50 보청기개론 제장보청기의부품 보청기는마이크로폰으로입력된작은소리를증폭기에서증폭시킨후에리시버를통해더큰소리로출력하는일종의초소형음성확성장치 (public address system) 이다. 일반적으로보청기는 마이크 라고불리는마이크로폰 (microphone), 증폭기 (amplifier) 와리시버 (receiver) 등으로구성된다 ( 그림 3.1). 그외에텔레코일, 볼륨, 여과기와환기구등은청취환경에맞추어보청기의착용효과를높일수있도록보청기의기능을보강한다. 이들세가지부품들중에마이크로폰은보청기로들어오는소리 ( 음향에너지 ) 를전기적인신호 ( 전기에너지 ) 로바꿔주는일종의에너지변환장치이다. 마이크로폰에서소리를전기신호로변환시켜주어야만증폭기에서증폭을할수있다. 보청기에서두번째로중요한부품인증폭기에서는마이크로폰에서들어온전기신호를증폭하는일을한다. 그결과로보청기에입력된작은크기의소리를큰소리로리시버에서재생할수있다. 마이크로폰에 볼륨 마이크로폰 앰프 리시버 건전지 그림 3.1 보청기의기본구조
제 3 장보청기의부품 51 서입력된전기신호를증폭기에서더크게증폭할때에필요한전기에너지는보청기안에있는건전지에서공급되는데, 증폭기에서증폭된출력전압이이건전지의전압을초과할수는없다. 마지막으로중요한부품인리시버는스피커의다른명칭이다. 일반적으로보청기나휴대폰에들어가는매우작은스피커를리시버로도부른다. 이리시버에서는증폭기를통해증폭된전기신호를다시소리로재생시켜주는역할을한다. 다시말하면, 증폭기에서출력된전기신호 ( 전기에너지 ) 를다시원래의소리 ( 음향에너지 ) 로바꾸어주는에너지변환장치이다. 리시버는마이크로폰의정반대에너지변환장치라고할수있다. 따라서마이크로폰과리시버를모두트랜스듀서 (transducer) 라고부르기도한다. 1. 마이크로폰 1) 마이크로폰의종류소리를전기신호로변환하는마이크로폰은크게두가지측면에서종류를나눌수있다. 마이크로폰의진동판이소리로인한음압에한쪽면또는양쪽면이노출되는가에따라서나누고, 또다른종류는마이크로폰에서소리를감지하는방식에의하여분류된다. 우선소리에노출되는진동판면에의하여분류하면다음과같다. 압력마이크로폰소리의발생은공기의압력을변화시킨다. 소리에의해달라진대기압의변동분을음압이라고부르는데, 이러한음압속에진동판의한쪽면 ( 앞면 ) 만이노출되는경우이다. 다시말하면, 진동판의반대쪽 ( 뒷면 ) 은마이크로폰의케이스안에들어있어서음압에노출되지않는다. 다만마이크로폰케이스안의공기압력을대기압과동일하게맞추기위하여작은구멍 ( 마치중이에있는이관처럼 ) 을가지고있다. 따라서소리로인한공기의압력변화가진동판의한쪽면에만전달되는것을가리켜압력마이크로폰 (pressure microphone) 이라고부른다. 압력마이크로폰의종류에는뒤에서설명하게될다이나믹마이크로폰과콘덴서마이크로폰등이있는데, 지향특성을거의갖지않는것이특징이다. 뿐만아니라매우작은소리의변화에도민감하게반응한다. 압력경도마이크로폰압력마이크로폰과는달리진동판의양면이모두소리에의한음압에노출되는경우이다. 이는진동판의양면에가해지는음압의위상차이에의해진동판을진동시킨다. 다시말하면, 진동판의양면사이에존재하는거리의차이가바로위상차이를만들고, 이위상차이가음압차이를발생시켜진동판이진동한다. 이러한원리를이용한것을압력경도마이크로폰 (pressure gradient microphone) 이라고부르는데, 소리가들어오는각도에따라서위상차이가달라지기때문에지향특성을갖는다.
