[논문]교실에서 신호대잡음비 변이가 한국어 음성명료도에 미치는 영향

박찬재; 조성민; 한찬훈

doi:10.7776/ask.2019.38.6.651

교실에서 신호대잡음비 변이가 한국어 음성명료도에 미치는 영향
Influence of SNR difference on the Korean speech intelligibility in classrooms 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.6, 2019년, pp.651 - 660

박찬재 (충북대학교 건축공학과) , 조성민 (PEAS 친환경 엔지니어링) , 한찬훈 (충북대학교 건축공학과)

초록
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본 연구는 소음 환경에서 화자의 음성 레벨이 어느 정도일 때 한국어에 대한 청자의 음성명료도 변화를 파악하고자 시행되었다. 이를 위해 잔향시간이 다른 교실 환경을 모형화하여 가청화시재를 제작한 후 피실험자 27명을 대상으로 청감실험을 실시해 음성명료도를 평가하였다. 음성명료도에 대한 평가는 한국어 음성명료도 평가법 중 음절법과 단어법을 이용하였으며 잔향시간과 신호대잡음비를 5dB씩 변화시키면서 정답률의 변화를 관찰하였다. 실험결과 음절법의 경우 신호대잡음비가 커질수록 이에 비례해 음성명료도 평가점수 또한 높아짐을 알 수 있었다. 단어법의 경우 잔향시간이 1.5 s인 경우에는 음성명료도 평가점수가 신호대잡음비와 비례적인 관계를 보이지만, 잔향시간이 0.8 s로 짧은 상황에서는 비례관계를 찾을 수 없었다. 이원변량분석 결과 한국어 음성명료도 평가법 중 음절법과 단어법에 공통적으로 유의한 영향 인자는 신호대잡음비라는 것으로 확인되었다. 따라서, 한국어 교실의 적정 잔향시간 기준인 0.8s 이하를 만족하는 경우 소음에 따른 영향을 제어할 수 있으나, 잔향시간이 기준보다 긴 경우에는 신호대잡음비가 커야만 높은 음성명료도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study aims to find out the necessary speech sound level which can satisfy with the speech intelligibility in a noisy classroom environments. For this, auralized materials were made to undertake listening tests with 27 people. Speech intelligibility tests were carried out using both Consonant-Vowel-Consonant (CVC) and Phonetically Balanced Words (PBW) methods. Signal to noise ratio was changed by 5 dB for each test. As a result, it was found that speech intelligibilities are increasing with larger Signal to Noise Ratio (SNR). It was also found that there is a lot of difference of speech intelligibilities by SNR for syllables (CVC) with the Reverberation Time (RT) of 1.5 s. However, any significant difference was not found for words (PBW) in the case with RTs of below 0.8 s. Also, it was revealed through the 2-way analysis of variance (ANOVA) test that SNR is the only attentive factor which can affect the Korean speech intelligibilities for both PBW and CVC methods. Therefore, RTs below 0.8 s could be the acoustic criteria for classroom which can minimize the effects of noise. In the case with RTs larger than 0.8 s, much larger SNR is needed to give sufficient speech intelligibility.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 1. The acoustic performance standards for the classroom in USA (unoccupied).^[6]
표 Table 2. The acoustic performance standards for the classroom in UK (unoccupied).^[7]
그림 Fig. 1. Results of a typical intelligibility test^[12] (Miller et al., 1951).
표 Table 3. The suggested acoustic performance standards for the classroom in Korea (unoccupied).
표 Table 4. Noise standards for school area in Korea.^[11]
그림 Fig. 2. Process of the auralization works.
표 Table 5. Sample of the speech intelligibility tests.^[13]
그림 Fig. 3. Plan and section of the target classroom.
그림 Fig. 4. The shape and receiving point location of the simulation model.
표 Table 6. Interior finishing materials of the target classroom.
그림 Fig. 5. Set-up of speech intelligibility tests.
표 Table 7. Composition of the auralization materials.
표 Table 8. The order of experiments.
그림 Fig. 6. Comparison of speech intelligibility test scores in CVC with SNR and RT differences.
그림 Fig. 7. Comparison of speech intelligibility test scores in PBW with SNR and RT differences.
표 Table 9. Results of speech intelligibility test in CVC.
표 Table 10. Results of speech intelligibility test in PBW.
표 Table 11. 2-way ANOVA analysis results of speech intelligibility scores for SNR-RT (CVC).
표 Table 12. 2-way ANOVA analysis results of speech intelligibility scores for SNR-RT (PBW).

