양쪽 청각 보조기에서 인터알 시간 차 보존을 위한 새로운 잡음 감소 기법

초록

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본 논문은 양쪽 청각 보조기에서 잔여 잡음의 인터알 시간 차(ITD)를 인지적으로 보존하면서 효과적인 잡음 감소를 달성하는 MWF‑IC 기법을 제안한다. 기존 MWF‑ITD 방식이 IC(인터알 코히어런스)를 감소시켜 ITD 왜곡을 일으키는 문제를 분석하고, IC 차이를 최소화하는 비용 함수가 ITD 보존에 직접 연결됨을 증명한다. 객관적 지표와 청각 실험을 통해 제안된 방법이 1.5 kHz 이하 주파수 대역에서 방향성 잡음의 공간 인지를 유지하면서 충분한 잡음 억제를 제공함을 확인하였다.

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상세 분석

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본 연구는 양쪽 청각 보조기(binaural hearing aid)에서 사용되는 다채널 위너 필터(MWF)의 기존 구현이 잔여 잡음의 공간적 특성을 왜곡한다는 근본적인 한계를 짚고 있다. 특히, MWF‑ITD 변형은 입력 잡음의 인터알 코히어런스(IC)를 감소시켜 출력 신호의 인터알 위상 차(IPD) 분산을 확대함으로써 ITD의 정확한 전달을 방해한다는 점을 이론적·실험적으로 입증한다. 논문은 이를 해결하기 위해 IC 자체를 보존하는 새로운 비용 함수를 도입한다.

1. IC와 ITD의 수학적 연관성

   • IC는 복소 코히어런스 계수 ρ의 절댓값으로 정의되며, ρ가 1에 가까울수록 IPD의 분산이 작아 ITD 추정이 정확해진다(식 14).
   • 저주파(≤1.5 kHz)에서는 위상 랩핑(p) 문제가 없으므로 IPD 평균이 ITD와 거의 동일하게 된다. 따라서 IC를 유지하면 ITD 보존이 자동적으로 이루어진다.

2. MWF‑IC 비용 함수 설계

   • 기존 MWF 비용 J_W는 잡음 감소에만 초점을 맞추었으나, 여기서는 J_IC = |IC_out – IC_in|² 를 추가한다(식 16‑17).
   • 최적화는 전체 비용 J = J_W + α·J_IC 로 정의되며, α는 주파수별 가중치로 잡음 억제와 공간 보존 사이의 트레이드오프를 조절한다.

3. MWF‑ITD와 MWF‑IC의 비교

   • MWF‑ITD는 IPD 차이를 직접 최소화하려 하지만, IC 감소가 동반되면 IPD 분산이 커져 실제 ITD 보존에 역효과를 낸다.
   • 반면 MWF‑IC는 입력과 출력의 IC 차이를 최소화함으로써 자연스러운 코히어런스를 유지하고, 결과적으로 IPD와 ITD의 변동을 억제한다.

4. 실험 설계 및 결과

   • 객관적 지표: SNR 개선, IC 유지율, ITD 오차(°) 등을 측정하였다.
   • 청각 실험: 청취자 12명을 대상으로 방향성 잡음의 측면 위치 인지 정확도와 주관적 만족도를 평가하였다.
   • 결과는 MWF‑IC가 1.5 kHz 이하에서 IC 손실을 <5 %로 억제하고, ITD 오차를 2 ms 이하로 유지함을 보여준다. 또한, 청취자는 MWF‑IC 처리된 신호를 “자연스러운 위치감”으로 평가하였다.

5. 실용적 의의

   • 청각 보조기 설계자는 MWF‑IC를 적용함으로써 기존의 잡음 감소 성능을 크게 손상시키지 않으면서, 사용자가 주변 소리의 방향을 정확히 파악할 수 있게 된다.
   • 특히 교통 소음이나 경고음과 같은 저주파 방향성 잡음에 대한 인지 향상이 기대된다.

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