52 보청기개론 마이크로폰은여러원리에의하여소리를감지할수있다. 따라서이들원리에따른마이크로폰의종류는다음과같다. (1) 다이나믹마이크로폰 < 그림 3.2> 에서보여주는것처럼음구를통해들어간소리가진동판을진동시킨다. 이때에진동판에부착된드라이브핀이진동판의진동을아마튜어로전달한다. 아마튜어에감겨있는코일이아마튜어와함께운동하면서코일의내부로지나가는영구자석에서나온자기장의양을변화시킨다. 자기장의세기가변함에따라서아마튜어에감겨있는코일에전류가발생하게된다. 이원리를이용하여소리를전기신호로전환시키는장치를다이나믹마이크로폰 (dynamic microphone) 이라고한다. 다이나믹마이크로폰의출력은아마튜어의운동거리와속도에비례하는것으로알려져있으며, 가동코일마이크로폰 (moving -coil microphone) 또는전자기마이크로폰 (electromagnetic microphone) 이라고도한다. 다이나믹마이크로폰은외부의충격과과대입력에강한편이며사용이편리하다. (2) 콘덴서마이크로폰콘덴서마이크로폰 (capacitor microphone) 은다이나믹마이크로폰처럼전자기장 (electromagnetic field) 을이용하지않고, 정전기장 (electrostatic field) 의정전용량을이용해서음압을전기신호로바꾼다. 이는고정전극과운동전극의역할을하는매우얇은두장의플레이트로구성된콘덴서의원리를이용한다. 여기서운동전극이란바로음압에의해진동하는플레이트로서진동판이라고부른다. 진동판이진동하면고정전극과의거리가달라져서정전용량이변화하는데이정전용량의미세한변화가바로마이크로폰에서나오는전기신호이다. 콘덴서마이크로폰은원음에대한추종성이좋고주파수특성이뛰어나며역동범위가넓은편이며출력감도가높고왜곡이적은반면에, 단점들로는가격이다소비싸고팬텀전원이필요하며습기에다소약하다. 그림 3.2 다이나믹마이크로폰의구조
제 3 장보청기의부품 53 (3) 일렉트릭트콘덴서마이크로폰일반적인콘덴서마이크로폰은 2개의전극사이에정전용량을유지시키기위하여외부에서전류를공급할수있는전원을필요로한다. 이때에필요한전원을팬텀전원이라고부르며이로인하여콘덴서마이크로폰의크기가커지는단점이있다. 따라서콘덴서마이크로폰에필요한전원을별도로공급하지않기위하여두전극사이에일렉트릭트 (electret, dielectric substance) 를삽입한장치를일렉트릭트콘덴서마이크로폰 (electret condenser microphone) 이라고한다 ( 그림 3.3). < 그림 3.3> 에서일렉트릭트는외부에서전기장을가했을때에발생한유전분극이전기장을없앤후에도없어지지않는물질로만든하전체를말한다. 예를들면, 폴리프로필렌이나마일러등과같은플라스틱절연체속에전하가영구적으로보유되어있어서그주위에전기장을항상만든다. 실제적으로일렉트릭트는뒷판표면에테플론 (teflon) 과같은물질을코팅하여만든다. 그러나콘덴서에서나오는미세한정전용량의변화를전기신호로도출하기위해서는증폭기 (Field Effect Transistor, FET) 가반드시필요하기때문에별도의전원을공급해야만한다. 일렉트릭트콘덴서마이크로폰은신호대잡음비 (SNR) 와주파수특성은좋지만오래사용했을때에기능의저하가우려된다. 그러나보청기의크기를작게만들수있어서 1980년대이후에보청기용으로현재까지가장많이사용되고있는마이크로폰의종류이다. (4) 압전마이크로폰어떤외부의힘에의하여석영과같은크리스털재료들이휘어지거나비틀리면표면으로부터작은전기신호가만들어진다. 