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 상황을 바탕으로 종합적으로 판단해 볼 때 한국어의 음성전달에 영향을 미치는 물리적 음향성능을 파악하기 위해서는 신호대잡음비의 변화와 한국어의 이해도에 대한 상관성에 관한 연구가 반드시 필요한 상황이다. 본 논문에서는 다양한 음향환경에서 음성명료도 평가법을 통해 신호대잡음비의 변이에 따른 한국어 이해능력을 평가하고 한국 교실의 적합한 신호대잡음비를 분석하고자 한다.
본 논문은 신호대잡음비에 따른 한국어의 음성명료도를 평가함으로서 대한민국 교실에서 음성전달 시 외부 소음에 의한 영향을 평가하고자 진행되었다. 실험을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

대상공간의 3D 모델을 실내음향예측 프로그램(odeon)의 가상공간에 입력하고 부위별 흡음률을 조정하였다. 공간의 음향성능이 신호대잡음비에 의한 음성전달성능에 미치는 영향을 최소한으로 검토하기 위해 잔향시간이 각각0.8 s 및 1.5 s인 환경을 조성 한 뒤 실험을 진행하였다.
컴퓨터를 이용해 3차원 교실을 작성한 후 부위별로 흡음률을 입력하였다. 그 다음 음원과 수음점을 설정하고, 청자의 머리전달함수와 헤드셋 모델을 지 정한 뒤 양이충격응답음(binaural impulse response)을 녹취해 음성명료도 평가 음원과 합성하였다.
^[9] 그러나 이것은 실제 실험결과가 아닌 외국 연구결과를 조사․ 분석한 결과로써 참고사항으로 인용되어 왔다. 그러나 최근에는 이러한 개념을 확장해 실제 교실의 음향 실태 조사결과와 한국어 음성명료도 평가결과를 바탕으로 Table 3과 같이 한국어를 사용하는 중․고등학교에 적용할 수 있는 실내음향성능 기준안을 제시하였다. ^[10]여기에는 교실의 실내 배경소음 및 잔향시간에 대해 명확한 적정 기준이 포함되어있으나 신호대잡음비에 대한 연구는 부족한 것이 사실이다.
대상공간의 3D 모델을 실내음향예측 프로그램(odeon)의 가상공간에 입력하고 부위별 흡음률을 조정하였다. 공간의 음향성능이 신호대잡음비에 의한 음성전달성능에 미치는 영향을 최소한으로 검토하기 위해 잔향시간이 각각0.
본 실험에서는 교실의 잔향조건을 중간주파수대역(500 Hz, 1000 Hz)에서 0.8 s와 1.5 s인 상황을 조성해 신호대잡음비의 변화에 따른 한국어의 음성명료도를 평가하였다. 이는 기존에 제시된 대한민국 중․ 고등학교 교실의 음향성능 기준에서 잔향시간이 0.
본 실험에서는 두 평가법 모두1회에 50개의 음절 혹은 단어로 구성되어 피실험자에게 들려준 뒤 그 정답률을 통해 한국어 음성의 인지성능을 평가하였다. Table 5는 음성명료도 평가에 사용된 음절과 단어 의 일부분을 예시로 보여주고 있다.
영어가 아닌 한국어를 사용하였을 때 공간의 음향 성능에 따른 음성명료도의 변화를 알아보기 위해 한국어로 작성된 음절법(CVC)과 단어법(PBW)을 병행해 실험을 진행하였다. 여기에서 음절법이란 자음-모음-자음으로 구성된 1음절 단어를 이용해 화자의 인지성능을 평가하는 방법이다.
음성명료도 평가 시재로는 무향실에서 녹음한 음원(음절, 단어)을 사용하였으며, 이를 가상공간 내 교실에 재생 후 수음점의 위치에서 다시 녹취한 가청화시재를 제작하였다. 이렇게 얻어진 가청화시재는 정상청력을 가진 성인 27명에게 들려준 뒤 받아 쓰게 하여 정답률을 산출하였다.
음성명료도 평가는 Table 7에 나타난 바와 같이 각각 두 가지 잔향조건의 공간에서 신호대잡음비 값을 5 dB, 10 dB, 15 dB로 설정하여 진행하였다. 이때 소음은 백색소음을 사용하였으며 신호음 발생과 동시에 출력하였다.
2 m 높이로 지정하였다. 이때 교실 의 잔향시간을 정해진 실험조건(0.8 s, 1.5 s)에 맞추기 위하여 천정의 흡음률을 각각18 %와 45 %로 설정 하였다. 흡음률 조정에 있어 그 부위를 천장면에 제한해 설정한 이유는 측벽의 흡음률을 조정할 경우 청자에게 도달하는 음성신호에 양이간음량차가 커지게 되며 이로 인하여 음성명료도가 저해될 수 있기 때문이다.
음원의 출력 음압레벨은 실제 교실에서 수업하는 교사의 음성에 대한 음압레벨인 60 dBA로 설정하였다. 이때 음원은 어도비 오디션CC 프로그램을 사용하여 무향실에서 녹음한 음절 혹은 단어의 크기를 균일하게 만들고 출력 간격을 조정하였다. 각 시재 는 약3 s의 공백뒤1 s-2 s간 출력되었으며 1회 실험 에 총50개의 음절혹은 단어를 들을 수 있도록 하였다.
이렇게 얻어진 가청화시재는 정상청력을 가진 성인 27명에게 들려준 뒤 받아 쓰게 하여 정답률을 산출하였다. 이를 통해 2가지 잔향 조건에서 신호대잡음비에 따른 음성전달성능의 관계성에 대해 분석하였다.
일반적인 대학 교실을 대상으로 3차원 모델을 제작하였다. 대상공간은 약 50명을 수용할 수 있는 교실이며 공간의 형태와 크기, 책상의 배열과 같은 건축적 제원은 Fig.
가청화시재란 건축음향 시뮬레이션을 통해 산출 된 공간의 물리적 음향인자가 미치는 영향에 대해 조사하기 위하여 만들어진 가상의 음원으로써 시뮬레이션을 통해 고유한 음향성능을 가진 가상공간에서 무향실에서 녹음한 음원을 재생하여 머리전달함 수(Head Related Transfer Function, HRTF)를 적용한 후에 합성하여 얻게 된다. 즉 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램 상에 3차원 가상공간을 만들고 실내마감재의 흡음률과 음원과 수음점을 지정하여 실험대상의 실을 구성한 뒤머리전달함수와 헤드셋 모델을 지정해 무향실에서 녹음한 음절과 단어를 재생하여 녹음하는 것이다. 본 연구의 가청화시재 제작 과정은 Fig.
각 시재 는 약3 s의 공백뒤1 s-2 s간 출력되었으며 1회 실험 에 총50개의 음절혹은 단어를 들을 수 있도록 하였다. 컴퓨터를 이용해 3차원 교실을 작성한 후 부위별로 흡음률을 입력하였다. 그 다음 음원과 수음점을 설정하고, 청자의 머리전달함수와 헤드셋 모델을 지 정한 뒤 양이충격응답음(binaural impulse response)을 녹취해 음성명료도 평가 음원과 합성하였다.

