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교신저자：이경원, 200-702 강원도 춘천시 한림대학길 39
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서
론
1899년, 최초의 전기식 보청기인 탄소보청기가 탄생하였으며,1) 1952년에는 트랜지스터(transistor)를 이용한 보청기가
상용화되었다.2) 그 후 보청기는 집적회로(integrated circuit, IC) 기술의 발달로 디지털보청기가 탄생하는 등 급격한
보청기기술의 발전을 가져왔으며, 이러한 보청기기술의 발전은 많은 난청자들의 고민이나 약점을 어느 정도 해결해 줄 수 있었다.
최근에 사용되고 있는 보청기기술은 편안한 음의 청취와 어음명료도의 개선 측면에서 크게 두 가지로 요약할 수 있는데, 첫째는 편안한 다양한
환경에서 음의 청취를 위해서 광범위압축(wide dynamic range compression, WDRC) 기술이 사용되고 있으며, 난청자가
여러 가지 크기의 소리를 역동범위 안에서 편안하게 청취할 수 있다. 둘째는 조용한 곳 및 잡음이 있는 곳에서 어음명료도의 향상을 위해
신호처리(signal processing), 폐쇄효과(occlusion effect) 및 음향되울림(acoustic feedback)의 제어,
다채널(multi-channel), 잡음제어(noise control), 방향송화기(directional microphone) 등의 기술이
사용되고 있다. 신호처리 기술은 어음과 잡음의 진폭(loudness), 주파수(spectral) 그리고 시간적(temporal) 특성을 고려하여
효과적인 증폭특성을 갖게 하며, 음향되울림의 제어기술은 보청기착용에 의한 음향되울림 외에 폐쇄효과를 해결하기 위하여 보청기에 환기구(vent)를
설치할 때 발생하는 음향되울림을 해결하기 위해 필수적으로 사용된다. 그리고 다채널, 잡음제어 및 방향송화기는 보청기 착용자의
신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 개선하기 위해 사용되고 있다. 현재 상기의 기술들은 내용은 조금씩 다르지만
디지털신호처리 기술과 더불어 거의 모든 보청기제조사에서 사용하고 있다. 본고에서는 어음명료도의 개선과 관련된 기술을 중심으로 최근 보청기 기술의
동향을 소개하고자 한다.
신호처리 기술
최근에 각 보청기제조사는 난청자에게 최적의 이득과 어음명료도를 제공하기 위하여 각사마다 독특한 기술들을 선보이고 있다(Table 1).
일반적으로 채널(channel) 또는 밴드(band)의 수가 증가하였으며, 이로 인해 잘 조절된 주파수 반응곡선은 난청자의 주파수별 청력손실에
알맞은 이득을 제공할 수 있으며, 상향차폐(upward spread of masking) 또는 하향차폐(downward spread of
masking)를 효과적으로 조절하여 최상의 어음명료도를 제공할 수 있게 되었다. 이 외에도 각사는 편안하고 자연스러운 음 청취와 어음명료도의
개선을 위해 여러 가지 기술을 발표하고 있는데 그 내용을 제조사별로 살펴보면 다음과 같다.
덴마크의 Oticon 사는 VoiceFinder와 OpenEar Acoustics를 Adapto라는 제품을 통하여 발표하였다.
VoiceFinder(Fig. 1A)는 어음에 민감한 청각시스템을 고려하여 어음신호가 없을 경우는 주변의 소리를 편안한 정도로 증폭하고, 어음이
있는 경우는 어음신호의 이득을 최대로 높여주는 어음탐지 장치이며, OpenEar Acoustics(Fig. 1B)는 환기구를 크게 제작한 형태로
고막근처에서 생성되는 저주파수를 외이도 밖으로 배출하여 자연스러운 음질을 제공하는 시스템이다. OpenEar Acoustics는 음향되울림을
유발할 수 있기 때문에 효과적인 음향되울림 제어장치와 함께 사용한다.
덴마크의 GN Resound 사는 와우의 기능을 모방한 Digital Cochlea Dynamics와 주파수적 고해상도를 강조한 LASER
system-Spectral Enhancement를 발표하였다(Fig. 2). Digital Cochlea Dynamics는 와우의 압축과
중첩(overlapping) 기능을 모방하여 환경음과 어음을 편안하게 증폭하고 어음명료도를 개선할 수 있도록 고안되었으며, Spectral
Enhancement는 주파수적 해상도, 특히 신호음의 진폭을 강조하여 상향차폐를 효과적으로 줄여주며, 이로 인해 어음명료도를 개선할 수 있도록
하였다.