이원리를이용한장치가바로압전마이크로폰 (piezo - electric microphone, crystal microphone) 이다. < 그림 3.4> 에있는진동판이소리의의해진동하면그진동이드라이브핀을통해압전물질인크리스털웨이퍼 (crystalline wafer) 에전달되어변형을일으킨다. 압전마이크로폰은매우높은임피던스를갖기때문에크리스털웨이퍼에서발생한미세한전기신호가증폭기 (FET) 를통해증폭된후에출력된다. 이때에 그림 3.3 일렉트릭트콘덴서마이크로폰의구조
54 보청기개론 그림 3.4 압전마이크로폰의구조 증폭기와크리스털웨이퍼사이의임피던스가서로잘매칭되어야한다. 만약그렇지않으면고음에대한손실이발생한다. (5) MEMS 마이크로폰 2000년대부터실용화되고있는 MEMS 마이크로폰 (micro electro mechanical microphone) 은실리콘을이용한집적회로기술을이용한것이며실리콘마이크로폰이라고도불린다. 다시말하면, 실리콘의표면을에칭 (etching) 한후에다른물질로채우는반도체설계기술을응용한것이다. 만약 MEMS 마이크로폰의감도를좀더높이고회로자체에서발생하는내부잡음을줄일수있다면현재사용되고있는일렉트릭트마이크로폰을대체할수있을것으로기대된다. 왜냐하면마이크로폰의크기가작아지는가운데신뢰성이높아지기때문이다. 그리고높은생산성을통해마이크로폰의가격도낮아질것으로예상된다. 2) 지향특성마이크로폰은소리를전기신호로바꿔주는일종의변환장치라고앞에서설명한바있다. 그러나어느방향에서들어오는소리를집음하여전기신호로변환할것인가는매우중요한요소이다. 다시말하면, 모든방향에서들어오는소리를집음할것인가아니면특정한방향에서들어오는소리만을전기신호로변환할것인가에대한문제이다. 이와같이마이크로폰에서집음하는소리의방향성은마이크로폰의신호대잡음비 (SNR) 에영향을준다. 모든방향에서들어오는소리를집음하는무지향성마이크로폰과특정한방향에서들어오는소리만을집음하는지향성마이크로폰의특성은다음과같다. (1) 무지향성마이크로폰모든방향에대한소리의감도가동일한마이크로폰을무지향성마이크로폰 (non - directional 또는 omni-directional microphone) 이라고한다. < 그림 3.5> 는무지향성마이크로폰의지향특성을표시할수있는극도표 (polar diagram) 라고한다. 여기서 0 는마이크
제 3 장보청기의부품 55 그림 3.5 무지향성마이크로폰 로폰의정면을, 그리고 180 는뒷면을의미하는데, 각원들은음압레벨을표시한다. 일반적으로진동판의뒷면이마이크로폰의케이스로완전히둘러싸여음압에노출되지않는구조를갖는다. 가장대표적인예로서압력마이크로폰을들수있다. (2) 지향성마이크로폰일반적으로사람들은대화를나눌때에서로마주본다. 그리고난청인이보청기를착용하는주된목적은다른사람들과의대화를좀더용이하게하는데있다. 따라서보청기를착용한난청인의경우에는서로마주보고대화를나누는사람의음성에더많은관심을갖는것이당연할것이다. 왜냐하면이들사이의대화를방해하는소음이나다른사람의목소리는대개정면이아닌다른방향에서들어오기때문이다. 만약보청기에무지향성마이크로폰을사용한다면여러방향에서들어오는소음과정면에서들어오는말소리가서로혼합되어어음명료도가감소할수있다. 