대상 데이터

일반적인 대학 교실을 대상으로 3차원 모델을 제작하였다. 대상공간은 약 50명을 수용할 수 있는 교실이며 공간의 형태와 크기, 책상의 배열과 같은 건축적 제원은 Fig. 3에 도식화 하였으며 부위별 실내 마감재료의 종류 및 흡음률은 Table 6에 정리된 바와 같다. Fig.
4는 대상공간을 모델링한 모습과 함께 음원과 수음점의 위치를 대략적으로 표시하고 있다. 음원은 수업시 교사의 음성 출력 위치인 교탁앞 중앙부의 바닥에서 1.6 m 높이에 설치하였으며, 수음 점은 각책상에 1.2 m 높이로 지정하였다. 이때 교실 의 잔향시간을 정해진 실험조건(0.
음성명료도 평가 시재로는 무향실에서 녹음한 음원(음절, 단어)을 사용하였으며, 이를 가상공간 내 교실에 재생 후 수음점의 위치에서 다시 녹취한 가청화시재를 제작하였다. 이렇게 얻어진 가청화시재는 정상청력을 가진 성인 27명에게 들려준 뒤 받아 쓰게 하여 정답률을 산출하였다. 이를 통해 2가지 잔향 조건에서 신호대잡음비에 따른 음성전달성능의 관계성에 대해 분석하였다.
정상청력을 가진 20-25세의 피실험자 27명을 대상으로 음성명료도 평가를 진행하였다. 실험 중 잔향감 및 신호대잡음비에 대한 피실험자의 청각적 학습 효과를 배제하기 위해 각 가청화시재의 재생순서는 Table 8과 같이 비순차적으로 제공하였다.

