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문제 정의
- [4] 소리의 크기와 노출 시간에 따라 난청의 발생 여부는 다르지만, 일반적으로 큰 소리에 지속적이거나 오랜 시간 노출되면 소음성 난청이 발생한다.[5-7] 이러한 이동전화의 사용에 있어서 소음성 난청 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 골전도 피드백을 통한 휴대전화 음질향상에 관한 연구를 진행하였다.
- [8] 그러나 진동이 뼈 및 피부 조직에 전해질 때에, 높은 주파수 성분은 감쇠되기 쉬운 성질을 가진다.[9] 그래서 본 논문에서는 휴대전화에 일반 스피커와 함께 골전도 스피커와 골전도 마이크를 통한 피드백 시스템을 추가로 구성해 잡음제거 및 통화음질 향상하는 방법을 제안하고 실험을 통해 그 결과를 확인하였다. 기존 연구인[2]에서는 휴대전화에 골전도 스피커만을 추가하여 상쇄간섭을 이용해 환경 잡음을 제거하는데 이용하였으며 그 효과는 약 10 dB 이었다.
- 난청의 종류와 원인은[4,7,11]에서 연구되었으며 본 논문에서는 소음성 난청에 대하여 살펴본다. 괴롭고 원치 않는 큰 소리를 소음이라 하는데 이러한 소음에 의해서 발생하는 감각신경성 난청을 소음성난청이라고 한다.
- 이렇게 큰 음압은 사용하는 사람에게 소음성 난청을 유발할 수 있어 사용의 주의가 필요하다. 또한 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 골전도 피드백 보상에 의한 음질 향상에 관한 방법을 제안하였다.
제안 방법
- A′과 C ′을 합성한 신호를 모델링 파라미터에 맞추어 값을 조정해 골전도 스피커를 통해 듣는 신호 B신호가 되도록 하였으며, B를 통해 달팽이관에서 직접 및 간접 적으로 A와 C에 영향을 주어 전체 휴대전화 음질을 향상한다.
- [1,2,6] 측정을 위한 장비는 Bruel&Kjaer Precision Sound Analyzer Type 2260 마이크로폰과 Notebook PC를 가지고 44.1 kHz 16bit mono로 녹음하여 소음원을 저장하고 분석하였다.
- 수화음은 1단계가 3 dB차이가 나게 설계되었으며 원하는 볼륨은 통화 중 설정하게 하였다. 감성평가는 두 번의 음량 크기를 설정한 값의 차이를 이용하였으며, ANR(Active Noise Reduction)을 하지 않는 경우와 ANR을 사용한 경우의 크기 차이로 평가의 결과를 산출하였다.
- 그림 4에서 얻어진 파라미터를 이용해 그림 5에서는 골전도 피드백 시스템의 보상을 위한 주파수 모델링을 진행 하였다. 골전도 스피커 출력이 사람귀에 미치는 영향인 골전도 등가 힘 역치 레벨[12,13]을 이용해 조정된 값이며, 제안하는 골전도 피드백 시스템에서 수화음의 음질향상에 적용하였다.
- 신호의 측정은 휴대전화에 추가한 골전도 마이크 값을 모니터 하였고, 진동 센서 또한 부착하여 값을 확인 하였다. 구성한 시스템의 주파수 응답을 측정하기 위해 무향실에서 골전도 피드백 시스템의 개루프와 폐루프의 주파수 응답을 측정하여 모델링에 필요한 파라미터를 추출하였다. 그리고 주파수 보상모델을 적용한 음원의 휴대전화 수화음질을 확인하였으며, 감성평가를 진행해 시스템의 성능을 평가 하였다.
- 구성한 시스템의 주파수 응답을 측정하기 위해 무향실에서 골전도 피드백 시스템의 개루프와 폐루프의 주파수 응답을 측정하여 모델링에 필요한 파라미터를 추출하였다. 그리고 주파수 보상모델을 적용한 음원의 휴대전화 수화음질을 확인하였으며, 감성평가를 진행해 시스템의 성능을 평가 하였다.
