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오디오 애플리케이션을 지원하는 히어러블 장치


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글/필 히폴(Phil Hipol), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)


최근 수년간 시계, 다양한 의류용 섬유, 피하 임플란트 같은 액세서리에 스마트 전자부품이 집적된 다양한 웨어러블 기술들이 개발되었다. 웨어러블 기술이 적용된 이러한 제품들은 컴퓨터 네트워크에 연결되어 네트워크와 장치 간 데이터를 교환, 분석할 수 있다. 웨어러블 기술은 스마트폰, 스마트워치 등 컴퓨터, 무선 네트워크, 통신 장치를 최소화된 다양한 센서, 트랜스듀서와 집적한 장치에서 시장 선도력을 키워 왔다. 이러한 웨어러블 장치는 이동통신, 활동 모니터링(예: 피트니스 및 수면), 생체 측정(예: 심박수, 온도, 산소 소비), 내비게이션, 지리적 위치 같은 애플리케이션을 지원한다.

히어러블 기술은 빠르게 성장하고 있는 웨어러블 기술의 부분 집합격인 기술로, 향후 수년만에 웨어러블 기술을 잠식할 수 있다. 전형적인 히어러블 장치는 표준 보청기처럼 구성되어 사용자의 귀에 자리한다. 일부 히어러블 장치는 주문 제작되어 사용자가 귀에 맞게 사용할 수 있으며 귀마개처럼 원하지 않는 소리는 차단하기 위해 수동으로 소리를 격리하는 기능을 제공한다. 히어러블 장치는 1개 이상의 마이크로폰을 이용해서 외부에서 소리를 수신하며, 마이크로컴퓨터를 이용해서 소리를 처리할 수도 있다. 처리된 소리는 증폭기로 출력되고 이는 외이도에서 확성기를 구동한다. 일부 히어러블 장치는 휴대전화에 연결되어 히어러블 장치와 상호작용하는 데 필요한 디스플레이와 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.

히어러블 장치는 웨어러블 장치와 비교해서 다음과 같은 여러 장점을 갖췄다.
* 분리되어 있어 부피가 적으며, 떨어져서 파손될 위험이 낮다.
* 귀의 윤곽선과 유사해서 타인에게 보이지 않는다.
* 귀에 가까이 착용하므로 보다 정확하게 생체 정보를 감지할 수 있다.
* 소리를 감지 및 변조할 수 있어서 오디오 향상, 무선 연결, 생체 정보 모니터링, 통신 등 여러 분야에서 유용하고 혁신적인 방식으로 사용할 수 있다.

이번 기술 칼럼에서는 오디오 애플리케이션의 성능을 향상시키는 웨어러블 장치의 응용 부문에 대해 살펴보겠다.

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들리면 믿는 것이다


인간의 귀는 발달된 감각 변환 장치로, 귀에서 음파(또는 압력 진동)를 뇌에서 신경 자극 또는 전기 신호로 변환할 수 있다. 동적 범위는 최대 120dB로, 감지할 수 있는 최저 및 최고 음량 간 비율이 1조배에 달한다. 귀는 또한 20Hz~20kHz의 광범위한 주파수대에서 소리를 감지할 수 있다. 귀는 소리의 발생지와 방향 등 위치를 인식하는 중요한 기능도 갖고 있다. 이러한 기능이 가능한 이유는 인간의 뇌가 음압파가 한쪽 귀에서 다른 쪽 귀로 이동하면서 크기와 상의 미묘한 차이까지 감지할 수 있기 때문이다.

귀는 눈보다 훨씬 빠른 속도로 정보를 처리할 수 있다. 예를 들어, 시각적 데이터를 처리하는 데 50분의 1초가 소요되지만 음성 데이터를 처리하는 데 드는 시간은 1,000분의 1초에 불과하다. 음파가 귀에 전달되면 뇌는 0.05초만에 인식할 수 있다. 눈을 깜빡거리는 시간보다 10배 빠른 속도이다. 뇌는 0.2초면 눈에 도달하는 빛을 이해할 수 있고, 손이나 발에 닿는 사물을 인지할 수 있다. 인간의 청각은 매우 빠르다고 한다. 우리의 선조들은 밤에 앞을 볼 수 없을 때 듣는 능력이 중요했기 때문이다. 잠재적인 위험을 듣고 감지하는 능력이 생과 사를 구분하던 시기였다.

