[이편한보청기] 보청기 방향성(지향성) 마이크의 효과 증대

[개요]
방향성은 보청기 사용자들이 소음에서 더 잘 들을 수 있도록 입증된 유일한 보청기 기술입니다. 그 동안 보청기 방향성은 여러 연구에서 음성 정보성을 향상시키기 위해 문서화되었습니다. 이와 대조적으로, 실제 연구들은 기술의 잠재력과 보청기 사용자들이 일상생활에서 경험하는 것 사이의 단절을 보여주었습니다.

 

보청기의 방향성은 특히 매우 복잡하고 까다로운 상황에서 소음 속에서 말을 이해하는 핵심 요소입니다. 보청기는 일반적으로 지향성 신호를 계산하기 위해 무지향성 특성을 가진 최소 2개의 마이크를 사용하므로 차등 지향성 마이크라고 합니다. 이러한 마이크의 성능은 다양한 방향의 음원을 사용하여 평가할 수 있으며, DI(Directivity Index)와 같은 결과를 측정에서 파생할 수 있습니다. 그러나 이러한 측정은 테스트 중인 장치가 정적 방향 성능을 갖는다는 가정에 따라 달라집니다. 적응형 지향성 마이크가 도입된 이후 이것은 더 이상 항상 적용되지 않습니다.

 

적응형 지향성 마이크는 일상적인 청취 시나리오에서 음원이 한 번에 모든 방향에서 나오지 않는 경우가 많다는 사실을 시공간 희소성이라고 하는 사실을 적극적으로 활용한 최초의 시스템입니다. 새로운 빔포밍 기술은 소음 억제가 후방 반구뿐만 아니라 간섭하는 측면 스피커에도 적용되는 바이노럴 방식으로 이 원리를 더욱 활용합니다. Powers와 Fröhlich 의 연구에 따르면 이러한 새로운 알고리즘은 특정 배경 소음 시나리오에서 음성 인식을 크게 향상시킵니다. 또한 노이즈 감소 알고리즘과 완전히 통합되어 전체 시스템을 "블랙 박스" 접근 방식으로 평가해야 합니다.

 

청력손실이 있는 사람들은 보청기를 통해 청력손실을 줄였지만 소음에서도 난청이 증가되는 경우가 많았습니다. 청각장애는 증폭으로 보완할 수 있지만 보청기를 이용한 소음 난청 보완이 더 어렵습니다. 보청기 제조업체들은 사용자들에게 청각과 청각 관련 삶의 질을 최대한 향상시키는 기술을 제공하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 특히 소음의 청력 문제를 완화시키는 방법에 초점을 맞추고 있습니다. MarkeTrac에 따르면, 보청기를 사용하는 청각장애인들은 다른 청취환경에 비해 시끄러운 곳에서 그들이 어떻게 하는지에 대한 만족도가 낮습니다. 하지만, 그들은 보청기를 사용하지 않는 사람들보다 소음 속에서 청력에 대한 훨씬 더 큰 만족감을 보고합니다. 보청기 사용자들은 보청기 혜택과 만족도 향상의 잠재력은 여전히 크지만, 현 상태에서 추가적인 발전을 위한 긍정적인 면을 기대하고 있습니다. 

 

[그림] 최신 보청기의 방향성 측정 - 측정설정(좌), KEMAR는 2차테스트를 위해 22,5도 회전

소음에서 청력을 잃는 사람들은 소음에서 더 큰 어려움을 느낄 뿐만 아니라, 정상적인 청력을 가진 사람들보다 언어 인식 소음 관련 업무를 더 잘 처리합니다. 성능 차이를 정량화하는 한 가지 방법은 개인의 신호 대 잡음 비(SNR) 손실을 측정하는 것입니다. SNR 손실(SNR loss)은 청력 상실자가 소음의 음성을 이해하기 위해 필요한 SNR(dB 단위)의 증가인데, 이는 정상적인 청력을 가진 사람에게 요구되는 평균 SNR의 증가와 비교됩니다. 연구결과 청력손실자는 청력손실 규모에 따라 같은 청력조건에서 정상적인 청력을 가진 사람뿐만 아니라 2~18dB의 SNR 개선이 필요할 수 있습니다.

일반적인 솔루션 접근방식

1970년대부터, 지향성 마이크는 보청기 사용자들이 시끄러운 상황에서 더 잘 들을 수 있도록 돕는 방법으로 보청기에 통합되었습니다. 방향 마이크 기술은 신호 방향에서 오는 소리를 다른 방향에서 오는 소리("소음")보다 상대적으로 많이 증폭시켜 SNR을 개선하여 방향적 이점을 제공합니다. 방향성은 증폭의 이점과는 별개로 사용자가 앞에서 다른 위치에서 경쟁하는 소리를 듣고 있는 시끄러운 상황의 원형에서 언어의 지능을 향상시키는 것으로 나타난 유일한 보청기 기술입니다.

 

원래 보청기의 "지향성 마이크"는 2개의 사운드 포트가 있는 단일 변환기를 가리킵니다. 각 포트로 들어가는 소리는 반대 방향에서 마이크의 진동판에 부딪히며, 각 포트에서 나오는 소리의 위상 관계에 따라 상쇄됩니다. 오늘날, "지향성 마이크"라는 용어는 보청기가 어떻게 이루어지든 간에 어떤 종류의 방향 반응에도 느슨하게 적용됩니다.