- 그림 6은 그림 5에서 얻어진 모델링 값을 이용해 수신음을 처리한 전후 주파수 응답을 나타낸 그림이다. 모델링된 값이 충분히 반영된 결과는 아니지만, 일반적인 휴대전화의 수신용 스피커와 골전도 스피커에서 발생한 신호가 동시에 사람귀에 들리게 되므로 측정된 신호에서 값이 향상됨을 확인해야 함은 물론이고 감성평가를 통해서 실제로 사람이 사용하는 음량을 측정하고, 계산하여 시스템을 적용하기 전후를 비교하도록 하였다. 그림 6의 합성된 신호를 보면 1000 Hz이상의 고주파수가 약 10 dB 향상됨을 확인할 수 있고, 2000 Hz 부근에서는 수신 신호를 강화하여 얻어진 결과를 확인 할 수 있다.
- 모델링을 위한 파라미터 추출을 위한 개·폐 루프 주파수 응답을 측정하기 위해 모니터 스피커에서 300 Hz에서 8000 Hz로 증가하는 사인파를 재생하고, 골전도 피드백 시스템의 입력과 출력을 측정하였다.
- 분석 장비는 Bruel&Kjaer 4192 마이크와 3560C Audio Analyzer를 사용하였고 음원은 날씨 안내 방송을 이용해 측정하였다.
- 수신신호의 주파수 분석과 함께 감성평가도 진행하였다. 감성평가는 무향실에서 실시되었다.
- 실험은 일반 휴대전화에 골전도 피드백 시스템을 추가하여 준비하고, 암소음이 30 dB인 무향실에서 야마하 MSP5 Studio 모니터 스피커를 이용해 환경을 구성하였다. 신호의 측정은 휴대전화에 추가한 골전도 마이크 값을 모니터 하였고, 진동 센서 또한 부착하여 값을 확인 하였다. 구성한 시스템의 주파수 응답을 측정하기 위해 무향실에서 골전도 피드백 시스템의 개루프와 폐루프의 주파수 응답을 측정하여 모델링에 필요한 파라미터를 추출하였다.
- A′과 C ′을 합성한 신호를 모델링 파라미터에 맞추어 값을 조정해 골전도 스피커를 통해 듣는 신호 B신호가 되도록 하였으며, B를 통해 달팽이관에서 직접 및 간접 적으로 A와 C에 영향을 주어 전체 휴대전화 음질을 향상한다. 우리 귀에서 환경 잡음과 골전도 스피커 출력신호가 역위상 신호를 형성해 서로 상쇄되도록 하며, 일반 스피커 수신음의 고주파 성분이 강조된 소리 또한 합성해 듣게 되므로 우리가 실제 듣는 소리는 잡음제거와 음질향상을 동시에 하도록 하였다.
- 휴대전화의 사용 환경을 보면 조용한곳뿐만 아니라 시끄러운 소음환경까지 매우 다양하다. 이러한 환경을 모두 측정하여 비교의 대상으로 정해야 하지만 정보 수집의 효용성을 고려하여 몇 가지 이동전화를 사용하는 환경을 상황과 장소와 시간으로 구분하여 반복 녹음 및 평균 음압크기를 이용해 분석하였다.[1,2,6] 측정을 위한 장비는 Bruel&Kjaer Precision Sound Analyzer Type 2260 마이크로폰과 Notebook PC를 가지고 44.
- 일반적인 휴대전화에는 화자의 음성을 상대로 전하는 마이크와 상대의 음성을 들을 수 있는 스피커로 구성되어있다. 이러한 휴대전화에 골전도 피드벡 시스템을 추가로 구성하여 주변 환경잡음에 대한 영향을 줄이고, 상대방으로부터 들려오는 소리를 잘 전달할 수 있도록 하였다.
