ISSN 1738-9399 / Audiol Speech Res 2016;12(3):139-143 / http://dx.doi.org/10.21848/asr.2016.12.3.139 RESEARCH PAPER Critical Bandwidths of a Basic Tonal Frequency for Korean Normal Young Adults Dukhwan Lim 1, Donghyeon Yun 2 1 Division of Speech Pathology and Audiology, Research Institute, of Audiology and Speech Pathology, Hallym University, Chuncheon, Korea 2 Department of Speech Pathology and Audiology, Graduate School, Hallym University, Chuncheon, Korea 기본순음에대한한국정상성인의임계주파수대역특성 임덕환 1 윤동현 2 한림대학교언어청각학부, 청각언어연구소 1, 한림대학교일반대학원언어병리청각학과 2 Purpose: The critical bandwidth represents response interactions with respect to a reference tone and neighboring spectral bands. The aim of this study was to analyze the critical bandwidths of a 1,000 Hz tone in Korean young male and female subjects at a conversational level (60 db HL). Methods: Critical bandwidths were measured in twenty subjects with the notched band noise method under the two alternative forced choice condition. Results: The average critical bandwidth of 1,000 Hz was 175.23 Hz, which was slightly greater than the previous Western measures. There were no statistically significant differences in gender, nor were there any significant differences in lateralization of the ear (p > 0.05). Conclusion: Critical bandwidth measures can produce valuable response profiles for reference tones and adjacent frequency bands. This information will be beneficial in improving Korean speech communication under various acoustic conditions. Key Words:0 Critical bandwidth, Masking, Signal to noise ratio, Two alternative forced choice. Received: June 15, 2016 / Revised: June 29, 2016 / Accepted: July 12, 2016 Correspondence: Dukhwan Lim, Division of Speech Pathology and Audiology, Research Institute of Audiology and Speech Pathology, Hallym University, 1 Hallimdaehak-gil, Chuncheon 24252, Korea Tel: +82-33-248-2217 / Fax: +82-2-6280-9133 / E-mail: dlim@hallym.ac.kr INTRODUCTION 말소리와 같은 복합음은 여러 기본 순음의 조합으로 이루어진다 이 회화 주파수 대역에 존재하는 순음은 그 주변 주파수 대역과 상호작용을 일으켜서 복합음 인지에 영향을 준다 순음 탐지와 주변 잡음 간에 일어나는 차폐 현상이 그 대표적 사례이다 이때 주변의 잡음 성분들이 기준 순음 주파수에 대해 동일한 영향을 주는 것이 아니라 해당 주파수에 인접한 특정 대역이 강한 영향을 미친다 이러한 특정 대역 범위가 복합음 구성 성분을 인지하는 과정에서 중요한 역할을 하기에 오랜 기간 다수의 관련 연구가 진행되었다 이 제한적 주파수 대역 범위를 표시하는 것이 임계주파수대역 이고 연관된 측정값들이 존재한다 를 여러 측정 방법으로 결정할 수 있는데 기본적으로 순음과 주변 주파수 대역 간의 신호 탐지 