히어러블 오디오 애플리케이션


이렇듯 히어러블 기술은 인간의 귀가 가진 뛰어난 특징을 이용해서 다음과 같은 다양한 응용 분야에서 오디오 성능을 개선한다.

* 소리 증폭
* 주파수 등화 및 필터링
* 소리 마스킹
* 음향 효과
* 능동적 잡음 소거
* 지향성 청각
* 소리 분석

소리 증폭


귀내 장치의 기본 성능 중 하나는 외부에서 유입되는 소리를 증폭해서 청각을 향상시키고 TV 등 다른 장치들을 낮은 볼륨으로 사용할 수 있도록 지원하는 것이다. 그러면 다른 사용자들을 방해하지 않기 때문이다. 지금까지 보청기는 그러한 분야에서 사용되어 왔다. 그러나 보청기는 보건당국이 규제하는 의료장비이기 때문에 사용자는 청능사를 찾아서 증폭이 필요한 주파수대를 확인하는 단계를 거쳐야 한다.

개인용 소리 증폭기(PSAP)를 비롯한 히어러블 제품은 보청기와 유사한 방식으로 소리를 증폭하는 데 사용된다. 이 장치는 처방전이 필요 없는 제품으로, 보청기보다 낮은 가격에 구매할 수 있는 일반의약품이다. 히어러블과 PSAP이 이러한 방식으로 사용된다면 가청 스펙트럼 전체 구간에서 모든 주파수대가 동일하게 증폭될 것이다.

주파수 등화 및 필터링


히어러블 기술에서 더욱 발전된 기능은 귀로 전달되는 음파를 선택적으로 필터링하는 것으로, 사용자는 원하는 주파수에만 집중할 수 있다. 사용자는 등화로 알려진 이 기능을 이용해서 특정 주파수대에서 소리를 감쇠 또는 증폭할 수 있다.

현재 사용할 수 있는 2가지 등화 기술은 다음과 같다.

* 그래픽 등화: 특정 고정 주파수대에서 소리에만 영향을 주는, 단순한 유형의 등화 방식
* 매개변수 등화: 더욱 발전된 유형의 등화 방식으로, 변동하는 대역폭에서 특정 주파수에 있는 소리에만 영향

예를 들어, 비행기 객실 내에서 발생하는 잡음을 분석하면 엔진에서 발생하는 저주파의 '윙'하는 소리와 난기류에서 발생하는 고주파의 '붕'하는 소리가 많을 것이다. 이러한 잡음을 효과적으로 등화하는 방법은 저주파수대역과 고주파수대에서 소리를 감쇠시키고, 중간 주파수대에서 소리를 증폭시키는 것이다.

소리 마스킹


개인 사용자가 주변 소음을 줄여 집중, 휴식, 또는 수면을 취하기 위해 사용하는 화이트 또는 핑크 노이즈 발생기에 히어러블 기술을 적용할 수 있다. 많은 경우에 빗소리, 바람소리, 새소리, 파도 등 자연에서 발생하는 다양한 스펙트럼의 소리들이 화이트 노이즈의 '정전기적' 소리의 대안으로 사용된다. 의료연구 결과에 따르면 소리 마스킹은 이명(귀에서 소리가 '울리는' 질병)을 앓는 사용자에게 '소리를 이용한 치료' 또는 완화하는 효과적인 수단이다. 소리를 감춰 소리를 인식하는 빈도가 감소하기 때문이다.


