB를 낮추어 수화음을 결정하여도 통화하는데 문제가 없는 것으로 감성평가 결과를 통해 확인하였다. 휴대전화의 높은 출력레벨로 인한 소음성 난청을 예방할 수 있음을 확인하였다.
- 제안한 방법에 의한 진동량 평가 및 감성평가를 고려할때 골전도 스피커를 이용한 잡음중화는 약 10 dB의 잡음을 중화하여 통화음의 크기에 그만큼의 이득이 있음을 확인하였다. 즉 ANR을 사용함으로서 수화음을 평균 12 dB 줄일 수 있었으며, 이것은 평균크기 88 dBA로 적은 영향을 주게 됨을 확인하였다.
- 환경 잡음에 평균 음압은 80 dBA이다. 제안한 방법을 적용하였을 경우 800 Hz에서 최대 18 dB 감쇠효과가 나타났고, 전 대역에서 10~15 dB의 잡음을 제거하는 효과를 확인하였다. 하지만 500 Hz 이하에서는 골전도 스피커의 전달 특성상 잡음 크기보다 스피커 출력이 증가한 것으로 분석되었다.
- 제안한 방법에 의한 진동량 평가 및 감성평가를 고려할때 골전도 스피커를 이용한 잡음중화는 약 10 dB의 잡음을 중화하여 통화음의 크기에 그만큼의 이득이 있음을 확인하였다. 즉 ANR을 사용함으로서 수화음을 평균 12 dB 줄일 수 있었으며, 이것은 평균크기 88 dBA로 적은 영향을 주게 됨을 확인하였다.
- 그리고 이러한 환경에서 사용되는 휴대전화의 발생음압을 측정하였다. 측정 및 실험결과 소음이 심한 환경의 평균값인 약 85 dBA인 환경에서 사람들은 평균 101 dBA의 수화음 크기로 통화함을 발견하였다. 과도한 음압이 지속적으로 우리 귀를 자극하면 결국에는 소음성 난청을 유발될 수 있다.
- 측정된 결과를 이용해 휴대전화의 최대 볼륨과 최소 볼륨의 레벨차이는 약 25 dB 차이가 나고 있음을 확인하였다. 출력되어지는 주파수는 휴대전화와 일반 유선전화가 동일하게 200 Hz~3.
- 제안한 골전도 스피커를 이용한 ANR을 적용하면 동일한 크기의 잡음 환경에서 기존보다 12 dB를 낮추어 수화음을 결정하여도 통화하는데 문제가 없는 것으로 감성평가 결과를 통해 확인하였다. 휴대전화의 높은 출력레벨로 인한 소음성 난청을 예방할 수 있음을 확인하였다.
- 4 ㎑까지로 측정되었다. 휴대전화의 최대 볼륨에서 약 300 Hz~3.4 ㎑까지 limit of damage risk를 넘어가고 있어 실질적으로 전주파수 대역에서 한계를 초과하고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 향후 앰프와 마이크 그리고 잡음에 대한 모델분석을 통한 효율적인 ANR에 대하여 연구하도록 하겠다. 그리고 최종적으로는 통화하는 스피커에 상쇄시키고자 하는 노이즈를 인가하여 별도의 스피커를 추가하지 않아도 되는 에코, 하울링 극복방안에 대한 연구를 진행하도록 하겠다.
- 그래서 다소 작아 보이는 보상결과를 나타냈다. 향후 앰프와 마이크 그리고 잡음에 대한 모델분석을 통한 효율적인 ANR에 대하여 연구하도록 하겠다. 그리고 최종적으로는 통화하는 스피커에 상쇄시키고자 하는 노이즈를 인가하여 별도의 스피커를 추가하지 않아도 되는 에코, 하울링 극복방안에 대한 연구를 진행하도록 하겠다.
- 향후에는 잡음을 모델링하여 골전도스피커를 이용한 효과적인 ANR 기술연구가 필요하다. 5.
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