과정에서 일어나는 차폐 현상이나 신호대잡음비 조정을 하여 그 범위를 측정할 수 있다 초기에는 신호 주파수 주변에 존재하는 대역 잡음으로 간단한 백색잡음을 선택했으나 주변 대역 폭을 조절하는 과정에서 나타나는 비트 현상과 측정 오차 문제로 대역소거잡음 을 주로 사용한다 이 방식은 청각필터 의 중심 주파수에서 체계적으로 소거 대역을 변화시킨 대역소거잡음을 사용하여 신호의 탐지역치를 구하고 이를 이용하여 를 측정하는 과정이다 - 특정 주파수를 중심으로 해서 정해지는 는 해당 주파수가 주변 주파수들과 공존할 때 어떠한 반응 관계가 있는 지를 구체적으로 보여준다 기존 영어권 자료를 보면 에 포함되는 주변 Copyright 2016 Korean Academy of Audiology 139
Critical Bandwidths of Korean Young Adults Bandwidth 1 khz Figure 1. NBN analysis for CB estimation. Notched bandwidths (dotted arrow) around the signal frequency of 1,000 Hz were systematically varied in NBNs to determine CBs. The dotted curve represents an auditory filter of the signal frequency. NBN: notched band noise, CB: critical band. 주파수 성분은 영역 밖에 위치한 주파수보다 차폐 효과가 더 강 하다 이 러한 특성은 복합음에서 음소의 주파수와 주변 잡음의 관계를 정량적으로 제시하여 구성 주파수 사이에 일어나는 탐지나 변 별 반응을 설명해 줄 수가 있다 임상적으로는 오랜 측정 시간 때문에 실용적인 어려움이 있지만 건청인과 난청인에서 나타나 는 패턴의 차이를 분석하여 난청의 평가나 재활에 응용하 려는 시도도 있다 이러한 반응 관계는 여러 청각 기능과 연관이 되고 임상적 활용 가능성이 높아서 저주파수를 포함하는 광범위한 가청 주파수 대역까지 그 연구가 확장되고 있다 에서 나타나는 순음 주파수와 주변 주파수 대역 사이의 상호 반응 관계는 그 형성 과정에 중추청각기능이 관여한다 이를 구체적으로 살 펴보면 가청주파수에 대한 선택도 를 나타내는 동 조곡선 의 특성주파수 와 그 주변의 형태가 형성에 직접적인 영향을 준다 이 동조곡선은 학습과 기억에 의해서 그 위치와 모양이 변화하며 이러한 학습 관계를 보여주는 행동이 나 신경 수준에서의 결과가 다수 존재한다 - 이에 따르면 가청주파수 대역은 동일해도 일정 범위 안에서 개별 가청주파수가 주변 대역과 갖는 중요도 나 비중이 언어적 학습과 훈련 내용에 따라 다를 수가 있다 이 러한 근거에서 는 학습된 모국어의 음향적 특성에 따라서 그 범위나 영향 정도가 다르게 나타날 가능성이 높으나 다른 언어권을 대상으로 한 체계적인 연구가 아직 존재하지 않는다 측정 과정은 다단계로 구성된 측정 과정과 긴 검사 시간 때문에 자료 수집에 어려움이 있다 현재까지 영어권의 자 료만 일부 존재하고 그 자료도 피검자수나 연령대가 상당히 제한적인 편이다 한국어권 자료는 기초 자료 자체가 부족한 실 정이라서 에 관한 기본 패턴부터 조사해보는 것이 필요하다 고 판단된다 이러한 기초 자료는 복합음을 구성하는 순음과 다양한 주변 주파수 대역 성분 사이에 반응을 설명하여 다양한 음향 환경에서 일어나는 한국어 의사소통 과정의 분석과 관련 청각기능 평가에 도움을 줄 수가 있을 것이다 이러한 배경에서 본 연구는 한국어를 모국어로 하는 정상 남녀 성인을 대상으로 하여 이 범위를 측정하고 어떠한 차이가 있는지를 분석하였다 기존 영어권 자료와 비교를 위하여 청각평가에서 자주 사용되는 를 기본 순음으로 선택하였고 회화음 강도에서의 그 특성을 분석하였다 MATERIALS AND METHODS 연구대상 한국어를 모국어로 하는 정상 청력을 가진 남녀 대학생 ± 세 각 명으로 구성된 총 명을 피검자로 선정하였다 전체 실험 과정은 한림대학교 생명윤리위원회 - 의 사전 심의 승인을 받아 진행하였다 대상자는 순음청력 검사 결과에서 양측 귀 모두 범위에서 이하의 정상 청력을 보였고 단음절인지도는 였다 이들은 예비 과정을 거쳐서 단계별 세션으로 구성된 실험에 참가하였다 연구방법언어적 학습과 기억을 반영하는 는 순음과 주변 주파수 대역 간의 반응관계를 정량적으로 표현한 것으로 여러 측정 방법이 가능하다 본 연구에서는 추후 효율적 임상적 적용을 고려하여 그 과정을 상대적으로 간단하게 개선하였다 우선 순음과 대역소거잡음은 디지털 샘플링으로 전산 합성하였고 그 소거 대역 폭을 조정하면서 단계별로 정해진 수치를 유지하도록 조정하였다 하드웨어 기반으로 구성된 폐쇄 자극 시스템에서 음압이 보정된 헤드폰 을 통하여 최종 자극을 제시하였다 최종 자극음이 측정 회화 레벨로 설정된 음압이 되도록 음압측정기 로 출력을 보정하고 청력검사용 방음실에서 측정을 하였다 신호 순음과 대역소거잡음은 피검자의 주관적 반응의 편향성을 최소화하기 위하여 두대안강제선택 방식으로 무작위로 제시하였으며 순음 신호가 포함된 위치 응답을 정반응으로 하였다 전 후 무작위로 제시되는 대역소거잡음 과 대역소거잡음 140