그러나지향성마이크로폰을사용하여정면에서들어오는말소리만을입력시키면무지향성마이크로폰에비하여신호대잡음비 (SNR) 가크게향상될수있다. 지향성마이크로폰에는 < 그림 3.6> 과같이 2개의소리음구 (inlet) 가있다. 마이크로폰의후방에서들어오는소리는이들음구를통해진동판의서로다른면으로도달한다. 다시말하면, 후방음이전방음구를통해들어오면진동판의앞쪽으로그리고후음입구로들어오는경우는진동판의뒤쪽으로각각입력된다 ( 그림 3.6). 이과정에서이들사이에는두종류의시간지연이발생한다. 첫번째는전방과후방음구들사이의거리차이에의한시간지연이다. 후방음이후방음구로먼저들어가고이들사이의거리만큼더이동한다음에전방음구로들어갈때에발생하는시간차이이다. 이시간차이는이들사이의거리를음속으로나눈값으로서외부시간지연이라고부른다. 두번째는 < 그림 3.6> 의후방음구를통하여진동판
56 보청기개론 그림 3.6 지향성마이크로폰의일반적인구조 의뒤쪽으로들어가기바로직전에설치된음향여과기 (acoustic damper) 나저항을사용한시간지연기에의해발생하는내부시간지연이다. 이시간지연기는진동판의뒤쪽에있는공간과결합되어저음통과필터 (low -pass filter) 의역할도할수있다. 먼저후방음구를통해들어가는소리가후방마이크로폰음구에설치된시간지연기를통해저음만이통과되는가운데시간지연이발생한다. 만약외부시간지연과내부시간지연이동일하고 180 의위상차이를갖는다면 2개의음구를통해들어온후방음들이동일한시간에진동판의양쪽면에도달할것이다. 그러나이들사이의위상이 180 의차이를갖기때문에진동판은움직이지않게된다. 다시말하면, 진동판의양쪽면에입력된후방음들이역위상일경우에발생하는소멸간섭이일어나서후방음이사라지는것이다. 만약내부시간지연이외부시간지연에비하여적다면다른방향에서들어오는소리들에대해서도감도가줄어든다. 보청기의신호대잡음비 (SNR) 를높여주는지향성마이크로폰은여러종류가있으며, 이 들에대한각각의특징은다음과같다. 1 단일지향성마이크로폰 < 그림 3.7> 에서보여주는것처럼마이크로폰의감도가정면으로부터좌우로 150 안쪽에서만높고후면을비롯한다른각도에서크게낮아지는것을단일지향성마이크로폰 (unidirectional microphone) 이라고한다. 이때의지향특성이마치심장처럼생겼다고해서카디오이드 (cardioid) 라고도부른다. 단일지향성마이크로폰은가장전형적인지향성마이크로폰으로서단일지향특성을얻기위하여진동판의뒷면이음압에노출되도록제작되었다. 다시말하면, 진동판의뒷면과정면으로들어온소리들사이의위상차이를이용하여뒷면으로들어온소리를최대한으로상쇄시킨다. 만약 < 그림 3.8> 에서마이크로폰의측면에있는빈공간들을손바닥으로모두감싸쥔다면지향특성이단일지향성에서무지향성으로변한다. 왜냐하면진동판의후면이모두막혀
제 3 장보청기의부품 57 그림 3.7 단일지향성마이크로폰의지향특성 서무지향성마이크로폰의구조와동일해지기때문이다. 만약단일지향성마이크로폰이음 원에매우가까워진다면저음의출력이증가하는근접효과가발생한다. 2 초지향성마이크로폰단일지향성마이크로폰에서감도가 0이되는각도 (null angle) 는 180 이다. 그러나지향특성이이보다더좁아지는것을초지향성마이크로폰이라고부른다. 이초지향성마이크로폰에서는두종류의 null angle이존재한다. null angle이 125 인것을슈퍼카디오이드 (super cardioid) 라고부르는반면에 110 인것은하이퍼카디오이드 (hyper cardioid) 이라고한다 ( 그림 3.9). 그림 3.8 단일지향성마이크로폰 [7]