데이터처리

이러한 평가결과를 바탕으로 신호대잡음비와 잔향시간에 따른 음성명료도 점수 변화의 관계성을 파악하기 위하여 이원변량분석을 수행하였다. Tables 11과 12는 음절법과 단어법에 의한 이원변량분석 결과를 정리해 각각 표로 나타낸 것이다.
6과 7에 도식화 하였다. 점수는 문항당 2점으로 환산하여 채점해 평균 점수를 산출한 뒤 비교하였다.

성능/효과

1) 모든 음향조건에서 음절법 보다 단어법이 더 높은 음성명료도 평가점수를 획득하였으며 피실험자간 득점의 편차 또한 작았다. 이것은 단어의 특성상 음절에 비해 개인의 경험이나 지식을 바탕으로 유추하는데 도움을 줄 수 있기 때문인 것으로 판단된다.
2) 공간의 물리적 음향성능인 잔향시간과 신호대잡음비를 다양하게 변화시켜 수행한 한국어 음성명료도의 실험결과, 음절법의 경우 잔향시간 보다는 신호대잡음비에 의한 영향이 더욱 큰 것 으로 나타났다. 단어법의 경우 잔향시간이 1.
3) 음성명료도 평가점수를 비교한 결과 음절법과 단어법 모두 잔향시간이 짧을수록 음성명료도 평가결과의 편차가 작아짐을 알 수 있다. 이를 통해 이로써 잔향시간이 짧을 때 교실 전반에 걸쳐 음성전달 성능이 상대적으로 높은 것으로 평가된다.
4) 이원변량분석 결과 한국어 음성명료도 평가법 중 음절법과 단어법에 공통적으로 유의한 영향 인자는 신호대잡음비라는 것으로 확인되었다. 단어법의 경우 잔향시간과 신호대잡음비-잔향 시간 간에도 유의한 영향을 받고 있는 것으로 나타났다.
교실의 음환경에서 신호대잡음비의 중요성은 교실음향에 대한 연구 초기부터 꾸준히 제기되어 왔다. 그 결과로 교사의 음성레벨과 배경소음레벨의 신호대잡음비를 15 dB(A) 이상 확보할 경우 소음에 의해 음성명료도가 저하되는 현상이 거의 없는 것으로 나타났다. ^[3]
4) 이원변량분석 결과 한국어 음성명료도 평가법 중 음절법과 단어법에 공통적으로 유의한 영향 인자는 신호대잡음비라는 것으로 확인되었다. 단어법의 경우 잔향시간과 신호대잡음비-잔향 시간 간에도 유의한 영향을 받고 있는 것으로 나타났다.
이것은 동일한 음향조건을 가진 공간에서 단어법이 음절법 보다 음성의 이해도가 높다는 것으로 판단된다. 또한 각 시험법별 표준편차를 살펴보면 음절법 보다 단어법의 편차가 더 작은 것으로 나타났다. 또한 음절법과 단어법 모두 잔향시간이 짧을 때 편차 또한 작아지는 것을 알 수 있었다.
또한 각 시험법별 표준편차를 살펴보면 음절법 보다 단어법의 편차가 더 작은 것으로 나타났다. 또한 음절법과 단어법 모두 잔향시간이 짧을 때 편차 또한 작아지는 것을 알 수 있었다.
05보다 낮아 95% 이상의 신뢰수준에서 유의한 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다. 반면 음절법의 경우 유의확률이 0.000으로 낮아 신 호대잡음비가 음성명료도 평가결과에 유의한 영향을 미치고 있음을 보여주고 있으나 잔향시간 및 신호대잡음비-잔향시간의 경우 유의확률이 0.05보다 높아 유의성이 없는 것으로 나타났다.
음성명료도 평가법 종류에 따른 결과를 살펴보면 음절법의 경우 실험조건별 평균 점수는 약 71.9점 ~ 82.4점으로 나타났으며 단어법의 경우 약 85.2점 ~ 93.1점으로 나타났다. 모든 실험조건에서 음절법에 비해 단어법의 득점수가 높게 나타난 것이다.
음절법 평가결과를 보다 자세히 살펴보면 잔향시간이 0.8 s로 짧고 신호대잡음비가 15 dB로 가장 큰 경우에서 음성명료도 평가점수가 가장 높은 것으로 나타났으며 모든 잔향조건에서 신호대잡음비가 낮을수록 음성명료도 평가점수 또한 낮아지는 추세를 보여주고 있다. 한편 단어법의 경우 잔향조건에 따라 음성명료도 평가결과에 큰 차이가 발생했다.
이러한 내용을 종합적으로 분석할 때 신호대잡음 비는 한국어의 음성전달 성능에 유효한 영향을 미치는 것으로 판단된다. 즉, 신호대잡음비가 클수록 음성을 통한 학생 정보 전달이 보다 수월해진다고 유추해볼 수 있다.
이번 실험을 통해 대한민국 교실의 적정 잔향시간 기준인 0.8 s 이하의 경우 소음에 대한 음성전달 성능이 저하되는 것을 어느 정도 억제할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 대한민국 교실의 잔향시간을 0.
Tables 11과 12는 음절법과 단어법에 의한 이원변량분석 결과를 정리해 각각 표로 나타낸 것이다. 표에 나타난 바와 같이 단어법의 음성명료도 평가결과의 경우 신호대잡음비와 잔향시간, 신호대잡음비-잔향시간 모두 유의확률(p)이 0.05보다 낮아 95% 이상의 신뢰수준에서 유의한 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다. 반면 음절법의 경우 유의확률이 0.