D Lim & D Yun 순음신호 조합을 매 회 반복하여 제시한 후에 반응의 적중률 을 계산하여 수준에서 신호 탐지가 일어나는 신호대잡음비 역치를 판정하였다 측정된 자료는 수평축을 대역소거잡음의 소거 대역 폭으로 횡축을 신호대잡음비의 역치로 하는 임계인지역치그래프 로 표시하였다 는 이 그래프에서 아래의 지점으로 정의하였고 통과밴드 와 천이밴드 구간별 회귀분석을 통하여 결정하였다 예비 과정을 거쳐서 피검자가 평가 절차에 익숙하도록 하였고 이 준비 과정은 약 시간을 소요하였다 이 연습과정을 마친 후에 여러 세션으로 나누어진 본 과정을 시행했으며 세션 사이에 충분한 휴식 시간을 취했다 휴식 시간을 제외하고 임계인지역치 그래프 측정에 평균적으로 약 시간을 사용했다 본 실험에 필요한 무작위 제시 기록 분석 제어는 응용 패키지의 내부 모듈을 프로그램하여 사용하였다 - 이 과정에서 얻어진 자료의 성별 좌우측 귀에 대한 통계적 분석과 기존 영어권 자료와의 비교는 통계 패키지 에서 이변량 분산분석과 독립표본 t 검정으로 처리하고 유의수준 에서 판정하였다 RESULTS 한국인 정상 성인 남녀 명을 대상으로 좌우 양쪽 귀에서 개별 신호대잡음비 역치를 측정하고 그 를 결정하였다 그 예시로 다음과 같은 개별 임계인지역치그래프 - 를 제시하였다 이 임계인지역치그래프에서 소거대역잡음의 소거대역 폭이 늘어남에 따라서 간섭 반응에 의한 차폐 효과가 점차 작아지는 독립성이 나타남을 확인했다 대역소거잡음의 좁은 소거 대역 폭에서 비교적 평활한 신호대잡음비 역치 부분이 있고 이후 소거 대역 폭이 커지면서 신호대잡음비 역치가 점차 하강하는 패턴을 보였다 이 변화 부근에서 경계치가 있는 것으로 추정하고 그 위치는 아래 지점에서 결정하였다 전체 대상의 임계인지역치 자료에서 소거 대역별로 성별과 좌우측 귀 변인에 대한 이변량 분산분석을 시행한 결과를 에 정리하였다 이 분석에서 와 관련된 특성은 남녀의 성별이나 좌우측 검사 귀의 영향을 받지 않았다 그리고 성별과 좌우 귀 두 변인 간의 통계적으로 유의한 상호작용도 나타나지 않았다 p > 이상의 내용을 종합한 평균 임계인지역치그래프 결과를 에 제시하였다 -20 FR 1.0-01-kj -25 S + N 500 msec N 800 msec N 500 msec S + N Signal to noise ratio (db) -30-35 -40-45 CB -50 Front Back Figure 2. Two alternative forced choice paradigm. The signal can be randomly included either in front or in back as shown. Subjects were forced to select a correct case (front or back) for the signal presence. N: notched band noise. S: 1,000 Hz signal tone, Front: first stimulus, Back: second stimulus. 0 500 1,000 1,500 Bandwidth (Hz) Figure 3. An exemplary critical perception threshold graph. The dotted line denotes the level of 3 db down. Horizontal axis: notched bandwidth around the signal frequency, Vertical axis: signal to noise ratio threshold in db, CB: critical bandwidth with a 3 db down point. Table 1. Statistical analysis of gender and lateralization of the ear (n=40, p > 0.05) BW (Hz) 50 100 150 200 300 400 500 600 1,000 1,500 Gender F 0.621 0.200 0.000 0.000 0.086 0.681 2.348 2.571 2.673 2.314 p 0.436 0.657 1.000 1.000 0.771 0.415 0.134 0.118 0.111 0.137 RL F 0.000 0.200 3.767 0.486 0.771 0.681 2.348 