미국의 Starkey 사는 주위의 환경소음에서 어음을 분리하여 강조하는 다채널확장(Multi-channel Expansion)과
적응잡음제어(Adaptive Noise Management)를 발표하였다(Fig. 3). 확장(expansion)은 난청자가 들을 필요가 없는
작은 소리의 증폭을 억제하는 기술로 Starkey 사에서는 각 채널별, 독립적으로 작동하는 다채널확장 개념을 도입하였다. 그리고 잡음과
어음신호의 주파수 및 진폭의 특성을 이용하여 잡음신호의 진폭을 억제하는 적응잡음제어 기술을 개발하였는데, 확장기능과 더불어 깨끗하고 명료한
음질을 제공하는데 효과적으로 사용되고 있다.
방향송화기
방향송화기(directional microphone)는 난청자의 후방보다 전방에서 들어오는 소리를 강조하는 시스템으로 전통적인 방식의 기본적인
구조와 모양은 Fig. 4와 같다. 과거의 전통적인 방향송화기의 특성은 음향시간지연(acoustic time delay) 장치와 전방과 후방의
음구(inlet)의 크기에 의해 좌우된다.3) 또한 이중방향송화기(dual directional microphone)는
전방향송화기(omni-directional microphone) 두 개를 연결하여 사용하며, 이 때 시간지연은 전기회로적으로 구성한다.
전방향송화기는 방향에 대한 특성이 없기 때문에 방향지수(directivity index, DI)가 0 dB이며, 전통적인 방향송화기의 경우는
대략 4.7 dB 정도이다.4) 그리고 이중방향송화기는 전통적인 방향송화기보다 1.5 dB 정도 좋다고 보고한 바 있다.3) 이러한
방향송화기들은 고정방향송화기(static directional microphone)의 일종으로 극성도(polar pattern diagram)는
cardioid, super cardioid, hyper cardioid, bi-directional 등이 있다. 방향송화기는 SNR의 개선에
효과적인 것으로 알려져 있으며,5) 현재는 거의 모든 보청기제조사들이 방향송화기를 부착한 보청기를 출시하고 있다.
고정방향송화기는 극성도가 고정되어 있기 때문에 잡음의 위치가 변할 때, 경우에 따라서 SNR이 개선되지 않는 불편함이 있다. 이러한 불편함을
해결하기 위해서 개발된 것이 적응방향송화기(adaptive directional microphone)이다. 적응방향송하기는 잡음탐지(noise
detection) 기술의 발전으로 가능하게 되었는데, 잡음의 위치변화에 따라 극성도를 자동적으로 변하게 하여 SNR을 높이는
시스템이다(Fig. 5). 일반적으로 기능은 약간씩 다르지만 거의 모든 보청기 제조사에서 적응방향송화기를 채택한 보청기를 출시하고
있다(Table 2).
음향되울림의 제어
보청기 착용자에게서 가장 흔하게 발생하는 문제점 중의 하나는 음향되울림이다.6) 음향되울림은 외이도 내의 증폭된 소리가 보청기외형(hearing
aid shell), 외이도의 틈 등을 통하여 밖으로 새어나와 과다하게 재증폭하여 발생하는 소리이다. 잘 적합된 보청기라 하더라도 착용시간이
경과함에 따라 포옹, 모자, 전화기, 손가락을 귀에 대었을 때 발생할 수 있으며, 아래턱의 움직임에 의해서도 발생할 수 있다. 음향되울림은
이론적으로 모든 주파수에서 발생할 수 있으나 주로 고주파수대역의 이득에 의해 발생한다. 대부분의 보청기제조사는 디지털기술의 접목과 아울러
음향되울림 제어기술을 선보이고 있는데(Table 2), 일반적으로 협대역여과기(notch filter)7)와 위상상쇄(phase
cancellation)8)9)를 이용한 방식을 사용하고 있다.
