[이편한보청기] 보청기 음질과 신호처리의 이해 - 일산보청기, 대화동보청기

보청기 신호처리는 매일 사용자를 둘러싸고 있는 소리의 중심입니다. 본 내용은 다소 전문적일 수 있지만, 관심있는 분들에게는 좋은 기술적인 정보가 될것입니다. 아래 내용에서는 필터 뱅크 및 샘플링 속도의 선택, 그리고 이것이 음질과 어떤 관련이 있는지에 초점을 맞춰 가능한 다양한 신호 처리 전략을 제시합니다. 시간 영역 및 주파수 영역 필터 뱅크 모두 장단점이 있지만 시간 영역 필터 뱅크의 음질 이점은 다른 고려 사항보다 큽니다.

 

성공적인 보청기를 위해서는 효율적인 배터리, 안정적인 연결성, 사용자 친화적인 디자인 등 청력과 직접적인 관련이 없는 요소를 포함하여 많은 요소가 중요합니다. 그러나 신호 처리는 여전히 그 중심에 있습니다.

 

보청기의 신호 처리 선택은 보청기의 소리가 착용하는 사람에게 심오한 영향을 미치는 것처럼 난청 치료에 심오한 영향을 미칩니다. 일반 단조로운 소리조절만 가능한 기본형 보청기는 인터넷을 통해 구입할 수 있지만, 가장 적절하고 최상의 사운드를 얻으려면 올바른 신호 처리 선택과 지식이 풍부한 청력 관리 전문가의 개별 맞춤 피팅이 필요합니다.

 

이 글은 필터 뱅크와 샘플링 속도에 중점을 두고 음질과 신호 처리가 어떻게 관련되어 있는지 보여주고 다양한 선택의 장단점을 설명합니다. 궁극적으로 이 연구자들은 신호를 보존하고 가능한 한 인간의 청각 시스템과 일치하는 필터 뱅크 및 샘플링 속도의 선택을 주장하고 있습니다.

 

신호 기본처리 경로

디지털 보청기의 일반적인 처리 경로는 신호가 마이크에 포착되어 아날로그에서 디지털로 변환되는 것으로 시작됩니다. 분석 필터 뱅크는 신호를 여러 주파수 대역 또는 채널로 분할하여 압축 및 노이즈 감소와 같은 추가 디지털 신호 처리를 위해 준비합니다. 처리 후, 신호는 합성 필터 뱅크에 의해 다시 합쳐지고 보청기의 수신기를 통해 재생됩니다. 보청기 설계에 대한 이 일반적인 접근 방식은 디지털 신호 처리에서 필터 뱅크의 중요한 역할을 보여줍니다.

 

또 다른 중요한 개념은 연속 아날로그 사운드 신호를 추가 처리를 위해 소위 샘플이라고 하는 개별 부분으로 변환하는 프로세스인 샘플링입니다. 이것은 다른 오디오 샘플링 레이트(즉, 초당 샘플 수가 다른)에서 수행됩니다. CD 및 많은 음악 스트리밍 서비스는 초당 44.1kHz 또는 44,100개의 샘플을 사용합니다. 보청기의 오디오 샘플링 속도는 일반적으로 20kHz에서 33.1kHz 사이입니다.

 

샘플링 속도는 신호로 표현할 수 있는 주파수와 관련이 있으므로 표현할 수 있는 최고 주파수는 샘플링 속도의 절반입니다. 이 주파수는 나이퀴스트 주파수로 알려져 있습니다 . 이것은 20kHz 샘플링 속도가 10kHz의 나이퀴스트 주파수를 가지므로 최대 10kHz의 주파수를 허용한다는 의미입니다. 마찬가지로 33kHz 샘플링 속도는 최대 16.5kHz의 주파수를 허용합니다. 이 숫자는 입력 단계의 샘플링 속도입니다. 나중에 처리 경로에서 신호는 다시 업샘플링되기 전에 처리 용량을 절약하기 위해 다운샘플링될 수 있습니다.

 

수신기 롤오프와 같은 다른 요소들이 출력의 주파수 범위를 제한할 수 있지만 고주파수에서 더 높은 충실도는 특정 청력 손실과 관련이 있습니다. 높은 샘플링 속도는 낮은 처리 지연 및 더 완만한 경사 필터를 포함하여 다른 음질 이점도 가지고 있습니다.

시간 및 주파수 도메인 필터 뱅크

많은 보청기에서 기본 처리 경로는 동일하지만 근본적인 차이점은 필터 뱅크의 선택입니다. 소위 주파수 영역 또는 균일 필터 뱅크는 대부분의 보청기 제조업체에서 사용하는 반면, Widex 보청기는 시간 영역 또는 비균일 필터 뱅크에 의존하며, 이는 자연스러운 소리를 추구하기 위해 선택한 것입니다.

 

두 가지 유형의 차이는 시간과 주파수 분해능 간의 처리에 있어 근본적인 절충안과 관련이 있습니다. 모든 필터 뱅크에서 각 주파수 대역의 시간 분해능은 해당 주파수 대역의 폭에 비례합니다. 넓게 말하면 5배 더 넓은 대역폭이 5배 더 높은 시간 분해능을 가짐을 의미합니다. 반대로 대역폭이 좁으면 시간 분해능이 나빠집니다.

