[소리의 방향] 모노널 청각(한쪽 청취)에서의 음향 방향 추정에 대한 이해 - 편측성난청

 

연구자들은 단음청(monaural hearing)을 가진 사람들에서 수신된 신호의 주파수 변조를 기반으로 소리 위치 파악 방법을 제안합니다.

[요약]
인간 청각의 놀라운 특징 중 하나는 소리의 위치를 ​​파악하는 능력입니다. 인간의 귀는 일반적으로 양이 신호를 사용하여 이를 수행하지만 실제로는 모노럴 청각만으로도 소리 방향을 찾는 것이 가능합니다. 이제 연구자들은 소리 감시 기술을 단순화하고 보청기를 향상시키는 데 도움이 될 수 있는 모노럴 변조 스펙트럼을 기반으로 한 모노럴 큐를 사용하여 3D 공간에서 소리 신호의 방향을 추정하는 방법을 개발했습니다.   <원문출처 : 일본과학기술종합연구소 2023.3.14>

* 참고 : 모노럴청각은 한쪽 귀에 소리가 들리는 듯한 느낌을 줍니다. 양이 청각은 스테레오 효과라고도 알려진 소리의 균형 잡힌 수신 느낌을 제공합니다. 인간은 선천적으로 두 귀로 듣는 능력인 양이 청각을 가지고 있습니다. 그러나 개인은 때때로 한쪽 귀의 난청을 경험하는데, 이를 일측성 난청이라고 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 이는 난청이 있거나 때로는 한쪽 귀에만 완전한 청각 장애가 발생하여 단일 청각이 발생함을 의미합니다.

 

[본문]

주변 환경에서 소리의 위치를 ​​찾아내는 능력은 인간 귀의 놀라운 특징입니다. 일반적으로 청력이 좋은 사람들은 청각 신호를 감지하고 해석하기 위해 양쪽 귀를 모두 사용합니다. 각 귀의 크기나 소리 도착 시간의 차이는 음원의 위치와 방향에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 그러나 흥미롭게도 양이 신호가 소리 위치 파악에 충분하지만 반드시 필요한 것은은아니라는 연구 결과가 있습니다. 단청성 청력(한 쪽 귀의 난청)이 있는 사람도 소리 위치를 인식할 수 있습니다.

 

엔지니어에게는 다행스럽게도 이는 오디오 녹음 장치 및 마이크 배열의 설계 및 위치 지정에 대한 제한을 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다. 소스 위치 파악 및 소음 감소에 사용되는 마이크 어레이는 다양한 방향에서 소리를 효과적으로 캡처하고 분석하기 위해 특정 간격과 위치에 배치되어야 합니다. 부적절한 마이크 어레이 설계 또는 위치 지정으로 인해해발생하는 음질 저하를 방지하려면 모노럴 큐를 사용하여 사운드 방향을 추정하는 기능이 마이크 어레이 설계를 단순화하는 데 도움이 될 수 있으므로 매우 바람직합니다.

 

2023년 1월 13일 온라인 공개 및 2023년 2월 28일 Applied Acoustics 저널에 게재된 연구에서 일본 고등 과학 기술 연구소(JAIST)와 일본 도야마 현립 대학의 우노키 마사시 교수와 그의 동료들은 다음을 제안했습니다.

 

모노럴 큐(monaural cues)를 사용하여 소리 신호의 도착 방향(DOA)을 3차원으로 추정하는 방법입니다. "우리 작업에서 우리는 신호 DOA를 감지하기 위해 수신된 신호의 주파수 스펙트럼의 변조에 의존하는 모노 변조 스펙트럼(MMS)을 기반으로 한 추정 방법을 제안합니다. 이는 단일 채널 신호 처리를 위한 모노럴 큐를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. "라고 우노키 교수는 설명합니다.

 

 

[이미지] 연구자들은 개인의 머리, 몸통, 귀가 음원 인식에 어떤 영향을 미치는지 고려하여 모노럴 청각에서 소리 방향을 추정하는 방법을 제안합니다. - 이미지 제공: JAIST의 Masashi Unoki

 

모노럴 DOA를 결정하기 위해 연구팀은 필터링 소리에서 귀, 몸통, 머리의 영향을 고려하면서 인공 진폭 변조 잡음과 사람의 음성 신호를 이용해 서로 다른 방향의 소리 신호를 시뮬레이션했습니다. 다음으로, 그들은 신호의 DOA에 연결될 수 있는 주요 특징을 식별하기 위해 주파수 변조를 설명하는 신호의 MMS를 획득했습니다. 듣는 사람의 앞이나 뒤에 있는 동일한 각도의 음원이 DOA에 대해 동일한 추정치를 산출할 수 있을 때 발생하는 모노럴 앞뒤 혼동을 피하기 위해 연구자들은 더 정확한 DOA 추정을 실현하기 위해 머리 움직임이 MMS에 미치는 영향을 고려했습니다.

 

그 후, 청취자의 수평 및 수직 방향 측면에서 음향 신호의 MMS 특징으로부터 DOA를 추정하는 다항식 회귀 모델을 학습 데이터로서 공지된 DOA와 MMS의 특징을 이용하여 구축하였습니다. 이 모델은 829,440개의 음성 신호에 대한 DOA를 정확하게 추정할 수 있어 인간의 단일 청각보다 뛰어난 성능을 발휘합니다.

 

 

연구팀은 모델을 개발할 때 배경 소음과 귀 모양의 개인차를 고려하기 위해 더 많은 작업이 필요하다는 것을 제시함으로써 그들의 연구 결과를 검증했지만, 이 연구는 모노럴 사운드의 위치파악에서 놀라운 발전을 보여줍니다. 그 의미에 대해 추측하면서 연구자들은 음향 감시 기술과 보청기 향상에 대한 기술 적용을 구상하고 있습니다. "우리의 연구는 모노럴 청각을 기반으로 소리의 국소화 능력을 밝히는데 도움이 될 것이며, 이는 결국 장기적으로 보청기 기술의 다양한 혁신을 자극할 수 있을 것입니다"라고 오노키(Unoki)교수는 결론지었습니다.

 

원문출처 : 일본과학기술종합연구소 제공자료

기사출처 : ScienceDaily

 

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