음향 효과

히어러블 기술은 플랜징/페이징(flanging/phasing), 지연/에코, 리버브, 코러스 등 음향 효과를 추가함으로써 실시간 음악 청취 효과를 대폭 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 협소한 공간에서 음악을 청취하면 리버브와 지연 효과가 발생해서 대형 콘서트장에서 듣는 느낌이 들 수 있다. 3D 사운드 같은 음향 효과도 녹음된 소리에 사용될 수 있다. 히어러블 스키퍼 속에 가속도계 및 위치 센서가 내장되어 3D 같은 느낌을 주기 때문이다. 여기에서 소리는 청취자의 위, 아래, 정면, 후면 등 모든 방향에서 발생하는 것처럼 느껴질 것이며, 사용자가 방에서 이동하거나 머리를 들면 강도가 변경될 것이다. 이러한 3D 사운드의 특성은 가상현실을 이용한 게임 환경에서 잘 발현될 것이다.

능동적 잡음 소거


특정 주파수대에 있는 모든 소리가 감쇠되는 필터링과 달리 ANC(능동적 잡음 소거)는 이보다 더 좋은 주파수대에서 발생하는 특정 소리를 선택해서 제거할 수 있다. ANC 기술에는 발생하는 소리를 수집하기 위해 1개 또는 그 이상의 마이크로폰이 외부에 배치된다. 그러면 디지털 신호 프로세서가 음파를 검사해서 (보통 주기적으로 발생하는) 잡음 구성 요소를 감지한다. 그 후에는 필요한 음파의 크기와 위상을 계산해서 소리를 파괴적으로 간섭 또는 취소한다(이른바 '안티 노이즈'). 마이크로폰보다 낮은 등급으로 인식되는 확성기는 고막을 향해 안티 잡음을 발송하고 잡음은 고막에 도달하기 전에 사라진다.

ANC가 일상 생활에서 원하지 않는 잡음을 제거하는 데 유용하다는 것을 보기는 쉬운 반면, 직장의 안전을 개선하는 데 더 많은 역할을 담당할 수 있다. 많은 노동자들이 극도로 높은 수준의 잡음에 노출되어 수동적이지만 귀마개를 착용해야 한다. 그러나 귀마개를 착용하면 직장 동료, 공중방송, 자동차의 경고 장치, 기타 움직이는 기계류 등 필요한 소리도 들을 수 없다. 따라서 앞으로 업무 공간에서는 (장치의 몸체를 이용하는) 수동 소리 감쇠 기능을 능동적 잡음 소거 기능과 결합해서 주기적으로 발생하는 배경 잡음이 제거될 것으로 상상할 수 있다. 노동자-노동자, 기계-노동자 간 통신은 히어러블 장치에 내장된 무선 네트워크, 통신, 마이크로폰, 확성기 장치를 통해 구현될 수 있다. 이렇게 수동, 능동 및 통신 구성품들을 함께 사용하면 직원의 청력 손실을 감소시킬 수 있으며, 통신 성능을 향상시키고 직원의 안전성도 제고된다.

지향성 청각


히어러블 장치에 여러 지향성 마이크로폰을 부착하면 사용자는 마이크로폰 중심의 초점 또는 공간 입지를 제어할 수 있다. 그렇게 되면 초점 외부에 있는 다른 소리는 모두 봉쇄된다. 음향 빔포밍이라고 알려진 이러한 기능을 이용하면 많은 곳에서 소리가 발생하는 매우 시끄러운 환경에서 1대1로 대화할 수 있다. 사용자는 또한 빔포밍을 이용해서 복잡한 음장 내에서 특정 소리를 파악할 수 있다. 음향 빔 마이크로폰은 현재 TV 방송에 사용되고 있다. 스포츠 경기처럼 배경 잡음이 큰 곳에서 현장에 있는 아나운서나 선수의 음성을 들을 수 있는 것이다.

소리 분석


히어러블 장치에서 발생하는 마이크로폰의 신호들은 컴퓨터 플랫폼을 통해 무선으로 녹음, 전송되어 나중에 음향 분석 및 신호 처리에 사용될 수 있다. 예를 들어, 정비공, 기술자, 서비스 담당자 등이 운영장치의 기계적 이상 현상을 빠르게 파악할 수 있다. 또는 의사나 간호사가 환자의 숨소리 또는 심장박동의 패턴을 듣고 병을 빠르게 파악할 수 있다.

