02[1].보청기의 구조와 기능

한림대학교 자연과학대학 언어청각학부 이경원한림대학교 자연과학대학 언어청각학부 이경원

보청기의 구조와 기능

2005 년 3 월 25 일


보 청 기 의 전 기 전 자 적 지 식 은 전 압․ (volt, V), 전 류(ampere, A), 저항 (ohm, Ω), 전력 (watt, W) 등의 가장 기본적인 뿌리로 이해할 수 있으며 , 이들을 효율적으로 조 절 하 기 위 해 서 저 항 기 (resistor, R), 축 전 기(capacitor, C), 코일 (inductor, L) 등의 수동소자 (<그 림 2-1> 참 조 ) 와 다 이 오 드 (diode), 트 랜 지 스 터(transistor) 등의 능동소자가 사용된다 .

저항기 , 축전기 그리고 코일수동소자


저항기 , 축전기 그리고 코일저항 그리고 저항기

전기회로에 인가된 전압에 의해 발생하는 전류의 양을 제한하고 , 방해하는 힘을 저항 (resistance) 이라고 한다 . 저항 값이 작을수록 전류가 잘 흐르게 되며 , 단위는 Ohm[Ω] 을 사용한다 . 도체는 저항이 작은데 비해 절연체는 아주 큰 저항 값을 갖는다 . 저항기는 탄소합성저항기 , 권 선 저 항 기 , 가 변 저 항 기 등 이 있 으 며 , 저 항 값 을 변화시킬 수 있는 가변저항기는 보청기의 출력을 조절할 수 있는 음량조절기 (volume) 등으로 사용된다 .

이외에 보청기에서는 크기가 아주 작은 칩저항기 (chip resistor) 를 사 용 하 며 , 음 질 조 절 기 (tone control), 이득조절기 (gain control) 및 최대출력조절기 (maximum output control) 등의 보청기의 회로를 구성한다 .


축전기 (capacitor) 혹은 콘덴서 (condenser) 는 < 그림 2-2> 와 같이 , 두 개의 병렬로 구성된 금속 도체판 사이에 유전체라고 부르는 절연체를 삽입한 것으로 , 자유전자가 절연체 속을 통해서 흐를 수 없기 때문에 , 공기나 종이와 같은 유전체에서 전하 (electric charge) 를 축적시킬 수 있다 . 축전기는 주파수가 높은 교류신호는 잘 흐르게 하지만 , 주파수가 낮은 직류신호는 잘 흐르지 못하게 하는 특성을 갖는다 .

저항기 , 축전기 그리고 코일전하 그리고 축전기

보 청 기 에 서 는 전 하 의 축 적 량 이 아 주 작 은 세 라 믹 콘 덴 서 (ceramic condenser) 등이 주로 사용되고 있으며 , 이들은 저항과 직렬 혹은 병렬로 구성되어 특정한 주파수를 통과하게 하는 여과기 (filter) 의 역할을 수 행 한 다 . 보 청 기 에 서 는 송 화 기 에 들 어 온 음 성 신 호 를 증 폭 기 혹 은 수화기로 전달하거나 , 대역여과기 (band pass filter) 를 이용한 채널(channel) 의 구 성 , 저 음 역 조 절 기 (low tone control) 혹 은 고 음 역 조 절 기 (high tone control) 등 의 음 질 조 절 기 의 용 도 로 사용되고 있다 .

공기공기

절연물

절연물


저항기 , 축전기 그리고 코일코일

1 차 측 코일 (inductor) 1 과 2 차 측 코일 2 는 전기적으로 절연되어 있으며 , 1 차 측에 있는 스위치 S 를 열고 닫을 때 , 2 차 측 코일 2 에 전압이 유기되어 검류계 G 의 지침이 유도 전류에 의해 움직이게 된다 . 이 현상은 코일에 흐르는 전류의 양이 증가 혹은 감소될 때 , 코일의 주위에는 자기장이 형성되며 , 이들 주위에 또 다른 코일을 접근 시키면 다른 도체 내에 전압이 유기되어 전류가 흐르게 된다 . 이러한 현상을 인 덕 턴 스 (inductance) 라 고 하 며 , [H](Henry) 의 단 위 를 사 용 한 다 . 코일은 주파수가 낮은 직류는 잘 흐르게 하지만 , 주파수가 높은 교류는 잘 흐르지 못하게 하는 특성이 있다 . 그러나 직류전원은 자속의 변화가 없기 때문에 어떠한 유도전압도 발생시키지 않는다 .