협대역여과기
협대역여과기는 음향되울림의 과다이득(spike)을 억제하는 가장 기본적인 형태이다. 이 방식은 과다이득에 대해서 음향되울림에 해당하는 만큼의
이득을 줄여주는 것이다(Fig. 6).7) 협대역여과기는 고정(static)방식과 동적(roving)방식으로 나눌 수 있다.
고정 협대역여과기
일정한 골(notch)과 주파수를 갖는 고정 협대역여과기는 작동원리가 간단하고 소비전류가 적은 이점은 있지만 보청기 주위의 환경변화로 인하여
과다이득의 주파수가 변경되면, 골의 주파수가 고정되어 있기 때문에 변경된 주파수의 과다이득에 대해서 그 이득을 감소시키지 못한다. 따라서 보청기
주위에 손을 댄다든가, 전화기를 사용함으로 인해 음향되울림의 경로에 변화가 생기게 되면, 고정 협대역여과기는 이러한 변화에 적응하지 못하여
음향되울림을 제어할 수 없게 된다.6) 또한 특정한 2~3개의 과다이득을 제어할 경우 음질에 악영향을 끼칠 수 있다.
동적 협대역여과기
음향되울림은 보청기 주위의 환경변화로 인하여 과다이득의 주파수가 변경되는 경우, 골의 주파수를 과다이득이 발생하는 주파수로 변경할 수 있는 동적
협대역여과기(roving notch filter)를 이용하는 것이 효과적이다. 그러나 건전지의 소모가 많으며 한 번에 2~3개 이상의 골을
사용하면 증폭된 신호의 주파수 반응에 이롭지 못한 효과를 가져 올 수 있다. 또한 3개의 골을 사용하는 경우, 빠르게 변화하는 음향되울림의
과다이득 경로로 전환하기 위해서는 200 ms 이상이 요구되며 동적 협대역여과기는 고정 협대역여과기에 비해 음향되울림을 제어하기에 효과적이기는
하나, 3 개 이상의 피드백을 조절하기에는 한계점을 지닌다.6)
위상상쇄
위상상쇄를 이용하여 음향되울림을 제어하는 원리는 Fig. 7과 같으며, 음향되울림이 감지되면, 송화기 지점에서부터 이득을 줄여주는 방식이다.
이득감소는 음향되울림의 위상과 180°위상을 갖는 또 다른 내부 신호를 생성시킴으로써 이루어진다.8)10) 음질에 변화를 주지 않으면서도
2~3개의 과다이득을 동시에 조절할 수 있도록 고안되었지만, 많은 소비전류가 필요하고 음향되울림을 완전히 제어하기 위해서는 400~500 ms의
시간이 필요하다.
실시간 음향되울림 제어
음향되울림의 제어는 상기의 협대역여과기와 위상상쇄를 이용한 방식 외에도 실시간 음향되울림 제어방식이 있다. 턱의 움직임이나 전화의 사용 등은
순간적으로 과다이득을 유발하는데 음향되울림의 제어는 이론적으로 과다이득이 최고점에 이르기 전에 제어해야 한다. 일반적으로 100 ms 이내에서
제어하여, 빠르게 변화하는 과다이득에 대응하도록 하는 것이 효과적이다. 위상상쇄를 응용한 실시간 음향되울림제어 기술에서는 다양한
협대역탐지기(narrow-band detector)를 전략적으로 배치하여 음향되울림이 우려되는 진동(oscillation)을 모니터할 수 있도록
설계하였으며, 디지털신호처리 및 건전지의 소모와 관계없이 각 탐지기는 지정된 주파수 내에서 반응하도록 고안되었다.6) Table 3은 각각의
음향되울림제어 기술에 대한 장점 그리고 한계성을 정리한 것이다.
결 론
최근에 많은 보청기제조사들이 편안하고 자연스러운 소리와 어음명료도를 개선하기 위한 신호처리, SNR이 더욱 개선되고 기능이 향상된 방향송화기
그리고 효과적인 음향되울림 제어 기술을 장착한 새로운 보청기를 출시하고 있다. 이로 인해 많은 난청자들이 과거에 비해 어음청취에 도움을 받고
있는 것은 사실이다. 그러나 중요한 것은 새롭게 발표된 기술을 응용한 보청기의 기능이 난청자의 실생활에서 얼마나 효과적으로 반영되고 있는지를
체계적으로 검증할 필요가 있으며 보청기를 선택함에 있어서도 신중을 기해야 할 것이다.
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