히어러블 기술의 구성요소


마우저는 반도체, 상호연결장치, 수동 부품, 전기기계 부품 등 다양한 제품들을 공급하며, 이중 다수는 히어러블 기술이 구현된다. 히어러블 기술이 적용된 일부 제품을 아래에서 소개한다.

* PUI Audio 100mm 리드선이 있는 마이크로폰은 시제품 제작, PCB 설계 및 레이아웃, 조립을 매우 빠르게 진행하려는 목적으로 개발되었다. 할로겐이 없는 UL3302 32 AWG 와이어에 색깔을 적용해서 극성을 표시함으로써 사고로 인한 극성 반전을 사실상 방지한다. 이 라인의 마이크로폰은 기존에는 납땜용 패드로만 제공되었던 4mm, 6mm, 9mm 모델을 기반으로 개발되었다.

* PUI Audio PMM-3738-VM1010-R은 저잡음, 단일 종단형 아날로그 압전 MEMS 마이크로폰으로, 웨이크 온 소리를 제공한다. Vesper 기술이 적용된 PMM-3738-VM1010-R은 세계 최초의 ZeroPower Listening™ 압전 MEMS 마이크로폰이며, 초저 전력, 상시 음성 인식 솔루션에 맞게 개발되어 배터리 전원식 장치에 음성 인식 기능을 제공한다. 웨이크 온에서 완전 오디오 출력, 먼지 및 습기에 대한 저항, 최대 10배의 배터리 수명 확대 같은 성능을 갖췄다.

* Microchip의 RN52 Bluetooth® 오디오 모듈은 소형 폼 팩터에서 고품질 스테레오 오디오를 제공하는 완전 집적형 솔루션이다. 클래스 2 Bluetooth 라디오에 내장형 DSP 프로세서가 결합되었으며, 간단한 ASCII 명령 및 GPIO를 통해 제어 및 구성된다. RF, 기저 대역 컨트롤러, DSP가 집적된 완벽한 Bluetooth 오디오 무선 링크이다. RN52는 HFP/HSP, A2DP, AVRCP, SPP, iAP 규격을 지원하며, SBC, aptX®, AAC 등 코덱에 대한 지원도 포함한다. UART 인터페이스, GPIO, 스테레오 스피커 출력장치, 스테레오 마이크로폰 입력장치, USB 포트도 제공한다.

마우저는 다중 프로토콜 무선 플랫폼을 개발할 수 있도록 사물인터넷(IoT) 프로젝트의 완벽한 기초가 되는 SparkFun ESP32 및 ESP8266 Things의 재고를 보유 중이다. 이 장치는LED 전원을 켜는 것부터 phant.io를 포함하는 데이터를 포스팅하는 것까지 모든 기능을 수행하며, 여느 마이크로컨트롤러처럼 프로그래밍해서 사용할 수 있다. ESP32 Arduino 코어를 설치하면 Arduino IDE도 프로그래밍할 수 있다.

결론


'히어러블'은 웨어러블 기술의 부분 집합이지만 빠르게 성장 중인 기술로, 모바일 연결, 오디오 개선, 생체 측정, 통신과 관련해서 우리의 생활에 큰 변화를 가져올 잠재력이 있다. 오디오 및 엔터테인먼트 분야에서 히어러블을 사용하는 많은 애플리케이션이 개발되고 있으며 계속해서 발전 중이다. 우리는 점차 많은 사용자들이 히어러블 기술을 사용하는 모습을 볼 것이며, 이와 함께 소비자의 수요를 충족하는 많은 제품과 애플리케이션이 개발될 것이다. 히어러블은 센서, 트랜스듀서, 증폭기, 네트워크 통신, 마이크로프로세서 등 소형화된 전자제품 부품으로 구현된다. 마우저 일렉트로닉스는 이러한 첨단 부품들을 제품 개발자들에게 제공해서 히어러블이 현실에서 구현될 수 있도록 최선을 다하고 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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