- 휴대전화가 설계되어진 출력 음압을 확인하기 위해 무향실에서 3대의 다른 종류의 휴대전화기와 유선전화 1대를 이용하여 비교 분석해보았다. 분석 장비는 Bruel&Kjaer 4192 마이크와 3560C Audio Analyzer를 사용하였고 음원은 날씨 안내 방송을 이용해 측정하였다.
대상 데이터
- 실험은 일반 휴대전화에 골전도 피드백 시스템을 추가하여 준비하고, 암소음이 30 dB인 무향실에서 야마하 MSP5 Studio 모니터 스피커를 이용해 환경을 구성하였다. 신호의 측정은 휴대전화에 추가한 골전도 마이크 값을 모니터 하였고, 진동 센서 또한 부착하여 값을 확인 하였다.
- 감성평가는 무향실에서 실시되었다. 휴대전화 사용 환경을 분석하는 과정에서 취음된 소리를 잡음원으로 이용하여 80 dBA인 잡음 환경을 구성하고, 골전도 피드백 시스템을 이용한 청음 평가를 진행하였으며, 평가에 시료로 사용한 음원은 날씨안내방송이다. 수화음은 1단계가 3 dB차이가 나게 설계되었으며 원하는 볼륨은 통화 중 설정하게 하였다.
성능/효과
- 골전도 피드백 시스템의 주파수 분석을 통하여 골전도 음원전달을 모델링하였고, 모델링된 값을 이용해 휴대전화의 수화음을 조정하고, 하모닉스 구조를 강조할 수 있었다. 또한 골전도 스피커를 통하여 상쇠간섭을 이용한 잡음을 중화하는 기능을 통하여 휴대전화를 사용하는 환경 잡음의 영향을 약 10 dB 줄여주고, 골전도 마이크를 통해 음성신호를 강화하는 방법을 통해 6 dB의 추가적인 성능 향상을 확인하였다.
- 그리고 보상신호와 수신 디코더를 통해 수신된 신호를 합성해 골전도 스피커용 출력 신호를 만든다. 그리고 최종적으로 골전도 스피커 출력에 맞는 전력 증폭과 신호의 고주파성분 강조를 하여 하모닉스 구조를 강조하였다. 일반 스피커는 수신신호를 일반 휴대전화와 같이 공기중을 통해 사람에게 정보를 전달하도록 하였다.
- 또한 감성평가 한 사람들의 개인별 차이를 확인해 보면 최대 22 dB의 음압을 줄여서 통화한 사람도 있으며 최소 13 dB 효과가 있는 평가자도 있었다. 기존연구[2]에서 골전도 스피커만을 이용해 단순히 주변 환경 소음을 중화하는 시스템에서 얻어진 결과보다 약 6 dB 성능이 향상됨을 확인하였으며, 골전도 피드백을 통한 환경 분석 및 골전도 스피커에서 수화음을 합성해 전달하여 6 dB의 추가 이득이 발생한 것으로 판단하였다. 또한 휴대전화 발생 음압뿐만 아니라, 통화한 음원의 명료도 측면에서도 향상된 부분을 확인하였으나, 객관적인 평가를 진행하지 못하여 결과에 첨부하지 못하였다.
- 35 dBA로 평균 17 dB의 음압을 줄여서 통화하여도 원활하게 통화가 되는 것을 확인하였다. 또한 감성평가 한 사람들의 개인별 차이를 확인해 보면 최대 22 dB의 음압을 줄여서 통화한 사람도 있으며 최소 13 dB 효과가 있는 평가자도 있었다. 기존연구[2]에서 골전도 스피커만을 이용해 단순히 주변 환경 소음을 중화하는 시스템에서 얻어진 결과보다 약 6 dB 성능이 향상됨을 확인하였으며, 골전도 피드백을 통한 환경 분석 및 골전도 스피커에서 수화음을 합성해 전달하여 6 dB의 추가 이득이 발생한 것으로 판단하였다.