보청기에서는 자성체 주위에 코일이 감긴 텔레코일 (tele-coil) 등으로 사용되며 , 전화기의 수화기 등에서 코일에 형성되는 자기장을 텔레코일이 감지하여 , 음성신호로 바꾸어 주는 역할을 하며 , [AT/m]의 단위를 사용한다 .

G

S

E

M

코일 1 코일 2

G

S

E

M

코일 1 코일 2


다이오드 (diode) 는 가전자가 3 개인 P 형 물질과 가전자가 5 개인 N 형 물질의 반도체를 < 그림 2-4> 의 (A) 와 같이 접합한 것으로 , 전류를 한쪽 방향으로만 흐를 수 있게 하는데 , 이러한 특성을 이용하여 교류를 직류로 바꾸거나 , 전압을 일정하게 유지하도록 하는 작용을 한다 . 또한 보청기를 포함한 전자기기 등에서 전기신호를 음성신호로 바꾸어 주거나 , 귀환회로 (feedback circuit) 를 이용하여 신호의 감시 및 조절 등에 이용한다 .

저항기 , 축전기 그리고 코일Diode

N PN P- +- +


저항기 , 축전기 그리고 코일transistor

증폭기의 가장 기본적인 요소인 트랜지스터 (transistor) 는 1948 년 벨 전화 연구소에 의해 최초로 소개되었으며 , 1960 년부터 진공관 대신 트랜지스터를 본격적으로 사용하기 시작하였다 . 트랜지스터는 P 형 및 N 형의 두 가지 종류의 반도체가 < 그림 2-5> 처럼 샌드위치 형태로 결합되어 사용된다 . 여기에서 베이스 (B) 는 자유전자 (electron) 혹은 정공 (hole) 이 통과할 수 있도록 충분히 얇게 만들어져 있다 .

P PN

에미터(E)

베이스(B)

컬렉터(C)

P PN

에미터(E)

베이스(B)

컬렉터(C)

P NN

컬렉터(C)

에미터(E)

베이스(B)

P NN

컬렉터(C)

에미터(E)

베이스(B)


저항기 , 축전기 그리고 코일transistor

트랜지스터는 작은 전류에 의해서 실제로 증폭 작용을 하는 가장 중요한 소자이다 . < 그림 2-6> 에서 입력 측으로 들어온 미약한 신호는 가변저항 R1 을 통하여 트랜지스터의 베이스 (base) 로 전해지며 , 이때 , 가변저항 R2 에 의해 형성된 에미터 (emitter) 측의 전압에 의해 컬렉터 (collector) 측에 증폭된 신호가 모아지게 된다 . 증폭의 양은 트랜지스터의 특성 혹은 가변저항 R1 혹은 R2 에 의해 결정된다 . 보청기의 증폭기에는 적은 내부 잡음을 갖는 쌍극성트랜지스터 (bipolar transistor) 또는 아주 작은 전압에도 동작하는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 형의 트랜지스터 등이 사용된다 . R1

R2

outputSignal

BE

CR1

R2

outputSignal

BE

C


저항기 , 축전기 그리고 코일집적회로 (IC)

집적 회 로 (integrated circuit, IC) 는 < 그 림 2-7> 의 (A) 처 럼 실리콘웨이퍼 위에 수백 혹은 수백만 개의 트랜지스터가 내장되어 있고 , 다이오드 , 저항 , 콘덴서 등의 전기전자 부품도 배선되어 있다 . 일반적으로 집적기술이 점차 발전함에 따라 부품의 수는 증가하지만 크기는 그다지 커지지 않는다 . 그리고 이미 구성된 집적회로 주변에 저항이나 콘덴서 등을 추가해서 우리가 원하는 기능을 수행할 수 있도록 한 것을 하이브리드 (hybrid) 또는 hybrid IC라고 한다 . 이러한 집적기술로 인해 오늘날의 증폭기는 외이도 내에 장착할 수 있을 정도로 크기가 작으면서도 청각손실자의 청각손실 및 청취환경에 맞도록 다양한 기능을 가진 보청기의 개발이 가능하게 되었다 .