58 보청기개론 그림 3.9 초지향성마이크로폰의지향특성 3 양지향성마이크로폰양지향성마이크로폰 (bi -directional microphone, figure of eight microphone) 에서는진동판의정면과후면의감도가큰반면에측면에서의감도가매우낮은 8자형지향특성을갖는다 ( 그림 3.10). 지금까지는마이크로폰의구조에의해소리가들어오는각도에따라서감도가달라지는 지향성마이크로폰의특징을설명하였다. 이러한지향성마이크로폰은거의모든유형의 보청기에서사용하지만, 특히귀걸이형보청기에많이이용된다. 만약어떤사람이뒤에서 그림 3.10 양지향성마이크로폰의지향특성
제 3 장보청기의부품 59 말을하고있는데난청인이지향성마이크로폰이장착된보청기를착용하고있다면, 말을 알아듣기가더어려울수있다. 이런경우에는지향성마이크로폰을사용하는것이오히려 단점이될수있다. 이단점을보완하기위하여다음과같은두가지방법을사용한다. 4 반달형지향성마이크로폰 1997년 Etymotic Research가소개한마이크로폰 (D-microphone) 으로서하나의보청기에무지향성과지향성마이크로폰을함께설치하는것이다. 어떤경우에는지향성마이크로폰을일반적인지향성마이크로폰과저음조절용지향성마이크로폰으로다시나누어총 3개를설치하는경우도있다. 그러나각하나씩의무지향성과지향성마이크로폰이합쳐져모두 2개의마이크로폰을사용하는것이일반적이다. 그리고난청인이소리를듣는청취환경에따라서이들마이크로폰의종류를선택할수있다. 이는 2개이상의마이크로폰을동시에사용할수없다는의미로, 한번에한종류의마이크로폰만을사용하여야한다. 5 이중무지향성마이크로폰난청인이청취하는소리의종류및청취환경에따라서어떤경우에는무지향성이그리고다른경우에는지향성마이크로폰이적절할때가있다. 이처럼각각의경우에따라서 2개의무지향성마이크로폰 (dual microphone system) 을이용하여마이크로폰의지향특성을조정할수도있다. 첫번째, 공연장에서음악을청취할때와같이모든방향에서들어오는소리를골고루듣고자할경우에는이들무지향성마이크로폰중에서어느한쪽을끄고나머지마이크로폰으로만듣거나또는 2개의마이크로폰에서나온출력을단순히합치는방식으로청취하면된다. 이와동일한청취조건에서지향성마이크로폰으로듣는경우에비하여회로잡음이적은무지향성마이크로폰을사용하면더좋은음질을얻을수있다. 두번째, 지향성마이크로폰이필요한경우에는 2개의무지향성마이크로폰을 < 그림 3.11> 과같이연결하여소리가들어오는입사각도에따라서감도가달라지는지향특성을얻을수있다. 이들 2개의마이크로폰출력중에서어느한쪽에시간지연을부가하는형태이다. 따라서이들 2개의전기신호사이에는시간지연으로인한위상차이가발생하고, 위상 시간지연기 그림 3.11 지향성을얻기위한 2 개의무지향성마이크로폰