- 골전도 피드백 시스템의 주파수 분석을 통하여 골전도 음원전달을 모델링하였고, 모델링된 값을 이용해 휴대전화의 수화음을 조정하고, 하모닉스 구조를 강조할 수 있었다. 또한 골전도 스피커를 통하여 상쇠간섭을 이용한 잡음을 중화하는 기능을 통하여 휴대전화를 사용하는 환경 잡음의 영향을 약 10 dB 줄여주고, 골전도 마이크를 통해 음성신호를 강화하는 방법을 통해 6 dB의 추가적인 성능 향상을 확인하였다.
- 기존 연구인[2]에서는 휴대전화에 골전도 스피커만을 추가하여 상쇄간섭을 이용해 환경 잡음을 제거하는데 이용하였으며 그 효과는 약 10 dB 이었다. 본 논문에서는 골전도 마이크와 골전도 스피커를 추가해 피드백 시스템을 통한 잡음 제거 및 음질 향상을 하도록 하여 기존보다 약 6 dB의 성능 개선을 하였다.
- 소음환경 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 크기가 작은 곳으로 판단된, 공원, 사무실에서는 평균 58 dB로 측정되었다. 시끄러운 곳과 조용한 곳의 평균값차이를 보면, 약 20 dB의 차이가 난다.
- 소음환경 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 크기가 작은 곳으로 판단된, 공원, 사무실에서는 평균 58 dB로 측정되었다.
- 표 2는 평가자 20명의 감성평가 결과를 나타내고 있다. 실험에서 구성한 80 dBA의 노이즈 환경에서 일반적인 평균 통화음량은 99.95 dBA 이었으며, 제안한 방법을 적용하면 83.35 dBA로 평균 17 dB의 음압을 줄여서 통화하여도 원활하게 통화가 되는 것을 확인하였다. 또한 감성평가 한 사람들의 개인별 차이를 확인해 보면 최대 22 dB의 음압을 줄여서 통화한 사람도 있으며 최소 13 dB 효과가 있는 평가자도 있었다.
- 그림 6의 합성된 신호를 보면 1000 Hz이상의 고주파수가 약 10 dB 향상됨을 확인할 수 있고, 2000 Hz 부근에서는 수신 신호를 강화하여 얻어진 결과를 확인 할 수 있다. 전반적으로 100 Hz이하 대역이 골전도 스피커출력이 추가되므로 저주파 진동이 강화되고, 1000 Hz 이상 대역의 신호가 보상되어 수신신호의 명료도가 향상됨을 확인할 수 있다.
- 측정된 결과를 이용해 휴대전화의 최대 볼륨과 최소 볼륨의 레벨차이는 약 25 dB임을 확인하였다. 출력되어지는 주파수는 휴대전화와 일반 유선전화가 동일하게 200 Hz ∼ 3.
- 폐루프 응답을 보면 600 ∼ 4000 Hz에서 5 ∼ 10 dB의 감쇠가 일어남을 확인할 수 있다.
- 휴대전화의 최대 볼륨에서 약 300 Hz ∼ 3.4 kHz 까지 limit of damage risk를 넘어가고 있어 실질적으로 전주파수 대역에서 한계를 초과하고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 기존연구[2]에서 골전도 스피커만을 이용해 단순히 주변 환경 소음을 중화하는 시스템에서 얻어진 결과보다 약 6 dB 성능이 향상됨을 확인하였으며, 골전도 피드백을 통한 환경 분석 및 골전도 스피커에서 수화음을 합성해 전달하여 6 dB의 추가 이득이 발생한 것으로 판단하였다. 또한 휴대전화 발생 음압뿐만 아니라, 통화한 음원의 명료도 측면에서도 향상된 부분을 확인하였으나, 객관적인 평가를 진행하지 못하여 결과에 첨부하지 못하였다.
- 향후 연구로 골전도 시스템 자체의 응답성능을 개선하는 연구를 통해 잡음제거 성능을 향상하도록 하겠다.
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