Silicon Wafer

C B E

n-wellp n+ n+ n+

GS D

p-well

C B E

n-wellp n+ n+ n+

GS D

p-well

Silicon Wafer

C B E

n-wellp n+ n+ n+

GS D

p-well

C B E

n-wellp n+ n+ n+

GS D

p-well


전압법칙전류

도체 (conductor) 내의 다수의 전자가 외부의 힘에 의하여 임의의 방향으로 흐르는 현상을 전류 (current) 라고 한다 . 단위는 암페어 (ampere, A) 가 사용하며 , 전류의 세기는 저항의 크기에 반비례하고 전압의 크기에 비례한다 .

V

전자의 흐름

-

+V

전자의 흐름

-

+


전압법칙전압

(+) 단자와 (-) 단자 사이에 전구 (lamp) 를 연결하면 , (+)단자에서 (-) 단자로 전류가 흐르게 된다 . 이는 전구에 전류를 흐르게 하는 전기의 압력이 작용하게 되기 때 문 이 며 , 전 기 의 압 력 , 즉 전 압 이 가 해 지 면 도 체 내 의 자유전자가 이동하여 전류가 흐르게 된다 . 이 와 같 이 전 류 가 흐 르 게 하 는 작 용 을 기 전 력(electromotive force) 또는 전압이라고 하며 단위는 볼트 (volt, V) 를 사용한다 .


전압법칙저항

저항은 전기회로에 인가된 전압에 의해 발생하는 전류의 양을 제 한 하 기 도 하 며 , 저 항 을 통 과 하 는 전 류 에 의 해 대체전원으로도 사용할 수 있다 . 이 관계는 오음의 법칙에서 설명하기로 한다 .


전압법칙오옴의 법칙

전압과 전류 , 그리고 저항의 관계를 표시한 것을 오옴의 법칙 (Ohm's law) 이라고 하며 , 다음의 [식 2-1] 과 같이 표현할 수 있다 .

V = I[A] x R[Ω] ---------------------------- [식 2-1]


전압법칙전력

어떠한 기기에 전원을 인가하여 전류를 흘리면 , 기기는 부하 ( 일 ) 로 사용되어 일을 하게 되며 , 기기가 하는 일은 전압과 전류의 곱에 비례한다 . 여기에서 전기가 1 초 동안 하는 일을 전력 (power) 이라 하며 , 단위는 와트 (watt, W) 를 사용한다 . 1[W] 는 1 초 동안에 전압이 1[A] 의 전류가 흐를 때의 전력이 된다 . 일반적으로 전압이 V[V] 이고 , 전류가 I[A]일 때 , 전력 P[W] 는 다음의 [ 식 2-2] 로 표시된다 .

P[W] = I[A] x V[V] = I x (I x R) = I2R[W] ------------------- [ 식 2-2]


보청기의 기본구조 및 기능보청기의 기본구조

대부분의 보청기는 신호처리방식 및 형태에 관계없이 < 그림 2-9>와 같이 거의 비슷한 구조로 이루어져 있다 . 그림에서 보청기로 유입된 음향신호는 송화기에서 전기적 신호로 바뀌어 진다 . 송화기에는 일반적으로 음구 (acoustic inlet) 가 한 개로 구성되어 있으며 , 이것을 전방향송화기 (omni directional microphone) 라고 한다 . 최근의 보청기에서는 전방향송화기에 비해 신호대잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR) 를 3 ~ 5 dB 향상시키기 위해 음구가 2 개 이상이 있는 방향송화기 (directional microphone) 를 사용하기도 하며(Valente et al., 1995), 보통은 스위치에 의해 전방향 모드와 방향 모 드 로 전환할 수 있 는 이 중 방향송화 기 (dual microphone) 를 사용하기도 한다 .