0.000 0.055 0.257 p 1.000 0.657 0.060 0.490 0.386 0.415 0.134 1.000 0.817 0.615 Gender RL F 0.000 1.800 1.674 1.946 0.086 0.076 0.000 1.143 0.055 0.257 p 1.000 0.188 0.204 0.172 0.771 0.785 1.000 0.292 0.817 0.615 BW: notched bandwidth around 1,000 Hz, Gender: male and female, RL: right and left ears, Gender RL: interaction between Gender and RL 141
Critical Bandwidths of Korean Young Adults -10-20 Signal to noise ratio (db) -30-40 -50 * -60 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 Bandwidth (Hz) Figure 4. Averaged critical perception threshold graph. The curved line (*) denotes polynomial curve fitting for the transition region (n = 40, r 2 = 0.9717). 에서 는 천이대역 부분의 곡선적합 결과를 나타낸 것이고 그 값은 로 표시되었다 은 천이대역에서의 특성을 나타내며 는 신호대잡음비 역치 는 소거대역잡음의 소거 대역 폭을 의미한다 이 자료에서 회귀분석으로 측정한 에 대한 평균 는 였다 DISCUSSIONS 본 자료에서 정상 청력을 가진 한국 젊은 남녀 성인의 회화 강도 수준에서 순음에 대한 평균 값은 였다 남녀 간의 성별 차이나 좌우측 귀에 대하여 통계적으로 유의한 차이는 없었다 그러나 이 값을 유사한 조건의 영어권 평균 자료 인 와 비교해보면 통계적으로 유의미하게 넓은 것으로 결론되었다 t 검정 p < 이는 해당 순음 탐지에 실질적으로 영향을 미치는 주파수 대역이 더 넓음을 의미한다 이 순음을 효율적으로 차폐하고자 한다면 최적화된 대역 범위의 잡음은 기존의 영어권 잡음과는 차이가 있다는 것이다 예를 들어 이명 주파수를 효율적으로 최적화하여 차폐하고자 하는 경우에는 특정 주파수에 대한 정보가 필요할 것이고 한국어와 영어권 피검자 사이에 해당 주파수에 대한 인접 주파수 대역이 미치는 범위와 영향에 차이가 있기 때문에 관련 언어권의 자료를 사용하는 것이 더 적합할 것으로 사료된다 분석된 값은 기준 순음 주파수가 간섭을 받는 인접 대역 을 정량적으로 표시하며 다른 언어 사용자를 대상으로 할 때 그 범위가 다를 수 있음을 보였다 한국어는 영어권에 비하여 기본 주파수에 대한 폭이 넓어 평균적으로 인접 주파수 대역 잡음에 의한 영향을 더 받는 것으로 보인다 이것은 영어권과 비교하여 청취상의 장단점이라기보다는 언어적 특성을 반영하는 것으로 생각된다 앞서 언급했듯이 는 중추청각기능이 포함된 특성이며 가청주파수 선택도와 연관되어 학습 훈련과 기억의 영향을 받는다 모국어가 한국어인 경우에는 의사소통 과정에서 상대적으로 폭이 좁고 세밀한 특성을 필요로 하지는 않는 것으로 추정되며 이러한 특성 형성에는 범주지각 - 적 영향이 반영된 것으로 볼 수가 있다 예를 들어 모국어가 한국어인 건청인은 과 발음을 잘 구별하지 못한다 이는 가청주파수 대역이 다르거나 손상되어서가 아니라 음소의 주파수와 그 주변대역에 대한 반응 특성이 다르기 때문이다 이러한 행동특성은 언어적 학습과 훈련에 의해서 형성된 것이고 그 반응 자체가 중추기능이 포함된 것이다 음소의 음향적 특성을 세밀하게 구분하는 것이 필요한 경우에는 범주지각의 폭이 좁고 독립적이어야 하는데 대역 부근의 독립성이 한국어의 경우에는 영어권에 비해 그리 크게 요구되지 않는 것으로 추정된다 말소리 구성 성분 주파수 간의 간섭 반응은 중추 청신경계도 관련되는 과정임 을 고려하면 관련 자료는 연령 등의 변인을 보정을 하여 비교하는 것이 더 정확할 것으로 생각된다 상당수 서양권의 자료 - 는 명 정도의 성인을 대상으로 한 경우가 많다 일부 자료 는 연령도 대에서 대까지 다양한 분포를 포함하고 있어서 정밀한 직 142