 

[그림] 보청기 마이크내부 구조

 

사실상 모든 현대의 보청기는 완전히 디지털화되어 있으며 고전적인 지향성 마이크의 원리를 기반으로 하는 이중 마이크로폰 디자인을 사용합니다. 일반적으로 마이크로폰(대개 후면) 중 하나에 의해 수신되는 입력에 적용되는 지연은 특정 방향에서 발생하는 소리의 취소 또는 부분적으로 취소됩니다. 이는 디지털 영역에서 발생하기 때문에 이 기술을 담당하는 알고리즘은 주파수 특이성과 적응적 동작을 통합하여 상당히 정교할 수 있습니다. 스티어링 알고리즘은 또한 청취 환경 분석에 따라 마이크 모드 또는 동작 사이를 전환할 수 있습니다. 방향 처리는 심지어 그러한 스티어링 알고리즘의 의사결정에 기여할 수 있습니다.

 

예를 들어 보청기의 듀얼 마이크는 후면에 가장 민감한 패턴을 적용하여 사용자의 후면에 소음 수준을 "측정"하는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 이 정보는 주어진 청취 환경에서 청력에 대해 가능한 최적의 마이크 응답을 결정하는 스티어링 알고리즘을 제공할 수 있습니다. 그런 다음 동일한 두 개의 마이크가 작동하여 사용자 앞에서 소리를 우선적으로 증폭시킬 수 있습니다.

지향성 마이크로폰의 실제적 효과 요인

 

[그림] 자유음장 및 KEMAR에서의 주파수별 무지향, 전방향성, 역방향성 마이크패턴 비교

 

지향성 마이크 기술의 한계는 특정 조건이 충족되어야 SNR 혜택이 실현된다는 것입니다.

 

첫째, 보청기 개발자들이 음성이라고 가정하는 관심 신호는 소음원과 공간적으로 분리되어야 합니다.

둘째, 관심 신호는 방향 빔 내에 위치해야 합니다.

셋째, 관심 신호는 잔향의 양에 따라 보청기 사용자로부터 2m 이내에 있어야 합니다.

 

또 다른 한계는 거의 예외 없이 지향성 마이크 시스템은 머리에 착용한 것처럼 전방을 향하는 빔을 갖도록 설계되어 있다는 것입니다. 이는 보청기 사용자가 듣고 싶은 것을 직면해야 한다는 것을 의미하며, 이는 방향성 기술이 잠재적으로 소음에서 청력에 도움이 될 수 있는 상황을 제한합니다.

 

연구 내용에 따르면 보청기의 지향성 마이크로폰에 대해 다음과 같은 몇 가지 분명한 사실이 있습니다.

1. 상당히 개선된 SNR의 잠재적인 이점은 시끄러운 상황에서 청취하는 데 도움이 될 수 있다.
2. 실제의 혜택은 실현되지 않을 수도 있고, 누가 혜택을 받을 것인지 예측하기가 쉽지 않다.
3. 실제 환경에서의 이점은 환경의 음향 분석에 기초한 마이크 모드 전환에 의해 향상될 수 있다.
4. 특정 마이크 모드로의 자동 전환은 청취자의 의도 및 자연스러운 청취 행동과 잠재적으로 상충될 수 있다.

실제 상황에서 소음 청력 솔루션에 대해 생각할 수 있는 새로운 방법은 기술이 사용자 고유의 능력과 시너지 효과를  낼 수 있는 방법을 고려하는 것입니다. 이러한 유형의 혁신이 완전히 다른 영역에 어떻게 적용되었는지 보여주는 예는 스마트 장치가 자연스러운 인간의 움직임과 제스처를 사용하여 제어하는 방법입니다. 최신 스마트 장치를 탐색하기 위해 버튼을 클릭하거나 노브를 돌리는 대신 사용자는 직관적인 방식으로 손가락을 사용하여 터치 감지 화면을 터치하고, 스와이프하고, 쓰고, 그림을 통해 원하는 작업을 수행할 수 있습니다. 지향성 마이크의 경우 기존의 통념에 따르면 잠재적인 SNR 이점을 최대화하려면 항상 양쪽 귀에 착용해야 합니다.

 

[그림] Resound 리시버 Microphone(M&RIE)

지향성 마이크로폰 전략을 개발함에 있어 청각 시스템의 말초적 손상이 존재하더라도 양음 청각적 장점이 존재한다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 장점은 증폭을 통해 청각 단서의 청각적 단서가 제공될 때 일반 청각 개인에 비해 거의 상당합니다. 본질적으로, 보청기는 소리를 들을 수 있게 하는데, 이것은 보통의 청각과 같은 양음적 이점을 가능하게 할 수 있습니다.

 

[요약]

 

지향성 마이크 기술은 오늘날의 보청기에서 쉽게 사용할 수 있으며 소음에서 음성 인식을 크게 개선할 수 있습니다. 그러나 기술 자체는 정교함에도 불구하고 일상 사용 상황에서 이러한 혜택이 실현된다는 것을 보장하지는 않습니다. 사실 지향성 마이크는 사용자의 주변 인식과 대화를 따르는 능력에 방해가 될 가능성이 있습니다. Resound는 바이노럴 청력과 고유의 청취 전략을 활용한다는 철학에 따라 방향 지향성 마이크를 적용하는 접근방식을 개발했습니다. 현재의 전략은 사람들이 듣는 자연스러운 방식을 지원하는 세 가지 청취 모드를 포함합니다. 이 전략은 양방향 전방향 처리와 양방향 처리 사이에서 전환되는 기존의 접근방식에 비해 음질, 공간청각, SNR 개선 등 주변 환경에 대한 인지도가 유지되는 장점이 있는 것으로 나타났습니다.

 

자료 출처 : Thieme

Edit by : Charlotte T. Jespersen, Brent C. Kirkwood, Jennifer Groth

 

 

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