보청기의 기본적인 증폭기는 A급 (class A), B급 (class B) 그리고 D급 (class D) 증폭기가 있다 . 음향신호는 송화기 측의 필터에 의해 저음 , 중음 또는 고음의 이득이 청각손실형태에 알맞게 그 이득이 조절된다 . 이들 증폭기의 특징은 정점절단 (peak clipping) 에 의한 음의 왜곡 (distortion) 이 발생하며 , 과다한 음의 왜곡은 보청기의 음질과 말소리의 분별력을 떨어트리게 한다 . 이러한 음의 왜곡을 최소화하기 위해 입력의 증가율과 출력의 증가율이 다른 비선형증폭(compression 또는 non-linear amplification) 방식이 개발되었으며 , 청각손실자가 다양한 청취환경에서도 편안하게 착용할 수 있는 보청기를 구현하기 위해 디지털 신호처리 장치를 응용한 디지털 보청기가 개발되어 출시되고 있다 . 음향 증폭의 마지막 단계인 수화기는 증폭된 전기적 신호를 청취자가 들을 수 있는 음향신호로 다시 환원시켜 준다 . 이때 증폭된 음향신호는 수화기의 공명효과 , 보청기에 연결된 튜브 , 음향의 흐름을 방해하는 음향필터 (acoustic filter 혹은 damper) 그리고 외이도의 길이 등에 의해 보청기의 각 주파수 별 이득 및 음압이 독특한 형태로 변형된다 . 또한 이를 이용해 청각손실자가 다양한 소리를 편안히 들을 수 있도록 조절 및 변경이 가능하게 된다 .

보청기의 기본구조 및 기능보청기의 기본구조


보청기의 주요부품 및 기능송화기와 기본 구조

송화 기 (microphone) 의 기능은 보 청 기 로 유 입 된 음향에너지 를 전기에너지로 바꾸어 준다 . 이러한 소자들을 수화기와 아울러 변환기(transducer) 라고 한다 . 이상적인 송화기는 입력 음성신호의 파형과 출력 전기신호의 파형의 형태가 같아야 한다 . 그리고 송화기로 들어오는 신호가 2배가 되면 출력도 2배가 되는 선형적인 특성을 갖는다 . 입력음압과 출력전압의 관계를 송화기의 감도라고 하는데 , 보통 송화기의 감도는 16 mV/Pascal 정도가 된다 . 바꾸어 말하면 70 dB SPL의 음압은 대략 1 mV의 전압으로 변환된다 .


송화 기 의 음 성 에 대 한 주 파 수 반응 (frequency response) 은 일반적으로 수평 (flat type) 의 형태를 나타낸다 . 그러나 청각손실의 형태에 따라 각 주파수별 이득을 적당히 조절하여야 하는데 , 첫 번째가 저음역의 이득조절 (low cut) 이다 . 이 역할은 송화기 내에 있는 진동판의 앞과 뒤의 공기의 양을 조절해 주는 공기통로의 크기에 의해서 결정된다 . 공기통로가 많이 열려 있으면 보다 넓은 주파수 대역에서 보다 많은 감쇄가 일어난다 . 다른 하나는 공명주파수의 조절이다 . 공명은 음입구의 크기와 진동판의 용적에 의해서 결정되며 , 이것을 Helmholtz 공명이라고 한다 . 이 공명주파수는 보통 4 ~ 5 KHz 에서 약 5 dB 정도 높게 나타난다 .

보청기의 주요부품 및 기능송화기와 주파수반응


첫째 , 송화기는 염분 ( 땀 ) 등과 같은 화학 물질에 약하여 쉽게 부식되어 보청기의 주된 고장의 원인이 되며 , 둘째 , 송화기에서 음향신호가 전기신호로 변환될 때 , 전기적 잡음을 일으키거나 , 음의 왜곡을 일으킬 수 있다 . 이때 잡음은 증폭기 내로 들어가서 증폭되어 , 조용한 곳에서는 경도의 청력손실을 가진 난청자가 들을 수 있을 정도로 커진다 . 셋째 , 수화기의 진동이 보청기외형 (shell) 을 통해 송화기로 전달되면 증폭과정을 거쳐 난청자도 들을 수 있는 음향되울림 (acoustic feedback) 으로 변환될 수 있다 . 넷째 , 송화기의 음구 주위로 바람이 스치게 되면 소용돌이가 발생하여 원치 않는 잡음을 발생시킬 수 있다 . 특히 보청기의 송화기가 밖으로 많이 노출될수록 바람에 의한 잡음이 많아지는데 , 해결책으로는 고막보청기 (CIC type) 와 같이 송화기를 외이도 안쪽 깊숙이 넣거나 , 얇은 스카프를 걸치는 것도 바람에 의한 잡음을 줄이는데 효과가 있다(Brooks & Bulmer, 1981). 요즈음의 갑개 또는 외이도보청기에는 송화기덮개가 부착되어 있어 바람의 영향을 줄이는데 효과적이다 .