D Lim & D Yun 접 비교에는 어려움이 있다 이는 주로 자료 수집 과정의 복잡함 과 긴 검사 소요 시간에 기인한 것으로 효율적인 임상 적용을 위해서는 측정 과정을 지금보다 더 간소화된 측정 절차로 개선 해야 할 것으로 판단된다 자료에 제시된 임계인지역치그래프에서 회화 영역 범위의 순 음과 주변 대역 간의 반응 관계의 정도를 정량적으로 파악할 수 가 있었다 소거대역잡음의 소거 대역이 늘어남에 따라서 기준 주파수에 대한 차폐효과가 약화되었고 이는 동일한 강도일 때 주변 잡음이 신호 주파수에서 멀어질수록 신호를 탐지하는 데 유리함을 의미한다 이러한 구성 순음과 주변 주파수 대역 사 이의 반응 관계는 복합음을 처리하고 인지하는 과정에서 중요 한 역할을 하며 관련 기초 자료의 축적은 향후 다양한 주파수 대역을 갖는 주변 잡음이 존재하는 음향 환경에서 한국어 어 음 탐지 및 변별력을 이해하는 데 유용한 정보를 제공할 것으 로 생각된다 중심단어 0:0 임계주파수대역 차폐 신호대잡음비 두대안강제선택 REFERENCES Dau, T., Kollmeier, B., & Kohlrausch, A. (1997). Modeling auditory processing of amplitude modulation. I. Detection and masking with narrow-band carriers. The Journal of the Acoustical Society of America, 102(5 Pt 1), 2892-2905. Egan, J. P. & Hake, H. W. (1950). On the masking pattern of a simple auditory stimulus. Journal of the Acoustical Society of America, 22, 622-630. Ehret, G. & Schreiner, C. E. (1997). Frequency resolution and spectral integration (critical band analysis) in single units of the cat primary auditory cortex. Journal of Comparative Physiology A, 181(6), 635-650. Fletcher, H. (1940). Auditory patterns. Review of Modern Physics, 12, 47-65. Glasberg, B. R. & Moore, B. C. (1990). Derivation of auditory filter shapes from notched-noise data. Hearing Research, 47(1-2), 103-138. Glasberg, B. R. & Moore, B. C. (2000). Frequency selectivity as a function of level and frequency measured with uniformly exciting notched noise. The Journal of the Acoustical Society of America, 108(5 Pt 1), 2318-2328. Jurado, C. & Moore, B. C. (2010). Frequency selectivity for frequencies below 100 Hz: Comparisons with mid-frequencies. The Journal of the Acoustical Society of America, 128(6), 3585-3596. Lee, S. & Lim, D. (2010). Speech perception boundaries of Korean confusing monosyllabic minimal pairs (CVC) in normal adults. The Journal of the Acoustical Society of Korea, 29(5), 325-331. Moore, B. C. J. (2012). An Introduction to the Psychology of Hearing (6th ed.). (pp.68-80). Bingley: Emerald. Patterson, R. D. (1976). Auditory filter shapes derived with noise stimuli. The Journal of the Acoustical Society of America, 59(3), 640-654. Suga, N. (2012). Tuning shifts of the auditory system by corticocortical and corticofugal projections and conditioning. Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 36(2), 969-988. Weinberger, N. M., Javid, R., & Lepan, B. (1993). Long-term retention of learning-induced receptive-field plasticity in the auditory cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 90(6), 2394-2398. 143