60 보청기개론 차이가있는이들의신호를합성하여지향특성을얻을수있다. 소리가들어오는각도에따른지향특성은이들마이크로폰사이의거리와시간지연기에서주어지는시간지연에따라서달라진다. 이중무지향성마이크로폰의구조가귀걸이형과귓속형보청기에도적용될수있다. 귀걸이형보청기의경우에는마이크로폰을귓바퀴위에수평하게배치하되, 이들사이에는약 15mm 정도의거리를두는것이좋다. 반면에귓속형보청기의경우에서는이들사이의거리를 4~10mm 정도로분리하되, 가급적이면서로수평하게위치시키는것이좋다. 만약이들이수평적배치로부터어긋나면뒤에서설명하게될방향지수 (DI) 가감소한다. 최근에는 2개의무지향성마이크로폰과디지털기술을이용하여자동으로지향특성을조절하는자동지향성마이크로폰 (adaptive microphone system) 도출시되고있다. 이처럼마이크로폰에들어오는신호의지향특성을자동으로조절하는목적은소음이들어오는방향의감도를최소화하는것이다 ( 그림 3.12). 소음과함께들어오는말소리의신호대잡음비 (SNR) 를향상시켜어음명료도를높일수있다. 3) 주파수반응특성만약 20~20,000Hz의주파수를갖는백색잡음이마이크로폰에입력되었다고가정하자. 여기서백색잡음을사용하는것은모든주파수에서의음압레벨을동일하게만들기위한것이다. 이러한조건하에서소리를전기신호로전환시키는마이크로폰에서는이들주파수의음압레벨을과연동일하게감지할것인가? 마이크로폰이소리에반응하는감도가주파수에따라서다를수도있기때문에그렇지않다는대답이나올수도있다. 다시말하면, 입력신호에서모든주파수의음압레벨이동일하여도마이크로폰에서나오는출력은주파수에따라서다소다를수있다는것이다. 이처럼모든주파수에일정한입력이마이크로폰에주 말소리 말소리 말소리 소음 소음 소음 소음 그림 3.12 자동지향성마이크로폰의특성
제 3 장보청기의부품 61 그림 3.13 평탄형마이크로폰의주파수반응곡선 어졌을때에이에반응하는주파수별마이크로폰의감도특성을마이크로폰의주파수특성이라고한다. 이주파수특성을그래프로나타낼수있는데, x축은주파수를, 그리고 y축은주파수에따른출력 ( 음압레벨 ) 을표현한다. 이를마이크로폰의주파수반응곡선 (frequency response curve) 이라고도부른다. 마이크로폰의주파수반응특성을통해평탄형과변형형마이크로폰으로나눌수있다. 첫번째, 평탄형마이크로폰의경우에는모든주파수대역에서음압레벨의차이가크지않기때문에 < 그림 3.13> 처럼대체로평탄한주파수반응특성을갖는다. 이러한형태의마이크로폰은음악이나합창등과같은일반적인청취환경에서고품질의음질을얻기위해사용된다. 두번째의변형형마이크로폰은각각의특수한목적에적합하도록주파수반응특성을조정하여사용된다. 예를들면, 보청기와같이음성만을주로청취하고자하는경우에외이도에서발생하는공명을주파수반응특성에인위적으로반영한다. 만약보청기를착용하면외이도가짧아져서외이도공명이더높은주파수에서일어난다. 따라서보청기를사용하지않는건청인의청각특성과유사한조건을만들기위하여 3~5kHz 주변이다소강조된주파수반응특성을사용한다 ( 그림 3.14). 보청기에서가장많이사용되는변형형마이크로폰들중에하나가일렉트릭트마이크로폰이다 ( 그림 3.3). 일렉트릭트마이크로폰에서주파수특성을기구적으로조정하는방법은크게두가지가있다. 첫번째, < 그림 3.3> 에있는공기구멍에의한저음역의감쇠이다. 다시말하면, 진동판을경계로위쪽과아래쪽공간들의공기압력을동일하게만들기위하여공기의통로가존재한다. 이공기구멍을통해소리가이동하는과정에서저음의강도가줄어든다. 다시말하면, 이공기구멍이일종의기계적인저음억제필터의역할을하는것이다. 이공기구멍의크기와길이에따라서저음에대한마이크로폰의주파수반응특성이달라질수있다. 예를들면, 공기구멍의크기가클수록저음의감소량이커질뿐만아니라음압의