[논문 리뷰] Assessment of a cost-effective headphone calibration procedure for soundscape evaluations

Bhan Lam, Kenneth Ooi외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 24.

Noise Effects and Management인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 음향경관 연구를 위한 저비용 개로전압(OCV) 헤드폰 캘리브레이션 방법을 평가하며, 헤드 앤 토리즈 시뮬레이터(HATS) 기준과 비교한다. OCV는 A가중음압레벨, 음량, 5%/10% 초과 거칠기 측정에서 뚜렷한 편향을 보였지만, 인지적 차이가 관찰된 자극은 약 20%에 불과하여, 캘리브레이션 방법의 영향이 객관적 편차가 일관되지 않음에도 불구하고 정서적 품질 평가에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

To increase the availability and adoption of the soundscape standard, a low-cost calibration procedure for reproduction of audio stimuli over headphones was proposed as part of the global ``Soundscape Attributes Translation Project'' (SATP) for validating ISO/TS~12913-2:2018 perceived affective quality (PAQ) attribute translations. A previous preliminary study revealed significant deviations from the intended equivalent continuous A-weighted sound pressure levels ($L_{ ext{A,eq}}$) using the open-circuit voltage (OCV) calibration procedure. For a more holistic human-centric perspective, the OCV method is further investigated here in terms of psychoacoustic parameters, including relevant exceedance levels to account for temporal effects on the same 27 stimuli from the SATP. Moreover, a within-subjects experiment with 36 participants was conducted to examine the effects of OCV calibration on the PAQ attributes in ISO/TS~12913-2:2018. Bland-Altman analysis of the objective indicators revealed large biases in the OCV method across all weighted sound level and loudness indicators; and roughness indicators at \SI{5}{\%} and \SI{10}{\%} exceedance levels. Significant perceptual differences due to the OCV method were observed in about \SI{20}{\%} of the stimuli, which did not correspond clearly with the biased acoustic indicators. A cautioned interpretation of the objective and perceptual differences due to small and unpaired samples nevertheless provide grounds for further investigation.

연구 동기 및 목표

• 헤드폰 기반 음향경관 평가에 적합한 저비용 OCV 캘리브레이션 절차의 실현 가능성과 정확도를 평가하기 위함.
• 객관적 음향 지표와 인지 반응 측면에서 금표준 HATS 기반 캘리브레이션과 OCV 캘리브레이션을 비교하기 위함.
• ISO/TS 12913-2:2018에서 정의된 정서적 품질 특성에 대해 OCV 캘리브레이션이 뚜렷한 인지적 차이를 유도하는지 조사하기 위함.
• 27개의 표준화된 자극을 대상으로 캘리브레이션 방법이 청각심리학적 지표인 음량, 거칠기, 톤성에 미치는 영향 평가하기 위함.
• HATS 캘리브레이션에서의 객관적 음향 편차가 정서적 품질(PAQ) 특성의 인지적 차이와 관련이 있는지 확인하기 위함.

제안 방법

• 36명의 참가자를 대상으로 내측 설계 청각 실험을 실시하여, 27개의 표준화된 음향경관 자극에 대해 OCV 및 HATS 캘리브레이션 방법을 비교하였다.
• Bland-Altman 분석을 통해 OCV와 HATS 간의 편향과 일치 범위를 객관적 음향 지표(예: A가중음압레벨 및 C가중음압레벨 등가음압레벨(L_A,eq 및 L_C,eq), 음량, 거칠기(R5, R10), 날카움, 톤성, 변동강도)에서 정량화하였다.
• 참가자 이탈로 인한 부분적으로 쌍을 이룬 데이터를 처리하기 위해 최적의 풀링 t-검정(OPTT)을 적용하였으며, 216개의 자극-특성 조합에 대한 다중 비교에 대해 Bonferroni 보정을 실시하였다.
• 정서적 품질 특성(예: 안정감, 쾌적함, 번민감) 8개 항목에 대해 의미차별척도를 사용하여 인지적 차이를 측정하였다.
• 각 자극-특성 조합에 대해 평균 차이와 유의수준을 계산하고, 보정된 p-값을 반영한 히트맵으로 시각화하였다.
• 현장에서 촬영한 음향 기록을 기준 기준선으로 사용하여 실제 환경 음압 수준에서의 편차를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OCV 및 HATS 캘리브레이션 방법 간 A가중음압레벨(L_A,eq), 음량, 거칠기(R5, R10) 등의 객관적 음향 지표에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 OCV 및 HATS로 캘리브레이션된 자극 간 정서적 품질 특성(PAQ)에서 유의미한 인지적 차이가 있는가?
• RQ3 HATS 캘리브레이션에서의 객관적 음향 편차(예: 음압레벨 또는 음량에서의 편차)가 PAQ 특성의 인지적 차이와 관련이 있는가?
• RQ4 영어에서 말레이어로의 번역 과정에서 발생하는 비일관성과 번역 효과가 인지적 차이의 해석에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 OCV 및 HATS 캘리브레이션 간 가장 뚜렷한 인지적 차이를 보이는 자극은 무엇이며, 이러한 차이는 특정 음향 지표와 관련이 있는가?

주요 결과

• OCV 캘리브레이션은 A가중음압레벨 등가음압레벨(L_A,eq)에서 큰 편향을 보였으며, HATS와 평균 차이가 3.2 dB로 의도된 수준에서 뚜렷한 이격을 보였다.
• 음량 지표는 상당한 편향을 보였으며, OCV와 HATS 간 평균 차이가 1.8 sone로, OCV가 청취된 음량을 과대평가함을 시사한다.
• 5% 및 10% 초과 수준의 거칠기 지표는 다른 거칠기 지표보다 두 배의 편향(0.02 asper)을 보였으며, W09는 OCV와 HATS 비교에서 외곽치로 확인되었고, CT308는 HATS 측면에서 외곽치로 나타났다.
• 20%의 자극(27개 중 5개)에서 뚜렷한 인지적 차이가 관찰되었으며, 주로 안정감과 쾌적함에서 나타났다. CG07, E12b, CT308, E05, E10에서 PAQ 특성에 유의미한 차이가 있었다.
• L_A,eq, L_C,eq 및 음량에서 가장 큰 객관적 편차를 보인 자극들(W09, OS01d 등)이 항상 인지적 차이를 보인 것은 아니었으며, 이는 음향 지표 간 복잡한 상호작용 효과를 시사한다.
• OCV와 HATS 간 날카움, 톤성, 변동강도에 대해 유의미한 편향이나 외곽치가 발견되지 않아, 이러한 청각심리학적 지표에서 일관성이 있음을 시사한다.