후속연구

본 논문은 더욱 다양한 잔향환경에서 신호대잡음 비의 영향을 파악하지 못했다는 점과 음성전달에 영향을 미치는 것으로 알려진 다른 음향인자의 변화에 의한 영향을 파악하지 못한다는 점에서 한계를 갖는다. 따라서 향후 연구에서는 이에 대한 보완과 함께 신호대잡음비에 따른 한국어 음성의 이해정도를 세분화하여 적정 신호대잡음비의 기준을 제시할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
본 논문은 더욱 다양한 잔향환경에서 신호대잡음 비의 영향을 파악하지 못했다는 점과 음성전달에 영향을 미치는 것으로 알려진 다른 음향인자의 변화에 의한 영향을 파악하지 못한다는 점에서 한계를 갖는다. 따라서 향후 연구에서는 이에 대한 보완과 함께 신호대잡음비에 따른 한국어 음성의 이해정도를 세분화하여 적정 신호대잡음비의 기준을 제시할 필요성이 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교실에서 최적화된 음향성능이 필요한 이유는 무엇인가?	교실은 화자의 목소리를 통해 청자가 정보를 파악하여 학습하는 공간으로써 화자의 음성전달이 가장 중요한 공간이다. 따라서 교실은 음성을 전달하기에 최적화된 음향성능을 갖추어야 하며, 교실과 같은 건축공간의 음향적 특성을 결정짓는 다양한 음향적 요소 중 음성전달에 영향을 미치는 대표적인 물리적 음향인자에는 잔향시간(Reverberation Time, RT)과 배경소음, 신호대잡음비 등이 있다.
	신호대잡음비는 무엇인가?	신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)는 화자를 통해 발생한 신호음이 청자에게 미치는 동안 소음에 의한 명료도의 저해 정도를 평가하는 음향인자로써 Eq. (1)을 통해 간단하게 나타낼 수 있다.
	건축공간의 음향적 특성에 영향을 미치는 요소들은 무엇인가?	교실은 화자의 목소리를 통해 청자가 정보를 파악하여 학습하는 공간으로써 화자의 음성전달이 가장 중요한 공간이다. 따라서 교실은 음성을 전달하기에 최적화된 음향성능을 갖추어야 하며, 교실과 같은 건축공간의 음향적 특성을 결정짓는 다양한 음향적 요소 중 음성전달에 영향을 미치는 대표적인 물리적 음향인자에는 잔향시간(Reverberation Time, RT)과 배경소음, 신호대잡음비 등이 있다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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