보청기의 주요부품 및 기능송화기와 주파수반응


보청기의 주요부품 및 기능증폭기와 음의 왜곡

PC limit

Input: low signal

Output

PC limit

Input: high signalOutput

증 폭기 는 신호 를 특정 한 최대 음 압 (maximum level)까지만 증폭할 수 있다 . 입력의 작은 신호는 출력음압이 최대 점에 도달하기 전까지는 입력음압과 출력음압이 같은 비율로 증가하는 선형적인 증폭특성 (linear amplification)을 갖는다 .


보청기의 주요부품 및 기능증폭기와 음의 왜곡

증폭된 출력음압이 보청기의 최대출력보다 클 경우 , 정점절단에 의해 출력이 제한되고 왜곡 (distortion) 이 발생했음을 의미한다 . 출 력 압 축 (output compression) 방 식 으 로 출 력 을 결 정 하 는 증 폭 기 를 제 외 한 모든 선 형 증 폭 방식의 증폭기는 큰 소리의 입력 시 출력신호에 왜곡이 발생한다 . 신호의 왜곡은 음의 질적 저하를 초래하고 (Agnew, 1997; Crain & Tasell, 1994; Kates & Kozma-Spytek, 1994), 어음의 분별력을 저해하는 요소로 작용한다 (Crain & Tasell, 1994; Jirsa & Norris, 1982). 총 왜곡율 (total harmonic distortion) 이 10 % 이 상 일 경우는 보 청 기 에 서 출력되는 음질에 악영향을 미칠 수 있다 (Lawson & Chial, 1982).


가장 간단한 형태의 증폭기이며 , 동작원리는 < 그림 2-13> 의 (A)에서 볼 수 있듯이 입력 측에 신호가 없어도 증폭기에는 항상 일정한 전류가 흐르게 된다 . 이때 입력 측에 신호가 들어오면 , 그림의 (B)와 같이 양 (positive) 의 신호가 증폭기에 흐르고 있던 전류에 더해져서 큰 에너지의 출력신호로 변환된다 . 출력신호 중 양의 신호는 증폭기의 전류에 의해 증가하지만 , 음 (negative) 의 신호는 오히려 감소한다 . 따라서 증폭효율은 50% 이하로 떨어지며 , 극히 낮은 왜곡을 갖는 증폭기의 구현이 사실상 힘들어 진다 . 따라서 현재 A급 증폭기의 사용빈도수가 점차 감소하고 있는 실정이다 .

보청기의 주요부품 및 기능출력증폭기 -A 급 증폭기

Input Output

Input Output


B 급 (class B) 증 폭 기 는 < 그 림 2-14> 와 같 이 두 개 의 증 폭 기 로 구 성 된 다 . 증 폭 기 T1 은 입 력 된 신 호 의 파 형 중 , 양 (+) 의 신 호 를 증폭하게 되며 , 증폭기 T2 는 역 위상이 된 음 (-) 의 신호를 증폭한다 . 따라서 두 개의 신호가 수화기의 진동판을 움직이게 되는데 , 양의 신호가 진동판을 밀게 (push) 되면 , 음의 신호는 진동판을 잡아당기게 (pull) 된다 . 그래서 B 급 증폭기를 push-pull 증폭기라고도 하며 , 이 결과 출력에 진폭이 큰 파형 , 즉 고출력의 신호를 얻을 수 있게 된다 . B 급 증폭기는 고 출 력 용 의 보 청 기 에 사 용 되 고 있 으 며 , 이 론 적 으 로 신 호 음 에 대 한 증폭효율은 79% 정도이다 . 그러나 B 급 증폭기를 만들기 위하여 용량이 큰 콘덴서가 필요하게 되어 보청기를 작게 만드는데 어려움이 있다 .

보청기의 주요부품 및 기능출력증폭기 -B 급 증폭기

- 1

T1

T2

- 1- 1

T1

T2


보청기의 주요부품 및 기능출력증폭기 -D 급 증폭기

D 급 보청기는 100 KHz 대의 주파수를 운반자 (carrier) 로 사용하여 증폭하기 때문에 잡음에 의한 영향을 덜 받게 되며 , 왜곡 또한 극히 낮게 되어 음질이 양호한 편이다 . B 급 증폭기처럼 양 (+) 의 신호와 음 (-) 의 신호 모두를 증폭하지만 증폭효율은 이론적으로 100% 에 가까워서 선형 증폭기 중 건전지의 소모가 가장 적은 편이다 .

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