 

주파수 영역 필터 뱅크는 전체 주파수 범위에서 동일한 너비의 주파수 대역으로 시스템을 제한합니다. 실제로 이것은 모든 대역이 상대적으로 좁다는 것을 의미합니다. 왜냐하면 대역폭은 귀의 주파수 감도가 가장 높은 가장 낮은 주파수에 필요한 대역폭을 기준으로 설정되고 따라서 대역이 좁아야 하기 때문입니다. 위에서 설명한 시간과 주파수 사이의 균형 때문에 이는 고주파수와 저주파 모두에서 모든 대역이 상대적으로 열악한 동일한 시간 분해능으로 작동한다는 것을 의미합니다.

 

대조적으로, 시간 영역 필터 뱅크를 포함한 불균일 필터 뱅크는 대역폭이 변할 수 있는 필터로 작동할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이것은 보청기 설계자가 원칙적으로 원하는 대로 대역폭을 자유롭게 설정할 수 있음을 의미합니다. 따라서 균일하거나 주파수 영역 필터 뱅크의 경우 모든 대역이 동일한 폭과 시간 분해능을 갖지만 시간 영역 필터 뱅크에서는 대역 폭이 다르므로 시간 분해능도 다릅니다.

보청기 지연

보청기 지연은 마이크에 소리가 들리는 시점부터 증폭된 소리가 고막에 도달하는 시점까지 걸리는 시간을 말합니다. 하드웨어 및 신호 처리 지연을 포함하여 여러 다른 요소가 지연에 기여합니다. 지연은 필터 뱅크 및 샘플링 속도의 선택에 의해 형성되기 때문에 이 맥락에서 중요합니다. 보청기 사용자에게 더 중요한 것은 지연이 음질의 주요 결정 요인이라는 것 입니다.

 

주파수 영역 필터 뱅크를 선택한다는 것은 모든 필터가 동일하고 상대적으로 긴 지연 시간을 갖는다는 것을 의미합니다.또한 주파수 영역 필터 뱅크는 일반적으로 신호를 다운샘플링할 수 있도록 선택되며, 다운샘플링 및 신호의 후속 재구성에는 시간이 걸리기 때문에 전체 지연에도 기여합니다. 이것은 이러한 방식으로 작동하는 디지털 보청기가 일반적으로 아래 그림2 의 제조업체 1 및 2에 대해 표시된 것처럼 5-8ms 범위에서 비교적 긴 지연을 가짐을 의미합니다 . 이것은 무시할 수 있는 것처럼 들리지만, 환기구를 통해 나오는 직접 소리가 지연된 보청기 소리와 상호작용하여 콤 필터링이라는 인공물을 만드는 개방 장치 및 환기구용 청각 아티팩트로 이어집니다. 

 

.[그림2] 주요보청기 제조사와 WIDEX 보청기의 소리지연비교

 

이와는 대조적으로, Widex 보청기의 시간 영역 필터 뱅크와 높은 샘플링 속도는 다음 두 가지 이유로 지연을 짧게 유지합니다(Universal 프로그램에서 평균 약 2.5ms).

 

1. 더 높은 주파수에서 더 넓은 필터의 경우 지연이 훨씬 더 짧습니다. 이것은 또한 그림 2에서 볼 수 있는 주파수에 대한 경사 지연의 이유이기도 합니다. 

2. 신호는 다운샘플링되지 않으므로 이러한 지연 요인을 피할 수 있습니다. 

 

이러한 지연 감소는 모든 Widex 보청기에서 볼 수 있습니다. 이것은 0.5ms의 낮은 지연을 허용하는 별도의 처리 경로인 Widex MOMENT 보청기의 ZeroDelay로 더욱 발전되었습니다. 이 경로는 콤 필터 효과를 사실상 제거하는 개방형 및 환기 피팅으로 경도에서 중등도 청력 손실을 위한 프로그램인 PureSound에서 사용됩니다.

결론

지금까지 살펴본 바와 같이 주파수 영역 또는 시간 영역 필터 뱅크를 선택해야 하는 그럴듯한 이유가 있습니다. 주파수 영역 필터 뱅크의 선택은 제조업체가 더 쉽게 만들지만 보청기 착용자에게 반드시 더 나은 것은 아닙니다. 주파수 영역 필터 뱅크를 사용한 다운샘플링을 위한 더 나은 옵션은 더 나은 전력 효율성을 허용하지만 이는 지연을 증가시키고 음질을 저하시킵니다. 가장 자연스럽고 최상의 음질을 생성하기 위해 모든 디자인 선택을 하는 Widex와 같은 보청기 제조업체의 경우, 이는 높은 샘플링 속도가 수반되는 시간 영역 필터 뱅크만이 합리적인 선택임을 의미합니다.

 

비록 이로 인해 전력 소비를 최적화하는 것이 더 어려워지지만, Widex는 이러한 문제를 극복하기 위해 여러 세대에 걸쳐 보청기를 연구해 왔습니다. 보청기를 사용하는 좋은 삶의 열쇠는 HCP와 협력하여 제공되는 가장 자연스럽고 최상의 음질이라고 믿기 때문입니다. 기본 철학은 보청기 사용자에게 가능한 한 귀에 가장 가깝게 일치하고 가능한 한 완전하게 신호를 보존하는 처리보다 더 좋은 것은 없다는 것입니다.

 

 

* 기사의 인용 : Balling LW, Mosgaard LD, Helmink D. Signal processing and sound quality. Hearing Review. 2022;29(2):20-23.

 

* 원문출처 : The HearingReview

 

 

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